Sensory analogowe w automatyce
Czujniki potencjometryczne
ZasadÄ… przetwarzania przetworników potencjometrycznych jest zmiana rezystancji obwodu elektrycznego wskutek przemieszczania ruchomego styku wzdÅ‚uż drutu oporowego lub uzwojenia wykonanego z takiego drutu na izolacyjnym rdzeniu w postaci taÅ›my lub drutu uksztaÅ‚towanych jak na rysunku 2.11. WielkoÅ›ciÄ… wejÅ›ciowÄ… jest przemieszczenie liniowe lub kÄ…towe, a pierwotnÄ… wielkoÅ›ciÄ… wyjÅ›ciowÄ… jest rezystancja Ry.
Rys. 2.11. Zasada dziaÅ‚ania i konstrukcji przetworników potencjometrycznych [Romer E.: Miernictwo przemysÅ‚owe. PWN, Warszawa, 1978]
Rys. 2.12. Zasada pomiaru prędkości obrotowej prądnicą tachometryczną [http://we.pb.edu.pl/~solbut/pdf/omega.pdf]
PrÄ…dnice tachometryczne sÄ… to maÅ‚e prÄ…dnice elektryczne. W silnym polu magnetycznym wytwarzanym przez magnesy staÅ‚e uÅ‚ożyskowany jest obrotowo wirnik z uzwojeniem. Podczas ruchu obrotowego wirnika wytwarzane jest napiÄ™cie staÅ‚e, którego wartość zależy od prÄ™dkoÅ›ci obrotowej wirnika, a w niektórych przypadkach także od kierunku tej prÄ™dkoÅ›ci.
Indukcyjny sensor przemieszczenia liniowego z rdzeniem ferrytowym
Rys. 2.13. Indukcyjny sensor przemieszczenia liniowego [D. Schmidt (edytor): Mechatronika. REA, Warszawa, 2002]
Gdy rdzeÅ„ żelazny znajduje siÄ™ w Å›rodku sensora, rezystancje obu części uzwojenia sÄ… jednakowe. Kiedy rdzeÅ„ przesuwa siÄ™ w lewo, zwiÄ™ksza siÄ™ indukcyjność lewej poÅ‚owy uzwojenia, a zmniejsza prawej. W wyniku tego zmienia siÄ™ wartość napiÄ™cia wytwarzanego przez sensor. Wartość napiÄ™cia jest funkcjÄ… przesuniÄ™cia rdzenia. Sensorami tymi można dokonywać pomiarów przemieszczenia liniowego w zakresie od 1 mm do 1 m. Sensory indukcyjne stosuje siÄ™ np. do pomiaru gruboÅ›ci detali, wykorzystuje siÄ™ je również jako przetworniki poÅ‚ożenia maÅ‚ych stoÅ‚ów maszynowych.
Selsyn – maszyna elektryczna o zasadzie dziaÅ‚ania zbliżonej do silnika elektrycznego, używana jako przyrzÄ…d pomiarowo-wskaźnikowy, który może jednoczeÅ›nie wykonać pewnÄ… pracÄ™. ZÅ‚ożony jest z dwóch uzwojeÅ„ uÅ‚ożonych w staÅ‚ym polu magnetycznym o tej samej orientacji (np. pionowo w górÄ™), przez które pÅ‚ynie prÄ…d. Obydwa uzwojenia sÄ… zwykle odseparowane przestrzennie, jedno znajduje siÄ™ w miejscu, gdzie dokonywany jest pomiar, drugie zaÅ› tam, gdzie znajduje siÄ™ mierzony obiekt. Zmiana orientacji jednego z uzwojeÅ„ powoduje wychylenie siÄ™ (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 dokÅ‚adnych pomiarów poÅ‚ożenia kÄ…towego. Uzwojenia stojana zasilane sÄ… dwoma napiÄ™ciami V1 oraz V2. W uzwojeniu wirnika indukowane jest napiÄ™cie zarówno przez jedno, jak i drugie uzwojenie. Indukcja w uzwojeniu wirnika jest maksymalna, kiedy osie uzwojenia wirnika i uzwojenia stojana pokrywajÄ… siÄ™, a przyjmuje wartość zero, gdy osie sÄ… wzglÄ™dem siebie prostopadÅ‚e. NapiÄ™cie generowane w uzwojeniu wirnika jest zależne od kÄ…ta obrotu Θ.
Induktosyn skÅ‚ada siÄ™ z liniaÅ‚u z meandrujÄ…cÄ… Å›cieżkÄ… 1 przewodnika i suwaka z dwoma analogicznie meandrujÄ…cymi Å›cieżkami 2 i 3 przewodników, które wzglÄ™dem siebie sÄ… przesuniÄ™te o ćwierć skoku meandra. Podczas przesuwania suwaka wzglÄ™dem liniaÅ‚u Å›cieżka przewodnika liniaÅ‚u pokrywa siÄ™ na przemian ze Å›cieżkami przewodników jednego i drugiego uzwojenia suwaka. Uzwojenia suwaka zasilane sÄ… napiÄ™ciami sinusoidalnymi Uc i Us. NapiÄ™cia te wytarzajÄ… pole magnetyczne, które indukuje w uzwojeniu liniaÅ‚u napiÄ™cie wyjÅ›ciowe Uwy, bÄ™dÄ…ce funkcjÄ… przemieszczania suwaka wzglÄ™dem liniaÅ‚u.
Opracowano na podstawie materiaÅ‚ów KOWEZIU.
