Μηχανολογικές Μετρήσεις - Εργασία Σχεδιασμός και Κατασκευή Μετρητικής ιάταξης ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΙΚΟΥ Δημήτρης Κατσαρέας
2 περίληψη προηγουμένων
3 διαστάσεις μπορούμε να απλοποιήσουμε και να ελαφρύνουμε ακόμα περισσότερο την κατασκευή, αντικαθιστώντας τελείως το πλαίσιο σχήματος και τις αρθρώσεις του με μια οριζόντια ράβδο, η οποία στο ένα της άκρο στηρίζεται μέσω «βελονοειδούς» επαφής (π.χ. ένα καρφί) στην κατακόρυφη ράβδο, ενώ στο άλλο της άκρο αναρτάται με νήμα (π.χ. πετονιά) από εκτός της κατακορύφου σημείο (βλέπε δεξί σχήμα) υλικά κατασκευής μπορεί να είναι ξύλο για την βάση και την κατακόρυφη ράβδο, ξύλο ή μέταλλο (π.χ. ντίζα) γιατηνοριζόντιαράβδο, ελαστικά βιδωτά πόδια για την βάση, περικόχλια για μάζα, πετονιά για νήμα ένα εκκρεμές garden-gate με μήκος b=17.3 cm και κλίση φ=0.1 ο έχει φυσική συχνότητα ω ο =0.05 Hz, ίση με την φυσική συχνότητα ενός εκκρεμούς Foucault μήκους L=99.4 m
4 ρύθμισηκλίσηςφ μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε απλή τριγωνομετρία (όμοια τρίγωνα) γιαναρυθμίσουμετην κλίση, όσο μικρή και να είναι, θα χρειαστούμε όμως ένα πιο ακριβές σχέδιο του εκκρεμούς πρώτα εξασφαλίζουμε την οριζοντιότητα της ράβδου cb κρεμάμε νήμα στάθμης de (πράσινο) από το σημείο d τα τρίγωνα abc και dec είναι ορθογώνια και όμοια δεδομένης της απόστασης cd και κλίσης φ, μετρούμε το μήκος ce θα πρέπει να ισούται με ce = dc sin -1 (φ) έτσι, για ένα εκκρεμές garden-gate φυσικής συχνότητας ω ο =0.05 Hz και κλίσης φ=0.1 ο, θα έχουμε ab=99.396 m, fb=17.35 cm, cb=17.35 cm και αν ρυθμίσουμε την απόσταση μεταξύ των σημείων στήριξης d και c να είναι dc=40 cm, τότε η απόσταση που μετράμε μεταξύ της άρθρωσης c και της στάθμης e θα πρέπει να είναι ce=0.7 mm για ένα εκκρεμές φυσικής συχνότητας ω ο =0.1 Hz και ίδιων διαστάσεων, η απαραίτητη κλίση γίνεται φ=0.4 ο και η απόσταση ce θα πρέπει να είναι ce=2.8 mm
5 εδράσεις - τριβή στόχος είναι η ελαχιστοποίηση της τριβής στις στηρίξεις της οριζόντιας ράβδου, από την οποία εξαρτάται και η ευαισθησία του αισθητήρα
6 προηγούμενες προσπάθειες
7 δηλαδή η λογαριθμική μείωση του αποσβεστήρα θα είναι, έλεγχος απόσβεσης στον σεισμογράφο κατακόρυφης συνιστώσας AS1, οι δοκιμές έδειξαν ότι ο λόγος του εύρους κάθε παλινδρόμησης προς το εύρος της προηγούμενης θα πρέπει να είναι το πολύ 1/20 (Α1/Α2=Α2/Α3=20), ήαλλιώς, ο λόγος απόσβεσης (damping ratio) θα είναι 0.7 τοποθετήστε οριζόντιο κανόνα, κάθετα στην οριζόντια ράβδο σημειώστε το σημείο ισορροπίας της ράβδου στον κανόνα μετακινείστε το άκρο της ράβδου κατά 10 mm και αφήστε την σημειώστε πόσο πέρα από το σημείο ισορροπίας πήγε ρυθμίστε την απόσβεση ώστε αυτή η απόσταση να είναι 0.5 mm η εικόνα δείχνει πως έγινε η ρύθμιση της απόσβεσης, για τον σεισμογράφο κατακόρυφης συνιστώσας AS1 http://jclahr.com/science/psn/as1/damping/adjustment.html
8 μαγνητική πέδηση όταν ένα μη σιδηρούχο μεταλλικό έλασμα C (π.χ. ένα χάλκινο έλασμα) κινείται με ταχύτητα V προς τα δεξιά, κάθετα στις μαγνητικές γραμμές μαγνητικού πεδίου έντασης Β (πράσινα βέλη), ενός ραβδόμορφου μόνιμου μαγνήτη Ν, η μαγνητική ροή Φ που διαπερνά το έλασμα μεταβάλλεται σύμφωνα με τον Faraday, η μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή Φ παράγει στον αγωγό C (έλασμα) δινορεύματα (eddy currents) έντασης Ι (κόκκινοι βρόγχοι) σύμφωνα με τον Ampere, κάθε ένα από τα δινορεύματα παράγει ένα μαγνητικό πεδίο αντίθετης φοράς (μπλε βέλη), το οποίο σύμφωνα με τον Lenz, αντιτίθεται στην μεταβολή του μαγνητικού πεδίου και άρα στην κίνηση του ελάσματος C, αυτή είναι και η αρχή λειτουργίας των μαγνητικών φρένων, ευρύτατα χρησιμοποιούμενων στα τραίνα
