Bezkontaktní teploměry emisivita, kalibrace

Bezkontaktní teploměry – emisivita, kalibrace Úvod Při práci s bezkontaktními teploměry je klíčový pojem emisivita povrchu ε. Můžeme ji definovat jako poměr energie vyzářené povrchem ve srovnání s povrchem černého tělesa při stejné teplotě [1]. Je to důležité proto, že bezkontaktní teploměr neměří teplotu ale hustotu zářivého toku. Aby bylo možné správně zobrazit teplotu měřeného objektu, je nutné znát emisivitu a správně jí nastavit na teploměru. Cílem tohoto měření je kalibrace IR teploměru, zjištění emisivity na různých typech povrchů a odhad chyb, které vzniknou nesprávným nastavením emisivity.

Úkoly:

Obr. 1 – Vyzařování černého tělesa [3]

1. Kalibrujte IR teploměr pro teploty 40, 80 °C. Vypracujte kalibrační list. 2. Kontaktním teploměrem – termočlánkem – a IR teploměrem s pevně nastavenou emisivitou 0,95 zjistěte emisivitu různých povrchů. 3. Vypočítejte absolutní a relativní chyby měření teplot pro povrchy s různou emisivitou. Údaj termočlánku považujte pro výpočet za správnou hodnotu.

Použité přístroje:     

IR kalibrátor (černé těleso) IR-500 IR teploměr s pevnou emisivitou 0,95, typ IR-101 Přípravek s rezistorem na chladiči, Peltiérův článek Multimetr Axiomet AX-18B se sondou pro měření povrchové teploty LABFACILITY - A-PL-K (IEC) Napájecí zdroj 18210

Postup měření Kalibrace IR teploměru Kalibrace IR teploměru se provádí pomocí černého tělesa. To má v našem případě stejnou emisivitu 0,95 jako je pevně nastavená hodnota emisivity na IR teploměru. Šipkami nahoru/dolů nastavte žádanou teplotu na černém tělese, potvrďte tlačítkem SET. Po dosažení teploty vyčkejte 5 minut na ustálení. IR teploměr umístěte do vzdálenosti 30 mm od černého tělesa, vzdálenost změřte pravítkem. Při této vzdálenosti je velikost zorného pole IR teploměru (poměr 6:1) 5 mm. Odečtěte teplotu černého tělesa pomocí IR teploměru. Po skončení měření nastavte teplotu zpět na 30 °C a černé těleso nechte zapnuté – je třeba, aby před vypnutím vychladlo.

Stanovení emisivity Vyzařování tělesa obecně popisuje Planckův vyzařovací zákon - obr. 1 [3]. Popisuje vztah mezi spektrální hustotou zářivého toku, teplotou tělesa a vlnovou délkou záření. Hustotu zářivého toku dokonale černého tělesa získáme pomocí Stefan-Bolzmannova zákona integrací spektrální hustoty zářivého toku dokonale černého tělesa dle Planckova vyzařovacího zákona, a to přes celý rozsah vlnových délek a za konstantní teploty. Hustota zářivého toku WB dokonale černého tělesa je [4]

WB    T 4

(1) kde σ je Stefan-Boltzmannova konstanta (5,6697.10 W.m .K ) a T je teplota tělesa v Kelvinech. -8

-2

-4

Každé jiné těleso je popsáno bezrozměrným parametrem – emisivitou (poměrnou zářivostí)

  W / WB

(2) Emisivita je funkcí materiálu, typu povrchu a teploty. Pro černé těleso ε = 1. Dokonalé černé těleso je idealizace. Reálné objekty neabsorbují veškerou dopadající energii a opět jí celou nevyzařují. Chovají se tedy jako tělesa šedá s ε<1. materiál Al – nezoxidovaný Fe - lesklé Cu Grafit, uhlí Dokonale černé těleso

Emisivita 0,12 – 0,18 0,32 – 0,42 0,1 – 0,35 0,65 – 0,97 1

Aby bylo možné správné měření teploty s IR teploměrem, je nutné znát emisivitu povrchu. Pokud emisivita není známa, může dojít k velké chybě měření. Příklady emisivit pro některé materiály jsou uvedeny v tabulce. Pro zjištění skutečné emisivity použijeme kontaktní teploměr (termočlánek) pro zjištění skutečné povrchové teploty a emisivitu povrchu

vypočítáme. Použitý IR teploměr má pevně nastavenou emisivitu 0.95. Jeho údaj je proto správný pro povrch s emisivitou 0,95. IR teploměr měří hustotu zářivého toku

WIR   0,95    T0,954

(3)

Kde T0,95 je teplota odečtená na IR teploměru pro emisivitu ε = 0,95. Objekt ale ve skutečnosti vyzařuje zářivý tok s jinou hustotou zářivého toku závislou na skutečné teplotě Tobj. 4 Wobj.   obj.    Tobj .

(4)

Skutečnou teplotu Tobj změříme sondou pro měření povrchové teploty a skutečnou emisivitu εobj vypočítáme podle [5]

 obj.  T

4 obj .

  0,95  T

4 0,95

  obj.   0,95 

4 T0,95 4 Tobj .

(5)

Do rovnice je nutné dosazovat teploty v Kelvinech!

Závěr V závěru uveďte přesnost měření teploty povrchovou sondou (podle manuálu multimetru), diskutujte vliv emisivity na správné měření teploty IR teploměrem. Dále v manuálu nalezněte udávanou přesnost IR teploměru. Vyhotovte kalibrační certifikát IR teploměru.

Literatura [1] Emissivity, online na , přístup 11.3.2013 [2] Emissivity Coefficients of some common Materials, online na < http://www.engineeringtoolbox.com/emissivity-coefficients-d_447.html>, přístup 11.3.2013 [3] Planck's law, online na < https://en.wikipedia.org/wiki/Planck's_law>, přístup 11.3.2013 [4] Chandos, R. J., Chandos R.E. : Radiometric Properties of Isothermal Diffuse Wall Cavity Sources, online na < http://www.electrooptical.com/pdf/chandosemissivitypaper.pdf>, přístup 11.3.2013 [5] A Review of the Physics for Emissivity Correction of Infrared Temperature Measurements, online na < http://www.apogeeinstruments.co.uk/content/SIemissivitycorrection.pdf>, přístup 11.3.2013

Bezkontaktní teploměry– IR teploměr a termokamera Úvod Bezkontaktní teploměry mohou být použity pro měření teploty jinak nepřístupných míst (s vysokou teplotou, s elektrickým napětím apod.). Pro správné měření je třeba si uvědomit, že bezkontaktní teploměr neměří teplotu, ale hustotu zářivého toku. Ta je úměrná nejen teplotě tělesa, kterou hledáme, ale i emisivitě, jak jsme si ukázali v předchozí úloze. Dále ale IR teploměr měří nejenom vyzářené (emitované) záření tělesa ale i další složky, jak je ukázáno na obr. 2. Další složky jsou záření okolí a odražené záření. V případě transparentních těles se přidává složka procházejícího záření. Pro větší vzdálenosti mezi tělesem a sensorem může být významná i absorpce v atmosféře. Cílem tohoto měření je ukázat si základní zásady pro měření s IR teploměry. Stejná pravidla budou platit i pro termokameru.

Obr. 2 – IR teploměr měří součet různých složek záření

Úkoly: 1. Pomocí IR teploměru s proměnnou emisivitou a kontaktní sondou zjistěte emisivitu černého, bílého a stříbrného povrchu testovací desky. 2. Pomocí IR teploměru změřte rozložení teploty pro 2 různé konfigurace teplených zdrojů desky (články 1,2 nebo 3). Na každé barvě testovací desky nastavte zjištěnou emisivitu. Nakreslete 2D povrchový graf rozložení teplot pro obě konfigurace. 3. Termokamerou zhotovte pro obě konfigurace obrázek rozložení teplot a přiložte k vyhodnocení měření.

Použité přístroje:    

Vyhřívaná deska s Peltierovými články IR teploměr Fluke 576 + PC s programem IRGraph Termokamera FLIR i50 Napájecí zdroj Diametral P230R51D

Postup měření IR teploměr měří hustotu zářivého toku – součet emitovaného, odraženého, procházejícího a záření okolí. Pro malé vzdálenosti tělesa a senzoru je možné zanedbat absorpci v atmosféře. Hustota zářivého toku je popsána Stefan-Bolzmannovým zákonem a pro správné stanovení teploty je třeba znát emisivitu povrchu měřeného tělesa. Jeden ze způsobů jejího stanovení byl ukázán v předchozí úloze. Pokud má IR teploměr emisivitu nastavitelnou, je možné použít i další způsob, který si zde ukážeme. 1] Změřte teplotu v daném místě kontaktním teploměrem. V našem případě použijeme dotykovou sondu IR teploměru – termočlánek typu K. 2] V určeném místě zároveň měříme teplotu i bezkontaktním způsobem, tlačítky upravíme nastavenou emisivitu tak, aby IR teploměr ukazoval stejnou změřenou teplotu jako kontaktní sonda. Nastavenou emisivitu odečteme. Je třeba si uvědomit, že IR teploměr neměří v jednom bodě. Měřená plocha je kružnice, výrobce obvykle specifikuje poměr D:S tj. její průměr v určité vzdálenosti od teploměru. Příklad specifikace je uvedený na obr. 3. Čím je objekt dále od IR teploměru, tím je obvykle měřená plocha (zorné pole) větší. Neplatí to ale pro všechny IR teploměry, např. pro IR teploměr Fluke 576 viz. obr. 5.

