Snímače založené na rozladení frekvenčného obvodu

 

Bezdotykové koncové indukčné spímače alebo tiež približovacie indukčné spínače spínajú pri priblížení kovového predmetu (obr.4). Z cievky v otvorenom hrnčekovom jadre v čele snímača vystupuje vysokofrekvenčné magnetické pole. Táto cievka tvorí indukčnosť LC kmitavého obvodu, budeného oscilátorom na vlastnom (rezonančnom) kmitočte, väčšinou niekoľko kHz. Ak sa priblíži k čelu snímača kovový predmet, zmení vplyvom vírivých prúdov indukčnosť cievky a tým aj vlastnú frekvenciu obvodu.

Kmity sa utlmia a pokles amplitúdy signálu na paralelnom (obr.3) Zapojenie snímača LVDT ako diferen-

kmitavom  obvode vyhodnotí prahový spínač a zopne.                   ciálneho transformátora

 obvode vyhodnotí prahový spínač a zopne.                                  

Výstupný signál frekvenčného obvodu (napätie na tomto obvode) je privádzaný na vysokoohmový vstup demodulátora a výstup z demodulátora potom na Schmittov prahový prepínač, ktorý prepne pri poklese signálu pod nastavenú úroveň. Výstupom potom môže byť dvojhodnotový logický signál, indikujúci stavom 1 priblíženie kovového predmetu.

 

 

(obr.4) Indukčný približovací spínač

                                                                 

Snímač uhla natočenia (Resolver = vyhodnocovač natočenia) sa používa ku kontrole, regulácii alebo riadeniu natočenia. Snímač natočenia má podobnú konštrukciu ako synchrónny motor (obr.1). Predtým sa používali menej presné selsyny pre prenos aj kontrolu natočenia.

Dva statorové vinutia natočené vzájomne o 90° sú napájané sínusovými napäťovými  signálmi u1 = Umax1 . sin ωt,  

u2 = Umax2 . sin (ωt+π/2)= Umax1 . cos πt, fázovo posunutými o 90° (obr.2). V pasívnom vinutí rotora (otočnej kotvy) je indukovaný signál zložený zo sínusových signálov indukovaných  oboma statorovými vinutiami.                                                                                                           (                                                                                                 (obr.1) Snímač uhlu natočenia

 Pomer amplitúd indukovaných signálov závisí na natočení          

rotora. Signál indukovaný jedným statorovým vinutím je najväčší, vtedy ak je os rotorového vinutia zhodná s osou jeho vinutia, pólové nádstavce stoja oproti sebe a pri malých vzduchových medzerách je indukčná väzba najtesnešia. Výsledné napätie na rotore (snímané z krúžkov rotora) je pri transformačnom pomere 1:1 a pri uhle natočenia αx rovné ux = u1 . cosαx + u2 sinαx = Umax1 . sin ωt . cos αx +Umax1 . cos ωt . sin αx = Umax1 . sin(ωt +αx). Výstupné napätie ux na rotore je teda oproti napájaciemu napätiu u1 statora fázovo posunuté o uhol natočenia rotora αx (obr.3). Uhol fázového posunu napätia tu zodpovedá uhlu natočenia rotora snímača. Natočenie je potom možno vyhodnotiť napr. číslicovým meraním fázového posunu sínusových signálov.

                                                                                          

Snímač uhlu natočenia prevádza uhol natočenia na uhol         (obr.2) Princíp snímača natočenia

fázového posunu signálu

Induktosyn je indukčný snímač dráhy posunutia. Skladá sa z merítka tvoreného plošným vodičom meandrovitého tvaru a posúvneho jazdca, obsahujúceho dve meandrové plošné dráhy s rovnakými vzdialenosťami, ako je vzdialenosť rovnobežných úsekov na merítku, posunuté geometricky v smere pohybu vzájomne o štvrtinu periódy meandra, tj. o polovicu vzdialenosti dráh ( tj. o šírku dráhy, resp. šírku medzery medzi dráhami) (obr.4). Jazdec zodpovedá funkčne statoru snímača uhlu natočenia a merítko je rotor, a to vrátane spôsobu napájania a snímania signálu. Ak sa posúva napájaný jazdec pozdĺž merítka, kryjú sa striedavo jeho dve meandrové dráhy s časťami meandrovej dráhy merítka                                                                                        (obr.3) fázový posun výstupného napätia

