CZUJNIKI ELEKTRODYNAMICZNE

Układ przetwarzający składa się z elastycznie zawieszonej cewki, która może poruszać prostopadle do linii sił pola magnetycznego wytworzonego przez magnes stały (patrz rys. 5.17).

Połączony sztywno z cewką pręt pośredniczy w przenoszeniu drgań mierzonego obiektu. Ruch cewki w polu magnetycznym indukuje w niej SEM proporcjonalną do prędkości.

Rys. 5.17. – Zasada działania czujnika elektrodynamicznego.

φ : strumień magnetyczny

Jeśli strumień przechodzący przez cewkę jest proporcjonalny do jej przemieszczenia względem magnesu, to SEM na wyjściu zmienia się proporcjonalnie do prędkości drgań.

Czujnik elektrodynamiczny, pracujący jako bezwzględny, lub względny, należy do najczęściej stosowanych.

Jego zalety to:

a)reaguje na prędkość, co daje obraz energii drgań (rys. 5.18),

b)jest niezawodny,

Rys. 5.18. – Charakterystyka częstotliwościowa czujnika prędkości.

a)ma dużą czułość, zwykle rzędu 300[mV]/[cm/s]

b)posiada małą impedancję wyjściową,

c)nie wymaga zewnętrznego zasilania, wchodzi zwykle w skład wibrometru przenośnego

     (rys. 5.19).

Wady:

a)znaczna masa,

b)ograniczone pasmo częstotliwości,

c)trudności w zapewnieniu ciągłego kontaktu pręta czujnika z mierzoną strukturą przy większych przyspieszeniach drgań.

Czujniki elektromagnetyczne

Ten typ czujnika wykazuje pewne podobieństwo tak do czujnika elektrodyna­micznego, jak też do indukcyjnego bezstykowego bowiem działa on w sposób na­stępujący (rys. 5.31):

Ruch mierzonego obiektu względem czujnika wywołuje zmiany wypadkowej prze­nikalności magnetycznej obwodu, zatem także zmiany wytwarzanej przez magnes stały indukcji magnetycznej i jej strumienia F. Powstaje SEM indukowana:  e = dΦ/dt

Jak w przypadku czujnika elektrodynamicznego występuje: a)generowanie sygnału napięcia proporcjonalnego do prędkości i o znacznej am­plitudzie, b)czujnik nie wymaga zasilania zewnętrznego, c)możliwy jest jedynie pomiar dynamiczny,

Rys. 5.31. Czujnik elektromagnetyczny

d)może być użyty jako wzbudnik drgań (odwracalność funkcjonowania).

Analogicznie do bezkontaktowego czujnika przemieszczeń: -działa przez zmianę oporności magnetycznej obwodu, - nie występuje rezonans własny.

Czujnik przeznaczony raczej dla orientacyjnych pomiarów kontrolnych. Łatwy i tani w wykonaniu, solidny, lecz o precyzji raczej miernej. W zasadzie służy do pomiaru względnego. Od czujników indukcyjnych odróżnia go obecność magnesu stałego, w konsekwencji reaguje na prędkość, a nie przemieszczenie. Istnieje sze­reg czynników ograniczających jego zastosowanie:

- ograniczenie pasma przenoszenia do kilkuset Hz prze indukowane w czujniku i obiekcie prądy Foucault, dla małych obiektów następuje modyfikacja tłumie­nia; a)wynikająca z zasady działania nieliniowość charakterystyki przetwarzania po­woduje silne zniekształcenie sygnału wyjściowego dla amplitud drgań więk­szych od 10% szczeliny statycznej; b) czułość przetwarzania jest funkcją odległości od obiektu oraz jego parame­trów elektrycznych i magnetycznych; typowa wartość ok. 20 [mV)/[cm/s) to 0 wiele mniej, niż w przypadku czujnika elektrodynamicznego.

Czujniki indukcyjne ( zmiennej impedancji)

Wykorzystują zmianę indukcyjności cewki ze szczeliną w obwodzie magnetycz­nym (rys. 5.27 i 5.28).Dziedziną zastosowań są częstotliwości niższe, przy wyższych używa się raczej czujników indukcyjnych wykorzystuj3cvh prądy wirowe.

cewka

szczelina

wirnik

rys.Czujnik bezkontaktowy

Związek między siłą magnetomotoryczną a strumieniem określa prawo Ohm'a dla obwodu magnetycznego:

Współczynnik indukcji własnej obwodu L=n²/ℛ

Stąd L= n²µS/e   zależność między L i e jest nieliniowa.

W praktyce należy skorygować wartość L ze względu na obecność prądów wiro­wych (prądów Foucault'a).

Rys. 5.28. - Zasada czujnika indukcyjnego wykorzystującego prądy wirowe.

Czujniki indukcyjne, jako parametryczne, wymagają zewnętrznego zasilania. Zapewnia­

je specjalistyczny układ pomiarowy, którego element zazwyczaj stanowią.

Rozwiązanie takie posiada szereg zalet, wymienimy ważniejsze.

a) Możliwość autoeliminacji, w odpowiednio skonfigurowanym układzie most­kowym, zewnętrznych wpływów zakłócających pracę samego czujnika. Dotyczy to również wpływu impedancji montażu i przewodów łączących..

b) Mała wrażliwość połączeń kablowych na obce pola magnetyczne dzięki zasto­sowaniu modulacji. Istotne zwłaszcza dla pomiarów w elektroenergetyce.

c) Czułość przetwarzania zależy od napięcia zasilania mostka.

d) Przenoszenie składowej stałej, stąd dobra stałość czułość dla niskich częstotli­wości. Możliwość pomiarów statycznych, np. położenie wałów.

Czujniki bezkontaktowe

Należą do kategorii indukcyjnych, ich działanie odpowiada przypadkowi pracy transformatora ze zwartym uzwojeniem wtórnym, które stanowi masa metalu.

Zasada działania

Przepływ prądu zmiennego przez cewkę indukcyjną powoduje straty dwu rodza­jów:

a) na histerezę: Ph = kω, b) na prądy wirowe: P =kfω Te ostatnie wywołane są przepływem prądów indukowanych w objętości prze­wodnika o określonej oporności właściwej i kształcie. Współczynnik k~ jest funkcją tych własności.

Dla celów analizy załóżmy przepływ prądów Foucault'a przez zwarte uzwojenie wtórne transformatora, którego schemat zastępczy przedstawia rys. 5.29.

L

Rys. 5.29. - Schemat ilustrujący powstawanie strat na prądy wirowe

Jak można wykazać, straty na prądy Foucault'a powodują wzrost oporności i spadek indukcyjności widzianych od strony pierwotnej układu:

Interesująca jest praca na wyższych częstotliwościach, umożliwia ona:

oddzielenie strat wywołanych histerezą;

-eliminację wpływu stanu powierzchni mierzonego

-obiektu i jej ew. nierównole­głości do obwodu magnetycznego czujnika; im wyższa częstotliwość, tym mniej­sza głębokość penetracji prądów w materiał obiektu.

Zmiana odległości czujnik- obiekt powoduje jednoczesną zmianę modułu i fazy impedancji na zaciskach czujnika.Czułość przetwarzania zależy od oporności własnej materiału obiektu: miedź, mosiądz i aluminium uznać można za równoważne pod tym względem. Generalnie, funkcjonowanie czujnika determinowane jest przez własności mate­riałowe obiektu. W przypadku materiałów niemagnetycznych, dobrze przewodzą­cych, dominuje efekt prądów wirowych. Dla ferromagnetyków główną rolę odgry­wa zmiana oporności magnetycznej.

Przy danym przemieszczeniu, znaki przyrostu impedancji są w omawianych przy­padkach rożne.

Zastosowania

Pomiar drgań względnych obiektów stacjonarnych i wirujących, wykonanych zazwyczaj ze stali. Mierzoną wielkością bywa z reguły przemieszczenie. Ustawienia czujnika względem wybranego miejsca pomiaru dokonuje się w trak­cie postoju maszyny. Niekiedy konieczne jest zamocowanie osobnego elementu zamykającego obwód (np. mosiężnej tarczy). W celu kalibracji statycznej użyć można sztywnych podkładek z materiału izolacyjnego grubości 1 - 2 mm.

Czujniki podłączone są do umieszczonych możliwie blisko układów zasilania i wstępnego formowania wyjściowego sygnału elektrycznego wibracji. Jeśli układy te lub kable doprowadzające, znajdują się blisko siebie, lepiej połączyć je razem dla synchronizacji częstotliwości zasilania. Pozwala to uniknąć zakłóceń interfe­rencyjnych.

Czułość przetwarzania przy częstotliwości pracy 1 MHz wynosi ok. 2 ­-3 mV/ mm.

Wpływ temperatury otoczenia

Doświadczenie ujawnia wywołany zmianą temperatury dryf wartości mierzonej, lecz czułość dynamiczna nie ulega przy tym zmianie (por. rys. 5.30). Uchyb tempe­raturowy obciąża zatem jedynie pomiar statyczny.

Rys. 5.30. - Dryf charakterystyki statycznej wywołany wzrostem temperatur