POLITECHNIKA LUBELSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Temat ćwiczenia nr 8
POMIARY WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH
Idea pomiaru wielkości nieelektrycznej polega na jej przetworzeniu na wielkość elektryczną przy pomocy czujnika i oszacowaniu jej wartości za pomocą odpowiedniego wskaźnika (rys.1.1). Wielkości nieelektryczne, które mogą być mierzone metodami elektrycznymi to:
- temperatura
- prędkość liniowa, obrotowa, kątowa
- ciśnienie
- poziom cieczy
- siła
- długość
Rys.1.1. Zasada pomiaru wielkości nieelektrycznych
1.1. Pomiar temperatury
W pomiarze temperatury wykorzystuje się następujące czujniki:
- termorezystory (czujniki platynowe, niklowe, miedziane – wykazują wzrost rezystancji wraz ze wzrostem temperatury)
- termistory (półprzewodniki, których rezystancja zmienia się wraz z temperaturą)
a) NTC – termistory o ujemnym współczynniku rezystancji
b) PTC - termistory o dodatnim współczynniku rezystancji
c) CTR – termistory o rezystancji zmiennej skokowo
- czujniki półprzewodnikowe złączowe (diody, tranzystory, układy scalone)
- ogniwa termoelektryczne (termoelementy) - jeżeli dwa różne metale A i B połączymy ze sobą w dwóch miejscach, a następnie jedno z tych miejsc podgrzejemy do temperatury T2 większej od temperatury T1 drugiego miejsca złączenia, to w obwodzie tym powstanie siła termoelektryczna EAB(t1,t2)=e(t1)-e(t2)
-pirometry optyczne (pomiar temperatury dokonywany jest przez pomiar energii wypromieniowanej przez ciało nagrzane)
Rys.1.2. Zależność rezystancji od temperatury dla różnych czujników
1.1.1. Przykłady pomiaru temperatury
Jako przykłady praktycznego pomiaru temperatury opisano układy wykorzystywane w pojazdach samochodowych do pomiaru temperatury płynu chłodzącego silnik i sygnalizacji zagrożenia gołoledzią. Magnetoelektryczny wskaźnik temperatury płynu współpracuje z czujnikiem działającym na zasadzie zmiany rezystancji termistora pod wpływem temperatury płynu. Cewki (1) i (2) wskaźnika są ustawione prostopadle względem cewki (3) (rys.1.3). Przy przepływie przez nie prądu powstają prostopadłe do siebie pola magnetyczne. Przy zmianie rezystancji termistora zmienia się rozkład prądów w cewkach wskaźnika i wypadkowe pole magnetyczne. Jeżeli temperatura płynu jest niska to rezystancja termistora jest duża. Prąd w cewce (1) osiąga wartość najmniejszą, natomiast w cewkach (2) oraz (3) największą. Wypadkowe pole magnetyczne oddziaływuje na wskazówkę, wychylając ją w lewą stronę. W miarę wzrostu temperatury zmniejsza się rezystancja termistora. Prąd w cewce (1) wzrasta, a w cewkach (2) i (3) maleje. Wypadkowe pole magnetyczne powoduje wychylenie elementu ruchomego ze wskazówką w prawą stronę.
3
Elektroniczny układ sygnalizatora gołoledzi jest elementem zaliczanym do grupy komfortu i bezpieczeństwa jazdy stosowanym w pojazdach, który sygnalizuje obniżenie się temperatury w pobliżu powierzchni szosy i możliwość wystąpienia gołoledzi. Czujnikiem temperatury wykorzystanym w tym układzie jest termistor NTC o ujemnym współczynniku temperaturowym. Termistor NTC jest nieliniowym rezystorem, którego rezystancja zależna jest od temperatury materiału oporowego. Jak wskazuje angielska nazwa - Negative Temperature Coefficient - termistor posiada ujemny współczynnik temperaturowy, czyli rezystancja maleje wraz ze wzrostem temperatury. Czujniki takie wykonuje się z polikrystalicznych półprzewodników, które stanowią mieszaniny związków chromu, manganu, żelaza, kobaltu i niklu. Są zmieszane z plastycznym środkiem wiążącym.
Na tablicy rozdzielczej montowany jest wskaźnik temperatury powietrza na zewnątrz pojazdu, w postaci dwóch diod LED: zielonej i czerwonej. Informacja o wartości temperatury dostarczana jest ze specjalnego termistora. Układ elektronicznego sygnalizatora gołoledzi wykorzystuje również sygnał elektryczny z czujnika wilgoci umieszczonego w samochodzie. Gdy wilgotność względna powietrza wynosi 95 %, a temperatura powietrza spada do 0° C to mamy do czynienia z oblodzeniem drogi. Wtedy czujnik wilgoci mierząc względną wilgoć powietrza, wysyła sygnał elektryczny do czujnika gołoledzi i układ lektroniczny sygnalizuje nam zapaleniem się lampki czerwonej, lokalne oblodzenie jezdni.
Rys.1.4. Wygląd zewnętrzny termistorów NTC
Napięcie z dzielnika utworzonego z termistora TH1 i potencjometru montażowego P1 umieszczonego na płytce drukowanej podawane jest na wejście nieodwracające układu US1, pełniącego rolę komparatora (rys. 1.5). Napięcie na wejściu nieodwracającym ustala dzielnik złożony z rezystorów R1 i R2. Jeżeli temperatura jest wyższa od ustawionego progu to na wyjściu komparatora panuje stan niski napięcia i zapali się dioda zielona LED, która umieszczona jest na desce rozdzielczej samochodu w polu widczności kierowcy.
Obniżenie się temperatury poniżej wartości progowej spowoduje zmianę stanu komparatora i zapalenie się diody czerwonej i zgaszenie diody czerwonej (umieszczonej na desce rozdzielczej obok diody zielonej). Kondensatory C1 i C2, które również znajdują się na płytce elektronicznej filtrują zakłócenia mogące pojawić się na wejściach komparatora. Układ ten jest zasilany napięciem 12V z instalacji samochodowej. Czujnik termistorowy umieszczony jest w pojeździe pod przednim zderzakiem, gdy szosa będzie oblodzona i temeratura na jej powierzchni będzie mniejsza lub rowna 0°C powinna zaświecić się dioda czerwona. Układ elektroniczny znajduje się w szczelnej obudowie z tworzywa sztucznego i powinien być umieszczony pod deską rozdzielczą pojazdu. Obydwie diody (zielona i czerwona) umieszczone na kokpicie pojazdu są podłączone do układu elektronicznego za pośrednictwem cienkich przewodów.
Rys.1.5. Schemat elektryczny układu sygnalizatora gołoledzi
1.2. Pomiar prędkości obrotowej
W celu przeprowadzenia pomiaru prędkości obrotowej (np. silnika) można zastosować układ elektronicznego częstościomierza z wyświetlaczem LCD. Układ mierzy częstotliwość napięciowych impulsów elektrycznych wysyłanych przez czujnik. W układzie pomiaru prędkości zastosowano opcjonalnie dwa rodzaje czujników - czujnik optoelektroniczny i czujnik hallotronowy. Pierwszy z nich pozwala na bezstykową metodę pomiaru prędkości, drugi zaś jest mechanicznie sprzęgany z wałkiem silnika. Bezstykowy pomiar prędkości obrotowej daje możliwość łatwiejszego zamontowania czujnika i nie obciąża mechanicznie silnika, co jest istotne podczas badania silników bardzo małej mocy. Układ częstościomierza dostosowano technicznie do współpracy z obydwoma czujnikami, w praktyce należy tylko podłączyć wybrany czujnik do odpowiedniego złącza oraz wybrać odpowiednią pozycję przełącznika.
Układ pomiaru prędkości obrotowej silnika zbudowany jest z częstościomierza, czujnika hallotronowego i czujnika optoelektronicznego. Zastosowany częstościomierz jest urządzeniem uniwersalnym i umożliwia pomiar częstotliwości sygnału z bardzo dużą dokładnością. Układ zbudowany jest w oparciu o mikrokontroler AT89C4051 zasilany ze stabilizatora 5V. Sygnał pomiarowy o poziomach TTL podawany jest na wejście dwu bitowego licznika zbudowanego z dwóch przerzutników typu D. Do wyświetlania wyników pomiarów zastosowany został standardowy wyświetlacz alfanumeryczny LCD 1x16 znaków.
Działanie zastosowanego czujnika hallotronowego opiera się na zjawisku Halla. Zjawisko Halla swoją nazwę zawdzięcza nazwisku amerykańskiego fizyka. Umieszczenie prostopadłościennej płytki z materiału półprzewodnikowego w polu magnetycznym i przepuszczenie przez nią prądu w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny działania pola magnetycznego, powoduje powstanie różnicy potencjałów w trzeciej płaszczyźnie, prostopadłej do obu poprzednich. W praktycznej realizacji element Halla (zbudowany z materiałów o silnych własnościach hallotronowych – np. z arsenku indu czy antymonku indu) montowany jest na płytce metalowej w pewnym oddaleniu od magnesu stałego.
Pole magnetyczne i przyłożone napięcie do czujnika Halla powodują powstanie napięcia pomiarowego. Wprowadzenie ekranu pomiędzy czujnik Halla a magnes (zmiana reluktancji szczeliny powietrznej) powoduje, że linie sił pola magnetycznego zamykane są w obrębie magnetowodów, co zeruje sygnał pomiarowy. Schemat działania czujnika Halla przedstawiono na rysunku 16.
Rys.1.6. Schemat działania czujnika Halla
Czujniki optyczne są elementami automatyki, których działanie opiera się na zasadzie wysyłania wiązki promieni świetlnych przez nadajnik i ich odbieraniu przez odbiornik. Czujniki optyczne reagują na obiekty, które znajdują się na drodze przebiegu wiązki światła. Zaletą czujników optycznych są duże zasięgi działania, uzyskiwane dla małych obudów czujników.
