pobieranie: instrukcja czujniki indukcyjne
Pobierz dokument docPrzeglądaj wersję html pliku:
METROLOGIA I SYSTEMY POMIAROWE
CZUJNIKI INDUKCYJNE
OPRACOWANIE: MGR INŻ. CEZARY JAZ
1.Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie własności oraz sposobów
wykonywania badań przy pomocy czujników indukcyjnych .
2.Wprowadzenie
Czujniki indukcyjne są jednymi z najczęściej wykorzystywanych
czujników do przetwarzania wielkości mechanicznych na wielkości
elektryczne. Wykorzystuje się tutaj zjawisko zmiany indukcyjności (
własnej lub wzajemnej ) obwodu elektrycznego pod wpływem zmian
wielkości wejściowej. Czujniki indukcyjne to czujniki parametryczne,
wymagają one zewnętrznego zasilania w celu uzyskania informacji na
temat zmian badanego sygnału. Przetworniki indukcyjne zasila się
napięciem zmiennym. Najczęściej sygnałem wejściowym jest
przesunięcie . Podstawowe rodzaje czujników to :
1.Czujniki dławikowe
2.Czujniki transformatorowe
Czujniki indukcyjne wykonuje się najczęściej jako cewki z
rdzeniem nawiniętym na ferromagnetyczny rdzeń zapewniający większą
czułość i mniejszą wrażliwość na zewnętrzne pola magnetyczne
niż cewki o rdzeniu powietrznym .
2.1 Czujniki indukcyjne dławikowe
W czujnikach indukcyjnych dławikowych informacje o sygnale
wejściowym uzyskujemy na podstawie zmian wartości indukcyjności
własnej . Przetworniki tego typu najczęściej wykonuje się jako bez
dotykowe tzn. role zwory pełni obiekt będący przedmiotem badań .
Czujniki dławikowe można podzielić na :
1.Czujniki solenoidalne ( Rys. 2.1 a) .
Przesunięcie rdzenia w solenoidzie powoduje zmianę strumienia
magnetycznego.
2.Czujniki o zmiennej szczelinie powietrznej ( Rys. 2.1b)
Zmiana szczeliny powietrznej powoduje zmianę indukcyjności własnej.
Zmiana indukcyjności jest funkcją przesunięcia w czasie zwory
względem rdzenia cewki F(x(t)) .
Zależność wiążącą sygnał wejściowy z wyjściowym można
przedstawić :
(1)
,gdzie n – liczba zwojów cewki
μZ , μP – przenikalność magnetyczna materiału rdzenia ,
powietrza ;
SP , SP – powierzchnia przekroju rdzenia i szczeliny ;
LZ , lP – długość odcinka obwodu magnetycznego w rdzeniu
cewki i powietrzu ( można przyjąć, że lP=2[ x0 + x(t) ] ;
x0 - początkowa odległość zwory od rdzenia
elektromagnetycznego cewki ;
x(t) – mierzone przemieszczenie zwory względem rdzenia ;
Rys. 2.1 Przykłady czujników dławikowych o zmiennej szczelinie
powietrznej (a) i solenoidalny (b) i
ich charakterystyki przetwarzania
W zależności (1) wszystkie wielkości będące po prawej stronie
równania oprócz lP są stałe w czasie . Równanie (1) można więc
napisać w następującej postaci :
(2)
, gdzie a , b – const.
Charakterystyka przetwarzania czujnika L=F(x(t)) spełniającego
powyższe zależności pokazana jest na rys. 2.1a
Charakterystyka przetwarzania czujnika dławikowego jest nieliniowa
i tylko na niewielkim jej odcinku wielkość zmiany indukcyjności
wzajemnej jest w przybliżeniu proporcjonalna do wartości
przesunięcia. Zazwyczaj w badaniach wykorzystuje się tylko ten zakres
.
Ze względu na to , że czujniki indukcyjne to czujniki
parametryczne wymagają one zasilania aby uzyskać informacje o zmianach
sygnału , dlatego czujniki te zazwyczaj pracują w układzie mostka
niezrównoważonego prądu przemiennego.
