Sensory analogowe w automatyce

Czujniki potencjometryczne

Zasadą przetwarzania przetworników potencjometrycznych jest zmiana rezystancji obwodu elektrycznego wskutek przemieszczania ruchomego styku wzdłuż drutu oporowego lub uzwojenia wykonanego z takiego drutu na izolacyjnym rdzeniu w postaci taśmy lub drutu ukształtowanych jak na rysunku 2.11. Wielkością wejściową jest przemieszczenie liniowe lub kątowe, a pierwotną wielkością wyjściową jest rezystancja Ry.
 

Rys. 2.11. Zasada działania i konstrukcji przetworników potencjometrycznych [Romer E.: Miernictwo przemysłowe. PWN, Warszawa, 1978]

Rys. 2.12. Zasada pomiaru prędkości obrotowej prądnicą tachometryczną [http://we.pb.edu.pl/~solbut/pdf/omega.pdf]

Prądnice tachometryczne są to małe prądnice elektryczne. W silnym polu magnetycznym wytwarzanym przez magnesy stałe ułożyskowany jest obrotowo wirnik z uzwojeniem. Podczas ruchu obrotowego wirnika wytwarzane jest napięcie stałe, którego wartość zależy od prędkości obrotowej wirnika, a w niektórych przypadkach także od kierunku tej prędkości.

Indukcyjny sensor przemieszczenia liniowego z rdzeniem ferrytowym

Rys. 2.13. Indukcyjny sensor przemieszczenia liniowego [D. Schmidt (edytor): Mechatronika. REA, Warszawa, 2002]

Gdy rdzeń żelazny znajduje się w środku sensora, rezystancje obu części uzwojenia są jednakowe. Kiedy rdzeń przesuwa się w lewo, zwiększa się indukcyjność lewej połowy uzwojenia, a zmniejsza prawej. W wyniku tego zmienia się wartość napięcia wytwarzanego przez sensor. Wartość napięcia jest funkcją przesunięcia rdzenia. Sensorami tymi można dokonywać pomiarów przemieszczenia liniowego w zakresie od 1 mm do 1 m. Sensory indukcyjne stosuje się np. do pomiaru grubości detali, wykorzystuje się je również jako przetworniki położenia małych stołów maszynowych.

Selsyn – maszyna elektryczna o zasadzie działania zbliżonej do silnika elektrycznego, używana jako przyrząd pomiarowo-wskaźnikowy, który może jednocześnie wykonać pewną pracę. Złożony jest z dwóch uzwojeń ułożonych w stałym polu magnetycznym o tej samej orientacji (np. pionowo w górę), przez które płynie prąd. Obydwa uzwojenia są zwykle odseparowane przestrzennie, jedno znajduje się w miejscu, gdzie dokonywany jest pomiar, drugie zaś tam, gdzie znajduje się mierzony obiekt. Zmiana orientacji jednego z uzwojeń powoduje wychylenie się (obrót) drugiego.

Rys. 2.14. Zasada działania selsyna [http://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Drehmelderprinzip.png]

Rys. 2.15. Zasada działania resolvera [http://kpt.wm.am.gdynia.pl/doc/WYKLAD_VI.pdf]

Selsyn trygonometryczny (resolver) stosowany jest do wykonywania dokładnych pomiarów położenia kątowego. Uzwojenia stojana zasilane są dwoma napięciami V1 oraz V2. W uzwojeniu wirnika indukowane jest napięcie zarówno przez jedno, jak i drugie uzwojenie. Indukcja w uzwojeniu wirnika jest maksymalna, kiedy osie uzwojenia wirnika i uzwojenia stojana pokrywają się, a przyjmuje wartość zero, gdy osie są względem siebie prostopadłe. Napięcie generowane w uzwojeniu wirnika jest zależne od kąta obrotu Θ.
 

Induktosyn składa się z liniału z meandrującą ścieżką 1 przewodnika i suwaka z dwoma analogicznie meandrującymi ścieżkami 2 i 3 przewodników, które względem siebie są przesunięte o ćwierć skoku meandra. Podczas przesuwania suwaka względem liniału ścieżka przewodnika liniału pokrywa się na przemian ze ścieżkami przewodników jednego i drugiego uzwojenia suwaka. Uzwojenia suwaka zasilane są napięciami sinusoidalnymi Uc i Us. Napięcia te wytarzają pole magnetyczne, które indukuje w uzwojeniu liniału napięcie wyjściowe Uwy, będące funkcją przemieszczania suwaka względem liniału.

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZIU.

Rys. 2.15. Zasada działania induktosyna [http://www.ktmiap.po.opole.pl/dydaktyka/Instr5.pdf]

Rys. 2.16. Sposób działania ultradźwiękowego sensora położenia [D. Schmidt (edytor): Mechatronika. REA, Warszawa, 2002]

Sensory ultradźwiękowe działają na zasadzie pomiaru czasu pomiędzy wysłaniem impulsu ultradźwiękowego w kierunku kontrolowanego przedmiotu, a jego powrotem po odbiciu się od powierzchni przedmiotu. Pomiary sensorami ultradźwiękowymi nie są pomiarami szybkimi, ani dokładnymi. Przy odległościach do 1 m pomiar trwa ok. ¼ sekundy, a przy pomiarach odległości 10 m pomiar trwa ok. ½ sekundy. Dokładność pomiaru wynosi 0,5 mm przy odległościach do 100 mm oraz około 5 mm przy odległościach ok. 1000 mm.