Obr. 3 – IR teploměr neměří bodově [2]

Obr. 4 – Správné použití IR teploměru [3]

Aby IR teploměr ukazoval správně, je nutné, aby měřené těleso vyplňovalo kompletně zorné pole IR teploměru. Pro přesné měření se doporučuje, aby průměr zorného pole byl 2x menší než průměr tělesa, pro účely kalibrace dokonce 3x menší [4] Pokud by zorné pole nepokrývalo celé těleso, měřili bychom i záření pozadí a tím i špatnou teplotu. Pro IR teploměr Fluke 576, použitý pro měření, platí, že nejmenší zorné pole je ve vzdálenosti 1150mm. V této vzdálenosti je průměr zorného pole 19 mm. Pro měření tedy nastavte vzdálenost IR teploměru a vyhřívané desky na 1150mm. Pomocí IR teploměru měřte teplotu uprostřed každého čtverce vyhřívané desky. Vyneste do 2D povrchového grafu, sejměte termokamerou obrázek desky.

Během měření měňte nastavenou emisivitu na IR teploměru podle zjištěných hodnot pro různé barvy desky. Vliv rozdílné emisivity povrchů je patrný z obr. 6. Zde je znázorněn objekt (zahradní brána) se stejnou teplotou všech částí. Rozdíly „teplot“ jsou způsobeny rozdílnou emisivitou povrchů – nejteplejší se zdá spodní kovový povrch, prostřední dřevo se zdá studenější, modrý je sníh. Ve skutečnosti je ale teplota všech povrchů stejná. Pozor také na odrazy. Extrémní případ je Obr. 5 – Závislost velikosti zorného pole na vzdálenosti pro použitý IR teploměr [1] ukázán na obr. 7. Zde je vidět odraz osoby v zrcadle, neměří se tedy teplota povrchu zrcadla ale odražené záření. Zejména na kovových lesklých površích způsobují odrazy problémy.

Obr. 6 – Vliv rozdílné emisivity povrchu

Obr. 7 – Vliv odrazů

Závěr Zhodnoťte vliv emisivity různých povrchů na měření. Z manuálu IR teploměru si zaznamenejte přesnost měření IR teploměrem i kontaktní sondou. V manuálu dále najděte „dobu odezvy – response time“ a přepočítejte na časovou konstantu.

Literatura [1] Fluke 576 Precision Infrared Thermometer – Users Manual, online na < http://www.myflukestore.com/crm_uploads/fe_576_users_manual.pdf>, přístup 11.3.2013 [2] $15 Infrared Thermometer, online na < http://forums.anandtech.com/showthread.php?t=2049940>, přístup 11.3.2013 [3] Princip bezdotykového měření teploty, online na http://www.qtest.cz/bezdotykoveteplomery/bezdotykove-mereni-teploty.htm>, přístup 16.10.2013 [4] Liebmann, F.: Metrology 101 - Infrared Thermometer Calibration, online na < http://www.tequipment.net/ProductImages/Fluke/4180_156/media/4180_156_doc_7.p df>, přístup 11.3.2013

Emisivita

Vypracoval: Datum:

Úkoly:

16.1.2014

1. Kalibrujte IR teploměr pro teploty 30, 50, 100 °C. Vypracujte kalibrační list. 2. Kontaktním teploměrem – termočlánkem – a IR teploměrem s pevně nastavenou emisivitou 0,95 zjistěte emisivitu různých povrchů. 3. Vypočítejte absolutní a relativní chyby měření teplot pro povrchy s různou emisivitou. Údaj termočlánku považujte pro výpočet za správnou hodnotu.

Je důležité pracovat v ustáleném stavu. IR teploměrem kontrolujte. Al chladič - černě natřený - proud 3A

Al chladič - černě natřený - proud 5A

Peltier element - proud 0,5A

termočlánek (°C)

termočlánek (°C)

termočlánek (°C)

IR teploměr (°C)

IR teploměr (°C)

IR teploměr (°C)

emisivita (-) absolutní chyba (°C) relativní chyba (%)



Al chladič - původní povrch - proud 3A

Al chladič - původní povrch - proud 5A

termočlánek (°C) IR teploměr (°C)

termočlánek (°C) IR teploměr (°C)

emisivita (-)

emisivita (-)

absolutní chyba (°C) relativní chyba (%)


Rezistor s chladičem - proud 2A

Lidská kůže

termočlánek (°C) IR teploměr (°C) emisivita (-)

termočlánek (°C) IR teploměr (°C) emisivita (-)



Závěr:

ε obj . = ε 0,95 ⋅

4 T0,95 4 Tobj .

Termoobrázek chladiče:

Použité přístroje:

V závěru uveďte přesnost měření teploty povrchovou sondou (podle manuálu multimetru), diskutujte vliv emisivity na správné měření teploty IR teploměrem. Dále v manuálu nalezněte udávanou přesnost IR teploměru. Vyhotovte kalibrační certifikát IR teploměru.

strana 1/1

ČVUT v Praze Fakulta strojní Ústav přístrojové a řídicí techniky Technická 4 166 07, Praha 6

Kalibrační certifikát číslo certifikátu: Typ přístroje: Výrobce: Popis: Rozsah teplot: Inventární číslo: Datum kalibrace: 17.10.2013 Kalibrace platná do: 17.10.2014 Interval kalibrace: 1 rok

Nastavené a naměřené hodnoty Nastavená hodnota Odečteno

absolutní chyba relativní chyba

°C

°C

°C

Výrobce:

Typ přístroje:

Specifikace vyrobce

%

40 80

Použité přístroje Sériové číslo:

Popis:

Podmínky měření: Teplota: Vlhkost: Tlak: Vzdálenost IR teploměru id černého tělesa:

Kalibraci provedl:

Datum:

Kalibrováno

Bezkontaktní teploměry– IR teploměr a termokamera

Vypracoval: Datum:

Úkoly:

1. Pomocí IR teploměru s proměnnou emisivitou a kontaktní sondou zjistěte emisivitu černého, bílého a stříbrného povrchu testovací desky. 2. Pomocí IR teploměru změřte rozložení teploty pro 2 různé konfigurace teplených zdrojů desky (články 1,2 nebo 3). Na každé barvě testovací desky nastavte zjištěnou emisivitu. Nakreslete 2D povrchový graf rozložení teplot pro obě konfigurace. 3. Termokamerou zhotovte pro obě konfigurace obrázek rozložení teplot a přiložte k vyhodnocení měření.

Je důležité pracovat v ustáleném stavu. IR teploměrem kontrolujte. Rozložení teplot - konfigurace 1 1 Y/X

Emisitita: 2

3

4

5

6

7

8

černá bílá stříbrná

1 2 3 4 5

Rozložení teplot - konfigurace 2 1 Y/X

2

3

4

5

6

7

8


1 2 3 4 5

Grafy: umístěte grafy na zvláštní list

Závěr:

Zhodnoťte vliv emisivity různých povrchů na měření. Z manuálu IR teploměru si zaznamenejte přesnost měření IR teploměrem i kontaktní sondou. V manuálu dále najděte „dobu odezvy – response time“ a přepočítejte na časovou konstantu.

Bezkontaktní teploměry– IR teploměr a termokamera - grafy

Obrázek z termokamery:

Obrázek z termokamery:

Poloha – LVDT Úvod Diferenciální transformátor (LVDT - Linear Variable Differential Transformer) je snímač polohy pracující na principu změny indukčnosti. Změna polohy jádra transformátoru způsobí změnu vzájemné indukčnosti mezi primárním a sekundárními vinutími. Principiálně je výstupem napětí úměrné poloze, průmyslový snímač použitý v této úloze obsahuje elektroniku, která převádí napětí ze snímače na proudový výstup. Snímače s proudovým výstupem mají omezen maximální odpor, který lze do smyčky zapojit. Ideální zátěž pro snímač s proudovým výstupem má odpor nula (ampérmetr), maximální zátěžný odpor je dán dostupným napětím. Proudový výstup umožnuje nezkreslený přenos signálu na relativně velké vzdálenosti. Vzdálenost je omezena právě maximálním připojitelným odporem do smyčky.

Úkoly: 1. Změřte statickou charakteristiku I = f(x) snímače LVDT pro zátěžný odpor RZ = 0. 2. Pro konstantní polohu (x = 100 mm) zjistěte maximální odpor Rz , kdy výstupní proud zůstane ještě konstantní. Vypočítejte citlivost snímače. Obr. 1 – Princip LVDT


Přípravek s LVDT Monitran MTN/IE(I)S-75, ±75 mm Stejnosměrný ampérmetr Odporová dekáda Rz Stejnosměrný napájecí zdroj AUL 14 V

Popis měření Průmyslový standard pro proudové smyčky předepisuje proud 0 – 20 mA nebo 4 – 20 mA. Standard je popsán normou ANSI/ISA–50.00.01–1975 (R2002) [2] a má velmi široké průmyslové použití. Výhodou je nezávislost signálu na délce vedení mezi snímačem a měřicím přístrojem. Maximální vzdálenost je omezena maximálním odporem smyčky. Typické zapojení je ukázáno na obrázku 2. Aby mohl vysílač (snímač) udržovat ve smyčce konstantní proud, který závisí pouze na měřené veličině, reguluje napětí na svém výstupu. Při zvýšení odporu smyčky, např. při změně teploty, přechodových odporech nebo při zvětšení délky smyčky nastaví vysílač vyšší napětí tak, aby byl zachován proud. Omezením je velikost napájecího napětí snímače. Od určité hodnoty odporu již nelze udržet konstantní hodnotu proudu. Norma definuje maximální odpor ve smyčce 600Ω.

Jako vyhodnocovací zařízení na straně přijímače pak obvykle slouží odpor 250 Ω, na kterém se měří napětí. Další výhodou proudové smyčky je podstatně větší odolnost proti rušení ve srovnání s napěťovým výstupem.

Závěr Vypočítejte maximální možnou délku měděného vodiče typu AWG 36 [1] připojeného Obr. 2 – Typické zapojení proudové smyčky [3] v proudové smyčce za předpokladu, že odpor přijímače je 250 Ω a normou ANSI/ISA–50.00.01–1975 (R2002) [2] stanoveného maximálního odporu ve smyčce 600Ω. Diskutujte výhody a nevýhody napěťového a proudového signálu.

Literatura [1] American wire gauge, online na < https://en.wikipedia.org/wiki/American_wire_gauge>, přístup 31.3.2013 [2] ANSI/ISA–50.00.01–1975 (R2002), Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments, online na , přístup 31.3.2013 [3] Understanding 4-20 mA Current Loops, Application note, BAPI, rev. 10/05/06, online na < http://www.bapihvac.com/CatalogPDFs/I_App_Notes/Understanding_Current_Loops.pdf>, přístup 31.3.2013

Poloha – Odporový snímač polohy Úvod Odporové snímače polohy jsou jednoduché, robustní a spolehlivé. Mají napěťový výstup, ideální odpor zátěže je nekonečno. Prakticky by měl být odpor zátěže co největší, je tedy vhodné použít digitální voltmetr. Pokud se použije voltmetr s relativně malým vnitřním odporem, poruší se linearita statické charakteristiky.

Úkoly: 1. Změřte statickou charakteristiku snímače V2=f(x) analogovým a digitálním voltmetrem. 2. Vypočítejte maximální chybu v % pro K=1.2 a porovnejte se změřenou hodnotou. 3. Vypočítejte hodnotu K tak, aby chyba byla menší než 1 %. Obr. 3 – Schéma zapojení


Přípravek se snímačem polohy Vishay SFERNICE 115L 14E 502 W06017, 5 kΩ, 330 mm Analogový voltmetr, rozsah 6 V, 1kΩ/V Digitální multimeter, Ri = 10 MΩ Stejnosměrný zdroj 5 V

Popis měření Výstupní napětí snímač je možné vypočítat jako napěťový dělič

RL R2 RL  R2 RL R2 V2  V  V RL R2 R1 R2  R1 RL  R2 RL  R1 RL  R2 R2  xR0

R1  R0  R2  R0  xR0  1  x  R0

(1)

K

RL R0

(2)

Po dosazení a zjednodušení je výstupní napětí

V2  V

Kx 1  x  x  K

(3)

Relativní chyba je

1  x  x2 V2  x V   %  100   100 V 1  x  x  K

(4)

Relativní chyba je nulová pro K -> . Relativní chyba je, jak plyne ze vztahu, vždy záporná. Napětí je vždy menší než by odpovídalo K -> . Pro K ->  je závislost lineární. Maximální relativní chyba je pro polohu x

  0 x  2/3 x

(5)

Závěr Nalezněte, citujte a formou tabulky popište alespoň dva průmyslové odporové snímače polohy. Zpracujte formou tabulky, kde bude rozsah, odpor, přesnost a cena.

Obr. 4 – Vliv K na statickou charakteristiku

Poloha – Opakovatelnost a přesnost Úvod Opakovatelnost vyjadřuje shodu výsledku měření při opakování experimentu za stejných podmínek [4]. Podmínky opakovatelnosti jsou: stejný postup měření, stejný pozorovatel, stejné umístění a opakování v krátkém časovém intervalu. Opakovatelnost se vyjadřuje kvantitativně charakteristikou rozptylu.

Úkoly: 1. Zjistěte opakovatelnost nastavení polohy osy x 3D tiskárny. Opakovatelnost ověřte ve dvou bodech 10 měřeními v každém bodě. 2. Vypočítejte průměr a směrodatnou odchylku polohy v obou testovaných bodech.

Použité přístroje:   

3D tiskárna + PC Odporový snímač polohy Vishay SFERNICE 115L 14E 502 W06017, 5 kΩ, 330 mm Digitální Multimeter Agilent 34461A, 6½ Digit

Obr. 5 – Opakovatelnost vs. přesnost

Postup měření Na ose x 3D tiskárny je namontován odporový snímač polohy. Jeho odpor je vyhodnocován multimetrem Agilent 34461A. Ikonou na ploše spusťte ovládací program 3D tiskárny „3D COM Terminal“ Vyberte komunikační port COM4 a otevřete ho tlačítkem “Otevřít” Zarovnejte osy tlačítkem “Zarovnat osy” Počkejte, dokud není zarovnání dokončené V okně“G-kód” zapište příkaz “G3 X1000” a odešlete tlačítkem “Odeslat”. Osa se začne pohybovat do polohy 1000. Po dokončení pohybu odečtěte odpor snímače z multimetru. 6) V okně“G-kód” zapište příkaz “G3 X2000” a odešlete tlačítkem “Odeslat”. Osa se začne pohybovat do polohy 2000. Po dokončení pohybu odečtěte odpor snímače z multimetru. 7) Kroky 5) – 6) opakujte celkem 10x 1) 2) 3) 4) 5)

Výběrový průměr:

x

1 n  xi n i 1

Výběrová směrodatná odchylka

s

1 n 2  xi  x   n  1 i 1

(6)

Závěr Diskutujte, zda je osa x 3D tiskárny opakovatelná a přesná s ohledem na požadovanou přesnost tisku 0,5 mm.

Literatura [4] Guidelines for Evaluating and Expressing the Uncertainty of NIST Measurement Results, Appendix D, online na < http://physics.nist.gov/Pubs/guidelines/appd.1.html>, přístup 9.11.2013

Poloha – LVDT

Vypracoval: Datum:

Úkoly: 1. Změřte statickou charakteristiku I = f(x) snímače LVDT pro zátěžný odpor RZ = 0. 2. Pro konstantní polohu (x = 100 mm) zjistěte maximální odpor Rz , kdy výstupní proud zůstane ještě konstantní. Vypočítejte citlivost snímače.

x [mm] RZ=0 Ω

Citlivost:

0

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

I [mA]


Grafy:

Závěr:

Vypočítejte maximální možnou délku měděného vodiče typu AWG 36 [1] připojeného v proudové smyčce za předpokladu, že odpor přijímače je 250 Ω a normou ANSI/ISA–50.00.01–1975 (R2002) [2] stanoveného maximálního odporu ve smyčce 600Ω. Diskutujte výhody a nevýhody napěťového a proudového signálu.

Poloha – Odporový snímač polohy

Vypracoval: Datum:

Úkoly: 1. Změřte statickou charakteristiku snímače V2=f(x) analogovým a digitálním voltmetrem. 2. Vypočítejte maximální chybu v % pro K=1.2 a porovnejte se změřenou hodnotou.


3. Vypočítejte hodnotu K tak, aby chyba byla menší než 1 %. x [°]

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

V2[V] (digitální) V2[V] (analogový)

Grafy:

Maximální chyba:

K pro chybu menší něž 1 %:

Závěr: Nalezněte, citujte a formou tabulky popište alespoň dva průmyslové odporové snímače polohy. Zpracujte formou tabulky, kde bude rozsah, odpor, přesnost a cena.

300

330

Poloha – Opakovatelnost a přesnost

Vypracoval: Datum:

Úkoly: 1. Zjistěte opakovatelnost nastavení polohy osy x 3D tiskárny. Opakovatelnost ověřte ve dvou bodech 10 měřeními v každém bodě. 2. Vypočítejte průměr a směrodatnou odchylku polohy v obou testovaných bodech.

experiment

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

X1000 X2000

Výběrový průměr: X1000 X2000


Výběrový směrodatná odchylka: X1000 X2000

Závěr:

Diskutujte, zda je osa x 3D tiskárny opakovatelná a přesná s ohledem na požadovanou přesnost tisku 0,5 mm.

Poloha – resolver Úvod Resolver je snímač úhlového natočení. V rozsahu jedné otáčky se jedná o absolutní snímač. Konstrukční provedení je podobné elektrickému motoru, typicky má jedno rotorové a dvě statorové vinutí. Rotorové vinutí je napájené střídavým napětím s frekvencí obvykle od 2 do 20 kHz. Dvě statorová vinutí jsou navzájem pootočená o 90° , indukuje se v nich napětí závislé na poloze rotoru. Závislost napětí statoru na poloze je sinusová, pro jednoznačné určení absolutní polohy v rozsahu 0 až 360° je nutné vyhodnocovat signál z obou statorových vinutí.

Úkoly: 1. Změřte efektivní hodnotu napětí obou statorových vinutí resolveru v závislosti na úhlu natočení rotoru resolveru V1=f(α) , V2=g(α). Měřte s krokem α 15° v rozsahu jedné otáčky.

Použité přístroje: Obr. 1 – Schéma zapojení

 

Přípravek s resolverem Osciloskop s generátorem

Popis měření Resolver je točivý elektrický stroj. Rotorové vinutí je napájeno střídavým napětím, v našem případě s frekvencí 10 kHz.

Vgen  Vgen _ max  sin(t )

(1)

Přípravek je pro měření napájen přímo signálem z generátoru osciloskopu. V případě průmyslového systému musí vyhodnocovací jednotka rotor střídavým signálem napájet a vyhodnocovat signály statoru. Změna vzájemné indukčnosti mezi rotorovým a statorovým vinutím je závislá na úhlu natočení rotoru α. Závislost je sinusová. Obě statorové indukované napětí mají stejný průběh, díky vzájemnému prostorovému natočení o 90° je i jejich napětí posunuté o 90°. V poloze, kde je jedno statorové napětí maximální, je druhé nulové a naopak. Statorová napětí jsou popsána rovnicemi

V1  V1_ max  sin(t )  sin( )

(2)

V2  V2 _ max  sin(t )  cos( )

(3)

Pro vyhodnocení úhlu natočení α v rozsahu celé otáčky je nutné měřit obě statorová napětí. Závislost je navíc sinusová, obvykle vyžadujeme od snímačů lineární závislosti. To znamená, že statorová signály je nutné zpracovat. Jednotka pro převod se nazývá resolverová karta, „Resolver to digital (RD)“ převodník apod [1]. Nejčastěji se skládá ze dvou A/D převodníků a mikroprocesorového systému, v jehož paměti je uložena tabulka změřených hodnot závislosti napětí obou statorových vinutí na úhlu natočení rotoru. Výstup je pak buď převeden zpět na analogový signál, nebo posílán dále přímo jako digitální informace o poloze. Doporučený postup: pro nastavenou polohu rotoru α měřte na osciloskopu současně obě statorová napětí. Měřte napětí špička-špička, přepočítejte na efektivní hodnotu podle vztahu (platí pouze pro sinusový průběh)



VRMS  Vp  p / 2  2



(4)

Závěr V závěru porovnejte resolver a selsyn. Najděte, popište a citujte alespoň jedno průmyslové použití resolveru a RD převodníku. Zejména se zaměřte na frekvenci rotorového napětí a rozlišení (počet rozlišitelných poloh na otáčku).

Literatura [1] AD2S1220, Variable Resolution, 10-Bit to 16-Bit R/D Converter with Reference Oscillator, online na < http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/AD2S1210.pdf>, přístup 7.4.2013

Rozměry – Ultrazvukový tloušťkoměr Úvod Základní součástí ultrazvukového je vysílač a přijímač ultrazvukových pulzů. Pulzy se odrážejí o překážky (dálkoměr) nebo na rozhraní dvou materiálů (tloušťkoměr). Je měřena doba mezi vysláním a příjmem ozvěny, která je úměrná vzdálenosti od překážky resp. tloušťce materiálu. Ultrazvukové tloušťkoměry je možné použít i tam, kde by klasické měření např. posuvným měřítkem nebylo možné, např. u uzavřených objektů. Podobný princip se využívá i pro detekci poruch (prasklin) v materiálu.

Úkoly:

Obr. 2 – Princip ultrazvukového tloušťkoměru

1. Změřte tloušťku ocelových destiček na vyznačených místech. Ověřte mikrometrem. 2. Změřte tloušťku stěny trubek s krokem 10 mm. Vyneste do grafu v polárních souřadnicích.

Použité přístroje: 

Ultrazvukový tloušťkoměr DIO 570

Popis měření Během celého měření je nutné zajistit dobrý kontakt mezi ultrazvukovou měřicí sondou a předmětem = mazat tukem (např. INDULONA). Změřte tloušťku destiček v 5 bodech podle obrázku. Ve stejných místech ověřte mikrometrem. Při měření tloušťky stěny trubek umísťujte sondu kolmo k povrchu. Po skončení měření sondu opatrně očistěte. Obr. 3 – Místa pro měření tloušťky desek

Ukázka: Měření rozměrů místnosti ultrazvukovým a laserovým dálkoměrem.

Závěr Diskutujte chyby při měření tloušťky stěny trubek a navrhněte jejich potlačení. Porovnejte přesnost měření tloušťky mikrometrem a ultrazvukovým tloušťkoměrem, totéž u měření rozměrů místnosti ultrazvukem a laserem. Nalezněte, popište a citujte alespoň jeden ultrazvukový a laserový dálkoměr, formou tabulky shrňte rozsah, přesnost, měřicí úhel, cenu.

3D scanner Úvod 3D scanner se používá pro vytvoření 3D modelů reálných objektů. Jeho princip si ukážeme na jednoduchém zařízení. Lze ho jednoduše zkonstruovat z kamery, projektoru laserové čáry a otočného stolku. Objekt, který má být změřen, je umístěn na otočný stolek. Projektor promítá obraz laserové čáry na objekt, kamera snímá tvar čáry. Současně je objekt rotován. Ze známého úhlu mezi projektorem laserové čáry a kamerou je vypočítána vzdálenost bodu od kamery a je možné rekonstruovat tvar celého objektu.

Úkoly: 1. Naskenujte polystyrenové hlavy.

model

Použité přístroje:    Obr. 4 – Princip 3D scanneru [2]

Rotační stolek s objektem (polystyrenová hlava) Kamera + PC Laserová vodováha

Princip Kamera snímá obrázek v rovině obrazu x. Úhel Θ mezi osou laserové čáry a osou obrazu kamery je známý. Vzdálenost od osy rotace r lze vypočítat podle rovnice r  x / sin() (5) Kde x je poloha bodu laserové čáry. Tento výpočet se opakuje pro všechny body laserové čáry v obraze.

Postup 1) Spusťte program“3DScanner Gui”. Spuštění vzhledem k velikosti programu chvíli trvá. 2) Tlačítkem “Configure webcam” nakonfigurujte kameru. Vyberte zařízení winvideo, device ID 1, formát “YUV2_640x480” 3) Spusťte náhled tlačítkem “Start preview” 4) Zapněte laserovou vodováhu 5) V závislosti na aktuálních světelných podmínkách v laboratoři nastavte hladinu prahu pro detekci čáry posuvníkem line Obr. 5 – Princip 3D scanneru, obrázek detection threshold. Cílem je získat jasný hlavy z [5] obraz čáry pouze na objektu po stisku tlačítka “Capture” 6) Zapněte napájecí zdroj otočného stolku a změnou napětí nastavte otáčky na 1 otáčku/min (napětí cca 4V)

7) Spusťte proces skenování tlačítkem “Timer ON”. 3D obraz je vytvořený ze 120 snímků snímaných po 0,5s. Až budete s výsledkem spokojeni, zastavte snímání tlačítkem “Timer OFF” a 3D obrázek uložte.

Obr. 6 – Uživatelské rozhraní

Závěr V závěru diskutujte vliv barvy objektu na vyhodnocení, diskutujte rozdíly mezi CCD a PSD. Odhadněte přesnost tohoto jednoduchého scanneru.

Literatura [2] 3D Scanning Basics, online na < http://www.etc.cmu.edu/projects/plasticofantastico/?p=295>, přístup 7.7.2013 [3] Polhemus FastSCAN 3D Laser Scanner, online na < http://www.youtube.com/watch?v=SyzgBycPxyw>, přístup 7.4.2013 [4] Make a 3D Laser Scanner, online na < http://www.youtube.com/watch?v=SPywgDBjM1Y>, přístup 7.4.2013 [5] Human Head Modeling – 3DS Max, online an < http://www.tutorius.net/2010/03/humanhead-modeling-3ds-max/comment-page-1/>, přístup 7.4.2013

Poloha – resolver

Vypracoval: Datum:

Úkol: 1. Změřte efektivní hodnotu napětí obou statorových vinutí resolveru v závislosti na úhlu natočení rotoru resolveru V1=f(α) , V2=g(α). Měřte s krokem α 15° v rozsahu jedné otáčky. α [°] V1 p-p [V] 0 15 30 45 60 75 90 105 120

V2 p-p [V]

V1 RMS [V] V2 RMS [V]

(

VRMS = V p − p / 2 ⋅ 2

)


Grafy:

135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360

Závěr: V závěru porovnejte resolver a selsyn. Najděte, popište a citujte alespoň jedno průmyslové použití resolveru a RD převodníku. Zejména se zaměřte na frekvenci rotorového napětí a rozlišení (počet rozlišitelných poloh na otáčku).

Rozměry – Ultrazvukový tloušťkoměr

Vypracoval: Datum:

Úkoly: 1. Změřte tloušťku ocelových destiček na vyznačených místech. Ověřte mikrometrem. 2. Změřte tloušťku stěny trubek s krokem 10 mm. Vyneste do grafu v polárních souřadnicích.

ocelová destička 1 bod

1


Grafy: 2

3

4

5

2

3

4

5

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

ultrazvuk (mm) mikrometr (mm)

ocelová destička 2 bod

1

ultrazvuk (mm) mikrometr (mm)

trubka 1 - tloušťka stěny bod

1

2

ultrazvuk (mm)

trubka 2 - tloušťka stěny bod ultrazvuk (mm)

1

2

15

uzavřený profil - tloušťka stěny : Závěr

Diskutujte chyby při měření tloušťky stěny trubek a navrhněte jejich potlačení. Porovnejte přesnost měření tloušťky mikrometrem a ultrazvukovým tloušťkoměrem, totéž u měření rozměrů místnosti ultrazvukem a laserem. Nalezněte, popište a citujte alespoň jeden ultrazvukový a laserový dálkoměr, formou tabulky shrňte rozsah, přesnost, měřicí úhel, cenu.

3D scanner Úkol:

Vypracoval: Datum:

1. Naskenujte model polystyrenové hlavy

3D obrázek:

Odhad přesnosti: Závěr: V závěru diskutujte vliv barvy objektu na vyhodnocení, diskutujte rozdíly mezi CCD a PSD. Odhadněte přesnost tohoto jednoduchého scanneru.

Tachodynamo Úvod Tachodynamo je elektrický točivý stroj konstrukčně podobný stejnosměrnému motoru/generátoru. Jeho hlavní součástí jsou permanentní magnety, cívky, komutátor a kartáče. Rotor se mechanicky spojí s částí, jejíž rychlost má být měřena. Při otáčení rotoru se v cívkách indukuje střídavé napětí. To je přes komutátor a kartáče vyvedeno, a protože komutátor působí jako mechanický usměrňovač, je napětí převedeno na stejnosměrné. Kvalita usměrnění je omezena počtem lamel komutátoru. Tím je omezena i přesnost měření. Výstupní stejnosměrné napětí tachodynama je úměrné otáčkám, na tachodynamu je udána jeho konstanta. Změřené napětí závisí také na připojené zátěži. Aby bylo měření přesné, je nutné tachodynamo zatěžovat předepsanou zátěží. Pokud by byl odebíraný proud větší než jmenovitý, došlo by k poklesu napětí a přestože by statická charakteristika zůstala lineární, měření by bylo zatíženo chybou.

Úkoly: 1. Změřte statickou charakteristiku nezatíženého a zatíženého tachodynama. RL = 25 kΩ. Pro oba případy vypočtete citlivost.

Obr. 1 – Schéma zapojení


Přípravek se stejnosměrným motorem, tachodynamo 80V/1000 RPM, optický snímač rychlosti Napájecí zdroj Manson ED-613 Voltmetr UNI-T (rozsah 1000 V dc) Čítač TR-525B/D009

Postup měření Změnou napětí napájecího zdroje měníme otáčky stejnosměrného motoru. Otáčky odečítáme na čítači, který opticky snímá průchod zubů. Protože zubů je 60, je údaj na čítači přímo otáčky v otáčkách/min. Výstupní napětí tachodynama měříme digitálním voltmetrem. Měření opakujte 2x – jednou bez připojeného zátěžného odporu 24 kΩ, podruhé s ním. Vypočítejte citlivosti pro oba případy.

Závěr Diskutujte, co se stane s napětím při zatížení výstupu tachodynama. Diskutujte, co limituje přesnost měření. Nalezněte, popište a citujte alespoň jedno průmyslové tachodynamu. Zpracujte do tabulky, kde bude rozsah, přesnost, linearita, cena.

Tachogenerátor Úvod Tachogenerátor je střídavý elektrický stroj. Jeho výstupní napětí a frekvence je úměrná otáčkám. Obě veličiny mohou být použity pro měření otáček.

Úkoly: 1. Změřte amplitudu a frekvenci výstupního napětí v závislosti na otáčkách.


Obr. 2 – Uspořádání měření

  

 

Napájecí zdroj Diametral P230R51D Voltmetr UNI-T Osciloskop GW INSTEK GOS-620FG

Čítač Goldstar FC-2015 Tachometr DT-2236 Přípravek s tachogenerátorem a stejnosměrným motorem

Postup měření Změnou napájení regulovatelného zdroje měníme otáčky motoru. Napětí nastavujte na regulovatelné části zdroje, napětí buzení neměňte! Správnou rychlost odečítejte optickým tachometrem. Na osciloskopu odečítejte amplitudu výstupního napětí, na čítači frekvenci. Měřte v rozsahu otáček 0 až 5000 min-1.

Závěr Diskutujte linearitu napětí a frekvence, určete počet pólových dvojic tachogenerátoru. Srovnejte výsledky měření napětí na osciloskopu a na voltmetru. Vysvětlete, proč voltmetr vzhledem ke tvaru napětí neměří správně.

IRC, Hallův snímač, stroboskop Úvod Inkrementální snímač (IRC) je přesný optický snímač. Dosahuje rozlišení až několik tisíc pulsů na jednu otáčku. Jedná se o relativní snímač. Hallův snímač je založen na detekci rozdílného magnetického toku při průchodu feromagnetické značky nebo zubové mezery pod snímačem. Pro tento druh snímače je důležité správné nastavení velikosti mezery mezi snímačem a detekovaným objektem. Snímač neměří správně, pokud velikost mezery není správně nastavená.

Úkoly: 1. Pro otáčky 2000 min-1 zaznamenejte signál z osciloskopu – kanály 1 a 2 – snímače IRC pro oba směry otáčení. 2. Navrhněte algoritmus pro rozpoznání směru otáčení. 3. Změřte frekvenci výstupního signálu Hallova snímače pro Obr. 3 – Uspořádání měření různé vzdálenosti snímače od feromagnetického disku. Zjistěte, pro jaké vzdálenosti snímač měří správně.

Použité přístroje:       

Napájecí zdroj Manson EP-613 Voltmetr UNI-T 4 kanálový osciloskop GW INSTEK GDS-2104 Multimetr Agilent 34461A (použitý jako čítač) Stroboscop TR5555 Přípravek se stejnosměrným motorem + IRC + Hallův símač posuvka

Postup měření Změnou napětí napájecího zdroje nastavte otáčky stejnosměrného motoru na 2000 min-1. Pro přibližné nastavení použijte tachodynamo na přípravku, konstanta 2V/1000 min-1. Pro přesné nastavení otáček 2000 min-1 použijte stroboskop.

1. IRC Na kanálech 1 a 2 zobrazte signály IRC, zaznamenejte tvar. Poté změňte směr otáčení stejnosměrného motoru a opět zaznamenejte. Navrhněte algoritmus pro stanovení směru otáčení motoru ze signálů 1 a 2.

2. Hallův snímač Synchronizujte osciloskop od kanálu 3 (tlačítkem TRIG a menu na obrazovce). Zobrazte signál Hallova snímače. Měňte vzdálenost Hallova snímače od feromagnetického disku se značkami. Čítačem měřte frekvenci a osciloskopem kontrolujte, zda nedochází k vynechávání pulzů.

!!!Při změně vzdálenosti snímače ZASTAVTE MOTOR!!!

Závěr Nalezněte, popište a citujte alespoň jeden průmyslový Hallův snímač otáček. Popište, v jaké aplikaci se používá a srovnejte jeho vlastnosti s induktančním snímačem.

Akcelerometr Úvod Více osý MEMS akcelerometr (Micro Electro Mechanical Systém) je dnes běžnou součástí celé řady zařízení. Slouží např. pro určení orientace obrazovky mobilního telefonu, pro spuštění airbagu při havárii atd. Většina akcelerometrů snímá zrychlení na kapacitním principu a využívá účinky setrvačné síly na hmotu. Síla způsobí pohyb hmoty, který je měřen.

Úkoly: 1. Nastavte 5 různých úhlů plošiny s akcelerometrem. Zaznamenejte zrychlení ve všech 3 osách, přepočítejte na úhel naklonění plošiny.

Obr. 4 – Princip kapacitního akcelerometru [1]


Vývojová deska XTRINSICSENSORS-EVK na dvouose naklápěné plošině Arduino UNO + serva PC s programem Hyperterminál Napájecí zdroj 5 V

Postup měření 1) Zapněte PC, ikonou na ploše spusťte program Hyperterminál. Obr. 5 – Orientace os akcelerometru V menu Soubor -> Otevřít otevřete profil „Akcelerometr“ (rychlost je 115200 bps). Ikonou „Zavolat“ otevřete sériový port 2) Zapněte napájecí zdroj 5 V. Stiskněte na desce tlačítko reset, v okně Hyperterminálu se vypíše startovací text. 3) V okně Hyperterminálu zadejte příkaz „S2“. Odešlete klávesou ENTER. V okně se začne vypisovat zrychlení ze všech os akcelerometru. 4) Druhá deska – Arduino – ovládá serva. Šroubovákem nastavujte trimry do různých poloh, tím se bude měnit náklon desky v obou osách. Nastavte 5 různých poloh a zaznamenejte zrychlení ve všech 3 osách 5) Odvoďte vzorce pro přepočet zrychlení na náklon plošiny – viz. obrázky 5 až 7 6) Vypočítejte náklon plošiny v obou osách pro všech 5 nastavených poloh

Obr. 6 – Plošina rovně

Obr. 7 – Náklon v rovině XZ

Obr. 8 – Náklon v rovině YZ

Obr. 9 – Akcelerometr pod mikroskopem [2]

Závěr Diskutujte, proč je pro kapacitní snímání použit diferenciální snímač a v jaké aplikaci je možné využít akcelerometr pro určení naklopení, jako je v této úloze.