Rys.2.2 Układ mostka niezrównoważonego prądu przemiennego.
Mostek taki zasilany jest napięciem U1 zmiennym o stałej
częstotliwości i amplitudzie. Zmiana impedancji , wynikająca ze
zmiany indukcyjności własnej L1 ramienia mostka , w którą włączony
jest czujnik powoduje odpowiednią zmianę napięcia U2 do której
dołączony jest odbiornik. Dławik L2 znajdujący się w obudowie
czujnika zapewnia częściową kompensację temperatury. Na rys. 2.2
pokazano charakterystykę przetwarzania układu pomiarowego U2=F(x(t) ,
której zakres liniowości jest równie mały jak charakterystyka
przetwarzania samego czujnika. Znaczącą poprawę własności
metrologicznych uzyskuje się budując różnicowy układ połączenia
czujników indukcyjnych (Rys. 2.3).
Rys.2.3 Różnicowy układ połączenia czujników indukcyjnych (a) i
jego charakterystyka
przetwarzania (b).
W układzie takim czujniki muszą być tak położone względem siebie,
żeby przy zmianie położenia zwory w czujnikach powstawały sygnały o
tych samych wartościach ale przeciwnych znakach. Napięcie U2 jest
różnicą napięć w obydwu ramionach , w których umieszczono
czujniki. Rys.2.3b przedstawia przebiegi napięć w poszczególnych
ramionach z czujnikami U21 i U22 i ich różnicę U2. Zaletą
różnicowego połączenia jest zwiększenie zakresu liniowości
przetwarzania czujnika , kompensacja wpływu temperatury i sił
elektromechanicznych działających na zworę.
Najczęściej czujniki indukcyjne dławikowe pracują w układzie
modulatora amplitudy. Schemat takiego układu przedstawia rys.2.4a
Rys.2.4 Schemat układu pomiarowego z czujnikiem indukcyjnym dławikowym
(a) i przebiegi napięć w ważniejszych punktach tego układu.
Działanie mostka niezrównoważonego prądu przemiennego zasilanego
napiciem U1 ( rys2.4b) o stałej amplitudzie i częstotliwości
zostało opisane powyżej. Na jego wyjściu pojawia się zmodulowane
napięcie U2 ( rys2.4c) o stałej częstotliwości i zmiennej
amplitudzie, której wartość powiązana jest z wartością
przemieszczenia zwory względem rdzenia elektromagnetycznego. Następnie
napięcie U2 jest wzmacniane i w prostowniku fazoczułym ulega
demodulacji (rys2.4d). Filtr pozwala na wyeliminowanie resztek
częstotliwości nośnej związanej z częstotliwością zasilania w
wyniku czego otrzymamy sygnał o kształcie przebiegu sygnału
przemieszczenia (rys2.4e).
2.2 Czujniki transformatorowe
W czujnikach indukcyjnych transformatorowych informacje o sygnale
wejściowym uzyskuje się na podstawie zmian indukcyjności wzajemnej .
Czujniki te pracują zazwyczaj w układzie różnicowym i należą do
najczęściej używanych indukcyjnych przetworników przesunięcia.
Podstawowe ich zalety to duża czułość i dokładność przetwarzania
napięciowy sygnał wyjściowy , a także kompensacja sił
elektromechanicznych działających na zworę. Najczęściej
wykorzystuje się dotykowe czujniki transformatorowe.Rys.2.5a i 2.5b
przedstawiają przykłady czujników transformatorowych.
Rys.2.5 Przykłady transformatorowych różnicowych układów czujników
indukcyjnych i
odpowiadające im charakterystyki przetwarzania.