Duże znaczenie w czujnikach optycznych odgrywa długość fali świetlnej emitowanej przez nadajnik. W większości czujniki te wykorzystują modulowane światło z zakresu bliskiej podczerwieni. Zaletą jest mała wrażliwość czujników na widzialne światło z otoczenia.
Dodatkowo poprzez wzajemną synchronizację nadajnika i odbiornika gwarantowana jest duża odporność czujników na zakłócenia i możliwość pracy w warunkach zanieczyszczenia powietrza i przy zabrudzeniu układu optycznego czujnika. Wytworzony w nadajniku silny impuls świetlny, nawet osłabiony rozproszeniem dociera do odbiornika, jest wzmocniony i analizowany zapewniając poprawne działanie czujnika. Czujniki optyczne dzielą się na trzy główne grupy: czujniki optyczne odbiciowe, czujniki optyczne refleksyjne, jednowiązkowe bariery świetlne.
W badanym układzie do pomiaru prędkości obrotowej zastosowano czujnik optyczny odbiciowy. Nadajnik i odbiornik umieszczone są we wspólnej obudowie. Reagują na obiekty wprowadzane w strefę działania czujnika. Wiązka promieni świetlnych emitowanych przez nadajnik, napotykając na swojej drodze przeszkodę, odbija się od niej zgodnie z zasadami fizyki. Część tych promieni świetlnych trafia bezpośrednio do odbiornika, gdzie wzmocnione służą do wytworzenia sygnału przełączającego wyjście czujnika. Schemat działania przedstawia rysunek 1.7.
Rys.1.7. Schemat działania czujnika optycznego odbiciowego
W celu podłączenia czujnika optycznego do częstościomierza zaistniała potrzeba zmiany sygnału cyfrowego na sygnał analogowy. W tym celu wykonano dodatkowy układ z przerzutnikiem Schmitta. Przerzutniki Schmitta są wytwarzane w postaci monolitycznych (scalonych) komparatorów lub mogą być łatwo realizowane na wzmacniaczach operacyjnych. Poziomy progowe napięć można regulować poprzez zmianę stosunku dwóch rezystancji. Przerzutnik Schmitta ma w obwodzie wejściowym dwa progi przełączania, przy których wyjście zmienia stan na przeciwny. Osiągnięcie przez napięcie wejściowe określonego progu zależy od kierunku zmiany tego napięcia. Dla napięcia narastającego obowiązuje próg górny, dla opadającego dolny. Odległość między progami określa się mianem szerokości pętli histerezy. Przerzutniki Schmitta wykorzystują histerezę w celu ochrony przed szumem, który w przeciwnym wypadku mógłby powodować ciągłe przełączanie między dwoma przeciwnymi stanami w sytuacji, gdy sygnał wejściowy oscyluje wokół poziomu progowego. W układzie komparatora zbudowanym na wzmacniaczu operacyjnym, napięcie na wyjściu przyjmuje poziom zbliżony do dodatniego napięcia zasilania tylko wtedy, gdy potencjał występujący na wejściu nieodwracającym (+) przekracza (co najmniej o wartość tzw. napięcia niezrównoważenia) potencjał wejścia odwracającego (-).
Szybkość przełączania pomiędzy szynami napięcia określa szybkość narastania (opadania) napięcia wyjściowego. Wyjście może być dwustanowe lub trójstanowe i przystosowane do współpracy z układami cyfrowymi. Schemat układu z przerzutnikiem Schmitta przedstawia rys. 1.8.
Rys.1.8. Schemat układu z przerzutnikiem Schmitta
Rys.1.9. Stanowisko badawcze – układ pomiaru prędkości obrotowej
1.3. Pomiar ciśnienia
Pomiar ciśnienia opisano na przykładzie układu stosowanego w pojazdach samochodowych do określania ciśnienia oleju w układzie smarowania silnika. Spadek ciśnienia sygnalizowany jest przez zapalenie się lampki. Pod wpływem ciśnienia oleju membrana (1) odkształca się i pokonując opór sprężyny (2) powoduje połączenie styków (3) i (4) (rys.1.10). Jeżeli ciśnienie spadnie poniżej dopuszczalnej wartości, to następuje zwarcie styków i zapalenie lampki kontrolnej.
Rys.1.10. Schemat czujnika ciśnienia oleju połączonego elektrycznie z lampką sygnalizacyjną
1- membrana, 2 - sprężyna, 3 - styk ruchomy, 4 - styk nieruchomy, 5 - lampka sygnalizacyjna
Spadek ciśnienia oleju w układzie opisanym powyżej jest sygnalizowany tylko przez zaświecenie się lampki kontrolnej. Dokładniejszą kontrolę ciśnienia oleju zapewnia układ opisany poniżej, którego schemat zamieszczono na rysunku 1.11...
palusinski1991