Snímače II Střední odborná škola Otrokovice www.zlinskedumy.cz Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je ing. František Kocián Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

Charakteristika DUM Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /6 Autor Ing. František Kocián Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-PE-Au/2-EL-3/15 Název DUM Snímače II Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání Kód oboru RVP 26-41-L/506 Obor vzdělávání Provozní elektrotechnika Vyučovací předmět Automatizace Druh učebního materiálu Výukový materiál Cílová skupina Žák, 19 – 20 let Anotace Výukový materiál je určený k frontální výuce učitelem, případně jako materiál pro samostudium, nutno doplnit výkladem, náplň: Snímače rychlosti, mechanické otáčkoměry, magnetické otáčkoměry, elektrodynamické otáčkoměry, impulzní snímače otáček, stroboskopický otáčkoměr, snímače zrychlení Vybavení, pomůcky Dataprojektor Klíčová slova Snímače rychlosti, mechanické, magnetické , elektrodynamické otáčkoměry, impulzní snímače otáček, stroboskopický otáčkoměr, snímače zrychlení Datum 24. 8. 2013

Snímače II Náplň výuky Snímače rychlosti Mechanické otáčkoměry Magnetické otáčkoměry Elektrodynamické otáčkoměry Impulzní snímače otáček Stroboskopický otáčkoměr Snímače zrychlení

Snímače rychlosti Rychlost je vektorová veličina definovaná jako přírůstek dráhy Δs v časovém intervalu Δt, lze ji proto stanovit derivací signálů snímačů polohy. Podle použitého principu rozdělujeme tyto snímače do čtyř skupin: mechanické otáčkoměry spojité indukční otáčkoměry – magnetické, elektrodynamické – stejnosměrné, střídavé impulzní otáčkoměry – kontaktní, optoelektronické, indukční, pneumatické stroboskopické otáčkoměry Nejběžnějším z nich je odstředivý otáčkoměr. Odstředivá síla je úměrná okamžité rychlosti, výchylka je vzhledem k setrvačné hmotě systému úměrná střední hodnotě rychlosti. Jejich měření bylo založeno na principu Wattova regulátoru. Obr. 1: Schéma odstředivého otáčkoměru

Magnetické otáčkoměry Elektromagnetický otáčkoměr se skládá z permanentního magnetu 1, který je uchycen na hřídeli 2, spojeným s mechanickou soustavou. Permanentní magnet se otáčí uvnitř kovového válcového hrníčku 3 (nejčastěji hliníkového) spojeného s ručkou 5. V hrníčku se indukují vířivé proudy, vyvolávající moment, kterým je hrníček natáčen. Ručka se ustálí v poloze, kde moment systému je v rovnováze s direktivním momentem spirálové pružiny 4, spojené s kovovým hrníčkem. Obr. 3: Základní princip rychloměru Obr. 2: Elektromagnetický otáčkoměr

Elektrodynamické otáčkoměry Nejdůležitější skupinou otáčkoměrů podle indukčního zákona U = B.l.v generují napětí přímo úměrné otáčivé rychlosti ω Dle funkce se dělí na: - generátory stejnosměrné (tachodynama) generátory střídavé (tachoalternátory) Tachodynamo – tvořeno permanentním magnetem, v jehož magnetickém poli se otáčí rotor s vinutím vyvedeným na komutátor. Ze sběračů komutátoru odebíráme stejnosměrné napětí. Obr. 4: Princip tachodynama

Tachodynamo Tachodynamo – stejnosměrný stroj. Magnetický obvod je upraven tak, aby ve vzduchové mezeře bylo dosaženo homogenního magnetického toku Φ. Kotva je vyrobena jako samonosná bez feromagnetika z důvodů vyloučení hystereze a minimálního momentu setrvačnosti. Dalším důvodem tohoto provedení kotvy je její indukčnost, neboť při rychlých změnách otáček by se projevila výrazněji indukčnost kotvy a způsobovala by zpoždění v narůstání napětí se změnou otáček. 1 – permanentní magnet 2 – feromagnetický prstenec s póly 3 – vinutí 4 – elektricky a magneticky nevodivý hrníček 5 – komutátor 6 – drátkové sběrací ústrojí Obr. 5: Tachodynamo