Zasada działania czujnika transformatorowego z rys.2.5a polega na
tym , że przy położeniu środkowym rdzenia ruchomego napięcia U’2
i U’’2 indukowane w obwodach wtórnych mają takie same wartości
ale przeciwne zwroty . Nawinięcie przeciwsobne uzwojeń w obwodzie
wtórnym powoduje , że napięcie U2 jest różnicą wartości tych
dwóch napięć , jest wiec równe zero. Przy przesunięciu rdzenia z
położenia środkowego w jednym z kierunków powoduje wzrost jednego z
napięć o pewną wartość ΔU i spadek drugiego napięcia o wartość
ΔU , w efekcie czego napięcie U2 będzie miało wartość różną od
zera i równą 2ΔU. W zależności od kierunku przesuwania napięcie U2
będzie w fazie lub przeciw fazie względem napięcia zasilania U1.
Rys.2.6.Charakterystyka przetwarzania czujnika transformatorowego z
rys.2.5.a
Dla zmiennego napięcia zasilania o stałej częstotliwości i
amplitudzie można napisać :
(3)
W stanie jałowym , gdy napięcie wtórne będą opisane równaniami :
(4)
stąd wynika ,że gdy :
(5)
to można napisać , że
(6)
następnie przyjmując , że długość szczeliny powietrznej jest
równa 2*[ l0+2x(t) ] z jednej strony rdzenia ruchomego i 2*[ l0-2x(t) ]
z drugiej strony rdzenia ruchomego otrzymamy poniższe :
(7)
,gdzie n1 ,n2 – liczba uzwojeń pierwotnych i wtórnych
l0 – długość szczeliny powietrznej w położeniu
środkowym ;
U1 , U2 – napięcie zasilania i wyjściowe ;
L1 , L2 - długość szczeliny powietrznej ;
x(t) – przemieszczenia rdzenia ;
Na podstawie powyższych wzorów otrzymujemy charakterystykę
przetwarzania jak z rys.2.6.
Ponadto na podstawie wzorów widać , że czułość czujnika zależy od
napięcia zasilania , liczby uzwojeń i szerokości szczeliny
powietrznej. Zakres liniowości ograniczony jest głównie przez
dopuszczalne napięcie zasilania. Przetwarzanie sygnału z
niezrównoważonego mostka prądu przemiennego odbywa się najczęściej
w układzie jak dla czujników indukcyjnych dławikowych.
3.Opis ćwiczenia
3.1. Cel przeprowadzanych badań
Przeprowadzane badania mają na celu wyznaczenie charakterystyki
przetwarzania bezdotykowego indukcyjnego czujnika przemieszczeń JWB-202
poprzez wzorcowanie statyczne.
3.2. Przeprowadzenie pomiarów
Wzorcowanie statyczne polega na zmienianiu według określonej
procedury wielkości wejściowej w zakresie pomiarowym czujnika , po
ustaleniu których następuje określenie odpowiadających im stałych
wielkości wyjściowych.
Schemat blokowy układu wykorzystywanego w tym ćwiczeniu
przedstawia rys.3.1
Rys.3.1 Schemat blokowy układu wzorcowania statycznego
Dla wstępnie ustawionej szczeliny x0 ( 1mm ) przeprowadzamy
zerowanie układu pomiarowego. Zmieniając szerokość szczeliny w
zakresie od x=x+100μ do x=x100μ co 20μ odczytujemy wskazania
woltomierza [ V ] i zapisujemy w tabeli 1 . Wykonujemy trzy przejścia
od wartości x=x0+100μ do x=x0-100μ i z powrotem.
Tablica 1
Lp. Przemieszczenie
X[(m] Wskazanie woltomierz
dla przejścia nr.1 [V] Wskazanie woltomierz
dla przejścia nr.2 [V] Wskazanie woltomierz
dla przejścia nr.3 [V] Wartość średnia
1 +100
2 +80
3 +60
4 +40
5 +20
6 0
7 -20
8 -40
9 -60
10 -80
11 -100
3.3 Opracowanie otrzymanych wyników
Na podstawie tablicy 1 należy wykreślić charakterystykę
przetwarzania badanego czujnika.
