Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace © 2009 - Ing. Václav Rada, CSc. ZS – 2009/2010 4.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace © 2009 - Ing. Václav Rada, CSc. ZS – 2009/2010 4."— Transkript prezentace:

1 Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace © Ing. Václav Rada, CSc. ZS – 2009/

2 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY A nyní základní podrobnosti – přehledně vlastnosti – doplňkové informace – a jiné ………….… © VR - ZS 2009/2010

3 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY ODPOROVÉ © VR - ZS 2009/2010 Založeny na faktu, že každá hmota má - jako svou nedílnou vlastnost – elektrický odpor, který klade pře- kážku procházejícímu elektrickému proudu. Odporové snímače jsou konstrukčně založeny na mož- nosti pomocí změny odporu zjišťovat úroveň dané fyzikální veličiny.

4 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY ODPOROVÉ © VR - ZS 2009/2010 Odporové snímače - jsou většinou výrobně levné a provozně spolehlivé- uplatní se pro snímání prakticky všech fyzikálních veličin - nevýhodou je vliv spojovacího vedení na vlastnosti snímače - nevýhodou je nutnost používat můstkové zapojení, které je zárukou dobrých měřičských vlastností.

5 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY ODPOROVÉ © VR - ZS 2009/2010 Materiálem hmoty vykazující odpor je nejčastěji Pt, Ni, Cr a vyjímečně Cu v podobě čistého kovu, nebo speciá- lní slitiny jakou je Rh-Fe nebo PtRh-Fe, CrNi. Do skupiny odporových patří i čidla založená na použití krystalů (polovodičové na bázi Ge nebo Si), polykrys- talických a monokrystalických základních materiálů, jejichž výhodou je podstatně vyšší citlivost (až 25 krát). Nejvíce odporových čidel a snímačů se používá k měření teploty.

6 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY ODPOROVÉ © VR - ZS 2009/2010 Vztah vyjadřující závislost hodnoty odporu na teplotě: R = R 0 * [ 1 + α * (ν – ν 0 ) ] kde:R 0 … (základní) odpor při teplotě 0 o C ν, ν 0 … teploty α … teplotní součinitel odporu α = (R 100 – R 0 ) / 100 * R 0

7 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY ODPOROVÉ © VR - ZS 2009/2010 Pro složitější konstrukce se používá vztah: R = R 0 * [ 1 + A* ν + B* ν 2 + C*(ν -100)* ν 3 ] kde:R 0 … (základní) odpor při teplotě 0 o C ν, ν 0 … teploty A, B, C … teplotní součinitelé materiálu pro ν ≥ 0 o C platí, že konstanta C = 0.

8 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY ODPOROVÉ © VR - ZS 2009/2010 Se stykovým odporem Základním principem je změna přechodového odporu na styku dvou odporových „míst“ (bodů, ploch, …). Stykové místo musí být přesně definováno, jak svou ve- likostí, tak fyzikálními vlastnostmi. Přesnost a chyba je dána především (ne)dokonalostí kon- taktu, tepelnou závislostí a hysterezními vlastnostmi při změnách měřené veličiny.

9 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY ODPOROVÉ © VR - ZS 2009/2010 Se stykovým odporem měřená fyzikální veličina – např. tlak připojovací el. vedení tlakem na pohyblivý segment se mění přechodový odpor mezi deskami a kuličkami 0 R [ Ω] měřená veličina

10 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY ODPOROVÉ © VR - ZS 2009/2010 Tenzometrické (odporové) síla F způsobující pnutí (tenzi) v drátcích napjatých mezi kolíky na obou částech, mezi nimiž má být síla změřena pnutí taženého drátku od síly F se měří změnou odporu drátku

11 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY ODPOROVÉ © VR - ZS 2009/2010 Tenzometrické (odporové) Základní rozsahy parametrů běžných tenzometrů - odpor mezi 50 a 2000 Ω – hodnota s tolerancí 0,2 až 0,5 % - obvykle 1 x 3 mm až 150 x 10 mm – běžně 25 x 5 mm - tl. 0,05 až 0,1 mm – speciální fóliové s obdélníkovým průřezem napařeného drátku tloušťky 1 až 10 μm - přesnější a citlivější - povolené proudové zatížení 5 až 20 mA (lze přímo zapojit do regulační obvodů) – ve speciálním provedení až do 0,5 A - standardní teplotní rozsah aplikovatelnosti je až do 250 o C - průměrná hmotnost cca100 mg - vydrží zrychlení až do 105 m/s 2 - izolační odpor je větší než 50 MΩ.

