3.2 Snímače polohy, rychlosti a zrychlení

Transkript

1 3.2 Snímače polohy, rychlosti a zrychlení Snímače kinematických veličin poskytují informaci o fyzikálních veličinách řízeného procesu odvozených od mechanického pohybu. Rozdělujeme je podle těchto kritérií: druh měřené veličiny snímače polohy, rychlosti, zrychlení, kmitavého pohybu, princip činnosti snímače mechanické, odporové, kapacitní, indukčnostní, indukční, magnetické, optické, ultrazvukové, pneumatické, průběh výstupního signálu snímače spojité a nespojité (limitní, číslicové), způsob odměřování snímače absolutní, přírůstkové (inkrementální), kombinované Snímače polohy Odporové snímače polohy spojité Základem spojitých odporových snímačů polohy jsou odporové potenciometry, jejichž běžec posouvající se po odporové dráze je mechanicky spojen s předmětem, jehož polohu odměřujeme. Dráha je realizována na nosné izolační podložce, na které je buď navinutý smaltovaný drát (manganin, PtIr), po jehož vyleštěné části se pohybuje kontakt, nebo nekovový odporový element tvořený nejčastěji vodivým plastem CP (Conductive Plastic vodivé plnidlo zalisované v termoplastu), jejichž předností je vysoká rozlišovací schopnost a velká životnost. Drátové potenciometry vykazují větší robustnost a elektrickou zatížitelnost. Výhody obou pak spojuje hybridní technologie, která je použita u některých druhů víceotáčkových potenciometrů. Jezdec se vyrábí ze speciálních slitin (PtIr, AgPd). U elektrolytických snímačů je sběrač vytvořen rtuťovým zkratem části odporové dráhy, odpadají problémy s přechodovým odporem, nevýhodou je větší přestavný moment. Vlastnosti odporových potenciometrů jsou dány třídou přesnosti, rozlišovací schopností, linearitou, životností, teplotním koeficientem odporu a šumem. Rozlišovací schopnost udává spolehlivě rozlišitelný délkový (resp. úlohový) inkrement (přírůstek) odporu potenciometru. Nejvyšší rozlišení mají potenciometry vrstvové (až 0,0 % rozsahu), u vinutých potenciometrů je rozlišení dáno skokovou změnou odporu při pohybu jezdce mezi sousedními závity, provedenými z kalibrovaného drátu s průměrem asi 0,03 mm. Linearita udává největší odchylku výstupního napětí od vztažné přímky a uvádí se v procentech napájecího napětí. Otočné potenciometry s větším průměrem nebo víceotáčkové (vinutí je ve tvaru závitu) dosahují linearity až 0,002 %, posuvné potenciometry dosahují linearitu v mezích 0,05 0,%. U drátových potenciometrů se při střídavém napájení linearita zhoršuje, protože snímač se chová jako komplexní impedance složená z odporu, indukčnosti vinutí a kapacit mezi závity. Bez zhoršení vlastností je lze provozovat pro kmitočty řádu jednotek khz, víceotáčkové stovky Hz. Linearitu je možné zlepšit zapojením paralelních odporů na vyvedené odbočky vinutí. Životnost je definována jako počet přeběhů dráhy při zadaných provozních podmínkách a při dodržení provozních vlastností v příslušných mezích. Životnost vinutých potenciometrů je řádově 0 6, hybridních 0 7 a vrstvových z vodivých plastů 0 8 přeběhů. Je ovlivněna kontaktní silou (asi 3 mn 5 mn), krouticí moment se pohybuje v mezích 0, Ncm 2 Ncm. Teplotní koeficient odporu (jen pro drátové potenciometry) je dán největší poměrnou změnou odporu odpovídající stoupnutí teploty o C v celém rozsahu provozních teplot. Vypočítá se proto ze vztahu: T K R R = ( K R ( T T ) 2 2 ) (3.5) 24

2 v němž R (Ω) je odpor vinutí při teplotě T ( C), R 2 (Ω) je odpor při teplotě T 2 ( C). Z dovoleného oteplení (tj. maximálního rozptýleného výkonu P M ) plyne i velikost maximálního napájecího napětí U MAX = P M R Šum potenciometru vzniká změnou přechodového odporu při pohybu jezdce po vinutí a je způsoben mechanickými i elektrickými efekty (nečistoty, vlhkost, nastavení na stálou polohu). U vinutých potenciometrů může být způsoben i odskakováním jezdce. Klasifikace odporových snímačů se provádí podle různých hledisek: tvar dráhy: lineární, profilové (realizující nelineární závislost přenosu na poloze jezdce logaritmický, exponenciální), pohyb běžce: rotační jednootáčkové, rotační víceotáčkové, posuvné materiál dráhy: kovové drátové a vrstvové, nekovové uhlíkové, elektrolytické, vodivé plasty (CP), cermentové (keramika + kov) Vyhodnocovací obvody odporových snímačů polohy Odporový snímač polohy pracuje jako napěťový dělič s dělicím poměrem určeným měřenou polohou. Vyhodnocovací obvody proto stanovují změnu napětí (proudu) obvodu odporového snímače standardními výchylkovými nebo nulovými (můstkovými) metodami používanými při měření odporů. a) Výchylkové metody Přímé měření změny odporu měřením proudu (obr. 3.6) je jednoduché, ale proud I je nelineární funkcí změny odporu snímače ΔR SN a závisí na kolísání odporu snímače R SN, odporu vedení R V a napájecího napětí U N, jak plyne z výrazu: Prostředky automatizační techniky I = R SN + ΔR U N + R V + R V + R SN 2 0 (3.6) v němž R 0 je odpor pro nastavení počátku měřicího rozsahu. Obr. 3.6 Měření odporového snímače Ampérovou metodou Obr. 3.7 Potenciometrické zapojení odporového snímače polohy Nejčastěji se proto užívá měření napětí (tzv. potenciometrické zapojení obr. 3.7). Pro určení závislosti výstupního napětí U V na poloze jezdce zavedeme místo absolutní polohy jezdce x poměrnou veličinu α=x/x MAX, jejíž hodnoty jsou v intervalu I < 0, >. Jezdcem v poloze označené x je odpor snímače R SN proporcionálně rozdělen na dvě části R 2 = α R SN ar = ( α) R SN. Jestliže označíme zatěžovací odpor R Z a tzv. činitel zatížení z = R Z /R SN, bude výstupní napětí snímače U V na paralelně zapojených odporech R 2,R Z dle schématu na obr. 3.7 dáno výrazem: (3.7) 25

