Snímače polohy I

1. Snímače polohy I Střední odborná škola Otrokovice Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je ing. František Kocián Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

2. Charakteristika DUM

3. Snímače polohy I Náplň výuky Indukční snímače polohy Princip činnosti Rozdělení snímačů Snímače s uzavřeným magnetickým obvodem Snímače s otevřeným magnetickým obvodem Snímače s potlačeným magnetickým polem (s aplikací vířivých proudů) Snímače bez feromagnetika

4. Princip těchto snímačů Princip indukčních snímačů polohy spočívá v převodu polohy na změnu vlastní indukčnosti cívky (tlumivkové snímače), případně vzájemné indukčnosti „M“ dvou cívek (transformátorové snímače). Tyto snímače tvoří početnou skupinu snímačů, u nichž se měřená veličina převádí na změnu vlastní indukčnosti L nebo vzájemné M. Indukčnostní snímač se skládá vždy z jedné nebo více cívek. Magnetický obvod může být otevřený nebo uzavřený, s feromagnetickým jádrem nebo bez něho. Parametrické a transformátorové snímače ve svém principu snímají posuvný pohyb, vybavíme li je převodem posuvného na rotační pohyb, jsou schopné snímat úhlové natočení. Naopak selsyny a resolver dle své konstrukce snímají úhlové natočení. Převod na posuvný pohyb se provádí prostřednictvím odměřovacího hřebene. Indukční snímače polohy

5. Rozdělení indukčních snímačů podle uspořádání magnetického toku se dělí do čtyř skupin: snímače s uzavřeným magnetickým obvodem snímače s otevřeným magnetickým obvodem snímače s potlačeným magnetickým polem (s aplikací vířivých proudů) snímače bez feromagnetika Rozdělení indukčních snímačů Obr. 1: Indukční snímač dráhy

6. Indukčnostní snímače bývají zapojeny do obvodu s pomocným střídavým napětím. Nejčastěji to jsou obvody můstkové nebo rezonanční. Nevýhodou je silná kmitočtová závislost indukčního snímače závislost odporu na teplotě. Je proto třeba dodržet impedanční poměry vedení dle nerovnice Rv, ωLv << ωL << Riz. V případě nesplnění této podmínky je třeba vyhodnotit parazitní vliv měření. Vlastní snímač je tvořen cívkou bez feromagnetického jádra nebo s feromagnetickým popř. neferomagnetickým elektricky vodivým jádrem. L – indukčnost μ – permeabilita magnetického obvodu l – délka cívky S – plocha cívky N – počet závitů Snímače s uzavřeným magnetickým obvodem

7. Působením neelektrické veličiny dochází k vzájemnému posunutí těchto částí nebo ke změně jejich elektrických vlastností. Cívka je dána indukčností, která je dána: • - počtem závitů, • - elektrickými a magnetickými vlastnostmi jádra, • - geometrickými rozměry cívky a jádra. Snímače s uzavřeným magnetickým obvodem Obr. 2: Náhradní schéma indukčního snímače

8. Transformátorový snímač – měřená veličina se vyhodnocuje prostřednictvím vzájemné indukčnosti J dvou cívek. Primární cívka je napájena z generátoru střídavého napětí, obdobně jako u transformátoru. Z důvodů potlačení parazitních vlivů (vliv teploty na ohmický odpor vinutí. Vliv rozptylových polí, apod.) se transformátorové snímače konstruují převážně jako diferenciální a označuji se proto názvem diferenciální transformátor (LVDT – Linear Variable Differential Lransformer) Snímače s uzavřeným magnetickým obvodem Obr. 3: Uspořádání snímače Obr. 4: Náhradní schéma snímače

9. Tlumivkový snímač – snímače tohoto typu (viz obr. 4) jsou konstrukčně velmi jednoduché. Měřená veličina mění buď velikost vzduchové mezery, nebo její průřez, a tím i vlastní indukčnost snímače. Impedance snímače „Z“ se pak skládá z ohmické a induktanční složky Snímače s uzavřeným magnetickým obvodem Obr. 5: Indukční snímač s malou vzduchovou mezerou Obr. 6: Závislost I=Δδ

10. Selsyny – slouží k měření polohy a též její odchylky od žádané polohy. Selsyn je v podstatě střídavý indukční stroj skládající se ze statoru se souměrným třífázovým vinutím a jednofázového rotoru, který je napájen střídavým napětím o frekvenci 50 až 500 Hz. Pro vyhodnocení úhlové odchylky (úhlu natočení) se používá zapojení dle obr. 7. Selsyn vysílač S1 slouží jako snímač polohy (úhlu natočení α1), selsyn přijímač S2 jako indikátor polohy. Ta je zobrazena prostřednictvím indikačního přístroje IP, jehož ručka je spřažena s rotorem selsynu S2. Snímače s uzavřeným magnetickým obvodem Obr. 8: Závislost vyrovnávacího momentu na velikosti výchylky Obr. 7: Snímač polohy se dvěma selsyny

11. Polohový transformátor (viz obr. 9). Zde jsou propojeny již jen statory. Rotor prvního selsynu S1 je napájen střídavým sinusovým napětím a slouží jako zadávací člen polohy. Rotor druhého selsynu S2 je mechanicky spojen se zařízením. • Propojení statorů je shodné s předcházejícím zapojením. V rotoru selsynu S2 se indukuje napětí, jehož amplituda je závislá na úhlu a vzájemného • natočení obou rotorů a je maximální, souhlasí-li magnetické osy rotorů obou selsynů: Snímače s uzavřeným magnetickým obvodem Obr. 9: Polohový transformátor

12. Selsyn rozkladač (resolver). Obvykle má dvě statorová vinutí, vzájemně prostorově posunutá o 90° a jeden jednofázový rotor (obr. 10). Statorová vinuti se napájejí dvěma napětími u1s a u2s (U1m = U2m), též posunutými o 90°. • Tím se vytvoří točivé pole, které indukuje v rotorovém vinutí střídavé napětí s fázovým posunutím o úhel a (fázové napájení) vůči statorovému referenčnímu napětí u1s. Snímače s uzavřeným magnetickým obvodem Obr. 10: Resolver

13. Lineární induktosyn – rozvinutý dvoufázový selsyn s vinutími rozloženými do roviny. Induktosyn se skládá z měřítka a jezdce, který se pohybuje nad měřítkem. Obě vinutí – primární (jezdec) a sekundární (pravítko) jsou vyrobena technikou plošných spojů na podkladových vrstvách ze skla. keramiky nebo z nemagnetické ocele s izolační vrstvou. Vinutí mají tvar pravoúhlého meandru s krokem K – 2mm. Magnetická vazba mezi primárním a sekundárním vinutím je závislá na vzájemném posunu jezdce a pravítka. Vhodným geometrickým uspořádáním je zajištěno, že průběh činitele vazby obou vinutí je v rozsahu jednoho kroku sinusový. Snímače s uzavřeným magnetickým obvodem Obr. 11: Induktosyn

14. Indukční snímače Obr. 12: Přehled indukčních snímačů

15. Snímač je obvykle složen z cívky, do níž se zasouvá feromagnetické jádro. Většinou bývá cívka umístěna ve feromagnetickém krytu, který je v podélném směru rozdělen, aby nevytvářel závit nakrátko. • Nevýhody snímače jsou menší citlivost, větší počet závitů, větší vliv vnějších magnetických polí, větší náročnost na přesnost provedení cívek. Výhodou je použití pro velké změny polohy ( 100-300 mm). Snímače s otevřeným magnetickým obvodem Obr. 13: Princip snímače s otevřeným magnetickým obvodem a závislost intenzity magnetického pole na poloze jádra

16. Potlačené pole vzniká při průchodu proudu cívkou, kdy vzniká magnetické pole, které prochází i kovovou vrstvou, v které vznikají vířivé proudy. Ty způsobují magnetické pole působící proti magnetickému poli, které je vyvolalo. Zmenšuje se tak intenzita původního pole (potlačení pole). U snímače se mění vzdálenost cívky od povrchu elektricky vodivého tělesa, a tím se mění i impedance cívky. Ta se změní i se změnou tloušťky vodivé vrstvy h. Snímače jsou vhodné např. pro bezdotyková měření vibrací. Nevýhodou je menší citlivost a nelinearita • v případě nemožnosti použití diferenčního uspořádání. Indukčnostní snímač s potlačeným polem Obr. 14: Indukčnostní snímače s potlačeným magnetickým polem

17. Vložením elektricky vodivého a magneticky nevodivého (diamagnetického) materiálu do vf. Magnetického pole se v něm indukují vířivé proudy jejichž směr je opačnýn než směr intenzity budící cívky, z čehož plyne termín potlačené magnetické pole Indukčnostní snímač s potlačeným polem (s vířivými proudy) Obr. 15: Indukční snímač s potlačeným magnetickým polem Obr. 16: Spínací charakteristiky ind. snímače při axiálním pohybu

18. Jedná se o spojení alespoň dvou cívek, umožňující vzájemné posunutí. Snímač je navrhován vždy jako transformátorový a většinou jako diferenční. Používá se pro malá posunutí, měření úhlových výchylek apod. Snímače bez feromagnetika Obr. 17: Sestava dvou válcových cívek

19. Kontrolní otázky: Princip indukčních snímačů polohy? V převodu polohy na změnu vlastní indukčnosti cívky (tlumivkové snímače), případně vzájemné indukčnosti „M“ dvou cívek (transformátorové snímače). Působením neelektrické veličiny (mechanickým pohybem) dochází ke skokové zmaně odporu přepínáním kontaktů. c) Schopnost elektronického zařízení nerušit jiný signál 2. Transformátorový snímač polohy? Pracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou Měřená veličina se vyhodnocuje prostřednictvím vzájemné indukčnosti J\ dvou cívek Nepracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou 3. Selsyn? Používá se tehdy, jestliže lze realizovat snímač převádějící rušivou veličinu na měronosnou samostatně. Umožňuje přenášet data pouze po bitech V podstatě střídavý indukční stroj skládající se ze statoru se souměrným třífázovým vinutím a jednofázového rotoru

20. Kontrolní otázky – řešení Princip indukčních snímačů polohy? V převodu polohy na změnu vlastní indukčnosti cívky (tlumivkové snímače), případně vzájemné indukčnosti „M“ dvou cívek (transformátorové snímače) Působením neelektrické veličiny (mechanickým pohybem) dochází ke skokové zmaně odporu přepínáním kontaktů c) Schopnost elektronického zařízení nerušit jiný signál 2. Transformátorový snímač polohy? Pracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou Měřená veličina se vyhodnocuje prostřednictvím vzájemné indukčnosti J\ dvou cívek Nepracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou 3. Selsyn? Používá se tehdy, jestliže lze realizovat snímač převádějící rušivou veličinu na měronosnou samostatně. Umožňuje přenášet data pouze po bitech V podstatě střídavý indukční stroj skládající se ze statoru se souměrným třífázovým vinutím a jednofázového rotoru

21. Seznam obrázků: Obr. 1: indukční snímač dráhy [online]. [vid. 14.8.2013]. Dostupný z: http://www.meatest.cz/produkty-indukcni-snimac-drahy-8739-detail-59 Obr. 2: Náhradní schéma indukčního snímače [online]. [vid. 14.8.2013]. Dostupný z: http://www.person.vsb.cz/archivcd/FMMI/PRS/Prvky%20ridicich%20systemu.pdf Obr. 3: Uspořádání snímače [online]. [vid. 15.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 4: Náhradní schéma snímače [online]. [vid. 15.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 5: Indukční snímač s malou [online]. [vid. 15.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 6: Závislost I [online]. [vid. 15.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 7: Snímač polohy se dvěma selsyny [online]. [vid. 15.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 8: Závislost vyrovnávacího momentu [online]. [vid. 15.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf

22. Seznam obrázků: Obr. 9: Polohový transformátor [online]. [vid. 15.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 10:Resolver [online]. [vid. 15.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 11: Induktosyn [online]. [vid. 15.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 12: Přehled indukčních snímačů [online]. [vid. 15.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 13: Princip snímače s otevřeným magnetickým obvodem a závislost intenzity magnetického pole na poloze jádra [online]. [vid. 14.8.2013]. Dostupný z: http://www.person.vsb.cz/archivcd/FMMI/PRS/Prvky%20ridicich%20systemu.pdf Obr. 14: Indukčnostní snímače s potlačeným [online]. [vid. 14.8.2013]. Dostupný z: http://www.person.vsb.cz/archivcd/FMMI/PRS/Prvky%20ridicich%20systemu.pdf Obr. 15:CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., 2009 ISBN: 978-80-251-2523-6 Obr. 16: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., 2009 ISBN: 978-80-251-2523-6 Obr. 17: Snímače bez feromagnetika [online]. [vid. 14.8.2013]. Dostupný z: http://www.person.vsb.cz/archivcd/FMMI/PRS

23. Seznam použité literatury: [1] Automatizace [online]. [cit. 6.7.2013]. Dostupný na WWW: http://web.spscv.cz/~madaj/skra4.pdf [2] CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., 2009 ISBN: 978-80-251-2523-6 [3] NĚMEC, Z.: Prostředky automatického řízení (Elektrické), Skripta, VUT, Brno, 2002 [4] JENČÍK, J., VOLF,J., a kol.: Technická měření, Skripta, ČVUT, 2003

24. Děkuji za pozornost 