Literatura [1] Rob O'Reilly, Kieran Harney, Analog Devices Inc., Alex Khenkin Sensors, Sonic Nirvana: MEMS Accelerometers as Acoustic Pickups in Musical Instruments, online na < http://www.sensorsmag.com/sensors/acceleration-vibration/sonic-nirvana-memsaccelerometers-acoustic-pickups-musical-i-5852>, přístup 29.11.2013 [2] Tom Lecklider, Measuring Motion, online na < http://www.evaluationengineering.com/articles/200609/measuring-motion.php >, přístup 29.11.2013

Tachodynamo

Vypracoval: Datum:

Úkoly:

1. Změřte statickou charakteristiku nezatíženého a zatíženého tachodynama. RL = 25 kΩ. Pro oba případy vypočtete citlivost.

Grafy: otáčky (RPM) V (V) - nezatíženo

V (V) - zátěž 24k

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000


Závěr: Diskutujte, co se stane s napětím při zatížení výstupu tachodynama. Diskutujte, co limituje přesnost měření. Nalezněte, popište a citujte alespoň jedno průmyslové tachodynamu. Zpracujte do tabulky, kde bude rozsah, přesnost, linearita, cena.

Tachogenerátor

Vypracoval: Datum:

Úkoly: 1. Změřte amplitudu a frekvenci výstupního napětí v závislosti na otáčkách.

Grafy: otáčky (RPM)

V (V)

f (Hz)

0 1000 2000 3000 4000 5000


Závěr: Diskutujte linearitu napětí a frekvence, určete počet pólových dvojic tachogenerátoru. Srovnejte výsledky měření napětí na osciloskopu a na voltmetru. Vysvětlete, proč voltmetr vzhledem ke tvaru napětí neměří správně.

IRC, Hallův snímač, stroboskop

Vypracoval: Datum:

Úkoly:

1. Pro otáčky 2000 min-1 zaznamenejte signál z osciloskopu – kanály 1 a 2 – snímače IRC pro oba směry otáčení. 2. Navrhněte algoritmus pro rozpoznání směru otáčení. 3. Změřte frekvenci výstupního signálu Hallova snímače pro různé vzdálenosti snímače od feromagnetického disku. Zjistěte,

IRC signál - otáčky 2000 - vlevo:

IRC signál - otáčky 2000 RPM - vpravo:

Hallův snímač:


vzdálenost snímač - disk (mm) 1,0 1,4 1,8 2,0 2,5 3,0

Závěr:

frekvence(Hz) správná funkce (ano/ne)

Nalezněte, popište a citujte alespoň jeden průmyslový Hallův snímač otáček. Popište, v jaké aplikaci se používá a srovnejte jeho vlastnosti s induktančním snímačem.

Akcelerometr

Vypracoval: Datum:

Úkoly: 1. Nastavte 5 různých úhlů plošiny s akcelerometrem. Zaznamenejte zrychlení ve všech 3 osách, přepočítejte na úhel naklonění plošiny.

poloha 1 2 3 4 5

zrychlení v ose X: zrychlení v ose (mg) Y: (mg)

zrychlení v ose Z: (mg)

náklon náklon plošiny α (°) plošiny β (°)


Závěr:

Diskutujte, proč je pro kapacitní snímání použit diferenciální snímač a v jaké aplikaci je možné využít akcelerometr pro určení naklopení, jako je v této úloze.

Síla – konstanta tenzometru Úvod Jedním ze základních veličin pro strojního inženýra je síla a krouticí moment. Pro jejich měření používáme tenzometry. Síla/krouticí moment se převádějí na měření deformace. Existují dva druhy – kovové a polovodičové. Kovové je možné dále rozdělit na drátkové a fóliové. Kovové tenzometry mají menší citlivost, ale jejich závislost na měřené deformaci je lineární. Polovodičové tenzometry mají citlivost podstatně větší, ale jejich závislost na měřené deformaci je nelineární. V našich úlohách budeme používat pouze tenzometry kovové. Protože elektrický odpor tenzometru se mění s deformací jenom velice nepatrně, musíme tenzometry zapojovat do můstků.

Úkoly: 1. Změřte konstantu tenzometru K. Měření opakujte 3x, vypočítejte průměrnou konstantu tenzometru. 2. Změřte závislost průhybu nosníku y = f (G) a výstupního napětí můstku V =g (G) na síle. 3. Vyzkoušejte závislost na teplotě – jen jako poslední ukázku. Obr. 1 – Tenzometrický můstek

Použité přístroje:     

Přípravek s nosníkem + tenzometry – zapojeno jako ¼ můstek Měřicí systém geometrických veličin INTRONIX – NX 3030 + snímač polohy (LVDT-sonda ± 0,5 mm – přesnost 1 %), Měřicí zesilovač SCOUT 55 + tenzometrický ¼ můstek včetně kompenzačního tenzometru RK = RM = 120 Ω 6 ks závaží (každé 0,63 kg ± 1%) Odporová dekáda Rc = 567 k Ω + R, kde R … 0-100 kΩ, (1%).

Postup měření – konstanta tenzometru Kovové tenzometry mění svůj elektrický odpor s poměrným prodloužením ε = Δl/l – to je závislé na síle/krouticím momentu. Základní hodnota odporu tenzometru je obvykle 120 Ω. Vyhodnocujeme změnu odporu v závislosti na poměrném prodloužení a tedy

R l K R l

(1)

kde K je konstanta tenzometru. Také se nazývá

deformační citlivost a je to hlavní parametr tenzometru. Schéma experimentu je na obr. 2. Přípravek je uspořádaný tak, aby vyvíjel konstantní ohybový moment M0 mezi podpěrami. Poměrné prodloužení krajních vláken nosníku je

l M 0 4 yh   2 l W0 E r r jsou rozměry nosníku.

(2) kde y je průhyb nosníku, E je modul pružnosti v tahu a h, b,

Rovnice (2) je platná za předpokladu

h 2b W0  , (r >>y) 6 1 M 0r 2 y EJ 8

h3b J 12

(3) (4) (5)

Paralelně k měřicímu tenzometru připojujeme rezistor Rc – viz. obr. 1. Změna odporu, kterou zaznamenáme je ΔR (paralelní spojení dvou odporů) Obr. 2 – Měření průhybu nosníku 2

RR R0 R  R0  c 0  Rc  R0 Rc  R0

(6)

Protože hodnotu odporu Rc známe (nastavíme na dekádě), dosazením do (1) vypočítáme konstantu tenzometru K jako

R0 r2 K Rc  R0 4 yh

kde R0 = 120 Ω

(7)

Postup je následující (opakujte 3x): 1) Vložte známou zátěž – všech 6 závaží = 6x 0,63 kg, změřte průhyb (INTRONIX – NX 3030) a výstupní napětí můstku (SCOUT 55). Původní nenulovou hodnotu průhybu bez závaží berte jako referenční hodnotu, od naměřeného průhybu pro všechna závaží jí odečtěte. 2) Sejměte závaží, připojte dekádu a nastavením odporu nastavte stejné napětí jako předtím se všemi závažími. Odečtěte nastavený odpor Rc.

Postup měření – závislost průhybu a napětí můstku na síle Postupně přidávejte po jedno závaží, měřte průhyb a výstupní napětí můstku. Poté opět závaží po jednom snímejte a měřte totéž. Zjistěte, zda má měřicí systém hysterezi.

Závěr Vypočítejte citlivost pro průhybu y = f (G) a výstupního napětí můstku V =g (G) v závislosti na síle G. Zhodnoťte vliv teploty na měření a důležitost teplotní kompenzace.

Síla – ¼ a ½ můstek Úvod ¼ můstky používají jeden snímač pro měření. Pro zvýšení citlivosti (2x) lze použít ½ můstek. Jak bylo ukázáno v předchozí úloze, tenzometr je velice citlivý na změny teploty. Ty je třeba vždy kompenzovat. Kompenzace se provádí stejným tenzometrem, který má stejnou teplotu, který ale není namáhaný měřenou silou. Pro ½ můstek (2 snímače) je třeba použít další 2 tenzometry pro kompenzaci teploty.

Úkoly:

Obr. 3 – ¼ a ½ můstek s kompenzací teploty

1. Změřte závislost výstupního napětí ¼ a ½ můstku v závislosti na průhybu. Vypočítejte citlivosti. 2. Porovnejte citlivosti v I. a II. Kvadrantu. Měřenou charakteristiku proložte přímkou metodou nejmenších čtverců.


