8. MÃSURAREA TURAÞIEI ªI DEPLASÃRILOR

Transcript

1 80 Merologie, Sandardizare si Masurari 8. MÃSUAEA TUAÞIEI ªI DEPLASÃILO 8.1. Marimi neelecrice si clasificarea raducoarelor Naura foare diferia a marimilor de masura (care po fi ermice, mecanice, radiaii s.a.) a impus unificarea semnalelor puraoare de informaii si alegerea marimilor elecrice penru aces scop, deoarece elecronica si ehnica de calcul ofera cele mai mari posibiliai de valorificare a informaiilor primie sub forma elecrica (precizie, sensibiliae, consum mic de puere, vieza mare de raspuns, prelucrare operaionala a mai mulor semnale, socare ec). Elemenele care realizeaza converirea unei marimi de inrare neelecrica înr-o marime de iesire de naura elecrica (ensiune, curen, sarcina elecrica, rezisena) se numesc raducoare. Tipurile exisene de raducoare sun exrem de numeroase, clasificarea lor puându-se face dupa urmaoarele crierii: Dupa forma semnalului elecric obinu, raducoarele se po grupa în: raducoare analogice, la care semnalul produs depinde coninuu de marimea de inrare; raducoare numerice, la care semnalul de iesire variaza disconinuu, dupa un anumi cod (operaie de codificare). Dupa modul de ransformari efecuae si modul de inerconecare, raducoarele se împar în: raducoare direce care realizeaza o singura ransformare; raducoare complexe care înglobeaza mai mule ipuri de raducoare direce si uneori chiar elemene de apare. Dupa domeniul de uilizare, raducoarele având denumirea marimii masurae po fi: pe presiune, de debi, de emperaura, de umidiae, de deplasare ec. Dupa naura marimii de iesire, raducoarele elecrice direce se împar: raducoare pasive, la care ca marime de iesire ese rezisena, inducana sau capaciaea si care necesia o sursa de energie auxiliara;

2 Masurarea uraiei si deplasarilor 81 raducoare generaoare la care ca marime de iesire ese o.e.m. ermoelecrica, piezoelecrica, fooelecrica, elecrochimica sau de inducie Masurarea uraiei Principale aparae care permi masurarea pe cale elecrica a uraiilor, viezelor unghiulare sun: ahomerul cu cureni urbionari, ahogeneraorul, ahomere cu impulsuri, sroposcopul de uraii, giroscopul cu fibra opica si laser. Tahomerele cu cureni urbionari (figura 8.1) se consruiesc penru inervale de masurare ro/min. Sun consruie dinr-un dispoziiv mobil forma din unul sau doi magnei permaneni ce se po roi în ineriorul unui ambur de aluminiu sau cupru. Tamburul ese soliar cu un ac indicaor si se poae roi la rândul sau înre doua paliere fiind însa meninu în poziia iniiala daoria unui arc spiral. Arcul spiral are capaul exerior fix si capaul inerior soliar cu amburul. Arborele a carui uraie se masoara pune în miscare de roaie dispoziivul mobil si prin aceasa liniile de câmp magneic produse de magnei permaneni aie amburul. În ambur vor fi induse.e.m. proporionale cu uraia. Înre curenii indusi în ambur si fluxul magneilor permaneni apare o ineraciune care se manifesa prin apariia unui cuplu aciv: = k 1 n (8.1) M a unde: n ese vieza de uraie unghiulara (uraia). N S M a Mr n Fig Schema consruciva a ahomerului cu cureni urbionari.

3 82 Merologie, Sandardizare si Masurari Sub aciunea acesui cuplu aciv amburul se roese, iar cuplului aciv i se opune cuplul rezisen da de arcul spiral: unde α ese unghiul de roaie. Când cele doua cupluri sun egale: M a M r = k 2 α (8.2) = M r n = k3 α sau α = k 4 n (8.3) deci, unghiul cu care s-a roi amburul (acul indicaor) ese proporional cu uraia, iar scara ese gradaa direc în uniai de uraie. Tahogeneraoarele sun raducoare de uraie si ele sun microgeneraoare de curen coninuu sau alernaiv care genereaza ensiuni elecrice proporionale cu vieza de roaie a arborelui cu care sun cuplae. Exisa ohogeneraoare de c.c. si de c.a. Tahogeneraoarele consuma o puere de 1 50 W care ese neglijabila la pueri mari de anrenare, dar la pueri mici apar erori de masurare a uraiei. Sroboscopul de uraii permie masurarea uraiei fara un conac mecanic cu obiecul afla în roaie. Se folosese ineria ochiului omenesc, prin care un corp în vibraie sau roaie pare imobil daca ese ilumina cu impulsuri scure, a caror frecvena de repeiie ese egala cu frecvena de vibraie sau roaie a corpului sau ese un muliplu înreg al aceseia. În prezen se folosesc sroboscoape cu sclipiri luminoase. Meoda sroboscopica permie masurarea celor mai mici uraii care se înâlnesc în ehnica. Frecvena impulsurilor poae ainge valoarea de 1000 Hz, la care corespunde uraia de ro/min. Tahomerul de impulsuri se realizeaza pe baza raducorului digial elecromagneic penru vieza unghiulara ce converese uraia în renuri de impulsuri. Soliar cu axul a carei vieza unghiulara se masoara se afla o roaa dinaa din maerial feromagneic (figura 9.2). Un magne permanen siua în ineriorul unei bobine se ermina cu un capa din maerial feromagneic care se afla la o foare mica disana de periferia dinilor. Când un dine se

4 Masurarea uraiei si deplasarilor 83 aproprie sau se depareaza de magne, variaza lungimea înrefierului, deci relucana circuiului magneic, ceea ce conduce la o variaie a fluxului si la generarea unui impuls în bobina. Penru obinerea viezei unghiulare se poae masura inervalul de imp dinre doua impulsuri sau numarul de impulsuri penru un anumi inerval. Precizia depinde de numarul de dini, de precizia cu care s-a realiza pasul dinilor si de precizia cu care se masoara inervalul de imp. Acese raducoare po fi uilizae penru vieze unghiulare care genereaza frecvene înre 10 Hz si 10 khz Masurarea deplasarii liniare sau unghiulare Traducoarele elecrice uilizae penru masurarea deplasarii liniare permi masurarea deplasarii înr-un inerval cuprins de la câiva microni pâna la deplasari de ordinul merilor, iar cele penru deplasari unghiulare înr-un inerval de la câeva secunde la 360. Penru conversia deplasarii înr-o marime elecrica raducoarele de deplasare po cuprinde senzori rezisivi, capaciivi, inducivi, opici sau digiali Uilizarea senzorilor rezisivi Traducoarele rezisive de deplasare sun consiuie dinr-un senzor poeniomeric a carui rezisena se modifica daoria unui cursor ce se deplaseaza sub aciunea marimii de masura, deplasarea puând fi liniara sau circulara. Prin deplasarea cursorului are loc o modificare a lungimii l din senzor, care ese inclusa în circuiul de masurare, ceea ce conduce la relaia: ( x) 1 Fig Traducor digial elecromagneic penru vieza. 1-bobina; 2-magne permanen; 3-roaa dinaa. = f (8.4) N S 2 3

5 84 Merologie, Sandardizare si Masurari unde: ese rezisena senzorului; x marimea neelecrica ce produce deplasarea cursorului. Traducoarele poeniomerice se realizeaza sub forma liniara (figura 8.3, a) sau circulara (figura 8.3, b). Caracerisica de conversie a raducorului poeniomeric liniar ese daa de relaia: l = = a (8.5) l în care: ese rezisena oala a senzorului; rezisena înre cursor si un capa; l lungimea oala; l lungimea corespunzaoare deplasarii cursorului, a=l/l deplasarea relaiva. l l a) B C A α α B C c) B C A b) A a 2n a a d) e) a Fig Traducoare poeniomerice: a) raducor poeniomeric liniar; b) raducor poeniomeric circular; c) schema elecrica; d) caracerisica de conversie; e) variaia disconinua a senzorului bobina.

6 Masurarea uraiei si deplasarilor 85 Penru raducorul poeniomeric circular se poae scrie în mod similar: α = = a (8.6) α α ese unghiul de roaie a cursorului; α - unghiul de roaie a cursorului faa de un capa; a = α α - roirea relaiva. Penru ambele ipuri de raducoare poeniomerice caracerisica de conversie ese liniara (figura 8.3, d). Deoarece senzorul poeniomeric se execua prin bobinarea unui fir rezisiv pe un supor izolan rezula ca variaia rezisenei nu se produce în mod coninuu ci în repe care corespund cursorului de pe o spira pe ala (figura 8.3, e). ezula ca valoarea rezisenei ese afecaa de o eroare de disconinuiae si deci: unde n reprezina numarul oal de spire. Eroarea de disconinuiae ese: iar eroarea relaiva de disconinuiae ese: ε d = a ± (8.7) 2n d = ± (8.8) 2n = d 1 = ± 2a n (8.9) ezisena oala a raducorului ese de Ω iar eroarea relaiva de neliniariae ese cuprinsa înre ±0,025% si ±0,5%. eacana induciva si capaciiva a raducoarelor poeniomerice ese foare mica puând fi neglijaa pâna la frecvene de ordinul zecilor de khz. Traducoarele poeniomerice se uilizeaza penru masurarea deplasarilor liniare penru lungimi pâna la 50cm sau penru deplasari unghiulare. Deasemeni senzorii poeniomerici po fi înâlnii în srucura

