ESKÉ VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická BAKALÁ SKÁ PRÁCE 2009 Ji í Kroužek
ESKÉ VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra m ení Plovákový pr tokom r s elektrickým výstupem Vedoucí práce Autor prof. Ing. Pavel Ripka, CSc. Ji í Kroužek Praha 2009
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou bakalá skou práci vypracoval samostatn a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v p iloženém seznamu. Nemám závažný d vod proti užití tohoto školního díla ve smyslu 60 Zákona.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o zm n n kterých zákon (autorský zákon). V Praze dne.. podpis
Pod kování V prvé ad bych touto cestou rád pod koval vedoucímu práce panu Prof. Ing. Pavlu Ripkovi, CSc. za jeho ochotu a pomoc p i ešení této práce. Dále bych cht l pod kovat kolektivu firmy EMKOMETER za pomoc p i ešení technických problém.
Anotace P edkládaná bakalá ská práce je rozd lena na dv ásti. První ást se zabývá popisem principu plovákového pr tokom ru s kovovou m icí trubicí a magnetickou spojkou pro p enos polohy plováku na m icí stupnici. Ve druhé ásti se eší možnost bezkontaktního snímání polohy plováku. Nejprve studujeme možnost lineárního sníma e a pak volíme snímání úhlu nato ení ukazatele. D raz je kladen na nejnov jší magnetické sníma e polohy využívající senzory AMR a GMR. Srovnáním jednotlivých metod je vybráno nejlepší ešení. Annotation My bachelor graduation thesis are divided into two parts. First part describes principles of float flowmeter with metal measuring tube and magnetic coupling for transmission of positon of float to the pointer on the measurement scale. In second part there are several methods of transducers of float position (angle of dial pointer) to electrical output compared. Tested sensors are based on magnetic field sensing. After the comparison of the selected sensors there is an optimum solution choosen.
1 Úvod... 1 2 Popis stávajícího pr tokom ru... 2 2.1 M ení pr toku úvod... 2 2.2 Základní pojmy a definice... 2 2.3 Základní fyzikální zákony související s pr tokem tekutin... 4 Rovnice kontinuity... 4 Bernoulliho rovnice... 5 Odvození pro nestla itelnou kapalinu... 5 2.4 Pr tokom r s plovákem... 7 2.5 Celokovový pr tokom r typ K firmy EMKOMETER... 10 Popis... 10 Stru ný postup výroby p ístroje... 12 Elektrický výstup... 13 2.6 Ur ení intenzity a prostorového rozložení magnetického pole pr tokom ru... 15 Úvod... 15 Popis m ení... 15 Použité p ístroje... 15 Vlastní m ení... 15 Záv r m ení... 19 3 Návrh senzoru úhlové polohy... 19 3.1 Motivace... 19 3.2 Dispozice p ístroje... 19 3.3 Možnosti snímání úhlové polohy... 20 Kontaktní... 21 Bezkontaktní... 21 3.4 Ov ení vybraných m icích princip v praxi... 24 Popis senzor... 24 Typy možných chyb v pr b hu m ení... 29 Použité p ístroje... 30 M icí p ípravek... 31 Vlastní m ení... 32 Zhodnocení m ení... 57 4 Záv r... 58
5 Použitá literatura... 59
1 Úvod Tato bakalá ská práce vychází z pr myslové praxe. Zabývá se možnostmi zdokonalení p enosu polohy plováku celokovového pr tokom ru s magnetickou spojkou firmy EMKOMETER, s.r.o. na elektrický výstup. Typové ozna ení pr tokom ru je K. Praktická ást se v nuje magnetickým sníma m úhlové polohy. Cílem je porovnání jednotlivých sníma a výb r nejvhodn jšího. Další fází navazující na tuto bakalá skou práci bude zpracování signálu senzoru v mikroprocesoru a realizace íslicového výstupu na standardizované sb rnice - 1 -
2 Popis stávajícího pr tokom ru 2.1 M ení pr toku úvod M ení pr toku a proteklého množství tekutin (kapalin, par plyn ) pat í mezi nejd ležit jší m ení hlavn v ídicí technice. Realizuje se pomocí rozli ných m icích systém založených na r zných fyzikálních principech. Všechny metody ur ování pr toku jsou v podstat založeny na ur ování st ední rychlosti proud ní nebo na ur ení objemu pop. hmotnosti proteklé kapaliny v ur itém asovém intervalu. Toho m že být dosaženo mnohými metodami, od kontaktních na principu tlakové diference po moderní bezkontaktní metody s využitím ultrazvuku a jiných metod. Jedná se o netriviální problematiku. Pro výb r vhodného pr tokom ru je nutné respektovat vlastnosti m ené tekutiny ale také typ proud ní, i asové zm ny pr toku. 2.2 Základní pojmy a definice Tekutina je souhrnný název pro kapaliny a plyny. Jejich spole nou vlastností je tekutost daná snadným pohybem ástic látky. P i toku se p izp sobuje obrys m nádoby. Tekutiny d líme na newtonovské a ne newtonovské. Kritériem rozd lení je platnost Newtonova zákona viskozity pro danou tekutinu. Newton v zákon viskozity stanovuje vztah mezi nap tím a rychlostí deformace jako p ímou úm ru, kde konstantou úm rnosti je dynamická viskozita. [Pa] (1) Kde je te né nap tí v tekutin [Pa], je viskozita kapalina [Pa.s] je gradient rychlosti kolmý na sm r te ného nap tí [s-1 ] Rychlost pohybující se ástice tekutiny v je vektor, jehož sm r je totožný se sm rem te ny k dráze ástice a jehož velikost je dána pom rem elementu dráhy Δl k asu Δt pot ebnému k jeho prob hnutí, tj. [m/s] (2) nebo st ední hodnota rychlosti pohybu molekul ( ástic) plynu. ([2]) - 2 -
Proud ní je pohyb tekutiny. Pr tok je podíl množství tekutiny protékající pr to ným pr ezem a asu pot ebného k prote ení tohoto množství tímto pr ezem. ([2]) Objemové množství je velikost objemu, který tekutina zaujímá. Objemový pr tok q V je pr tok, u n hož je množství tekutiny vyjád eno objemem. ([2]) Pro okamžitý hmotnostní pr tok q m platí [kg/s] (3) Pro proteklé hmotnostní množství platí [kg] (4) Hmotnostní pr tok lze ur it z objemového použitím vztahu [kg/s] (5) kde ρ je hustota m ené kapaliny, ([2]) Hustota ρ vyjad uje hmotnost objemové jednotky dané látky. [kg/m3 ] (6) Objem V je velikost prostoru vypln ného t lesem i tekutinou. Platí (7) Kde m je hmotnost [kg] ρ je m rná hmotnost [kg/m 3 ] V 0 je m rný objem [m 3 /kg] Tlak p je definován jako síla F p sobící na jednotku plochy S. Je to skalární veli ina ur ená svojí velikostí. - 3 -
