Experimentální metody - 2 Zpracoval: Vladimír Michna Pracoviště: Katedra textilních a jednoúčelových strojů TUL

Experimentální metody Rotační snímače polohy: Rotační inkrementální snímač polohy (IRC – Incremental rotary encoder): je elektromechanický převodník – cyklicky absolutní rotační snímač polohy – úhlu natočení rotoru vůči statoru. Z principu činnosti si inkrementální snímače, na rozdíl od snímačů absolutních, nepamatují polohu při vypnutí napájení.

Experimentální metody Princip činnosti rotačního inkrementálního snímače:

Experimentální metody Základem snímače je otočný optický disk, mechanicky spojený s připojovací hřídelí snímače (obr. 1). Pro rozlišení směru otáčení jsou na pevné části dvě soustavy clonek, vzájemně posunuté o 90o (el.) (π /2). Popsaným způsobem tedy lze získat dva obdélníkové signály posunuté o polovinu periody: kanál A a kanál B (obr. 3) DŮLEŽITÁ POZNÁMKA: všimněte si, že posunutí snímačů obou kanálů (A a B) je 90o el. (π/2), NIKOLI 180o el., jak by se na první pohled zdálo. PROČ ?

Experimentální metody Vedle inkrementálních snímačů polohy se používají i absolutní rotační snímače polohy (ARC), které si naměřenou polohu pamatují i po vypnutí napájení: optický disk absolutního snímače je kódový (na př. s Grayovým kódem), každé poloze natočení disku odpovídá definované „výstupní slovo“ složené z bitů vyslaných LED snímači. Každé následující slovo se liši od předcházejícího právě o jeden bit (možnost opravy při chybě čtení)

Experimentální metody Příklad hlavních technických údajů snímače IRC 305, (český výrobce LARM Netolice) Otáčky: 10 000 min-1 Úhlové zrychlení: 40 000 rad.s-2 Moment setrvačnosti mechanických částí: 20 g.cm-2 Počet impulzů na otáčku: 100 až 6 000 s jedním nulovým impulzem na otáčku a další elektrické i konstrukční údaje (viz. katalogové listy výrobce)

Experimentální metody Resolver: je cyklicky absolutní rotační snímač polohy – úhlu natočení rotoru vůči statoru (změny polohy proti zvolenému - referenčnímu bodu). Resolver je elektrický stroj, který má jedno vinutí na rotoru a dvě vinutí na statoru. Statorová vinutí jsou vzájemně prostorově pootočena o 90o el. Rotorové vinutí je napájeno ze zdroje sinusového napětí s frekvencí cca 2 kHz. Se změnou úhlu natočení rotoru vůči statoru se sinusově mění i velikost napětí indukovaných z rotoru do obou statorových vinutí. Resolver může být napájen do rotoru nebo statoru.

Experimentální metody Budící napětí indukované do rotoru: Napětí indukované ve statorových vinutích: kde: k = transformační poměr (rotor – stator) φ = úhel natočení rotoru vůči statoru INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Experimentální metody Technické údaje: jako příklad je uveden katalogový list resolverů českého výrobce Atas Náchod INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Experimentální metody Snímače rychlosti: lineární (často se převádí na rotační měření): indukční - elektromagnetické (s pohyblivým magnetem) indukční - elektrodynamické (s pohyblivou cívkou, vhodné pro měření rychlosti kmitů – pozor, ne frekvence) laserové ultrazvukové přírůstkové (induktosyn v režimu měření rychlosti – frekvence výstupních impulzů) rotační: tachodynama (tachoalternátory) stroboskopické přírůstkové (inkrementální snímač v režimu měření rychlosti – frekvence výstupních impulzů)

