Czujniki przemieszczeń liniowych.pdf

4. Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych

4. POMIAR PRZEMIESZCZEŃ LINIOWYCH I BADANIE CZUJNIKÓW

PRZEMIESZCZENIA

4.1. Wprowadzenie

Zagadnienie pomiaru przemieszczeń liniowych zasadniczo sprowadza się do

wyznaczenia drogi liniowej s przebytej przez wyróżniony punkt badanego obiektu albo do

pomiaru odległości dwóch wyróżnionych punktów na tym obiekcie. Można przyjąć

(rys.4.1) że, wyróżniony punkt P 0 badanego obiektu nie przemieszcza się w czasie pomiaru

(położenia X 0 punktu P 0 jest niezmienne; X 0 = const.). W praktyce często przyjmuje się dla

położenia tego punktu wartość zerową ( X 0 = 0). W praktyce oznacza to możliwość

zerowania wskazania miernika przemieszczenia przy dowolnym położeniu jego sondy

pomiarowej. Wówczas wskazanie tego miernika będzie odpowiadało wartości

bezwzględnej przemieszczenia

s 

- s

+ s

X" < X 0

P 0

X' > X 0

P X

przemieszczenie

X 0

Rys.4.1. Interpretacja przemieszczenia liniowego.

Z rys.4.1 wynika że, przemieszczenie s może być wyznaczone z różnicy wskazań

miernika przemieszczeń; s = X – X 0 albo może ono być wprost wskazywane przez miernik

jeśli był on wyzerowany w położeniu X 0 ; jeśli X 0 = 0 to s = X , ( X = X’ lub X = X” ).

Jeśli X 0 = 0 to w zależności od kierunku przemieszczenia punktu P ( „+” lub „-” na

rys.4.1) może być: s > 0 albo s < 0. W przypadku pomiaru wymiarów geometrycznych

przedmiotów albo odległości dwóch punktów mamy do czynienia z wartością bezwzględną

przemieszczenia s . Przemieszczenie liniowe można mierzyć w sposób bezdotykowy np.

metodą optyczną, ultradźwiękową (duże przemieszczenia), elektryczną za pomocą

czujników wiroprądowych lub pojemnościowych zbliżeniowych (małe przemieszczenia)

albo w sposób dotykowy za pomocą czujników elektromechanicznych (pojemnościowych,

indukcyjnościowych). W dalszym ciągu rozpatruje się pomiary względnie małych

przemieszczeń ( s < 100mm) za pomocą elektromechanicznych czujników –

indukcyjnościowych, indukcyjnych-wiroprądowych i pojemnościowych. Spośród

wymienionych rodzajów czujników przemieszczenia liniowego najlepsze właściwości

metrologiczne mają czujniki pojemnościowe. Są one jednak wrażliwe na czynniki

atmosferyczne zwłaszcza wilgotność. Czujniki wiroprądowe działają w sposób

bezdotykowy, nie posiadają części ruchomych i są mało wrażliwe na czynniki

atmosferyczne. Są one jednak wrażliwe na zewnętrzne pola elektromagnetyczne, mają

nieliniową charakterystykę, wymagają stosowania specjalnej metalowej płytki

pomiarowej, którą mocuje się na powierzchni badanego obiektu. Sygnał wyjściowy tego

rodzaju czujników zależy od przewodności elektrycznej oraz przenikalności magnetycznej

przedmiotu znajdującego się w pobliżu cewki czujnika. Brak części ruchomych sprawia że,

mają one małą inercję co pozwala wykorzystywać je w warunkach dynamicznych np. w

130

 . Przemieszczenie s może być stałe w czasie jak

w przypadku pomiaru wymiarów geometrycznych albo zmienne w czasie jak w przypadku

pomiaru drgań mechanicznych.

4. Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych

pomiarach drgań mechanicznych. Czujniki indukcyjnościowe i pojemnościowe mają

ruchomy trzpień pomiarowy stykający się z powierzchnią badanego obiektu. Trzpień ten

połączony jest odpowiednio z ruchomym rdzeniem ferromagnetycznym (rdzeniem

nurnikowym lub kotwicą magnetyczną) lub ruchomą elektrodą kondensatora pomiarowego

czujnika. W czujnikach indukcyjnościowych zmienia się indukcyjność uzwojenia czujnika,

sprzężenie magnetyczne uzwojeń albo wypadkowa przenikalność magnetyczna obwodu

magnetycznego czujnika. W zależności od konstrukcji i budowy obwodu magnetycznego

tych czujników rozróżnia się czujniki z rdzeniem nurnikowym oraz z ruchomą kotwicą.