9 μαγνητικός αποσβεστήρας http://jclahr.com/science/psn/chapman/as1%20damping/index.html πάνω σε αυτή την αρχή βασίστηκε ο μαγνητικός αποσβεστήρας για το σεισμογράφο κατακόρυφης συνιστώσας AS-1 (βλέπε σχήματα και ιστοσελίδα για λεπτομέρειες), το διάκενο μεταξύ ελάσματος και μαγνήτη πρέπει να είναι όσο μικρότερο γίνεται το παρακάτω φιλμάκι θα σας δώσει και άλλες ιδέες, όσον αφορά την κατασκευή του μαγνητικού αποσβεστήρα για το οριζόντιο εκκρεμές https://www.youtube.com/watch?v=5befoz3ypo4
10 σχεδιασμός καταγραφικού
11 σήμα γιαναολοκληρωθείτομετρητικόμαςσύστημαθαπρέπειηδιέγερση(κίνηση του εδάφους) που ανιχνεύει ο αισθητήρας (οριζόντιο εκκρεμές) να μετατραπεί σε ηλεκτρικό σήμα (τάση) οπαραδοσιακόςτρόποςμετατροπήςτηςκίνησηςτουεδάφουςσετάση, στα σεισμόμετρα είναι να το επαγωγικό πηνίο (Faraday), πιο σωστά, αυτός ο αισθητήρας είναι περισσότερο αισθητήρας ταχύτητας (velocity transducer) παρά αισθητήρας μετατόπισης (displacement transducer), εφόσον η παραγόμενη τάση (V gen ), σύμφωνα με τον Faraday, είναι ανάλογη της μεταβολής του μαγνητικού πεδίου ( B/ t)
12 επαγωγικό πηνίο ο νόμος ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του Faraday λέει ότι μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο παράγει ηλεκτρικό ρεύμα σε πηνίο όπου, EMF είναι η παραγόμενη ηλεκτρεγερτική δύναμη, Ν είναι ο αριθμός των σπειρών του πηνίου, Φ είναι η μαγνητική ροή που διέρχεται από μια σπείρα του πηνίου και t είναι η μεταβλητή του χρόνου στην απλή περίπτωση ενός μόνιμου ραβδόμορφου μαγνήτη, ο οποίος κινείται ομοαξονικά μέσα σε ένα σταθερό πηνίο, ο νόμος του Faraday γράφεται, όπου, V gen είναι η παραγόμενη τάση στα άκρα του πηνίου, Α είναι το εμβαδόν της σπείρας του πηνίου και Β είναι η ένταση του μαγνητικού πεδίου του μαγνήτη στο παράδειγμα του προηγούμενου slide, ο κινούμενος ραβδόμορφος μαγνήτης παράγει μαγνητικό πεδίο μεταβαλλόμενης έντασης 0.4 T/s, το οποίο με την σειρά του παράγει τάση - 4 mv, στα άκρα σταθερού επαγωγικού πηνίου 5 σπειρών, με εμβαδόν σπείρας 20 cm 2
13 προηγούμενες προσπάθειες
14 παραγόμενη τάση και μέτρησή της από τα προηγούμενα είναι εμφανές ότι η απόλυτη τιμή της παραγόμενης τάσης V gen είναι ανάλογη του εμβαδού των σπειρών Α=πD 2 /4 (όπου D η διάμετρος της σπείρας), του αριθμού τους Ν και του ρυθμού μεταβολής της έντασης του μαγνητικού πεδίου B/ t κατά το σχεδιασμό του πηνίου θα πρέπει να επιλέξουμε όσο το δυνατόν μεγαλύτερη διάμετρο σπείρας D και αριθμό σπειρών Ν, ώστε δεδομένου του ρυθμού μεταβολής της έντασης του μαγνητικού πεδίου B/ t, να λάβουμε το δυνατόν μεγαλύτερη τάση εξόδου V gen ο ρυθμός μεταβολής της έντασης του μαγνητικού πεδίου B/ t εξαρτάται αποκλειστικά από την ταχύτητα κίνησης της οριζόντιας ράβδου του εκκρεμούς, εφόσον ο ραβδόμορφος μαγνήτης συνδέεται σταθερά με αυτήν οι μόνες παράμετροι που μπορούμε να ελέγξουμε είναι η διάμετρος D και ο αριθμός των σπειρών Ν του τυλίγματος, το οποίο μπορεί να τυλιχθεί γύρω από ένα πλαστικό ή χάρτινο σωλήνα, μέσα στον οποίο θα κινείται ο μαγνήτης την παραγόμενη τάση V gen θατηνμετρήσουμεμεκατάλληλοόργανο(π.χ. μιλιβολτόμετρο, πολύμετρο, κλπ) το σύστημα θεωρείται επιτυχές εφόσον παράγεται μετρήσιμη ηλεκτρεγερτική δύναμη(τάση) V gen στα άκρα του πηνίου (δεν θα σχεδιάσουμε ενισχυτή ή φίλτρα)
15 πρώτες ύλες
16 βιβλιογραφία Ιστοσελίδες http://labman.phys.utk.edu/phys135/modules/m9/pendulum.htm http://seismic.mgm-monschau.de/english/artikel/artikel_4_1.php http://jclahr.com/science/psn/as1/damping/adjustment.html http://jclahr.com/science/psn/chapman/as1%20damping/index.html https://arxiv.org/html/physics/0508028 Βιβλία The Physics of Vibrations and Waves by H.J.Pain, ISBN 0 470 01296 X, JOHN WILEY & SONS 2005