Nyitott mágneskörű induktív jelátalakítók

Nyitott mágneskörű induktív jelátalakítók Elméleti alapok Az induktív jelátalakítók a mérendő mennyiséget elmozdulás induktivitás (L), illetve kölcsönös induktivitás változássá alakítják át. Induktivitás

Elmozdulás

Jelátalakító

változás

G.6.1. ábra Nyitott mágneskörű induktív jelátalakító be/kimeneti modellje Az induktivitás kiszámítása a mágneses Ohm-törvény alapján a következő:

Θ=NI, Φ=

Ψ LI , = N N

behelyettesítve:

LI N 2 L = N ⋅Λ NI = Rm ⋅

ahol N a tekercs menetszáma Λ = 1 / R m a mágneses vezetőképesség. A mágneses vezetőképesség állandó keresztmetszetű homogén mágneses tér esetén:

Λ=µ

A , l

ahol µ = µ 0 µ r a mágneses permeabilitás,

µ 0 = 4π ⋅10 −7

Vs Am

a vákuum mágneses permeabilitása,

A : a mágneses vezető keresztmetszete, l : a mágneses vezető hossza.

Az induktivitás így: A . l Az induktivitás a fenti képlet alapján változik ha: L = N2 µ

1. N menetszám változik, 2. Az A keresztmetszet vagy a mágneses vezető hossza l változik (geometria), 3. µ permeabilitás változik. Geometriai tényező változásán alapuló induktív átalakítók lehetnek: 1. nyitott mágneskörű , 2. zárt mágneskörű. Ha az induktív átalakító mágneskörének erővonalai főként, vagy teljes egészében vasmagban haladnak, akkor zárt mágneskörű induktív átalakítóról beszélünk. Ha az induktív átalakító mágneses körének erővonalai főként, vagy teljes egészében a levegőben haladnak, akkor nyitott mágneskörű induktív átalakítóról beszélünk. A mérés során a nyitott mágneskörű mérőátalakítókkal foglalkozunk. A vasmagos nyitott mágneskörű egyszerű átalakító a G.6.2. ábrán látható. l x

G.6.2. ábra A nyitott mágneskörű induktív jelátalakító szerkezeti vázlata

A mérőátalakító egyszerű tekercs, amelyben vasmag mozdul el. A tekercs induktivitása a vasmag helyzetének függvénye. A jellegzetes görbealakot a G.6. 3. ábrán láthatjuk. A görbealak a következő képlettel közelíthető (tapasztalati formula, azaz nem levezetés eredménye):

L(x ) = (Lmax − L0 ) ⋅ e

 −k  

x  l

2

+ L0 ,

ahol x : a tekercs és a vasmag középpontjainak távolsága, l : a tekercs hossza (a vasmag a tekerccsel azonos hosszúságú),

(G.6.1)

L0 : a légmagos tekercs induktivitása, Lmax : a tekercs maximális induktivitása, k : az átalakítóra jellemző állandó.

L(x )

mH

Az átalakítóra jellemző ismeretlenek száma három: k , L0 és Lmax , így minimálisan három mérési pont felvétele szükséges ahhoz, hogy a fenti közelítő képletet felírhassuk. Az a tény, hogy Légm agos tek erc s s tatik us k arakteris ztik ája a görbe inflexióval 20 L(x) rendelkezik, lehetővé L m ax 18 teszi, hogy bizonyos tartományon belül 16 kellő linearitású mérést valósítsunk meg. 14 A G.6.4. ábrán egy 12 nyitott mágneskörű különbségi átalakítót 10 látunk. 8 A G.6.5. ábrán látható a G.6.4. átalakító L1 6 4 2 -50

L0 -40

-30

-20

-10 x

0 mm

10

20

30

40

G.6.3. ábra A nyitott mágneskörű induktív jelátalakító egy tekercsének statikus jelleggörbéje

l

l x

50

es és L2 -es tekercs induktivitásának változása, a vasmag középpontjának elmozdulása függvényében. A két tekercs közös vasmagja miatt a tekercsek között kölcsönös induktivitás is van és ez befolyásolja a karakterisztikát. Ennek ismeretében a tekercsek impedanciájára írható:

Z 1 = jω (L1 + M )

Z 2 = jω ( L2 + M ) .

