Automatikai építőelemek 3.

Az előadások a következő témára: "Automatikai építőelemek 3."— Előadás másolata:

1 Automatikai építőelemek 3.
Ellenállásos jelátalakítók Aktív működési tartománynak nevezzük azt az elmozdulást, vagy szögelfordulást, amely a valóságban bekövetkezhet. A elméletileg lehetséges érték ennél valamivel nagyobb. Követelmény, hogy a „ρ” fajlagos ellenállás nagy legyen és stabil, a huzal anyaga ko-pásálló, a hőmérsékleti együttható (αR) kicsi legyen és az anyag korrózióálló. A szokásos felhasználható anyagok: - konstantán: ρ = 0,5 ohm.mm2/m, αR = ± / oC - manganin: ρ = 0,43 ohm.mm2/m, αR =10-5 / oC A csúszóérintkezők előnyei: egyszerű kialakítás, folyamatos mérésre használhatók, olcsók és stabil karakterisztikával rendelkeznek. Hátrányai: a nagy nyomásigény, áram-terhelésre és korrózióra érzékenyek. Forgópotenciométerek

2 Automatikai építőelemek 3.
Ellenállásos jelátalakítók Az ellenállásos jelátalakítók gyakoribb kialakításait az „a” toló potenciamétert mutat, amelyet lineáris elmozdulás mérésre használunk, a „b” forgó potenciamétert mutat hasított laprugóval szögelfordulás érzékelésére. Ennél az utóbbi megoldásánál látható, hogy a különböző hosszúságú rugóelemek önrezgési frekvenciája eltérő, ezért valószínűtlen, hogy minden érintkező egy időben ne érintkezzen a huzallal, ha esetleg az érintkezők rezegnének. A „c” ábra egy helipotot mutat, amely többször 360°-os körülfordulással rendelkezik és több kivezetéssel. Forgása során tengelyirányba is elmozdul. A csúszóérintkezők előnyei: egyszerű kialakítás, folyamatos mérésre használhatók, olcsók és stabil karakterisztikával rendelkeznek. Hátrányai: a nagy nyomásigény, áram-terhelésre és korrózióra érzékenyek.

3 Automatikai építőelemek 3.
Ellenállásos jelátalakítók Előírt statikus karakterisztika előállítása A potenciaméterek előnyös tulajdonságai, hogy tetszőleges karakterisztikák állíthatók elő úgy, hogy a csévetestet az előírt statikus karakterisztika alakúra képezzük ki . Tetszőleges karakterisztika előállítása „r” ellenállás „dr” ellenállás változása „l” teljes hossz „n” menetszám, „dx” hosszváltozás „h” menetek közepes magassága

4 Automatikai építőelemek 3.
Ellenállásos jelátalakítók Higanyérintkezős ellenállások A higanyérzékelős jelátalakítók elmozdulást ill. szögelfordulást alakítanak át ellenállássá. U csöves Hg szálas ellenállás . Látható, hogy az „U” alakú csőben egy ellenálláshuzal van, amit a higany zár rövidre adott szakaszonként – analóg módon - helyettesítő kapcsolása a b. ábrán látható. Ez az eljárás főként folyadékos nyomásmérőknél, szintmérőknél terjedt el. Megoldás alapja a higanyos ellenállásos nyomáskülönbség mérése, ahol az elmozdulás lineáris. A mérő-átalakítóban a nyomáskülönbség hatására fellép egy elmozdulás, amely szintkülönbséget eredményez. .

5 Automatikai építőelemek 3.
Ellenállásos jelátalakítók Higanyérintkezős ellenállások Gyűrűs higanyérzékelő Az ábrán egy szögelfordulásra működő higany-ellenállásos jelátalakítót mutat. A higany mozgása itt nem nyomáskülönbség hatására, hanem szögelfordulásra történik. Mindkét megoldásnál az ellenálláshuzal anyaga platina, vagy szénszál. A mérési pontatlanság kb. 1% hőmérsékletváltozásra gyakorlatilag nem érzékeny. A következő ábra egy nem lineáris karakterisztika kialakításának szakaszos megoldását mutatja higanyérzékelős megoldással. Előnyei: - kis működtető nyomaték, - a zártsága miatt nem érzékeny a környezet agresszív vegyi hatásaira, - kopás nincs, ezért hosszú élettartamú. Hátránya: - helyzet és rázásérzékenység, - érzékeny a Hg tisztaságra, - csak viszonylag kis értékű ellenállások képezhetők. . Nemlineáris karakterisztika szakaszos létrehozása

6 Automatikai építőelemek 3.
Ellenállásos jelátalakítók Nyomásfüggő ellenállások Nyomást alakítanak át ellenállássá. A nyomás származhat nyomóerőből, hidrosztatikai ill. gáznyomásból. Két nagy csoportot különböztetünk meg: - átmeneti és - piezorezisztív átalakítók. Működése azon elven alapul, hogy durva felülettel rendelkező vezetők érintkezési felülete nyomás hatására jelentősen változik. Nagyobb nyomásra nőnek, kisebbre csökkennek. Ennek megfelelően változik az átmeneti ellenállása is. Nagyobb nyomásra nő az érintkezési felület, és ezzel csökken az átmeneti ellenállás. Az ellenállás értéke a nyomóerő függvényében közelítőleg: Átmeneti ellenállás ahol: „k” - konstans, „R0” - ellenállás erőhatás nélkül és „F”- a ható erő. ahol: „k” az érintkezők anyagától, „c” az érintkezők geometriai kialakításától függő tapasztalati állandók.

