Badanie przetworników siły

BADANIE PRZETWORNIKÓW SIŁY

Program ćwiczenia obejmuje badania przetworników siły dwojakiego rodzaju: tensometrycznego i magnetosprężystego. Ze względu na znaczące różnice w zasadzie działania oraz właściwościach w instrukcji opisano je osobno.

1.1

Cel badania przetwornika tensometrycznego

Celem tej części ćwiczenia jest wyznaczenie błędów przemysłowego tensometrycznego czujnika siły skupionej spowodowanych nie osiowym przyłożeniem siły mierzonej względem osi symetrii czujnika.

W ćwiczeniu laboratoryjnym badany jest czujnik siły nacisku z elementem sprężystym w kształcie ramki (jak na rys. 2a). Stanowisko zapewnia możliwość przeniesienia siły rozciągającej na czujnik badany poprzez odpowiednie zaczepy. Dodatkowo konstrukcja mocowania przetwornika badanego umożliwia przyłożenie siły pod pewnymi kątami względem osi zapewniając niezmienność warunków pracy przetwornika wzorcowego.

Należy wyznaczyć błędy pomiaru siły czujnikiem badanym w funkcji konta przyłożenia siły.

1.2

Wprowadzenie

Właściwości metrologiczne czujnika siły zależą przede wszystkim od parametrów elementu sprężystego czujnika. Elementy sprężyste czujników siły mogą mieć różne kształty. Najczęściej są one wykonane ze stali sprężystej w kształcie wydrążonego lub pełnego walca albo w kształcie ramki. Elementy walcowe zwykle stosuje się w czujnikach do pomiaru dużych sił ze względu na większą wytrzymałość mechaniczną. Rozkład naprężeń oraz odkształceń w takich elementach zilustrowano na rys.1.

b +∆l Fx Fx +σx 1 2 b −∆l Fx Fx −σx 1 2 Fx Fx -σx +σy +σx -σy F_x Fx a) b) c) d)

Rys.1. Odkształcenia elementu sprężystego spowodowane siłą: a) – ściskającą, b) – rozciągającą ;

σ

x,

σ

y – naprężenia odpowiednio wzdłużne i poprzeczne,

c), d) – sposób umieszczenia tensometru 2 na badanym obiekcie 1.

Elementy sprężyste w kształcie ramek charakteryzują się większą niż walcowe czułością odkształceniową gdyż ich ściany boczne z naklejonymi tensometrami mogą być jednocześnie ściskane lub rozciągane oraz zginane. Na rys.2 pokazano szkic budowy czujnika z elementem sprężystym w kształcie ramki prostokątnej (stosowane są także ramki sześciokątne i pierścieniowe). Na rysunku tym zaznaczono wektory sił działających na ramkę w przypadku ukośnego przyłożenia do niej mierzonej siły, pokazano także schemat połączeń tensometrów naklejonych na ścianach bocznych ramki (rys.2 b).

F_x F R_T1 R_T2 R_T3 R_T4 a) a l_k b x z y α F_z b) U U_M R_T1 R_T2 R_T3 R_T4

Rys.2. a) – szkic konstrukcji tensometrycznego czujnika siły,

b) – układ połączeń tensometrów ( U - zasilanie, UM - sygnał wyjściowy).

Jeśli czujnik jak na rys.2 a jest obciążony siłą osiową (w kierunku osi x) to ściany boczne ramki odkształcają się jednakowo. W przypadku osiowej siły rozciągającej kolumny (boczne ściany) ramki są rozciągane jednakowymi siłami oraz zginane takim samym momentem gnącym. W wyniku tego ich powierzchnie odkształcają się w sposób jak pokazano na rys.1 a,b. Wypadkowe odkształcenie tych ścian można oszacować metodą superpozycji naprężeń. Dla konstrukcji czujnika jak na rys.2 można przyjąć, że jeśli siła działa osiowo (F = Fx) to czułość odkształceniowa ramki jest jednakowa dla siły

ściskającej i rozciągającej. W przypadku ukośnego przyłożenia siły do czujnika (rys.2 a) na ramkę działa składowa osiowa siły F’x oraz składowa ortogonalna F’z. Składowa

ortogonalna działająca w kierunku osi z wytwarza dodatkowy moment gnący w kolumnach ramki. Biorąc pod uwagę konstrukcję ramki można stwierdzić, że największy wpływ momentu gnącego na napięcie sygnału czujnika UM ma miejsce wtedy, gdy siła ukośna

działa w płaszczyźnie xy . Działanie siły ukośnej w płaszczyźnie xy wywołuje praktycznie taki sam jak poprzednio moment gnący lecz jego działanie nie wpływa na napięcie sygnału czujnika UM. W celu uproszczenia rozważań przyjmuje się, że na wypadkowe wydłużenia

tensometrów składają się jednakowe dla obu kolumn odkształcenia wywołane składową osiową F’x mierzonej siły F’ oraz równe co do wartości lecz o przeciwnych znakach

odkształcenia wywołane działaniem momentów gnących

(

k

)

z g x;x ,...,l F M 0 2 ∈ ′ = .