(8) Jednotkou tlaku je Pascal (Pa) [N/m 2 ]. Další povolenou jednotkou je bar, platí 1 bar = 10 5 Pa. Viskozita tekutin vyjad uje míru t ecího odporu, jenž pohybující se tekutina klade p sobící st ižné síle. Síla t ení F brzdí relativní pohyb dvou k sob p iléhajících vrstev tekutiny a je úm rná jejich stykové ploše S a gradientu jejich rychlosti dv/dr. (9) Kde je konstanta úm rnosti, která se nazývá dynamická viskozita a je významnou vlastností charakterizující pohyblivost tekutin. Její jednotkou v soustav SI je pascalsekunda (Pa s). Pascalsekunda je pro praktické použití p íliš velkou jednotkou. Pro plyny se používá mikropascalsekunda (µpa.s), pro kapaliny milipascalsekunda (mpa s). ([1]) Více informací je možno najít v [1], [2] i [3]. 2.3 Základní fyzikální zákony související s pr tokem tekutin Rovnice kontinuity Rovnice kontinuity je rovnice, která platí pro ustálené proud ní ideální kapaliny v uzav ené trubici. Popisuje skute nost, že je zachován objem tekutiny, která za asový interval prote e mezi místy pozorování o rozdílných pr ezech. Pro objemový pr tok platí: (10) Po úprav dostaneme: (11) - 4 -
Pom r rychlostí proudící kapaliny v 1 a v 2 ve dvou místech je p evrácený k pom ru obsah pr ez S 1 a S 2 trubice v t chto místech. Neboli ím užší trubice, tím rychleji tam kapalina proudí. Tyto vztahy lze použitím hmotnostního pr toku namísto objemového zobecnit pro stla itelné kapaliny. D sledkem stla ování se m ní hustota. Toto m žeme zapsat jako (12) což znamená, že p i ustáleném proud ní stla itelné kapaliny je hmotnostní tok kapaliny v libovolném kolmém pr ezu proudové trubice konstantní. Bernoulliho rovnice Bernouliho rovnice se užívá v mechanice tekutin. Odvodil ji Daniel Bernoulli v roce 1738. Základní tvar rovnice vychází z p edpokladu nestla itelnosti tekutiny. Používají se i modifikace rovnice základní pro reálné kapaliny. My se však budeme zabývat pouze základní verzí. V podstat se jedná o zákon zachování mechanické energie pro ustálené proud ní ideální kapaliny. To znamená, že sou et všech složek energie je konstantní v kterémkoliv míst proudící kapaliny. Základním p edpokladem její platnosti je nestla itelnost tekutiny (rovnice kontinuity) a rovnom rné proud ní tak jako tomu je p i rovnom rnémm proud ní. Odvození pro nestla itelnou kapalinu obr. 1. Diagram k odvození Bernoulliho rovnice, p evzato z [7] - 5 -
Kapalina proudí v d sledku p sobení síly F zp sobené rozdílem tlak na vstupu a na výstupu potrubí. Posuvem o element dráhy ds vykonává tekutina práci (13) Ze základní definice tlaku (síla p sobící na ur itou plochu) m žeme vztažením k pohybu ds tlak považovat za hustotu energie (14) Kinetická energie odpovídající práci mezi dv ma body je daná vztahem (15) Rozdíl kinetických energií vyvolaný rozdílným tlakem v místech s konstantním pr ezem je roven (16) Druhá složka energie je energie potenciální. Je daná rozdílem hydrostatických tlak. Spo teme ji užitím výšek míst pozorovaných pr ez h 1 a h 2, gravita ního zrychlení g a hmotnosti tekutiny m mezi S 1 a S 2. (17) Celkový rozdíl energie mezi místy S 1 a S 2 lze popsat jako (18) Po úprav dostaneme (19) Hmotnost m si vyjád íme pomocí hustoty jako (20) Dosazením (20) do (18) a (19) získáme - 6 -
(21) Nyní již sta í pod lit výrazem m/ a p epsat do tvaru který je znám jako Bernoulliho rovnice (22) kde je hustota kapaliny, v je rychlost proud ní, p je tlak v kapalin a u je gravita ní potenciál v daném bod. První len v Bernoulliho rovnici p edstavuje kinetickou energii, druhý len p edstavuje tlakovou potenciální energii objemové jednotky kapaliny a t etí len (gravita ní) potenciál, ve kterém se kapalina nachází. Sou et kinetické energie a potenciální energie (tlakové + gravita ní) je ve všech místech trubice stejný. Slovy m žeme Bernoulliho jev popsat takto: v míst s v tším pr ezem má proudící kapalina v tší tlak, ale menší rychlost, zatímco v míst s menším obsahem pr ezu má menší tlak, ale v tší rychlost.([7],[2]) 2.4 Pr tokom r s plovákem Pr tokom ry s plovákem (rotametry) jsou v pr myslu používány pro m ení pr toku kapalin a plyn. Jsou založeny na principu tlakové diference. Ta z stává konstantní, ale díky prom nnému pr ezu - mezery mezi plovákem a m icí trubicí se m ní poloha plováku. Mezera je daná polohou plováku v i trubici a jejich tvarem (konická trubice a plovák s konstantním pr m rem nebo kuželový plovák a trubice s konstantním pr m rem (clonou) ). M ené médium proudí zespoda a zdvihá plovák. Tento zdvih je u kapalin úm rný kinetické energii proudící kapaliny a vztlaku plováku, který vzniká v d sledku Archimedova zákona. U plyn je vztlak zanedbatelný. Síla zp sobená gravita ním zrychlením (F G ) a síla vzniklá proud ním tekutiny (F A ) jsou p i konstantním pr toku v rovnováze a pr tok je možno ode íst na stupnici. Podmínkou správné funkce je vertikální pracovní poloha. Princip rotametru je patrný z obrázku 2. Jedná se o jednoduchá, spolehlivá a levná m idla s p esností 1-2% z rozsahu. Nevýhodou je jejich závislost na parametrech m ené tekutiny, nutná svislá pracovní poloha s nátokem zespoda, pot eba individuální kalibrace, malý pom r minimálního a - 7 -
maximálního m eného pr toku 1:10 a závislost na parametrech tekutiny, které se m ní se zm nou tlaku a teploty. K odvození funkce plovákového pr tokom ru se vychází z Bernoulliho rovnice. Je definován plová ek o obsahu S, hustot ρ 2 a objemu V. Konický tvar trubice zp sobuje rozdílnost pr ez mezi spodní a vrchní ástí plováku a sv tlostí trubice. Na základ Bernoulliho rovnice se budou lišit rychlosti v 1 a v 2 a statické tlaky p 1 a p 2 spodní a vrchní ásti plováku. Odvození dle [2] Síla F A se skládá z síly odpovídající statickému tlaku tekutiny vztlakové síly vyvolané plovákem pono eným do tekutiny síly vyvolané dynamickým tlakem p i rychlosti proud ní v 1 na spodní stran plováku Síla F G se skládá z síly odpovídající statickému tlaku tekutiny je váha plováku obr. 2. Princip rotametru(p evzato z [3]) Aby byl plovák v ustálené poloze, musí platit, tj. - 8 -
(23) Po úprav do tvaru vhodného pro výpo et rychlosti je rovnice (24) (25) Ur ení rychlosti proud ní pod plová kem (26) Z Bernoulliho rovnice (22) plyne (za p edpokladu turbulentního proud ní to je v n kterých p ípadech t eba um le vyvolat nap. vhodn zvolenou clonou) (27) Po dosazení za vyjde pro (28) Objemový pr tok prstencem o ploše mezi plovákem a trubicí s uvažováním ztrát daných koeficientem je dán rovnicí (29) Po dosazení za je objemový pr tok roven (30) - 9 -
Z této rovnice je možné po ustálení plováku ur it pr tok m ené tekutiny. Pro tení pr toku se používá stupnice bu p ímo na trubici, p ípadn p enos polohy plováku jiným zp sobem. Jelikož plocha prstence mezi plovákem a trubicí je úm rná rozdílu tverc polom r plováku a trubice, je p i konickém tvaru trubice stupnice obecn kvadratická. Pro malý vrcholový úhel kužele se stupnice blíží lineární. Závislost na hustot kapaliny lze potla it volbou hustoty plováku tak, aby platilo (31) Koeficient t ecích ztrát závisí na viskozit m eného média. Pro laminární proud ní se hodnota C d podstatn m ní, pro turbulentní proud ní z stává konstantní. Plovák m že být rotující, jak je znázorn no na obrázku 2 a obr. 3c nebo m že být vedený, viz. obr.3 a, b. Další možností je plovák kuželový a trubice s clonou s konstantním pr m rem. Tento typ plováku používá i testovaný p ístroj. Viz ez na obrázku 11 v kapitole 2.6. obr. 3. Tvary plovák (p evzato z [3]) 2.5 Celokovový pr tokom r typ K firmy EMKOMETER Popis V p ípad celokovového plovákového pr tokom ru K firmy EMKOMETER je použit plovák s prom nným pr ezem (kuželového tvaru) a trubice s konstantním pr m rem (se clonou). Pro v tší sv tlosti potrubí (v tší pr toky) se používá konické trubice a vedeného plováku. Pro m ení plynných medií je tento typ pr tokom ru do velikosti DN 25 standardn vybaven tlumi em kmit uloženým soustavou kloub a ochranou proti p etížení. Tato konstrukce vyniká nízkou hysterezí. Pr tokom r nevyžaduje rovné uklid ující délky potrubí na vstupu ani na výstupu. - 10 -
Hodnota pr toku se neode ítá p ímo na stupnici, jak je tomu u pr tokom r se sklen nou trubicí. Poloha plováku je p enášena magnetickou spojkou na ru ku, která ukazuje hodnotu na stupnici. Poloha je p enášena na úhel v rozsahu až 135 pro typ K a 160 pro typ KV. Typy K a KV se liší pouze rozm ry sk ín, použitý princip je stejný. Oba typy pr tokom ru jsou zobrazeny na obrázku 4. Princip magnetické spojky realizovaný pomocí opa n polarizovaných magnet je patrný z obrázku 5. Jeden magnet (soustava magnet válcového tvaru) je umíst n uvnit plováku a druhý magnet je umíst n v otá ivém mechanismu spojeném s ru kou. Toto uspo ádání umož uje podstatn vyšší p esnost ode tu m ené hodnoty díky p evodu vertikální polohy plováku na kruhovou stupnici. Plovák se pohybuje v rozsahu cca 5 cm, stupnice je podstatn delší. obr. 4. Pr tokom ry typ K (vlevo) a KV (vpravo) - 11 -
obr. 5. [3]) Magnetická spojka pro p enos polohy plováku na ukazatel (p evzato z Stru ný postup výroby p ístroje Každý p ístroj je navržen pro konkrétní aplikaci. Je t eba znát požadovaný rozsah, zda se jedná o plyn i kapalinu, parametry m ené tekutiny (hustotu a viskozitu p i dané teplot a tlaku), provozní teplotu a tlak. Na základ t chto parametr se vypo te vhodná kombinace clony a plováku pomocí specializovaného software. Existuje ada typizovaných kombinací vycházející z dlouholetých zkušeností. Následuje cejchování na zkušebním médiu. K tomuto ú elu používá výrobce cejchovací kolonu, viz obrázek 6. obr. 6. Cejchovací kolona - 12 -
Kolona se sestává z nerezové vany, soustavy erpadel a ventil. Umož uje cejchování r zných typ pr tokom r (krom plová kových ješt pádlových a jehlových), p ípadn testování dalších (induk ních, ultrazvukových, proudových spína ). P ístroj je možné do okruhu zapojit jak v horizontální tak vertikální poloze s volbou sm ru pr toku. Pr tok se nastavuje pomocí soustavy elektricky ovládaných ventil a je m en induk ními pr tokom ry, jež jsou vázány na etalony MI. Pr tok je možné nastavit v rozmezí od jednotek do stovek tisíc litr za hodinu. Pro v tší sv tlosti potrubí má firma EMKOMETER ješt jednu v tší kolonu na podobném principu a pro menší pr toky a plyny obdobná za ízení. Na cejchovací kolon je vytvo ena stupnice odpovídající pr toku zkušebního média (voda, 20 C) v rozmezí daném výpo tem. Pomocí specializovaného programu (vychází z (30) a charakteristik pro r zné typy plovák a závislosti parametru C d na pom ru otev ení) je stupnice p epo tena na provozní médium a následn vynesena na stupnici cejchovaného p ístroje. Dodate né výstupy p ístroje jsou ešeny pomocí jazý kových kontakt. Podrobnosti jsou uvedeny dále. Elektrický výstup Standardním elektrickým analogovým výstupem je proudová smy ka 4-20 ma. K ur ení úhlové polohy rafi ky se zpo átku vývoje u firmy EMKOMETER používal odporový sníma potenciometr. Toto ešení však p i delším testování (n kolik m síc ) vykazovalo astou poruchovost a nízkou životnost vlivem pohyblivých ástí. Ze stejných d vod nebylo vhodné použít optický spína. P ešlo se tedy na bezkontaktní sníma SP6 složený ze soustavy magnetických jazý kových kontakt a odpor. Tento princip používala firma již pro snímání polohy plováku u svých hladinom r L11 a L21. Bylo však t eba modifikace zapojení (vyšší hustota relé kontakt s odpory) z d vodu vyšší rozlišitelnosti sníma e. Sníma SP6 je umíst n zespoda plechové stupnice a k m icí rafi ce je p ichycen pomocný magnet, který spíná jednotlivé jazý kové kontakty, princip je znázorn ný na obrázku 7. Jedná se o pseudospojitý sníma. Sníma m í tém spojit (díky velkému množství jazý kových kontakt s odpory). Vlivem pohybu magnetu se jazý kové kontakty postupn spínají a m ní tak výsledný elektrický odpor kombinace rezistor. Linearizace stupnice probíhá výpo tem vhodných velikostí odpor. Každý sníma je konfigurován individueln a je použitelný jen pro daný p ístroj. Výroba probíhá taktéž pro každý p ístroj zvláš (z d vodu rozdílné konfigurace odpor ). K tomuto ú elu slouží specielní osazovací p ípravek s v tší rozlišitelností než má standardní stupnice. - 13 -
Pro pĝístroje s proudovým p výstupem se používají prĥtoko omčry typu KV (s velkou skĝíní). Stupnice má včtší rozmčry a je možno použít více jazzýþkových kontaktĥ. Tak je dosaženo pĝijatelné pĝesnosti pĝevodníku. PĜevod ܫ je Ĝešen Ĝ externím pĝevodníkem. Nevýhodou toho oto Ĝešení je nepĝenositelnost snímaþe, nutnost externího pĝevodníku a individuální linearizace, nutnost použití včtší skĝínč s tím související cena Ĝešení. Dále je to omezená rozlišitelnost snímaþe (daná poþtem použitých m k jejich poþtu) a kontaktĥ), pomčrnč vyssoká cena jazýþkových kontaktĥ (vzhledem pracnost Ĝešení. polehlivé Ĝešení s mnohaletými provozním mi zkušenostmi a Výhodou je sp vzhledem ke kategorii pĝístroje i pomčrnč dobrou pĝesností (chyba d do 1% z rozsahu). nímaþe s jazýþkovými kontakty (zde pro hlad dinomčr), (pĝevzato obr. 7. Princip sn z [2]) Další formou ellektrického výstupu jsou mezní kontaktty, tj. relé, která spínají/rozpínají pĝi dan né hodnotč prĥtoku. Jsou tvoĝena také jazzýþkovými kontakty v pouzdrech, která se jednoduše umístí na lištu na stupnici, kde s nimi lze libovolnč pohybovat a nastavovatt tak místo sepnutí/rozepnutí. Digitální komunika aci pomocí protokolu HART þi jiných standarrdizovaných sbčrnic (napĝ. Foundation Fieldb bus, Profibus) Ĝeší externí pĝevodník. - 14 -