7 Automatikai építőelemek 3.
Ellenállásos jelátalakítók Nyomásfüggő ellenállások Mérőátalakítók céljára gyakorlatban szenet használnak általában. Látható, hogy F=0 esetben a függvénynek szakadása van. Hogy ez ne következhessen be, ezért az el-lenállásokra egy előfeszítést alkalmaznak kiindulásként. Az előfeszítést egy csavarral nagyon egyszerűen megvalósítják. Az ellenállást úgy lehet lényegesen növelni, hogy több széntárcsát helyeznek el A tárcsák anyaga elektródaszén (grafit), a vastagsága általában 0,5...3,5 mm Szénoszlopos differenciál kapcsolás Szénnél k = 1,5.10…3,5.10 ohm.N közé esik. Hátránya: hiszterézissel rendelkezik, emiatt pontossága 3…5 %-os. Mérési tartománya N között van. A grafittal történő mérés hőmérsékletfüggő, ezért differenciálkapcsolásban alkalmazzuk. Előnye: egyszerű, olcsó, de csak ott használják, ahol nem kell nagyobb pontosságot elérni. Az „R” ellenállás értéke néhány ohm és néhányszor 10 ohm érték között változik.

8 Automatikai építőelemek 3.
Ellenállásos jelátalakítók Piezorezisztív átalakító Néhány fémben külső nyomás hatására a kristály-szerkezetében deformáció lép fel, ami megváltoztatja a fajlagos ellenállást, amelynek előjele lehet pozitív és lehet negatív, attól függően, hogy milyen anyagot használnak. A piezorezisztív átalakítók két nagy csoportba sorolhatók: fémes vezetők félvezetők Fém piezoellenállások Az ábrán látható a hogy dugattyúra „F” erő hat, amely „p” nyomásváltozást okoz. Az ellenállás nyomásfüggését az alábbi összefüggés mutatja: Fém piezoellenállások elvi felépítése ahol: „R” - ellenállás, „R0” – ellenállás légköri nyomáson, „Δp”- nyomásváltozás légköri nyomáshoz képest és „b” – nyomástényező.

9 Automatikai építőelemek 3.
Ellenállásos jelátalakítók Fém piezoellenállások Erre az alkalmazásra leggyakrabban a manganint használják. Előnyük : hogy egyszerű felépítésűek kis hiszterézissel rendelkeznek holtidő mentesek Hátrányuk : a nemlinearitás, alacsony érzékenység és a nagyobb nyomások esetén nehézkes a kivezetés elkészítése. Az alábbi táblázat tartalmazza a különböző fémek nyomástényezőjét, amely 25 oC-on és Pa nyomástartományra érvényes. Anyag Nyomástényező (b) (1/atm) Alumínium Antimon 11, Vas -2, Platina -1, Réz -1, Ezüst -3, Manganin 2,

10 Automatikai építőelemek 3.
Ellenállásos jelátalakítók Félvezetős piezo átalakítók A leggyakrabban alkalmazott természetes anyag a kvarc és a turmalin, általában azonban a kvarcot részesítik előnyben, - mert nagy az ellenállása - és kicsi a hőfokfüggése nagy linearitással is rendelkezik. A rugalmassági modulusa igen nagy (E = 0, Pa), amely az acélnak kb. 1/3-a (E=2, Pa). A legnagyobb modulus elérésére a kvarc lemezkét úgy vágják, hogy a legnagyobb sík merőleges legyen az x tengelyre, amelyet piezoelektromos tengelynek nevezünk, lássd. ábra. Az y irányban a mechanikai és z irányban az optikai tengely helyezkedik el.

11 Automatikai építőelemek 3.
Ellenállásos jelátalakítók Félvezetős piezo átalakítók Az ellenállás-változás előjele és nagysága függ a félvezető anyagától, szennyezettségének mértékétől és fajtájától (p vagy n tip.) és a terhelés irányától. Ez utóbbi függést anizotropiának nevezzük. A kristályokban nyomóerő hatására bekövetkező relatív ellenállást az ábra mutatja. Piezoellenállások kialakításakor ún. egykristályokat alkalmaznak, amely teljes egészében egyetlen összefüggő kristályszerkezet. Egykristályt azért célszerű alkalmazni, mert: a, az ellenállás változás csak bizonyos ún. kristálytani irányokban jelentős, másokban elenyészően kicsi/erős anizotropia. b, ugyanaz a kristály más orientációban más előjellel változtatja az ellenállását Erő és relatív ellenállás összefüggései

12 Automatikai építőelemek 3.
Ellenállásos jelátalakítók Félvezetős piezo átalakítók Fő probléma, hogy az ellenállás függ a hőmérséklettől, ezért vagy termosztálni kell, vagy hídkapcsolást kell alkalmazni a mérés során. 3.25. ábra. Hídkapcsolás alkalmazása Az elemeket úgy kell megválasztani, hogy az l és 3 ellenállások relatív ellenállás-változásra abszolút értékére azonos, előjelre pedig ellentétes legyen a 2 és 4 ellenállás-változásaival szemben. Előnyük: - kisebb erők, nyomások mérésére is alkalmas, érzékenységük egy-két nagyságrenddel nagyobb a fémekéhez képest. Hátrányuk: ellenállásuk hőmérsékletfüggő, - mechanikailag sérülékenyek (törékenyebb) drágább a fémeknél.