Mérés nyúlásmérő bélyegekkel, adatgyűjtés Spider 8 CATMAN rendszerrel

Átírás

1 Mérés nyúlásmérő bélyegekkel, adatgyűjtés Spider 8 CATMAN rendszerrel Mérésadatgyűjtés és Jelfeldolgozás 6. ELŐADÁS Schiffer Ádám Egyetemi adjunktus

2 MEGNYÚLÁS definíció és mérési módszerek PTE PMMK MIT 2

3 Nyúlásmérő bélyegek (SG-Strain Gauges) mérés alapjai Nyúlás: mértékegysége: mm/m vagy um/m PTE PMMK MIT 3

4 Az első SG (Ruge, 1938) PTE PMMK MIT 4

5 SG nyúlásmérés alapja PTE PMMK MIT 5

6 SG nyúlásmérés alapja PTE PMMK MIT 6

7 SG nyúlásmérés alapja Az ellenállás-változás főként a geometriai összetevőtől függ! PTE PMMK MIT 7

8 Rugalmas anyagok HOOKE törvény: Rugalmas anyagok esetén (ha ezt kisméretű rugónak fogjuk fel) ennek megnyúlása (fajlagos megnyúlása) egyenesen arányos a benne ébredő σ mechanikai feszültséggel és fordítottan arányos az E rugalmassági modulussal: σ=e ε PTE PMMK MIT 8

9 Rugalmas anyagok mechanikai erő maradandó alakvátozás szakadás rugalmasság határa Rugalas szakasz, Hooke törvény érvényesül megnyúlás PTE PMMK MIT 9

10 SG Alkalmazási területek Méréstartomány: Hőmérséklettartomány: Bizonytalanság: 1-3% PTE PMMK MIT 10

11 SG Geometriák PTE PMMK MIT 11

12 Wheatstone hídkapcsolás PTE PMMK MIT 12

13 Nyúlásmérő bélyegek felhelyezése Általános eljárások: ragasztás forrasztással (ritka) Bélyegek hozzá kell erősíteni a mérendő anyaghoz, úgy hogy az semmilyen módon ne változzon meg Különféle speciális ragasztókkal (alkalmazásokhoz megfelelően) PTE PMMK MIT 13

14 ERŐMÉRÉS alapok, észrevételek PTE PMMK MIT 14

15 Erő számítása F erő (N) m tömeg (kg) a gyorsulás (m/s 2 ) PTE PMMK MIT 15

16 Erő mennyiségi mérése Nyúlásmérő bélyegekkel (SG) ekkor az ellenállás változik a terhelés hatására Piezo kristállyal Töltés mennyisége változik a terhelés hatására PTE PMMK MIT 16

17 Erőmérés alapelvek PTE PMMK MIT 17

18 Erőmérés alapelvek Az ellenállás-változás főként a geometriai összetevőtől függ! R vezeték ellenállása ε nyúlás k bélyeg érzékenységi faktora PTE PMMK MIT 18

19 Erő mérése Dupla mérlegkaros Cilinder F erő PTE PMMK MIT 19

20 Erő mérése Diafragma F erő PTE PMMK MIT 20

21 Sajátfrekvencia - rezgéstípusok Rezgéstípusok: Szabad rezgés alakul ki, ha egy mechanikai rendszert kezdeti állapotba húzzuk fel, majd engedjük, hogy szabadon rezegjen. Ennek példája lehet az, ha egy gyereket meglendítünk a hintán, majd magára hagyjuk, vagy megütünk egy hangvillát és hagyjuk zengeni. A mechanikai rendszer ekkor rezgéseket fog végezni egy vagy több sajátfrekvenciájával, majd a rezgés csillapodik és megáll PTE PMMK MIT 21

22 Sajátfrekvencia - rezgéstípusok Gerjesztett rezgés során a mechanikai rendszerre alternáló erő vagy mozgás hat. Példa erre egy rosszul kiegyensúlyozott mosógép rázkódása, a közlekedés okozta rezgés (melyet elhaladó teherautó okoz) vagy egy épület rezgése földrengés folyamán. A gerjesztett rezgés során a rezgés frekvenciája a gerjesztés frekvenciájától függ, de erőssége szoros összefüggésben van a mechanikai rendszer jellemzőivel PTE PMMK MIT 22

23 Rezgésvizsgálat A rezgésvizsgálat alapjait egy egyszerű tömeg-rugó modell, úgynevezett egytömegű lengőrendszer viselkedésén lehet megérteni. Valóban, egy olyan összetett szerkezet viselkedését, mint amilyen egy gépkocsi, egyszerű tömeg-rugó-csillapítás modellek összerakásával lehet modellezni PTE PMMK MIT 23

