Laborky 1-10 mix

scilátorového snímače fy Balluff:
Snímač začal vynechávat při frekvenci f=789Hz.
Závěr
Seznámili jsme se s činností snímačů. Provedli jsme přepočet maximálních otáček na frekvenci zobrazovanou na čítači. Maximální frekvence pro 4400ot/min je 880Hz.
Změřili jsme závislost výstupního napětí tachodynama na otáčkách a vynesli do grafu. Dále jsme z naměřených hodnot získali: Konstanta K=1,99*10-3 V/ot/min, největší chyba 1,45%.
Počet lamel komutátoru tachodynama jsme určili ze zvlnění výstupního napětí tachodynama.
Počet lamel komutátoru je 36.
Na osciloskopu jsme získali dva průběhy indukčního snímače pro jiné otáčky. Charakteristika průběhu snímače je pro různé otáčky různá. Při jiném rozložení a tvaru lamel na měřené hřídeli získáme taktéž jiný průběh.
Z grafu naměřené špičkové hodnoty napětí indukčního snímače je patrná nelinearita rostoucího napětí při zvětšování otáček.
Při použití stroboskopu jsme získali údaje přibližně stejné údajům z jiných měření. Pomocí stroboskopu můžeme zjistit stálost otáček. Měření může být ovlivněno přesností stroboskopu..
Hodnotu mezního kmitočtu jsme určili z frekvence, kdy se výstupní impulsy snímače začaly ztrácet. Mezní kmitočet je 789 Hz.
- -- -
Měření otáček
SNÍMAČE NEELEKTRICKÝCH VELIČIN

Číslo úlohy:
2.
Jména:
Petr Štipčák
Datum:
26. listopadu 2004
Název úlohy:
Měření polohy dotykovými indukčnostními snímači
Teplota:
20 °C
Vlhkost:
46 %
Tlak:
-- hPa
Zadání
Změřte a do grafu vyneste základní charakteristiku indukčnostního transformátorového snímače a charakteristiky vypočítané z naměřených hodnot sekundárních napětí.
Z naměřených hodnot určete
a) citlivost snímače
b) zbytkové napětí
c) linearitu pro rozsah ±4 mm, ±6 mm, ±8 mm, ±10 mm a porovnejte s linearitou udávanou výrobcem
Výsledky zpracujte tabelárně a graficky.
Porovnejte naměřené výsledky s údaji výrobce snímače STI a zhodnoťte chybu měření.
Schéma zapojení
Obr 2.1 Schéma zapojení
Teoretický úvod
Indukčnostní snímače s otevřeným magnetickým obvodem v diferenčním uspořádání
Indukčnostní snímač s otevřeným magnetickým obvodem v diferenčním uspořádání (LVDT - Linear Variable Differential Transducer) je elektromechanické zařízení jehož výstupní napětí je úměrné poloze pohyblivého magneticky vodivého jádra. Snímač se skládá z primární cívky a dvou sekundárních cívek souměrně rozmístěných ve válcovitém profilu. Změnou polohy magneticky vodivého jádra se mění vzájemná magnetická vazba (činitel vazby) sekundárních cívek s cívkou primární.
Informaci o poloze jádra lze z výstupních sekundárních napětí získat dvojím způsobem:
- z rozdílu sekundárních napětí
- z poměru sekundárních napětí
Seznam přístrojů, přípravků a dokumentace
Laboratorní přípravek s indukčnostním snímačem STI, digitálním měřítkem Mitutoyo a svorkovnicí
Katalogový list snímače STI
HP 33120A funkční generátor
2x Multimetr HP34401A
Propojovací vodiče
Vypracování
1) Základní charakteristika indukčnostního transformátorového snímače: UP=1,5V
Tab 5.1: Naměřené a dopočítané hodnoty indukčního transformátorového snímače
Výpočet: U2VO = US1 - US2=3,682-0,947=2,735(5.1)
U2VP = (US1 - US2)/(US1 + US2)=(3,682-0,947)/(3,682+0,947)=0,5908(5.2)
+=(US1 + US2)=(3,682+0,947)=4,629(5.3)
Obr 5.1: Charakteristika indukčnosti snímače
Tab 5.2: Charakteristika indukčnosti snímače
Tab 5.3 : Charakteristika indukčnosti snímače
2) a) Určení citlivosti snímače: Citlivost určíme pro lineární část měření, tedy pro x= {0,10}.