2x přípravek s tenzometrickým ½ můstkem, R0 = 120Ω ± 0,35 ‰, K = 2,08 ± 1%, typ 10/120 LY 11 pro ocel Měřicí zesilovač SPIDER (třída přesnosti 0,1) PC s programem pro měřicí zesilovač SPIDER

Postup měření Podmínka rovnováhy můstku je

R1  R4  R2  R3

(8)

Pokud je můstek vyvážený je výstupní napětí Uv = 0  

¼ můstek má 1 měřicí + 1 kompenzační tenzometr v sousední větvi ½ můstek má 2 měřicí + 2 kompenzační tenzometry Teoreticky má ½ můstek dvojnásobnou citlivost oproti ¼ můstku. Kompenzační tenzometry je nutné umístit tak, aby měly stejnou teplotu jako měřicí tenzometry, ale zároveň nebyly ovlivněny měřenou veličinou tj.



Plný můstek má 4 měřicí tenzometry. Dva jsou namáhány na tah, dva na tlak. Automaticky kompenzuje změny teploty a má teoreticky 4x větší citlivost něž ¼ můstek.

Jednotka SPIDER má přípravky připojené ke kanálům 4 a 5.

 

Kanál 4 = ½ můstek (ve skutečnosti zapojené jako plný můstek, úloha používá ale pouze 2 tenzometry), jméno konfigurace v programu TEN55 Kanál 5 = ¼ můstek (ve skutečnosti zapojené jako plný můstek, úloha používá ale pouze tenzometr), jméno konfigurace v programu TEN55

Postup je následující: Mikrometrem měňte průhyb nosníku s krokem 1 mm v rozsahu – 5 mm až + 5 mm a měřte výstupní napětí můstků. Pokud se pro průhyb 0 zobrazí nenulová hodnota napětí, použijte tlačítku RESET v programu. Nenastavujte průhyb nosníku rovnou mikrometrem. Mikrometr není pohybový šroub. Nosník jemně prohněte tepelně nevodivým materiálem (tužka, guma,…), nastavte požadovanou vzdálenost na mikrometru a nosník uvolněte.

Závěr Porovnejte citlivosti ¼ a ½ můstku, porovnejte citlivosti v I. a III kvadrantu.

Krouticí moment Úvod Tenzometry je možné použít i pro měření krouticího momentu. Tenzometry jsou umístěny pod úhlem 45° vůči směru osy hřídele. Nejobvyklejší je vzhledem ke kompenzaci změn teploty plný můstek.

Úkoly:

Obr. 4 – Měření krouticího momentu

1. Zkalibrujte snímač momentu – změřte závislost výstupního napětí můstku na krouticím momentu. Sílu na rameni použijte v rozsahu m = (0 – 1000) g. 2. Brzdou brzděte motor pro 3 různé hodnoty momentu, pomocí kalibrační křivky určete, o jaký moment se jedná.


Přípravek se stěračovým motorem, tenzometrickým můstkem a brzdou Napájecí zdroj Diametral P230R51D Digital voltmetr Agilent 34461A

Postup měření Kalibrace Zkontrolujte, aby stěračový motor byl ODPOJENÝ od zdroje 12 V Našroubujte závitovou tyč – rameno známé délky Zapněte napájecí zdroj a voltmetr Zavěšováním závaží na rameno známé délky měníte moment. Z hmotnosti závaží a délky ramena vypočítejte krouticí moment a změřte závislost výstupního napětí můstku na krouticím momentu. 5) ODŠROUBUJTE závitovou tyč 1) 2) 3) 4)

Krouticí moment 1) ZKONTROLUJTE JESTLI JE ZÁVITOVÁ TYČ VYŠROUBOVÁ 2) Připojte motor ke zdroji 12 V, hřídel se začne otáčet 3) Utahováním křídlové matice na brzdě brzdíte motor. Nastavte tři různé hodnoty krouticího momentu, pomocí kalibrační křivky zjistěte jeho velikost.

Závěr Diskutujte výhody/nevýhody snímače momentu s kroužky a kartáči. Nalezněte, popište a citujte jeden průmyslový snímač momentu pro netočivé části a jeden pro točivé části (hřídele). Zpracujte do tabulky, včetně ceny.

Síla – konstanta tenzometru

Vypracoval Datum:

Úkoly: 1.Změřte konstantu tenzometru K. Měření opakujte 3x, vypočítejte průměrnou konstantu tenzometru. 2. Změřte závislost průhybu nosníku y = f (G) a výstupního napětí můstku V =g (G) na síle. 3. Vyzkoušejte závislost na teplotě – jen jako poslední ukázku.

Konstanta tenzometru No. 1 2

FU zatížení [ N]

y

průhyb [mm]

K[-]

RC = R + 567 kW

Kawg [ - ]

Citlivosti:

∆V = ∆G

cF =

3

R0 r2 K = Rc + R0 4 yh

cy =

∆y = ∆G

0,001227 (V/N) (mm/N)

0,0056632

závislost průhybu nosníku y = f (G) a výstupního napětí můstku V =g (G) na síle výstupní napětí V [V] Počet použitých závaží 0,63 kg

y

průhyb

[mm]

průměr Síla G (N)

↑ zatěžování

↓ odlehčování

průměr ↑ zatěžování

↓ odlehčování

0 1 2 3 4 5 6

Závěr:

Vypočítejte citlivost pro průhybu y = f (G) a výstupního napětí můstku V =g (G) v závislosti na síle G. Zhodnoťte vliv teploty na měření a důležitost teplotní kompenzace.

Grafy: grafy na zvláštní list

Síla - konstanta tenzometru - grafy:

Síla - 1/4 a 1/2 můstek

Vypracoval Datum: ########

Úkoly: 1. Změřte závislost výstupního napětí ¼ a ½ můstku v závislosti na průhybu. Vypočítejte citlivosti. 2. Porovnejte citlivosti v I. a II. Kvadrantu. Měřenou charakteristiku proložte přímkou metodou nejmenších čtverců.

y průhyb [mm] V [V] ¼ - můstek ½- můstek

Citlivosti:

-4

I. Kvadrant ∆V c1 / 4 = = ∆y c1 / 2 =

Grafy:

-5

∆V = ∆y

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

III. Kvadrant (V/mm)

c1 / 4 =

∆V = ∆y

(V/mm)

(V/mm)

c1 / 2 =

∆V = ∆y

(V/mm)

grafy na zvláštní list

Závěr: Porovnejte citlivosti ¼ a ½ můstku, porovnejte citlivosti v I. a III kvadrantu.

Síla - 1/4 a 1/2 můstek - grafy

Krouticí moment Úkoly:

Vypracoval Datum: 21.10.2013

1.Zkalibrujte snímač momentu – změřte závislost výstupního napětí můstku na krouticím momentu. Sílu na rameni použijte v rozsahu m = (0 – 1000) g. 2. Brzdou brzděte motor pro 3 různé hodnoty momentu, pomocí kalibrační křivky určete, o jaký moment se jedná.

Kalibrace

závaží m (g) 0 200

Síla (N)

Grafy:

rameno (mm): 150 Moment Napětí T (Nm) V (mV)

400 600 800 1000 brždění měření

napětí

(-)

V (mV)

Moment T (Nm)

1 2

3

Závěr: Diskutujte výhody/nevýhody snímače momentu s kroužky a kartáči. Nalezněte, popište a citujte jeden průmyslový snímač momentu pro netočivé části a jeden pro točivé části (hřídele). Zpracujte do tabulky, včetně ceny.

Tlak - kalibrace Úvod Při primární kalibraci jsou porovnávány hodnoty dvou přístrojů – kalibračního a kalibrovaného. Kalibrační přístroj využívá definičního principu měřené veličiny. V případě tlaku je to síla na jednotku plochy nebo ekvivalent – hydrostatický tlak. Údaj kalibračního přístroje je považován za „správný“, zjištěné odchylky mezi kalibračním a kalibrovaným přístrojem jsou přičítány/odečítány k údaji kalibrovaného přístroje.

Úkoly: 1. Nakreslete blokový diagram měření 2. Kalibrujte deformační membránový manometr v 11 bodech rozsahu, včetně nulové a maximální hodnoty tlaku 100 kPa. 3. Nakreslete graf odchylek. Graf se neinterpoluje.