2.6 Ur ení intenzity a prostorového rozložení magnetického pole pr tokom ru Úvod Jak již bylo uvedeno v p edchozích kapitolách, pr tokom r používá k p enosu polohy plováku na stupnici soustavy magnet. Pro získání p edstavy o tvaru a velikosti magnetického pole vyvolaného magnety a p ípadného magnetického rušení ve sk íni p ístroje bylo provedeno m ení. Popis m ení Úkolem m ení bylo zjistit hodnotu magnetické indukce v r zných výškách trubice pro zhodnocení možnosti p ípadného snímání polohy plováku p ímo bez využití magnetické spojky a analogové stupnice. Dále byla zm ena hodnota magnetické indukce ve sk íni p ístroje, kde by m ly být umíst ny magnetické senzory pro snímání úhlu nato ení rafi ky ukazující pr tok na stupnici. Pro ov ení symetri nosti pole (nezávislosti hodnoty B[T] v ur ité výšce na nato ení plováku) bylo provedeno další m ení. Použitý p ístroj využívá sondy s Hallovým senzorem, a m í magnetickou indukci ve sm ru kolmém na list sondy. Vždy byla m ena hodnota B[T] ve sm ru rovnob žném s osou m icí trubice. Použité p ístroje Gaussmeter LakeShore 450 Vlastní m ení 1) M ení magnetické indukce v r zných výškách. M ení bylo provedeno pro dolní a horní polohu plováku (plovák umíst ný v mezní poloze na dorazu), udaná vzdálenost je pro dolní polohu od dolní p íruby, pro horní polohu od horní p íruby. ez pr tokom rem s p iloženou Hallovou sondou je na obrázku 11. Ve skute nosti byla Hallova sonda p iložena t sn k povrchu trubice. Výsledky m ení jsou zaneseny v tabulce 1. Grafická reprezentace dat je vykreslena na obrázcích 9 a 10. 2) M ení hodnoty B [T] ve sk íni. M ení bylo provedeno v oblasti osy ukazatele, t sn nad jejím povrchem. Pro plovák v dolní poloze byla ve sm ru nejv tšího rušení ur ena hodnota B ds =0,32 mt pro horní polohu plováku byla ur ena hodnota B hs =0,44 mt. - 15 -
tab 1. Nam ené hodnoty B[mT] v r zných výškách 3) Test homogenity: magnetické pole bylo m eno v ad bod po obvodu trubice. Test byl proveden ve výšce 30 mm nad dolní p írubou, kde se projevuje magnetické pole oto ného magnetu magnetické spojky. Úhel je m en od úchyt pro sk í v p ední ásti pr tokom ru Nam ené hodnoty jsou patrné z tabulky 2. Vyneseny jsou do obrázku 8. Úhel [ ] 0 45 90 135 180 225 270 315 B [T] 9,4 9,8 10,1 10 9,6 9,1 8,7 9,1 tab 2. Nam ené hodnoty B[mT] test homogenity - 16 -
obr. 8. Grafické znázorn ní nam ených hodnot obr. 9. Závislost B na vzdálenosti od p íruby. Pro dolní polohu plováku. obr. 10. Závislost B na vzdálenosti od p íruby pro horní polohu plováku. - 17 -
obr. 11. ez pr tokom rem s p iloženou Hallovou sondou - 18 -
Záv r m ení Výsledky m ení odpovídají p edpokládaným pr b h m. S využitím magnetických senzor umíst ných ve stejné vzdálenosti od trubice a jednoduchého výpo tu by asi nebyl velký problém zjistit p esnou polohu plováku z daného pr b hu. Toto ešení je však pom rn komplikované a vyžaduje jinou koncepci p ístroje. Standardní možnosti snímání lineární polohy plováku p ímo jsme nezvolili ze dvou d vod : 1. lineární stupnice je pro vizuální ode ítání p íliš krátká 2. sníma polohy typu LVDT nebo induktosyn je pro danou aplikaci p íliš drahý; pro využití lineárních senzor AMR je zdvih plováku p íliš velký, použití inkrementálních senzor nep ichází v úvahu Ve sk íni p ístroje se B pohybuje kolem 0,3 0,5 mt. Bude záležet na síle magnetu použitého pro snímání nato ení, jak se toto pole projeví na výsledcích. Symetri nost pole je dle o ekávání narušena magnetickým polem oto ného magnetu magnetické spojky. Toto m ení je pouze orienta ní. 3 Návrh senzoru úhlové polohy 3.1 Motivace Stávající ešení je pom rn drahé a pracné, ve v tším objemu produkce p edstavuje podstatné zdržení. Stále ast jším požadavkem zákazník je digitální komunikace s p ístrojem. To sice umož ují externí p evodníky, ale jen v omezené mí e a op t se to promítá do ceny výrobku. Dále by se bylo dobré zlepšit p esnost p evodu. Byla by možná integrace limitních spína a tím další úspory. Digitální ešení by navíc mohlo implementovat algoritmy pro kompenzaci nam ené hodnoty o rozdílné teplot, p ípadn by mohlo být možné úpln zm nit médium v p ijatelném rozsahu pr tok. Pokud by se poda ilo snímat polohu plováku p ímo, mohla by odpadnout ást s p evodním mechanismem a sk í kou a místní ukazování by mohlo být nahrazeno displejem. Duální ešení má však výhodu nezávislosti ur ení pr toku v p ípad selhání elektroniky je stále k dispozici analogový ukazatel. Proto byla zvolena varianta inovace elektrického výstupu stávajícího za ízení p i zachování koncepce. 3.2 Dispozice p ístroje Vycházíme z již zab hnutého typu výrobku. Navrhovaný sníma proto musí ve velké mí e respektovat dispozice p ístroje. Uvnit p ístroje je prostor pro umíst ní - 19 -
plošného spoje o tvaru a rozm rech uvedených na obr. 12. Sk í má na výšku cca 60 mm. Prostor by m l být dostate ný. obr. 12. Schéma plošného spoje Na h ídel rafi ky (prochází otvorem o pr m ru 4mm) je možné umístit pomocný magnet pro vytvo ení magnetického pole pro jednotlivé senzory. Rafi ka má pr m r 2,8 mm. Požadavky na elektrický výstup jsou: 2vodi ové zapojení (napájení Uss = cca 10 30 V). Výstup proudový 4 20mA, možnost implementace HART protokolu bez závažných zm n konstrukce, p ípadn další digitální komunikace. Dále spln ní SIL 2 dle normy SN EN 61508. Možnost linearizace výstupu v PC, i jiným zp sobem. Další výstupy pro p ímé spínání relé. Tyto požadavky budou ešeny v rámci projektu navazujícího na tuto bakalá skou prácim p i ešení senzorové ásti je však na n t eba brát ohled. 3.3 Možnosti snímání úhlové polohy V krátkosti shrnu p ehled sníma úhlové polohy. Rozd lit je m žeme z více hledisek. Jeden pohled je dle zp sobu m ení kontaktní a bezkontaktní. - 20 -
