Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace 4. ZS – 2010/2011 © 2010 - Ing. Václav Rada, CSc.

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

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

ODPOROVÉ Odporové snímače MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ 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 a z toho vyplývající nutnost nějaké kompenzace nevýhodou (spíše komplikací) je nutnost používat můs-tkové zapojení, které je zárukou dobrých měřičských i snímačových vlastností. © VR - ZS 2009/2010

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ Z materiálů používaných hmoty vykazujících odpor – přesněji vhodnou funkční závislost a změnový vektor i diferenciál – to jsou nejčastěji Pt, Ni, Cr a vyjímečně Cu v podobě čistého kovu, nebo speciální slitiny jakou jsou Rh-Fe nebo PtRh-Fe, CrNi. To jsou hgomogenní nekrystalizující hmoty. © VR - ZS 2009/2010

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ 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 a dále tlaku. © VR - ZS 2009/2010

ODPOROVÉ Vztah vyjadřující závislost hodnoty odporu na teplotě: MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ Vztah vyjadřující závislost hodnoty odporu na teplotě: R = R0 * [ 1 + α * (ν – ν0 ) ] kde: R0 … (základní) odpor při teplotě 0 oC ν , ν0 … teploty α … teplotní součinitel odporu α = (R100 – R0) / 100 * R0 © VR - ZS 2009/2010

ODPOROVÉ Pro složitější konstrukce se používá vztah: MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ Pro složitější konstrukce se používá vztah: R = R0 * [ 1 + A* ν + B* ν2 + C*(ν -100)* ν3 ] kde: R0 … (základní) odpor při teplotě 0 oC ν , ν0 … teploty A , B , C … teplotní součinitelé materiálu pro ν ≥ 0 oC platí, že konstanta C = 0. © VR - ZS 2009/2010

ODPOROVÉ Se stykovým odporem MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ Se stykovým odporem Základním principem je změna přechodového odporu na styku dvou odporových „míst“ (bodů, ploch, …). Stykové místo musí být přesně definováno, jak svou velikostí, tak fyzikálními vlastnostmi. Přesnost a chyba je dána především (ne)dokonalostí kon-taktu, tepelnou závislostí a hysterezními vlastnostmi při změnách měřené veličiny. © VR - ZS 2109/2011

měřená fyzikální veličina – např. tlak MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ R [Ω] měřená veličina Se stykovým odporem měřená fyzikální veličina – např. tlak připojovací el. vedení deformace / přechodový dotyk = plocha na níž se uplatní přechodový odpor tlakem na pohyblivý segment se mění přechodový odpor mezi deskami a kuličkami – je ovlivněn el. vlastnostmi dotýkajících se materiálů © VR - ZS 2010/2011

ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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 (změna průřezu a tedy el. odporu) © VR - ZS 2009/2010

ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) Základní rozsahy parametrů běžných tenzometrů - odpor mezi 50 a 2000 Ω – hodnota s běžnou tolerancí 0,2 až 0,5 % - průřez obvykle 1 x 3 mm až 150 x 10 mm – běžný průřez 25 x 5 mm - tlouštka 0,05 až 0,1 mm – speciální fóliové s obdél-níkovým průřezem napařeného drátku tl. 1 až 10 μm – jsou přesnější a citlivější a zároveň choulostivější a snadněji poškoditelné – v provedení drát je to až 1 mm © VR - ZS 2009/2010

ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) - povolené proudové zatížení 5 až 20 mA (lze přímo zapojit do regulační obvodů) – ve speciálním provedení běžně do 0,5 A, ale i několika A (známé max je 10 A) - standardní teplotní rozsah okolí (aplikovatelnosti) je až do 250 oC - průměrná hmotnost cca100 mg - vydrží zrychlení až do 105 m/s2 - izolační odpor je větší než 50 MΩ. © VR - ZS 2009/2010

ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) Lepidla jsou různá podle teploty měřené hmoty: - acetátová lepidla do 50 oC - lepidla na bázi fenolových pryskyřic - od 50 do 200 oC - lepidla na bázi keramických tmelů pro teploty 300 oC a více – max. asi do 400 oC - pro teploty hmoty pohybující se až kolem 800 oC se používají lepidla na bázi vodního skla. © VR - ZS 2009/2010

ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) Pro lepení je stanoven přesný postup všech činností (od přípravy povrchu až po závěrečné vysušení a zaschnutí krycí vrstvy) i doby, po kterou musí jednotlivé vrstvy lepidla zasychat. Z vlastností, použitých materiálů a lepidel plyne, jak dlouho po nalepení lze tenzometr použít i po jakou dobu je jeho funkce kvalitní a spolehlivá – samozřejmě pokud při měření nedojde k jeho mechanickému poškození. © VR - ZS 2009/2010

ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) Úkolem lepidla není jen přilepit tenzometr k měřené hmotě, ale i vzduchotěsně jej oddělit od okolního prostředí – tím se zabrání zvlhnutí tenzometrického snímače (snímajícího čidla) a tedy i znehodnocení měření. © VR - ZS 2009/2010

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

ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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 b) c) rozměr celé folie je 2,16 krát 4,45 mm © VR - ZS 2009/2010

ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) Na tenzometrické snímače působí různé vlivy. Zejména škodlivý je vliv teploty a změn teploty: na dilataci měrného tenzometrického drátku na citlivost drátku na deformaci nosné podložky tenzometru na celkové elektrické i mechanické vlastnosti na vlastnosti a parametry lepidla, zejména na jeho neprodyšnost. © VR - ZS 2009/2010

ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) Teplotní vlivy lze charakterizovat vztahem: (dR/R) = (dRυ/R) + (dRS/R) + (dRdl/R) = = α + K * (αS - αdl)) * ∆ υ kde: Rυ … je součinitel změny odporu tenzometrického drátku RS … je součinitel dilatace měřené části Rdl .. je součinitel dilatace délky tenzometrického drátku α … je celkový součinitel pro tenzometrický drátek K … je souhrnný koeficient © VR - ZS 2009/2010

ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) – můstkové zapojení MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ 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. © VR - ZS 2009/2010

kompenzované můstkové zapojení MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ Tenzometrické (odporové) – můstkové zapojení odpor Rk slouží k „ručně“ dostavitelné kompenzaci vyrovnávající automatickou kompenzaci od termočlánku termočlánek na tenzometru Rν Rk R1 R R0 napájecí napětí U slouží k automatické tepelné kompenzaci „ručně“ nastavitelná kompenzace kompenzované můstkové zapojení © VR - ZS 2009/2010

měřicí setrvač-ná hmota MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR ODPOROVÉ Tenzometrický …další praktická aplikace – akcelerometrický snímač R1 R2 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 © VR - ZS 2009/2010

KAPACITNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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 = εr * εo * S / d kde: εr … poměrná permitivita εo … permitivita vakua má hodnotu 8,845 * 10-12 [F/m] S … plocha elektrody (obě shodných rozměrů) d … vzdálenost elektrod. © VR - ZS 2009/2010

KAPACITNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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. © VR - ZS 2009/2010

KAPACITNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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. © VR - ZS 2009/2010

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

KAPACITNÍ VÝHODY: T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY - 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) © VR - ZS 2009/2010

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

KAPACITNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY d2 d1 zasouvání střední desky z dielektrika ve směrech d1 a d2 určuje kapacitu el. připojení desek dielektrikum C vzájemná plocha d0x © VR - ZS 2009/2010

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

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

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

INDUKČNOSTNÍ u (t) = B * l * v = B * l * (dx / dt) T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR INDUKČNOSTNÍ 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). © VR - ZS 2009/2010

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

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

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

Rozdělení podle použití k měření veličiny: MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR INDUKČNOSTNÍ Rozdělení podle použití k měření veličiny: vzdálenost rozměr tlakové a tahové síly tlaku a podtlaku kapalin a plynů krouticí moment deformace průtok lineární i točivá rychlost vibrace – zrychlení tloušťka fólií drsnost vlhkost lineární pohyb úhlový pohyb. © VR - ZS 2009/2010

INDUKČNOSTNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY cívka s indukčností L δ ± ∆δ střídavé napájení cívka s indukčností L δ L L = (μ0 * S * N2) / (2 * δ) S ± ∆δ změna polohy změna mezery © VR - ZS 2009/2010

systém je vhodný pro snímače mikropohybů MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR s otevřeným magnetickým obvodem INDUKČNOSTNÍ střídavé napájecí napětí U1 a indukované napětí U2 x0 ± ∆x U2 x systém je vhodný pro snímače mikropohybů © VR - ZS 2009/2010