Sygnał z czujnika w postaci napięcia UM wynosi:

      + − + = 3 2 2 4 1 1 T T T T T T M R R R R R R U U (1).

Po podstawieniu w zależności (1) w miejsce rezystancji tensometrów RT1,...,RT4 związków:

i pominięciu wyrazów zawierających iloczyny przyrostów rezystancji tensometrów

∆R1,...,∆R4 otrzymuje się: 4 3 2 1 4 3 2 1 2 2 R R R R R R R R R U U T M _{+∆ +∆ +∆ +∆} ∆ − ∆ + ∆ − ∆ ⋅ ≈ (2).

Jeśli czujnik jest rozciągany siłą osiową Fx = F to przyrosty rezystancji tensometrów są równe odpowiednio:

T T oraz R R K R R K R R =∆ = ⋅ ⋅′ ∆ =∆ =− ⋅ ⋅ ⋅′ ∆ 1 3

ε

2 4

µ

ε

(3)

gdzie K’ – stała tensometru,

RT – rezystancja tensometru bez odkształceń,

ε

– wydłużenie względne tensometru

µ

– liczba Poissona (dla stali

µ

≈ 0,3).

Po uwzględnieniu w zależności (2) zależności (3) otrzymuje się napięcie wyjściowe czujnika obciążonego siłą osiową:

(

µ

)

ε

µ

ε

− ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ ≈ 1 1 1 2 K U K U_M (4).

w przypadku ukośnie przyłożonej siły F jak na rys.2 a na wydłużenie tensometrów składa się wydłużenie wywołane składową osiową siły Fx oraz wydłużenie spowodowane

momentem gnącym z _k

g l

F

M ≈ ⋅

2 działającym na każdą z kolumn w wyniku istnienia składowej poprzecznej siły Fz . W tej sytuacji na ramkę działają siły:

Fx = F

⋅

cosα oraz Fz = F

⋅

sinα.

Wypadkowe wydłużenia kolumn ramki

ε

można przedstawić w postaci sumy:

ε ε

ε = ′+ ′′ (5)

gdzie ε’ - wydłużenie względne wywołane składową osiową siły Fx ,

ε’’ - wydłużenie względne wywołane działaniem na kolumny momentów gnących pochodzących od składowej ortogonalnej siły Fz.

Jeśli przyjąć ε′=εcosα oraz

ε

′′=k_z F_z =k_z Fsin

α

przy czym kz –współczynnik zależny od konstrukcji czujnika, to dla przyrostów

rezystancji ∆R tensometrów przy ukośnie przyłożonej sile do czujnika można napisać:

(

ε⋅ α +ε′′

)

⋅ = ′ ∆R₁ K R_T cos

(

−µ⋅ε⋅ α+µ⋅ε′′

)

⋅ = ∆R₂ K R_T cos

(

ε

⋅

α

−

ε

′′

)

⋅ = ′ ∆R3 K RT cos

(

−µ⋅ε⋅ α−µ⋅ε′′

)

⋅ = ′ ∆R₄ K R_T cos (6).

Po uwzględnieniu związków (6) w zależności (4) otrzymuje się przy ukośnym przyłożeniu siły do czujnika zależność na napięcie wyjściowe UM.’ :

(

)

(

µ

)

α ε µ α ε cos K cos U K U_M ⋅ − ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ = ′ 1 1 1 2 (7).

Na podstawie zależności (7) można wyznaczyć względny błąd pomiaru siły F przy

skośnym jej przyłożeniu do czujnika:

(

µ

)

α

ε

α

δ

cos K cos U U U M M M F − + − ≈ − ′ = 1 1 1 (8). Przykład: Siła osiowa F wywołuje wydłużenie względne ε = 10-4 tensometru naklejonego na kolumnie ramki (µ = 0,3). Przy K = 2 i sile F działającej w płaszczyźnie xz

odchylonej od kierunku normalnego o kąt α = 10° błąd pomiaru wynosi ok. –1,5 %, w tych samych warunkach lecz przy odchyleniu o kąt α = 30° błąd pomiaru wzrośnie do ok. – 13,4 %.

1.3

Stanowisko laboratoryjne do badania tensometrycznego czujników siły

Na rys.3 przedstawiono szkic stanowiska laboratoryjnego do badania czujników siły. W ćwiczeniu laboratoryjnym bada się przemysłowy czujnik tensometryczny siły nacisku, który przystosowano do pomiaru sił rozciągających. Badany czujnik 1 przymocowany jest podstawą do belki z rzędem równooddalonych otworów. Jego kulisty trzpień naciskowy zamieniono na zaczep i połączono poprzez cięgno przegubowe 3 z suportem 4. Pokrętłem

5 przesuwa się suport ustalając wymaganą wartość siły naciągu F. Kąt przyłożenia siły do

czujnika α ustala się wybierając odpowiedni otwór w belce 2 przez, który przewleka się sworzeń uchwytu przy podstawie maszyny. Wartość siły naciągu F odczytuje się na

cyfrowym polu odczytowym procesora wagowego.

1998 3 2 1 F F 4 6 WMT

Maszyna do badań wytrzymałościowych

VC

5

7

h

a

Rys.3. Szkic stanowiska laboratoryjnego do badania czujników siły; 1- badany czujnik, 2- belka otworami, 3- cięgno przegubowe, 4- suport z siłomierzem, 5- pokrętło do zadawania siły naciągu F , 6- procesor wagowy, 7- zasilacz i wzmacniacz napięcia

mostka tensometrycznego.

Przed rozpoczęciem pomiarów należy pokrętłem 5 ustalić minimalny początkowy naciąg przy, którym nie występują luzy w połączeniach przegubowych. Badanie czujnika 1 przeprowadza się w dwóch etapach. W pierwszym etapie badany czujnik mocuje się symetrycznie tak, aby siła F była osiowo przyłożona do czujnika. W drugim etapie

wyznacza się charakterystyki kierunkowe czyli zależność sygnału wyjściowego czujnika

UM od przyłożonej do czujnika siły F przy różnych kątach przyłożenia. siły do czujnika:

( )

F const

f

w= _α= (9)

gdzie w=S_MU_M - wskazanie ;

SM – czułość miernika [N/V] (określona nastawami toru pomiarowego na 1kN/V) W ćwiczeniu laboratoryjnym bada się czujnik tensometryczny zbudowany w sposób pokazany na rys.2. Uwaga! Nie ma możliwości obrotu czujnika w płaszczyźnie yz ,

należy przyjąć że, ramka czujnika zorientowana jest tak jak na rys.2. Badania czujnika można przeprowadzić w ten sposób, że po kalibracji przyrządów i zdjęciu charakterystyki (9) przy osiowym działaniu siły dla każdego kąta przyłożenia mierzonej siły nastawia się pokrętłem 5 maszyny wytrzymałościowej wartości siły według wskazań procesora wagowego 6. Kąt przyłożenia siły α wyznacza się z zależności:

      = h a tg arc α (10)

gdzie a – odległość sworznia mocującego w belce 2 od otworu środkowego, h – wysokość czujnika (rys.4)

1.4

Pytania kontrolne

1. Co to jest czułość odkształceniowa tensometru?

3. Czy liczba Poissona dla konstrukcji czujnika jest zawsze taka sama jak dla tensometru? Podać wyjaśnienie.

4. Dlaczego w czujnikach siły nacisku zakończenie trzpienia pomiarowego w miejscu przyłożenia siły ma kształt kulisty ?

1.5

Program ćwiczenia

1. Dokonać identyfikacji przyrządów pomiarowych na stanowisku laboratoryjnym (rys.3) (zwrócić uwagę na nastawy)

2. Odczytać z tabliczki znamionowej badanego czujnika jego parametry. 3. Zamocować badany czujnik osiowo.

Uruchomić stanowisko pomiarowe i sprawdzić stan wyzerowania przyrządów 6 i 7 (w razie niezgodności wskazań zerowych zgłosić problem prowadzącemu).

Uwaga! Przed wykonywaniem pomiarów sprawdzić nastawy przyrządów – istnieje możliwość uszkodzenia badanego czujnika i elementów jego zamocowania.

Zmierzyć charakterystykę w= f F

( )

α=0 pamiętając iż wskazanie maksymalne

procesora wagowego 6 wynosi około 3.9 kN.

4. Zmierzyć charakterystyki w= f

( )

F α=const dla wszystkich możliwych nastaw

kątów przyłożenia siły α.

5. Wyznaczyć dla tych kątów charakterystyki błędów czujnika δF = f (F) |α= const.

6. Wyznaczyć charakterystyki błędów czujnika δF = f (α ) | F = const.

7. Sporządzić wykresy zbadanych zależności. 8. Wyciągnąć wnioski z pomiarów.

2.1

BADANIE MAGNETOSPRĘŻYSTEGO CZUJNIKA SIŁY

2.2

Cel ćwiczenia

Celem tej części ćwiczenia jest poznanie zasady działania, budowy oraz pomiar charakterystyk statycznych magnetosprężystego czujnika siły. Ponadto należy wyznaczyć na podstawie zmierzonych charakterystyk podstawowe właściwości metrologiczne badanego czujnika.

2.3

Wprowadzenie

Właściwości magnetyczne materiałów ferromagnetycznych zależą od budowy jego elementarnych siatek krystalicznych, ich orientacji względem zewnętrznego pola magnetycznego oraz względem kierunku działania naprężeń mechanicznych. Ponadto zależą one od stopnia i rodzaju deformacji elementarnych kryształów materiału. W skali makroskopowej w wielu materiałach ferromagnetycznych przy stałym natężeniu pola magnetycznego H można zaobserwować zmianę całkowitej indukcji magnetycznej B pod

wpływem zmiany naprężenia (efekt Villari'ego). Można to wyjaśnić na gruncie teorii domen P. Weiss'a, według której każdy materiał ferromagnetyczny w skali mikroskopowej składa się z domen magnetycznych, w których atomy tworzą przestrzenne siatki krystaliczne wykazując momenty magnetyczne (niezerowy wektor magnetyzacji J – każda

z domen stanowi jakby miniaturowy magnes). Domeny magnetyczne ułożone są tak w sieci krystalicznej, że przy braku zewnętrznego pola magnetycznego materiał nie wykazuje cech magnetycznych. Oznacza to, że wektory magnetyzacji domen mają różne kierunki. Ponieważ linie sił pola magnetycznego domen muszą być ciągłe i zamknięte, domeny o przeciwnych wektorach magnetyzacji są rozdzielone warstwą domen

tworzących tzw. „ścianę Blocha” tak ułożonych, że kolejne domeny mają wektory magnetyzacji obrócone o niewielki kąt w ten sposób, że po przeciwnych stronach tej warstwy wektory magnetyzacji są zgodne

z wektorami domen zewnętrznych jak pokazano na rys.4.

Wielkość domen zależy od stosunku energii wymiany do energii wewnętrznej pojedynczego kryształu sieci krystalicznej ferromagnetyka. Wymiary liniowe domen w żelazie są rzędu 10µm. Grubość ściany Blocha zależy od stałej anizotropii, odległości siatkowych oraz temperatury Curie materiału. Grubość ścian Blocha dla żelaza wynosi (2,5 ÷3,5)µm.

W obecności zewnętrznego pola magnetycznego następuje proces porządkowania domen poprzez ich obrót oraz przesuwanie ścian Blocha tak, że wraz ze wzrostem natężenia pola rośnie liczba domen , których wektory magnetyzacji są zgodne z kierunkiem pola. Proces magnesowania ferromagnetyka (porządkowania domen) wymaga wykonania pracy związanej z przemieszczaniem domen oraz pokonania sił międzycząsteczkowych. Energia zużywana na magnesowanie ferromagnetyka zależy od budowy i orientacji kryształów oraz domen magnetycznych w jego sieci krystalicznej. Jeśli w wyniku naprężeń mechanicznych wektory magnetyzacji zostaną chociaż częściowo uporządkowane to proces magnesowania będzie przebiegał łatwiej co uwidoczni się zewnętrznie większymi przyrostami indukcji magnetycznej B przy zmianach pola magnetycznego H. Niektóre

materiały wykazują wzrost przenikalności przy ściskaniu (określa się je jako materiały o dodatniej magnetostrykcji), inne zaś zmniejszają wtedy przenikalność magnetyczną (materiały o ujemnej magnetostrykcji). Na przykład żelazo wykazuje magnetostrykcję dodatnią, a nikiel magnetostrykcję ujemną. Wynika stąd, że charakterystyka magnesowania B = f(H) takich materiałów zależy od naprężeń mechanicznych. Na rys.6

przedstawiono w sposób poglądowy początkową fazę procesu magnesowania materiału ferromagnetycznego. J Ferromagnetyk H H

σ

β₀ α₀

Φ

'

J₀ B B' β I₁ U₁ U₂

Rys.5. Zasada wykorzystania magnetostrykcji w pomiarach sił i naprężeń mechanicznych. N N _NN N _N N N S S S S S S S S Ściana Blocha J J J J Moment magnetyczny spinu elektronowego

Rys.4. Orientacja wektorów magnetyzacji wewnątrz ściany Blocha.

H

- kierunki osi krystalicznych - kierunek pola magnetycznego

- materiał nienamagnesowany -H_k 0 +Hmax B_r B_max H B

- odwracalne procesy obrotów domen

- nieodwracalne skokowe przesuwanie ścian domen - "skoki Barkhausena"

- odwracalne procesy przesuwania ścian domen - _"ścian Blocha"

Rys.6. Procesy magnesowania ferromagnetyka oraz odpowiadające im zakresy krzywej magnesowania B = f(H).

Zarówno zmiany anizotropowych właściwości magnetycznych ferromagnetyka jak i zmiany przebiegu jego charakterystyki magnesowania można wykorzystywać w pomiarach takich wielkości mechanicznych, które wywołują naprężenia mechaniczne w ferromagnetycznym rdzeniu czujnika. Na rys.7 pokazano szkice konstrukcji czujników siły skupionej działające według zasady przedstawionej na rys.5. Konstrukcja przedstawiona na rys.7 a wykonana jest z walcowanych blach transformatorowych z otworami, przez które przewleczone są dwa wzajemnie prostopadłe uzwojenia I i II. Kształtki rdzenia zwykle są tak wycięte z arkusza blachy w taki sposób, aby wzajemnie prostopadłe płaszczyzny uzwojeń I i II były odchylone od kierunku walcowania o kąt γ = 45°. Wtedy zachodzą relacje pomiędzy jego parametrami magnetycznymi i mierzoną siłą

F takie jak pokazano na rys.5.

U₁ U₂ F Φ1 Φ3 Φ1' Φ3' Φ2 3 2 1 I₁ F I _II U₁ U₂ I₁ a) b)

Rys.7. Szkice konstrukcji czujników siły działających według zasady przedstawionej na rys.5; a) czujnik z rdzeniem z blach transformatorowych sklejonych, b) czujnik kolumnowy z rdzeniem wykonanym z litego materiału.

W przetworniku kolumnowym (rys.7b) na przeciwległych kolumnach nawinięte są uzwojenia połączone tak, aby strumienie magnetyczne kolumnach 2 i 4 wytwarzane przez uzwojenia kolumn 1 i 3 były przeciwne. Jeśli rdzeń przetwornika wykonany jest tak, że jego kolumny są zorientowane pod kątem do kierunku walcowania to przy (F = 0

W praktyce warunek ten nie jest spełniony (zwykle γ≠ 45°), stąd napięcie wyjściowe

U2≠ 0 przy F = 0.

Wykorzystywanie magnetostrykcji do pomiaru siły wymaga spełnienia jednocześnie następujących warunków:

• wykonanie rdzenia przetwornika z materiału charakteryzującego się anizotropią magnetyczną,

• wywołanie naprężeń mechanicznych w rdzeniu w wyniku działania mierzonej siły,

• poddanie rdzenia działaniu zewnętrznego pola magnetycznego,

• detekcja zmian właściwości magnetycznych rdzenia (strumienia magnetycznego, przenikalności magnetycznej, strat magnetycznych itd.) wywołanych mierzoną siłą.

Detekcję zmian strumienia magnetycznego realizuje się za pomocą odpowiednio nawiniętego na rdzeniu uzwojenia mierząc zmiany indukowanego w nim napięcia (w przypadku stałej siły oraz stałego pola magnetycznego nie indukuje się napięcie, można wówczas wykonać szczelinę w rdzeniu i umieścić w nie czujnik hallotronowy – ten przypadek rzadko wykorzystywany jest w praktyce).