(ležia striedavo presne oproti sebe). Keďže sú dráhy (vinutie) jazdca napájané signálmi posunutými fázovo o 360°/4 = 90°, bude signál indukovaný v dráhe (vinutí) merítka zložené z odpovedajúcich indukovaných signálov, ktorých pomer bude závisieť na fázových posunutiach (polohách) meandra jazdca oproti meandru merítka. Meraný výstupný signál na meandre merítka opäť bude rovný ux=Umax1. sin (ωt + αx). Celková odmeraná dráha sa vypočíta z počtov cyklov výstupného sínusového signálu a fázovej polohy v poslednom započatom cykle (fázového posunu sínusových napätí ux1, u1).                  

 

                                                                        (obr.4) Induktosyn

 

 

 

 

Kapacitné snímače

 

Kapacitné snímače vyhodnocujú zmenu kapacity, vyvolanou buď zmenou vzdialenosti elektród alebo zmenou dielektrika.

 

Kapacitné tlakové snímače. Zmenami vzdialenosti dvoch doskových elektród sa dá meniť kapacitu a tým i kapacitnú reaktanciu snímača. Meranie tlaku je prenášané na meranie priehybu membrány ktorá tvorí jednu elektródu kondenzátora (obr.1). Zmena kapacity je vyhodnocovaná pomocou striedavého meracieho     (obr.1) Kapacitná sonda na meranie tlaku

mostíka. Pri kapacitnom meraní výšky hladiny nevodivej kvapaliny (obr.2) tvorí jednu elektródu kondenzátora kovový plášť zásobníka kvapaliny a druhú elektródu tvorí kovová elektróda izolovaná od plášťa a ponorená do kvapaliny. Kapacita takto vytvoreného kondenzátora závisí od výšky hladiny kvapaliny, ktorá tvorí dielektrikum s dielektrickou konštantou odlišnou od dielektrickej konštanty vzduchu. Pri kapacitnom meraní výšky hladiny vodivej kvapaliny, napr. kyseliny alebo luhu, musí byť vnútorná elektróda chránená izolujúcim puzdrom, ktoré je tiež odolné voči účinkom kvapaliny. Vodivá kvapalina potom tvorí jednu elektródu kondenzátora a zmenou výšky hladiny sa mení plocha elektródy dotýkajúcej sa dielektrika, ktorým je izolácia ponorenej elektródy. Meranie sa uskutočňuje opäť v mostíkovom zapojení (obr.2). Merací mostík je napájaný vysoko-     (obr.2) Kapacitný snímač výšky naplnený kvapalinou

frekvenčným napätím a meraná je usmernená hodnota zosilneného výstupného signálu meracieho mostíka.

 

Aktívne snímače

Termoelektrické snímače

 

Termočlánky slúžia k meraniu teplôt až do 1600°C. Sú tvorené drôtmi z dvoch rôznych kovov, zváranými koncami k sebe. Termočlánok vzniká na     (obr.3) Zapojenie k laboratórnemu meraniu

styčnej ploche oboch rôznych kovov. Pri zahriatí                     termoelektrického napätia

termočlánku majú chladné konce drôtov odlišný potenciál, tj. dá sa medzi nimi namerať malé jednosmerné napätie termočlánku

Ut (obr.3). V technických termočlánkoch sa používajú väčšinou určité dvojice kovov, napr. meď a konštantan, železo a konštantan, nikel-chróm a konštantan, platina-rhodium a platina. Napätie termočlánku narastá s teplotou lineárne a dosahuje maximálne 70mV (obr.4). Pre meranie v rôznych rozsahoch teplôt sú vhodné rôzne dvojice kovov. Dvojice železo-konštantan síce tvorí citlivý termočlánok, ale vyhovie v rozsahu len -200°C až +750°C. Dvojica Pt-RhPt má menšiu citlivosť, ale má rozsah použitia 0°C až 1600°C. Drôty termočlánku sú uložené v izolačnom a tepelne odolnom keramickom materiále a celok je v kovovom puzdre (obr.5). Pri meraní teploty je termočlánok najjednoduchšom prípade (obr.3) pripojený k meraciemu prístroju vyrovnávacím vedením, ktoré musí byť tvorené tzv. vyrovnávacími vodičmi z rovnakých (z hľadiska kon-   (obr.4) Charakteristiky termočlánkov

taktného termoelektrického potenciálu) materiálov ako kovy termočlánkov

a tým je zabránené vzniku prípadných ďalších kontaktných elektrických napätí v blízkosti termočlánku. Vyrovnávacie vodiče vlastne predĺžia drôty termočlánku až do priestoru, kde je referenčná (pokojová) teplota,

pri ktorej je kalibrovaný merací prístroj. Merací prístroj meria rozdiel teplôt medzi termočlánkom a meradlom a ten pričíta k referenčnej teplote.

 

Piezoelektrické snímače

 

V niektorých pevných látkach dochádza vplyvom mechanického napätia k takým presunom nosičov elektrických nábojov, že medzi rôznymi miestami deformovanej látky vzniká elektrické napätie. K popísanému piezoelektrickému efektu dochádza napr. u kryštálov kremeňa (oxidu kremičitého SIO2). K výrobe  (obr.5) Zapuzdrený termočlánok priemeru Ф 25mm

piezoelektrických snímačov sa väčšinou využíva kryštál titaničitanu / zirkoničitanu olovnatého. Táto kryštalická štruktúra má 1000 krát väčší piezoelektrickú citlivosť (1000 krát väčšie elektrické napätie pri rovnakom mechanickom napätí) než kryštály kremeňa.

 

Pri pozdĺžnom piezoelektrickom efekte sú záporné body kryštalickej mriežky posunuté oproti kladným bodom mriežky (obr.1). Medzi elektródami na povrchu doštičky piezoelektrickej kryštalickej látky je pri tom možno namerať elektrické napätie. Na stranách mechanického tlaku dochádza k úbytku náboja.

 

Pri priečnom piezoelektrickom efekte vznikajú pôsobením sily v smere neutrálnej osi kryštálov na protiľahlých plochách v priečnej osi (kolmej na neutrálnu os) náboja, tj. priečne piezoelektrické napätie (obr.1)                                                           (obr.1) Pozdĺžny a priečny piezoelektrický efekt pri SIO2

Pri posúvnom piezoelektrickom efekte dochádza k posunu ťažiska kladných nábojov a k opačnému posunu ťažiska záporných nábojov v smeroch kolmých k smeru tlakovej sily na kryštál.

 

Piezoelektrické snímače generujú pri deformácii mechanickou silou elektrický signál.

 

Piezoelektrický efekt účinkuje v oboch smeroch premeny energie, takže elektrický signál môže vyvolať mechanické vibrácie piezoelektrického kryštálu.

 

Energia elektrického signálu piezoelektrického snímača sily je malá, preto musí byť tento signál zosilnený (resp. impedančne transformovaný) zosilňovačom s veľkým    (obr.2) Piezoelektrické tlačidlo

 vstupným odporom (väčším než 10 ¹² Ω).

 

 

Piezoelektrické tlačidlá a piezoelektrické koncové snímače spínajú vplyvom tlaku s nepatrným zdvihom. Na rozdiel od kapacitných a indukčných približovacích spínačov nemôžu nechcene zopnúť vplyvom priblíženia cudzieho predmetu alebo vplyvom vlhkosti. Náhodný dotyk (malou silou) nespôsobí zopnutie.

 

Základom a nosným konštrukčným prvkom piezoelektrického tlačítka je piezoelektrická doštička (obr.3) Zapojenie tlakového piezoelektrického snímača