Otwórz - Unisens

Informacje techniczne
Precyzyjny, elektroniczny inklinometr zastępuje tradycyjną poziomicę.
Od wieków poziomica jest niezbędnym elementem zestawu narzędzi.
Ten nieskomplikowany przyrząd pozwala na łatwe sprawdzenie, czy
dana płaszczyzna jest pozioma lub pionowa. Różne wersje poziomic są
do dziś używane przez stolarzy, kamieniarzy, murarzy, robotników
budowlanych, geodetów, mechaników maszyn przemysłowych,
ślusarzy, a także przez fotografów i operatorów kamer.
Obecnie, ze względu na postęp w dziedzinie technik pomiarowych oraz
przystępne ceny elementów mikroelektronicznych tradycyjne poziomice
mogą być zastępowane dokładniejszymi przyrządami elektronicznymi.
Rys. 1: tradycyjna poziomica
Zasada pomiaru konduktometrycznego
Działanie poziomicy jest oparte na przemieszczaniu się cieczy pod wpływem grawitacji. W praktyce, poziomica umożliwia
sprawdzanie ustawienia przedmiotu względem płaszczyzny poziomej lub pionowej. Przyrząd ten jest nadal szeroko
stosowany, chociaż ma kilka wad. Najważniejszą z nich jest niepewność określania kąta, która jest spowodowana
paralaksą. Ponadto, poziomica wymaga interakcji człowieka, a co za tym idzie nie może być wbudowywana w systemy
automatyczne ani systemy do zdalnego monitorowania.
Do uzyskania większej dokładności jest potrzebny elektroniczny odpowiednik poziomicy, wykorzystujący wpływ grawitacji
na ciecz i przetwarzający jej położenie na sygnały elektryczne. Użyta w tym celu ciecz musi być łatwo dostępna oraz
charakteryzować się właściwościami, które można mierzyć metodami elektrycznymi. Powyższe warunki są spełnione
przez elektrolity, tzn. roztwory substancji, których cząsteczki pod wpływem pola elektrycznego ulegają dysocjacji na jony.
Gdy w elektrolicie zostaną zanurzone dwie płaskie elektrody o przeciwnej polaryzacji, zjawisko dysocjacji może być
wykorzystane do pomiaru kąta nachylenia naczynia z cieczą. Między elektrodami będzie wówczas przepływał prąd
elektryczny, którego natężenie zależy zarówno od przyłożonego napięcia, jak i od ilości oraz wartościowości jonów.
Zjawisko to jest nazywane przewodnictwem jonowym, a jego miarą jest przewodność χ (odwrotność rezystancji)
-1
podawana w Siemensach (S = Ω ).
Podstawowa zasada działania „elektronicznej poziomicy” opiera się więc zależności między przewodnością elektryczną
cieczy (lokalnym stężeniem jonów) a położeniem elektrod względem osi nachylenia.
Inklinometr oparty na tej metodzie pomiaru jest wyposażony w dwie pary elektrod, zamontowanych na dnie naczynia
z elektrolitem i ustawionych równolegle do osi nachylenia. W celu uniknięcia zjawisk spowodowanych stałą polaryzacją
powierzchni elektrod, do pomiarów stosuje się napięcie przemienne, dzięki czemu obie pary elektrod wytwarzają pole
rozproszone (patrz rys. 2). W skutek zmniejszenia wysokości cieczy w naczyniu maleje ilość jonów nad elektrodą, a tym
samym przewodność elektrolitu. Wysokość cieczy zależy natomiast od kąta nachylenia. Oznacza to, że zmiana kąta
nachylenia (tzn. odchylenie od płaszczyzny poziomej) powoduje zmianę przewodności elektrycznej.
Zjawisko to stanowi podstawę pomiaru konduktometrycznego.
MEAS Deutschland GmbH
Hauert 13, D-44227 Dortmund, Germany
Tel.: +49-(0)231-9740-0
Faks: +49-(0)231-9740-20
www.meas-spec.com
1z4
Rew. 1 / listopad 2012
Przedstawicielstwo w Polsce: UniSens
www.unisens.com.pl
e-mail: [email protected]
Informacje techniczne
Poziom zerowy
Poziom zerowy
Kąt nachylenia
Elektrolit
Elektrolit
Elektroda
Elektroda
Oś nachylenia
Elektroda
Oś nachylenia
Elektroda
Rys. 2: Pomiar kąta nachylenia na podstawie zmian przewodności elektrycznej
Aby umożliwić określanie kierunku nachylenia (G1≤G2 lub G2≤G1), napięcie przemienne jest doprowadzane do par
elektrod w przeciwfazie. W celu wykrywania superpozycji pól elektrycznych jest stosowana piąta elektroda (elektroda
pomiarowa). Przy zerowym nachyleniu (wypoziomowaniu) oba pola są równe co do natężenia (różnią się tylko fazą)
i dlatego kompensują się wzajemnie. Tym samym sygnał wyjściowy ma wartość zero.