(5.1)
Citlivost snímače je 113 mV mm-1V-1.
b) Zbytkové napětí: Ux=0=37mV.
c) Linearity: pro linearizaci platí vztah: (5.2)
linearita pro dané rozsahy: UP=1,5V:
korekce
b
a
±4
0,166683
0,029
±6
0,169231
0,03
±8
0,169983
0,029765
±10
0,16959
0,053818
Tab 5.4: Výpočet linearity
Výpočet: proveden funkcemi v excelu pomocí rovnic:
(5.3)
(5.4)
Tab 5.5: Výpočet odchylek a korekce měření
Tab 5.4: Korekční křivky
Výpočet největších odchylek: pro ±4 ~ 2,17%
±6 ~ 1,47%
±8 ~ 1,09%
±10 ~ 1,58%
Výpočty: Výpočty napětí provedeny ze vztahu (5.2). Pro rozsah ±4V je výpočet:
(5.5)
Výpočet korekce:(5.6)
Výpočet největších odchylek: (5.7)
Závěr
Provedli jsme základní měření na indukčnostním transformátorovém snímači a hodnoty vynesli do tabulky i do grafu. Z grafu je již patrný rozsah použitelnosti, tj. přesahujeme-li rozsah ±20mm výsledky začínají být nelineární. I výrobcem doporučovaný rozsah je ±10mm. Linearita v měřeném rozsahu je dána odčítáním napětí dvou sekundárních cívek.
Citlivost snímače jsme stanovili 113 mV mm-1V-1, zbytkové napětí: Ux=0=37mV a určili jsme
linearitu na daných rozsazích a navrhli korekci pro snímač. Spočetli jsme také největší chybu
měření: ±4 ~ 2,17%±6 ~ 1,47% ±8 ~ 1,09%±10 ~ 1,58%
Z korekčních křivek je patrné, že se nám ne úplně podařila nastavit nejmenší hodnota rozdílu dvou
sekundárních napětí, kterou jsme poté vztahovali k nule.
Výrobce udává pro UP=8V hodnoty: : ±4 ~ 1,5%±6 ~ 3,5%
Pro rozsah : ±4 jsme se nevlezli při měření do udávané maximální chyby, je to dáno i nepřesností měřících přístrojů při snímání malých hodnot a malým UP, které jsme používali. Pro rozsah ±6 jsme se již do rozsahu vlezli.
- -- -
Měření polohy dotykovými indukčnostními snímači
SNÍMAČE NEELEKTRICKÝCH VELIČIN

Laboratorní úloha č. 2
MĚŘENÍ POLOHY DOTYKOVÝMI INDUKČNOSTNÍMI SNÍMAČI
Cíl cvičení:
Seznámit se s principem a možnostmi dotykových indukčnostních snímačů, typu s otevřeným magnetickým obvodem. Pokusit se o metrologické ověření snímače.
Zadání:
1. Změřte a do grafu vyneste základní charakteristiku indukčnostního transformátorového snímače
a charakteristiky vypočítané z naměřených hodnot sekundárních napětí – viz doporučený postup.
2. Z naměřených hodnot určete
a) citlivost snímače
b) zbytkové napětí
c) linearitu pro rozsah ±4 mm, ±6 mm, ±8 mm, ±10 mm a porovnejte s linearitou udávanou výrobcem
Výsledky zpracujte tabelárně a graficky.
3. Porovnejte naměřené výsledky s údaji výrobce snímače STI a zhodnoťte chybu měření.
Schéma zapojení
Seznam přístrojů:
Laboratorní přípravek s indukčnostním snímačem STI, digitálním měřítkem Mitutoyo a svorkovnicí
Katalogový list snímače STI
HP 33120A funkční generátor
2x Multimetr HP34401A
Propojovací vodiče
Teoretický popis
Indukčnostní snímače s otevřeným magnetickým obvodem v diferenčním uspořádání
Indukčnostní snímač s otevřeným magnetickým obvodem v diferenčním uspořádání (LVDT - Linear Variable Differential Transducer) je elektromechanické zařízení jehož výstupní napětí je úměrné poloze pohyblivého magneticky vodivého jádra. Snímač se skládá z primární cívky a dvou sekundárních cívek souměrně rozmístěných ve válcovitém profilu. Změnou polohy magneticky vodivého jádra se mění vzájemná magnetická vazba (činitel vazby) sekundárních cívek s cívkou primární.
Princip funkce snímače je následující. Primární cívka je napájena ze zdroje střídavého napětí. Do sekundárních cívek se indukuje napětí úměrné vzájemné indukčnosti cívek, tzn. úměrné poloze magneticky vodivého jádra. Pokud je jádro přesně uprostřed, magnetický tok vyvolaný primární cívkou je rozdělen symetricky na obě strany a napětí indukované do obou sekundárních cívek je stejné. Pokud vychýlíme jádro z nulové pozice směrem vlevo, zvětší se magnetický tok procházející levou sekundární cívkou a indukované napětí se zvýší, naopak v pravé cívce magnetický tok klesne a napětí se sníží
Informaci o poloze jádra lze z výstupních sekundárních napětí získat dvojím způsobem:
Z rozdílu sekundárních napětí
Sekundární cívky zapojíme do série, počátky vinutí k sobě (tzn. otočíme fázi jednoho ze sekundárních vinutí vůči druhému). Výsledné napětí bude potom dáno rozdílem sekundárních napětí. V nulové poloze bude výstupní napětí nulové, při výchylce jádra vlevo se začne výsledné napětí zvyšovat, při výchylce jádra vpravo se začne výsledné napětí rovněž zvyšovat, ale s opačnou fází. Nevýhodou tohoto způsobu určování absolutní polohy jádra je nutnost měřit kromě modulu výstupního napětí i jeho fázi.
Z poměru sekundárních napětí
Vyhodnocujeme pouze poměr rozdílu amplitud sekundárních napětí k jejich součtu (A-B)/(A+B). Hlavní výhodou je nezávislost na změně fáze sekundárních napětí (vyhodnocujeme pouze modul napětí) a kolísání amplitudy napájecího napětí (relativní poměrové měření). Základním a ne vždy splněným předpokladem je ovšem požadavek na konstantní hodnotu součtu sekundárních napětí v celém rozsahu polohy jádra snímače.
Citlivost snímače
Citlivost se vyjadřuje jako poměr změny výstupního signálu k jednotkové změně vstupní veličiny vztažené na jednotku napájení. Citlivost snímačů s otevřeným magnetickým obvodem bývá okolo 0,1 mV.m-1.V-1.
Linearita snímače
Linearita snímače určuje pracovní (měřicí) rozsah snímače. Závisí zejména na geometrických rozměrech (cívek, magnetického obvodu, velikosti vzduchové mezery atd.), na provedení vinutí (mechanická a elektrická symetrie), na použitých materiálech (vlastnosti, homogenita) a volbě pracovního bodu snímače. Kvalita snímače je přímo úměrná velikosti chyby, způsobené nelinearitou přenosové charakteristiky.
Zbytkový signál a fázové zkreslení
Zbytkovým signálem (nulovým signálem) na výstupu snímače rozumíme velikost napětí nebo proudu při magnetickém obvodu o klidové (nulové nebo také základní) poloze. Nelze je zmenšit (odstranit) posuvem jádra. Fázový posun (zkreslení) závisí na činiteli jakosti Q vinutí snímače. Je tím menší, čím je Q větší. Fázové zkreslení je u otevřeného magnetického obvodu větší než u snímače s malou vzduchovou mezerou a ovlivňuje i přesnost měření při použití fázově citlivého usměrňovače.
Výpočet regresních koeficientů metodou nejmenších čtverců pro funkci :
Při symetrii naměřených bodů podle osy y lze vztahy zjednodušit:
¨
Vypracování:
Tabulka1: Naměřené hodnoty napětí
X
U1
US1
US2
U2
U2VO
U2VP
US1+US2
[mm]
[V]
[V]
[V]
[V]
[V]
[V]
[V]
50
1,500
1,724
0,732
1,625
0,992
0,404
2,456
46
1,500
2,157
0,736
1,453
1,421
0,491
2,893
42
1,500
2,652
0,760
1,917
1,892
0,555
3,412
38
1,500
3,204
0,830
2,389
2,374
0,588
4,034
34
1,500
3,706
0,956
2,755
2,750
0,590
4,662
30
1,500
4,166
1,161
3,030
3,005
0,564
5,327
26
1,500
4,552
1,447
3,106
3,105
0,518
5,999
22
1,500
4,786
1,792
2,998
2,994
0,455
6,578
18
1,500
4,928
2,216
2,721
2,712
0,380
7,144
14
1,500
4,962
2,683
2,182
2,279
0,298
7,645
10
1,500
4,798
3,115
1,698
1,683
0,213
7,913
9
1,500
4,783
3,249
1,549
1,534
0,191
8,032
8
1,500
4,733
3,363
1,384
1,370
0,169
8,096
7
1,500
4,678
3,470
1,222
1,208
0,148
8,148
6
1,500
4,617
3,576
1,052
1,041
0,127
8,193
5
1,500
4,540
3,673
0,877
0,867
0,106
8,213
4
1,500
4,481
3,784
0,706
0,697
0,084
8,265
3
1,500
4,397
3,874
0,532
0,523
0,063
8,271
2
1,500
4,325
3,976
0,355
0,349
0,042
8,301
1
1,500
4,243
4,073
0,176
0,170
0,020
8,316
0
1,500
4,156
4,162
0,014
-0,006
-0,001
8,318
-1
1,500
4,066
4,257
-0,192
-0,191
-0,023
8,323
-2
1,500
3,970
4,330
-0,362
-0,360
-0,043
8,300
-3
1,500
3,887
4,432
-0,549
-0,545
-0,066
8,319
-4
1,500
3,780
4,493
-0,717
-0,713
-0,086
8,273
-5
1,500
3,668
4,559
-0,897
-0,891
-0,108
8,227
-6
1,500
3,566
4,623
-1,065
-1,057
-0,129
8,189
-7
1,500
3,458
4,683
-1,234
-1,225
-0,150
8,141
-8
1,500
3,346
4,738
-1,401
-1,392
-0,172
8,084
-9
1,500
3,324
4,788
-1,561
-1,464
-0,181
8,112
-10
1,500
3,120
4,834
-1,724
-1,714
-0,215
7,954
-14
1,500
2,648
4,936
-2,296
-2,288
-0,302
7,584
-18
1,500
2,194
4,930
-2,742
-2,736
-0,384
7,124
-22
1,500
1,778
4,799
-3,024
-3,021
-0,459
6,577
-26
1,500
1,363
4,344
-2,981
-2,981
-0,522
5,707
-30
1,500
1,147
4,142
-2,994
-2,995
-0,566
5,289
-34
1,500
0,945
3,654
-2,714
-2,709
-0,589
4,599
-38
1,500
0,821
3,124
-2,317
-2,303
-0,584
3,945
-42
1,500
0,761
2,584
-1,847
-1,823
-0,545
3,345
-46
1,500
0,735
2,068
-1,361
-1,333
-0,476
2,803
-50
1,500
0,729
1,639
-0,940
-0,910
-0,384
2,368
Graf 1.
Graf 2.
Graf 3.
Výpočty linearity
Závěr:
Měřením jsme ověřili linearitu dotykového indukčního snímače.Při vynášení linearizovaného modelu snímače došlo len k malým odskokom a nepresnostem.Tyhlety chyby vznikli s největší pravděpodobností nepřesným nastavením polohy.
Z grafu linearity vyplývá, že třída přesnosti 1,5% udávaná výrobcem je dodržena.

FEKT VUT BRNO
Ústav automatizace
Jméno
Luděk Caha
Ročník
Obor
Skupina
Oddělení
2.
AMT
11
-
Spolupracoval
Měřeno dne
Odevzdáno dne
Jiří Hajda
4.3.2004
Příprava
Opravy
Učitel
Hodnocení
Název úlohy
Číslo úlohy
Měření polohy dotykovými indukčními snímači
2
Zadání:
1) Změřte a do grafu vyneste základní charakteristiku indukčnostního transformátorového snímače a charakteristiky vypočítané z naměřených hodnot sekundárních napětí – viz doporučený postup.
2) Z naměřených hodnot určete
a) citlivost snímače
b) zbytkové napětí
c) linearitu pro rozsah ±4 mm, ±6 mm, ±8 mm, ±10 mm a porovnejte s linearitou udávanou výrobcem
Výsledky zpracujte tabelárně a graficky.