3 Ze vztahu 3.7. vyplývá, že přenos snímače je lineární funkcí poměrné polohy jezdce α pouze při činiteli zatížení z =R Z /R SN, tj. u nezatíženého potenciometru, při z = 0 je chyba snímače,5 %, při z = (R Z = R SN ) vzroste až na Obr. 3.8 Napě ový sledovač 2 %. Závislost výstupního napětí snímače na poloze jezdce U V = f (α) s parametrem z je znázorněna na obr. 3.9, s poklesem činitele zatížení z nelinearita roste. Nejvhodnějším vyhodnocovacím obvodem je proto napěťový sledovač, zapojený dle obr b) Můstkové metody Nejčastější způsob měření neelektrických veličin v řídicí technice je aplikace Wheatstoneova můstku jednak automaticky vyvažovaného napětím na impedanci záporné zpětné vazby (např. obr. 3.57, 3.68) nebo pracujícího v nevyváženém stavu. Požadavku na přesnost při řízení technických procesů i při nenulovém proudu měřicí diagonálou metoda měření v nevyváženém stavu můstku vyhovuje. Můstek se skládá ze čtyř odporů (resp. impedancí) označených na obr symboly R,R 2,R 3 ar 4 (R ar 2 jsou odpory úseků snímače rozděleného jezdcem). Mezi body A, D (tzv. napájecí diagonála) je zapojen napájecí zdroj a mezi body B, C (tzv. měřicí diagonála) indikátor vyvážení nebo zesilovač diferenčního napětí. Napětí v měřicí diagonále je obvykle dáno rozdílem napětí mezi odbočkou pevného děliče a odbočkou proměnného děliče, tvořeného snímačem a pomocnou impedancí nebo pro zvýšení citlivosti diferenciálním snímačem (např. můstky s kapacitními, indukčnostními nebo tenzometrickými snímači obr. 3.26, 3.33, 3.99, 3.00). Pro napětí naprázdno v měřicí diagonále U BC v zapojení na obr platí: Aby byl můstek vyvážený, musí být U BC = 0, takže podmínka rovnováhy při zanedbání odporu vedení R v a jeho změn ΔR v je dána vztahem: R R 4 = R 2 R 3 (3.8a) U střídavých můstků musí analogicky pro komplexní impedance platit vztah: Z Z 4 = Z 2 Z 3 (3.9) Vyjádříme-li impedance v exponenciálním tvaru Z i = Z i e jϕ, rozpadá se podmínka rovnováhy 3.9 na dvě rovnice: Z Z 4 = Z 2 Z 3 Obr. 3.9 Závislost výstupního napětí potenciometru na poloze jezdce a velikosti zátěže Obr Můstkové zapojení odporového snímače (3.8) (3.9a) ϕ + ϕ 4 = ϕ 2 + ϕ 3 (3.9b) Obě rovnice musí být splněny současně. Tyto základní představy budou aplikovány u většiny vyhodnocovacích můstkových obvodů používaných v kapitole o snímačích. 26

4 Třívodičové můstkové zapojení odporového snímače polohy je znázorněno na obr Přednost ve srovnání s obvodem na obr. 3.6 spočívá v tom, že kolísání odporu snímače ΔR SN (např. vlivem teploty), které dle obr. 3.6 ovlivňovalo proud, se zde neuplatní stejně jako vliv změn odporu vedení při napájení ze zdroje stabilizovaného proudu I ST Odporové snímače polohy nespojité Převádějí změnu polohy sledovaného objektu na skokovou změnu odporu způsobenou přepínáním kontaktů, takže jejich výstupní signál je logického typu (zapnuto vypnuto). Podle mechanismu ovládání kontaktů se dělí na: a) mechanické, b) magnetické. Prostředky automatizační techniky Mechanicky ovládané snímače jsou příkladem dotykových snímačů, u nichž mechanickým pohybem dochází ke skokové změně odporu pře- Obr. 3.2 Mžikové přepínače pínáním kontaktu (planžetové pružinky, rtuťové spínače apod. obr. 3.2). Mechanické spínače se používají k měření polohy pohybujících se částí různých technických zařízení, kde jsou součástí tzv. koncových spínačů, další aplikace jsou uvedeny v popisu snímání tlaku, hladiny a teploty. Magneticky ovládané snímače tvoří skupinu prvků, k nimž patří jazýčkové relé a Wiegandův snímač. Další snímače magnetických veličin (magnetorezistor, magnetodioda, magnetotranzistor a Hallova sonda) jsou popsány v kap Princip jazýčkového relé spočívá ve využití silových účinků magnetického pole permanentního magnetu na dva plíšky ( jazýčky ) z magneticky měkkého materiálu pokryté vrstvou vzácných kovů (Au, Pt) a zatavené do skleněné trubičky, plněné nízkým tlakem inertního plynu. Popis funkce vychází ze známého vztahu pro hustotu w (VAsm -3 ) energie magnetického pole s indukcí B: (3.0a) Z rovnosti mechanické energie A práce síly F M magnetického pole po dráze Δy odpovídající přitažení kontaktu relé a magnetické energie odpovídajícího objemového elementu ΔV = S Δy pole s hustotou energie w získáme vztah: (3.0b) Odtud plyne, že magnetický tok Φ vyvolaný permanentním magnetem procházející přes jazýčky vyvolá (při μ r = ) sílu F M, danou vztahem: (3.0c) v němž μ 0 je permeabilita vakua, S je překrývající se plocha jazýčků, Φ je magnetický tok. Proti síle pole působí direktivní síla F D daná tuhostí jazýčků k a změnou jejich polohy Δy = y poč y konc dle vztahu: (3.0d) 27

5 Na kontakty působí síla F K = F M - F D. Na obr. 3.22a d jsou znázorněny průběhy magnetického toku Φ (včetně reverzace jeho směru 3.22d), síly na kontakty F K a stavu sepnutí při ovládání magnetem rovnoběžným s osou snímače. Z průběhu síly F K v závislosti na poloze magnetu vyplývá, že může dojít k vícenásobnému sepnutí kontaktů, a to i mimo místa překrytí magnetu a relé. Tomu se předchází vhodnou volbou jejich vzdálenosti. Zóny spínání kontaktů v závislosti na vzájemné orientaci os magnetu a relé (kolmo, rovnoběžně) jsou znázorněny na obr Princip užití jazýčkových relé ve snímačích rychlosti je na obr. 3.74, ve snímačích průtoku na obr a ve snímačích hladiny na obr Obr Závislost zóny spínání na poloze os magnetu a relé: a) rovnoběžně, b) kolmo Obr Princip funkce jazýčkového relé: a) průběh magnetického toku Φ, b) průběh síly na kontakty F K, c) opakované spínání kontaktů, d) změny směru toku Φ Obr Princip Wiegandovy sondy: a) uspořádání, b) hysterezní křivky, c) napě ový impulz Funkce Wiegandova snímače je založena na tzv. Barkhausenovu jevu, podle něhož magnetizace feromagnetických látek (natáčení magnetických domén) při jejich pomalé přemagnetizaci neprobíhá spojitě, ale po skocích. Jestliže bude magnetovanou látku obklopovat cívka, bude nespojitému překlápění domén odpovídat indukování napěťových impulzů nezávisle na rychlosti změn intenzity magnetického pole. Zvýraznění tohoto jevu (tj. realizace strmých hran) je dosaženo působením mechanického napětí na tzv. Wiegandův drát skládající se z jádra z anizotropní slitiny Vicalloy (Fe 38 Co 52 V 0 ) a pláště z materiálu s vysokou koercitivitou. Tímto uspořádáním s mechanickým namáháním silou F znázorněným na obr. 3.24a je dosaženo toho, že se drát chová jako jediná doména. Z obr. 3.24b je patrný vliv změny mechanického napětí drátu (σ = 0, σ 0) při daném buzení na změnu magnetické polarizace J, na obr. 3.24c je odpovídající proudový impulz indukovaný ve snímací cívce. Snímač pracuje tak, že při pomalém zvyšování protékajícího proudu budicí cívkou dojde při dosažení spínací intenzity magnetického pole H s (koercitivní síle H s + resp. H s ) ke skokové přemagnetizaci z jedné polarity spontánní magnetické polarizace do druhé. Tím se ve snímací cívce indukuje napěťový impulz. Magnetické pole lze generovat i permanentním magnetem, při určitém mechanickém předpětí ve drátě reaguje snímač i na jeho přiblížení. Používá se pro měření polohy, úhlu, přímočaré i otáčivé rychlosti Kapacitní snímače polohy Metoda využívá převod měřené veličiny na změnu parametru určujícího kapacitu kondenzátoru. Ta je dána geometrií elektrod a permitivitou ε prostoru, v němž se uzavírá elektrické pole. 28

6 V případě rovinného deskového kondenzátoru platí pro kapacitu vztah: Prostředky automatizační techniky C = ε ε 0 R S d z něhož vyplývá, že pro vyhodnocení změn kapacity C kondenzátoru lze využít změnu vzdálenosti elektrod d, změnu účinné plochy překrytí elektrod S nebo změnu poměrné permitivity dielektrika ε r. Permitivita vakua je označena ε 0. Přehled principů kapacitních snímačů polohy, funkčních vztahů a jim odpovídajících charakteristik je znázorněn v tab. 3.. Náhradní schéma obvodu s kapacitním snímačem je na obr Obsahuje kromě vlastní kapacity snímače C SN paralelní odpor R SN, reprezentující svod kondenzátoru, a dále parametry vedení, tj. odpor R V, indukčnost L V, izolační odpor R IZ a kapacitu C V. Aby nedocházelo k ovlivňování signálu snímače změnou parametrů vedení (teplota, vlhkost, délka), musí pro impedance platit nerovnosti: (3.) Obr Náhradní schéma obvodu kapacitního snímače (3.2) Kapacita snímačů bývá řádově jednotky až stovky pf, takže je srovnatelná s kapacitou kabelu C K. Jeho vliv je proto třeba maximálně potlačit jednak pro zvětšení citlivosti ΔC/C SN (zvětšuje neproměnnou kapacitu), jednak pro omezení vlivu jeho změn ΔC K, které představují parazitní signál. Při použití síťového kmitočtu dosahuje reaktance snímače (X C = /2π f C = /2 3, ) hodnoty řádově až desítky MΩ, takže by bylo nutné použít citlivé vyhodnocovací obvody. Napájecí napětí se proto volí s frekvencí řádově alespoň jednotky khz, jejich amplituda je omezena průrazem mezi elektrodami (pro vzduch do 5V/μm), případný zkratový proud se omezuje sériovou impedancí. Vyhodnocovací obvody kapacitních snímačů polohy a) Můstkové metody Můstková zapojení se užívají především pro diferenční snímače. Princip zapojení deskového diferenčního snímače je na obr Pro kapacity C,C 2 snímače platí: C = C 0 +ΔC, C 2 = C 0 - ΔC Výstupní napětí U V v měřicí diagonále BC při R 3 = R 4 = R dané rozdílem napětí dvou děličů bude dáno výrazem: Obr Můstek pro kapacitní snímač polohy (3.3) Z výsledku plyne, že výstupní napětí je při malých změnách polohy společné elektrody (Δd/d << ) její lineární funkcí, což je graficky vyjádřeno charakteristikou ve 2. ř. tab

7 Tab. III- Principy, funkční vztahy a charakteristiky kapacitních snímačů polohy 30

8 Vzhledem k tomu, že se uplatňují všechny parazitní kapacity C P, jsou pro diferenční snímače vhodnější automaticky vyvažované transformátorové můstky, u nichž lze ve vyváženém stavu parazitní kapacity C P potlačit. Princip zapojení můstku se zesilovačem s kapacitní zpětnou vazbou je uveden na obr Snímač se napájí z ideálního zdroje napětí (R i = 0) realizovaného napěťovými sledovači OZ, OZ 2, jejichž výstupní napětí se nemění ani při změnách parazitní kapacity přívodu. Proudový indikátor nerovnováhy OZ 3 je převodník proud napětí s kapacitní zpětnou vazbou, na jehož vstupu je nulové napětí (virtuální zem). b) Zpětnovazební obvody Prostředky automatizační techniky Obr Transformátorový můstek Lineární závislost výstupního napětí kapacitního snímače polohy na vzdálenosti elektrod U V = f(δd) lze získat jeho zapojením do zpětné vazby integračního zesilovače (obr. 3.28). Při zanedbatelném vstupním proudu OZ (i 0) lze pro uzel A (u A = 0) podle Kirchhoffovy věty psát: (3.4) Podle tohoto vztahu je výstupem obvodu na obr amplitudově modulované střídavé napětí, jehož obálka sleduje časový průběh proměnné mezery d, tj. pro amplitudu A výstupního signálu platí A = f(d). Protože kapacita mezi dvěma plochami je dána vzájemně vázaným nábojem a rozdílem jejich potenciálů C = Q/ΔU, potlačuje zapojení vliv parazitních kapacit přívodů snímače k invertujícímu vstupu C P (virtuální nula) a napěťovému výstupu operačního zesilovače (C P2 ). c) Rezonanční obvody Rezonanční obvody se používají především při vyhodnocování malých změn kapacity snímače ΔC SN, a to dvojím způsobem. Změnu kapacity lze určit měřením výstupního napětí U V (jω) oscilačního obvodu řízeného změnou impedance Z(jω) nebo měřením frekvence oscilačního obvodu. Princip první metody, tj. Z(jω) = f(δc SN ), se realizuje obvodem dle obr Oscilační obvod je naladěn na bok rezonanční křivky tak, že v klidovém stavu je na jeho výstupu poloviční rezonanční napětí. Změnou kapacity snímače C SN charakterizovanou parametrem δ C = ΔC SN /C SN se mění napětí oscilačního obvodu, takže výstupní napětí U v měřené vf voltmetrem může být značeno přímo v hodnotách kapacity. Volbou šířky rezonanční křivky lze volit pracovní oblast snímače s vyhovující citlivostí a linearitou. Princip vyhodnocování změny frekvence ω = f(c+δc) lze realizovat oscilátorovými obvody typu RC, resp. LC. V zapojení dle obr kapacita snímače C SN určuje frekvenci oscilátoru. Signál této frekvence se odebírá na emitorovém odporu a vyhodnocuje se číslicově čítačem nebo frekvenčním diskriminátorem naladěným na střední frekvenci, jeho výstupem je stejnosměrné napětí s lineární charakteristikou v širokém rozmezí frekvencí. Při nespojitém vyhodnocení (tj. při identifikaci předmětu) je místo diskriminátoru použit komparátor. Obr Zapojení kapacitního snímače do zpětné vazby integračního zesilovače Obr Zapojení a charakteristiky rezonančního obvodu 3

9 Nespojité kapacitní snímače polohy pracují na principu vyhodnocování kmitů oscilačního RC obvodu. Vniknutím předmětu (vodivého i nevodivého) do elektrostatického pole kondenzátoru se mění kapacita oscilačního obvodu a tím amplituda jeho kmitů. Jejím dvouhodnotovým vyhodnocením se získá logický signál o přítomnosti předmětu v aktivní zoně snímače. Výhodou proti indukčnostním snímačům tohoto typu je větší spínací vzdálenost. Elektricky ji lze zmenšením citlivosti zmenšit, čímž se dosáhne toho, že snímač určité předměty neindikuje. Nevýhodou je vliv vlhkosti aktivní plochy, který může způsobit i nežádoucí sepnutí, takže snímače vyžadují kompenzaci vlhkosti. Obr Oscilační obvod LC Kapacitní snímače jsou konstrukčně jednoduché, snadno montovatelné, citlivé a vzhledem k vysokým kmitočtům napájecích napětí dostatečně rychlé. Kromě měření polohy a s tím souvisejících měření např. tloušťky materiálu se používají k měření zrychlení v protinárazovém automobilovém systému air-bag (obr. 3.80), síly, tlaku (obr. 3.06), hladiny (obr. 3.40), vlhkosti (obr. 3.80), vodivosti kapalin a dalších veličin Indukčnostní snímače polohy Princip indukčnostních snímačů polohy spočívá v převodu polohy na změnu vlastní indukčnosti L cívky (tlumivkové snímače), případně vzájemné indukčnosti M dvou cívek (transformátorové snímače). Rozdělení indukčnostních snímačů podle uspořádání magnetického obvodu se provádí do čtyř skupin: a) snímače s uzavřeným magnetickým obvodem, b) snímače s otevřeným magnetickým obvodem, c) snímače s potlačeným magnetickým polem (s aplikací vířivých proudů), d) snímače bez feromagnetika. Obr. 3.3 Náhradní schéma obvodu indukčnostního snímače Snímací prvky mohou být v provedení jednoduchém nebo diferenciálním s výstupním signálem spojitým nebo nespojitým. Měřicí element indukčnostních snímačů polohy může působit na vstupu do cívky nebo na jádro. Elektrické náhradní schéma obvodu s indukčnostním snímačem je nakresleno na obr Kromě indukčnosti L SN představuje vinutí snímače odpor R SN a kapacitu C SN mezi závity (lze ji zanedbat). Odpor vedle činné složky má složky reprezentující vířivé proudy a ztráty magnetickou hysterezí jádra. Při běžných kmitočtech 5 50 khz platí ωl R 0R, takže údaj indukčního snímače je závislý na kmitočtu. Pro dynamická měření je třeba, aby kmitočet napájecího napětí byl zhruba desetinásobkem kmitočtu změn měřené veličiny, s jeho růstem se zhoršuje činitel jakosti Q, tj. zmenšuje se citlivost, takže není vhodné příliš ho zvyšovat. S měřicím obvodem je snímač spojen vedením s odporem R V, indukčností L V, kapacitou mezi vodiči C V a izolačním odporem R IZ. Pro minimalizaci vlivu změn parametrů vedení na výstupní signál snímače musí být jeho reaktance X L = ω L SN navržena tak, aby platilo: R V, ω L V << ω L SN << R I Z ω C a) Indukčnostní snímače s uzavřeným magnetickým obvodem Tlumivkové snímače polohy základní vztahy Vlastní indukčnost cívek tlumivkových snímačů je staticky definována výrazem:, V (3.5) (3.6) 32

10 v němž byl použit Hopkinsonův zákon, podle kterého pro magnetický tok Φ platí: Φ Prostředky automatizační techniky Komplexní magnetická impedance Z M je dána součtem činné a jalové složky magnetického odporu, tj. lze ji psát ve tvaru: (3.6a) Pro reálnou složku magnetického odporu R M platí vztah: (3.6b) v němž l jsou délky siločar, S průřezy magnetického obvodu a μ je permeabilita prostředí, přičemž indexy znamenají vzduch a magnetikum. Pro komplexní složku X M platí vztah: Obr Indukčnostní snímač s proměnnou délkou vzduchové mezery (3.6c) v němž P 0 je ztrátový výkon vlivem hystereze a vířivých proudů, tabelován pro materiály při indukci B =Ta f = 50 Hz, pro oblast kmitočtů do 0 4 Hz lze tento člen zanedbat. Pro impedanci cívky snímače Z získáme dle náhradního schématu na obr. 3.3 zanedbáním odporu R SN, kapacity C SN akomplexní složky magnetického odporu X M dosazením (3.6, 3.6a,b) vztah: (3.6d) Impedanci indukčnostního snímače můžeme podle (3.6d) ovlivňovat proměnnou délkou siločáry l i ve vzduchové mezeře nebo v magnetiku, proměnnou plochou magnetického obvodu S i nebo proměnnou permeabilitou μ i. Tlumivkové snímače s proměnnou délkou vzduchové mezery Při zanedbání odporu feromagnetika plyne z rovnic 3.6, 3.6b,d pro indukčnost L snímače podle obr přibližný vztah: (3.6e) Závislost L na délce vzduchové mezery d je hyperbolická (obr. 3.32), snímač se používá pouze v oblasti malých vzduchových mezer, pro které je převodní charakteristika přibližně lineární. Diferenčním uspořádáním snímače dle obr. 3.33, v němž změny Δd vyvolají změny ΔL opačných znamének se v můstkovém zapojení dosáhne dvojnásobné citlivosti a zmenšení nelinearity. Obr Diferenční indukčnostní snímač s proměnnou délkou vzduchové mezery 33

11 Tlumivkové snímače s proměnnou plochou vzduchové mezery Používají se pro měření středních velikostí posunů. Schéma uspořádání snímače a převodní charakteristika je na obr Pro indukčnost L opět platí vztah (3.6d), plocha S je z celkového průřezu dána podílem Δl/b. Vyhovující linearity lze dosáhnout při posuvu Δx a velikosti mezery d výrazně menších než šířka mezery b (Δx << b, d << b) nebo diferenčním uspořádáním. Transformátorové snímače polohy Obr Indukčnostní snímač s proměnnou plochou vzduchové mezery Vzájemná indukčnost M dvou cívek je staticky definována analogickým způsobem jako vlastní indukčnost L, tj. podílem části magnetického toku Φ 2 vytvořeného jednou cívkou procházející plochou obepnutou druhou cívkou a proudu, jehož průchodem první cívkou se generuje magnetický tok, tj. platí: (3.7) Obr Princip transformátorového snímače polohy Vyhodnocování změny vzájemné indukčnosti využívají transformátorové snímače polohy, jejichž princip lze znázornit obr Jedno vinutí je napájeno střídavým napětím, ve druhém se vlivem změny magnetického odporu R M (dán délkou vzduch. mezery d) a tím toku Φ 2 a vzájemné indukčnosti M mění indukované napětí, tj. U IND = f (Φ 2 ). Nejčastějším uspořádáním transformátorového snímače je otevřený magnetický obvod s posuvným jádrem a diferenčně zapojenými sekundárními vinutími dle obr. 3.36a. Magnetická vazba mezi primárním a sekundárními vinutími je závislá na poloze jádra spojeného se zařízením, jehož poloha se odměřuje. Při odvození vztahu mezi výstupním napětím naprázdno U V0 a posuvem odměřovaného prvku s jádrem, určujícím vzájemné indukčnosti M, M 2, vyjdeme z Ohmova zákona pro vstupní obvod: u Ν = I (R + jω L ) (3.8a) Napětí naprázdno sekundárních vinutí u 20, 2 u 20 lze vyjádřit pomocí vzájemných indukčností M, M 2 vztahy: u 20 = j ω Μ Ι 2 u 20 = j ω Μ 2 Ι (3.8b) Pro výstupní napětí naprázdno u V0, které je dáno jejich rozdílem u 20 2 u 20, získáme vyloučením proudu I vztah: u vo = u u R u 20 = jω ω L ( M - M ) N u vo = M M ω 2 u N R + jωl (3.9) Tato závislost je graficky znázorněna na obr. 3.36c. Pro rozlišení směru pohybu jádra je třeba obě napětí od sebe odečítat zapojením dle obr. 3.37, obsahujícím navíc synchronní demodulátory SD. Ty sice nejsou principiálně nutné (proto vyznačeno čárkovaně, srovnej obr. 3.43), přesto se ale užívají z důvodu potlačení vyšších harmonických složek v napětích u 2, 2 u 2 vlivem primár- Obr Transformátorový snímač: a) princip, b) zapojení, c) charakteristika 34

12 ního proudu a parazitních kapacitních vazeb mezi primárem a sekundárem. To by způsobovalo nenulovou hodnotu výstupního napětí u v0 (i při pečlivé symetrii obou sekundárních vinutí) a zmenšovalo rozlišení posuvu kolem počátku (tj. při Δx 0). Výstup se ještě doplňuje převodníkem napětí-proud pro minimalizaci vlivu odporů vedení k měřicímu přístroji. Při měření větších změn polohy se používají transformátorové snímače pracující na principu měření fázového posuvu dvou elektrických signálů, pro posuv induktosyn, pro úhel otočení dvoufázový resolver (příp. trojfázový selsyn). Jejich společný Obr Induktosyn Prostředky automatizační techniky Obr Vyhodnocovací obvod transformátorového snímače polohy princip vychází z toho, že mechanicky posunutá (resp. pootočená) primární vinutí jsou napájena navzájem posunutými napětími. Fázový posuv indukovaného sekundárního napětí proti jednomu z primárních napětí je měřítkem mechanického posuvu s ním spojeného předmětu. Induktosyn, (obr. 3.38) se skládá z jezdce, spojeného s odměřovaným předmětem a pohybujícím se nad pevným měřítkem. Jezdec má dvě meandrovitá vinutí navzájem proti sobě posunutá o,25násobek délky jednoho meandru λ. Geometrickým uspořádáním je dáno, že průběh činitele vazby vinutí jezdce a měřítka je v rozsahu jednoho meandru přibližně sinusový. Je to tím, že při překrývání meandrů je indukované napětí maximální, při posuvu o λ/4 je nulové (sousední úseky jezdce protékané opačnými proudy indukují v měřítku napětí opačné fáze) a při posuvu o λ/2 se vinutí znovu překrývají, ale indukuje se napětí, které má vzhledem ke stavu předcházejícímu o λ/2 opačnou fázi. Vzduchová mezera asi 0,mm musí být konstantní. Vinutí jsou vyrobena metodou tištěných spojů na podkladových deskách ze skla, keramiky nebo magnetické oceli s izolační vrstvou. Přivedeme-li na jezdec dvě sinusová napětí navzájem posunutá o π/2 (/4 periody), tj. U N = A sinωt, U N2 = A sin (ωt π/2) = A cosωt, indukuje se v sekundárním vinutí součet dvou napětí, pro která při sinusové vazbě platí: (3.20) Výstupní napětí má stejnou amplitudu A a frekvenci ω jako vstupní, měřítkem posuvu jezdce vzhledem k pravítku je fázové zpoždění ϕ obou napětí. Přiřadíme-li délce kroku úhel 2π, je vyhodnocení dráhového posuvu Δx převedeno na vyhodnocení fázového posuvu ϕ obvodem synchronního detektoru. Při kroku meandru λ = 2 mm a přesnosti odměřování μm je nutné úhlové rozlišení 0,8, jak plyne z úměry Δx/ϕ = λ/2π. Protože ϕ nezávisí na amplitudě a kmitočtu, je výhodné měřit délku intervalu průchody nulovými napětími. Používají se proto systémy s nesinusovým (trojúhelníkovým) napájením, indukované napětí v měřítku je dáno superpozicí dvou obdélníkových napětí a fázový posun se vyhodnocuje podle posunu náběžné hrany indukovaného napětí vůči jednomu primárnímu napětí. Pro vyhodnocení úhlu natočení se používají resolvery a selsyny pracující na principu polohového transformátoru. Skládají se z dvoufázového (resp. třífázového) statoru s vinutími pootočenými o 90 (resp. 20 ) a jednofázového rotoru s vyvedeným vinutím. Fázový posuv ϕ výstupního napětí resolveru je roven dle obr úhlu natočení pohyblivého vinutí rotoru. Selsyny (obr. 3.40) jsou konstruovány jako vícefázové motory a používají se v párech vysílač + přijímač ve dvou variantách zapojení pro tzv. přímý (obr. 3.40a) nebo nepřímý (obr. 3.40b) přenos úhlu. V obou zapojeních mají statory obou selsy- Obr Resolver 35

13 Obr Selsyn: a) přímý přenos úhlu, b) nepřímý přenos úhlu Obr. 3.4a, b Charakteristiky selsynů nů propojeny odpovídající konce vinutí. V zapojení dle obr. 3.40a jsou spojeny i rotory a jsou napájeny ze společného střídavého zdroje u n. Jestliže se rotorem vysílače natočí o určitý úhel, indukují se v jeho statoru napětí generující magnetické pole ve statoru přijímače. Volný rotor přijímače se pak natočí o stejný úhel jako rotor vysílače. Pokud bychom ho upevnili, stanovili bychom závislost momentu vysílače na úhlu α vzájemného natočení rotorů selsynů dle obr. 3.4a. Průběh od počátku lze nahradit tečnou t, jejíž směrnice ( poměr přeneseného momentu a vzájemného natočení) se nazývá měrný synchronizační moment. Je základním parametrem definujícím při určitém zatížení velikost vzájemného natočení rotorů a tím i přesnost. Při nezatíženém výstupním rotoru je přesnost přenosu lepší než ±%. S růstem zatížení roste vzájemné pootočení obou rotorů až do hodnoty tzv. momentu zvratu, určeného tečnou t 2, při němž dojde k přerušení přenosu úhlové výchylky. Aby nevznikaly chyby při přenosu větších momentů, lze použít zapojení dle obr. 3.40b, v němž je napájen pouze rotor vysílače, zatímco rotor přijímače je jen zdrojem indukovaného napětí a vlastní natáčení provede servomotor. Charakteristika na obr. 3.4b proto udává závislost napětí vysílače na úhlu vzájemného natočení rotorů. V základní poloze jsou rotory vůči sobě kolmo, takže se v přijímači neindukuje žádné napětí (plocha závitů rovnoběžná s indukovaným tokem) a charakteristika vychází z počátku. Protože je snahou dosáhnout její maximální strmost, má přijímač hladký rotor (bez vyniklých pólů) a v drážkách velký počet závitů. Ze sběračů rotoru přijímače odebíráme napětí odpovídající složce toku vysílače ve směru osy rotoru přijímače, tj. u v = u n cos(90-α), kde α je úhel natočení vysílače vůči základní kolmé poloze rotorů. b) Indukčnostní snímače s otevřeným magnetickým obvodem Princip činnosti spočívá ve změně indukčnosti cívky v závislosti na poloze feromagnetického jádra spojeného s odměřovaným předmětem (obr. 3.42). Snímač se zpravidla realizuje v diferenčním uspořádání dle obr Pro poměrnou změnu indukčnosti ΔL/L 0 platí rovnice (3.2): (3.2) Pro maximum citlivosti je proto třeba, aby oba podíly l/l 0 a r/r 0 byly minimální (tj. blížily se jedné) a permeabilita jádra μ r byla maximální. Výhodou je možnost použití snímače pro měření velkých změn polohy, nevýhodou je menší citlivost, nároky na přesné provedení cívek a větší počet závitů, z čehož vyplývá větší parazitní kapacita. Vyhodnocení se realizuje můstkem zapojeným dle obr. 3.43, diagonální napětí je demodulováno synchronním demodulátorem SD s nosným napětím odvozeným z napájecího napětí můstku. Obr Charakteristika indukčnostního snímače s otevřeným magn. obvodem Obr Zapojení diferenčního indukčnostního snímače s otevřeným magnetickým obvodem 36

14 c) Indukčnostní snímače s potlačeným magnetickým polem (s vířivými proudy) Princip snímačů je znázorněn na obr Vložením elektricky vodivého a magneticky nevodivého (diamagnetického) materiálu do vysokofrekvenčního magnetického pole snímače s intenzitou H SN se v něm indukují vířivé proudy budící magnetické pole s intenzitou H VÍŘ. Její směr je podle Lenzova zákona opačný než směr intenzity pole budicí cívky, z čehož plyne označení termínem potlačené magnetické pole. Budicí cívka je součástí LC-oscilátoru, po jehož připojení napětí začne LCobvod kmitat a vznikne vysokofrekvenční elektromagnetické pole soustředěné feritovým jádrem přes aktivní plochu do osy snímače. Při přiblížení elektricky vodivého předmětu k čelu cívky (vzdálenost d) se elektromagnetickým polem vířivých proudů zmenší tok Φ, tím podle (3.6) indukčnost budicí cívky a kmitání LC-obvodu utlumí. Výstupní signál rozlaďovaného oscilátoru je přiveden na vstup komparátoru porovnávajícího prahovou hodnotu napětí s hodnotou na svém vstupu a v případě přítomnosti předmětu překlopí výstupní klopný obvod. Využívají se zpravidla pro dvoupolohovou indikaci (detektor přiblížení proximity switch), vzhledem ke změně indukčnosti je lze použít i pro spojitá měření vzdálenosti v rozsahu do asi 50 mm s výstupním signálem 0 20 ma, získaným zapojením snímače do můstku. Jejich použití je např. pro měření nevystředěnosti rotujících součástí ( házení ), zjišťování koroze pod ochrannými povlaky nebo rozlišování kovů a slitin (mincovní automaty). Parametry snímačů s potlačeným magnetickým polem Nominální (jmenovitá) spínací vzdálenost S N je hlavním technickým parametrem definujícím axiální vzdálenost předmětu od aktivní plochy snímače, při níž snímač změní stav výstupu. Určuje se pomocí normalizované clonky (plech čtvercového tvaru s délkou hrany rovnou průměru snímače a tloušťkou mm z referenčního materiálu dle normy IEC ). Vzhledem k různým elektrickým a magnetickým vlastnostem kovů je vzdálenost S N vždy udávána pro srovnatelný materiál. Pro každý kov byl stanoven tzv. korekční faktor, který je funkcí podílu vodivosti γ a permeability μ a jímž je třeba vynásobit S N při použití jiného kovu (ocel,00; měď 0,25 0,45; mosaz 0,35 0,50; hliník 0,30 0,45; nikl 0,65 0,75). Pokud není přibližování předmětu a snímače v ose snímače, uvádějí výrobci spínací charakteristiky pro přiblížení z bočního směru a to způsobem znázorněným Obr Spínací charakteristiky ind. snímače při radiálním pohybu předmětu na obr. 3.45, z něhož je patrná souvislost spínací vzdálenosti S a vzájemného překrytí x předmětu se snímačem (při malé vzdálenosti stačí malé překrytí, při větší vzdálenosti musí být překrytí plochy předmětu a plochy snímače větší). Skutečná (resp. použitelná) spínací vzdálenost S R (S U ) je zjišťována při teplotě 23 ± 5 C (resp. -25 C +70 C) a napájecím napětí v celém rozsahu (resp. v rozsahu 85 % 0 %) a odrážejí výrobní tolerance materiálů, resp. změny pracovních podmínek. Platí pro ně nerovnosti: 0,9S N S R,S N 0,8S N S U,2S N Hystereze H je rozdíl mezi polohou spínacího bodu při přibližování a oddalování standardizovaného měřicího předmětu od aktivní plochy snímače. Význam parametrů S N,S R, S U a H je graficky znázorněn na obr Prostředky automatizační techniky Obr Indukčnostní snímač s potlačeným magnetickým polem Tyto snímače se vyrábějí v provedení válcovém (obr. 3.47, na čele patrné hrníčkové jádro cívky rezonančního obvodu, f 50 khz), štěrbinovém, tj. magnetické pole mezi dvěma cívkami vytvářejícími volnou štěrbinu, používané např. při snímání polohy ukazatele regulátorů, nebo s kruhovým Obr Spínací charakteristiky ind. snímače při axiálním pohybu předmětu 37

15 otvorem (výstup se aktivuje vniknutím předmětu dovnitř kruhového otvoru, v němž je soustředěno magnetické pole). Materiálem pouzdra a snímací plochy je nerezová ocel, mosaz s povrchovou úpravou niklem nebo teflonem, plastické hmoty Crastin (polybutylentereftalát) nebo Ryton (polyfenylsulfid). Do elektrického obvodu se zapojují dvěma, třemi nebo čtyřmi vodiči. Dvouvodičový snímač se chová jako kontakt, takže se k zátěži zapojuje sériově. Aby byl ale napájen i v rozepnutém stavu, musí jím přitom protékat zbytkový proud, což omezuje odpor zátěže pro dodržení stavu L. a) b) U tří a čtyřvodičového zapojení Obr Zapojení relé na výstup ind. snímače: a) společný +, b) společný - d) Indukčnostní snímače bez feromagnetika Snímač je tvořen alespoň dvěma, při diferenčním uspořádání třemi cívkami, umožňujícími vzájemný pohyb dle obr Jeho činnost je založena na transformátorovém principu, tj. indukováním napětí magnetickou vazbou dvou obvodů. Protože neobsahuje žádnou feromagnetickou část, odpadají parazitní vlivy spojené s feromagnetikem. Popis lze odvodit z náhradního schématu na obr. 3.50, v němž pro vzájemnou indukčnost M primárního a sekundárního obvodu platí vztahy: ( R + jωl ) I ω M I 2 j = U jsou napájení oddělena, takže toto omezení odpadá. Podle toho, k jakému pólu zdroje připojuje koncový tranzistor zátěž, rozlišujeme zapojení typu NPN (zátěž na kladném pólu, tj. se společným +, obr. 3.48a), nebo zapojení typu PNP (zátěž na záporném pólu, tj. se společným, obr. 3.48b, srovnej obr a 5.56). Čtyřvodičové zapojení má výstup přepínací. (3.22a) Obr Provedení ind. snímače polohy s potlačeným magnetickým polem Obr Princip indukčnostního snímače bez feromagnetika Obr Náhradní schéma obvodu dvou cívek ( R + jωl ) j ω M = 0 I2 2 2 I (3.22b) Za předpokladu, že ωl >> R, R Z >> ωl 2 >> R 2 platí: u I =, I j L 2 = ω u 2 R Z a po dosazení z (3.22 a,b) získáme pro výstupní napětí vztah: (3.22c) Obr. 3.5 Diferenční uspořádní indukčnostního snímače bez feromagnetika v němž χ 0, je tzv. činitel vazby závislý na vzájemné poloze cívek a odpovídajících rozptylových magnetických tocích. V diferenčním uspořádání dle obr. 3.5 jsou shodné cívky A, B zapojeny proti sobě, takže pro jejich napětí platí rovnost U A = U B = U (tj. polovina napětí zdroje), čímž je intenzita výsledného magnetického pole v rovině souměrnosti nulová. Při vysunutí třetí cívky C z roviny souměrnosti cívek A, B o dráhu Δx se v ní bude indukovat napětí dané dle 3.22d vztahem: 38 u M χ L L 2 u 2 = jω M I = jω M = u = u = u χ jωl L L L L 2 (3.22d)

16 Prostředky automatizační techniky U C M = U L Toto napětí je v určitých mezích lineární funkcí posunu ±Δx. Vyhodnocovací obvody indukčnostních snímačů polohy a) Střídavé můstky CA A M L Zapojení diferenčních snímačů do měřicího můstku napájeného ze zdroje proudu I je znázorněno na obr Pro diferenční snímač reprezentovaný impedancemi Z,Z 2 platí: Z = Z + ΔZ, Z 2 = Z - ΔZ (3.23a) Konstantní shodné impedance Z 3,Z 4 označíme násobkem základní hodnoty Z, tj. Z 3 = Z 4 = n Z. Podle Kirchhoffových zákonů lze psát: Z i R i Z i, Z D = 0 Vyloučením neznámých proudů i i 4 získáme z uvedených 5 rovnic výraz pro i D a tím závislost výstupního diagonálního napětí U D na změně impedance ΔZ: ( I - ) + R Z i = ( ) + Z 2 I = -2i Z + + Z 2 I = 0 Z 2 i D Z i i Z Z 2 R Z i D + CB B I=i + i ; i = i + i ; i + i = i 2 2 D 4 D 3 R i D + Z3i3 Z 4i 4 Z = R Z i D Obr Můstkové zapojení diferenčního indukčnostního snímače polohy 0 R Z i D + Z 3 ( i + i ) (- i + I - i ) = i ( + Z ) + i ( + + ) I = i 2 n Z + i ( + 2 nz) nzi = 0 D Z 4 D Z 3 4 D R Z Z 3 Z 4 Z 4 D R Z Vynásobením první rovnice parametrem n a součtem obou rovnic obdržíme: diagonální napětí můstku U D má proto velikost: U D = R ΔZ ΔR+jωΔL Vyjádříme-li podíl = ω L jako funkci činitele jakosti Q= >> Z R+jωL, lze po usměrnění a jednoduché úpravě vypočítat, že funkcí změny indukčnosti ΔL: Z i D = R Z R Z ΔZ ΔL Z L n Δ ( + n ) Z I ΔZ = + 2 Z n Z n I + n + 2n Z R Z. Z výpočtu plyne, že diagonální napětí můstku je lineární R (3.23b) 39

17 b) Transformátorové můstky Princip zapojení dvou typů můstků s diferenčním snímačem s impedancemi Z = Z + ΔZ, Z 2 = Z ΔZ podle (3.23a) je uveden na obr c) Rezonanční obvody Rezonanční obvody se aplikují způsobem uvedeným v kapitole (kapacitní snímače), princip je graficky vyjádřen zapojením a charakteristikou na obr Obr Transformátorový můstek Indukční snímače polohy Činnost indukčních snímačů je založena na využití Faradayova zákona pro indukované napětí: Optické snímače polohy Užití principů optiky umožňuje konstrukci miniaturních snímačů polohy s vysokou rozlišovací schopností limitovanou jevy při ohybu světla, tj. řádově jednotky μm. Vedle miniaturizace jsou jejich základní předností necitlivost vůči elektromagnetickému rušení a galvanické oddělení měřeného objektu a měd Φ u IND = N dt Polohu (resp. rychlost a zrychlení) lze stanovit na základě rychlosti časové změny magnetického toku dφ/dt spojeného s N závity pevné cívky (tzv. snímače s pohyblivým magnetem, elektromagnetické) nebo se pohybem vodičů mění počet závitů N, které jsou v daném časovém okamžiku vázány se stálým magnetickým tokem Φ (tzv. snímače s pohyblivou cívkou, elektrodynamické). Ve srovnání s pasivními indukčnostními snímači jsou proto indukční snímače aktivní. Elektromagnetické snímače vyhodnocují změnu magnetického toku pomocí změny impedance magnetického obvodu. Princip uspořádání snímače kmitavého pohybu je znázorněn na obr Na jádře permanentního magnetu je nasazena cívka s N závity. V magnetickém poli se pohybuje feromagnetický prvek spojený s odměřovaným předmětem. Napětí ve snímací cívce je dáno časovou změnou toku Φ, řízeného magn. odporem R M vzduchové mezery (Φ = F M /R M ). Změně její délky či průřezu odpovídá amplituda výstupního napětí. Vzhledem k jednoduchosti elektromagnetických snímačů nevyžadujících vnější napájecí zdroj je jejich hlavní užití při měření rychlosti (zejména otáčivé obr. 3.66). Elektrodynamické snímače využívající pohyb vodiče resp. cívky v magn. poli lze principiálně znázornit obr Pohybuje-li se vodivý pás šířky l v magnetickém poli indukce B, lze mezi kontakty K,K 2 ve směru kolmém k rovině vektorů rychlosti v a indukce B změřit napětí u IND = B l v. Tento princip je užíván u elektrodynamického snímače kmitavého pohybu dle obr Ve vzduchové mezeře magnetického obvodu je na pružné membráně zavěšena cívka, na kterou se prostřednictvím táhla přenáší měřený kmitavý pohyb v rozmezí zdvihů 2 μm Obr Princip elektrodynamického snímače přímočarého pohybu Obr Elektromagnetický snímač kmitavého pohybu Obr Elektrodynamický snímač kmitání 5 mm a pásmu frekvencí Hz 3 khz. Indukované napětí má stejný průběh jako rychlost pohybu cívky s citlivostí asi 0 V/ms -, speciální snímače pro seismická měření až 0 kv/ms -. Pro stanovení amplitudy kmitů se indukované napětí integruje, zrychlení se určí jeho derivací. 40

18 řicího obvodu. Při přenosu informace optickými vlákny je možné použití v hořlavých a výbušných prostředích. Zdrojem záření jsou luminiscenční nebo laserové polovodičové diody, snímací prvky (fotodiody, fototranzistory, CCD-snímače) jsou popsány v kap Využívají se tři konstrukční principy vyhodnocování změny polohy zdroje, zastínění světelného toku mezi zdrojem a detektorem nebo interference zdrojového a odraženého paprsku. Optické snímače polohy dělíme způsobem standardně užívaným při klasifikaci snímačů do dvou skupin: a) snímače pro spojité měření polohy (absolutní nebo inkrementální), b) snímače pro nespojité vyhodnocování (indikaci) polohy. Optické snímače pro spojité měření polohy Výstupem absolutních snímačů je signál s úplnou informací o poloze tím, že ji definuje vzhledem k referenčnímu bodu. Konstrukční realizací je kódový obrazec (pravítko pro přímočarý pohyb nebo kotouč pro rotační pohyb) se systémem průhledných a neprůhledných ploch znázorněných pro případ rotačního pohybu na obr Jimi prochází světelný tok dopadající na soustavu geometricky přesně uspořádaných snímačů, které vytvoří digitální informaci o absolutní poloze měřeného předmětu. Pro představu lze uvést, že Prostředky automatizační techniky kódový kotouč na obr při průměru 0 cm může mít až 7 stop, tj. 2 7 =3072 rozlišitelných poloh. Pro zamezení hazardů při průchodu sousedních stavů je třeba použít bezpečnostní kódy, na obr je použit Grayův (zrcadlový) kód. Na rozdíl od inkrementálních snímačů zde nedochází k akumulaci případných chybových signálů. Výstupem inkrementálních (přírůstkových) snímačů je sled pulzů inkrementujících obsah čítače. Laserový interferometrický snímač (obr. 3.58) pracuje na principu skládání dvou vln měrné a referenční. Svazek rovnoběžných paprsků dopadá pod úhlem 45 na polopropustnou plochu, od níž se část paprsků odráží k pevnému zrcadlu a část postupuje k pohyblivému zrcadlu spojenému s měřeným objektem. Odražené paprsky se na polopropustné ploše sčítají a vytvářejí interferenční kroužky tak, že při Obr Interferometrický snímač polohy posunu o vlnovou délku záření λ se objeví na výstupu 2 impulzy (skutečné zvětšení dráhy paprsků je 2 Δx). Citlivost snímačů je proto impulz / 0,5λ, tj. signál čítače násobený hodnotou 0,5λ určuje odměřenou vzdálenost. Úpravou optických vlastností záření se docílí rozlišení směru pohybu. Obr Inkrementální fotoelektrický snímač polohy Obr Absolutní snímač úhlu natočení Inkrementální snímač se stíněním světelného toku je znázorněn na obr Světelný tok Φ procházející otvory posuvného pravítka a pevné masky 2 dopadá na dvojici fototranzistorů T a T 2. Při pohybu pravítka dochází ke změnám dopadajícího toku měnícího kolektorové napětí, které po vytvarování generuje dvě posloupnosti pulzů označené a, b posunuté o /4 periody. To je dáno posuvem dvou systémů otvorů masky o nλ + λ/4 roztečí, tj. o λ/4 vzhledem k otvorům v pravítku. Kombinace náběžných a sestupných hran rozděluje rozteče λ na čtyři části (tzv. čtyřkvadrantová interpolace počet el. impulzů je čtyřnásobkem počtu posunutých proužků), tím se zvyšuje čtyřnásobně cit- 4

19 livost. Příklad zapojení obvodů pro vyhodnocení hran h h4 je na obr Dvěma čtyřvstupovými negovanými součiny se generuje signál pro řízení směru čítání impulzů. Protože inkrementální měřicí systém nedává informaci o absolutní poloze (nemá začátek), musí být doplněn třetím kanálem s referenční značkou pro počátek měření. Z toho plyne nevýhoda snímače spočívající v tom, že změna obsahu čítače rušivými signály je korigovatelná až po dosažení referenční značky. Zvětšování citlivosti zmenšováním rozteče λ je omezeno ohybem světla, a proto se provádí antiparalelním zapojením dvou fotodiod místo fototranzistoru. Jejich výstupní signál blízký funkci sinϕ se interpoluje, a tak lze rozlišit posuvy až 0,05 μm nebo pootočení o 0,0005 stupně. Zvláštním typem snímačů jsou tzv. optoelektronické CCD-snímače (kap. 3.8), založené na aplikaci nábojově vázaných struktur, které jsou schopné vyhodnocovat souřadnice osvětlených bodů buď jako řádkový, nebo plošný senzor. Snímač může obsahovat až 5000 fotocitlivých bodů s rozměry 00 x 00 až 7 x 7 μm. Čtecí frekvence se pohybuje v rozmezí 2 20 MHz. Plošné snímače umožňují znázornit i dvourozměrné obrazy. Optické snímače pro nespojité měření polohy Tyto snímače generují binární signál o výskytu indikovaného prvku v určité poloze. Rozdělujeme je do tří skupin (obr. 3.60) průchozí (tzv. jednocestná závora s odděleným vysílačem a přijímačem a spínací vzdáleností až 00 m), reflexní, vyhodnocující odraz od snímaného objektu (tj. bez odrazky, spínací vzdálenost do 500 mm), a reflexní s odrazkou (tzv. reflexní závora) s dosahem do 0 m vzhledem k většímu vrácenému světelnému výkonu než v případě reflexe objektu. Jednoduchá závora je jednorozměrná. Seřazením několika závor nad sebou a logickým propojením získáme optickou mříž, hlídající celou plochu mezi vysílací a přijímací stranou. Optickou mříž lze provést i tak, že se záření jednoho vysílače vede po odrazu do soustavy zrcadel různými drahami, v tom případě mluvíme o světelné zácloně. Reflexní provedení má ve srovnání s průchozím menší světelnou účinnost, je náchylnější ke znečištění (např. orosení), ale prostorově a montážně je vzhledem ke své jednostrannosti výhodnější (odpadá obousměrná zástavba). Zdroj i přijímač světla jsou konstrukčně spojeny do jedné jednotky. Na opačné straně sledovaného prostoru je umístěno zrcadlo (reflektor) nebo je paprsek odražen od reflektující plochy objektu. Protože použití obyčejného planárního zrcadla by mohlo působit Obr. 3.60a Reflexní závora s polarizací světelného paprsku potíže při provozních změnách jeho polohy, používá se speciálních trojzrcátek, složených ze tří navzájem kolmých rovin (roh krychle jako u motorových vozidel), která zaručí zpětný odraz i při značném odklonu zrcadla od kolmé roviny. Aby nedošlo k nežádoucímu odrazu od snímané plochy, která sice přeruší světelný paprsek dopadající na reflektor, ale vzhledem k vlastnostem svého povrchu odrazí tolik světla, že ho elektronika přijímací části vyhodnotí jako nepřítomnost předmětu, používají se polarizační filtry propouštějící světlo pouze v určité rovině. Reflektor musí mít schopnost při odrazu rovinu dopadajícího světla o 90 otočit, takže filtry vysílače a přijímače se musí navzájem proti sobě o 90 přesadit (obr. 3.60a). Rušení cizím světlem se potlačuje tím, že vysílač pracuje střídavě a fotozesilovač se naladí na jeho frekvenci. Průchozí snímače se užívají pro počítání předmětů, zavírání dveří výtahů, reflexní snímače v hygienických zařízeních, snímačích čárového kódu, plnění nádob či otevírání dveří. Optické vláknové snímače (OVS) Optické vláknové snímače vznikly na základě vývoje a aplikací optických vláken užívaných pro přenos dat. Jejich princip vychází z důsledku Snellova zákona pro lom paprsků při dopadu na rozhraní dvou 42 Obr Reflexní a průchozí optický snímač polohy

20 prostředí, na němž se část záření odráží zpět do původního prostředí a část prochází do nového prostředí. Totální odraz paprsků nastává, jestliže jejich úhel dopadu dosáhne kritickou hodnotu ϕ K, pro kterou platí sinϕ K = n 2 /n. Protože je podíl n 2 /n <, může totální odraz nastat pouze na rozhraní materiálů hustší řidší (tj. např. sklo vzduch). Dělení OVS se provádí do dvou základních skupin: a) nevlastní (externí) snímače vyžadují vnější čidlo, vlákno pouze přenáší signály, např. snímač polohy clonící světelný tok přiváděný optickými vlákny k optoelektronickému snímači, b) vlastní (interní) snímače měřená veličina působí přímo na přenosové vlastnosti vlákna (útlum, fáze, index lomu). Podle způsobu modulace světla rozlišujeme snímače s modulací amplitudovou (tzv. intenzitní), fázovou, polarizační, vlnové délky a časového šíření impulzů. Základní příklad užití OVS znázorňuje reflexní snímač polohy na obr. 3.6, v němž P 0 (P ) znamenají vysílaný (přijímaný) zářivý tok. Tvar převodní charakteristiky P /P MAX = f (x / D) je dán tím, že podíl odraženého světla vysílače v zorném poli přijímače při růstu vzdálenosti x roste, zároveň ale se čtvercem vzdálenosti klesá odražený výkon. Obr ukazuje příklad použití vláknových světlovodů pro měření výšky hladiny. Měřená veličina (tj. výška hladiny) působí na vlákno Obr OVS výšky hladiny nebo složení Prostředky automatizační techniky Obr. 3.6 Reflexní OVS polohy a mění jeho optické vlastnosti tak, že v části vlákna, které je zbaveno pláště a ponořeno do kapaliny, dochází v důsledku změny indexu lomu mezi vláknem a kapalinou k vyzařování světelné energie do kapaliny. Tím nastane na výstupu vlákna pokles intenzity záření. Systém lze použít i pro měření složení kapaliny tak, že při konstantním ponoření vláknového snímače je rozptyl a tím ztráta světla úměrná indexu lomu pro směr z vlákna do kapaliny. Měření složení kapaliny je tak převedeno na měření jejího indexu lomu. Další užití OVS je např. pro snímání síly (změnou útlumu mikroohyby optického vlákna), úhlové rychlosti (gyroskop s OVS) atd Ultrazvukové snímače polohy Ultrazvukové snímače polohy pracují na principu měření doby, za kterou přijímač detekuje ozvěnu ultrazvukových pulzů generovaných vysílačem a odražených od zaměřovaného objektu. Jejich rozvoj začíná za I. světové války v důsledku potřeby prostorové lokalizace neviditelných podmořských cílů. Dva základní funkční bloky proto jsou vysílač ultrazvuku magnetostrikční měnič pro nízké frekvence (délková změna feromagnetika v magnetickém poli) nebo piezoelektrický měnič pro vysoké frekvence (inverzní piezoelektrický Obr Blokové schéma ultrazvukového snímače polohy jev) a přijímač ultrazvuku převádějící odražené mechanické kmity na elektrické. Blokové schéma dle obr dále obsahuje vyhodnocovací obvody, realizované v současnosti na bázi mikroprocesorů (ATMEL 205), ovládací a zobrazovací prvky. Ultrazvukový převodník (vysílač/přijímač) vyšle krátký ultrazvukový pulz, tj. řádově 0 20 period UZ-signálu s kmitočtem daným rezonancí užitého ultrazvukového měniče (řádově desítky khz) a současně začne odměřovat čas. Potom se přepne do přijímacího režimu a je vyhodnocován přijatý odražený ultra-zvukový pulz, u kterého se nejdříve zjišťuje, zdali je opravdu možným odrazem vyslaného signálu. Jestliže ano, je z délky intervalu a rychlosti šíření zvuku v daném prostředí odvozena vzdálenost překážky. Z tohoto principu plyne, že přesnost je dána dvěma faktory. Jednak je to vliv prostředí na rychlost zvuku (vlhkost, teplota), jednak přesnost měření jasnosti (zřetelnosti) odezvy. Užití ultrazvukových snímačů při měření hladiny je uvedeno na obr