L1

L2

G.6.4. ábra Összetett, nyitott mágneskörű induktív jelátalakító szerkezeti vázlata a tápfeszültség és Z 1 , Z 2 a tekercsek impedanciája.

Ha a különbségi átalakítót két azonos nagyságú impedanciával hídba kapcsoljuk, akkor a híd üresjárási (a terhelő impedancia végtelen értékénél) kimeneti feszültsége a (G.6.2) összefüggés szerint változik, ahol U

 Z1 1 U − = U ki = U  Z1 + Z 2 2 2

Z1 − Z 2 . Z1 + Z 2

50

(G.6.2)

L(x) L

40

L1

L2

1

+ L

2+ M

30

mH

10

L(x)

20

0

M

x

-10

L1 - L2

-20 -30 -40 -50

-40

-30

-20

-10 X

0 mm

10

20

30

40

50

G.6. 5.ábra Behelyettesítve a kimeneti feszültség összefüggésébe és egyszerűsítve:

U ki =

L1 − L2 U . 2 L1 + L2 + 2M

(G.6.3)

A nevező közel állandó, ezért a kimeneti feszültség helyzetfüggését az L1 − L2 görbe adja. A negatív irány - váltakozó feszültségű táplálás miatt – fázisfordítást jelent. Az ábrán látható, hogy a kéttekercses átalakító lineáris tartománya lényegesen nagyobb. A G.6.6. ábrán hídkap-



Z1 Z3 −  Z1 + Z 2 Z 3 + Z 4

csolás látható, ahol U ki = U 

Z1

 .  

Z2 Ha δ =

U ki

Z3

∆L , híd kimeneti feszültségének L

egyenletéből levezethető a következő ösz-

Z4

U

G.6.6. ábra Négytekercses, nyitott mágneskörű induktív jelátalakító hídba kapcsolva

szefüggés:

U ki l = δ . A laboratóriumi 2 U

gyakorlat során tehát a négytekercses szerkezetű induktív jelátalakítót kell használnunk, hogy az összes linearizáló kapcsolást (híd, differenciál transzformátor) vizsgálni tudjuk. Ennek a mérőátalakítónak a szerkezeti felépítését a G.6.7. jelű ábra szemlélteti. Fontos felhívnunk a figyelmet arra, hogy a tekercselé-

sek iránya a linearizáló kapcsolásoknál milyen fontos szerepet játszik. A gyakorlaton a négy tekercs Li ( x ) (L – öninduktivitási tényező, x tekercs vasmagjának elmozdulása) statikus kaL1 rakterisztikáját egyenként, öninduktivitás-mérő L2 egy műszerrel fogjuk felvenni, amelynek az előlapi L3 felépítését és főbb kezelő szerveit a G.6.8. ábrán L4 mutatjuk be. Az ábrán lévő számozott tételek a G.6.7. ábra következők:

Négy tekerccsel felépülő jelátalakító szerkezete

G.6.8. ábra Öninduktivitás és kapacitás mérőműszer

1. hálózati kapcsoló, 2. az impedancia mérőblokk csatlakozó kábelei, 3. mérés indítógomb nem folyamatos üzemmódban, 4. üzemmód (folyamatos, egyenkénti) kapcsoló, 5. mérendő impedancia (induktivitás, kapacitás) kiválasztó, 6. az impedancia járulékos jellemzőinek (G, R, tgδ ) kiválasztó kapcsolója,

7. méréshatár váltó. A fent leírt műszer segítségével az elméleti részben tárgyalt, „harang” jelleggörbe felvételét tudjuk elvégezni. Ez akkor lesz pontos, ha a vasmag elmozdulását egy milliméternél kisebbre választjuk. A nyitott mágneskörű, induktív jelátalakító vizsgálatát továbbiakban különböző linearizáló kapcsolásokban a SCOPE oszcilloszkóp emulációs program segítségével végezzük el. Ez utóbbi programról részletesen is beszélünk a következőkben.