Tachoalternátor Tachoalternátor – střídavý stroj, tudíž má střídavé výstupní napětí. Neobsahuje komutátor. Stator je tvořen vícepólovým vinutím a rotor je tvořen několika pólovým i dvojicem i permanentních magnetů. U tachoalternátoru pro snímání malé úhlové rychlosti bývá až dvanáct pólových dvojic. Stator je složen z plechů s drážkami pro vinutí. Vzduchová mezera je poměrně velká, aby se při zkratu nezeslabily magnety rotoru. Výstupní napětí se pohybuje v rozmezí 10 až 100 V. Pouze v nezatíženém stavu je závislost mezi výstupním napětím a úhlovou rychlostí lineární. Obr. 6: Elektromag. snímač otáček s rotujícím feromagnetikem Obr. 7: Tachoalternátor s bubínkovým rotorem

Impulzní snímače otáček Impulsní snímače otáček udávají počtem impulsů úhel natočení měřeného hřídele. Stanovíme-li počet impulsů za jednotku času, získáme střední hodnotu úhlové rychlosti. Každý snímač se skládá - ze snímacího kotouče s dělením (otvory, zuby apod.) z vlastního snímacího prvku, který snímá značky na kotouči s převádí je na elektrický signál z vyhodnocovacího zařízení, které impulsy tvaruje a zpracovává na výstupní signál, který může být analogový nebo číslicový. elektromagneticý snímač otáček, jehož výstupem jsou „U“ pulsy indukované v cívce Obr. 9: Elektromagnetický snímač otáček s otevřeným magnetickým obvodem Obr. 8: Kontaktní snímač otáček

Impulzní snímače otáček Impulsní snímače otáček K detekci polohy lze využít kontaktní spínač (jazýčkové relé) Indukčnostní snímač (rotuje feromagnetický výstupek) Optoelektrický a pneumatický spínač Snímač s vysazování oscilací rezonančního obvodu průchodem rotující clonky mezerou cívky vlivem vířivých proudů indukční snímač s rotujícím permanentním magnetem nebo feromagnetickými výstupky , jehož výstupem jsou napěťové pulzy indukované v cívce Obr. 10: Snímač s vysazováním oscilací vlivem vířivých proudů Obr. 9: Pneumatický a fotoelektrický snímač otáček

Stroboskopický otáčkoměr Funkčně založen na setrvačnosti zrakového vjemu a tím spojování oddělených fází pohybu na vjem spojitého pohybu. 1) měřený rotující předmět se značkou nutnou pro měření 2) clona s štěrbinami a regulovanými otáčkami Princip: - otáčky kotouče 2 se regulují dokud se značka na měřeném kotouči zdánlivě nezastaví v jednom okénku - to je tehdy, otočí-li se měřený kotouč jednou či vícekrát za pootočení clony o jeden výřez vztah pro výpočet: np= k . p . nc1 p = počet štěrbin na cloně k = počet otáček měřeného předmětu (celé číslo) nc1 = rychlost otáčení clony zvětšujeme rychlost nC, dokud se značka znovu nezastaví: Obr. 11: Stroboskopický snímač otáček

Snímače zrychlení Činnost snímačů zrychleni je založena na vyhodnocovaní setrvačných účinků těles při urychlování nebo zpomalování jejich pohybu. Využívá se přitom Newtonův zákon Při známé hmotnosti tělesa m je sila F měřítkem zrychleni a. Podle realizace nehybného bodu, vůči němuž se stanovuji parametry kmitů tělesa M Rozlišujeme dvě skupiny snímačů relativní (pevný bod B vně snímače) absolutní (uvnitř snímače se za určitých dynamických podmínek vytvoří nehybný bod – tzv. seismická hmota).

Snímače zrychlení Obecný fyzikální model snímače kmitání je tvořen hmotnosti snímače m, pružinou s tuhosti k, jejíž koncový bod má v klidovém stavu souřadnici l0, a tlumičem, vyvozujícím silu úměrnou rychlosti pohybu s konstantou úměrnosti b. Pouzdro s těmito prvky je pevně spojeno s tělesem M, přičemž se stanovuji parametry jeho kmitů. Předpokládejme, že kmitající těleso M koná vzhledem k fiktivnímu pevnému bodu (na obr. 12 označen B) harmonicky kmitavý pohyb, popsány vztahem: Po uvolněni hmoty m snímače a nahrazeni účinků vazeb silami lze s použitím d´Alembertova principu (obr. 3.75) napsat rovnici silové rovnováhy společnou pro absolutní i relativní snímač ve tvaru: Obr. 12: Obecný model snímače kmitů Obr. 13: Silové účinky působící na hmotu snímače