Kontaktní 3.3.1.1 Potenciometry Výhodou kontaktních senzor je jejich cena, a jednoduchá aplikace, nevýhodou je to, že jsou kontaktní a asem se opot ebují. Typickým p edstavitelem této kategorie sníma je již zmi ovaný potenciometr. Na trhu je veliké množství potenciometr. Standardní verze oto ných potenciometr nabízejí linearitu kolem 1% z maxima a životnost kolem milionu cykl. Dražší verze z vodivých plast mají oba parametry až stokrát lepší. ([9], str. 328) Bezkontaktní 3.3.1.2 LVDT (RVDT) Bezkontaktní senzory pro m ení úhlu p edstavují hlavn senzory magnetické a optické. Nejstarší senzory používané pro ur ování polohy byly LVDTs (linear variable differential transformers, lineárn prom nné diferenciální transformátory). Jedná se o transformátor s pohyblivým jádrem. Jádro je p ipevn no ke sledovanému objektu a hýbe se uprost ed transformátoru tvo eného jednou primární a dv ma sekundárními cívkami. Primární vinutí je buzeno st ídavým nap tím (typicky o frekvenci n kolika khz). Toto nap tí indukuje nap tí na sekundárním vedení v závislosti na pozici jádra. Princip je patrný z obrázku 13. Výstupní nap tí je nulové, když je jádro uprost ed (p i ideáln stejných cívkách a zanedbání ztrát). Linearita tohoto zapojení je lepší než 0,5%. LVDT se hojn využívá i dnes v robotice, strojírenství, letectví a dalších aplikacích. obr. 13. Princip LVDT, (p evzato z [10]) Modifikovaným zapojením se stejným principem RVDT (úhlov prom nným diferen ním transformátorem) je možno ur ovat úhel nato ení. Podstatným omezením - 21 -
je rozsah takového senzoru, který iní typicky ±40. Specielní RVDT, ale umož ují snímat až ±60. Typické rozlišení je 2-3mV/ /V. 3.3.1.3 Magnetické senzory (MR, Hall) Nejrozší en jším magnetickým senzorem je Hall v senzor založený na Hallov jevu. Ten byl objeven roku 1879 Edwinem Hallem a spo ívá v generaci Hallova nap tí d sledkem p sobení vn jšího magnetického pole za p ítomnosti proudu protékajícího polovodi em. Nosi e náboje jsou magnetickým polem vychylovány p sobením Lorentzovy síly. V d sledku toho vzniká zmi ované nap tí. Tyto senzory mohou být použity k m ení magnetického pole. Jejich nej ast jší aplikace ale spo ívá v jejich užití ve funkci bezkontaktních spína. Pro snímání úhlové polohy se dají bez problém použít. Stejn tak jako sníma e založené na jevu zvaném magnetorezistivita (MR). Jak je z názvu patrné, jedná se o zm nu odporu látky na kterou p sobí vn jší magnetické pole. Efekt byl objeven v roce 1856, ale zm na odporu nebyla v tší než 5%. Anizotropní magnetorezistory (AMR) se používají od za átku 90. let. Nedávné výzkumy objevily siln jší efekty vycházející z kvantové mechaniky. Jedná se o GMR (Giant magnetoresistance), CMR (Colossal magnetoresistance) a MTJ. GMR se projevuje 10-80% poklesem odporu za p ítomnosti magnetického pole, efekt byl objeven v roce 1988 v tenké vrstv kompozitu (Fe/Cr/Fe). V n kterých látkách je tento jev ješt vyšší (CMR). MTJ je nejnov jší p ír stek do rodiny MR technologií. Kombinací materiál bylo již dokázáno více než 300% zm ny odporu. Konstrukce t chto senzor je již pom rn složitá, skládají se z n kolika vrstev r zných materiál. Magnetické senzory m žeme tedy dle míry reakce na vn jší magnetické pole se adit od nejv tší po nejmenší následovn : TMR (MTJ), CMR, GMR, AMR a Hallovy senzory. 3.3.1.4 Optické Optické senzory mohou být bu inkrementální, nebo absolutní. Rozdíl je patrný z obrázku 14. Používají se spíše v aplikacích, kde není pot eba extrémní p esnosti a spolehlivost. Skládají se ze zdroje zá ení, fotodetektoru/ a disku s pr svitnými a nepr svitnými oblastmi. - 22 -
obr. 14. Inkrementální a absolutní optický sníma (p evzato z [9]) B žn se inkrementální íta e vyráb jí s rozlišením (po et tmavých a sv tlých plošek) 100 až 65000 s maximálním rozlišením 30 úhlových sekund. Hlavní problém u inkrementálních sníma je, že v p ípad výpadku napájení ztrácíme informaci o aktuálním úhlu. V p ípad chyb v d sledku špatného na tení/nena tení pulsu se tyto chyby dále s ítají. Tento problém eší N-bitový absolutní p evodník za cenu použití N senzor. Výhodné je použití Grayova kódu s maximální chybou 1LSB. Cena absolutního sníma e je ale pom rn vysoká a spolehlivost není pro pr myslové aplikace dostate ná. 3.3.1.5 Induktosyn a resolver Induktosyn se skládá z m ítka a jezdce. M ítko je fixn umíst no, jezdec se pohybuje po m ítku (jeho poloha je m ena). Jezdec je vyroben z oceli, nerezu nebo hliníku a pokryt izola ní páskou (typicky 2mm vysoká). Jezdec má dva odd lené, ale shodné vodivé trasy s totožnými záhyby, jsou posunuté o tvrtinu mechanické periody. Induktosyn pracuje jako resolver, když je m ítko napájeno, indukuje se v jezdci nap tí úm rné sinu a cosinu. P i pohybu po m ítku se n kolikrát opakují stejné hodnoty (odpovídající oto ení resolveru o 360 ). Signál musí být extern vyhodnocován synchronním detektorem. - 23 -
Resolver m í úhlovou polohu Rozd lením závit do více sektor a pokro ilými metodami zpracování signálu m že být dosaženo špi kové p esnosti v ádech úhlových minut. Tyto senzory jsou velmi spolehlivé, pro naši aplikaci neúm rn drahé. Zhodnocení pro sníma nato ení ukazatele pr tokom ru Úhel se dá m it mnoha zp soby, jde o to vybrat ten nejvhodn jší pro danou aplikaci. Potenciometr již byl vyzkoušen a neosv d il se. Je možné, že by jiný (dražší) typ potenciometru fungoval lépe, ale životnost je již z principu omezena více než u bezkontaktních senzor. Navíc ru ka v provozu asto osciluje v jedné ásti stupnice a opot ebení potenciometru je potom nerovnom rné, což by mohlo zp sobovat problémy. Nevyhovuje. RVDT vyžaduje pohyblivé jádro cívky. To by mohl být problém z hlediska vyvážení ru ky a nedostate ného momentu vyvinutého magnetickou spojkou. Senzor je p íliš komplikovaný a tedy drahý. Nevyhovuje. V p ípad optického senzoru by muselo být použité vysoké rozlišení p evodníku a m ený úhel by nepokrýval plných 360 => atypické ešení a s tím spojený hlavní problém - cena. Montáž do stávajícího za ízení by byla také problematická. Navíc by musel být použit absolutní sníma. Inkrementální je z d vodu jeho již uvedených nevýhod pro tuto aplikaci nevhodný. Induktosyn má zbyte n komplikované zapojení, jezdec by musel být dostate n malý, umíst n na ru ce a musel by se ešit p enos nap tí z ru ky p ístroje, kde by byl umíst n jezdec. Cena senzoru je vysoká. Nevyhovuje. Magnetické senzory se jeví jako optimální. Proto se bude dále pracovat pouze s nimi. 3.4 Ov ení vybraných m icích princip v praxi Popis senzor Všechny použité senzory pracují na principu magneto-rezistivity. K ur ení úhlové polohy je použito pohybující se magnetické pole permanentního magnetu v možnostech uspo ádání patrných z tabulky 3. - 24 -