Zależnie od liczby uzwojeń i ich połączenia czujniki indukcyjnościowe mogą pracować w

układzie transformatorowym lub dławikowym. Sygnałem wyjściowym czujników

indukcyjnościowych zwykle jest napięcie elektryczne (rzadziej indukcyjność uzwojenia

czujnika).

4.1.1. Czujniki indukcyjnościowe

Czujniki indukcyjnościowe charakteryzują się stosunkowo dużą wartością sygnału

wyjściowego i dobrymi właściwościami metrologicznymi (duża czułość, dobra liniowość

charakterystyki przetwarzania, mała wrażliwość na czynniki atmosferyczne i zakłócenia

elektromagnetyczne) [7], [9]. Czujniki indukcyjnościowe z rdzeniem nurnikowym są

najczęściej wykorzystywane w układach automatyki przemysłowej oraz urządzeniach

kontrolno-pomiarowych. Są one także wykorzystywane w manometrach (np. w

manometrach z rurką Bourdona jak na rys.3.29). Stanowią one wówczas przetwornik

zależnego od mierzonego ciśnienia przemieszczenia elementu sprężystego (rurki) na

sygnał elektryczny (zwykle napięcie). Na rys.4.2 pokazano schemat zastępczy

indukcyjnościowego czujnika różnicowego z rdzeniem nurnikowym.

z 1

L 1

R 1

M 12

M 13

z 2

z 3

u Z = U Z sin t

L 2

L 3

u 1

M 23

u 2

u wy

R obc

Rys.4.2. Schemat zastępczy indukcyjnościowego czujnika różnicowego z rdzeniem

nurnikowym.

Napięcie wyjściowe czujnika przedstawionego na rys.4.1 opisuje zależność:

131

4. Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych





 









 2











 









  











. (4.1)

W zależności (4.1) symbolem R 2 oznaczano rezystancję obciążenia czujnika R obc

(rys.4.1). Jeśli czujnik pracuje w stanie jałowym ( R 2 = R obc  ) to dla jego napięcia

wyjściowego można napisać na podstawie zależności (4.1):





 





exp





jarctg . (4.2)











Wyrażenie w liczniku zależności (4.1) i (4.2) opisuje różnicę modułów napięć u 1 i u 2

indukowanych w uzwojeniach z 2 i z 3 . Przy małej częstotliwości napięcia zasilania czujnika

(np. f = 50Hz) i znacznej wartości rezystancji szeregowej R 1 natężenie pola

magnetycznego w obwodzie magnetycznym czujnika jest praktycznie w fazie z napięciem

zasilającym U Z gdyż   L 1 << R 1 . Składowe U 1 i U 2 napięcia wyjściowego U wy są więc

obrócone względem napięcia zasilającego o kąty odpowiednio +/2 oraz -/2. Należy

pamiętać że, indukowane w uzwojeniach czujnika napięcia są odkształcone w wyniku

nieliniowej charakterystyki magnesowania rdzenia. Przy wyższych częstotliwościach

napięcia zasilającego rośnie przesunięcie fazowe pomiędzy napięciem zasilającym a

natężeniem pola magnetycznego. Powoduje to że, składowe napięcia wyjściowego są

przesunięte względem napięcia zasilającego o kąt różny od /2. Skutkiem tego jest

istnienie na zaciskach wyjściowych resztkowego napięcia U 0 przy rdzeniu symetrycznie

usytuowanym względem uzwojeń wtórnych. Na rys.4.3 pokazano charakterystyki

przetwarzania czujnika różnicowego. Charakterystyka 1 dotyczy czujnika idealnego przy

założeniu, że nie występują wyższe harmoniczne w napięciach indukowanych w

uzwojeniach czujnika. Charakterystykę tę opisują zależności (4.1) oraz (4.2).

Charakterystyka 2 pokazana na rys.4.3 dotyczy czujnika rzeczywistego. Jest to

charakterystyka nieliniowa, symetryczna względem środkowego położenia rdzenia

podobnie jak charakterystyka idealna 1. Z przebiegu charakterystyki 2 wynika

ograniczenie zakresu pomiarowego do  X ma x { (- X max  X 0 ) albo ( X 0  + X max )}. Przebieg tej

charakterystyki wynika z nieliniowości charakterystyki magnesowania rdzenia od, której

zależą sprzężenia magnetyczne uzwojeń czujnika (indukcyjności wzajemne M 12 , M 13 ).

Stąd wynika istnienie U max zaś w wyniku obecności wyższych harmonicznych,

niejednorodności magnetycznych i elektrycznych (różne rozkłady pojemności

międzyzwojowych, międzycewkowych i doziemnych – do obudowy czujnika) powstaje

napięcie resztkowe U 0 (rys.4.3). W zakresie przemieszczeń rdzenia (nurnika) szerszym od

 X max napięcie wyjściowe czujnika U wy zmienia się w zakresie ( U 0 , U max ).

132









4. Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych

U Z

U 1

U 2

U wy

U max

U N

U 0

- X max

- X N

+ X N

+ X max

Rys.4.3. Charakterystyki wyjściowa U wy = f ( X ) różnicowego czujnika

indukcyjnościowego; 1 – charakterystyka idealna, 2 – charakterystyka rzeczywista.

W praktyce wykorzystuje się węższy zakres przemieszczeń (- X N , 0) albo (0, + U N )

jeśli czujnik ma konstrukcję jak na rys.4.2 albo częściej wykorzystuje się konstrukcje w,

których uzwojenia różnicowe mają wyprowadzenia zewnętrzne, do których z kolei

przyłącza się prostownik fazowy. Szczególnie dogodnym układem detektora fazowego jest

modulator pierścieniowy (kołowy) lub przeciwsobny zasilany ze źródła, z którego zasilany

jest czujnik. Uzyskuje się wtedy jednoznaczną charakterystykę w zakresie przemieszczeń

 X max przy tym jej nieliniowość jest mniejsza niż dla czujnika bez detektora fazowego.

Napięcie wyjściowe czujnika z prostownikiem fazowym w zakresie przemieszczeń

od – X max do + X max zmienia się od – U max do + U max . W praktycznych konstrukcjach takich

czujników ogranicza się zakres pomiarowy do  X N (nominalny zakres pomiarowy),

pozwala to uzyskać charakterystykę czujnika  

133

U wy  o błędzie nieliniowości

mniejszym od 0,1%. Popularne w praktyce przemysłowej czujniki z prostownikiem

fazowym mają nieliniowości charakterystyki mniejsze od 0,5%. Na rys.4.4 pokazano

przykład konstrukcji czujnika indukcyjnościowego z rdzeniem nurnikowym.

4. Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych

Rys.4.4. Szkic konstrukcji czujnika

indukcyjnościowego z rdzeniem nurnikowym.

Oznaczono; 1 – obudowa metalowa, 2 –

uzwojenie wzbudzające (zasilające), 3’i 3” –

uzwojenia wtórne (różnicowe), 4 – rdzeń

(nurnik), 5 – trzpień pomiarowy, 6 – sprężyna

powrotna, 7 – łożysko.

Przetworniki z rdzeniem nurnikowym

budowane są na zakresy pomiarowe od kilku

mm do ok.1,5m. Najczęściej zakresy

pomiarowe tego rodzaju czujników zawierają

się w przedziale od 1,5mm do 50mm.

Inną zasadniczo różną od opisanej

konstrukcji czujnika indukcyjnościowego [7]

jest czujnik transformatorowy z ruchomą

kotwicą. Jego maksymalny zakres pomiarowy

ograniczony jest do szczeliny magnetycznej d

magnetowodu w, której przemieszcza się

kotwica magnetyczna (zwora magnetyczna).

Zasadę działania indukcyjnościowego czujnika

transformatorowego z ruchomą kotwicą

ilustruje rys.4.5. W przykładowym układzie

elektrycznym tego czujnika uzwojenia z 1 ’, z 1 ”

oraz z 2 ’, z 2 ” są parami jednakowe.

W środkowym położeniu kotwicy ( X = 0) strumienie magnetyczne   ’ oraz  ” są

sobie równe. Napięcia wtórne u 1 i u 2 są wtedy także jednakowe. Wówczas napięcie

wyjściowe czujnika jest równe:

+ X

U 1

U z

- X

3''

U 2

U .

Przy założeniu symetrii obwodu magnetycznego czujnika impedancje uzwojeń

pomiarowych są jednakowe. Można je opisać zależnością:



' 















. (4.3)









gdzie: R , L  odpowiednio rezystancja i indukcyjność uzwojenia,

l R  średnia droga strumienia magnetycznego w jarzmie i kotwicy,

S R  średni przekrój rdzenia (jarzma),

  długość szczeliny powietrznej,

S   przekrój szczeliny powietrznej,

z  liczba zwojów uzwojenia pomiarowego,

  pulsacja napięcia zasilającego,

 0 przenikalność magnetyczna próżni,

 r  względna przenikalność magnetyczna rdzenia.

134

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: