OBSAH Hlavná
1.
TENZOMETRICKÉ SNÍMAČE SILY
Princíp činnosti. Tenzometrický snímač
sily je pružné teleso, obvykle z ocele alebo zo zliatiny hliníka, na ktorom sú
nalepené odporové tenzometre. Odporový tenzometer (skrátene len tenzometer)
reaguje na mechanické namáhanie. Pri predlžovaní sa jeho odpor zväčšuje, pri
stláčaní sa zmenšuje. Deformáciou pružného telesa sa predlžujú, resp. skracujú
aj nalepené tenzometre, čím sa mechanická fyzikálna veličina - sila - prevádza
na elektrickú fyzikálnu veličinu - odpor. Tenzometre sa zapájajú do mostíka,
takže v konečnom dôsledku je výstupnou veličinou elektrické napätie.
Poznámka: v praxi sa často pojmom "tenzometer" nazýva celý
tenzometrický snímač.
Zapojenie tenzometrických snímačov sily. Z pohľadu užívateľa je tenzometrický snímač
zapojený ako elektrický mostík. Na obr.1 je jeho schéma a zaužívané označenie
pripojovacích vodičov.
Na vodiče Exc + a Exc – sa pripája
napájacie napätie (môže byť jednosmerné alebo striedavé), výstupné napätie sa
odoberá na vodičoch Signal + a Signal –. Vodiče Sense + a Sense – nie sú
súčasťou všetkých snímačov. Slúžia na kompenzáciu úbytku napätia na vodičoch
Exc + a Exc – a obvykle bývajú len na presných snímačoch určených na
stavbu elektronických váh.
Parametre tenzometrických snímačov sily.
Merací
rozsah je nominálna sila,
ktorou môže byť snímač zaťažený. Udáva sa v N alebo kN, prípadne ak sa jedná o
snímače určené pre elektronické váhy, rozsah je uvedený v kg alebo v tonách.
Snímače určené na meranie sily sa môžu použiť aj na váženie a platí to aj
opačne. Rozsah sa potom prepočíta podľa vzťahu: F(N) = 9,81 * m(kg).
Smer záťaže. Prevažná väčšina
tenzometrických snímačov je určená len pre jeden smer záťaže a to v smere
tlaku alebo ťahu. Je to preto, lebo pri prechode nulou vznikajú prídavné chyby (približne do 0,1 %). Ak v danej
aplikácii tieto chyby nevadia, možno snímač označený výrobcom pre meranie
v jednom smere použiť pre meranie v opačnom smere, resp. v obidvoch
smeroch. Existujú aj snímače u ktorých sú tieto chyby výrazne potlačené,
takže možno nimi merať presne v obidvoch smeroch. Ich cena je však
v porovnaní s bežnými snímačmi podstatne vyššia.
Citlivosť. Udáva sa v mV/V a je to veľkosť výstupného napätia pri nominálnej
záťaži a napájacom napätí 1V. Tenzometrické snímače sa však môžu napájať aj
iným napätím. Ak máme napr. snímač s rozsahom 1 kN a citlivosťou 2 mV/V, s
napájacím napätím 10V bude na výstupe pri nominálnom zaťažení (1 kN) napätie: 2
mV/V x10V = 20 mV. Štandardná citlivosť býva od 1 do 3 mV/V.
Odpor mostíka. Udáva sa samostatne vstupný odpor, t.j. odpor
medzi vodičmi Exc + a Exc – a výstupný odpor, medzi vodičmi Signal +
a Signal –. Vstupný odpor býva vždy väščí ako výstupný. To sa dá využiť ak
nie je k dispozícii označenie vodičov. V takom prípade sa dá vstup,
resp. výstup určiť pomocou ohmmetra. Bežné hodnoty odporov sú od 120 do 5000
Ohm.
Napájacie napätie. Možno použiť jednosmerné aj striedavé napájacie
napätie. Pri väčšom napájacom napätí dostaneme väčší výstupný signál, netreba
však prekračovať hodnoty odporúčané výrobcom. Pri väčšom napájacom napätí ako
je odporúčané, vzniká prídavná teplotná chyba v dôsledku samoohrevu
snímača. Obvyklé napájacie napätie je 10V, miniatúrne snímače sa napájajú
napätím 5V.
Presnosť (chyby) tenzometrických snímačov sily.
Trieda presnosti. Udáva maximálnu prípustnú chybu v % nominálnej
hodnoty, pričom sa neuvažuje odchýlka citlivosti. Triedou presnosti sa
charakterizujú len snímače sily, presnosť snímačov určených na váženie sa udáva
iným spôsobom.
Počet rozlišovacích dielikov. Pomocou
„dielikov“ sa charakterizuje presnosť snímačov určených na zabudovanie do
elektronických váh. Rozsah snímača sa rozdelí na určitý počet dielikov, podľa
jeho presnosti. Najčastejšie to býva od 1000 do 6000. Jeden dielik potom
predstavuje určitú hodnotu zaťaženia. V rámci prevádzkových podmienok
nesmie chyba snímača prekročiť hodnotu dielika. Nech má napr. snímač rozsah 100
kg a počet rozlišovacích dielikov n = 2000. Potom hodnota jedného dielika
je d = 100/2000 = 0,05 kg. Podrobnosti sú uvedené v medzinárodnom
doporučení OIML R60.
Chyba nuly. Je to veľkosť výstupného
signálu nezaťaženého snímača (teoreticky by mala byť nulová) vztiahnutá
k nominálnemu signálu. Udáva sa v %.
Nelinearita. Chyba linearity (nelinearita)
je maximálna odchýlka prevodovej charakteristiky snímača od optimálnej priamky
pri narastajúcom zaťažení. Udáva sa v % nominálneho rozsahu. Definícia nehovorí
o spôsobe stanovenia optimálnej priamky. Existuje viacero metód jej
určenia, v praxi však vyhovuje výpočet metódou najmenších štvorcov
z nameraných hodnôt prevodovej charakteristiky. Definícia nelinearity je
na obr. 2, vypočíta sa podľa vzťahu:
NL
= ΔXL / Xnom * 100%
Hysterézia. Chyba hysterézie je maximálna odchýlka medzi charakteristikami
snímača medzi narastajúcom a klesajúcom zaťažení vztiahnutá
k nominálnemu rozsahu. Definícia hysterézie je na obr. 2, vypočíta sa
podľa vzťahu
H
= ΔXH / Xnom * 100%
Pripojenie snímačov k elektronickej jednotke. Obvykle sa
snímače pripájajú k elektronickej jednotke s displejom alebo
k prevodníku ktorý napätie zo snímača zosilní na štandardnú úroveň, napr.
0...10V alebo 4...20 mA. Snímač treba zapojiť podľa popisu v príručke
k elektronickej jednotke. V prípade, že elektronická jednotka alebo
prevodník má len 4- vodičové pripojenie snímača a samotný snímač je 6-
vodičový, potom sa vodič Sense + spojí s vodičom Exc + a vodič Sense –
s vodičom Exc –. Môže nastať aj opačný prípad, t.j. elektronická jednotka
alebo prevodník má 6- vodičové pripojenie a samotný snímač má len 4
vodiče. V takom prípade sa na elektronickej jednotke (prevodníku) prepoja
svorky Exc + a Sense + a tiež svorky Exc – a Sense –.
Paralelné spájanie snímačov. V niektorých aplikáciach treba použiť viacero
snímačov súčasne. Napr. pri vážení zásobníkov, nádrží, síl a pod. sa každý
zásobník uloží na niekoľko snímačov (optimálne tri) a tieto sa zapoja
paralelne. Podobne je to pri plošinových váhach – vážiaca plošina sa obvykle ukladá
na 4 snímače. V týchto prípadoch je dôležitá požiadavka, aby všetky
snímače mali rovnakú citlivosť. Ak by to tak nebolo, potom napr. plošinové váhy
by v každom rohu ukazovali iný údaj. V praxi to znamená, že
tolerancia citlivosti by mala byť v rozsahu max. ±0,1%. Niektorí
výrobcovia označujú takéto snímače ako „snímače s normovaným výstupom“,
prípadne „párované snímače“. V prípade, že nie sú k dispozícii takéto
snímače, je možné použiť aj bežné snímače (niektoré snímače majú toleranciu
citlivosti až do ± 20 %), ich nerovnaká citlivosť sa však musí vykompenzovať
odpormi. Paralelne spojené snímače sa pripájajú na elektronickú jednotku alebo
prevodník tak ako keby to bol jeden snímač.
Nastavenie (kalibrácia) meracieho reťazca. Najlepší
spôsob kalibrácie je, ak sa snímač zaťaží definovanou silou (príp. váhou)
a celý reťazec sa nastaví pomocou elektronickej jednotky. Ak tento postup
z nejakých dôvodov nie je možný, treba elektronickú jednotku nastaviť
samostatne. Postup je nasledovný. Na elektronickej jednotke sa presne odmeria
veľkosť napájacieho napätia a z protokolu snímača sa prečíta jeho
citlivosť. Nech napr. veľkosť napájacieho napätia je 10,012V a citlivosť
snímača je 2,037 mV/V. Rozsah snímača je 20 kN. To znamená, že pri záťaži 20 kN
by snímač dával na výstupe napätie 2,037 * 10,012 = 20,394 mV. Napätie 20,394
mV sa z pomocného zdroja privedie na vstup elektronickej jednotky
a jednotka sa nastaví tak, aby výstup meracieho reťazca (displej
elektronickej jednotky, PC, PLC,..) ukazoval 20,0 kN.
Zabudovanie tenzometrických snímačov sily. Pri
mechanickom zabudovaní snímačov do konštrukcie vzniká pomerne veľa chýb. Sila
má pôsobiť presne v osi snímača, prípadne len s malou odchýlkou (do
3º). Medzi snímač a konštrukciu prostredníctvom ktorej sa prenáša
zaťaženie, je vhodné vložiť člen zabezpečujúci určitú voľnosť. Môže to byť
napr. gumový tlmiaci člen (silentblok), guľový čap, ploché ložisko a pod.
Vhodný spôsob sa zvolí podľa konkrétnej konštrukcie.
V niektorých prípadoch
výrobca ponúka aj komponenty pre zabudovanie snímačov. Jedná sa najmä
o snímače určené pre elektronické váhy, napr. mostové, plošinové,
zásobníkové a pod. Napr. snímač EMS200 je určený na váženie zásobníkov,
nádrží, síl a pod. Ako príslušenstvo sa k nemu dodáva prípravok
umožňujúci jednoduchú zástavbu snímača pod nohy zásobníka, pričom zabezpečuje
potrebnú voľnosť.
2. SNÍMAČE NA
MERANIE UHLU
Uhol možno merať
rôznymi spôsobmi, v praxi medzi najbežnejšie a najčastejšie patria
merania pomocou:
1.
potenciometra,
2.
magnetoelektrického snímača (na princípe Hallovho javu),
3.
optoelektronického snímača.
Potenciometer sa
považuje za kontaktný spôsob merania, ďalšie dva snímače za bezkontaktný
spôsob. Pri výbere snímača je okrem samotného fyzikálneho princípu merania dôležité
aj to, aký druh výstupného signálu snímač poskytuje, resp. aký signál
požadujeme v našej aplikácii. Pri posudzovaní treba zvážiť najmä dve
kritériá, a to či je signál:
1.
analógový alebo digitálny,
2.
absolútny alebo impulzný.
Druh výstupného signálu závisí najmä od konštrukcie snímača a tiež
od toho, aké prídavné elektronické obvody snímač obsahuje. V podstate
všetky tri vyššie uvedené snímače (neplatí to celkom pre potenciometer) môžu
byť aj analógové, aj digitálne, aj absolútne, aj impulzné.
Existuje samozrejme mnoho ďalších kritérií, napr.
presnosť, životnosť, mechanické prevedenie, atď. Pri výbere by však mal byť
vždy prvoradý princíp (fyzikálna metóda) na akom snímač pracuje a preto aj
ďalej uvedený popis je venovaný hlavne základným princípom uvedených snímačov.