# Schéma Uspo ádání Popis aplikace 1 Otá ející se magnet, senzor je umíst n na plošném spoji v ose rotace Absolutní m ení úhlu v rozsahu 0-180. Axiáln, na konci h ídele. 2 Otá ející se magnet, senzor je umíst n vedle na plošném spoji kolmo na osu rotace Absolutní m ení úhlu v rozsahu 0-180. Radiáln. Magnetický více pólový prstenec s konstantní Inkrementální 3 vzdáleností pól, m ení úhlu senzor umíst n jako v p ípad 2. tab 3. Možnosti uspo ádání senzoru a magnetu pro m ení úhlu (voln p evzato z [12]) 3.4.1.1 NXP KMA200 KMA200 obsahuje krom AMR senzoru i integrovaný obvod pro zpracování signálu a komunikaci po digitální sb rnici SPI. Je uživatelsky programovatelný a má lineární výstup s rozlišením lepším než 0,05. Funk ce senzoru je patrná z jeho schématu na obrázku 15. Vlastní AMR senzor se skládá za dvou Wheatstoneových m stk se vzájemným úhlem nato ení 45. Na m stky jsou napojeny p evodníky se sériovými výstupy. Další zpracování probíhá v mikroprocesoru. Užitím CORDIC (COrdinate Rotation Digital Computer) algoritmu se spo ítá úhel a provedou se korekce offsetu, nulového úhlu a p epo ítá se na nastavený rozsah m ení úhlu. Další funkci senzoru je diagnostika. Zjiš uje se funk nost všech blok v etn relevance vstupních a výstupních signál. K bezpe nostním funkcím pat í kontrola - 25 -
teploty, ochrana proti p epólování, vysokému napájecímu nap tí a zkratu na externích pinech. Kalibra ní konstanty a nastavení se ukládají do pam ti EEPROM a okamžité výsledky do pam ti typu RAM. Výstup je bu digitální, nebo analogový. V p ípad analogového výstupu je použita výstupní analogová ást senzoru. Ta se skládá ze dvou íslicov analogových p evodník typu rezistorová sí, které sdílí jednu rezistorovou sí. Senzor obsahuje další obvody, které mají podp rnou funkci (oscilátor, další ochranné obvody atd.). obr. 15. Funk ní schéma senzoru KMA200 (p evzato z [11]) 3.4.1.2 Sensitec AA743 AA743 je senzor založený na jevu AMR. Skládá se ze dvou galvanicky odd lených Wheatstoneových m stk, které jsou proti sob oto eny o úhel 45. Rotující magnetické pole vytvá í v senzoru výstup v podob dvou sinusových výstup s dvakrát v tší frekvencí než je frekvence otá ení magnetického pole. Jednotlivé výstupy jsou proti sob posunuty o 90. Výstupní signál y tedy odpovídají funkcím sin a cos - a. Chyba v ur ení úhlu by m la být pod 0,2 p i síle pole v tší než 10(kA/m) Grafické znázorn ní funkce senzoru je vid t na obrázku 16. - 26 -
obr. 16. Výstup senzoru AA743 p i zm n magnetického pole (p evzato z [13]) 3.4.1.3 Sensitec EKW01 EKW01 je testovací souprava firmy Sensitec pro vyzkoušení r zných princip snímání úhlové polohy. Skládá se z testovací desky EA-nl-0060601, senzor pro inkrementální snímání úhlu, p íslušných více pólových magnetických prstenc, magnetu a senzoru pro absolutní m ení úhlu. Souprava je na obrázku 17. obr. 17. M icí souprava EKW01 (p evzato z [12]) - 27 -
3.4.1.3.1 Testovací obvod EA-nl-0060601 Testovací obvod slouží ke zpracování signálu z inkrementálních senzor. Je založena na interpolaci vstupního signálu. Té je dosaženo pomocí zesilova, A/D p evodník a logických obvod. Signál ze senzoru je zesílen na úrove vhodnou pro digitalizaci. Výstup tvo í kvadraturní pulzní výstup. Jeho princip spo ívá v generování obdélníkových signál s 90 fázovým posuvem. Tímto je dosaženo možnosti detekce sm ru otá ení p i použit reversibilního íta e. Interpola ní faktor iní 1, 10 nebo 50 a je možné ho zvolit p íslušným nastavením pam ti EEPROM (pomocí jumperu). Interpolace rozd lí p íslušným faktorem p irozenou periodu systému. 3.4.1.3.2 Senzor LK14A Jedná se o magnetorezistivní senzor s p izp sobenou strukturou pro snímání lineárního m ítka s rozte í magnet 5mm. Udávaná optimální vzdálenost senzoru od m ítka je polovina rozte e magnet, tj. 2,5mm. Do této vzdálenosti je amplituda výstupu tém konstantní. Princip senzoru je stejný jako u senzoru AA743. Jeho uspo ádání je však p izp sobeno. M stky nejsou nato eny o 45, ale umíst ny vedle sebe, viz obrázek 18 (šedé plochy jsou magneticky citlivé rezistory). obr. 18. Rozmíst ní MR prvk u senzoru LK14A (p evzato z [17]) 3.4.1.3.3 Senzor LK16A Senzor je shodný s LK14A, pouze je p izp soben jinému rozlišení prstence. Rozte v tomto p ípad iní 2mm a doporu ená vzdálenost senzoru od prstence je 1mm. 3.4.1.3.4 Senzor LK29A Senzor je shodný se dv ma p edchozími. Používá se ovšem pro rozte 1 mm. Jeho vzdálenost od magnetického prstence by nem la p esáhnout 0,5mm. Z uvedených senzor by m l poskytovat nejv tší rozlišení. 3.4.1.3.5 Senzor LK40B Tento senzor se od p edchozích liší tím, že není vázán k žádné konkrétní rozte i pól magnetu vytvá ejícího snímané magnetické pole. M l by být používán v saturaci ve vzdálenosti nep esahující ½ rozte e pól použitého magnetu. Pro použití tohoto typu senzoru není nutné používat testovací obvod. - 28 -
Jednotlivé senzory se velmi liší úrovní integrace pomocných obvod. Inteligentní senzory umož ují jak digitální tak analogovou komunikaci. Do m icího obvodu se zapojují pomocí universální sb rnice s možností umíst ní a adresace více jednotek. Zmi ovaný KM200 je komplexním systémem pro m ení úhlové polohy zatímco ostatní senzory pro absolutní snímání p edstavují pouze samotné m icí elementy. Testovací obvod pro senzory Sensitec je specializovaný na inkrementální senzory. Jak již bylo uvedeno v kapitole 3.3, inkrementální sníma e nejsou pro tuto aplikaci vhodné z d vodu na ítání chyb, jenž mohou vzniknout p sobením vn jšího magnetického pole i jinými p í inami. Další mínusem tohoto ešení je pot eba nulování po výpadku napájení. Toto není u pr tokom ru v provozních podmínkách p ípustné. P es uvedené nedostatky budou tyto senzory podrobeny stejným test m jako zbylé dva senzory. Typy možných chyb v pr b hu m ení 3.4.1.4 Chyby senzor Použité senzory nejsou p ímo srovnatelné, je t eba jejich výstup p evést do jednotné veli iny a provést pot ebné korekce (nap. offset), aby byly srovnatelné. P irozen je touto veli inou úhlový stupe. Chyba, která nás bude p ednostn zajímat je odchylka od linearity. Její znázorn ní je vid t na obrázku 19. obr. 19. K pojmu odchylka od linearity - 29 -
