Měřící a senzorová technika Návrh měření odporových tenzometrů

Transkript

1 VŠBTU Ostrava 2006/2007 Měřící a senzorová technika Návrh měření odporových tenzometrů Ondřej Winkler SN171

2 Zadání: Odporové tenzometry staré zpracování 1. Seznámit se s konstrukcí a použitím tenzometrů 2. Provést měření na tenzometrech zapojených do můstku 3. Zjistit nelinearity statické charakteristiky, velikost hystereze a rovnici regresní přímky Popis snímače: Odporový drátový tenzometr (obr.1) je elektrický vodič nepatrného průřezu, umístěný na papírové folii, který se nalepuje na deformovanou součást tak, aby se deformace přenášela i na vodič a způsobovala jeho protažení. Materiál tohoto vodiče je konstantan (slitina mědi a niklu), jehož odpor málo závisí na teplotě. Průměr konstantanového drátu bývá 0,01 0,05 mm. Protažením vodiče se zvětší jeho délka a zmenší se průřez. Tím se zvýší celkový odpor tenzometru a tato změna je měřítkem deformace. Pro měření podélných deformací je tenzometr tvořen podélnými smyčkami vodiče (obr.1), přičemž průřez vodiče může být kruhový, plochý anebo je tenzometr tvořen z kovové fólie vyleptáním příslušného tvaru. Vodič /1/ je přitmelen na jemné papírové podložce /2/, má vyztužené přívody /3/ a takto se celý přilepí na měřenou součást. Tyto tenzometry jsou citlivé na změny okolní teploty a je nutno tedy vliv teploty kompenzovat většinou vhodným umístěním více tenzometrů a jejich zapojením do můstku. Při praktických měření se tenzometry připojují na měřící aparatury zvané tenzometrické můstky, které jsou vhodné jak pro statická, tak pro dynamická měření. Výrobce Mikrotechna vyrábí odporové tenzometry o jmenovitém odporu 120 W, popř. 250 W, 350 W a 600 W.

3 Popis zařízení: Na tenkém kovovém nosníku vetknutém na jednom konci jsou nalepeny tenzometry po obou stranách. Při zatěžování nosníku kolmou silou F dochází k jeho deformaci a nalepené tenzometry tuto deformaci měří. Ke zvýšené citlivosti a ke kompenzaci vlivu teploty okolí jsou tenzometry nalepeny po dvou na obou stranách nosníku a zapojeny do můstku. Změníli se teplota okolí, změní se odpor přibližně u všech tenzometrů stejně, takže se můstek nerozváží. Aby se deformace projevila co nejvíce, je nutno nalepit tenzometry v místě největší deformace. Zatěžování nosníku je prováděno pomocí mikrometrického šroubu, který svým pohyblivým dotykem tlačí na volný konec nosníku a vychyluje ho ze základní polohy. Velikost vychýlení je pak odečítána na stupnici mikrometrického šroubu. Postup práce: 1. Tenzometrický můstek se připojí ke stejnosměrnému diferenčnímu zesilovači dle obr. 3. Nezapomeňte na propojení koster zesilovače a nosníku označených ^. Můstek se pomocí vyrovnávacího potenciometru nula, který je umístěn na zesilovači, vyrovná na nulu. Vyrovnání se sleduje na milivoltmetru zesilovače, přitom nosník nesmí být zatížen. Pak se nosník postupně deformuje posunem dotyku mikrometrického šroubu a zjišťuje se rozvážení můstku na milivoltmetru. Potom se vychýlení nosníku postupně zmenšuje, aby se zjistila případní hystereze celého zařízení. Rozvážení můstku se nepřepočítává na deformaci nosníku,ale zjišťuje se přímo závislost údaje milivoltmetru na délkové výchylce ze zákl. polohy. 2. Tenzometry se připojí na tenzometrickou aparaturu TDA 3. Tato aparatura je vhodná pro praktická měření dynamických i statických dějů odporovými tenzometry nebo induktivními snímači. Zařízení TDA 3 si napájí můstek samo, a to střídavým napětím.

4 Baterii zde nebudeme potřebovat. Tenzometry se zapojí dle obr.4. Tenzometry se připojí na jednu ze tří částí aparatury. Knoflíky R hrubě, R jemně a C musí být ve střední poloze, přepínač rozsahu na 50 promile, přepínač OSC vypnutý /dolů/, teprve pak je možno připojit aparaturu na napětí přepínačem 12V. Vyvážení aparatury a tenzometry se provede po stlačení tlačítka Vyvažování pomocí knoflíku R hrubě a C při postupném zvyšování citlivosti přepínáním rozsahu až na hodnotu 2,5 promile. Po uvolnění tlačítka Vyvažování se může mikroampérmetr vychýlit. Do nulové polohy jej posuneme knoflíkem R jemně.

5 Knoflíkem C se pak již nesmí otáčet Pak se zapne přepínačem OSC pomocný ručkový měřicí přístroj, který musí také ukázat nulu. Stlačením tlačítka Cejch se zjišťuje jmenovitá hodnota nastaveného rozsahu změny odporu. Potom se provádí měření deformací nosníku stejně jako v bodě a). 3. Naměřené hodnoty zapište do tabulky 1. Zakreslete naměřené hodnoty do grafů a určete nelinearity statické charakteristiky. Vyznačte do grafů maximální hodnotu hystereze h a vypočtěte maximální poměrnou hysterezi hm [ % ], dle vztahu:

6 Vypočtěte koeficienty regresních přímek pro oba způsoby zapojení a zakreslete vypočtené přímky do naměřených grafů a vyhodnoťte jejich souhlas s naměřenými hodnotami. Kontrolní otázky: 1. Princip a vlastnosti tenzometrů 2. Teplotní kompenzace tenzometrů 3. Proč se tenzometry zapojují do můstku? 4. Napište podmínku rovnováhy tenzometrického můstku1 (obr.2b)

7 Zadání Odporové tenzometry nové zpracování 1. Seznamte se s konstrukcí tenzometrů a jejich použitím. 2. Pomocí tenzometrů zapojených do můstku změřte na PC deformace na tenkém kovovém nosníku. 3. Zjistěte nelinearity statické charakteristiky, velikost hystereze a rovnici regresní přímky. Popis a využití odporových tenzometrických snímačů Odporový drátový tenzometr je elektrický vodič nepatrného průřezu, umístěný na papírové folii. Vodič je vyroben z konstantanu (slitina mědi a niklu), jehož odpor je málo závislý na teplotě. Průměr konstantanového drátu bývá 0,01 0,05 mm. Odpor vodiče je znám. Odporovými tenzometry je možné měřit všechny mechanické veličiny, které lze prostřednictvím vhodného deformačního členu převést na deformaci materiálu (síla, hmotnost, tlak, kroutící moment atd.). Mezi ty klasické patří fóliové tenzometry. Pro měření výše zmíněných veličin se tenzometrický snímač co nejdokonaleji mechanicky spojí s povrchem měřeného objektu, nejčastěji se přilepí. Působíli na měřený objekt síla, zdeformuje ho úměrně své velikosti. Stejně tak se zdeformuje i tenzometr, který úměrně velikosti deformace změní svůj elektrický odpor. Pro měření podélných deformací je tenzometr tvořen podélnými smyčkami vodiče (obr.1), přičemž průřez vodiče může být kruhový, plochý anebo je tenzometr tvořen z kovové fólie vyleptáním příslušného tvaru. Vodič (1) je přitmelen na jemné papírové podložce (2) a má vyztužené přívody (3) Směr deformace Obr. 1 schéma drátového tenzometru Tenzometry jsou citlivé na změny okolní teploty, proto je nutno vliv teploty kompenzovat. Většinou je kompenzace provedena vhodným umístěním více tenzometrů a jejich zapojením do můstku. Při praktických měření se tenzometry připojují na měřící aparatury zvané tenzometrické můstky, které jsou vhodné jak pro statická, tak pro dynamická měření.

8 Výrobce Mikrotechna vyrábí odporové tenzometry o jmenovitém odporu 120 Ω, popř. 250 Ω, 350 Ω a 600 Ω. Popis zařízení: Na tenkém kovovém nosníku vetknutém na jednom konci jsou nalepeny tenzometry po obou stranách. Při zatěžování nosníku kolmou silou F dochází k jeho deformaci a nalepené tenzometry tuto deformaci měří. Ke zvýšené citlivosti a ke kompenzaci vlivu teploty okolí jsou tenzometry nalepeny po dvou na obou stranách nosníku a zapojeny do můstku. Změníli se teplota okolí, změní se odpor přibližně u všech tenzometrů stejně, takže se můstek nerozváží. Aby se deformace projevila co nejvíce, je nutno nalepit tenzometry v místě největší deformace, tedy co nejblíže místu vetknutí nosníku. Zatěžování nosníku je prováděno pomocí krokového motorku, který je spojen pomocí pružné spojky s mikrometrickým šroubem. Když se krokový motorek pootočí, začne mikrometrický šroub svým pohyblivým dotykem tlačit na volný konec nosníku a vychyluje ho ze základní (nulové) polohy. Velikost vychýlení je zadávána z PC. Zařízení také obsahuje dva koncové spínače, které nám slouží pro detekci koncové polohy. Když se pohyblivý dotyk dostane do koncové polohy, sepne koncový spínač 1 nebo 2, krokový motorek se přestane otáčet původním směrem a pootočí se o dva kroky zpět (aby se koncový spínač vypnul). Pomocí PC tedy zadáváme výchylku, o kterou se má pohyblivý dotyk posunout a také vyhodnocujeme naměřená data (odečítáme aktuální hodnoty napětí při deformaci, vykreslíme si celkovou charakteristiku, uložíme si všechna naměřená data včetně vykreslené charakteristiky). Na obr. 2 je zobrazeno schéma měřícího přípravku a na obr. 3 propojení tenzometrů s výstupní paticí. Poznámka: Při zapnutí měřícího programu na PC se automaticky provede kalibrace. Tím se pohyblivý dotyk automaticky přesune do nulové polohy (nosník je bez deformace). Levá strana Siloměr Koncový spínač 2 Vetknutý nosník s tenzometry T1 T3 T2 T4 Koncový spínač 1 Pravá strana Pružná spojka Krokový motor Obr. 2 schéma měřícího přípravku

9 Obr. 2a schéma měřícího přípravku s přesnými rozměry Výstupy z tenzometrického můstku Napájecí zdroj 3V Síť 230V 50Hz Krokový motor Metex M 3650D Řídící modul s PIC 16F84 a TTL RS 232 PC (Převod z ASCI na čísla, zobrazení, řízení instrukce do CD 20M) RS 485 Napájecí zdroj 2 Koncový spínač 1 Koncový spínač 2 Obr. 3 Celkové zapojení měřícího přípravku s PC Postup měření

10 1. Tenzometrický můstek se připojí na napájecí zdroj 3V a k multimetru METEX. Poté připojíme na řídící modul napájecí zdroj 2 (počítač, METEX, řídícím modul, krokový motor a koncové spínače jsou již navzájem propojeny). Propojení je znázorněno na obr Na PC spustíme program určený pro měření tenzometrů (grafický vzhled programu je znázorněn na obrázku č. 5). Při měření budeme měřit nejprve hodnoty deformace vzestupně a poté sestupně a to pro oba směry posuvu (pohyblivý dotyk se pohybuje od nulové polohy vpravo nebo vlevo). Tímto postupem zjistíme případnou hysterezi. 3. Nejprve měříme posuv volného dotyku doprava. V programu tedy zadáme nejprve směr otáčení motorku doprava, dále zadáme velikost vychýlení pohyblivého dotyku a potvrdíme tlačítkem změřit. Tímto se nosník vychýlí z nulové polohy a na tenzometrickém můstku vzroste napětí. Jeho velikost se zobrazí v programu jako aktuální měřená hodnota a po zadání síly se uloží do tabulky měřených hodnot. Nyní tedy odečteme ze siloměru sílu F, její hodnotu zapíšeme do programu a potvrdíme tlačítkem vlož. Další hodnoty se měří stejným způsobem. Vychýlení pohyblivého dotyku se zadává od 0 1,5 cm s krokem 0,1 cm. Po dosáhnutí výchylky 1,5 cm začneme měřit stejné hodnoty vychýlení sestupně až do hodnoty deformace 0 cm (směr otáčení motorku musíme zadat doleva). 4. Uložíme změřené hodnoty a stiskneme tlačítko nové měření. Tím si otevřeme nový projekt. 5. Nyní změříme posuv dotyku doleva. Postup je analogický s postupem při měření vpravo, s tím rozdílem, že nejprve zadáváme otáčení motorku doleva a po dosažení výchylky 1,5 cm doprava. 6. Uložíme změřené hodnoty. Siloměr T1 T3 T2 T4 Řídící modul Krokový motor metex 3V Obr. 4 Propojení měřících přípravků se zdroji Ovládání motorku Hodnoty napětí, zadání síly Vyhodnocení měření