12 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY ODPOROVÉ © VR - ZS 2009/2010 Tenzometrické (odporové) Pro lepení na měřenou hmotu se používají účelová speciální lepidla, která jednak musí zajistit naprosto celý styk plochy tenzometru a měřeného povrchu bez jediné vzduchové bubliny a jednak musí bez deformace a přidaného vlivu na tenzometr přenést mechanické na- pětí. Lepidla jsou různá podle teploty měřené hmoty: - acetátová lepidla do 50 o C - lepidla na bázi fenolových pryskyřic - od 50 do 200 o C - lepidla na bázi keramických tmelů pro teploty přes 300 o C - pro teploty až kolem 800 o C se používají lepidla na bázi vodního skla.

13 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY ODPOROVÉ © VR - ZS 2009/2010 Tenzometrické (odporové) Pro lepení je stanoven přesný postup všech činností (od pří-pravy povrchu až po závěrečné vysušení a zaschnutí krycí vrstvy) i doby, po kterou musí jednotlivé vrstvy lepidla zasy-chat. Za jak dlouho po nalepení lze tenzometr použít i po jakou dobu je jeho funkce kvalitní a spolehlivá – samozřejmě pokud při měření nedojde k je- ho mechanickému poškození. Úkolem lepidla není jen přilepit tenzometr k měřené hmotě, ale i vzduchotěsně jej oddělit od okolního prostředí – tím se zabrání zvlhnutí tenzometrického snímače a tedy i znehod-nocení měření.

14 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY ODPOROVÉ © VR - ZS 2009/2010 krycí vrstva lepidla – musí vodotěsně překrýt vše l = délka tenzometrického čidla ε σ SMY K σ TA H materiál, k němuž je snímač přilepen l = délka přívod y dolní, co nejtenčí, adhesní vrstva speciálního lepidla podložka = nosič tenzometrického čidla vlastní tenzometrické čidlo Tenzometrické (odporové) Řez nalepeným tenzometrem

15 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY ODPOROVÉ © VR - ZS 2009/2010 a) délka aktivní části drátku je 0,2 mm délka aktivní části drátku je 0,38 mm délka aktivní části drátku je 5,84 krát 0,38 mm délka aktivní části drátku je 101,6 krát 0,58 mm rozměr celé folie je 2,16 krát 4,45 mm b) Tenzometrické (odporové) c)

16 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY ODPOROVÉ © VR - ZS 2009/2010 Na tenzometrick é sn í mače působ í různ é vlivy. Zejm é na š kodlivý je vliv teploty a změn teploty:  na dilataci měrn é ho tenzometrick é ho dr á tku  na citlivost dr á tku  na deformaci nosn é podložky tenzometru  na celkov é elektrick é i mechanick é vlastnosti  na vlastnosti a parametry lepidla, zejm é na na jeho neprody š nost. Tenzometrické (odporové)

17 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY ODPOROVÉ © VR - ZS 2009/2010 Teplotn í vlivy lze charakterizovat vztahem: (dR/R) = (dR υ /R) + (dR S /R) + (dR dl /R) = = α + K * (α S - α dl )) * ∆ υ kde:R υ … je součinitel změny odporu tenzometrick é ho dr á tku R S … je součinitel dilatace měřen é č á sti R dl.. je součinitel dilatace d é lky tenzometrick é ho dr á tku α … je celkový součinitel pro tenzometrický dr á tek K … je souhrnný koeficient Tenzometrické (odporové)

18 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY ODPOROVÉ © VR - ZS 2009/2010 Tenzometrické (odporové) – můstkové zapojení Dále pokud platí: α = -K * (αS - αdl) pak nemusí být tepelná kompenzace prováděna a vliv teploty je téměř nulový. Aby se lépe kompenzoval vliv teploty, vyrábí se tenzo- metry složené ze dvou samostatných částí na společné podložce – fólii.