Základné druhy signálov sú popísané v 4. časti.
2.1 Potenciometer
Potenciometer sa najčastejšie používa v elektronických obvodoch ako
nastavovací prvok (ako delič napätia), v riadiacich a regulačných
systémoch na zadávanie žiadanej hodnoty a v meracej technike na
meranie uhlu.
Potenciometer je typický príklad analógového
absolútneho kontaktného merania uhlu. V praxi sú voči kontaktným metódam
merania určité výhrady, všeobecne sa považujú za menej spoľahlivé ako
bezkontaktné. Nie je to však pravda, viaceré výskumy ukázali, že potenciometre
sú aspoň tak spoľahlivé, ako ostatné druhy snímačov. Napr. v automobilovom
priemysle sa dlhodobým sledovaním porúch
zistilo, že potenciometre vykazovali dokonca o niekoľko promile
lepšiu spoľahlivosť ako snímače na princípe Hallovho javu (SENSOR report
3/2006, str. 28). Predpokladom je, samozrejme, ich správny výber a aplikácia.
Prakticky len v troch prípadoch nie je použitie potenciometra ako snímača
uhlu vhodné, a to 1. ak sú v mieste merania vysoké vibrácie, 2.
požadujú sa veľmi vysoké otáčky (rýchlosť prestavenia) a 3. ak sa požaduje
veľmi vysoké rozlíšenie. Vo všetkých ostatných prípadoch treba použitie
potenciometra zvážiť na prvom mieste, najmä ak zoberieme do úvahy, že
potenciometer je (skoro vždy) cenovo najvýhodnejší.
Na správny výber potenciometra má rozhodujúci vplyv
technológia výroby odporovej dráhy. Podľa použitej technológie sa v súčasnosti
sa vyrábajú tri druhy potenciometrov.
Drôtový potenciometer má odporovú dráhu navinutú z odporového
drôtu. Drôtové potenciometre majú dobrú linearitu (typická hodnota ± 0,5%),
malé odchýlky od absolútnej hodnoty odporu, veľmi dobrý teplotný
koeficient odporu a životnosť 1 až 2 milióny cyklov. Typický predstaviteľ
tejto triedy je jednootáčkový potenciometer série RP alebo série MUP. Na presné
meranie uhlov však tieto potenciometre nie sú veľmi vhodné z dôvodu malého
rozlíšenia (dôsledok „skákania“ bežca po jednotlivých drôtoch vinutia). Táto
nevýhoda sa ale dá pomerne účinne
potlačiť použitím viacotáčkového potenciometra. Najkvalitnejšie potenciometre
série Durapot môžu mať až 20 otáčok pri linearite 0,1 % pričom hodnota odporu
môže byť od 0,5 Ω do 500 kΩ. Pre správnu funkciu drôtového
potenciometra je potrebné zabezpečiť, aby bežcom pretekal určitý minimálny prúd
(stačí 100 μA), v opačnom prípade sa môže neprípustne zvýšiť
prechodový odpor medzi bežcom a odporovou dráhou.
Potenciometer
s odporovou dráhou z vodivého plastu. Vyznačuje sa vysokou
životnosťou (až 50 miliónov cyklov), vysokým rozlíšením a dobrou odolnosťou
voči vibráciám a nárazom. Ostatné parametre bývajú značne rozdielne
a v závislosti od nich býva značne rozdielna aj cena. Napr. linearita
sa pohybuje od 2% pri bežných potenciometroch série MP až do 0,05% pri presných
potenciometroch série MCP. Aby sa dosiahla deklarovaná presnosť, prúd bežcom
potenciometra s odporovou dráhou z vodivého plastu nesmie byť väčší
ako 1 mA.
Hybridná technológia výroby odporovej dráhy
sa používa pri výrobe viacotáčkových potenciometrov. Základom potenciometra je
bežná drôtová odporová dráha, medzery medzi závitmi sú však vyplnené špeciálnou
hmotou. Dosiahnu sa tak vlastnosti podobné vodivému plastu, najmä čo sa týka
rozlíšenia a životnosti. Napr. hybridné potenciometre série HH alebo HS
majú životnosť 5 miliónov cyklov čo pri bežných drôtových potenciometroch nie
je možné dosiahnuť. Hybridná technológia je však pomerne drahá čo sa prejavuje
aj na konečnej cene týchto potenciometrov.
2.2 Magnetoelektrický snímač uhlu na princípe
Hallovho javu.
Keď polovodičovou platničkou prechádza elektrický prúd a súčasne na
ňu pôsobí magnetické pole, pôsobením Lorentzovej sily sa vychyľujú nosiče
náboja v smere kolmom na smer pohybu. Vzniká priečne elektrické napätie,
tzv. Hallovo napätie. Na základe tohto javu (objavil ho už v r. 1879
americký fyzik E.H. Hall) boli vyvinuté bezkontaktné snímače uhlu, resp.
otáčok.
Konštrukcia
magnetoelektrického snímača je podobná potenciometru. Namiesto odporovej dráhy
je však v kryte umiestnený malý plošný spoj s integrovaným obvodom
obsahujúcim Hallovu sondu. Integrovaný obvod so sondou je umiestnený pod oskou
na ktorej je magnet. Otáčaním magnetu sa mení magnetické pole, jeho zmena je
zaznamenaná Hallovou sondou a ďalej spracovaná elektronickými obvodmi.
Signály sú už od začiatku spracovávané digitálne čo je výhodné najmä vtedy keď
sa požaduje signál v digitálnom tvare. Snímače sa dodávajú aj
s analógovým výstupom, v takom prípade je elektronika snímača
vybavená Č/A prevodníkom.
Magnetoelektrické snímače sa
považujú za bezkontaktný spôsob merania. Kvôli nutnosti spracovania primárneho
signálu ich súčasťou musia byť aj elektronické obvody ktoré v konečnom dôsledku určujú druh
výstupného signálu. Preto je možné dodávať ich vo všetkých troch prevedeniach,
teda: 1. s impulzným výstupom (typ MIB25), 2. s absolútnym
výstupom (typ MAB25) a 3. s analógovým výstupom (typ
MAB25A). V zátvorkách sú uvedené základné typy ktoré môžu mať ešte rôzne
prevedenia, napr. MIB28 má prérubové uchytenie. Snímače s absolútnym
výstupom sa dodávajú len so sériovým výstupom SSI. Jeho popis, ako aj ostatných
druhov signálov, je v časti 4.
Využitie magentoelektrických
snímačov uhlu na princípe Hallovho javu je najmä v aplikáciách kde pre
vysoké mechanické namáhanie (vibrácie, rázy) použitie potenciometra nie je
vhodné.
2.3 Optoelektronický snímač uhlu a otáčok
(enkóder)
Podobne ako magnetoelektrické snímače, aj optoelektronické snímače sa
dodávajú s impulzným, absolútnym alebo analógovým výstupom. V tomto
prípade však výstupný signál závisí nielen od elektronických obvodov snímača,
ale najmä od jeho konštrukcie.
Impulzný optoelektronický snímač (Incremental Encoder), niekedy sa označuje aj
ako IRC. Na výstupe dáva impulzy priamo úmerné otáčaniu hriadele, jeho základná
charakteristika je teda počet impulzov na otáčku. Základnou časťou snímača je
optický kotúč s ryskami po obvode, presvecovaný optickým lúčom. Zdroj
svetla je obvykle LED dióda. Otáčaním kotúča vznikajú svetelné impulzy ktoré sa
ďalej upravujú v elektronických obvodoch na elektrické impulzy. Popis
výstupných impulzov je v časti 4.1.
Absolútny snímač uhlu jednootáčkový (Absolute Encoder,
Single – Turn). Optický kotúč tohto snímača obsahuje viacero koncentrických
stôp, každá stopa predstavuje jeden bit. Keď sa v radiálnom smere pomocou
svetelných lúčov prečítajú všetky bity, vznikne diskrétny binárny údaj
zodpovedajúci natočeniu kotúča. V súčasnosti sa dosahuje až 16 bit, čo
zodpovedá rozlíšeniu 0,005° ale za štandard sa považuje 12 bitové rozlíšenie.
Optické kotúče sú najčastejšie zakódované v binárnom alebo Grayovom kóde.
Zobrazenie kotúča a spodných 4 bitov je na obrázku. Výstup údajov je
najčastejšie paralelný, na úrovni TTL, alebo sériový, prostredníctvom rozhrania
SSI (časť 4.2).
Absolútny snímač uhlu viacotáčkový (Absolute Encoder, Multi
– Turn) obsahuje obvykle dva optické kotúče. Prvý kotúč je štandardný,
s 12-bitovým rozlíšením. Prostredníctvom prevodovky s prevodovým
pomerom 16:1 je zviazaný s druhým kotúčom, ktorý má obvykle len 4-bitové
rozlíšenie. 16-tim otáčkam hriadele zodpovedá teda 16 bitov, t.j. 65536
rozlišovacích úrovní. Ak sa použije viac kotúčov, je rozlíšenie ešte väčšie.
Špičkové výrobky majú obvykle 4 kotúče a 24-bitové rozlíšenie na 4096
otáčok. Takýto snímač s označením M524 je aj v ponuke firmy Emsyst,
s.r.o. Výstup v tomto prípade nebýva paralelný ale používajú sa štandardné
rozhrania ako RS232, RS422, RS485, SSI, CANopen. Niektoré snímače, napr. aj
M524 majú aj analógový výstup.
2.4 Výstupné signály snímačov a ich
spracovanie
Uvádzame len základné typy signálov používané vo vyššie uvedených
snímačoch.
2.4.1 Impulzný výstup
Impulzný výstup má v najjednoduchšom prípade tri kanály označované
ako A, B a C (používajú sa aj iné označenia tretieho kanála, napr. Z, N,
index a pod.). Kanály A, B sú fázovo posunuté impulzy ktorých počet je
daný konštrukciou snímača, kanál C dáva vždy 1 impulz na otáčku. Časový priebeh
signálov je nasledovný.
Snímače určené do priemyselného prostredia kde sa očakáva silné
rušenie, majú tzv. linkový výstup (Linedriver). Znamená to, že okrem troch
kanálov A, B, C, sú k dipozícii aj ich negované výstupy. Časové priebehy
potom vyzerajú nasledovne.
Princíp potlačenia rušenia je na ďalšom obrázku. Prijímač musí mať
diferenciálny vstup ktorý vyhodnocuje rozdiel signálov. Porucha vzniká obvykle
indukciou na obidvoch vodičoch, takže dvojica impulzov má potom rovnaký tvar.
Keď takáto dvojica impulzov príde na vstup komparátora (rozdielového
zosilňovača), v dôsledku toho, že ich rozdiel je minimálny, sa odstráni. 
Snímače
s impulzným výstupom neposkytujú informáciu o absolútnej hodnote
uhla. Signál treba priviesť na vhodnú elektronickú jednotky (interfejs) ktorá
signál spracuje a zobrazí v požadovanej forme. Interfejsy pre
impulzné signály pracujú na princípe počítadiel.
2.4.2 Absolútny
výstup a rozhranie SSI
Pri absolútnom výstupe platí, že počet výstupných údajových vodičov sa
rovná počtu bitov snímača. Štandardne to býva od 8 do 12 bitov a údaje sú
vyvedené plochým páskovým vodičom. Signály sú kompatibilné s úrovňou TTL
a CMOS a aj napájanie býva obvykle 5V. Niektoré, napr. viacotáčkové
snímače však majú až 24 bitov. V takých prípadoch sa údaje prenášajú pomocou
štandardného rozhrania RS232, RS422, RS485 alebo pomocou rozhrania SSI.