3) Porovnejte naměřené výsledky s údaji výrobce snímače STI a zhodnoťte chybu měření.
Teoretický popis:
Indukčnostní snímač s otevřeným magnetickým obvodem v diferenčním uspořádání (LVDT - Linear Variable Differential Transducer) je elektromechanické zařízení jehož výstupní napětí je úměrné poloze pohyblivého magneticky vodivého jádra. Snímač se skládá z primární cívky a dvou sekundárních cívek souměrně rozmístěných ve válcovitém profilu. Změnou polohy magneticky vodivého jádra se mění vzájemná magnetická vazba (činitel vazby) sekundárních cívek s cívkou primární.
Princip funkce snímače je následující. Primární cívka je napájena ze zdroje střídavého napětí. Do sekundárních cívek se indukuje napětí úměrné vzájemné indukčnosti cívek, tzn. úměrné poloze magneticky vodivého jádra. Pokud je jádro přesně uprostřed, magnetický tok vyvolaný primární cívkou je rozdělen symetricky na obě strany a napětí indukované do obou sekundárních cívek je stejné. Pokud vychýlíme jádro z nulové pozice směrem vlevo, zvětší se magnetický tok procházející levou sekundární cívkou a indukované napětí se zvýší, naopak v pravé cívce magnetický tok klesne a napětí se sníží. Při pohybu jádra směrem vpravo od nulové polohy bude výsledný efekt opačný.
Informaci o poloze jádra lze z výstupních sekundárních napětí získat dvojím způsobem.
Z rozdílu sekundárních napětí
Sekundární cívky zapojíme do série, počátky vinutí k sobě (tzn. otočíme fázi jednoho ze sekundárních vinutí vůči druhému). Výsledné napětí bude potom dáno rozdílem sekundárních napětí. V nulové poloze bude výstupní napětí nulové, při výchylce jádra vlevo se začne výsledné napětí zvyšovat, při výchylce jádra vpravo se začne výsledné napětí rovněž zvyšovat, ale s opačnou fází. Nevýhodou tohoto způsobu určování absolutní polohy jádra je nutnost měřit kromě modulu výstupního napětí i jeho fázi. To se obvykle v praxi řeší fázově citlivým usměrňovačem, kde fáze napájecího napětí primární cívky je brána jako referenční. Další nevýhodou je nutnost použít zdroj napájecího střídavého napětí s dostatečnou stabilitou amplitudy, protože výstupní napětí snímače je samozřejmě úměrné nejen poloze jádra ale i napájecímu napětí primární cívky (transformátor).
Z poměru sekundárních napětí
Vyhodnocujeme pouze poměr rozdílu amplitud sekundárních napětí k jejich součtu (A-B)/(A+B). Hlavní výhodou je nezávislost na změně fáze sekundárních napětí (vyhodnocujeme pouze modul napětí) a kolísání amplitudy napájecího napětí (relativní poměrové měření). Základním a ne vždy splněným předpokladem je ovšem požadavek na konstantní hodnotu součtu sekundárních napětí v celém rozsahu polohy jádra snímače. Tento parametr není výrobci LVDT snímačů uváděn a ani zaručován. V praxi lze s výhodou využít obvod AD598 fy Analog Devices, který v sobě obsahuje veškeré potřebné funkční bloky – zdroj napájecího střídavého napětí, dva usměrňovače, dolnofrekvenční filtry a obvod realizující funkci (A-B)/(A+B).
Uspořádání LVDT snímače Výstupní charakteristika LVDT snímače
Citlivost snímače
Citlivost snímače ztrácí s rozvojem technologie a obvodového řešení zesilovacích prvků na dřívější důležitosti. Přesto však na ní do značné míry závisí celková koncepce měřícího kanálu (náklady) a přípustná úroveň rušivého signálu. Citlivost snímače ovlivňuje především konstrukční uspořádání snímače (geometrické rozměry, konstrukce magnetického obvodu atd.). Jsou však často protichůdné k ostatním požadavkům (především linearitě), proto se volí vhodný kompromis nebo se vychází z konkrétních nároků dané aplikace.