Kalibrovaný manometr = deformační manometr s tenzometrickým snímačem, třída přesnosti = 0,5  Nádobkový kapalinový rtuťový tlakoměr Obr. 1 – Membránový manometr  Kontrolní deformační tlakoměr s Bourbonovou trubicí včetně ventilu k nastavení tlaku, třída přesnosti = 0,6

Popis měření Mnoho průmyslových systémů používá deformační tlakoměry. Měřený tlak je převeden na deformaci membrány, vlnovce nebo Bourdonovy trubice. Výhodou je robustnost a spolehlivost, ale nejedná se o definiční princip tlaku a tyto přístroje tedy není možné použít pro kalibraci. Příklad membránového tlakoměru je na obrázku 1. Měří se poloha membrány, která je závislá na tlaku. Lze také měřit tenzometricky deformaci membrány. V této úloze bude pro kalibraci použit nádobkový tlakoměr – obrázek 2. Odečítáme výšku sloupce kapaliny h na stupnici. Měřený tlak je

p    g h

(1) Kde g je gravitační zrychlení, a ρ je hustota použité kapaliny. Použijeme rtuť (Hg). Obr. 2 – Nádobkový tlakoměr

Tabulka 1 – závislost hustoty rtuti na teplotě

t(°C) p (kg.m3)

0 10 20 30 13595.1 13570.4 13545.7 13521.2

Obr. 3 – Správné odečítání

Obr. 4 – Chyba paralaxy

Závěr V závěru shrňte, jaké vlastnosti musí mít kalibrační přístroj (z hlediska přesnosti a rozsahu). Nalezněte, popište a citujte alespoň dvě průmyslové (nebo automobilové) aplikace deformačních tlakoměrů.

Tlak - ověření Úvod Pro ověření tlakoměru potřebujeme druhý tlakoměr, který má minimálně stejný rozsah a lepší přesnost. Ani jeden z tlakoměrů nemusí, na rozdíl od kalibrace, používat definiční princip. Údaj přesnějšího přístroje pak považujeme za „správný“ a ověřujeme tlak udávaný druhým přístrojem. Ověření provedeme v celém rozsahu ve více bodech stupnice.

Úkoly: 1. Nakreslete blokový diagram měření 2. Ověřte Tp provozního deformačního tlakoměru. Ověření proveďte srovnávací metodou s kontrolním tlakoměrem v 5 bodech rovnoměrně rozděleného rozsahu přístroje včetně maximální (nikoli nulové) hodnoty tlaku. 3. Vypracujte ověřovací protokol.

Použité přístroje:  

Obr. 5 – Inteligentní snímač tlaku [1]



 

Ověřovaný membránový deformační tlakoměr (Tp = 1,5) Inteligentní snímač tlakové diference Honeywell ST3000, typ STD924, přesnost 0.1%. Měnitelný rozsah, základní rozsah 100" palců sloupce H2O, včetně jednotky Honeywell SFC Napájecí zdroj 24 VDC Zdroj proudu pro 4 - 20 mA proudovou

smyčku Kontrolní deformační tlakoměr s Bourbonovou trubicí včetně ventilu k nastavení tlaku, třída přesnosti = 0,6

Popis měření Ventilem nastavujeme žádané hodnoty tlaku, tlak ze snímače ST3000 považujeme za správný. Ověřovací protokol bude obsahovat hodnoty všech tlaků v Pa a vypočtené absolutní a relativní chyby.

Závěr V závěru uveďte, zda ověřovaný membránový tlakoměr splňuje deklarovanou třídu přesnosti Tp = 1.5. Vysvětlete rozdíl mezi ověřením a kalibrací.

Literatura [1] Pressure transmitters lower plant lifecycle costs, online na , přístup 31.3.2013

Vlhkost Úvod Vlhkost úzce souvisí s tlakem a teplotou. Absolutní vlhkost vyjadřuje hmotnost vody v určitém množství vzduchu [2]. Relativní vlhkost je poměr aktuálního množství vodní páry ve vzduchu k množství, které by obsahoval nasycený vzduch [3]. Relativní vlhkost se vyjadřuje v procentech a označuje se φ nebo RH.

Úkoly: 1. Změřte přechodové charakteristiky čidel vlhkosti, stanovte časovou konstantu. 2. Změřte psychrometrem vlhkost vzduchu v laboratoři Obr. 6 – Princip kapacitního vyhodnocení vlhkosti

   


Klimatická komora Souprava snímačů vlhkosti Sensirion EKH-4 se snímači SHT21 (0 – 100 % RH ; ±2.0 %) , SHT71 (0 – 100 % RH ; ±3.0 %) , SHT21 (0 – 100 % RH ; ±1.8 %) PC se software EKH4 viewer Psychrometr se rtuťovými teploměry, psychrometr s termistory

Popis měření – čidla vlhkosti Principem elektronických měřičů vlhkosti je změna kapacity nebo odporu s vlhkostí. Snímač se skládá z dialektrika (Al2O3) a dvou elektrod. Jedna z elektrod je porézní. Skrz porézní elektrodu může pronikat vzdušná vlhkost do dialektrika. Dochází tak ke změně kapacity a elektrického odporu. Tato změna je vyhodnocována, v našem případě elektronika zabudovaná na čipu převádí vlhkost na digitální signál po sběrnici I2C. Zároveň je měřena i teplota. Průběhy obou veličin jsou odeslány a zobrazeny.

Postup měření – čidla vlhkost 1) Pokud již není od předchozí skupiny uděláno: vytáhněte čidla vlhkosti z jímek v klimatické komoře. 2) Zapněte napájení jednotky čidel vlhkosti, na PC spusťte program EKH4 Viewer. 3) Na napájecím zdroji ultrazvukového zvlhčovače nastavte napětí 20 V, připojte napájecí zdroj, zapněte ventilátor (napětí 9,2 V). 4) Počkejte cca 3 min na ustálení. Mezitím psychrometrem změřte vlhkost vzduchu v místnosti. 5) V menu File -> Log to file vyberte soubor, do kterého se má záznam ukládat. Spusťte záznam teploty a vlhkosti v programu EKH4 Viewer tačítkem START. 6) Vložte snímače vlhkosti do jímek, změřte přechodovou charakteristiku pro přechod do a z komory. Záznam ukončíte tlačítkem STOP.

Závěr – čidla vlhkosti Vysvětlete, proč je časová konstanta při zvyšování vlhkosti kratší, než při snižování.

Popis měření – psychrometr Princip psychrometru je znázorněný na obrázku 7. Zařízení se skládá ze dvou teploměrů. Jeden měří teplotu „suchého“ vzduchu – tj. vzduchu, jehož vlhkost chceme měřit, druhý teplotu „vlhkého“ vzduchu – vzduchu s relativní vlhkostí 100 %. Teplota vlhkého teploměru je díky definovanému proudění vzduchu snížena o odebrané výparné teplo. Z rozdílu teplot Δt a teploty suchého teploměru nalezneme v psychometrické tabulce relativní vlhkost vzduchu.

Závěr – psychrometr Obr. 7 – Princip psychrometru

Diskutujte rozdíly naměřené relativní vlhkosti dvěma typy psychrometrů.

Literatura [2] Absolute Humidity of Air, online na < http://www.engineeringtoolbox.com/absolutehumidity-air-d_681.html>, přístup 31.3.2013 [3] Relative humidity, online na < https://en.wikipedia.org/wiki/Relative_humidity>, přístup 31.3.2013

Tlak - kalibrace

Vypracoval: Datum:

Úkoly:

1. Nakreslete blokový diagram měření 2. Kalibrujte deformační membránový manometr v 11 bodech rozsahu, včetně nulové a maximální hodnoty tlaku 100 kPa. 3. Nakreslete graf odchylek. Graf se neinterpoluje.

Blokové schéma: deformační nádobkový tlakoměř (kPa) tlakoměr (mm Hg)

nádobkový tlakoměr (kPa)

absolutní chyba (kPa)

Grafy:

Podmínky měření: teplota t(°C) atmosferický tlak(kPa)


Závěr:

V závěru shrňte, jaké vlastnosti musí mít kalibrační přístroj (z hlediska přesnosti a rozsahu). Nalezněte, popište a citujte alespoň dvě průmyslové (nebo automobilové) aplikace deformačních tlakoměrů.

Tlak - ověření

Vypracoval: Datum:

Úkoly: 1. Nakreslete blokový diagram měření 2. Ověřte Tp provozního deformačního tlakoměru. Ověření proveďte srovnávací metodou s kontrolním tlakoměrem v 5 bodech rovnoměrně rozděleného rozsahu přístroje včetně maximální (nikoli nulové) hodnoty tlaku. 3. Vypracujte ověřovací protokol.

Ověřovací protokol: deformační tlakoměr (mm H2O)

deformační tlakoměr (kPa)

500 1000 1500 2000 2500

Blokové schéma: tlakoměř ST3000 referenční (kPa)

absolutní relativní chyba chyba (%) (kPa)

Grafy:



Závěr:

V závěru uveďte, zda ověřovaný membránový tlakoměr splňuje deklarovanou třídu přesnosti Tp = 1.5. Vysvětlete rozdíl mezi ověřením a kalibrací.

Vlhkost

Vypracoval: Datum:

Úkoly: 1. Změřte přechodové charakteristiky čidel vlhkosti, stanovte časovou konstantu. 2. Změřte psychrometrem vlhkost vzduchu v laboratoři

Změřené přechodové charakteristiky:


SHT25


SHT71

SHT75

časová konstanta zvlhčování časová konstanta odvlhčování vlhkost vzduchu v lab. - měřeno psychrometrem

Závěr: Vysvětlete, proč je časová konstanta při zvyšování vlhkosti kratší, než při snižování. Diskutujte rozdíly naměřené relativní vlhkosti dvěma typy psychrometrů.

Bezkontaktní teploměry emisivita, kalibrace

Recommend Documents