19 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 „ručně“ nastavitelná kompenzace kompenzované můstkové zapojení odpor R k slouží k „ručně“ dostavitelné kompenzaci vyrovnávající automatickou kompenzaci od termočlánku termočlánek na tenzometru slouží k automatické tepelné kompenzaci Tenzometrické (odporové) – můstkové zapojení RνRν RkRk R1R1 R R0R0 napájecí napětí U ODPOROVÉ

20 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Tenzometrický …další praktická aplikace – akcelerometrický snímač R1R1 R2R2 m M ± y(t) dvojice nebo čtveřice tenzo- metrických snímačů citlivost snímače je dána tuhostí nosníku uzavřená těsná konstrukce – má uvnitř vzduch tuhé, nepo- sunovatelné spojení měřicí setrvač- ná hmota ODPOROVÉ

21 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY KAPACITNÍ © VR - ZS 2009/2010 Jsou založeny na existenci kapacity mezi dvěma kovovými částmi. Změnou těchto kovových částí se mění kapacita a tím se převádí měřená fyzikální veličina na elektrický signál. Kondenzátor s rovnoběžnými deskami má kapacitu: C = ε r * ε o * S / d kde: ε r … poměrná permitivita ε o … permitivita vakua má hodnotu 8,845 * [F/m] S … plocha elektrody (obě shodných rozměrů) d … vzdálenost elektrod.

22 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY KAPACITNÍ © VR - ZS 2009/2010 Desky mohou být prakticky libovolného tvaru (kruhové – válcové – vodiče – pásky). Obě desky nemusí mít shodný tvar, ale musí vždy vytvořit určité vzájemné překrytí. Mohou mít omezenou vzájemnou plochu (jen společná část pak tvoří desky kondenzátoru) závislou na změnách měřené veličiny. Mohou mít proměnnou vzdálenost mezi plochami (desky musí zachovat rovnoběžnost) závislou na změnách měřené veličiny. Mohou mít i proměnnou permitivitu dielektrika (vlastnost hmoty = pevná, porézní, kapalina, plyn) závislou na změnách měřené veličiny.

23 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY KAPACITNÍ © VR - ZS 2009/2010 U rovnoběžných desek shodného tvaru je kapacita úměrná vzdálenosti mezi deskami. U jednoduchých tvarů a změn působících na změnu kapacity je výpočet aktuální hodnoty jednoduchý. U složitých pak naopak – a má i nepříznivý vliv na linearitu (spíše nelinearitu) převodního vztahu mezi měřenou veličinou a hodnotou kapacity. U složitých tvarů je nebezpečí vlivu dalších přídavných veličin, působících negativně. Nepříznivě se mohou projevovat i nevhodné přívody a spoje s navazujícími obvody.

24 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY KAPACITNÍ © VR - ZS 2009/2010 U kondenzátoru je důležitým parametrem součinitel jakosti: Q c = ω * C * R iz = 1 / δ = ω * τ kde τ … je časové konstanta dynamických vlastností kond. τ = C * R iz δ … je ztrátový úhel – ukazuje na kvalitu kondenzátoru nebo tg δ = ω * C * R iz = ω * C / R iz kde tg δ … je tzv. ztrátový úhel. Dalším důležitým parametrem je impedance, ukazující na frek- venční závislost i na frekvenční vlastnosti kondenzátoru.

25 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY KAPACITNÍ © VR - ZS 2009/2010 VÝHODY: - velká přesnost – celkem snadno konstrukčně dosažitelná - malé rozměry a malá váha - vysoká resonanční frekvence = schopny velmi rychle reagovat na dynamiku změn měřené veličiny - obvykle nepůsobí zpětně na měřenou veličinu a ni na prostředí v němž se měří - poměrně malá citlivost na změny parametrů a hodnot pracovního prostředí (okolí)

26 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY KAPACITNÍ © VR - ZS 2009/2010 d2d2 d3d3 d1d1 vzájemný posun desek ve směrech d1, d2 a d3 určuje kapacitu danou překrývající se plochou el. připojení desek C vzájemná plocha 0

