Základná bloková schéma je na obr. 1 Je to jedno z možných, často sa vyskytujúcich znázornení. indikácia registrácia regulácia SNÍMAČ Obr. 1.

Transcript

1 1. ÚVOD Nieč senzrch je známe už z histórie, ale najmä v pslednej dbe vznikajú nárčné pžiadavky na snímanie rôznych veličín. Dstatk vhdných senzrv môže byť limitujúci faktr pre realizáciu nárčných autmatizvaných, resp. rbtických systémv. V predmete budú písané rôzne druhy senzrv pre snímanie reálne sa vyskytujúcich veličín, či už v "pčítačv riadených výrbách", aleb iných blastiach. Dôraz je kladený najmä na vstupné časti, ich vlastnsti, mžnsti a vplyv rôznych pruchvých veličín. Ak pmcné kapitly sú uvedené pdprné elektrnické bvdy a napájacie zdrje Merací kanál Základná blkvá schéma je na br. 1 Je t jedn z mžných, čast sa vyskytujúcich znázrnení. SEN PREV Prcesr Výst. jedn. indikácia registrácia regulácia SNÍMAČ Obr. 1. Tu je senzr chápaný ak vstupná citlivá časť snímača (česky čidl), pskytuje už využiteľný, bvykle elektrický signál. P dplnení prevdníkm pskytuje už určitý nrmvaný signál, vhdný pre ďalšie spracvanie prcesrm. Snímač sa ptm chápe ak zlžitejší celk. Pznámka: Niektrí autri prblém uvádzajú pačne, t.j. senzr je zlžitejšia časť už i s pmcnými bvdmi. Niekde sa môžme stretnúť i s sttžnením pjmv senzr a snímač. V anglickej literatúre je bvykle pužívaný na všetk výraz "sensr". Pre jednznačnsť je bvykle vhdné viacslvné "vydiskutvanie" prblematiky Rzdelenie senzrv Môže byť pdľa rôznych kritérií. Pdľa infnsiča (základné citlivé médium): neelektrické (pneumatické, mechanické, ptické, magnetické...) elektrické (elektrnické, plvdičvé, mikrelektrnické ) Pdľa výstupu: aktívne - U, I, f.. pasívne - vyhdncujeme zmenu parametrv (R, L, C, index lmu, plarizáciu...) Pdľa meranej veličiny: mechanické - plha, táčky, sila... 1

2 tepelné - teplta elektrické - U, I, P, R.. magnetické B, H, Φ radiačné svetl (IR, UV), α, β, γ, kzmické... chemické - ph, analýza Generácie senzrv V súčasnsti delenie stráca na význame. Snaha je pužívať najvhdnejšie senzry, patria k nim najmä plvdičvé a ptické senzry. Pretrvávajúce frmálne delenie je : Prvá generácia. Využíva makrskpické princípy (mechanické, chemické,...). Systémy sú rzmernejšie, ťažšie. Metrlgické vlastnsti sa dajú len bmedzene vylepšiť. Časté v praxi. Druhá generácia. Využíva elektrnické javy (piez, ftelektrické, pvrchvé akustické vlny-pav) najmä pre plvdičvé senzry. Vyznačujú sa vyššu citlivsťu, rýchlsťu, malými rzmermi. V praxi pužívané, relatívne nvé. Tretia generácia. Veličina pôsbí na svetelný lúč - svetlvdné senzry. Majú malé rzmery, veľkú rýchlsť dzvy, dlné vči rušeniu. Pužívajú sa už v praxi a sú v intenzívnm labratórnm vývji 2. MAGNETICKÉ PRINCÍPY 2.1. MAGNETICKÉ OBVODY SENZOROV Tvria základné časti senzrv s magnetickým princípm, rzznávame u nich : pasívne časti - len vedú mag. tk (napr. pólvé nástavce) permanentné magnety - vytvárajú pmcnú energiu ("napájanie") zmena mag. parametrv d meranej veličiny - magnetstrikcia, magnetrezistr... Na zpakvanie najčastejšie pužívané veličiny a jedntky: indukcia B [T] (1 T = G [gauss]) intenzita H [A/m] (1 A/m = 4π Oe [ersted]) permeabilita μ [H/m] (μ = μ 0. μ r ) ( μ 0 = 4π [H/m] ) Pznámka: Citlivé senzry zmerajú indukcie d 7 nt 0,6 mt. Zemské magnetické ple má cca μt Materiály Vlastnsti materiálv sú dané štruktúru stavby atómu (pčet elektrónv, spin, jeh kmpenzácie...). V praxi sú materiály charakterizvané bvykle kritérim permeability μ r (relatívna permeabilita) a delia sa na: diamagnetické - μ r je mál menšie ak 1 (blízke 1), z magnetickéh pľa sú mierne vytláčané vn (Cu, Ag, Be, Zn, Hg, Ge, Pb, Bi, Se ) paramagnetické - μ r je mál väčšie ak 1 (blízke 1), d magnetickéh pľa sú mierne vťahvané (Na, K, Mg, Ca, Al, Sn, Mn, Pt, O 2...) 2

3 fermagnetické - μ r >> 1, materiály sú vťahvané d mag. pľa. Fe, C, Ni, (mžné sú i zliatiny z para prvkv Mn-Al-Cu, resp. Mn-Sn, Cu. Heusslerva zliatina - 15%Mn, 10%Al, 75%Cu má B max ak Ni) Najčastejšie sa vyskytujú dve skupiny bvdv s fermagnetickými materiálmi: bvdy s magneticky mäkkými materiálmi. Sú t mag. vdiče, pólvé nástavce, bvdy cievk, mag. tienenie bvdy s magneticky tvrdými materiálmi, pmcu nich sa vytvára mag. tk ak pmcná energia, aleb ak mernsná veličina Základné údaje materiáli pskytuje hysterézna krivka (slučka), br.2., kde: 1 - krivka prvtnej magnetizácie B - magnetická indukcia, jedntka T (tesla) B = μ. Η H - intenzita magnetickéh pľa, jedntka A/m B r - remanentná indukcia H c - kercitívna sila B max - maximálna dsiahnuteľná indukcia μ 0 - permeabilita vákua, knštanta (4π H/m), pričm μ = μ 0. μ r tg β= ΔB ΔH =μ permeabilita diferenciálna (v pracvnm bde) B [T]. B r 1. - H c H c β B max μ ο H [A/m] Obr. 2. Hysterézna krivka býva zadaná tabuľku, aleb graficky a získa sa meraním na htvých materiálch. Knkrétny tvar závisí d zlženia (prvkv) a tepelnéh spracvania, prípadne magnetickej rientácie. Pznámka: Krivka má dsť špecifický tvar a ťažk sa vyjadruje vzrcm - plynómm. Grafický tvar sa dá získať bez prblémv, pret pri výpčtch bvdv sú stále aktuálne grafick - matematické metódy. Magneticky mäkké materiály Všebecný znak je úzka hysterézna krivka nízka číselná hdnta H c (máva hdnty 2 až 10 A/m). Základné tvary kriviek sú na br.3. a.) iztrpný (transfrmátrvý plech) b.) aniztrpný rientácia s smerm B 3

4 c.) aniztrpný rientácia na smer B Pznámka: Aniztrpia vzniká i pri mechanickm namáhaní. Pri ťahu rastie rel. permeabilita µ r, teda i mag. vdivsť rientvané materiály. a.) b.) c.) Obr.3 Straty v materiáli vznikajú v striedavm magnetickm pli (cievky, transfrmátry), menia sa na tepl. Delíme ich na : hysterézne straty - vznikajú pri premagnetvaní, závisia d hdnty H c, dsahvanej hdnty B a d frekvencie f vírivé straty - Julve straty vírivými prúdmi, závisia d ρ (merný dpr) materiálu a d f 2 Na hysteréznej krivke je niekľk zaujímavých hdnôt, br.4. B r μ max ο Bmax - Hc + Hc μ i Obr.4. μ i - pčiatčná (abslútna) permeabilita, dtyčnica v bde 0 [A/m] μ max - maximálna permeabilita, dtyčnica v inflexnm bde krivky prvtnej magnetizácie H c - kercitívna sila B r - remanentná indukcia 4

5 B max - maximálna indukcia (mžná) Typy a tvary materiálv Pdľa zlženia máme dve základné skupiny : kvvé - vyššie B max (1-1,5 T), vhdné pre nízke f (d 10 khz) ferity - nižšie B max (0,3-0,4 T), vhdné pre vyššie f, menšie vírivé straty Kvvé materiály Základný materiál je Fe s prímesami, teda zliatiny. Tvary bývajú bvykle plechy s rôznu hrúbku. Rzznávame : strihané (transfrmátrvé plechy, dynamvé plechy...) vinuté - trid, C jadr, rientvané plechy, neznášajú ďalšie mech. namáhanie leptané - pre veľmi tenké plechy (cca 3 µm) Dôležité hdnty sú B max, B r, H c, µ (µ i µ max ) B max závisí d materiálu, napr: pre kremíkvú ceľ (Fe + Si) d 1,8 T pre zliatiny d 2 T - vinuté Pznámka: Maximálnu hdntu indukcie B max má zliatina Fe - C 2,43 T pri H = 100 A/m. Vzduchvá medzera - časť bvdu, kde mag. tk prechádza vzduchm. Rzznávame: dĺžku δ - dĺžka silčiary prechádzajúcej vzduchm plchu S v - plcha klmá na mag. silčiary V bvdch s mag. mäkkými materiálmi môže byť parazitná ( δ len nutna - technlgická, 0,05-0,1 mm), aleb žiadaná, kedy: linearizuje krivku stabilizuje parametre je vhdná pri jednsmernej predmagnetizácii (tlmivky) Ferity Sú t lisvané spekané materiály s malu elektricku vdivsťu ρ = Ω m ( ρ Cu = 1, Ω m ), z čh vyplývajú malé vírivé straty. Na druhej strane majú ale pdstatne menšiu indukciu B max, kl 0,3 až 0,4 T. Mechanicky sa pdbajú keramike, sú veľmi tvrdé a krehké. Ddatčné brábanie je mžné brúsením, aleb špeciálnymi technlógiami - ultrazvuk. Tvary môžu byť rôzne, v pdstate závisia len d technlógie lisvania. Rzšírené sú : tvar "dvjité E" hrnčekvé jadrá tyčinky, skrutky tridy Magnetstrikcia - zmena magnetick mechanických vlastnstí: zmena rzmerv v mag. pli, napr. cievky (UZ meniče, snímače plhy) zmena mag. parametrv pri mech namáhaní (mag. vdivsť) 5

6 Preč majú byť kvvé materiály pre striedavé bvdy č najtenšie. 2. Orientvané materiály neznášajú mech. namáhanie, resp.pracvanie. Preč? Magneticky tvrdé materiály, permanentné magnety H c týcht materiálv je značne vyššia, typická hdnta je [ka/m]. Materiál charakterizuje časť hysteréznej krivky, tzv. demagnetizačná charakteristika (br.5.), kde sú uvedené rôzne typy materiálv. Pdbne ak u mag. mäkkých materiálv vlastnsti závisia d typu materiálu : kvvé - vyská B, nízke H c Curieh bd vyský (AlNiC 800 C) ferity - nízka B, vyššia H c, demagnetizácii dlný tvar krivky vzácne zeminy - dsť vyská B a vyská H c vyský energetický súčin 1 T 0,4 T 1 T - 40kA/m - 200kA/m - 600kA/m kvvé (zliatiny) ferity Vzácne zeminy - SmC, Nd.. Obr.5. Medzi vzácne zeminy patria najmä nedymvé a samarium-kbaltvé materiály. Materiály typu Nd 2 Fe 14 B (B - Brn) sú vhdné pre pevné disky a reprduktry. Curieh bd asi 80 C. Materiál s značením N 48 má B r = 1,38 T a H c = ka/m. Dôsledk je, že aj malý element (plchy cca 1cm 2 ) udrží závažie takmer 10kg. Svju mechanicku príťažnu silu k železu môže dknca preseknúť kžu, väčší rzmer dknca zlmiť ksť. Perličky : 1. Plastický magnet - PANiCNQ (plyaniline +tetracyanquindimetan) hybný plymér, pužitie v pčítačch, zdravtníctve 2. Kravský magnet - kvvý AlNiC v plaste, v bachre chytá kúsky železa, ktré krava zžerie, celk sa balí, neškdí Riešenie bvdv s permanentnými magnetmi (PM) Jednduchý bvd s PM je na br.6. Pri zjedndušení je t princíp každéh bvdu s PM. Vzduchvá medzera - je päť časť bvdu (becne priestrvý útvar), v ktrm mag. tk prechádza vzduchm. Dĺžka δ býva väčšia, rádv až [mm]. Plcha vzd. medzery S v môže mať jednduchý tvar (štvrec, bdĺžnik), ale aj veľmi zlžitý (anulid). Taktiež jej hdnta 6

7 nemusí byť v celm úseku rvnaká, bvykle sa berie ptm stredná hdnta. Pri týcht systémch je t tzv. pracvná vzduchvá medzera, teda žiadaná. Sú tam umiestnené časti zariadenia, napr. Hallva snda, merná cievka. Okrem PM sa v bvde môžu vyskytvať aj silvé vinutia (cievky), ktré tent bvd vplyvňujú. S m 1 S l m J 2 δ N S v I Obr.6. Náhradná schéma jednduchéh magnetickéh bvdu s PM je na br.7. Φ m 1 R mi R z Φr Φ v P B R r R v Fm 2 γ PM a.) Obr.7. - H b.) F m - magnetmtrická sila R mi - vnútrný mag. dpr PM R z - mag. dpr pól. nástavcv R r - rzptylvý dpr R v - mag. dpr vzduchvej medzery (žiadanej) Φ m - mag. tk z PM Φ r - rzptylvý mag. tk Φ v - mag. tk v vzd. medzere Riešenie grafick - výpčtvé Riešenie bvdu je ptm grafick - výpčtvé, leb krivka sa nedá analyticky vyjadriť. Pretže pre "nrmálnu" vzduch. medzeru platí R z << R v, môžme pvedať, že zvyšná časť 7

8 magnetickéh bvdu je lineárna (vzd. medzera) a jej vyjadrením je priamka, nazývaná pracvná priamka (br.7b). Rvnica pracvnej priamky Môžme ju získať z základných rvníc magnetickéh pľa: H. d l = i. d S a Φ= B. d S S S Pre knkrétny bvd môžme tiet rvnice zjedndušiť : H m l m + H v δ+h z l z = ± N I (1) B m S m = B v S v σ r (2) (3) kde: B v =μ 0 H v σ r = R v + R r > 1 je keficient rzptylu s hdntami 1,2-3. R r B m, B v - indukcia v PM a v vzduchu H m, H v, H z - intenzita v PM, v vzduchu a v železe l m, l z - dĺžka PM a dĺžka silčiary v železe δ - veľksť (dĺžka) vzduchvej medzery N I - pčet závitv a prúd cez cievku v systéme (ak existuje) S m, S v - plcha PM a vzduchvej medzery Definujeme knštantu úbytku na mag. mäkkých častiach : σ p = H z l z + H v δ H v δ > 1 pre reálnu vzduch. medzeru zanedbáme hdnta = 1. Pasívny súčet úbytkv je teda: H z l z + H v δ = σ p H v δ a dsadíme h d (1) H m l m + H v δσ p = ± N I (1a) Z (2) a (3) získame: H v = B v μ = B m S m 0 μ 0 σ r S v dsadíme d (1a) a p dstránení zlmku získame : δ B m S m σ p = H m l m μ 0 σ r S v ± NIμ 0 σ r S v Výpčtami je mžné dsiahnuť rvnicu priamky v súradniciach B a H. Ak za základný smernicvý tvar berieme výraz : y = tg α.x + q 8

9 Tent je pre B a H súradnice: B m = tg γ.h m ± K Knečné vyjadrenie p úpravách je ptm : l B m = μ m S v σ r S 0 δ S m σ H m ± v 1 p S m δ Zaujímavé plhy priamky sú pre prípady : σ r σ p μ 0 NI (2-1) ak δ 0, ptm tg γ a uhl γ 90. Prípad charakterizuje uzavretý magnetický bvd - trid. (pamäťvé prvky) ak δ l m, ptm tg γ μ 0 a uhl γ je malý. Vzduchvá medzera je veľká, prípad reprezentuje tvrený mag. bvd (napr. PM je vybraný z bvdu) Pracvný bd a jeh umiestnenie Priesečník pracvnej priamky a demagnetizačnej charakteristiky sa nazýva pracvný bd PM. Reprezentuje určité vlastnsti a energiu, súradnice B a H predstavujú hdnty vvnútri PM. +B e.k. P pt B m energetické maximum -H Wm Hm BH max Obr.8. Pracvný bd môže byť umiestnený ľubvľne na krivke, niektré plhy sú však výhdnejšie, najmä z hľadiska energie PM. Energia PM sa dá vyjadriť ak súčin : W m = B m H m.vzťah vyjadruje tzv "energetická krivka" (e.k.) na br. 8. Výpčtm môžme dkázať súvislsť medzi bjemm pracvnej vzduchvej medzery a ptrebným bjemm PM : V m = σ rσ p B v 2 B m H m μ 0 V δ kde : V m, V δ - bjem PM a vzduchvej medzery Z vzťahu vyplýva, že ptrebný bjem PM je minimálny vtedy, ak je súčin B m H m, teda W m maximálne. Prac. bd sa ptimálne (najčastejšie) teda umiestňuje v tzv. energetickm maxime. 9

10 Demagnetizácia Ak máme v bvde s PM ešte iný zdrj mag. energie (iný magnet, aleb cievku s pretekajúcim prúdm), musíme uvažvať tzv. demagnetizačný efekt. Smer tht prídavnéh mag. tku môže byť súhlasný, kladný - výsledný tk stúpa, aleb pôsbí prti pôvdnému, je záprný - výsledný tk klesá, mžné až na 0. Pracvný bd sa pritm psúva. Psun môže byť teda spôsbený : cievku - psun prac. bdu hdntu K v smere +, aleb - ale tiež zmenu sklnu prac. priamky (rzbraním bvdu) Δ Β 1 2 ο +K -K záprná demagnetizácia a.) Obr.9. kladná demagnetizácia b.) Phyb prac. bdu P je vidieť na br.9. Pri záprnej demagnetizácii (-K na br 9a.) sa psúva najskôr prac. priamka a následne s ňu P ak priesečník p krivke smerm k nižším hdntám B. Psunie sa z bdu 1 d bdu 2. Keď zanikne prídavný mag. tk, priamka sa vráti d pôvdnej plhy. P sa však nemôže psunúť v "prtismere" p krivke späť. Psúva sa p tzv. vratnej hysteréznej krivke, ktrej smernica je približne rvnbežná s dtyčnicu v bde B r. Bd P sa ustáli ak priesečník tejt krivky s prac. priamku v bde 3. Prakticky je na niektrej vnútrnej hysteréznej krivke s menšími hdntami B a H. Dšl k trvalému pklesu B a H, teda k "dmagnetvaniu" PM. Pri ďalšej demagnetizácii -K je phyb prac. bdu z 3 d 2, pri zaniknutí -K sa vráti d 3. Prakticky ale pri každm ďalšm cykle dchádza k malému prídavnému pklesu, takže p veľkm pčte cyklv môže prísť k trvalému úplnému dmagnetvaniu PM (dmagnetvanie v striedavm pli). K úplnému dmagnetvaniu môže prísť i vtedy, ak -K je príliš veľké. Ptm treba PM znvu namagnetvať. Vči demagnetizácii sú dlnejšie PM s krivku ak ferity, teda veľký skln v bde B r. Pdbne "prvky vzácnych zemín". Pri kladnej demagnetizácii +K (prídavný tk je súhlasný), br.9.b. bvykle nie sú prblémy, leb prac. bd sa presúva medzi bdmi 1 a 2 a dchádza len k malej zmene B. 10