Najistotniejszym elementem każdego przetwornika siły jest element sprężysty ulegający odkształceniu w wyniku siły mierzonej. W przetworniku magnetosprężystym tym elementem jest rdzeń ferromagnetyczny, który odkształcając się zmienia swoje właściwości magnetyczne. Rzeczywiste przetworniki siły mogą mieć różne konstrukcje oraz różne kształty rdzenia ferromagnetycznego na przykład takie jak na rys.7 albo prostsze kształty (pierścień lub ramka). Konstrukcje przetworników oraz układy pomiarowe w, których one pracują są determinowane przede wszystkim wybraną do detekcji wielkością wyjściową (np. napięcie, prąd, moc strat magnetycznych, indukcyjność). Przetworniki magnetosprężyste zwykle pracują w prostych układach pomiarowych w, których realizowane są zależności:

1; U₂ = f

( )

F _B=const , 2; U₂ = f

( )

F _H=const , 3; U₂ = f

( )

F _U,Z=const, 4; ∆P,I₁ = f

( )

F _B=const , 5; ∆P,U₁ = f

( )

F _H=const , 6; ∆P,U₁,I₁ = f

( )

F _U,Z=const . Na rys.3.20 przedstawiono w sposób poglądowy zmiany charakterystyki magnesowania rdzenia oraz punktu pracy P przetwornika magnetosprężystego

spowodowane zmianą mierzonej siły w różnych warunkach pracy przetwornika. Z przebiegu charakterystyk pokazanych na rysunku wynika, że w przypadku pomiaru

napięcia wyjściowego (U2) korzystna jest praca przetwornika przy stałej wartości pola

magnetycznego (rys.9 a) jeśli zaś wielkością detekcyjną jest prąd magnesujący (I1) albo

moc strat na magnesowanie ∆P korzystna jest praca przetwornika przy stałej wartości

B H BM BM = const P₁ P2 H2 H1 F1< F2 +Br -Br 0 B H HM = const P1 B2 B1 F1< F2 P2 HM +Br -Br 0 B H P1 B2 B1 F1< F2 P2 H1 +Br -Br 0 H2 a) b) c)

Rys.8. Przesunięcie punktu pracy przetwornika magnetosprężystego spowodowane działaniem siły w warunkach: ;

a) – wymuszenia napięciowego, b) – wymuszenia prądowego,

c) – przy zasilaniu z rzeczywistego źródła;

liniami przerywanymi zaznaczono obszary fragmentów pętli histerezy.

Przebiegi charakterystyk przedstawione na rys.8 wykreślono przy założeniu stałej wartości indukcji remanentu magnetycznego Br.

Na rys.9 przedstawiono podstawowe układy pracy przetworników magnetosprężystych. F z₂ z₁ Z U, f Źródło zasilania V U2 U1 I1 Przetwornik magnetosprężysty Z U, f Źródło zasilania A F z1 U1 I₁ Przetwornik magnetosprężysty a) b) I₁ F z2 z1 U2 U1 Przetwornik magnetosprężysty W GS m.cz. U, f variab. Tr. U₂' c)

Rys.9. Podstawowe układy pomiarowe magnetosprężystych czujników siły; a) – układ transformatorowy, b) – układ dławikowy, c) – układ do pomiaru strat magnetycznych ; Tr – transformator podwyższający napięcie.

Z zasady działania magnetosprężystego przetwornika siły oraz z przebiegu charakterystyk rdzenia ferromagnetycznego przedstawionych na rys.8 wynikają wnioski:

• materiał rdzenia przetwornika magnetosprężystego powinien mieć dużą przenikalność magnetyczną µ oraz duża wartość współczynnika magnetostrykcji λs,

• materiał rdzenia powinien mieć wąską pętlę histerezy (mała energia krystaliczna – pozwala to uzyskiwać dużą czułość odkształceniową),

• kierunek działania naprężeń od mierzonych wielkości mechanicznych powinien z kierunkiem łatwego magnesowania (kierunkiem największych przenikalności magnetycznych) tworzyć kąt 45°,

• korzystne są konstrukcje przetwornika takie jak na rys.7, których sygnałem wyjściowym jest napięcie różnicowe (przy F = 0  U2 ≈ 0),

• ze względu na znaczną nieliniowość charakterystyki magnesowania rdzenia korzystnie jest mierzyć napięcie jednej harmonicznej napięcia wyjściowego najlepiej podstawowej.

Przetworniki magnetosprężyste charakteryzują się dużą czułością, prostotą konstrukcji, dużą wytrzymałością mechaniczną, szerokim zakresem pomiarowym oraz małą wrażliwością na zakłócenia elektryczne. Należy zwrócić uwagę na fakt, że właściwości elektryczne i magnetyczne ciała zależą w istotny sposób od temperatury. Wzrost temperatury powoduje wzrost entropii sieci krystalicznej materiału rdzenia (zmniejszenie stopnia uporządkowania sieci krystalicznej) przejawiający się zmniejszeniem się przenikalności magnetycznej. Różne ferromagnetyki mają różne energie kryształów sieci z czego wynikają różne temperatury (temperatury Curie) przy, których następuje zmiana rodzaju sieci krystalicznej w wyniku czego gwałtownie maleje przenikalność magnetyczna. W praktyce przetworniki magnetosprężyste najczęściej pracują w układzie pomiarowym jak na rys. 9 a. Przebieg typowej charakterystyki przetwarzania przetwornika pracującego w tym układzie pokazano na rys.10.