27 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY KAPACITNÍ © VR - ZS 2009/2010 d2d2 d1d1 zasouvání střední desky z dielektrika ve směrech d 1 a d 2 určuje kapacitu el. připojení desek dielektrikum C vzájemná plocha 0 d0xd0x d0xd0x

28 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY KAPACITNÍ © VR - ZS 2009/2010 dielektrikum je zasunuto volně mezi desky – kapacita je ovlivněna tloušťkou dielektrika tloušťka dielektrika = vzdálenost mezi deskami plocha desky a * b d di společná délka l d

29 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY KAPACITNÍ © VR - ZS 2009/2010 tloušťka dielektrika ≠ vzdálenost mezi deskami dielektrikum je zasunuto volně mezi desky – kapacita je ovlivněna tloušťkou dielektrika a vzduchovou mezerou d vz plocha desky a * b d di tloušťka vzduchové mezery (případně může být i jiné dielektrikum

30 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY KAPACITNÍ © VR - ZS 2009/2010 Kapacitní hladinoměry

31 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNOSTNÍ © VR - ZS 2009/2010 Založeny na vzniku napětí pokud se mění indukčnost libovolné cívky pohybující se v magnetickém poli nebo pokud se mění in- dukčnost libovolné cívky v pohybujícím se magnetickém poli nebo se uplatňuje princip změny magnetických vlastností ferro- magnetika při jeho deformaci vnější silou: u (t) = B * l * v = B * l * (dx / dt) kde:B … indukce magnetického pole l … délka vodiče cívky (pohybujícího se v mag. poli) v … rychlost pohybu (vodiče nebo pole).

32 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNOSTNÍ © VR - ZS 2009/2010 Snímač je vždy tvořen cívkou nebo systémem cívek Zapojen je do obvodu, který je schopen reagovat na změny hod- noty indukčnosti.

33 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNOSTNÍ © VR - ZS 2009/2010 Základní rozdělení snímačů: - elektromagnetické - elektrodynamické - se snímacím vodičem - snímače vibrací - absolutní - relativní.

34 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNOSTNÍ © VR - ZS 2009/2010 Rozdělení podle konstrukce cívky:a magnetického obvodu: - s malou vzduchovou mezerou v magnetickém obvodu - s otevřeným magnetickým obvodem - s potlačeným magnetickým polem - bez ferromagnetika.

35 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNOSTNÍ © VR - ZS 2009/2010 Rozdělení podle použití k měření veličiny: vzdálenostrozměr tlakové a tahové sílytlaku a podtlaku kapalin a plynů krouticí momentdeformace průtoklineární i točivá rychlost vibrace – zrychlenítloušťka fólií drsnostvlhkost lineární pohybúhlový pohyb.

36 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNOSTNÍ © VR - ZS 2009/2010 δ ± ∆δ střídavé napájení cívka s indukčností L δ L L = (μ 0 * S * N 2 ) / (2 * δ) S ± ∆δ změna polohy změna mezery

37 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNOSTNÍ © VR - ZS 2009/2010 střídavé napájecí napětí U 1 a indukované napětí U 2 x 0 ± ∆x U2U2 x systém je vhodný pro snímače mikropohybů s otevřeným magnetickým obvodem

38 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNOSTNÍ © VR - ZS 2009/2010 Snímač s potlačeným polem Konstrukce velice jednoduchého snímače – princip je založen na změně vzdálenosti cívky od magneticky vodivého materiálu s da- nou tloušťkou – změna tloušťky nebo tvaru (trasy) pohybu pak mění tvar magnetických siločar a tím ovlivňuje impedanci vinutí cívky a tedy její indukčnost. Podmínkou je, aby tloušťka materiálu byla shodná s efektivní tlou- šťkou vniku siločar do materiálu – obdobně to platí i pro vzdále- nost cívky od materiálu. Jinak snímač ztrácí na účinnosti a citlivo- sti. Výhodou snímače je, že může pracovat i nad magneticky vo- divou kapalinou proudící v nekovové trubce (kovová by vytvořila závit nakrátko s vířivými proudy a tak by oslabily nebo zrušily potřebné účinky).