Rys. 2.15. Zasada działania induktosyna [http://www.ktmiap.po.opole.pl/dydaktyka/Instr5.pdf]
Rys. 2.16. Sposób dziaÅ‚ania ultradźwiÄ™kowego sensora poÅ‚ożenia [D. Schmidt (edytor): Mechatronika. REA, Warszawa, 2002]
Sensory ultradźwiÄ™kowe dziaÅ‚ajÄ… na zasadzie pomiaru czasu pomiÄ™dzy wysÅ‚aniem impulsu ultradźwiÄ™kowego w kierunku kontrolowanego przedmiotu, a jego powrotem po odbiciu siÄ™ od powierzchni przedmiotu. Pomiary sensorami ultradźwiÄ™kowymi nie sÄ… pomiarami szybkimi, ani dokÅ‚adnymi. Przy odlegÅ‚oÅ›ciach do 1 m pomiar trwa ok. ¼ sekundy, a przy pomiarach odlegÅ‚oÅ›ci 10 m pomiar trwa ok. ½ sekundy. DokÅ‚adność pomiaru wynosi 0,5 mm przy odlegÅ‚oÅ›ciach do 100 mm oraz okoÅ‚o 5 mm przy odlegÅ‚oÅ›ciach ok. 1000 mm.
Sensory te stosowane sÄ… najczęściej np. do kontroli odlegÅ‚oÅ›ci w pojazdach sterowanych automatycznie, do kontroli poziomu zapeÅ‚nienia zbiorników. Sensory tensometryczne wykorzystujÄ… zjawisko zmiany rezystancji przewodnika podczas jego rozciÄ…gania. Tensometry wykonuje siÄ™ zwykle jako tensometry foliowe technikÄ… podobnÄ… do wykonywania obwodów drukowanych. Aby zmieÅ›cić tensometr na maÅ‚ych na folii o maÅ‚ych gabarytach, Å›cieżki przewodzÄ…ce nanoszone sÄ… na foliÄ™ w ksztaÅ‚cie meandra. Zapewnia to duże zmiany opornoÅ›ci przy pomiarze wydÅ‚użenia tensometru. Zmiany opornoÅ›ci tensometru mierzone sÄ… metodÄ… mostkowÄ….
Rys. 2.17. Budowa i rodzaje czujników tensometrycznych [D. Schmidt (edytor): Mechatronika. REA, Warszawa, 2002]
Folie tensometrów przyklejane sÄ… do powierzchni elementów tak, aby kierunek Å›cieżek przewodzÄ…cych odpowiadaÅ‚ kierunkowi obciążenia oraz wydÅ‚użenia 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 krysztaÅ‚ kwarcu poddany bÄ™dzie dziaÅ‚aniu siÅ‚y F (lub ciÅ›nienia) to w pÅ‚aszczyźnie prostopadÅ‚ej do pÅ‚aszczyzny dziaÅ‚ania siÅ‚y wytworzy siÄ™ różnica potencjaÅ‚ów elektrycznych, która jest proporcjonalna do wartoÅ›ci siÅ‚y.
Rys. 2.20. Ilustracja zasady dziaÅ‚ania sensorów piezoelektrycznych
[ŹródÅ‚o: wÅ‚asne]
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 bezwÅ‚adnoÅ›ciowa poddawana jest dziaÅ‚aniu siÅ‚y bezwÅ‚adnoÅ›ci, której wartość zależy od wartoÅ›ci przyÅ›pieszenia. Czujnik piezoelektryczny dokonuje pomiaru wartoÅ›ci tej siÅ‚y. Szczególnie czÄ™stym zastosowaniem sensorów piezoelektrycznych jest pomiar przyÅ›pieszeÅ„ ruchu drgajÄ…cego maszyn. DokonujÄ…c przeksztaÅ‚cania (za pomocÄ… ukÅ‚adów elektronicznych) sygnaÅ‚u wytwarzanego przez sensor, można wyznaczyć również prÄ™dkość ruchu (dziÄ™ki caÅ‚kowaniu sygnaÅ‚u wyjÅ›ciowego czujnika) oraz przemieszczenie elementów drgajÄ…cych (podwójne caÅ‚kowanie sygnaÅ‚u wyjÅ›ciowego czujnika).
Przetworniki temperatury
Do pomiaru temperatury cieczy roboczej wykorzystywane są czujniki działające w oparciu o następujące zjawiska fizyczne:
1) wzrost ciÅ›nienia staÅ‚ej objÄ™toÅ›ci pÅ‚ynu pod wpÅ‚ywem temperatury – termometry manometryczne,
2) wzrostu rezystancji metali w wyniku wzrostu temperatury – termometry elektryczne,
3) zjawisko termoelektryczne – termopary.
Termometr manometryczny skÅ‚ada siÄ™ z czujnika (zbiornika pÅ‚ynu termometrycznego) umieszczonego w oÅ›rodku mierzonej temperatury, manometru sprężystego oraz Å‚Ä…czÄ…cej je kapilary. Pod wpÅ‚ywem wzrostu temperatury pÅ‚yn zawarty w zbiorniku 1 zwiÄ™ksza swojÄ… objÄ™tość i w zwiÄ…zku z tym ciÅ›nienie pÅ‚ynu roÅ›nie, powodujÄ…c odksztaÅ‚cenia elementu sprężystego 3. OdksztaÅ‚cenie elementu 3 za pomocÄ… ukÅ‚adu dźwigni przenoszone jest na wskazówkÄ™, powodujÄ…c 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 materiaÅ‚ów KOWEZIU.