Następnie należy wyznaczyć prostą aproksymującą otrzymaną
charakterystykę przetwarzania o równaniu :
Y=aX+b
PAGE
PAGE 8
instrukcja czujniki indukcyjne
METROLOGIA I SYSTEMY POMIAROWE
CZUJNIKI INDUKCYJNE
OPRACOWANIE: MGR INŻ. CEZARY JAZ
1.Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie własności oraz sposobów
wykonywania badań przy pomocy czujników indukcyjnych .
2.Wprowadzenie
Czujniki indukcyjne są jednymi z najczęściej wykorzystywanych
czujników do przetwarzania wielkości mechanicznych na wielkości
elektryczne. Wykorzystuje się tutaj zjawisko zmiany indukcyjności (
własnej lub wzajemnej ) obwodu elektrycznego pod wpływem zmian
wielkości wejściowej. Czujniki indukcyjne to czujniki parametryczne,
wymagają one zewnętrznego zasilania w celu uzyskania informacji na
temat zmian badanego sygnału. Przetworniki indukcyjne zasila się
napięciem zmiennym. Najczęściej sygnałem wejściowym jest
przesunięcie . Podstawowe rodzaje czujników to :
1.Czujniki dławikowe
2.Czujniki transformatorowe
Czujniki indukcyjne wykonuje się najczęściej jako cewki z
rdzeniem nawiniętym na ferromagnetyczny rdzeń zapewniający większą
czułość i mniejszą wrażliwość na zewnętrzne pola magnetyczne
niż cewki o rdzeniu powietrznym .
2.1 Czujniki indukcyjne dławikowe
W czujnikach indukcyjnych dławikowych informacje o sygnale
wejściowym uzyskujemy na podstawie zmian wartości indukcyjności
własnej . Przetworniki tego typu najczęściej wykonuje się jako bez
dotykowe tzn. role zwory pełni obiekt będący przedmiotem badań .
Czujniki dławikowe można podzielić na :
1.Czujniki solenoidalne ( Rys. 2.1 a) .
Przesunięcie rdzenia w solenoidzie powoduje zmianę strumienia
magnetycznego.
2.Czujniki o zmiennej szczelinie powietrznej ( Rys. 2.1b)
Zmiana szczeliny powietrznej powoduje zmianę indukcyjności własnej.
Zmiana indukcyjności jest funkcją przesunięcia w czasie zwory
względem rdzenia cewki F(x(t)) .
Zależność wiążącą sygnał wejściowy z wyjściowym można
przedstawić :
(1)
,gdzie n – liczba zwojów cewki
μZ , μP – przenikalność magnetyczna materiału rdzenia ,
powietrza ;
SP , SP – powierzchnia przekroju rdzenia i szczeliny ;
LZ , lP – długość odcinka obwodu magnetycznego w rdzeniu
cewki i powietrzu ( można przyjąć, że lP=2[ x0 + x(t) ] ;
x0 - początkowa odległość zwory od rdzenia
elektromagnetycznego cewki ;
x(t) – mierzone przemieszczenie zwory względem rdzenia ;
Rys. 2.1 Przykłady czujników dławikowych o zmiennej szczelinie
powietrznej (a) i solenoidalny (b) i
ich charakterystyki przetwarzania
W zależności (1) wszystkie wielkości będące po prawej stronie
równania oprócz lP są stałe w czasie . Równanie (1) można więc
napisać w następującej postaci :
(2)
, gdzie a , b – const.
Charakterystyka przetwarzania czujnika L=F(x(t)) spełniającego
powyższe zależności pokazana jest na rys. 2.1a
Charakterystyka przetwarzania czujnika dławikowego jest nieliniowa
i tylko na niewielkim jej odcinku wielkość zmiany indukcyjności
wzajemnej jest w przybliżeniu proporcjonalna do wartości
przesunięcia. Zazwyczaj w badaniach wykorzystuje się tylko ten zakres
.
Ze względu na to , że czujniki indukcyjne to czujniki
parametryczne wymagają one zasilania aby uzyskać informacje o zmianach
sygnału , dlatego czujniki te zazwyczaj pracują w układzie mostka
niezrównoważonego prądu przemiennego.