Snímače zrychlení Ze silových snímačů se používají snímače tenzometrické (obr. 14) a piezoelektrické s tlakovým nebo smykovým namáháním piezoelektrického krystalu (vzhledem k malé hmotnosti vysoká rezonanční frekvence). U základního tlakového provedení (obr. 15) se sériově řazenými krystaly (pozice 4) orientovanými souhlasnými náboji k sobě, jsou indukovány na povrchových vodivých vrstvách náboje snímané elektrodami (5 – jeden pól). Krystaly jsou na základně pouzdra (1) spojeného s kmitajícím tělesem stlačovány seismickou hmotou (2) staticky předepnuté matici (3). Druhy pól (6) je spojen s pouzdrem. Obr. 15: Piezoelektrický tlakový snímač zrychlení Obr. 14: Tenzometrický snímač zrychlení

Snímače zrychlení Dále se užívají snímače indukční elektrodynamické, indukčnostní (obr. 16) nebo nově v protinárazovém automobilovém systému „air-bag“ snímač kapacitní, jehož princip je zřejmý z obr. 17. Obr. 16 :Indukčnostní snímač zrychlení Obr. 17 : Kapacitní snímač zrychlení

Kontrolní otázky: Tachodynamo? Neobsahuje komutátor. Založeny na využití principu Ohmova zákona. c) Tvořeno permanentním magnetem, v jehož magnetickém poli se otáčí rotor s vinutím vyvedeným na komutátor. 2. Tachoalternátor? Střídavý stroj, tudíž má střídavé výstupní napětí. Neobsahuje komutátor. Měřená veličina je výstupní stejnosměrné napětí. Pracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou 3. Snímače zrychlení? Činnost snímačů zrychleni je založena na vyhodnocovaní setrvačných účinků těles při urychlování nebo zpomalování jejich pohybu. Měřený rotující předmět se značkou nutnou pro měření bitech c) Součástí snímače je clona s štěrbinami a regulovanými otáčkami

Kontrolní otázky – řešení Tachodynamo? Neobsahuje komutátor. Založeny na využití principu Ohmova zákona. c) Tvořeno permanentním magnetem, v jehož magnetickém poli se otáčí rotor s vinutím vyvedeným na komutátor. 2. Tachoalternátor? Střídavý stroj, tudíž má střídavé výstupní napětí. Neobsahuje komutátor. Měřená veličina je výstupní stejnosměrné napětí. Pracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou 3. Snímače zrychlení? Činnost snímačů zrychleni je založena na vyhodnocovaní setrvačných účinků těles při urychlování nebo zpomalování jejich pohybu. Měřený rotující předmět se značkou nutnou pro měření bitech c) Součástí snímače je clona s štěrbinami a regulovanými otáčkami

Seznam obrázků: Obr. 1: Schéma odstředivého otáčkoměru [online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.palba.cz/viewtopic.php?t=3344 Obr. 2: Elektromagnetický otáčkoměr [online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pd Obr. 3: JAN, Z., KUBÁT, J., ŽDÁNKÝ, B., Elektrotechnika motorových vozidel II, Praha, AVID spol. sr.o., 2002, ISBN 978-80-87143-07-0 Obr. 4: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., 2009 ISBN: 978-80-251-2523-6 Obr. 5: Tachodynamo[online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: Obr. 6: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., Obr. 7:CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., Obr. 8: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s.,

Seznam obrázků: Obr. 9: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., 2009 ISBN: 978-80-251-2523-6 Obr. 10: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., Obr. 11: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., Obr. 12: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., Obr. 13: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., Obr. 14: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., Obr. 15: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., Obr. 16: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., Obr. 17: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s.,

Seznam použité literatury: [1] Automatizace [online]. [cit. 6.7.2013]. Dostupný z: http://web.spscv.cz/~madaj/skra4.pdf [2] CHLEBNÝ, J. a kol., Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., 2009 ISBN: 978-80-251-2523-6 [3] NĚMEC, Z., Prostředky automatického řízení (Elektrické), Skripta, VUT, Brno, 2002 [4] JENČÍK, J., VOLF,J., a kol., Technická měření, Skripta, ČVUT, 2003 [5] GARZINOVÁ, R., Prvky řídících systémů, Skripta, VŠB - TU Ostrava, 2012

Děkuji za pozornost 