Przy nachyleniu względem osi środkowej, ciecz przepływa na jedną stronę naczynia, tak aby lustro cieczy znajdowało się
w płaszczyźnie poziomej (patrz ilustracja powyżej). Para elektrod, nad którą znajduje się większa ilość cieczy, generuje
silniejszy sygnał wyjściowy, natomiast druga para generuje słabszy sygnał. Stan niezrównoważenia jest wykrywany przez
elektrodę pomiarową. Gdy system zostanie przechylony w przeciwnym kierunku, zmieni się znak sygnału wyjściowego.
W ten sposób jest zbudowany jednoosiowy inklinometr przeznaczony do pomiaru dodatnich oraz ujemnych
kątów nachylenia. Inklinometr dwuosiowy jest wyposażony w dwa zestawy elektrod, które są ustawione prostopadle do
siebie i umożliwiają jednoczesny pomiar kątów nachylenia w płaszczyźnie XY.
Ta opatentowana metoda pomiaru w połączeniu ze starannie zaprojektowanymi układami przetwarzającymi sygnał
pomiarowy pozwoliła na opracowanie precyzyjnych inklinometrów elektronicznych, które opisano w następnym rozdziale.
Opis konduktometrycznych inklinometrów z serii DPL
Konduktometryczna metoda pomiaru nachylenia ma wiele zalet, takich jak:
●
●
●
●
stabilna płaszczyzna odniesienia,
duża stabilność długoterminowa,
duża rozdzielczość,
bardzo mały dryft temperaturowy.
Metoda ta została zastosowana w naszych czujnikach z serii DPL (patrz Rys. 3).
Inklinometry z serii DPL są dwuosiowymi czujnikami nachylenia o zakresach pomiarowych ±2°, ±5°, ±10°, ±15° oraz ±30°.
Czujniki te są wyposażone w szybki mikroprocesor aktywnie kompensujący zmiany temperatury oraz linearyzujący sygnał
wyjściowy. Dzięki temu rozdzielczość kątowa wynosi 0,001°, a błąd pomiarowy nie przekracza 0,08° w zakresie
temperatury pracy od 0 °C do +50 °C. Przesunięcie zera wynosi ±0,08°, natomiast dryft temperaturowy zera 0,05° (przy
temperaturach od 0 °C do +50 °C), dzięki czemu przyrząd doskonale nadaje się do zastosowań wymagających pomiaru
kąta w zakresie do ±30°.
Czujniki są ustawione w osiach X oraz Y (prostopadle) i są stabilnie przymocowane do płytki drukowanej o wymiarach
45 x 45 mm.
MEAS Deutschland GmbH
Hauert 13, D-44227 Dortmund, Germany
Tel.: +49-(0)231-9740-0
Faks: +49-(0)231-9740-20
www.meas-spec.com
2z4
Rew. 1 / listopad 2012
Przedstawicielstwo w Polsce: UniSens
www.unisens.com.pl
e-mail: [email protected]
Informacje techniczne
Przyrządy z serii DPL są wyposażone w cyfrowe wyjście UART
(poziomy TTL) lub SPI o programowalnych parametrach (prędkość
transmisji
danych,
płaszczyzna
odniesienia,
wykrywanie
jednopunktowe).
Ponadto,
w
celu
tłumienia
zakłóceń
spowodowanych
zewnętrznymi
wstrząsami
i
wibracjami
zastosowano regulowany filtr.
Ze względu na dużą liczbę parametrów dobieranych przez
użytkownika,
konfiguracje
przyrządów
DPL
mogą
być
dostosowywane do specyficznych zastosowań, np. przemysłowych
lub w pojazdach/sprzęcie przenośnym.
Rys. 3: Dwuosiowy inklinometr z serii DPL
Przykłady zastosowań jedno- oraz dwuosiowych czujników nachylenia:
●
●
●
●
●
●
●
●
●
Systemy wagowe (ważenie ładunku pojazdów, np. cystern samochodowych (patrz Rys. 4))
Maszyny budowlane (żurawie samojezdne oraz stacjonarne, inne maszyny do budowy dróg i kanałów)
Zabezpieczenia antykradzieżowe w samochodach
Monitorowanie ładunku (monitorowanie ram konstrukcyjnych, opróżnianie przechylonych silosów)
Monitorowanie budynków i mostów (ogólne pomiary dynamiczne, ochrona przed skutkami trzęsień ziemi,
monitorowanie odkształceń)
Poziomowanie (stoły pomiarowe i robocze, sprzęt medyczny, ruchome platformy, instalacje wiertnicze, pojazdy
leśne i pożarnicze)
Regulowanie ciśnienia w układzie hamulcowym (pojazdy ciężarowe o dużej ładowności)
Kontrolowanie nachylenia (statki i samoloty)
Pozycjonowanie (instalacje fotowoltaiczne, stacje obserwacyjne np. teleskopy, stacje radiolokacyjne, systemy
laserowe, optyczne systemy pomiarowe)
Rys. 4: Na podstawie kąta nachylenia można sterować elektronicznym hamulcem postojowym, tak aby
optymalnie dostosować siłę hamowania do bieżących warunków (szczególnie przydatne w przypadku
pojazdów użytkowych lub rolniczych).