Rys.2.2 Układ mostka niezrównoważonego prądu przemiennego.
Mostek taki zasilany jest napięciem U1 zmiennym o stałej
częstotliwości i amplitudzie. Zmiana impedancji , wynikająca ze
zmiany indukcyjności własnej L1 ramienia mostka , w którą włączony
jest czujnik powoduje odpowiednią zmianę napięcia U2 do której
dołączony jest odbiornik. Dławik L2 znajdujący się w obudowie
czujnika zapewnia częściową kompensację temperatury. Na rys. 2.2
pokazano charakterystykę przetwarzania układu pomiarowego U2=F(x(t) ,
której zakres liniowości jest równie mały jak charakterystyka
przetwarzania samego czujnika. Znaczącą poprawę własności
metrologicznych uzyskuje się budując różnicowy układ połączenia
czujników indukcyjnych (Rys. 2.3).
Rys.2.3 Różnicowy układ połączenia czujników indukcyjnych (a) i
jego charakterystyka
przetwarzania (b).
W układzie takim czujniki muszą być tak położone względem siebie,
żeby przy zmianie położenia zwory w czujnikach powstawały sygnały o
tych samych wartościach ale przeciwnych znakach. Napięcie U2 jest
różnicą napięć w obydwu ramionach , w których umieszczono
czujniki. Rys.2.3b przedstawia przebiegi napięć w poszczególnych
ramionach z czujnikami U21 i U22 i ich różnicę U2. Zaletą
różnicowego połączenia jest zwiększenie zakresu liniowości
przetwarzania czujnika , kompensacja wpływu temperatury i sił
elektromechanicznych działających na zworę.
Najczęściej czujniki indukcyjne dławikowe pracują w układzie
modulatora amplitudy. Schemat takiego układu przedstawia rys.2.4a
Rys.2.4 Schemat układu pomiarowego z czujnikiem indukcyjnym dławikowym
(a) i przebiegi napięć w ważniejszych punktach tego układu.
Działanie mostka niezrównoważonego prądu przemiennego zasilanego
napiciem U1 ( rys2.4b) o stałej amplitudzie i częstotliwości
zostało opisane powyżej. Na jego wyjściu pojawia się zmodulowane
napięcie U2 ( rys2.4c) o stałej częstotliwości i zmiennej
amplitudzie, której wartość powiązana jest z wartością
przemieszczenia zwory względem rdzenia elektromagnetycznego. Następnie
napięcie U2 jest wzmacniane i w prostowniku fazoczułym ulega
demodulacji (rys2.4d). Filtr pozwala na wyeliminowanie resztek
częstotliwości nośnej związanej z częstotliwością zasilania w
wyniku czego otrzymamy sygnał o kształcie przebiegu sygnału
przemieszczenia (rys2.4e).
2.2 Czujniki transformatorowe
W czujnikach indukcyjnych transformatorowych informacje o sygnale
wejściowym uzyskuje się na podstawie zmian indukcyjności wzajemnej .
Czujniki te pracują zazwyczaj w układzie różnicowym i należą do
najczęściej używanych indukcyjnych przetworników przesunięcia.
Podstawowe ich zalety to duża czułość i dokładność przetwarzania
napięciowy sygnał wyjściowy , a także kompensacja sił
elektromechanicznych działających na zworę. Najczęściej
wykorzystuje się dotykowe czujniki transformatorowe.Rys.2.5a i 2.5b
przedstawiają przykłady czujników transformatorowych.
Rys.2.5 Przykłady transformatorowych różnicowych układów czujników
indukcyjnych i
odpowiadające im charakterystyki przetwarzania.