Experimentální metody Indukční snímače rychlosti (aktivní, NE indukčnostní - pasivní), pracují na principu Faradayova indukčního zákona: u – indukované napětí ve vodičích cívky s N závity (okamžitá hodnota) - magnetický tok spjatý s cívkou (v čase proměnný) t – čas Podle způsobu realizace časové změny spjatého magnetického toku dělíme indukční snímače na: elektromagnetické – působením měřené (neelektrické) veličiny se mění velikost magnetického toku  v pevné cívce s N závity a měronosnou veličinou je transformační indukované napětí  lze použít pro měření časově proměnných veličin elektrodynamické - působením měřené (neelektrické) veličiny se mění počet závitů N spjatých s konstantním magnetickým tokem a měronosnou veličinou je pohybové indukované napětí  lze použít pro měření časově proměnných veličin

Experimentální metody Elektromagnetické snímače rychlosti: Principiální uspořádání: okamžitá hodnota indukovaného napětí EFEKTIVNÍ hodnota NAPĚTÍ snímače je úměrná střední RYCHLOSTI pohybu

Experimentální metody Elektrodynamické snímače rychlosti: Principiální uspořádání: B – indukce magnetického pole (stacionární) l – aktivní délka vodiče ( v magnet. poli) v – rychlost pohybu vodiče (dynamo - platí pravidlo PRAVÉ ruky) (motor – platí pravidlo LEVÉ ruky) indukované STEJNOSMĚRNÉ napětí (v 1 vodiči): POZNÁMKA: vektory všech tří veličin (B, l, v) jsou na sebe vzájemně KOLMÉ

Experimentální metody Aplikace pro otáčivý pohyb: stejnosměrné (tachodynama) nebo střídavé (tachoalternátory) Hlavní požadavky na: linearitu minimální zvlnění indukovaného napětí výstupní (indukované) napětí naprázdno konstrukční konstanty  Lze použít jako snímače: úhlové rychlosti (ω) nebo otáček (n) derivace úhlového natočení hřídele (φ)

Experimentální metody Pohled na tachodynamo

Experimentální metody Laserové snímače rychlosti (kmitání) Jako příklad je uveden laserový Dopplerův vibrometr Brüel & Kjær 8338. Slouží k bezkontaktnímu a velice rychlému měření vibrací. Výstupem laserového vibrometru je signál rychlostí kmitání. Pracuje na vzdálenosti až 3 metrů od snímaného objektu. Poznámka: Dopplerův jev nastává tehdy, když se k sobě nebo od sebe pohybuje přijímač a vysílač kmitání. Při přibližování vysílače nebo přijímače se zkracuje vlnová délka. (přesněji: zkrátí se o vzdálenost o kterou se vysílač přemístí za jednu periodu) Přijímaná frekvence je tedy závislá na rychlosti vysílače vzhledem k přijímači a na rychlosti šíření zvuku prostředím (přesněji: závisí na jejich poměru).

Experimentální metody INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Experimentální metody Snímače zrychlení: Princip funkce snímačů zrychlení vychází ze druhého Newtonova zákona (působení síly F na setrvačnou hmotu m): F = m * a Mechanická kmitavá soustava tvořená: m - hmotnost cívky s kostrou (seismický prvek) M - pouzdro senzoru, spojené s měřeným objektem b - tlumení úměrné rychlosti pohybu (viskozní tlumení) k - tuhost pružiny u - indukované napětí

Experimentální metody Mechanická kmitavá soustava tvořená: m - hmotnost cívky s kostrou (seismický prvek) M - pouzdro senzoru, spojené s měřeným objektem b - tlumení úměrné rychlosti pohybu (viskozní tlumení) k - tuhost pružiny u - indukované napětí Pro rovnováhu sil k měrnému (virtuálnímu) bodu A platí (pohybová rovnice): (součet setrvačné, tlumící a direktivní síly je nulový) dále platí:

Experimentální metody a dosazením: Pro harmonický pohyb měřeného objektu t.j.: jsou významné dva případy: rezonanční úhlová frekvence 1) úhlová frekvence měřeného objektu kritické tlumení viskozní tlumení amplituda harmonického pohybu senzor v režimu ZRYCHLENÍ (akcelerometry)

Experimentální metody 2) senzor v režimu měření amplitudy, t.j. DRÁHY pohybu (vztažný bod A leží uvnitř senzoru)