Sensory te stosowane są najczęściej np. do kontroli odległości w pojazdach sterowanych automatycznie, do kontroli poziomu zapełnienia zbiorników. Sensory tensometryczne wykorzystują zjawisko zmiany rezystancji przewodnika podczas jego rozciągania. Tensometry wykonuje się zwykle jako tensometry foliowe techniką podobną do wykonywania obwodów drukowanych. Aby zmieścić tensometr na małych na folii o małych gabarytach, ścieżki przewodzące nanoszone są na folię w kształcie meandra. Zapewnia to duże zmiany oporności przy pomiarze wydłużenia tensometru. Zmiany oporności tensometru mierzone są metodą mostkową.

Rys. 2.17. Budowa i rodzaje czujników tensometrycznych [D. Schmidt (edytor): Mechatronika. REA, Warszawa, 2002]

Folie tensometrów przyklejane są do powierzchni elementów tak, aby kierunek ścieżek przewodzących odpowiadał kierunkowi obciążenia oraz wydłużenia elementu.

Rys. 2.18. Tensometryczne sensory siły [D. Schmidt (edytor): Mechatronika. REA, Warszawa, 2002]
 

Siła mierzona F powoduje rozciąganie lub ściskanie korpusu siłomierza. Dokonując pomiaru wartości zmiany długości korpusu za pomocą czujnika tensometrycznego, możliwe jest określenie wartości siły rozciągającej lub ściskającej.

Rys. 2.19. Sensor momentu obrotowego
[D. Schmidt (edytor): Mechatronika. REA, Warszawa, 2002]

Urządzenia do pomiaru momentu obrotowego działają na zasadzie określenia wartości momentu skręcającego odpowiednio dobranego wałka torsyjnego. Czujniki wykorzystujące zjawisko piezoelektryczne
Jeżeli kryształ kwarcu poddany będzie działaniu siły F (lub ciśnienia) to w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny działania siły wytworzy się różnica potencjałów elektrycznych, która jest proporcjonalna do wartości siły.

Rys. 2.20. Ilustracja zasady działania sensorów piezoelektrycznych
[Źródło: własne]

Piezoelektryczne sensory siły wykorzystywane są do określania wartości dopuszczalnych obciążeń maszyn lub do wyznaczania wartości siła skrawania w obrabiarkach.

Rys. 2.21. Sensor przyspieszenia
[D. Schmidt (edytor): Mechatronika. REA, Warszawa, 2002]
 

Podczas ruchu o zmiennym przyspieszeniu masa bezwładnościowa poddawana jest działaniu siły bezwładności, której wartość zależy od wartości przyśpieszenia. Czujnik piezoelektryczny dokonuje pomiaru wartości tej siły. Szczególnie częstym zastosowaniem sensorów piezoelektrycznych jest pomiar przyśpieszeń ruchu drgającego maszyn. Dokonując przekształcania (za pomocą układów elektronicznych) sygnału wytwarzanego przez sensor, można wyznaczyć również prędkość ruchu (dzięki całkowaniu sygnału wyjściowego czujnika) oraz przemieszczenie elementów drgających (podwójne całkowanie sygnału wyjściowego czujnika).

Przetworniki temperatury

Do pomiaru temperatury cieczy roboczej wykorzystywane są czujniki działające w oparciu o następujące zjawiska fizyczne:

1) wzrost ciśnienia stałej objętości płynu pod wpływem temperatury – termometry manometryczne,

2) wzrostu rezystancji metali w wyniku wzrostu temperatury – termometry elektryczne,

3) zjawisko termoelektryczne – termopary.

Termometr manometryczny składa się z czujnika (zbiornika płynu termometrycznego) umieszczonego w ośrodku mierzonej temperatury, manometru sprężystego oraz łączącej je kapilary. Pod wpływem wzrostu temperatury płyn zawarty w zbiorniku 1 zwiększa swoją objętość i w związku z tym ciśnienie płynu rośnie, powodując odkształcenia elementu sprężystego 3. Odkształcenie elementu 3 za pomocą układu dźwigni przenoszone jest na wskazówkę, powodując jej wychylenie.

Rys. 2.22. Termometr manometryczny: a) budowa, b) widok
[http://www.i15.p.lodz.pl/strony/elektrownie/pomiar_temperatury.pdf]

Termometry manometryczne w zależności od rodzaju płynu termometrycznego, dzielą się na:
- termometry cieczowe (rtęć, ciecze organiczne),
- termometry parowe (para nasycona cieczy termometrycznych: eter, alkohole, propan, benzen, dwutlenek węgla, woda itp.),
- termometry gazowe (wodór, hel, azot).
 

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZIU.