Konspekt: Badanie histerezy binarnych
POLITECHNIKA POZNACSKA
czujników zbli\eniowych.
LABORATORIUM MECHATRONIKI
Wstęp teoretyczny
W indukcyjnych czujnikach zbli\eniowych obwód drgający wraz z cewką tworzy
przed aktywnÄ… powierzchniÄ… czujnika zmienne pole elektromagnetyczne. Pojawienie siÄ™
metalowego przedmiotu w tym polu powoduje tłumienie sygnału w obwodzie drgającym.
Je\eli tłumienie to przekroczy określoną wartość progową, na wyjście układu podawany jest
sygnał przełączający.
Obiekt Głowica Generator Układ Układ
czujnika detekcji wyjściowy
Rysunek 1 Budowa czujnika indukcyjnego
Część aktywną czujnika indukcyjnego stanowi cewka nawinięta na ferrytowym
rdzeniu kubkowym, wytwarzajÄ…ca zmienne pole magnetyczne. Zadaniem rdzenia kubkowego,
o otwartym obwodzie magnetycznym, jest wzmocnienie strumienia magnetycznego cewki
oraz skierowanie go w kierunku strefy pomiarowej czujnika.
Układ elektroniczny czujnika określa odległość przedmiotu od cewki, na podstawie
stopnia tłumienia amplitudy i generuje sygnał wyjściowy. Najczęściej jest to sygnał
dwustanowy, gdy obiekt jest w zasięgu czujnika lub go nie ma. Mo\e tez być to sygnał
analogowy, wówczas jest on odwrotnie proporcjonalny do odległości przedmiotu.
Rysunek 2 Wpływ metalowej płytki na pracę oscylatora w czujniku indukcyjnym
Histereza jest ró\nicą odległości, przy której czujnik reaguje na zbli\anie i oddalanie
metalu od jego czoła. Wtedy stan wyjścia zmienia się z OFF na ON lub z ON na OFF.
Wartość histerezy zale\y od rodzaju i wielkości czujnika i nie przekracza 20% zakresu
pomiarowego.
Zakres działania czujnika mieści się w granicach 5 do 40 mm. Czujniki mają
zró\nicowane obudowy zarówno cylindryczne metalowe, jak i prostopadłościenne wykonane
z tworzyw sztucznych. Umo\liwia to optymalne zamocowanie czujników w miejscach
pomiaru. Chocia\ czujniki indukcyjne charakteryzują się du\ą wytrzymałością i
niezawodnością, istotną niedogodnością jest fakt, \e mogą być wykorzystywane tylko do
wykrywania przedmiotów metalowych.
Rysunek 3 Odległości włączania i wyłączania czujnika oraz strefy jego działania.
Nominalną strefą działania (odległość przełączania) sn (wg EN 50010) jest odległość
od czoła czujnika zbli\anej płytki stalowej (w postaci kwadratu o boku równym średnicy
obudowy czujnika i grubości równej 1mm), przy której następuje przełączenie obwodu
wyjściowego. Strefa działania zale\y od wymiarów obwodu indukcyjnego i obudowy
czujnika.
Rzeczywista strefa działania poszczególnych czujników jest dobrana w procesie
produkcji. Dla nominalnego napięcia zasilania i temperatury otoczenia wynosi: 0,9 sn d" sr d"
1,1 sn
Robocza strefa działania 0 d" sa d" 0,8 sn określa bezpieczny przedział odległości
metalowej płytki od pola czułości czujnika, zapewniający prawidłową pracę czujników w
pełnym zakresie zmian temperatury otoczenia i napięcia zasilania, niezale\nie od ustawionej
przez producenta rzeczywistej strefy działania poszczególnych czujników.
Oddziaływanie metalu na czujnik zale\y od rodzaju zbli\anego metalu. W danych
katalogowych podane są nominalne strefy działania sn dla stali. Dla innych metali strefa
działania ulega skróceniu i mo\na ją określić wg współczynników korekcyjnych: chrom-
nikiel - 0,95, mosiÄ…dz - 0,55, aluminium - 0,5, miedz - 0,4.
Rysunek 4 Schematy zasilania czujników indukcyjnych prądem przemiennym i stałym
Maksymalna częstotliwość przełączania wyjścia czujnika, podawana w opisie
technicznym ka\dego czujnika, wyra\a liczbę przełączeń wyjścia czujnika w ciągu sekundy.
Wyznacza się ja przy cyklicznym wchodzeniu i wychodzeniu przedmiotów wykonanych ze
stali St37, z pola czułości czujnika. Przy jej wyznaczaniu obowiązują ustalone wymagania
techniczne, określone przez normę EN 50 010/IEC 60947-5-2.
Rysunek 5 Realizacja pomiaru maksymalnej częstotliwości przełączania
Zasilanie czujników zale\y od typu ich wykonania:
- prądu stałego TID trójprzewodowe z wyjściem napięciowym,
- prądu stałego TIDC dwuprzewodowe z wyjściem prądowym,
- prądu przemiennego TIA dwuprzewodowe z wyjściem prądowym.
Funkcja wyjścia. Bezstykowe wyjścia czujników indukcyjnych TID i TIA po
zbli\eniu metalu włączają Z (NO normalnie otwarty) lub wyłączają R (NC normalnie
zamknięty) prąd w obcią\eniu dołączonym do wyjścia.
Czujniki indukcyjne TID (prąd stały) w wersji NPN dołączają potencjał ujemny, a w
wersji PNP dołączają potencjał dodatni do wyjścia czujnika.
Montując czujniki indukcyjne nale\y zwrócić szczególną uwagę na zachowanie
właściwych odległości między sąsiednimi czujnikami oraz metalowymi częściami konstrukcji
mechanicznych.
Rysunek 6 Realizacja zabudowy czujników: a - z mo\liwością wbudowania czujnika w metal na równo
z czołem czujnika, b - wbudowanie w metal z pozostawieniem wolnej przestrzeni wokół czoła czujnika.
Dwustanowy sygnał wyjściowy czujników umo\liwia ich współpracę
z programowalnymi sterownikami PLC lub bezpośrednie sterowanie pracą przekazników,
elektrozaworów i innych elementów wykonawczych.
W czujnikach pojemnościowych oscylator z kondensatorem tworzy przed aktywną
powierzchnią czujnika zmienne pole elektryczne, które w przypadku zachwiania wpływa na
zmianę pojemności i tłumienie drgań w obwodzie oscylatora. Czujniki pojemnościowe mogą
oprócz obiektów metalowych wykrywać, te\ obiekty nieprzewodzące np. tworzywa sztuczne.
Czujnik pojemnościowy jest tak\e w stanie reagować na obiekty znajdujące się za
nieprzewodzącą warstwą, co czyni go klasycznym czujnikiem do wykrywania obecności
płynów czy granulatu poprzez ścianki pojemnika. Są one u\ywane zazwyczaj jako czujniki
zbli\eniowe, choć mogą generować równie\ sygnał proporcjonalny do odległości przedmiotu
od czoła czujnika.
Głównymi składnikami czujnika pojemnościowego są: głowica z elektrodami,
potencjometr, oscylator, układ detekcji i układ wyjściowy. Je\eli poziom sygnału w obwodzie
oscylatora przekroczy określoną wartość progową, to następuje zmiana sygnału wyjściowego
czujnika. Dzięki temu czujniki zbli\eniowe szczególnie dobrze nadają się na zródła sygnałów
w ró\nego rodzaju układach cyfrowych. Są wygodne w stosowaniu w połączeniu ze
sterownikami PLC i wielu prostych jak i zło\onych aplikacjach.
Głowica Oscylator Układ detekcji Układ
wyjściowy
Rysunek 7 Budowa czujnika pojemnościowego
Aktywnymi elementami czujnika pojemnościowego są dwie metalowe elektrody,
tworzące kondensator otwarty. Gdy obiekt zbli\a się do czujnika to jego pojemność zmienia
się. Całkowita pojemność kondensatora, od której zale\y poziom sygnału wyjściowego, jest
sumą podstawowej pojemności czujnika i zmiany pojemności, spowodowanej działaniem
obiektu wykrywanego.
Rysunek 8 Działanie elementu z metalu i dielektryka w polu elektrycznym czujnika na oscylator.
Wprowadzenie w obszar tego pola materiału wywołującego jego zakłócenie zmienia
warunki generacji oscylatora. W wypadku materiałów przewodzących (metale) jest to zmiana
pojemności kondensatora poprzez jego podział na dwa kondensatory Ca i Cb (rys. 8)
połączone szeregowo, co powoduje ogólne zmniejszenie pojemności. Materiały
nieprzewodzące (dielektryki) powodują zmianę współczynnika przenikalności dielektrycznej
µ na wiÄ™kszÄ… w stosunku do powietrza, co bezpoÅ›rednio zmienia wartość pojemnoÅ›ci
kondensatora na większą.
Dla wyznaczenia rzeczywistej odległości działania czujnika nale\y nominalną
odległość działania sn pomno\yć przez współczynnik korekcji, odpowiedni do rodzaju
materiału wykrywanego obiektu. Nominalna odległość działania sn podawana w katalogach
odnosi się do znormalizowanego przedmiotu metalowego. Współczynniki korekcyjne
określają stopień o jaki zmniejszy się nominalna strefa działania względem materiału
wzorcowego ( Fe360 ). Wynoszą one: metal - 1, woda - 1, pcv - 0,6, szkło - 0,5, drewno - 0,3
-0,5.
Zabudowa czujników jest identyczna jak czujników indukcyjnych, natomiast sposób
podłączania zale\y od typu wykonania.
Czujnik magnetyczny kontaktronowy.
Czujnik magnetyczny z kontaktronem reaguje na zbli\anie siÄ™ do niego magnesu.
W polu magnetycznym wytworzonym przez magnes zestyki kontaktronu zostajÄ…
namagnesowane. Jeśli siła wzajemnego przyciągania zestyków pokona ich siły sprę\ystości,
kontaktron zmieni swój stan np. z otwartego na zamknięty. Dzięki temu zamknięty zostanie
równie\ cały obwód elektryczny z dołączonym obcią\eniem.
Rysunek 9 Budowa czujnika kontaktronowego
Zasada działania tego czujnika opiera się na
pracy kontaktronu, który reaguje na zbli\anie się do
niego magnesu. W polu magnetycznym
wytworzonym przez magnes zestyki kontaktronu
zostają namagnesowane. Jeśli siła wzajemnego
przyciągania zestyków pokona ich siły sprę\ystości,
kontaktron zmieni swój stan z otwartego na
zamknięty. Dzięki temu zamknięty zostanie równie\
cały obwód elektryczny z dołączonym obcią\eniem.
Usunięcie pola magnetycznego ze strefy
działania czujnika spowoduje zanik siły
przyciÄ…gajÄ…cej styki kontaktronu, co w wyniku
własnej sprę\ystości zestyków spowoduje ich
rozdzielenie, przerywając tym samym obwód
elektryczny z obciÄ…\eniem.
Czujniki z kontaktronem nie wymagajÄ…
zasilania. Styki kontaktronu, gdy nie znajdujÄ… siÄ™ w
polu magnetycznym, mogą w zale\ności od typu
kontaktronu pozostawać w stanie otwartym
(normalnie otwarte NO) lub w zamkniętym (NC -
normalnie zamknięty).
Ka\dy magnes jest zródłem pola
magnetycznego, którego natę\enie zale\y od jego
własności materiałowych i wymiarów. Decyduje ono
bezpośrednio o maksymalnym zasięgu Smax czujnika
z kontaktronem.
Rysunek 10 Strefy przełączania czujnika kontaktronowego
Siła oddziaływania pola magnetycznego zale\y od odległości magnesu od czoła
czujnika w kierunku wzdłu\nym i poprzecznym (Rys. 10). Zgodnie z charakterystyką
działania kontaktronu, przy przemieszczaniu magnesu w kierunku X, zorientowanego
równolegle do osi kontaktronu, muszą wystąpić trzy strefy, w których stan wyjścia czujnika
będzie załączony (ON). Ustawiając odpowiednio magnes i czujnik względem siebie mo\na
uzyskać te\ czujnik o dwóch lub jednej strefie przełączania. W ka\dym przypadku zbli\ając
lub oddalając w kierunku Y magnes od czujnika będzie występowało tylko jedno przełączenie
z ON na OFF lub z OFF na ON.
Magnetyczne czujniki kontaktronowe posiadają bardzo ró\ne kształty obudów, od
prostych cylindrycznych i prostopadłościennych, do bardzo zło\onych form geometrycznych.
Decyduje o tym ich przeznaczenie. Kształt czujnika wymusza obszary, w których mo\e
poruszać się magnes. Są czujniki, w których mo\liwe jest tylko przemieszczanie magnesu
względem czoła czujnika i są takie, które umo\liwiają przemieszczanie magnesu równie\
względem bocznych powierzchni czujnika.
Czujniki z kontaktronem mogą być trójprzewodowe, a w przypadku braku diody,
sygnalizującej stan czujnika, maja tylko dwa przewody. Maksymalna częstotliwość
przełączeń stanu wyjścia jest niewielka (<250Hz), a prąd jaki mo\e przepływać przez
kontaktron nie przekracza 3A. Przy małych wartościach prądu czujniki te mogą skutecznie
przełączać urządzenia pracujące z napięciem, nawet powy\ej 100V.