Experimentální metody Piezoelektrické akcelerometry - aktivní: Využívá schopnosti piezoelektrických krystalů vytvářet náboj v důsledku mechanického namáhání. Pro větší citlivost se používá dvojice piezoelektrických elementů. Vnitřní tlumení piezoelektrického materiálu je velmi malé, lze měřit vibrace až do řádu 3*104 Hz INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Experimentální metody Existují tři základní druhy křemíkových akcelerometrů: piezoelektrické, piezorezistivní kapacitní Piezoelektrické nelze využít pro statické měření, protože nejsou citlivé na statickou akceleraci (na př. gravitace). U piezorezistivních akceleroemtrů se pohybem závaží vytváří tlak na piezorezistor, který mění svůj odpor. Lze s nimi měřit i neměnné zrychlení. Kapacitní senzory jsou založeny na kapacitě tvořené vzájemnou polohou desek kondenzátoru při působení akcelerace. Existují dvě varianty: akcelerometry se zpětnou vazbou a bez zpětné vazby. INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Experimentální metody Křemíkový akcelerometr používá křemíkovou pružinu a křemíkové závaží. V uspořádání bez zpětné vazby je akcelerace měřena jako posun závaží. Klasické nedostatky jsou: nelinearita, vliv akcelerace kolmé na osu citlivosti, hysterezní charakter, větší šum. Akcelerometry se zpětnou vazbou používají vnitřní sílu, která vrací snímací elementy do rovnovážné polohy. Ta je rovna velikosti vnější působící síly, je měřena a je úměrná měřenému zrychlení. Typicky se používá síla magnetická, piezoelektrická nebo elektrostatická. Zmenší se na minimum nelineární charakter měřené křivky, zvětší se dynamický rozsah a šířka frekvenčního pásma. Hysterezní efekt je minimalizován a je dosahováno vyšší přesnosti. Pro větší přesnost se používá uspořádání se zpětnou vazbou. INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Experimentální metody Indukčnostní (elektrodynamické) akcelerometry - aktivní: Pohybem systému kmitá cívka v poli permanentního magnetu, v cívce se při pohybu indukuje napětí, které je přímo úměrné rychlosti. Vlastní kmitočet elektrodynamických senzorů se pohybuje v rozmezí 5 až 10Hz. Pokud přidáme tlumení (tlumicí závit, uložený pod cívkou) lze dosáhnout frekvence od 1Hz do 3000Hz. INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Experimentální metody INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Experimentální metody Kapacitní akcelerometry: Pro kapacitu deskového kondenzátoru platí: kapacitu lze měnit: změnou velikosti (společných) ploch (S) změnou vzdálenosti desek (d) změnou dielektrické konstanty (permitivity) dielektrika mezi deskami (ε) C – kapacita kondenzátoru (F) ε0 – permitivita vakua (= 8,859. 10-12 F/m) ε - relativní permitivita dielektrika (-) S - společná plocha desek (m2) d - vzdálenost desek (m) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Experimentální metody Příklad řešení kapacitního akcelerometru MEMS: (MEMS - Micro–Electro–Mechanical System) anchors – spojení s kmitajícím objektem main beam – seismická hmotnost cell – diferenční kapacitní snímač INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Experimentální metody Příklad použití v autoprůmyslu: k regulaci klepání u spalovacích motorů, pro vybavení airbagu, k vybavení předepínače bezpečnostních pásů, jako detekce převrácení (vypnutí zapalování, uzavření přívodu paliva), ke snímání zrychlení v zatáčkách, v protiblokovacím systému (ABS) při elektronickém řízení stability (ESP) k regulaci podvozku Zrychlení se často udává jako násobek gravitačního zrychlení g (9,81 m/s2) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Experimentální metody Piezoelectric accelerometer Model 23 (Endevco) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Experimentální metody INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Experimentální metody Měření stroboskopem patří mezi optické klamy. Díky setrvačnosti lidského oka se jeví řada diskrétních, po sobě následujících proměnných obrázků, jako spojitý pohyb (film, televize, zářivky). Princip stroboskopu Principem stroboskopu je vysílání krátkých intenzivních světelných záblesků, jejichž frekvenci je možno řídit, na rovnoměrně se pohybující předmět, jehož pohyb se, při rovnosti frekvence záblesků a pohybu předmětu (otáčky, cyklický vratný pohyb), opticky zastaví. Pak se např. může provést inspekce stroje jako by byl ve vypnutém stavu (lopatky turbín, zuby ozubených kol, ...). Základem stroboskopu je výkonná halogenová výbojka (v některých bateriových přístrojích nahrazená výkonnou LED lampou), která vysílá intenzivní velmi krátké záblesky přerušovaného světla. Frekvenci těchto záblesků lze řídit, obvykle se pomalu postupně zvyšuje. Stroboskopický jev způsobuje, že se, při blízkosti frekvence záblesků a rychlosti otáčení pozorovaného objektu, jeho pohyb zdánlivě zpomaluje, až při úplném vyrovnání frekvence a otáček se zcela zastaví. V tomto okamžiku je možné odečíst přesnou rychlost otáčení na displeji přístroje, na kterém se zobrazuje frekvence záblesků. Tato přesnost je, vzhledem k použití krystalem řízeného oscilátoru, vysoká.