Regulowanie siły hamowania w zależności do kąta nachylenia
MEAS Deutschland GmbH
Hauert 13, D-44227 Dortmund, Germany
Tel.: +49-(0)231-9740-0
Faks: +49-(0)231-9740-20
www.meas-spec.com
3z4
Rew. 1 / listopad 2012
Przedstawicielstwo w Polsce: UniSens
www.unisens.com.pl
e-mail: [email protected]
Informacje techniczne
Inklinometr mierzy kąt nachylenia pojazdu α względem płaszczyzny poziomej (0°). Dopuszczalny ciężar pojazdu wynosi
FG = m x g (gdzie m = masa pojazdu, g = przyspieszenie ziemskie).
Wymagana siła hamowania (wywierana przez hamulec ręczny) musi wystarczać do zrównoważenia wszelkich czynników
zewnętrznych (np. siły wiatru, prób przesunięcia pojazdu, turbulencji wywołanych przez przejeżdżające samochody, itp.)
Jeśli samochód jest zaparkowany na pochyłości (α >0°), trzeba uwzględnić dodatkową siłę hamowania, która zależy od
ciężaru pojazdu oraz kąta nachylenia. Zgodnie z Rys. 4, ciężar pojazdu FG ma dwie składowe: FGN (działającą
prostopadle, tzn. siłę nacisku) oraz FGH (siłę zsuwającą).
Aby zapobiec stoczeniu się pojazdu, początkową siłę hamowania trzeba zwiększyć o wartość siły zsuwającej,
obliczaną z następującego wzoru FGH = FG x sinα.
Gdy pojazd jest zaparkowany na zboczu góry, jego hamulec postojowy musi zapewniać się hamowania kompensującą
siłę zsuwającą, tzn. ≥ FGH = FG x sinα.
Dokładne określenie kąta nachylenia pozwala więc na wygodne dostosowywanie siły hamowania do bieżących warunków,
co jest szczególnie ważne w przypadku hamulców elektronicznych.
Wnioski
Pomiar konduktometryczny jest oparty na nieskomplikowanych zasadach dynamiki cieczy. Dzięki właściwościom
elektrolitów ciekłych oraz zależności między wysokością cieczy a polem elektrycznym, kąt nachylenia może być
przetwarzany elektronicznie na precyzyjny sygnał pomiarowy. Wbudowany mikroprocesor umożliwia linearyzację sygnału
wyjściowego oraz kompensowanie wpływu temperatury. Inklinometry produkowane przez niemiecką firmę MEAS
Deutschland GmbH cechują się dużą dokładnością pomiarów i sprawdzają się w wielu zastosowaniach. W ofercie
znajdują się przyrządy o różnych konfiguracjach wejść/wyjść, a także w konfiguracji jedno- oraz dwuosiowej.
Informacje zamieszczone w niniejszym dokumencie zostały przygotowane i sprawdzone z dołożeniem należytej staranności, jednak producent nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne błędy i niedokładności. Przekazanie tych informacji nie powoduje udzielenia nabywcy czujników/przyrządów jakiejkolwiek licencji na korzystanie z praw patentowych producenta. Firma Measurement Specialties, Inc. zastrzega sobie prawo do modyfikowania opisanych tu produktów bez uprzedzenia. Firma Measurement Specialties, Inc. nie udziela jakiejkolwiek gwarancji przydatności produktu do określonego celu, ani nie ponosi odpowiedzialności za skutki użytkowania produktu lub zastosowania go w jakimkolwiek urządzeniu lub obwodzie. W szczególności, firma Measurement Specialties, Inc. nie ponosi jakiejkolwiek odpowiedzialności za szkody wynikowe lub pośrednie. Wartości parametrów mogą odbiegać od typowych i różnią się w zależności od zastosowania czujnika. Wszystkie parametry robocze czujnika zainstalowanego w konkretnym urządzeniu muszą być zweryfikowane przez klienta. Firma Measurement Specialties, Inc. nie udziela jakiejkolwiek licencji na korzystanie z jej praw patentowych ani praw stron trzecich.
INFORMACJE KONTAKTOWE
PRZEDSTAWICIELSTWO W POLSCE
www.unisens.com.pl
04-916 WARSZAWA, ul. BYSTRZYCKA 69
tel./fax: 0-22-872-42-25
tel. kom.: +48-601-731-351; +48-885-731-351
e-mail: [email protected]
MEAS Deutschland GmbH
Hauert 13, D-44227 Dortmund, Germany
Tel.: +49-(0)231-9740-0
Faks: +49-(0)231-9740-20
www.meas-spec.com
4z4
Rew. 1 / listopad 2012
Przedstawicielstwo w Polsce: UniSens
www.unisens.com.pl
e-mail: [email protected]