Pro měření polohy lze použít v technické praxi celou řadu snímačů (indukční, kapacitní, ultrazvukové, laserové, odporové apod.) Na vyhodnocení informace z posledně jmenovaných typů snímačů je zaměřená tato úloha. Jsou zde použity dva způsoby vyhodnocení informace z pasivních odporových snímačů (převod měřené veličiny na měřitelnou).
Seznamte se s principem odporového snímačem polohy a způsoby vyhodnocení informace z odporového snímače pro měření úhlu natočení.
Změřte statické charakteristiky odporového snímače v zapojení:
přímém, to je v sérii s ampérmetrem (proudový výstup),
potenciometrickém, to je s paralelně připojeným voltmetrem (napěťový výstup).
Proveďte aproximaci charakteristik regresní přímkou v jejich lineárních částech, jejich zhodnocení a porovnání. Odhadněte chybu měření, max., min. a poměrnou hysterezi.
Zhodnoťte dosažené výsledky.
Obr. 1 Ampérovo zapojení odporového snímače
Obr. 2 Potenciometrické zapojení odporového snímače
Obr. 3 Zapojení čelního panelu měřicího přípravku s vyvedenými //O
Elektrický odpor mezi běžcem a pevnými konci potenciometru se mění působením přímočarého nebo otočného pohybu na polohu kontaktu, tj. sběrače v odporové dráze. Je možno realizovat různé funkční průběhy mezi lineární nebo úhlovou změnou polohy běžce a změnou odporu, přičemž snímače jsou konstrukčně jednoduché a spolehlivé.
Odporový smaltovaný drát bývá navinut na nosné podložce, např. prstenci a po upravené vnitřní straně se pohybuje sběrač z platinového drátu spojený s hřídelí snímače. Z pohledu úhlu natočení je možné rozdělit potenciometry na jednootáčkové a víceotáčkové. Maximální odchylka výstupního napětí od ideálního lineárního průběhu určuje přesnost snímače (projevuje se zde nedokonalost vinutí, sběračů, převodů atd.). Běžné snímače dosahují přesnosti do 1 %, u speciálních typů – např. víceotáčkových se spirálovou dráhou, pak až 0,02 % při stejnosměrném napájecím napětí. Maximální přípustný proud je obvykle do 100 mA.
Pro zachování požadované statické charakteristiky potenciometru R = f (α) je nezbytné, aby měření odporu bylo zprostředkováno vhodným elektrickým zapojením. Přesnost měření ovlivňují pochopitelně mimo konstrukčních parametrů snímače také změny teploty okolí, které působí jak na vlastní odporový snímač, tak i na spojovací vedení k vyhodnocovacímu přístroji. Výsledná změna odporu se projeví jako chyba měření a lze ji omezit pouze vhodným zapojením snímače (např. poměrový přístroj).
Obr. 4 Víceotáčkový potenciometr
Přímé měření proudu Ampérovou metodou je velmi jednoduché, ale výstupní veličina proud I je nelineární funkcí změny úhlu natočení α a závisí na kolísání napájecího napětí U:
kde R1 [Ω] je levá část odporového snímače, jejíž odpor se mění v závislosti na úhlu natočení, RV [Ω] je odpor vedení a Rn [Ω] je nastavovací odpor pro nulování stupnice a omezení proudu snímače.
Potenciometrické zapojení je velmi rozšířené a výstupní veličina – napětí – je lineární funkcí změny odporu. Paralelně připojený V-metr má velký vstupní odpor a měřicí místo by neměl zatěžovat. Pro jednoduchost si můžeme představit snímač jako odporový dělič složený z rezistoru R1 a R2.
Obr. 5 Zapojení odporového děliče
Pro zapojení odporového děliče platí z Ohmova zákona tyto vztahy:
V závislosti na úhlu natočení α se nám bude měnit poměr odporů R1 a R2, tím se budou také měnit úbytek napětí na R2, což je pro nás informace ze snímače odpovídající měřené hodnotě např. úhlu natočení.
Pro ukládání dat z V-metru a A-metru lze využít aplikaci v PC, která umožňuje záznam dat ve formátu *.dbf pro pozdější zpracování v programu Excel. Aplikace obsahuje konfigurační pole pro zadáváni aktuálního úhlu natočení a volby čísla souboru, kde se data budou ukládat. Pro prvotní test komunikace slouží tlačítko „START“, kdy aplikace začne zobrazovat data z měřicího přístroje. Tlačítko „SAVE“ slouží pro ukládání dat do souboru (dle nastaveného čísla souboru „File Number“) během vlastního měření.
Obr. 6 Grafické rozhraní pro záznam dat z V-metru a A-metru
Zapojte obvod odporového snímače pro měření Ampérovou metodou dle obr. 1. Odpor Rn musí být použit tak, aby proud I nepřekročil hodnotu Imax a nedošlo ke zničení snímače! Použijte k tomu rezistor Rn, který je součástí měřicího přípravku obr. 3.
Změřte statickou charakteristiku snímače I = f (α) v celém rozsahu pro nárůst i pokles a vyhodnoťte ji. Krok volte 90°.
Proveďte zapojení odporového snímače v potenciometrickém uspořádání dle obr. 2.
Změřte statickou charakteristiku snímače v obou směrech. Krok volte 90°.
Naměřené charakteristiky zakreslete do grafu, vypočtěte koeficienty regresních přímek, určete max., min., poměrnou hysterezi a proveďte srovnání metod.
V závěru se vyjádřete k dosaženým výsledkům měření. Zhodnoťte podmínky měření a jejich vliv na přesnost zjištěných údajů.
Vysvětlete princip odporového snímače polohy.
Porovnejte výhody a nevýhody jednotlivých zapojení odporového snímače polohy.
Jak souvisí max. napájecí napětí s dovoleným max. proudem odporového snímače?
Jaké další způsoby vyhodnocení odporových snímačů znáte?
Jaký vnitřní odpor má A-metr?
Jaký vnitřní odpor má V-metr?