39 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNOSTNÍ © VR - ZS 2009/ * R I napájení střídavým napětím l δ h ± x

40 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Magnetické snímače se od předchozích liší tím, že využívají změ- ny magnetických vlastností ve ferromagnetickém materiálu, který je objektem měření. Například působením deformační síly F, přímého tlaku, vzdálenosti, atp. Magnetické snímače

41 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Lze je rozdělit například takto: - magnetoelastické - princip cívka - magnetický materiál - princip dvou cívek = vzájemná indukčnost - magnetoanizotropní - tenzometrické - s Wiedemannovým jevem - tepelné (využívají Curieho bod).

42 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Využívají magnetostrikce, což je deformace polykrys- talického tělesa (magnetické měrné hmoty) při zmagne- tování na hodnotu magnetické polarizace. Pokud neexistuje působící vnější síla F a tedy neexistuje me- chanické napětí od této síly působící na feromagnetikum, pak se toto ferromagnetické těleso zmagnetuje ve vnějším magne- tickém poli intenzitou H na indukci B. Potom se působením síly F zmagnetuje feromagnetikum při stejné hodnotě intenzity H na úroveň indukce B F. Magnetoelastické

43 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Je potřeba používat materiály s vysokou permeabilitou, hodnotou magnetostrikce a malou indukcí při nasycení. Konstrukční řešení snímače je poměrně složité i náročné na přes- nou výrobu. Výhodou je, že současné konstrukce snesou veliké přetížení (až 50 %) bez jakéhokoliv poškození a po odlehčení pra- cují dále bez problému. Snímače jsou určeny zejména ke sledování změn rozměrů součástí vyrobených z feromagnetik, k měření tlakových a tahových sil, pro měření krouticího momentu a jiných deformací.

44 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Na rozdíl od předchozího typu jsou tyto snímače podstatně použí- vanější, i když vzhledem k poměrně vysoké ceně to není běžný snímač. Mají vysokou přesnost ( 0,5 % i lepší) získané hodnoty působící síly i velkou citlivost na velmi malé hodnoty změn, používají se ke sledování deformací způsobených působící silou na hmotu. Magnetoanizotropní

45 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Deska (plný materiál nebo složena z plechů) v níž jsou čtyři díry souměrně a symetricky kolem středu desky. Dvěma otvory jsou protaženy závity budicího (primárního) a výjimečně i snímacího (sekundárního) vinutí. Obvykle jsou využity protilehlé dvojice děr k uložení samostatných vinutí. Primární vinutí je buzené střídavým napětím frekvence f. Při dokonalé geometrické a magnetické symetrii se do sekundár- ního vinutí (ideálně) neindukuje žádné napětí.

46 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Při působení síly F na stranu měřicí ferromagnetické desky změní se její magnetická vodivost ve směru působící síly – magnetický tok půjde cestou lepší magnetické vodivosti. Tím se změní vazba mezi primárem a sekundárem a v sekundárním vinutí se bude indukovat napětí úměrné působící síle.

47 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Ф budicí vinutí F = 0 síla F způsobí deformaci desky – tím se pokřiví magnetické pole uvnitř v desce (je vyvoláno budicím vinutím) snímací vinutí F = 0 Ф budicí vinutí F snímací vinutí F

48 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Základem je ferromagnetická tyč nebo trubka kruhového průřezu. Je na jedné straně upnuta (vetknuta, aby byla nehnutelná). Na o- pačné straně působí zkrut v podélné ose. Tyč nebo trubka je současně magnetována podélným a kruhovým magnetickým polem. Snímač se hodí pro velice malé hodnoty posunu (i úhlu pooto- čení) do cca 100 μm běžně s přesností 0,5 %. Princip Wiedemanova jevu

49 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Snímač využívající toto uspořádání obsahuje: - budicí vinutí navinuté podél delší osy - snímací vinutí navinuté kolmo k podélné ose. - měrný úsek trubky (tyče) musí mít určitou délku, aby efekt mohl dostatečně působit. Pokud na trubku nepůsobí krouticí síla je budicí vinutí bez napětí. Když na trubku začne působit krut, „pokřiví“ se podélné i příčné magnetické pole a dynamika tohoto děje naindukuje v sekundárním vinutí elektromotorickou sílu (napětí) úměrnou velikosti působícího krutu (je úměrné velikosti úhlu zkrutu).