11 Zmagnetvanie (namagnetvanie) PM Rbí sa medzi pólvými nástavcami, aleb častejšie cievku, vinutu kl PM, leb bvykle sa magnetuje zlžený mag. bvd. Ptrebná je vyská intenzita prúdu, aby sa dsiahla hdnta intenzity 2 H min, č dsiahneme napr. vybitím kndenzátra d daných závitv. Magnetvacie vinutie má niekľk závitv hrubéh drôtu, aby mal malý dpr, čím dsiahneme na krátky kamih (stačia jedntky ms) vyské intenzity prúdu a teda i H. Magnetické bvdy bývajú tak zlžité, že magnetizačné vinutie sa nevyberá a zstáva súčasťu zariadenia. Priebeh psunv pracvnéh bdu je na br K H 2 H 1 H min H = 2H min M Obr.10. demagnetizácia (1-2-3) magnetvanie ( ) phyb bdu p zmagnetvaní (6-5-1) nedstatcne zmagnetvanie nedstatcne zmagnetvanie Pznámka: Ideálny psun z 3 d 4 je teretické predĺženie vratnej krivky. Pre väčšie dchýľky (hdntu H) sa priebeh zakrivuje a predstavuje krivky prislúchajúce intenzitám H 2, resp H 1. Pridaním "kladnej" intenzity sa prac. bd presunie z 3 na krivku prvtnej magnetizácie d 4, p nej d bdu 5. Tát H min je minimálne ptrebná na úplné namagnetvanie. Pre isttu, aby sme skutčne zstali na balvej (maximálnej) krivke, dprúča sa dsiahnuť intenziru 2 H min. P vypnutí prúdu prac. bd "skĺzne" d bdu Stabilizácia parametrv Permanentné magnety najmä pre meracie účely by mali mať stabilné parametre, najmä hdntu B. Materiály ale starnú, najviac na začiatku činnsti. Tent úsek je vhdné vynechať a magnet nasadiť d činnsti "až zstarne", teda ustáli si parametre. D prcesu výrby sa bvykle zaraďuje teda i starnutie. Môže byť : 11

12 prirdzené umelé Prirdzené starnutie je síce "kvalitné", ale na dnešné pmery je pmalé, pčíta sa na rky. Pret sa preferuje umelé starnutie. Tt môže byť uskutčnené: tepltu - materiál je pdrbený zvýšenej teplte definvanú dbu. Účink závisí d kmbinácie bch činiteľv, teplty musia byť pd Curieh bdm dmagnetvaním - materiál sa čiastčne dmagnetuje v striedavm magnetickm pli. Odprúčaná zmena parametrv je 10%. Pri slabšm dmagnetvaní je tendencia ešte s časm meniť parametre, pri silnejšm dmagnetvaní materiál má snahu ztaviť sa, teda vrátiť sa k pôvdným hdntám Magnetuje sa htvý zlžený mag. bvd, aleb sa zmagnetvaný perm. magnet vkladá d bvdu? Záleží t d typu materiálu? 2. Môžme dsiahnuť v niektrej časti bvdu, napr. vzduchvej medzere väčšiu B ak v perm. magnete? 12