11 Kalibrace Aktuální naměřená hodnota Statické charakteristiky tenzometrického můstku Směr otáčení μv Výchylka [cm] Síla F [cn] U vzestup. [V] U sestup. [V] Doprava Doleva Velikost výchylky Změřená síla F cn 0 0,4 cm Graf Změřit Potvrď Ulož Nové měření Obr. 5 Grafický vzhled programu Vyhodnocení 1. Z naměřených hodnot vykreslete závislost U=f(F) pro rostoucí a klesající deformaci (grafy vykreslete pro oba směry posuvu dotyku). 2. Vypočtěte koeficienty regresních přímek a zakreslete vypočtené přímky do naměřených grafů a vyhodnoťte jejich souhlas s naměřenými hodnotami. 3. Vyznačte do grafů maximální hodnotu hystereze h a vypočtěte maximální poměrnou hysterezi hm [ % ], dle vztahu: Fi [cn] Ui [mv] Ui [mv] Ui [mv] Ui [mv] n vzestupně sestupně průměr hystereze ,5 4,3 0, ,0 8,0 0,0 n suma 1375 suma 169,5 Přístroje

12 Přístroj Specifikace Kusů Cena Adresa M 3650D METEX Multimetr 3,5 digit, dvě digitální stupnice, analog.stupnice, paměť,auto, hold, max.,min., rel., rcl, RS232, DC: 0,1mV 1000V/0,3% I: 1uA 20A/0,5%/1,2%/2% AC: 0,1mV 750V/0,8%/1,2% I: 1uA 20A/1%/1,8%/3% R: 100 mohm 2 GOhm/0,5%/1% C: 1pF 200uF/2%/3% f: 1Hz Kč Krokový motor 20MHz/2% h21 SX Kč Napájecí zdroj 3V Měřící přípravek Koncový spínač Napájecí zdroj 2 Modul s PIC Celkem původní 1 původní 1 mikrospínač 250V/5A bez páčky 2 2*9Kč původní 1 PIC 16F84 a TTL popsán v Bakalářské práci Adama Kaminskeho Kč

13 Algoritmus vyhodnocení naměřených hodnot Měření tenzometrů Nastav nulovou hodnotu Nastaveno? I Nastaví posuv do nezatížené polohy Je posuv v nulové poloze? Vytvoří prázdný projekt Student zadá výchylku Program odešle instrukce do PIC Potvrzení Založ nový projekt Vlož výchylku Odeslání instrukcí do PIC Zadá uživatel II III Program zkontroluje pozici posuvu Kontrola konce posuvu IV Program vyhodnotí přijmutá data Vyhodnocení měření V Zobrazení naměřených hodnot VI Změření další hodnoty Další měření? Student rozhodne zda se založí nový projekt k dalšímu měření (zadá student) Nové měření Nové měření? Konec

