Snímače polohy 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 /7 Autor Ing. František Kocián Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-PE-Au/2-EL-3/12 Název DUM Snímače polohy 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: Mechanické a odporové snímače polohy spojité a nespojité, kapacitní snímače polohy, vyhodnocovací obvody odporových a kapacitních snímačů Vybavení, pomůcky Dataprojektor Klíčová slova Mechanické, odporové a kapacitní snímače polohy, vyhodnocovací obvody snímačů Datum 10. 8. 2013

Snímače polohy Náplň výuky Mechanické snímače polohy Odporové snímače polohy spojité Vyhodnocovací obvody odporových snímačů Odporové snímače polohy nespojité Kapacitní snímače polohy Vyhodnocovací obvody kapacitních snímačů

Mechanické snímače polohy Podstata těchto snímačů Působením neelektrické veličiny (mechanickým pohybem) dochází ke skokové zmaně odporu přepínáním kontaktů. Nejčastější aplikací je měření polohy pohybujících se částí různých technických zařízení, kde jsou součástí tzv. koncových spínačů. Obr. 1: Koncový spínač

Odporové snímače polohy spojité Podstatou těchto snímačů je prvek – čidlo, jehož elektrický odpor se mění působením měřené veličiny dle známých fyzikálních zákonů. Potenciometrický snímač – nejjednodušším analogovým snímačem polohy. Může být posuvný nebo otočný. U otočného pro rozsahy větší než 270°, např. 0 až 3600°, lze použít aripot, u něhož je odporová dráha tvořena spirálou, nejčastěji s pěti až deseti závity. Potenciometrické snímače můžeme dělit: 1. dle změny odporu v závislosti na poloze jezdce na: • lineární – změna odporu je přímo úměrná natočení (posunutí) jezdce • nelineární – změna odporu není přímo úměrná natočení (posunutí) jezdce, např. logaritmická, exponenciální

Odporové snímače polohy spojité 2. dle odporového materiálu: • kovové – drátové (vinuté) – odpor je tvořen navinutým odporovým drátkem vrstvové – též nazývané metalizované, odporová vrstva je tvořena napařenou vrstvou kovového odporového materiálu • nekovové – uhlíkové (grafitové) vodivé plastické materiály cermentové (keramika s kovem) Obr. 2: Potenciometr Obr. 3: Potenciometr

Vyhodnocovací obvody odporových snímačů Odporový snímač polohy pracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou. Vyhodnocovací obvody proto stanovují změnu napětí (proudu) obvodu odporového snímače standardními výchylkovými nebo nulovými (můstkovými) metodami při měření odporů. Výchylkové metody přímé měření I změnou R - je nelineární, závisí na změně RSN a RV a UN - R0 nastavuje 0 měřícího rozsahu Obr. 4: Měření odporového snímače „Ampérovou hodnotou

Vyhodnocovací obvody odporových snímačů Vyhodnocovací obvody proto stanovují změnu napětí (proudu) obvodu odporového snímače standardními výchylkovými metodami při měření odporů. Výchylkové metody Nejčastěji se využívá měření U potenciometrické zapojení odporového snímače - poloha jezdce je x, pouze, je-li z = ∞, pak je přenos snímače lineární fcí poměrné polohy jezdce - činitel zatížení: α = R2/RSN Obr. 5: Potenciometrické zapojení odporového snímače polohy

Vyhodnocovací obvody odporových snímačů Vyhodnocovací obvody proto stanovují změnu napětí (proudu) obvodu odporového snímače standardními výchylkovými metodami při měření odporů. Výchylkové metody výhodnější je napěťový sledovač čím je „z“ menší, tím roste chyba měření - závislost výstupního napětí na poloze jezdce a na zátěži Obr. 7: Závislost výstupního napětí potenciometru na poloze jezdce a zátěži Obr. 6: Napěťový sledovač

Vyhodnocovací obvody odporových snímačů Vyhodnocovací obvody proto stanovují změnu napětí (proudu) obvodu odporového snímače standardními (nulovými) můstkovými metodami při měření odporů. můstkové metody Nejčastější je aplikace Wheatstoneova můstku jednak automaticky vyvažovaného napětím na impedanci záporné zpětné vazby nebo pracujícího v nevyváženém stavu posun jezdce => ∆UBC - RSN =R1 + R2 můstek je vyvážen: výhoda: - kolísání R vlivem tepla neovlivní přesnost - nechá se spočítat, že RV také neovlivní přesnost Obr. 8: Můstkové zapojení odporového snímače

Odporové snímače polohy nespojité Převádějí změnu polohy sledovaného objektu na skokovou změnu R přepínáním kontaktů výstupní signál je logického typu (vyp/zap) Mechanické – rtuťové, pružinkové Magnetické – Hallova sonda , jazýčkové relé Magneticky ovládané spínače tvoří skupinu prvků, k nimž patří jazýčkové relé a Wiegandův spínač. Další spinače tvoří magneto rezistor, magneto dioda, magnetotranzistor a Hallova sonda   Obr. 9: Závislost zóny spínání na poloze os magnetu a relé

Kapacitní snímače polohy Kapacitní snímače mechanických veličin mají jednoduchou konstrukci a využívají změny některé z veličin, které určují kapacitu kondenzátoru. Principy konstrukcí snímačů a jejich vlastnosti jsou ukázány v obr. 10 Základem konstrukce snímače nejčastěji bývá deskový nebo válcový kondenzátor, tvořen dvěma souosým i válci. Kapacitu deskového kondenzátoru můžeme vypočítat ze vztahu: C kapacita snímače (F) ɛ permitivita dielektrika (prostředí) (Fm- I) S společná plocha elektrod (m2) d vzdálenost elektrod (m). Snímače ve tvaru deskových kondenzátorů jsou nejčastěji používány pro měření malých posunutí, přičemž diferenciální uspořádání, díky své linearitě, umožňuje využít mnohem větších rozsahů.  