7 86 Merologie, Sandardizare si Masurari raducoarelor complexe penru masurarea nivelelor, presiunilor, forelor ec. Traducoarele poeniomerice po fi conecae în orice circui de masurare a rezisenelor elecrice. De exemplu în figura 8.4 se uilizeaza o sursa de curen coninuu U 0. În aces caz ensiunea de iesire ese: U U = 0 (8.10) Daca se masoara aceasa ensiune cu un volmeru de rezisena inerna v el va indica o ensiune: U v = U ( ) (0.1) 0 + si schema de masurare inroduce o abaere de la liniariae care se reduce daca v >>. v U V U v U 0 Fig Alimenare în curen coninuu Uilizarea senzorilor capaciivi Traducoarele capaciive uilizae penru masurarea elecrica a deplasarii liniare sau unghiulare se bazeaza pe modificarea ariei de suprapunere a elecrozilor.

8 Masurarea uraiei si deplasarilor 87 Traducoarele capaciive de deplasare unghiulara sun consruie din doi senzori capaciivi cu un elecrod comun. Cei rei elecrozi sun formai din placi de forma drepunghiulara cu laurile de ordinul a mm si grosime de 1 2 mm (figura 8.5). Elecrozii inferiori sun ficsi si sun separai cu o mica disana (1 mm). l U a U 0 Fig Traducor capaciiv de deplasare liniara. Elecrodul superior ese elecrodul comun si sub aciunea marimii de masura se poae deplasa paralel cu elecrozii ficsi pasrând o disana consana (d-1mm). Prin aceasa se modifica aria comuna dinre elecrozii cu: A = a x. Cei doi elecrozi ficsi sun alimenai prin inermediul unui ransformaor cu priza mediana. Când elecrodul mobil ese siua simeric în rapor cu cei doi elecrozi ficsi ensiunea rezulana U ese nula si capaciaile celor doi senzori sun egale C 1 =C 2 =C. Penru o deplasare x a elecrodului superior cele doua capaciai devin: C 1 = C + C si C2 = C C (8.12)

9 88 Merologie, Sandardizare si Masurari Traducoarele capaciive se uilizeaza penru masurarea deplasarilor liniare penru lungimi pâna la 20mm (egale cu lungimea elecrozilor) Uilizarea senzorilor inducivi Senzorii inducivi uilizai penru realizarea raducoarelor de deplasare po fi clasificae în: senzori inducivi la care ese influenaa o singura induciviae; senzori inducivi la care sun influenae doua induciviai; senzori inducivi la care sun influenae induciviai muuale. Senzori inducivi la care ese influenaa o singura induciviae. Formele cele mai raspândie de asfel de raducoare de deplasare au senzorul consrui dinr-o singura bobina a carei induciviae ese modificaa prin deplasarea unui miez sau a unei armauri. De exemplu, penru masurarea deplasarilor se uilizeaza raducorul induciv cu o singura induciviae si miez mobil. Traducorul induciv cu miez mobil (figura 8.6) ese forma dinr-o bobina cilindrica lunga, fixa, în ineriorul careia se poae deplasa axial un miez mobil din maerial feromagneic, de aceeasi lungime cu bobina, soliar cu piesa a carei deplasare se masoara. Induciviaea bobinei variaza în funcie de poziia miezului înre valorile L 0 si L max corespunzaoare miezului scos din bobina, respeciv comple inrodus în bobina. Dependena induciviaii L a bobinei în funcie de deplasarea x a miezului feromagneic faa de poziia de induciviae maxima se poae exprima prin relaia: L = x k l ( Lmax L0 ) e + L0 (8.13) Caracerisica de conversie L=f(x) exprimaa de ecuaia (8.13) si reprezenaa grafic în figura 8.6, b ese neliniara. Caracerisica de conversie se poae liniariza pe un inerval larg, realizându-se o disribuie neuniforma a spirelor pe lungimea bobinei. Traducorul ese robus, simplu si se uilizeaza la masurarea deplasarilor medii si mari penru inervale de la mm pâna la mm.

10 Masurarea uraiei si deplasarilor 89 x L L max L 0 a) b) x Fig Traducor induciv cu miez mobil: a) circuiul magneic; b) caracerisica de conversie.