14 I Program načte změřenou hodnotu z metexu Načti naměřenou hodnotu Je hodnota < min V Program otáčí motorkem doprava Nastaví proměnnou KS 1 na hodnotu false Otoč doprava KS 1 = false Zjistí stav koncového snímače (snímač na měřícím výrobku detekující maximální hodnotu vychýlení na pravé straně Program zastaví otáčení motorku Zjištění stavu KS1 KS1=true Zastav otáčení Je proměnná KS1 rovná hodnotě true? Program otočí o n kroků doprava (n kroků je počet kroků o které se musí otočit motorek, aby se dostal pohyblivý dotyk do nezatížené poloh tato vzdálenost nezjistí experimentálně) Otoč n kroků doprava

15 II Vlož směr otáčení Student zadá směr otáčení motorku (doprava, doleva) Nastaveno? Je směr otáčení zadán? Potvrdit Potvrdí student Student zadá vzdálenost o kterou se má posunout volný dotyk (vzdálenost se přepočítá na počet kroků) Zadej velikost otočení Je otáčení doprava? Zadej velikost otočení Je vzdálenost Nastaveno? zadána? Nastaveno? Program zjistí zda bylo zadáno otáčení doprava Potvrdit Potvrdí student Potvrdit III Program zvolí který motor se bude používat (nutné i když je v zapojení jen jeden motorek, protože modul PIC je konstruován pro dva motorky) Program určí rychlost otáčení (tato rychlost bude vždy stejná) Určení motoru k posuvu Rychlost otáčení Program převede vložená data na string Velikost posuvu a rychlost otáčení převést na string Program odešle string přes RS485 do PIC Odeslání stringu po RS485 do PIC

16 IV Program otočí o m kroků doprava (n kroků je počet kroků o které se musí otočit motorek, aby se dostal pohyblivý dotyk z dosahu koncového snímačetato vzdálenost nezjistí experimentálně) Program zastaví otáčení motorku Otoč 2 kroky doleva Otoč m kroků doprava Zastav otáčení doleva Zastav otáčení doprava Je proměnná KS2 rovná hodnotě true? Je proměnná KS1 rovná hodnotě true? Koncový spínač 2 = false Zjištění stavu KS2 KS2=true? Koncový spínač 1 = false Zjištění stavu KS1 KS1=true? Nastaví proměnnou KS 2 na hodnotu false Zjistí stav koncového snímače (snímač na měřícím výrobku detekující maximální hodnotu vychýlení na levé straně Nastaví proměnnou KS 1 na hodnotu false Zjistí stav koncového snímače (snímač na měřícím výrobku detekující maximální hodnotu vychýlení na pravé straně V Přijmutí měřených dat (ASCII) Program přijme data z měřidla v ASCII znacích Převod na čísla Program převede ASCII znaky na čísla

17 IV Zobrazení aktuální hodnoty Program zobrazí aktuální přijatou hodnotu z měřidla Vložení hodnot napětí a velikost posuvu do tabulky naměřených hodnot Program vloží přijatou hodnotu napětí a zadanou velikost posuvu do tabulky Ruční zadání síly Student zadá sílu, kterou odečetl z siloměru umístěného na přípravku Zadáno? Jestli je síla zadána, pokračuje dále Potvrdit Potvrdí student Zapsat hodnotu síly do tabulky naměřených hodnot Program zapíše hodnotu zadané síly do tabulky Uložení projektu? Ulož Student zadá na konci měření zda chce naměřená data z tabulky uložit do formátu.xls (pokud student nezmáčkne tlačítko ulož, algoritmus se vrátí na začátek) Program uloží soubor s názvem *.xls

18 Algoritmus instrukcí v PIC PIC Program zvolí který motor se bude používat (nutné i když je v zapojení jen jeden motorek, protože modul PIC je konstruován pro dva motorky) Určí se rychlost otáčení (tato rychlost bude vždy stejná) Zvolení motorku k otáčení Zvolení rychlosti otáčení Instrukce v PIC který otočí motorkem Instrukce Konec Kontrolní otázky: 1. Jaký je základní princip tenzometrů 2. Jakým způsobem se dají kompenzovat teplotní vlivy při měření tenzometry? 3. Jaké druhy tenzometrů jsou běžné? 4. Jaké odpory mohou mít tenzometry?