24 Csillapítatlan szabad rezgés Először egyszerűsége miatt vizsgáljuk meg az egy tömeg egy rugó rendszert abban az esetben, ha minden csillapítást elhanyagolunk és nincs külső erő, amely hatna a rendszerre (vagyis a rendszer szabad rezgést végez). A tömegre ható rugóerő arányos az x kitéréssel (feltételezzük, hogy nyugalmi állapotban a rugót a tömeg súlya már előfeszítette). Az arányossági együttható, k a rugómerevség, egysége erő/elmozdulás (N/m): F s = -kx PTE PMMK MIT 24

25 Csillapítatlan szabad rezgés mérése PTE PMMK MIT 25

26 Impulzus erő mérése PTE PMMK MIT 26

27 Impulzus erő mérése PTE PMMK MIT 27

28 Mérőkábelek hatása a mérésre PTE PMMK MIT 28

29 Wheatstone hídmérés jellemzői Hőmérséklet függés PTE PMMK MIT 29

30 Mérőkábel befolyása a hídmérésre PÉLDA réz kábel, 50m hosszú, 0.14mm 2 átmérő Az kábel ellenállása kalibrált Az ellenállás változása 47 mω/k így 20 K hőmérsékleten 0.94Ω Az U b =5V feszültéség V-ra változik A relatív hiba h=0.28% PTE PMMK MIT 30

31 Mérőkábel befolyása a hídmérésre PTE PMMK MIT 31

32 Hőmérsékletkompenzáció PTE PMMK MIT 32

33 Hőmérsékletkompenzáció Fontos! : a mérési alkalmazásra a hőmérséklet függés nem szabad, hogy hatással legyen! Feltételezzük (biztosítjuk) : homogén hőmérséklet eloszlás + konstans hőmérséklet (pl. klíma) PTE PMMK MIT 33

34 Hőmérsékletkompenzáció Csavarodás mérése (SG teljes híd) A mért nyúlások lineárisak a csavarodással PTE PMMK MIT 34

35 Hőmérsékletkompenzáció A bélyegek (SG) hőmérséklet függőek PTE PMMK MIT 35

36 Hőmérsékletkompenzáció nyúlás hőmérséklet függő megnyúlás mechanikai megnyúlás hőmérséklet PTE PMMK MIT 36

37 Hőmérsékletkompenzáció PTE PMMK MIT 37

38 Hőmérsékletkompenzáció ½ híd: a hőmérséklet függés csak számítható, nem mérhető ¼ híd: hőmérséklet kompenzálható, HA: két u.o. bélyeg van mindkettőn u.a. a hőmérséklet teljes híd: kompenzálható PTE PMMK MIT 38

39 PTE PMMK MIT 39

40 Anyagok hőmérséklet függése (α) vasacél: α= /K alumínium: α= /K ausztenites acél α= /K kvarc: α= /K titán: α= /K műanyag: α= /K molibdén: α= /K PTE PMMK MIT 40

41 Nyúlásmérő bélyeg csatlakoztatása ¼ hídhoz PTE PMMK MIT 41

42 Nyúlásmérő bélyeg csatlakoztatása ¼ hídhoz Két eres negyedhíd bekötésének előnyei: egyszerű kis költség PTE PMMK MIT 42

43 Nyúlásmérő bélyeg csatlakoztatása ¼ hídhoz Példa1: mérőkábel ellenállásának hatása SG, két eres ¼ híd, R=0.216Ω 10m vezeték R = 120Ω,k=2.03 zero offset, 10m kábel esetén PTE PMMK MIT 43

44 Nyúlásmérő bélyeg csatlakoztatása ¼ hídhoz Példa2: hőmérséklet függés SG, két eres ¼ híd,hőm. vált = 10K erenként 0.5Ω ellenállás hőm. együttható(α)=0.0039k -1 10K hőm. növekedés esetén a látszólagos nyúlás értéke PTE PMMK MIT 44