50 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Podmínkou je, aby magnetický obvod trubky – snímače byl v na- syceném stavu, pak ho neovlivní okolní magnetické pole. Toto napětí je závislé i na velikost (intenzitě) vytvořeného kru- hového magnetického pole, součinitelích magnetických vlastností materiálu, z kterého je zhotovena trubka. Větší efekt přinese použití tenkostěnné trubky – tyč je velmi málo vhodná.

51 Princip Wiedemanova jevu T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 střídavé napájení měřicího elementu deformační síla F vinutí snímací cívky HlHl HαHα α povrchové vlákno (vodič), které je silou F pootočeno o úhel α

52 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Základem čidla (snímače polohy) je feromagnetický měřící prvek, vlnový vodič. Pohyblivý permanentní magnet vytváří ve vlnovém vodiči podélné magnetické pole. Jakmile začne vlnovým vodičem procházet elektrický impuls, vzniká okolo něj druhé magnetické pole radiální permanentního magnetu. Protnutím obou magnetických polí (magnetická strikce) se vytváří torzní vlnění (impuls), které se přenáší konstantní ultrazvukovou rychlostí od měřeného místa ke koncům vlnového vodiče. Ve snímací hlavě se převede na výstupní signál přímo úměrný vzdálenosti. Magnetostrikční (MTS)

53 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Magnetostrikční mag. pole permanentního magnetu mech. torzní impuls magnetostrikční měřicí čidlo (vlnový vodič) elektrický impuls vzniklé magnetické pole

54 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Tento snímač je založen na existenci tzv. CURIE-ho bodu, což je charakteristický bod každého ferromagnetika. Tímto názvem je označen inflexní bod na křivce magnetické in- dukce, která je funkční závislostí teploty. Speciální vlastností tohoto bodu je, že označuje teplotu, po jejímž překročení se materiál změní na paramagnetický. Použití těchto snímačů je výjimečné a používají se tam, kde je nutná jejich vysoká časová stálost. Snímač s Curieho bodem

55 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 B [ T ] υ [ o C] H [ A / sec ] inflexní body

56 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Jednou z nejdůležitějších praktických aplikací je - elektrodynamický snímač vibrací. Princip snímače je založen na mechanicky vybuzeném kmitání cívky pohybující se kolem permanentního magnetu. S J Ф U pevná část s magne- tem a pó- lovou nás- tavbou kmitající část s pó- lovou nás- tavbou snímací cívka Elektrodynamické

57 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Princip funkce vychází z náhradního mechanického schematu – se- trvačná hmota cívky má určitou tuhost uložení a tlumení pohybu. Předpoklad = měřené těleso vykonává časově proměnný kmitavý pohyb – budicí harmonický (sinusový) pohyb frekvence f. Pro poměrnou výchylku mezi hmotností m a základem (hmotou měřeného tělesa) bude pro rovnováhu dynamických sil platit dife- renciální rovnice. m * d 2 x / dt 2 + b * dx / dt + c * x = 0 Řešení této rovnice, pro ustálený stav: y(t) = y 0 * sin (ω * t)

58 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Náhradní mechanické schéma setrvačná hmota m tuhost systému c tlumení b měřená hmota M souřadnice z souřadnice x souřadnice y Princip elektrodynamického snímače vibrací a zrychlení (akcelerace)

59 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Pro měření vibrací a zrychlení se používají dynamické snímače s rozdělení: - absolutní dynamické - relativní dynamické.

60 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Absolutní dynamický snímač Setrvačná hmota m snímače je spojena s měřenou hmotou M člán- kem s malou tuhostí c. Výstupní napětí je úměrné amplitudě vybuzených kmitů, pokud: * vlastní frekvence f 0 (nebo ω 0 ) je <<< než frekvence sledované amplitudy kmitání – platí pro snímač rychlostní nebo amplitudový. * pokud je vlastní frekvence f 0 (nebo ω 0 ) >>> než frekvence sledovaného kmitání, slouží snímač jako akcelerometr, tj. snímač zrychlení.