Kapacitní snímače polohy Obr. 10: Principy, funkční vztahy a charakteristiky kapacitních snímačů polohy

Kapacitní snímače polohy Výhodou kapacitních snímačů je velká přesnost, daná rozměry elektrod, které lze vyrobit s velkou přesností. Pracovní části snímačů mají malou váhu, a tím i vysokou rezonanční frekvenci, která leží mimo oblast nejčastěji měřených kmitů. Rovněž zpětné působení na měřený objekt je zanedbatelné (velmi malé elektrostatické síly mezi elektrodami). Výhodou, pokud si neklademe velké požadavky na přesnost, je rovněž možnost využít částí měřeného objektu jako jedné z elektrod, event. dielektrika. Kapacita snímačů se pohybuje řádově v desítkách až stovkách pikofaradů. To přináší potíže s parazitními kapacitami přívodů, které je třeba eliminovat. Pro napájení je třeba používat kmitočty větší než 1 kHz. Obr. 11: Kapacitní snímač

Kapacitní snímače polohy Výhodou kapacitních snímačů je velká přesnost Obr. 12: Běžný kapacitní snímač přiblížení válcového provedení Obr. 13: Blokové schéma průmyslového kapacitního snímače pro detekci přiblížení předmětů

Kapacitní snímače polohy Náhradní schéma - změna polohy se převede v změnu kapacity pomocí permitivity ε + plochy překrytí S + vzdálenosti elektrod d Obr. 14: Náhradní schéma kapacitního snímače

Vyhodnocovací obvody kapacitních snímačů Můstková metoda: především u diferenčních snímačů pokud je změna C zapříčiněna ∆d, pak Obr. 15: Můstek pro kapacitní snímač polohy

Vyhodnocovací obvody kapacitních snímačů Rezonanční metoda: - výhodné pro malé změny CSN - na výstup se dávají vf voltmetry - citlivost a linearita se volí šířkou rezonanční křivky Obr. 16: Zapojení a charakteristiky rezonančního obvodu

Kontrolní otázky: Jak funguje odporový snímač spojitý? Podstatou těchto snímačů je prvek – čidlo, jehož elektrický odpor se mění Působením neelektrické veličiny (mechanickým pohybem) dochází ke skokové zmaně odporu přepínáním kontaktů. c) Schopnost elektronického zařízení nerušit jiný signál 2. Jak funguje odporový snímač polohy? Pracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou Hodnoty nelze měřit musíme přepočítat Nepracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou 3. Co platí pro kapacitní snímač polohy? Používá se tehdy, jestliže lze realizovat snímač převádějící rušivou veličinu na měronosnou samostatně. Umožňuje přenášet data pouze po bitech Základem konstrukce snímače nejčastěji bývá deskový nebo válcový kondenzátor, tvořen dvěma souosým i válci

Kontrolní otázky – řešení Jak funguje odporový snímač spojitý? Podstatou těchto snímačů je prvek – čidlo, jehož elektrický odpor se mění Působením neelektrické veličiny (mechanickým pohybem) dochází ke skokové zmaně odporu přepínáním kontaktů. c) Schopnost elektronického zařízení nerušit jiný signál 2. Jak funguje odporový snímač polohy? Pracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou Hodnoty nelze měřit musíme přepočítat Nepracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou 3. Co platí pro kapacitní snímač polohy? Používá se tehdy, jestliže lze realizovat snímač převádějící rušivou veličinu na měronosnou samostatně. Umožňuje přenášet data pouze po bitech Základem konstrukce snímače nejčastěji bývá deskový nebo válcový kondenzátor, tvořen dvěma souosým i válci

Seznam obrázků: Obr. 1: Koncový spinač [online]. [vid. 13.8.2013]. Dostupný z: http://www.pselectronic.cz/psobr/3000/30000076.jpg Obr. 2: Potenciometr [online]. [cit. 13.8.2013]. Dostupný z: http://www.google.cz/imgres?q=potenciometr&hl=cs&biw=1280&bih=847&tbm=isch& tbnid=7gtKjSDjGkifLM:&imgrefurl=http://www.tme.eu/ Obr. 3: Potenciometr [online]. [vid. 13.8.2013]. Dostupný z: http://t0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSwCeMb2egq9dqkBnEZDh- wJ2GUNPI3MPUA-JbR-Q7uF-Fc37zz Obr. 4: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., 2009 ISBN: 978-80-251-2523-6 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: Kapacitní čidlo [online]. [vid. 13.8.2013]. Dostupný z: http://automatizace.hw.cz/test-valcovy-kapacitni-snimac-selet-m18 Obr. 12: CHLEBNÝ, J. a kol. „Automatizace a automatizační technika“, Computer Press a.s., 2009 ISBN: 978-80-251-2523-6 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.,

Seznam použité literatury: [1] Automatizace [online]. [cit. 6.7.2013]. Dostupný na WWW: http://web.spscv.cz/~madaj/skra4.pdf [2] CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press, 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

Děkuji za pozornost 