Experimentální metody Z výše popsaného principu měření vyplývá několik skutečností a rozdílů proti měření otáček bezkontaktními otáčkoměry: Na měřené rotující součásti není zapotřebí žádná odrazka. Je však třeba, aby se na rotující ploše vyskytoval nějaký markant, který je možno sledovat (drážka, nějaká součástka, výstupek a pod, nebo je možno vytvořit značku třeba fixem, křídou nebo jakýmkoliv jiným vhodným způsobem). Vzhledem k principu měření je dobré si uvědomit, že ke zdánlivému "zastavení" rotující součásti dochází nejen při shodné frekvenci, ale i při každém jejím násobku. To znamená, že můžeme omylem naměřit dvojnásobnou, trojnásobnou nebo vícenásobnou rychlost otáčení. Abychom tuto víceznačnost měření vyloučili, je vhodné vždy začít s bezpečně nízkou frekvencí záblesků stroboskopu a tuto postupně plynule zvyšovat. Rovněž můžeme ze zkušenosti vyloučit naměřenou rychlost otáček, jestliže není technicky reálná a/nebo je násobkem očekávané. Vzhledem k velmi krátkým zábleskům je třeba velmi intenzivní zdroj světla. Ten poskytují spíše výkonné halogenové, např. xenonové výbojky než stroboskopy s LED lampou. Tam, kde je to možné, se proto volí raději stroboskop vybavený tímto světelným zdrojem i za cenu toho, že (většinou) vyžaduje přívodní síťový kabel. Při měření v nepříznivých světelných podmínkách (vyšší úroveň okolního osvětlení) nebo při větších vzdálenostech ostatně ani nic jiného nezbývá.

Experimentální metody Některé stroboskopy umožňují měřit kromě otáček i některé další parametry, např. fázi a zpoždění. Rizika stroboskopického jevu POZOR! možnost úrazu, pohybující se předmět se jeví jako nepohyblivý (pracovní stroje) Postup měření:

Experimentální metody Přenosný bateriový stroboskop DBX Vlastnosti: • rychlost od 30 do 20 000 záblesků za minutu • interní posun fáze v přírůstcích 5°. • tlačítka pro násobení a dělení dvěma • rychlost záblesků může být zobrazena v záblescích za minutu (ot./min.) nebo v záblescích za sekundu (Hz). • Tachometrický režim umožňuje přesné měření otáček až do 200 000 ot/min při použití externích snímačů. přesnost/rozlišení: 0,02% odečtu/ 0.1 záblesku/min doba provozu (plně nabité baterie): 60 minut při 6000 záblesků/min napájení: 6 Vss interní dobíjitelné baterie průměr reflektoru: 122 mm hmotnost: 0,86 kg (s bateriemi 1,2 kg)

Experimentální metody