61 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY MAGNETICKÉ © VR - ZS 2009/2010 Relativní dynamický snímač U tohoto snímače je to naopak. Setrvačná hmota m snímače je spojena s měřenou hmotou M člán- kem s velkou tuhostí c. V tomto případě je výstupem velikost výchylky z.

62 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Principem těchto snímačů je genratorický efekt, kdy pohybem se indukuje napětí úměrné pohybu. Jsou odvozeny z existence Faradayova indukčního zákona daného vztahem: U = - N * dΦ / dt Jsou dvojí: - elektromagnetické – magnetický tok se mění se změnou impe- denace magnetického obvodu - elektrodynamické – využívají změny magnetického toku v čase.

63 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Elektromagnetické Na jádře stálého magnetu je umístěna cívka snímající změny magnetického pole vznikající pohybem kotvy – pohybující se částí magnetického obvodu. pohyb x kotva SJSJ snímací cívka d

64 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Na shodném principu jsou založeny i snímače lineárního pohy- bu. Cívka se pohybuje na „zubatou“ magnetickou tyčí. V cívce se při pohybu indukují „pulsy“, které jsou úměrné rychlosti po- hybu i velikosti zubů a intenzitě magnetického pole. Shodného principu používá i snímač vibrací. Pro něj je charak- teristickou frekvence výstupního napětí, která je úměrná rych- losti vibračního pohybu. Nebo snímač otáčivé rychlosti, kdy je cívka umístěna nad ozu- beným kolem.

65 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Elektrodynamické Někdy je užit název magnetický rychlostní snímač. Princip těchto snímačů je odvozen od Faradayova indukčního zá- kona a je založen na existenci vířivých proudů vyvolaných půso- bením elektromagnetického pole na elektricky vodivý materiál. Budicí cívka vybudí kolem sebe magnetické pole, které indukcí v elektricky vodivém materiály vyvolá vířivé proudy, které zpět- ně ve snímací cívce vybudí indukované napětí.

66 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Velikost napětí je přímo úměrná rychlosti pohybu elektricky vo- divého materiálu pod budicí cívkou, protože to odpovídá princi- pu elektromagnetické indukce. Na snímací cívku má přímý vliv i statické pole budicí cívky a to jako by se jednalo o běžný transformátor – je to v podstatě rušivý vliv (způsobí zkreslení měrného signálu). Druhý princip využívá fiktivního vodiče - veden jakoby napříč kovovým pásem (proudem). Naindukované napětí se snímá kluznými kontakty umístěnými proti sobě (kolmo k pásu).

67 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Výhody těchto snímačů: - nemají pohyblivých součástek - mají velice jednoduchou a robustní konstrukci - z toho plynou minimální nároky na údržbu - jsou časově i teplotně velice stabilní - mají prakticky neomezenou životnost. Hodí se pro nasazení do těžkých a horkých provozů.

68 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Iv´Iv´IvIv buzení výstupní U vybuzené vířivé proudy budicí tok Ф indukovaný tok Ф rychlost pohybu v

69 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNÍ © VR - ZS 2009/2010 šířka pásu l S J vxvx snímací cívka I v … indukovaný vířivý proud permanentní magnet nebo budicí cívka U ind výstupní napětí snímače rychlosti pohybu pásu

70 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INDUKČNÍ © VR - ZS 2009/2010 šířka pásu l fiktivní vodivé vlákno vedené středem pásu výstupní napětí snímače rychlosti pohybu pásu – indukuje se ve fiktivním vodiči pásu S J vxvx I v … indukovaný vířivý proud permanentní magnet nebo budicí cívka U ind

71 T- MaR © VR - ZS 2009/2010 … a to by bylo k informacím o principech snímačů (skoro) vše

72 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY SNÍMAČ © VR - ZS 2009/2010


Stáhnout ppt "Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace © 2009 - Ing. Václav Rada, CSc. ZS – 2009/2010 4."

Podobné prezentace


Reklamy Google