Rozhranie SSI (Synchronous
Serial Interface) bolo navrhnuté špeciálne pre absolútne snímače
a postupne sa stalo priemyselným štandardom. Na strane snímača sa
paralelný kód transformuje na sériový pomocou posuvného registra. Jednotlivé
bity sa vysielajú synchrónne s hodinovými impulzmi ktoré prichádzajú
z interfejsu. Takýto prenos je jednoduchý a rýchly –
v súčasnosti sa používa frekvencia hodinových impulzov až do 1,5 MHz.
Princíp prenosu vidieť z obrázku.
2.4.3 Analógový výstup
Analógový výstup sa stále bežne používa a to aj v prípade
digitálnych snímačov. Súčasťou snímača však musí byť Č/A prevodník ktorý
prevádza digitálny signál na analógový. Má to dva dôsledky: 1. signál stráca
informačnú hodnotu (je menej presný), 2. snímač je obvykle drahší ako jeho
základná – digitálna – verzia. Toto samozrejme neplatí pre potenciometre.
Všeobecne sa používajú dva druhy analógových výstupov: napäťový a prúdový.
Napäťový výstup má obvykle
rozsah 0...10 alebo 0...5 V. Jeho použitie býva bezproblémové, treba len
skontrolovať, či vstupný odpor interfejsu nie je menší ako predpisuje výrobca.
Napäťový výstup je viac náchylný na poruchy ako prúdový.
Prúdový výstup máva rozsah
0...20 alebo 4...20 mA. Je odolnejší voči poruchám ako napäťový a preto ho
možno použiť na väčšie vzdialenosti. Aj v tomto prípade je potrebné
skontrolovať vstupný odpor interfejsu. Niektorí výrobcovia udávajú pre svoje
snímače pomerne široký rozsah napájacieho napätia, napr. 8 až 30V
a zaťažovací odpor max. 500 Ω. Pri záťaži 500 Ω však môže
vzniknúť na zaťažovacom odpore úbytok napätia až 20mA x 500Ω = 10V.
Napájacie napätie 8V teda v žiadnom prípade nemôžeme použiť, napájacie
napätie by malo byť aspoň o 2V vyššie ako úbytok na zaťažovacom odpore
(Poznámka: toto neplatí ak je v snímači napätie stabilizované pomocou
DC/DC meniča, čo je však zriedka).
3. SNÍMAČE
NA MERANIE DRÁHY
Na
meranie dráhy sa často používajú elektronické snímače:
§
Odporové (potenciomterické)
§
Induktívne
§
Magnetostrikčné
§
Optoelektronické
3.1 Odporové snímače dráhy (lineárne potenciometre)
Tieto snímače pracujú na
princípe lineárnej zmeny odporu. Odporová dráha je nanesená na izolačnej
podložke a po nej sa posúva bežec. Ak sa na konce odporovej dráhy pripojí
elektrické napätie Uin, potom výstupné napätie Uout je úmerné polohe bežca.
V súčasnosti sa na výrobu odporovej dráhy používa takmer výlučne kvalitný
vodivý plast. Tým sa dosahujú veľmi dobré parametre, najmä čo sa týka
rozlíšenia (štandardne 0,01 mm) a rýchlosti pohybu bežca po odporovej
dráhe (až do 10 m/s). Ďalšou výhodou je, že sa jedná o absolútne meranie
ktorého výstupný signál sa veľmi ľahko spracuje ďalšími prístrojmi, napr.
voltmetrom, analógovou kartou v PC a pod. Veľmi dôležitý je tiež faktor
ceny. Tento typ snímača sa dodáva v rozsahoch do 10 mm do 2000 mm za veľmi
priaznivé ceny v porovnaní s inými typmi. Použitie odporového snímača
dráhy je nevhodné prakticky len v jednom prípade, a to ak sa
v aplikácii vyskytujú vysoké vibrácie. Vtedy môže dôjsť
k odskakovaniu bežca od odporovej dráhy, prípadne aj k jeho
poškodeniu. Napriek tejto nevýhode je odporový snímač dráhy najčastejšie
používaný snímač dráhy v priemysle. Pri jeho aplikácii treba dbať na to,
aby prúdové zaťaženie bežca bolo minimálne.