Zasada działania czujnika transformatorowego z rys.2.5a polega na
tym , że przy położeniu środkowym rdzenia ruchomego napięcia U’2
i U’’2 indukowane w obwodach wtórnych mają takie same wartości
ale przeciwne zwroty . Nawinięcie przeciwsobne uzwojeń w obwodzie
wtórnym powoduje , że napięcie U2 jest różnicą wartości tych
dwóch napięć , jest wiec równe zero. Przy przesunięciu rdzenia z
położenia środkowego w jednym z kierunków powoduje wzrost jednego z
napięć o pewną wartość ΔU i spadek drugiego napięcia o wartość
ΔU , w efekcie czego napięcie U2 będzie miało wartość różną od
zera i równą 2ΔU. W zależności od kierunku przesuwania napięcie U2
będzie w fazie lub przeciw fazie względem napięcia zasilania U1.
Rys.2.6.Charakterystyka przetwarzania czujnika transformatorowego z
rys.2.5.a
Dla zmiennego napięcia zasilania o stałej częstotliwości i
amplitudzie można napisać :
(3)
W stanie jałowym , gdy napięcie wtórne będą opisane równaniami :
(4)
stąd wynika ,że gdy :
(5)
to można napisać , że
(6)
następnie przyjmując , że długość szczeliny powietrznej jest
równa 2*[ l0+2x(t) ] z jednej strony rdzenia ruchomego i 2*[ l0-2x(t) ]
z drugiej strony rdzenia ruchomego otrzymamy poniższe :
(7)
,gdzie n1 ,n2 – liczba uzwojeń pierwotnych i wtórnych
l0 – długość szczeliny powietrznej w położeniu
środkowym ;
U1 , U2 – napięcie zasilania i wyjściowe ;
L1 , L2 - długość szczeliny powietrznej ;
x(t) – przemieszczenia rdzenia ;
Na podstawie powyższych wzorów otrzymujemy charakterystykę
przetwarzania jak z rys.2.6.
Ponadto na podstawie wzorów widać , że czułość czujnika zależy od
napięcia zasilania , liczby uzwojeń i szerokości szczeliny
powietrznej. Zakres liniowości ograniczony jest głównie przez
dopuszczalne napięcie zasilania. Przetwarzanie sygnału z
niezrównoważonego mostka prądu przemiennego odbywa się najczęściej
w układzie jak dla czujników indukcyjnych dławikowych.
3.Opis ćwiczenia
3.1. Cel przeprowadzanych badań
Przeprowadzane badania mają na celu wyznaczenie charakterystyki
przetwarzania bezdotykowego indukcyjnego czujnika przemieszczeń JWB-202
poprzez wzorcowanie statyczne.
3.2. Przeprowadzenie pomiarów
Wzorcowanie statyczne polega na zmienianiu według określonej
procedury wielkości wejściowej w zakresie pomiarowym czujnika , po
ustaleniu których następuje określenie odpowiadających im stałych
wielkości wyjściowych.
Schemat blokowy układu wykorzystywanego w tym ćwiczeniu
przedstawia rys.3.1
Rys.3.1 Schemat blokowy układu wzorcowania statycznego
Dla wstępnie ustawionej szczeliny x0 ( 1mm ) przeprowadzamy
zerowanie układu pomiarowego. Zmieniając szerokość szczeliny w
zakresie od x=x+100μ do x=x100μ co 20μ odczytujemy wskazania
woltomierza [ V ] i zapisujemy w tabeli 1 . Wykonujemy trzy przejścia
od wartości x=x0+100μ do x=x0-100μ i z powrotem.
Tablica 1
Lp. Przemieszczenie
X[(m] Wskazanie woltomierz
dla przejścia nr.1 [V] Wskazanie woltomierz
dla przejścia nr.2 [V] Wskazanie woltomierz
dla przejścia nr.3 [V] Wartość średnia
1 +100
2 +80
3 +60
4 +40
5 +20
6 0
7 -20
8 -40
9 -60
10 -80
11 -100
3.3 Opracowanie otrzymanych wyników
Na podstawie tablicy 1 należy wykreślić charakterystykę
przetwarzania badanego czujnika.
Następnie należy wyznaczyć prostą aproksymującą otrzymaną
charakterystykę przetwarzania o równaniu :
Y=aX+b
PAGE
PAGE 8