A SCOPE program működése és alkalmazása A PC-SCOPE szoftver nem más, mint egy oszcilloszkóp emuláció. A tervezése úgy történt, hogy képes legyen valamennyi PCLXXX típusú adatgyűjtővel együttműködni. Azon túl, hogy a személyi számítógépet képes egy egyszerű oszcilloszkóppá alakítani, többlet szolgáltatásokra is képes:

• • • •

az oszcilloszkóp képernyőjén megjelenő adatok eltárolása fájlban, az eltárolt adatok újra megjelenítése, az eltárolt adatok konvertálása ASCII valós vagy egész formátumban, az eltárolt adatok átvitelének lehetősége MATLAB környezetbe.

A szoftver általános jellemzői a következők:

• • •

többcsatornás oszcilloszkóp emuláció, egyszerre több csatornát képes eltárolni, de maximum csak két kijelölt csatorna jelét tudja megjeleníteni valós időben, két képernyőn dolgozik - konfiguráló kép és valósidejű oszcilloszkóp ernyő,

• PC-SCOPE Ver 1.1 Hardware

Scan

Run

File

A konfiguráló kép használata

PC-SCOPE Ver 1.1 Copyright (C) 1989. By Advantech Co., Ltd.

Base Addr. = (Hex) 220 DMA (1/3) = 1 INT. (2 → 7 ) = 3 V. Range :±5V Load File = FUN1.DAT Save File = TEMP.DAT

Channel A = 0 Channel B = 1 Scan: 0 → 2 Card: PCL-718

OPERATION MESSAGE Use ← or →, enter to select

G.6.9. ábra A SCOPE program főmenüje, a hardver konfiguráló menü megnyitásakor

Hardware Card type

Run

Scan Channels

néhány valódi oszcilloszkóp funkció (különböző triggerelési eljárások).

File Load

Base address

Save

DMA

Quit

Interrupt V. range

G.6.10. ábra A SCOPE program legördített menüi

A konfiguráló főmenüben a ← és a → kurzor mozgató billentyűkkel lehet mozogni (G.6.9. ábra). A főtételek (Hardware, Scan, Run és a File) legördülő menüit úgy lehet megnyitni, hogy az említett kurzor mozgatókkal a főtételre állunk és enter-t ütünk. A főtételek legördült állapotát - az almenüket - a G.6.10. ábra szemlélteti. A hardver opció a tényleges PCLXXX típus (XXX = 711, 718, 818) megadására szolgál. A Base address funkcióban az előzőekben definiált kártya típus hardver címét kell hexadecimálisan megadni vigyázva, hogy ez a hardver cím ne kerüljön más interfész egységgel azonos címre. A PCL718 és a PCL818 típusú adatgyűjtő kártyák DMA csatornákat is felhasználnak az

Típus

Voltage Range Unipoláris Bipoláris PCL711 ±5V PCL718, 818 10 V, 5 V, 2 V, 1V ± (10 V, 5 V, 2,5 V, 1 V, 0,5 V) G.6.1. táblázat Különböző típusú adatgyűjtő kártyák lehetséges méréstartományai adatátvitel lebonyolításához. A DMA opcióban az egyes vagy a hármas csatorna adható meg vigyázva, hogy ez a megadott DMA csatornát más egység ne használja. A PCL711 típusú adatgyűjtő kártyán kívül minden más típus használ interrupt szintet. Az Interrupt almenüben megadható a 2...7 csatornák bármelyike, melyiket más egység nem használ. A Voltage Range opcióban az egyes adatgyűjtő modulokra jellemző bemenő jeltartomány adható meg, amelyet a G.6.1. táblázat szemléltet. A Scan menüben kell megadni, hogy mely induló analóg csatornától (start channel) kell a mérést elkezdeni s melyik számú csatornánál kell a letapogatást befejezni (stop channel). A csatornák kijelölését befolyásolja, hogy aszimmetrikus vagy szimmetrikus