Vysv tlení pojm k obrázku 19: : nam ený úhel : referen ní úhel : rozdíl úhl Dalším parametrem je hystereze daného sníma e. Je definovaná jako rozdíl nam ené hodnoty pro stejný úhel p i pohybu po a proti sm ru hodinových ru i ek do krajních poloh sníma e. Její hodnotu ur uje (obrázek 20). obr. 20. K definici hystereze 3.4.1.5 Nejistoty m ení Velikost nejistoty m ení ur ují parametry použitých metod m ení a p ístroj. V tomto p ípad jde o p esnost m ení voltmetru a o p esnost umíst ní m icích prvk do p ípravku. Vliv dalších rušení (nap. magnetické) bude sledován. Použité p ístroje Byl použit multimetr Keithley 2100, jenž na rozsahu 100mV vykazuje chybu o velikosti maximáln 0,0055% z údaje + 0,004% z rozsahu a na rozsahu 10 V je maximální chyba 0,0038% z údaje + 0,0006%. Pro inkrementální senzory byl použit - 30 -
íta od firmy Megatron. Do frekvence 100kHz by m l podávat p esnou informaci o na tených pulsech. Jako zdroj nap tí posloužil Statron 2229. M icí p ípravek Standardní verzi pr tokom ru bylo nutné pro m ení upravit tak, aby bylo možné p esn ji stanovit úhel nato ení. Byla vyrobena specielní stupnice (obrázek 21 a 22) o rozm rech 40x40 cm a rozlišitelností minimáln 0,2. K této stupnici byla dále vyrobena delší ru ka, polohov stavitelný držák pro senzory v konfiguraci magnet na konci osy, redukce na teflonový kroužek pro umíst ní více pólových prstenc na osi ku p ístroje a hliníkový sloupek pro umíst ní inkrementálních senzor. obr. 21. Foto m icího p ípravku obr. 22. Ur ení úhlu - detail - 31 -
Fotografie uspo ádání pro m ení se nachází u konkrétního senzoru Vlastní m ení Postup m ení je u všech senzor stejný: 1. Umístit a zapojit senzory dle jejich dokumentace 2. Prom it p evodní charakteristiku. Pohybem plováku nastavit ukazatel do požadované polohy. Toto provést pro oba sm ry pohybu ukazatele tak, aby bylo možné zjistit hysterezi. 3. P evést nam ené hodnoty na stupn, ur it odchylku od linearity a hysterezi 4. Vykreslit a analyzovat nam ená data 3.4.1.6 NXP KMA 200 Jak již bylo uvedeno v popisu, jedná se o senzor s nejvyšší úrovní integrace. Obsahuje obvody pro zpracování signálu, které automaticky provádí korekce a p epo ítávají signál ze senzor na lineární výstup. Pro ur ení úhlu sta í pouze p epo ítat rozsah výstupního nap tí na požadovaný úhlový. Matematicky se jedná o ode tení offsetu a vynásobení konstantou. Detail umíst ní senzoru je na obrázku 23. obr. 23. Umíst ní senzoru KMA 200-32 -
Nam ené hodnoty jsou v tabulkách 4 a 5 a vykresleny v obr. 24, 25, 26. tab 4. Nam ené hodnoty KMA200 tab 5. Nam ené hodnoty KMA 200-33 -
obr. 24. P evodní charakteristika, KMA200-34 -
Z p evodní charakteristiky je patrné, že se výstup blíží ideálnímu lineárnímu pr b hu. Pro bližší analýzu je na obrázku 25 vykreslena odchylka od linearity. obr. 25. KMA200, odchylka od linearity Odchylka má skoro stejný pr b h pro oba sm ry. Sm rem k horní mezi rozsahu odchylka stoupá. Toto m že být zp sobeno p sobením magnet magnetické spojky. Graf odchylky nazna uje, že by se mohla kolem poloviny m eného rozsahu výrazn jším zp sobem projevit hystereze. Hystereze je vykreslena na obrázku 26. obr. 26. KMA200, hystereze Nam ené hodnoty neodpovídají p edpokládanému pr b hu z obr. 20. To je dáno jednak tím, že nevyužíváme celý rozsah senzoru a dále tím, že v okolí senzoru p sobí magnetické pole spojky, které se s úhlem nato ení m ní. Pro bližší analýzu by bylo t eba znát algoritmus zpracování signálu od MR senzoru. Odchylka je pro v tšinu hodnot menší než 0,1. To již hrani í s p esností stupnice a jedná se dobrý výsledek. - 35 -
Byla ov ena funkce senzoru úhlové polohy KMA200. Výsledky jsou uspokojivé s p esností ode tu menší než 1. Odchylka od linearity je pravd podobn ovlivn na magnetickým polem stávajícího mechanismu a zp sobuje nejv tší odchylku práv ve výši tém 1. Dalším zpracováním signálu by se však tento vl iv dal bez v tších problém eliminovat. P edpokladem je ovšem konstantní vliv magnetického pole pro daný úhel. Vliv chyby voltmetru je v tomto p ípad zanedbatelný. 3.4.1.7 Sensitec AA743 Tento senzor má dva výstupy, vzájemn posunuté o 45 ve vztahu na m ené pole. K ur ení úhlu nato ení je t eba nejd íve výstupy senzoru p evést na pr b hy s nulovým offsetem a amplitudou rovnou jedné. Dle doporu ení v dokumentaci byl senzor umíst n do vzdálenosti rovné ½ rozte i pól magnetu. Umíst ni senzoru je totožné s umíst ním KMA200. Pro ur ení amplitudy a offsetu výstupních signál bylo t eba ur it maxima a minima t chto signál. V n kterých p ípadech zasahovaly mimo oblast stupnice. Nam ené hodnoty v etn vypo tených amplitud a offset jsou v tabulce 6. tab 6. AA743, parametry výstupu Hodnoty se shodují s hodnotami udávanými výrobcem pro napájení 5V (offset <-10,10>, amplituda <60,75>), což sv d í o správném umíst ní senzoru (p sobí na n j magnetické pole o vhodné velikosti). Výpo et úhlu je u tohoto typu senzoru pon kud zdlouhavý. Nam ené hodnoty jsou proto pro každý výstup v samostatné tabulce v etn základních krok p epo tu. Postup je následující: 1. Upravit signál na normovaný tvar sinu/cosinu (amplituda=1) 2. Vypo íst úhel odpovídající hodnot funkce 3. Posunout pr b h tak aby hodnoty úhlu korespondovaly s hodnotami na stupnici. Možno z pr b hu nebo hodnoty druhého signálu. - 36 -
Nam ené hodnoty jsou v tabulkách 7-10. Hystereze a chyba voltmetru promítnutá do ur eného úhlu jsou v tabulce 11. Grafické znázorn ní t chto dat je na obrázcích 27-31. tab 7. AA743, rotace CW, výstupní signál sinus tab 8. AA743, rotace CW, výstupní signál cosinus - 37 -
tab 9. AA743, rotace CCW, výstupní signál sinus tab 10. AA743, rotace CCW, výstupní signál cosinus - 38 -
tab 11. Chyba voltmetru a hystereze obr. 27. AA743, p evodní charakteristika Charakteristika odpovídá p edpokládanému pr b hu z obrázku 16. Již z tohoto grafu je patrná hystereze pr b h. - 39 -
obr. 28. AA743, Odchylka od linearity Pr b hy kosinusového signálu na obrázku 28 má podobný charakter jako pr b h odchylky senzoru KMA200 na obrázku 25. P í ina této odchylky bude pravd podobn stejná. Jako nejpravd podobn jší se zdá být již zmi ované zkreslení výsledk magnetickým polem magnetické spojky pr tokom ru. obr. 29. AA743, Hystereze - 40 -