U₂

[N] 0

F U , Z, f = const.

Rys.10. Przykładowa charakterystyka przetwornika magnetosprężystego pracującego w układzie jak na rys.9 a.

Z zasady działania magnetosprężystego przetwornika siły wynika, że wielkością wyjściową może być nie tylko napięcie U₂ na zaciskach wtórnych (przetwornik w układzie transformatorowym – rys.9 a) ale również prąd zasilania I1 (przetwornik

w układzie dławikowym lub transformatorowym bez uzwojenia wtórnego – rys.9 b), napięcie U₁ na zaciskach pierwotnych jeśli przetwornik zasilany jest ze źródła prądowego (I1 = const.), moc strat magnetycznych ∆P, indukcyjność własna L uzwojenia itd.

Należy zwrócić uwagę na fakt, że krzywe magnesowania są zależnościami nieliniowymi, co oznacza, że w przetworniku następuje odkształcenie sygnału wyjściowego. Jeżeli źródło zasilające jest sinusoidalne to prąd pierwotny i napięcie wtórne mają przebiegi odkształcone. Miarą wielkości wyjściowej może być wartość skuteczna (RMS) , wartość średnia przebiegu wyprostowanego (AVG) względnie wartość szczytowa harmonicznej przebiegu (najczęściej pierwszej).

Przebieg charakterystyki wyjściowej przetwornika magnetosprężystego zależy od budowy i konstrukcji jego obwodu magnetycznego:

• budowa i kształt rdzenia (rdzeń sklejany z blach, lity, ferrytowy)

• usytuowanie uzwojeń w przestrzeni rdzenia (wzajemna orientacja przestrzenna strumienia magnetycznego i naprężeń w rdzeniu)

• parametry źródła zasilania (napięcie U, częstotliwość f, impedancja wewnętrzna Z)

• rodzaj i miara wielkości wyjściowej (np. U₁,U₂, I₁)

• temperatura otoczenia rdzenia oraz jego temperatura Curie

• impedancja toru pomiarowego obciążająca przetwornik

Wrażliwość rdzenia magnetycznego na czynniki zakłócające zwłaszcza na temperaturę sprawia że, przetworniki magnetosprężyste mają niezbyt dużą dokładność (jednak często wystarczającą w pomiarach przemysłowych). Mają one jednak wiele zalet takich jak: prosta konstrukcja mechaniczna i elektryczna oraz niską cenę, znaczny poziom sygnału wyjściowego i duży możliwy do osiągnięcia stosunek mierzonej siły do objętości rdzenia (wymiarów gabarytowych).

Przetworniki magnetosprężyste wykorzystywane są najczęściej w czujnikach sił (sił nacisku, sił rozciągających momentów skręcających. Zwykle są one zasilane ze źródła napięcia sinusoidalnego o odpowiednio dobranych parametrach (zwykle jest to źródło o częstotliwości sieciowej f = 50Hz, rzadziej generator sinusoidalny małej częstotliwości).

W pomiarach przemysłowych nie wykorzystuje się układu pomiarowego jak na rys.9 c gdyż wymaga on stosowania watomierza o małym współczynniku mocy oraz niskim napięciu zakresowym. Ze względu na znormalizowane zakresy napięciowe watomierzy zwykle oznacza to konieczność zastosowania transformatora podwyższającego napięcie. Pomiaru mocy strat magnetycznych przetwornika magnetosprężystego można także dokonywać za pomocą przetwornika hallotronowego. Wówczas jednak układ pomiarowy jest bardziej złożony, wrażliwy na zakłócenia oraz droższy w realizacji

2.4

Układ pomiarowy do badania czujników magnetosprężystych

W ćwiczeniu laboratoryjnym bada się czujnik magnetosprężysty siły nacisku z przetwornikiem o konstrukcji jak na rys.7 a. Badany czujnik jest obciążany siłą skupioną

za pomocą podwójnej dźwigni dwuramiennej jak na rys.11. Siłę F działającą na badany

czujnik ustala się za pomocą odważników, które umieszcza się na szalce podwieszonej na ramieniu dźwigni. Wartość tej siły można określić na podstawie masy odważników oraz współczynnika przełożenia dźwigni kF:

g m l l l l Q k F = _F = ⋅ ⋅ 3 4 2 1 . Q = mg m l1 l2 l3 l4 Dźwignia Czujnik badany Odważnik F

Rys.11. Układ mechaniczny z podwójną dźwignią dwuramienną do badania czujników siły nacisku.