jelbemenet vane konfigurálva. A lehetséges eseteket a G.6.2. táblázat szemlélteti. A Run főtétel teszi lehetővé, G.6.2. táblázat hogy belépjünk A bemenő csatornák jellege és darabszáma különaz böző adatgyűjtő kártyáknál oszcilloszkóp emulációba és ugyanakkor a képernyőn egy hagyományos oszcilloszkópéhoz nagyon hasonló kép lép előtérbe. A File menü főtétel feladata a mérési fájlok elmentése, konvertálása vagy lemezről való visszaolvasása utólagos analízis céljából. A következő alfunkciók találhatók meg benne: Adatgyűjtő típusa PCL718 PCL818 PCL718 PCL818 PCL711

• • •

•

Jelforrás aszimmetrikus aszimmetrikus szimmetrikus szimmetrikus aszimmetrikus

Csatorna tartomány 0 - 15 0 - 15 0-7 0-7 0-7

Load - egy előzőleg lemezre mentett fájl visszatöltése és az oszcilloszkóp emulációban való újra megjelenítése (ld. ott), e funkció azonban csak a fájl kijelölésére szolgál, magát a megjelenítést az emuláció végzi, Save - az emuláció alatti mentéskor annak fájlnak a kijelölése (megnevezése), amelybe a mérési adatokat menteni kívánjuk, Convert - az előzőekben ismertetett fájlkezelési funkciók (Load, Save) egy speciális - csak az oszcilloszkóp emuláció által értelmezett - adatformátumot használ s azért, hogy más programok is képesek legyenek feldolgozni az adatokat e funkció átkonvertálja ASCII egésszé (a fájl kiterjesztése PRN lesz) vagy valóssá (a fájl kiterjesztése REL lesz) az almenüben történt kijelöléstől függően (a harmadik konvertálási lehetőséget - bináris egész - nem használjuk), Quit - kilépés a DOS operációs rendszerbe. Az oszcilloszkóp üzemmód

A G.6.11. ábra szemlélteti a számítógép képernyőjének felépítését oszcilloszkóp üzemmódban. Ez a képernyő felépítésében nagyon hasonló egy hagyományos oszcilloszkóp ernyőjéhez és úgy kell használnunk, mintha valóban egy oszcilloszkóppal lenne dolgunk. A G.6.11. ábra ← és → kurzor billentyűkkel Oszcilloszkóp üzemmód képe mozoghatunk a képernyő speciálisan kialakított alsó részének felső sorában, ahol az alábbi beállítási lehetőségek adódnak (ld. a G.6.12. ábrát). A Time/Div opcióval közvetetten a mintavételi frekvencia állítható be illetve az x tengelyen felvett időlépték változtatható. A csatornák számával osztott Time/Div értéket