Citlivost se vyjadřuje jako poměr změny výstupního signálu k jednotkové změně vstupní veličiny vztažené na jednotku napájení. Citlivost snímačů s otevřeným magnetickým obvodem bývá okolo 0,1 mV.m-1.V-1.
Linearita snímače
Linearita snímače určuje pracovní (měřicí) rozsah snímače. Závisí zejména na geometrických rozměrech (cívek, magnetického obvodu, velikosti vzduchové mezery atd.), na provedení vinutí (mechanická a elektrická symetrie), na použitých materiálech (vlastnosti, homogenita) a volbě pracovního bodu snímače. Kvalita snímače je přímo úměrná velikosti chyby, způsobené nelinearitou přenosové charakteristiky.
Teplotní součinitel a stálost
Teplotní součinitel a stálost ovlivňují zejména teplotní součinitelé materiálů použitých ke konstrukci snímače. Uplatňuje se především teplotní součinitel odporu a roztažnosti materiálu vinutí, teplotní závislost magnetického obvodu, koeficient délkové (objemové) roztažnosti materiálu kostřičky a prokladů vinutí, příp. i zalévacích hmot.
Na stabilitu snímače působí v případě rozdílového způsobu vyhodnocení polohy kromě teploty a ostatních atmosférických vlivů i kolísání napájecího zdroje snímače, stárnutí materiálů atd. Používají se proto napájecí zdroje se stabilizací amplitudy i kmitočtu.
Zbytkový signál a fázové zkreslení
Zbytkovým signálem (nulovým signálem) na výstupu snímače rozumíme velikost napětí nebo proudu při magnetickém obvodu o klidové (nulové nebo také základní) poloze. Nelze je zmenšit (odstranit) posuvem jádra. U diferenčních zapojení má být teoreticky nulové, jeho nenulovou velikost způsobují např. vyšší harmonické napájecího kmitočtu, mechanická a elektrická nesymetrie vinutí, kapacitní vazby atd.
Fázový posun (zkreslení) závisí na činiteli jakosti Q vinutí snímače. Je tím menší, čím je Q větší. Fázové zkreslení je u otevřeného magnetického obvodu větší než u snímače s malou vzduchovou mezerou a ovlivňuje i přesnost měření při použití fázově citlivého usměrňovače.
Výpočet regresních koeficientů metodou nejmenších čtverců pro funkci :
Při symetrii naměřených bodů podle osy y lze vztahy zjednodušit:
Schémata zapojení:
Doporučený postup:
ad1) Zapojte snímač, nastavte přesně nulovou elektrickou polohu (tj. minimální výstupní napětí). Kontrolu správnosti nastavení nulové elektrické polohy lze provést i tak, že při stejné výchylce jádra vlevo i vpravo od nalezené nulové polohy bude rovněž výstupní napětí stejné, tj. charakteristika je symetrická podle osy Y. Vynulujte digitální měřítko a změřte U2 = f(x), US1 = f(x), US2 = f(x) pro jednu hodnotu vstupního napětí primární cívky. Napájecí napětí primární cívky musíte po celou dobu měření udržovat konstantní, nebo si hodnotu napájecího napětí zapisovat a dodatečně provést korekci sekundárních napětí.
Hodnotu x nastavujte po 1 mm v rozsahu 0  ±10 mm, po 4 mm do ±50 mm. Hodnoty US1, US2, U2 měřte najednou. Vstupní napětí si zvolte (např. 1,500 V, 50 Hz) a průběžně je kontrolujte.
Do jednoho grafu vyneste změřené závislosti (po případné korekci na kolísání napájecího napětí) US1 = f(x), US2 = f(x) a základní charakteristiku snímače U2 = f(x)
Do dalšího grafu vyneste změřenou charakteristiku snímače U2 = f(x) a průběh získaný výpočtem U2VO = f(x) kde U2VO = US1 - US2
Do dalšího grafu vyneste závislost odpovídající poměru sekundárních napětí U2VP = f(x) kde U2VP = (US1 - US2)/(US1 + US2) a do stejného grafu i průběh součtu napětí (US1 + US2)
ad2c) Pro všechny výpočty linearity použijte průběhy U2VP = f(x) a upravený naměřený průběh U2 = f(x). Úpravu průběhu U2 = f(x) proveďte následovně. Od všech naměřených hodnot napětí U2 o