Pomiary Prędkości i Przyspieszenia

 

 

Wiadomości wstępne

Elektryczne pomiary wielkości nieelektrycznych mają zastosowanie w niemal wszystkich dziedzinach nauki i techniki. Metody elektryczne umożliwiają pomiary z odległości, automatyzację pomiarów, dużą dokładność pomiarów oraz zastosowanie wyników do sterowania wielkością mierzoną. Do przetwarzania wielkości nieelektrycznej na elektryczny sygnał pomiarowy służą przetworniki.

 

Pomiar prędkości

 

Do pomiarów prędkości metodami elektrycznymi stosuje się przetworniki cyfrowe, elektromagnetyczne, elektrodynamiczne i fotoelektryczne.

 

1. Cyfrowe przetworniki prędkości liniowej v lub kątowej w działają na zasadzie:

 

a) pomiaru przemieszczenia w ściśle określonym przedziale czasu TW

 

 

 

 Układ ten jest stosowany do pomiarów dużych prędkości. Jeżeli w czasie TW licznik zliczył M impulsów a przyrost drogi wyniósł D l lub przyrost D j to V= MD l/ TW lub w =MD j / TW

 

b) pomiar czasu odpowiadający ściśle określonemu przemieszczeniu D lw

 Układ jest stosowany do pomiarów małych prędkości i polega na pomiarze czasu D tx odpowiadającego ściśle określonemu przemieszczeniu liniowemu D lw lub kątowemu D j w V=D lw / D tx lub w =D j w/ D tx

 

M- liczba impulsów zliczonych w czasie D tx w którym nastąpiło wzorcowe przemieszczenie D lw lub D j w

Tw – okres impulsów generatora wzorcowego

 

2. Elektromagnetyczne przetworniki prędkości działają na zasadzie indukowania się siły elektromotorycznej e w uzwojeniu o liczbie zwojów N pod wpływem zmiany strumienia magnetycznego e= -Nd F /dt

dF - zmiana strumienia

dt - zmiana czasu

 

Przetwornik elektromagnetyczny składa się z

ferromagnetycznej tarczy o liczbie zębów m

która obracając się w polu magnetycznym

magnesu trwałego z prędkością obrotową n

indukuje w cewce siłę elektromotoryczną e o

częstotliwości f = mn/60 [Hz]

Pasmo przenoszonych częstotliwości mieści się w granicach od 0 do102 Hz.

 3. Elektrodynamiczne przetworniki prędkości działają na zasadzie indukowania się siły elektromotorycznej e w uzwojeniu o liczbie zwojów N poruszającym się z prędkością v w polu magnetycznym o indukcyjności B według zależności e= BlNv gdzie l jest długością zwoju cewki. Częstotliwość górna pasma przenoszenia wynosi 103 Hz.

 

 

 

 

 

 

 

 

Do pomiarów prędkości kątowej np. w samochodach stosuje się prądnice tachometryczne które są przykładem

przetwornika elektrodynamicznego. Działają one na zasadzie prądów wirowych. Obracający się z prędkością kątową w wał 8 jest mechanicznie sprzężony z wirnikiem 1, którym jest magnes trwały. Strumień magnesu trwałego zamyka się przez cylinder 2 wykonany z ferromagnetyku. W szczelinie między wirnikiem a cylindrem jest umieszczona aluminiowa pokrywka 3. Podczas wirowania magnesów w pokrywce indukuje się siła elektro- motoryczna i płyną prądy wirowe.Jest wytwarzany moment napędowy proporcjonalny do prędkości kątowej w obracający pokrywkę. Obróci się ona o taki kąt a przy którym moment zwrotny wytworzony przez sprężynę 4 zrównowarzy moment napędowy. Kąt a można odczytać na podzielni 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Przetworniki fotoelektryczne:

a) prędkości obrotowej w częstotliwość

 

Jeżeli aluminiowa tarcza ma m otworów równomiernie rozmieszczonych

na obwodzie, to podczas jej wirowania z prędkością obrotową n światło

pada na fotoelement z czestotliwością f= mn/60 [Hz]

 

 

 

 

 

b)pomiar prędkości obrotowej metodą stroboskopową

 

Na wirujący obiekt 1 nanosi się wyraźny znak 2. Wirujący

z prędkością obrotową n obiekt jest oświetlany za pomocą

lampy dającej krótkotrwałej impulsy światła o regulowanej

i znanej częstotliwości f. Dzięki bezwładności oka ma się

wrażenie pozornie nieruchomego obrazu wtedy, kiedy

częstotliwość błysków f jest całkowitą wielokrotnością

lub podwielokrotnością częstotliwości f obrotów obiektu

czyli gdy f = kf lub f = f/k , k jest liczbą całkowitą.

 Pomiar przyspieszenia

 

Do pomiarów przyspieszenia stosuje się przetworniki piezoelektryczne zwane akcelerometrami, przetworniki elektrokinetyczne i inne.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Zasada działania akcelerometru piezoelektrycznego: drgania obiektu badanego o amplitudzie D x powodują, że na płytkę piezoelektryczną 1 działa zmienna siła F wprost proporcjonalna do przyspieszenia a oraz masy m F=am. Na elektrodach 2 powstają ładunki elektryczne o przeciwnych znakach , do pomiaru napięcia wyjściowego Uwy stosuje się miliwoltomierze elektroniczne o bardzo dużej rezystancji wejściowej i małej pojemności. Zakres pomiarowy akcelerometru piezoelektrycznego zależy od jego masy np.: akcelerometr o masie 3g ma zakres pomiarowy od 1 do 54kHz natomiast akcelerometr o masie 470g ma zakres od 0,1 do 1000Hz i jest przeznaczony do pomiarów małego przyspieszenia obiektów o dużej masie.

W elektrokinetycznych przetwornikach przyspieszenia wykorzystuje się elektrochemiczne zjawisko potencjału przepływu. Napięcie wyjściowe przetwornika jest proporcjonalne do przyspieszenia.

Przyspieszenie a można wyznaczyć także metodą pośrednią różniczkując sygnał wyjściowy v przetwornika prędkości gdyż a=dv/dt. Metoda ta jest jednak rzadko stosowana ponieważ operacja różniczkowania jest mało dokładna.