nevezzük alapidőnek. Az alapidő beállítható tartományát és összefüggését a mintavételi frekvenciával a G.6.3 táblázat szemlélteti. G.6.3 táblázat A Display funkció azt jelzi, hogy hány csatorna jelét rajzoltatjuk ki a képernyőre. A választási lehetőség a következő: Channel A vagy Channel B illetve mindkettő (Channel A&B). Megegyezés szerint a képernyő felső részén az A csatorna, míg az alsó felében a B csatorna mérései jelennek meg. Egy csatorna mérése esetén az egész képernyő felületen történik a kijelölt csatornajel megjelenítése. A Trigger funkcióban csak akkor történik meg a kijelölt csatornán a mérés, ha a mérendő jel felvette a trigger feltételeknek megfelelő értékeket. Például, ha a trigger polaritás pozitív és a szintje 5 V, akkor csak abban az esetben indul el a kijelölt csatornán a mintavételezés, amikor a jelszintje meghaladja a + 5 voltot. A trigger mező (ablak) három részre osztott, amelyben specifikálni kell a trigger jelnek tekintett csatornát (például Channel A), a trigger jel polaritását (például ↑) és végül a trigger jel szintjét (például 5V). A V. Scale lehetőséget kínál (G)rid az ordináta- (jel-) tengely (S)weep (T)race H.(C)opy átskálázására. A beállítható skála-faktorok: 1, 2, 5 és 10. A Cursor funkció az x és y tengelyeken lévő értékek G.6.12. ábra pontosabb leolvasását teszi lehetővé, mivel úgy működik, hogy egy az x- (idő-)tengelyre merőleges marker vonalat mozgatva pontos leolvasását adja meg - numerikusan - az egyes tengelyek értékének. A marker vonalat két módon lehet mozgatni a képernyőn: Ctrl← és Ctrl→ billentyű kombinációval folyamatos balra illetve jobbra mozgatást, míg a Page Up és a Page Down ugyanilyen irányba ugrásokkal haladást idézhetünk elő. A tengelyeken leolvasott numerikus értékek a Time illetve a Cursor mezőben jelennek meg. A következőkben a parancsadó funkciókkal és billentyűkkel foglalkozunk (ld. a G.6.12. ábrát). A (T)race funkciót a leütésével változtatjuk meg. Amennyiben a Trace funkció állapota bekapcsolt (line), akkor a jelel megjelenítése folytonos, míg (dot) állapotban szaggatott vonallal történik. A (G)rid paranccsal a tengely osztások rácsozatának megjelenítését lehet be (on), illetve ki (off) kapcsolni. A (S)weep paranccsal választhatunk a horizontális eltérítés folyamatos (repeat) vagy egyszer (single) állapota között. A H.(C)opy a képernyőn megjelenő információ mátrix nyomtatóra való kivitelét indítja el. A funkció billentyűkkel olyan feladatokat végeztethetünk el a SCOPE programmal, amelyeket egy analóg oszcilloszkóp már nem lenne képes végrehajtani. Ezek a feladatok a fájl kezeléshez kapcsolódnak (ld. a G.6.13. ábrát). A LOAD feladatkör az F1 funkció billentyűhöz van rendelve. Ez lehetővé teszi régebben elmentett SCOPE fájlok újbóli megjelenítését. A kártya típusa PCL-711 PCL-718, 818

Alapidő 5,0 ms - 100 s 0,5 ms - 100 s

CLEAR

SAVE

LOAD

F4

F3

F2

F1

CHANNEL

G.6.13. ábra

Alapidő 100 s 50 s 20 s 10 s 5s 2s 1s 0,5 s 0,2 s 0,1 s 50 ms 20 ms 10 ms 5 ms 2 ms 1 ms 0,5 ms

Mintavételi frekvencia 0,5 Hz 1,0 Hz 2,5 Hz 5,0 Hz 10,0 Hz 25,0 Hz 50,0 Hz 100,0 Hz 250,0 Hz 500,0 Hz 1,0 KHz 2,5 KHz 5,0 KHz 10,0 KHz 25,0 KHz 50,0 KHz 100,0 KHz

Javasolt mérési módszerek és elrendezések az induktív jelátalakító vizsgálatához mérésadatgyűjtővel

G.6.4. táblázat

C1

C2 R

U

U1

≈

C3

UL

Ennek feltétele, hogy a konfiguráló menü File alpontjában lévő Load opcióban helyes Scope fájl nevet adtunk meg az F1 lenyomása előtt. A SAVE (F2) feladat a mért jelek eltárolására szolgál, amennyiben a konfiguráló menü File alpontjában lévő Save opcióban helyes Scope fájl nevet megadtunk az F2 működtetése előtt. A Clear (F3) hatására törlődik az oszcilloszkóp képernyője. A Channel (F4) feladatkörrel megváltoztatható a mérő csatorna, amelyet meg kívánunk jeleníteni. Miután megnyomtuk az F4 funkció billentyűt, megadhatjuk annak a csatornának a számát, amelyet megjeleníteni kívánunk. Hasonló szerepe van a szóköz (Space bar) billentyűnek is. Amennyiszer lenyomjuk, annyiszor növeli meg eggyel a megjelenítendő csatorna sorszámát. Amennyiben elértük a Scan opcióban megadott legnagyobb sorszámú csatornát és újból szóközt ütünk, akkor a legkisebb csatorna sorszámnál folytatódik a kijelzés. Végül foglaljuk össze a G.6.4. táblázatba az alapidőkhöz tartozó mintavételi frekvenciákat.