I₁ F z₂ z₁ U₂ U₁ Przetwornik magnetosprężysty A V₁ V₂ V₃ AVG RMS Osc-XY FPP GS m.cz. U, f variab. R dt U  2 Filtr pasmowo--przepustowy

Rys.12. Układ elektryczny do badania magnetosprężystych przetworników siły.

Dźwignia wykorzystywana na stanowisku laboratoryjnym ma współczynnik przełożenia kF = 10.

Na rys.12 przedstawiono schemat elektryczny układu pomiarowego do badania przetworników magnetosprężystych pracujących w układzie transformatorowym.

Na stanowisku laboratoryjnym można wyznaczać charakterystyki magnesowania rdzenia badanego przetwornika przy różnych siłach nacisku w postaci zależności

( )

I F const

f

U₂ = _{1 =} i charakterystyki przetwarzania U₂ = f

( )

F _U,f=const oraz

( )

F U,f const

f

I₁ = ₌ przy różnych częstotliwościach napięcia zasilania. Ponadto za pomocą oscyloskopu pracującego w trybie XY można obserwować zmiany krzywej magnesowania oraz wyznaczyć na podstawie pomiaru parametrów obserwowanej pętli histerezy zależności parametrów magnetycznych rdzenia badanego przetwornika od siły nacisku (np. zależności; µ = f(F), ∆P = f(F)). Z pomiaru charakterystyk magnesowania można

także wyznaczyć prąd i napięcie zasilania przy, którym przetwornik magnetosprężysty ma największą czułość. Z charakterystyk przetwarzania można wyznaczyć napięcie zasilania

U lub prąd zasilania I1 przy, którym zakres pomiarowy przetwornika jest najszerszy zaś

nieliniowość najmniejsza. Ponadto można określić miarę wartości wyjściowej pozwalającą uzyskać najbardziej liniową charakterystykę przetwarzania. W ćwiczeniu laboratoryjnym bada się magnetosprężysty czujnik siły nacisku typu PM-150 o dopuszczalnych granicznych parametrach:

• maksymalne obciążenie F_max = 1500 N,

• dopuszczalny prąd zasilania I_1max (wartość skuteczna) = 0,3 A,

• zakres częstotliwości zasilania : f = 50 ... 500 Hz

2.5

Program ćwiczenia

1. Dokonać identyfikacji przyrządów pomiarowych oraz sprawdzić ich nastawione parametry (rodzaj mierzonej wielkości, zakresy pomiarowe).

2. Sprawdzić poprawność przyłożenia siły nacisku do badanego czujnika.

3. Zmierzyć charakterystyki czujnika U2 = f

( )

I1 F=const przy różnej ilości n

ciężarków na szalce (n = 0,1,2,...) przy częstotliwości f = 50 Hz.

Uwaga! Przeprowadzić pomiary przy rosnącej i malejącej liczbie ciężarków. Wyznaczyć histerezę charakterystyki przetwarzania.

4. Na podstawie zmierzonych charakterystyk w p.3 charakterystyki czułości:

const I const I U F U dF dU S _{= =} ∆ ∆ ≈ = 2 ₁ 2 ₁

oraz. I U const U const

F I dF dI S _{= =} ∆ ∆ ≈ = 1 1

5. Zmierzyć charakterystyki przetwarzania U2 = f

( )

F I₁=const (wartości prądu

6. Na podstawie zmierzonych w p.5 charakterystyk wyznaczyć błędy nieliniowości dla nominalnego zakresu mierzonych sił.

7. Zmierzyć charakterystyki jak w p.5 przy podanych przez prowadzącego częstotliwościach napięcia zasilania.

8. Wyznaczyć oraz sporządzić wykres zależności µ = f(F) , ∆P = f(F)

9. Sporządzić wykresy zmierzonych i obliczonych charakterystyk czujnika.

10.Wyznaczyć charakterystyczne wartości charakterystyki przetwarzania (graniczne wartości błędu nieliniowości i czułości obliczonych wg p.4)