Czujniki magnetyczne z hallotronem.
Czujniki magnetyczne hallotronowe wykorzystują występujący w półprzewodnikach
efekt Halla. Stan ich wyjścia zmienia się pod wpływem zmian zewnętrznego pola
magnetycznego (B), powodującego pojawianie się w czujniku dodatkowego napięcia Halla
UH.
UH
Rysunek 11 Efekt Halla pojawienie się napięcia UH na końcach płytki przez którą przepływa prąd I
i strumień magnetyczny B
Czujnik jest zasilany prądem stałym, który płynie przez płytkę półprzewodnikową
(hallotron). Dopóki magnes znajduje się poza strefą działania czujnika prąd bez przeszkód
przepływa przez hallotron. Ró\nica potencjału na jego krawędziach jest wówczas równa zero
(V=0). Kiedy magnes pojawi się w strefie działania czujnika, jego pole magnetyczne
spowoduje pojawienie się na krawędziach hallotronu napięcia Halla (V=VH). To napięcie
stanowi sygnał pomiarowy, który steruje tranzystorem wyjściowym czujnika (rys. 12).
Rysunek 12 Budowa czujnika Halla
Czujniki te wykonywane są zwykle jako trójprzewodowe, zasilane napięciem stałym
5V do 30V. Maksymalna częstotliwość przełączania stanu wyjścia jest dla tych czujników
du\a nawet ponad 300 kHz. Maksymalny prąd przepływający przez hallotron jest zwykle
poni\ej 1A.
Czujniki wykonywane mogą być w wersji omnipolarnej (reagują na dowolną
polaryzację pola magnetycznego), unipolarnej (reagują tylko na określoną polaryzację pola
magnetycznego) oraz bipolarnej (wyłączenie następuje przeciwnym biegunem pola
magnetycznego ni\ włączenie). Efekt Halla polega na pojawianiu się dodatkowego pola
elektrycznego w płytce z przewodnika lub półprzewodnika umieszczonej.
W zewnętrznym polu magnetycznym, przez którą płynie prąd stały. Oddziaływanie
zewnętrznego pola magnetycznego na ładunki elektryczne płynące w płytce, prowadzi do
gromadzenia się tych ładunków na jednym z jej brzegów. Ró\nica potencjałów na obu
brzegach płytki jest, tzw. napięciem Halla VH.
Dodatkowe informacje mo\na znalezć na stronie internetowej:
http://www.automatykab2b.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=916&Itemid=
33
http://www.automatykab2b.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=917&Itemid=
33
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie binarnych czujników zbli\eniowych, ich budowy i zasady
działania oraz dokonanie pomiarów histerezy i oceny stref działania czujników.
Dla wybranych zbli\anych materiałów dokonać pomiaru odległości dla których zmienia się
stan czujnika. Wartości te zanotować w tabeli, a na jej podstawie wykonać wykresy histerezy.
Pomiar odległości dokonywać z dokładnością 0,01mm. Na wykresie dotyczącym jednego
czujnika umieścić uzyskane krzywe histerezy dla ró\nych materiałów. W sprawozdaniu
umieścić schemat stanowiska, cel wykonywania ćwiczenia, opracowane w postaci tabeli
wyniki pomiarów i wykresy histerezy dla wskazanych czujników i badanych materiałów.
Wzór ramki tytułowej zawiera konspekt nr 1.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Ćwiczenie laboratoryjne nr 6 materiałyChemia żywnosciCwiczenie laboratoryjne nr 1 wyodrebnianie i badanie własciwosci fizykochemicznych bLABORATORIUM NR 2Cwiczenie laboratoryjne nr 5 materialyGR3 Sprawozdanie Laboratorium nr 2Ćwiczenie Laboratoryjne nr 1 TematyLaboratorium nr 3 Jakóbik Piotr Klocek Karolina tabelkaLaboratoria nr 1MKiRW Sprawozdanie laboratorium nr 3Automatyka Laboratorium Nr 2Laboratorium nr 2, 14 10 2011Sprawozdanie z laboratorium nr 2 z Podstaw AutomatykiLaboratorium nr 5 Jakóbik Piotr Klocek KarolinaCwiczenie laboratoryjne nr 6Laboratorium nr 3 KształtografLABORATORIUM NR 1Ćwiczenie laboratoryjne nr 4 materiaływięcej podobnych podstron