INDUKČNOSTNÍ Snímač s potlačeným polem MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR INDUKČNOSTNÍ Snímač s potlačeným polem Konstrukce velice jednoduchého snímače – princip je založen na změně vzdálenosti cívky od magneticky vodivého materiálu s danou tloušťkou – změna tloušťky nebo tvaru (trasy) pohybu pak mění tvar magnetických siločar a tím ovlivňuje impedanci vinutí cívky a tedy její indukčnost. © VR - ZS 2009/2010

INDUKČNOSTNÍ Snímač s potlačeným polem MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR INDUKČNOSTNÍ Snímač s potlačeným polem Podmínkou je, aby tloušťka materiálu byla shodná s efektivní tloušťkou vniku siločar do materiálu – ob-dobně to platí i pro vzdálenost cívky od materiálu. Jinak snímač ztrácí na účinnosti a citlivosti. Výhodou snímače je, že může pracovat i nad magneticky vodivou kapalinou proudící v nekovové trubce (kovová by vytvořila závit nakrátko s vířivými proudy a tak by oslabily nebo zrušily potřebné účinky). © VR - ZS 2009/2010

napájení střídavým napětím MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR INDUKČNOSTNÍ 2 * R I napájení střídavým napětím l δ h ± x © VR - ZS 2009/2010

MAGNETICKÉ Magnetické snímače T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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. © VR - ZS 2009/2010

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

MAGNETICKÉ Magnetoelastické MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR Magnetoelastické MAGNETICKÉ Využívají magnetostrikce, což je deformace poly-krystalického tělesa (magnetické měrné hmoty) při zmagnetování 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 BF . © VR - ZS 2009/2010

MAGNETICKÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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. © VR - ZS 2009/2010

MAGNETICKÉ Magnetoanizotropní T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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. © VR - ZS 2009/2010

MAGNETICKÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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. © VR - ZS 2009/2010

MAGNETICKÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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. © VR - ZS 2009/2010

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

Princip Wiedemanova jevu MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR Princip Wiedemanova jevu MAGNETICKÉ 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 %. © VR - ZS 2009/2010

MAGNETICKÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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). © VR - ZS 2009/2010

MAGNETICKÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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. © VR - ZS 2009/2010

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

MAGNETICKÉ Magnetostrikční (MTS) T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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. © VR - ZS 2009/2010

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

MAGNETICKÉ Snímač s Curieho bodem T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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. © VR - ZS 2009/2010

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

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

MAGNETICKÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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 * d2x / dt2 + b * dx / dt + c * x = 0 Řešení této rovnice, pro ustálený stav: y(t) = y0 * sin (ω * t) © VR - ZS 2009/2010

Princip elektrodynamického snímače vibrací a zrychlení (akcelerace) MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR MAGNETICKÉ 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) © VR - ZS 2009/2010

MAGNETICKÉ - relativní dynamické. MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR MAGNETICKÉ Pro měření vibrací a zrychlení se používají dynamické snímače s rozdělení: - absolutní dynamické - relativní dynamické. © VR - ZS 2010/2011

MAGNETICKÉ Absolutní dynamický snímač T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR MAGNETICKÉ 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 f0 (nebo ω0) je <<< než frekvence sledované amplitudy kmitání – platí pro snímač rychlostní nebo amplitudový. * pokud je vlastní frekvence f0 (nebo ω0) >>> než frekvence sledovaného kmitání, slouží snímač jako akcelerometr, tj. snímač zrychlení. © VR - ZS 2009/2010

MAGNETICKÉ Relativní dynamický snímač T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR MAGNETICKÉ 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. © VR - ZS 2009/2010

INDUKČNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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. © VR - ZS 2009/2010

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

INDUKČNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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. © VR - ZS 2009/2010

INDUKČNÍ Elektrodynamické T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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. © VR - ZS 2009/2010

INDUKČNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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). © VR - ZS 2009/2010

INDUKČNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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. © VR - ZS 2009/2010

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

INDUKČNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY S J šířka pásu l S J vx snímací cívka Iv … indukovaný vířivý proud permanentní magnet nebo budicí cívka Uind výstupní napětí snímače rychlosti pohybu pásu © VR - ZS 2009/2010

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

k informacím o principech snímačů T- MaR … a to by bylo k informacím o principech snímačů (skoro) vše 24..... © VR - ZS 2009/2010

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR SNÍMAČ © VR - ZS 2010/2011