45 Mérésadatgyűjtés, A/D konverter, felbontás PTE PMMK MIT 45

46 Digitalizálás PTE PMMK MIT 46

47 A/D átalakítás folyamata jelátalakító erősítő A/D átalakító megjelenítés, PC PTE PMMK MIT 47

48 A/D átalakítás folyamata jelátalakító erősítő A/D átalakító megjelenítés, PC PTE PMMK MIT 48

49 Méréshatár PTE PMMK MIT 49

50 Felbontás TESZTMÉRÉS ELŐTT TESZTMÉRÉS UTÁN Spider8 16 bit = digit-> ± digit+túlcsorduális tartomány (overflow) méréshatár = ± 10 V Ue = 10/25000 = 400 µv Spider8 16 bit = digit-> ± digit+túlcsorduális tartomány (overflow) méréshatár = ± 7.5 mv Ue = 7.5/25000 = 300 ηv PTE PMMK MIT 50

51 Spider-8, Spider PTE PMMK MIT 51

52 Mit az a Spider 8 (Spider 8-30) A Spider 8 egy elektromos mérőrendszer PCk számára kifejlesztve, olyan jelek mérésére mint nyúlás, erő, nyomás, gyorsulás, hőmérséklet. Magába foglalja az erősítő, A/D, PC interface, csatlakozó egységeket. Nyomtató porton keresztül kommunikál PTE PMMK MIT 52

53 Spider 8 tulajdonságai Spider 8: 4 digitális erősítő 4.8 khz vívőfrekvenciával, passzív belső bélyegekkel (félhíd mérése) Spider 8-30 : 4 digitális erősítő 600 Hz vívőfrekvenciával, passzív belső bélyegekkel (félhíd mérése) Minden csatorna külön A/D konvertert tartalmaz Minden csatorna A/D konvertere szinkronizált PTE PMMK MIT 53

54 Spider 8 tulajdonságai Az első két csatorna impulzusszámlálóként is funkcionál mérhető jelek: Hőmérséklet (ellen-álláshőmérő J,K,T,S, Pt100/Pt1000) feszültség 10V-ig áramjel 200 ma-ig ellenállás 4000Ω -ig PTE PMMK MIT 54

55 Spider 8 adatlap Tulajdonságok: folyamatos adatgyűjtés nagy mintavételezési frekvencia, 16 bites felbontás digitális szűrés kalibrált bemenetek könnyű használat 64 csatorna maximum (kaszkád) hőmérséklet kompenzáció (Spider 8-30) PTE PMMK MIT 55

56 Spider-8 diagram PTE PMMK MIT 56

57 Spider specifikációk PTE PMMK MIT 57

58 Spider specifikációk PTE PMMK MIT 58

59 Spider 8 Wheatstone híd csatlakoztatás teljes híd csatlakoztatása 4 külső bélyeggel tápfeszültség szükséges PTE PMMK MIT 59

60 Spider 8 Wheatstone félhíd csatlakoztatás teljes híd csatlakoztatása 2 külső bélyeggel tápfeszültség szükséges PTE PMMK MIT 60

61 Spider 8 hőmérséklet kompenzálása (külső) PTE PMMK MIT 61

62 Spider 8-30 hőmérséklet kompenzálása (belső) PTE PMMK MIT 62

63 Ellenálláshőmérő csatlakoztatása PTE PMMK MIT 63

64 Spider csatlakoztatása PC-hez PTE PMMK MIT 64

65 Spieder kaszkád kapcsolása PTE PMMK MIT 65

66 Spider szofvere PTE PMMK MIT 66

67 Spider-8 gyakorlat PTE PMMK MIT 67

68 Spider-8 gyakorlat PTE PMMK MIT 68

69 Mérés folyamata és a mért adatok feldolgozása Mérés előkészítése - Felbélyegzés - Terhelés (mechanikai rezgő rendszer sajátfrekvenciája geometria- és terhelésfüggő) - Nyugalmi állapot biztosítása a nullponti helyzet tárázásához -Gerjesztőjel generálása PTE PMMK MIT 69

70 Mérés folyamata és a mért adatok feldolgozása Mérőrendszer beállítása -mérőeszköz típusa - és a csatlakozás (interfész) megadása - I/O csatornák definiálása - érzékelő karakterisztika kiválasztása - távadó szűrőbeállítása, tárázás PTE PMMK MIT 70

71 Mérés folyamata és a mért adatok feldolgozása Mérés futtatása, adatrögzítés - mintaszám vagy időtartam (adat puffer mérete!) - mintavételi frekvencia - megjelenítés grafikonja (pl: y(t) diagram) - mentés (csatornák, formátum pl: ASCII állomány TAB szeparátorkarakterrel) PTE PMMK MIT 71

72 Mérés folyamata és a mért adatok feldolgozása Mérési adatok feldolgozása - ábrázolás, számítások, frekvenciatartomány energiaspektruma PTE PMMK MIT 72