3.2 Induktívne snímače dráhy (LVDT)
Induktívne
snímače dráhy pracujú na princípe diferenčného transformátora. Primárna cievka
je budená striedavým napätím (obvykle v rozsahu 2,5 až 6 kHz), sekundárne
cievky sú zapojené ako polmostík. Ak je jadro z feromagnetického materiálu
v strede, väzba medzi primárnou a oboma sekundárnymi cievkami je
rovnaká a aj výstupné napätia sú rovnaké. Pohybom jadra sa mení väzba
medzi primárnou a sekundárnymi cievkami a v dôsledku toho sa menia aj
napätia v sekundárnych cievkach. Tie sa vyhodnocujú v demodulátore
a následne sa signál upravuje dolnopriepustným filtrom
a zosilňovačom. Na výstupe je potom štandardný analógový signál, napäťový
alebo prúdový. Celý merací reťazec je na obrázku.
Samotný
induktívny snímač, na obrázku označený ako LVDT, pozostáva z vhodne navinutých
cievok a železného jadra. Vyznačuje sa preto robustnosťou a
veľkou odolnosťou voči vplyvom prostredia. Bez problémov znáša aj veľké,
vysokofrekvenčné vibrácie.
Mnohé
snímače sa dodávajú aj so zabudovaným elektronickým prevodníkom. Ich použitie
je jednoduchšie nakoľko priamo na výstupe dávajú štandardný analógový signál.
Treba však podrobne preštudovať parametre, nakoľko niektoré môžu byť odlišné od
základného typu. Napr. induktívny snímač typu MACL má teplotný rozsah od – 35
°C do + 120 °C. Ten istý snímač so zabudovaným elektronickým prevodníkom má
označenie MDCL ale teplotný rozsah má len od 0 do + 60 °C. Preto pre náročné
podmienky odporúčame použiť externý
prevodník. Ten má ešte jednu výhodu v tom, že umožňuje aj
nastavenie výstupného signálu.
3.3 Magnetostrikčné snímače dráhy
Základom
magnetostrikčného snímača je feromagneticá tyč (merací element, vlnovodič).
Meraná pozícia sa nastavuje pomocou externého magnetu ktorý má obvykle tvar
objímky a pohybuje sa po tyči. Feromagnetická tyč sa pri meraní vybudí
krátkym prúdovým impulzom v dôsledku ktorého vznikne pozdĺž tyče radiálne
magnetické pole. V mieste meranej pozície sa nachádza trvalý magnet
s vlastným magnetickým poľom. Ako dôsledok pôsobenia oboch magnetických
polí vznikne vo feromagnetickej tyči krátkodobý moment sily a následne
akustické impulzy šíriace sa na obidve strany tyče. Tieto sa premenia na
elektronické impulzy a z rozdielu ich časov sa vypočíta meraná
pozícia.
Magnetostrikčný
snímač dráhy má veľmi dobré vlastnosti pre použitie v priemysle. Jedná sa
o bezkontaktné meranie, takže jeho životnosť je (teoreticky) nekonečná.
Meranie je absolútne, podobne ako pri potenciometroch, a má
aj približne rovnakú presnosť ako potenciometer. Často má aj podobnú
konštrukciu a preto sa používa aj ako náhrada potenciometra. Jeho cena je
však vyššia ako cena potenciometra.
3.4 Optické snímače dráhy
Optické snímače dráhy sa
najčastejšie vyrábajú a dodávajú ako inkrementálne. To znamená, že na
výstupe poskytujú elektrické impulzy a až ich spracovaním sa získa
informácia o meranej dĺžke. Nie sú teda absolútne, po zapnutí napájacieho
napätia treba hriadeľ snímača presunúť do východiskovej polohy a systém
vynulovať. Sú tiež menej odolné voči vplyvom prostredia ako napr. induktívne
alebo magnetostrikčné snímače. Najväčšou prednosťou optických snímačov je ich
vysoké rozlíšenie, bežne 10 až 1 μm. Preto sa používajú všade tam kde je
potrebná vysoká presnosť, resp. rozlíšenie.