L

C4

G.6.14. ábra Impedancia módszer mérési elrendezése

Az öninduktivitási tényezőt a G.6.8. ábrán bemutatott célműszeren kívül ún. impedancia módszer (G.6.14. ábra) segítségével is meg tudjuk határozni. E a mérési módszer alkalmazásának az a feltétele, hogy a mérendő induktivitásnak kicsi legyen az ohmos ellenállása. E feltétel teljesülése azt jelenti, hogy a tekercsnek megfelelő a jósági tényezője. A kapcsolásból látható, hogy mérjük a generátor U és az induktivitáson eső UL feszültségek pillanatértékét. Az egyszerűség kedvéért és a gyakorlati szempontok miatt elha-

nyagoljuk az induktivitás ohmos részét, mivel ez két nagyságrenddel kisebb (kb. 8 ohm), mint a referencia ellenállás értéke ( R=800 ohm ). Tekintettel arra, hogy az említett adatgyűjtők legnagyobb mintavételi frekvenciája 100 kHz és két csatornajelet mérünk, célszerű a generátor frekvenciáját 6,5 kHz-re választani. A generátor amplitúdóját 5 V effektív értékre választjuk, amelyet a generátor saját analóg műszerén állítunk be. Figyelmeztetés !

A fent leírt kapcsolást és a beállításokat a gyakorlatvezetőnek minden körülmények között ellenőriznie kell és csak az ő jóváhagyásával kapcsolható a mérőkör az adatgyűjtőre. A C1-C4 pontokat nagysebességű (PCL818/718 típusú) adatgyűjtőhöz kell csatlakoztatni a következőképpen:

U1 (C0high) L1

L2

C0,C1low U2(C1high)

•

a hangfrekvenciás generátor 5 ohmos kimenetének földpontját (C3) az adatgyűjtő nullás és egyes csatornájának LOW pontjára, majd ezt a pontot az in≈ duktivitás egyik pontjára (C4) és az Ut adatgyűjtő analóg földpontjára kötjük, AGND • a hanggenerátor 5 ohmos melegpontját (C1) az adatgyűjtő nullás csatornájának G.6.15. ábra HIGH pontjára kötjük, • az induktivitás referencia ellenállással közösített pontját (C2) az adatgyűjtő egyes csatornájának HIGH jelű pontjára kell csatlakoztatni. L3

L4

Figyelmeztetés !

L2

L1 U ki

U

L4

L3

G.6.16. ábra Differenciál transzformátoros kapcsolás

Amennyiben nem a hangfrekvenciás generátor 5 ohmos kimenő pontját használjuk a mérőkör táplálására, úgy az adatgyűjtő kártya ( ára kb. 130 000 Ft !!) és a személyi számítógép (ára kb. 150 000 Ft) azonnal tönkremegy, mivel a hangfrekvenciás generátor többi kimeneti pontján több száz volt is megjelenhet! A leírt mérési módszer esetén a meghatározni kívánt öninduktivitási tényező az alábbi függvény szerint változik: L x = x = f (U ,U L , ω , R ) , ahol M

x = xM jelenti a vasmag egy meghatározott helyzetét, más néven a jelátalakító munkapontját. A G.6.15. ábra mutatja a négytekercses nyitott mágneskörű, induk-

tív jelátalakító hídkapcsolását adatgyűjtőhöz való bekötését. Az ábra jelölései megegyeznek az impedancia módszernél tárgyaltakkal. Ugyanez a mérőátalakító vizsgálható még – kihasználva a tekercsek közötti kölcsönös induktivitás hatását is – a G.6.16. ábra szerinti kapcsolásban is.