Pro hysterezi (obr. 29) platí to samé co u senzoru KMA 200, neodpovídá teoretickému pr b hu ze stejných d vod. U tohoto senzoru se však projevuje v podstatn v tší mí e (stejn jako odchylka od linearity). Maximální hodnota dosahuje 0,7 což je pro tuto aplikaci pom rn vysoká nep esnost. Ješt horší je to s nelinearitou, která dosahuje až 3 (obr. 28). Chyba m ení zp sobená použitým voltmetrem je v tomto p ípad podstatn vyšší než u KMA200, ale vzhledem k parametr m senzoru taktéž zanedbatelná, viz obrázek 30. Další chyba mohla vzniknout ješt chybným ur ením amplitudy a offsetu, její velikost je ádov srovnatelná s uvedenou chybou koncového m ení a ovlivní všechny nam ené hodnoty. Vzhledem k velikosti této chyby ji ale m žeme stejn jako chybu kone ného m ení zanedbat. obr. 30. Chyba m ení zp sobená voltmetrem Funk nost senzoru AA743 byla ov ena na m icím p ípravku. P esnost senzoru v použité konfiguraci dosahovala pouze 3. To je pro tuto aplikaci nep ijatelná hodnota. Je však možné že volbou optimáln jší konfigurace magnetu a jeho p esn jšího umíst ní i eliminace vn jšího rušivého magnetického pole by se výsledky zlepšily. 3.4.1.8 Sensitec EKW01 V rámci této soupravy byly vyzkoušeny 3 senzory inkrementální a jeden absolutní. Signál z inkrementálních senzor byl zpracován s využitím testovacího obvodu EA-nl-0060601. Úkolem bylo porovnat vliv vzdálenosti pól a interpolace na p esnost senzoru. Testovací obvod disponuje kvadraturním obdélníkovým pulzním - 41 -
výstupem, jenž je vyhodnocován reversibilním íta em. Senzor absolutní polohy LK40B byl zapojen stejným zp sobem jako AA743. Jelikož umož uje snímání taktéž v radiálním režimu (tab. 3, pol. 2), byl vyzkoušen na upravené verzi pr tokom ru pro snímání polohy s využitím stávajících magnet. 3.4.1.8.1 Inkrementální senzory M ení s inkrementálními senzory prob hlo s pomocí íta e. Úhel byl m en pouze po sm ru hodinových ru i ek. Experimentáln bylo zjišt no, že se hystereze tém neprojevuje. B hem na ítání pulzu, ale hlavn u vysokých hodnot interpolace ale dochází k chybám, které se dále s ítají na výstupu. Permanentní chybu zp sobí i na krátký okamžik extern p iložený magnet (vzdálenost 2 cm, B[T] v míst nejvyšší intenzity 30mT). Umíst ní senzoru je patrné z obrázku 31. obr. 31. Inkrementální senzor v m icí konfiguraci - 42 -
3.4.1.8.1.1 LK14 Jedná se o senzor s rozte í magnet 5mm. M ení bylo provedeno ve vzdálenosti 2,5 mm od více pólového magnetu. Má z použitých senzor nejmenší rozlišení. Nam ené hodnoty jsou v tabulce 12 a grafické znázorn ní na obrázcích 32 a 33. tab 12. LK14, nam ené hodnoty obr. 32. LK14, p evodní charakteristika - 43 -
obr. 33. LK14, odchylka od linearity Z obrázku 33 je p ehledn vid t závislost p esnosti ur ení úhlu na volb interpolace. Bez interpolace je odchylka vyšší než 10. P i velikosti interpola ního koeficientu 10 se odchylka pohybuje pod úrovní 2. P i koeficientu rovném 50 se pohybuje pod 1. 3.4.1.8.2 LK16 Pro toto m ení byl použit více pólový magnet s rozte í pól 2 mm. Senzor byl umíst n ve vzdálenosti 1 mm. Nam ené hodnoty jsou v tabulce 13 a grafické znázorn ní na obrázcích 34 a 35. - 44 -
tab 13. LK16, nam ené hodnoty obr. 34. LK16, p evodní charakteristika P evodní charakteristika je dle o ekávání shodná s LK14 až na po et na tených puls. - 45 -
obr. 35. LK 16, odchylka od linearity Z grafu na obrázku 35 je z pr b hu bez interpolace patrný nízký po et pulz, ímž vzniká periodická chyba ve výši 2. Pro interpo laci 10x je maximální chyba 0,6. Pro interpolaci 50x je chyba menší než 0,4. 3.4.1.8.3 LK29 LK29 má z testovaných inkrementálních senzor nejlepší rozlišení. Póly magnet v prstenci jsou od sebe vzdáleny 1mm. Snímané magnetické pole bude mít tím pádem menší intenzitu. Vzhledem k p ítomnosti vn jšího magnetického pole nemusí být v tší rozlišení výhodou. Úkolem této ásti m ení bylo zjistit, zda je výhodné použít tento senzor, nebo zda je lepší volit kompromis mezi rozlišením a odolnosti v i vn jším vliv m (LK14 nebo LK16). Nam ené hodnoty jsou v tabulce 14 a vyneseny v grafech na obrázcích 36 a 37. - 46 -
tab 14. LK29, nam ené hodnoty obr. 36. LK29, p evodní charakteristika P evodní charakteristika je op t shodná až na N. - 47 -
obr. 37. LK29, odchylka od linearity Z obrázku 37 je patrné, že se odchylka oproti senzoru LK16 s dvojnásobnou rozte í pól magnet tém nezm nila. Pr b hy pro interpolaci 1x a 50x vykazují stejné maximální odchylky 2 a 0,5. Pro interpolac i 10x je pr b h odchylky stálejší, maximální hodnota se pohybuje kolem 0,3. 3.4.1.8.4 Inkrementální senzory zhodnocení Sledováním vlivu volby rozte e pól a interpolace na výstup byly potvrzeno, že rozte pól sledovaného magnetu má vliv na p esnost ur ení úhlu nato ení ( ím menší rozte pól magnetu, tím lepší rozlišení). S rostoucí interpolací stoupá rozlišení, ale i s ním související citlivost na rušivé vlivy. Hystereze je u t chto typ senzor prakticky nulová. Z testovaných senzor se jako nejlepší ukázal senzor LK29 s rozte í pól 1mm a následné zpracování signálu s 10x interpolací. Na ítání chyb a nutnost nulového pr toku v za ízení pro ur ení nuly je natolik velká nevýhoda, že pro tuto aplikaci senzory tohoto typu nevyhovují. 3.4.1.8.5 LK40 Jak již bylo napsáno v úvodu, použití senzoru se neliší od AA743. P ibývá možnost radiálního ur ování úhlu. Vzhledem k tomu, že se jedná o sou ást soupravy ur ené pro demonstraci funkce senzor bez schválení pot ebných pro komer ní využití, se dá p edpokládat, že výsledky nam ené pomocí LK40 budou horší než v p ípad AA743. Postup zpracování dat je op t totožný. - 48 -
3.4.1.8.5.1 Axiální umíst ní senzoru Na obrázku 38 je senzor v m icí konfiguraci pro axiální ur ování úhlu. Nam ené parametry výstupních signál jsou v tabulce 15. obr. 38. LK40, detail umíst ní, axiální orientace tab 15. LK40, parametry výstupních signál Nam ené hodnoty jsou zpracovány stejným zp sobem jako v p ípad senzoru AA743. Vyneseny jsou do tabulek 16 19 a vykresleny do graf na obrázcích 39 42. Hodnoty hystereze jsou v tabulce 20 a její grafické znázorn ní na obrázku 43. - 49 -
tab 16. LK40, nam ené hodnoty, sinus CW tab 17. LK40, nam ené hodnoty, kosinus CW - 50 -