Nyitott mágneskörű induktív jelátalakítók

Átírás

1 Nyitott mágneskörű induktív jeátaakítók Eméeti aapok Az induktív jeátaakítók a mérendő mennyiséget emozduás induktivitás (), ietve köcsönös induktivitás vátozássá aakítják át. Emozduás Jeátaakító Induktivitás vátozás G.6.1. ábra Nyitott mágneskörű induktív jeátaakító be/kimeneti modeje Az induktivitás kiszámítása a mágneses Ohm-törvény aapján a következő: beheyettesítve: Θ = N I, Ψ I Φ = N =, N NI = R = N m I N Λ aho N a tekercs menetszáma Λ = 1/ R m a mágneses vezetőképesség. A mágneses vezetőképesség áandó keresztmetszetű homogén mágneses tér esetén: aho µ 0 A Λ = µ, = µ µ a mágneses permeabiitás, r 7 Vs µ 0 = 4π 10 a vákuum mágneses permeabiitása, Am A : a mágneses vezető keresztmetszete, : a mágneses vezető hossza.

2 Az induktivitás így: A = N µ. Az induktivitás a fenti képet aapján vátozik ha: 1. N menetszám vátozik,. Az A keresztmetszet vagy a mágneses vezető hossza vátozik (geometria), 3. µ permeabiitás vátozik. Geometriai tényező vátozásán aapuó induktív átaakítók ehetnek: 1. nyitott mágneskörű,. zárt mágneskörű. Ha az induktív átaakító mágneskörének erővonaai főként, vagy tejes egészében vasmagban haadnak, akkor zárt mágneskörű induktív átaakítóró beszéünk. Ha az induktív átaakító mágneses körének erővonaai főként, vagy tejes egészében a evegőben haadnak, akkor nyitott mágneskörű induktív átaakítóró beszéünk. A mérés során a nyitott mágneskörű mérőátaakítókka fogakozunk. A vasmagos nyitott mágneskörű egyszerű átaakító a G.6.. ábrán átható. x G.6.. ábra A nyitott mágneskörű induktív jeátaakító szerkezeti vázata A mérőátaakító egyszerű tekercs, ameyben vasmag mozdu e. A tekercs induktivitása a vasmag heyzetének függvénye. A jeegzetes görbeaakot a G ábrán áthatjuk. A görbeaak a következő képette közeíthető (tapasztaati formua, azaz nem evezetés eredménye): x k ( x) = ( max 0 ) e + 0, (G.6.1) aho x : a tekercs és a vasmag középpontjainak távosága, : a tekercs hossza (a vasmag a tekerccse azonos hosszúságú),

3 0 : a égmagos tekercs induktivitása, max : a tekercs maximáis induktivitása, k : az átaakítóra jeemző áandó. Az átaakítóra jeemző ismeretenek száma három:, és, így minimáisan három k 0 mérési pont fevétee szükséges ahhoz, hogy a fenti közeítő képetet feírhassuk. Az a tény, hogy 0 égmagos tekercs statikus karakterisztikája a görbe infexióva (x) rendekezik, ehetővé 18 max teszi, hogy bizonyos 16 tartományon beü keő inearitású mérést 14 vaósítsunk meg. A G.6.4. ábrán egy 1 nyitott mágneskörű 10 küönbségi átaakítót átunk. 8 A G.6.5. ábrán átható a G.6.4. átaakító es és -es tekercs 0 induktivitásának vátozása, a vasmag kö x mm zéppontjának emozduása függvényében. G.6.3. ábra A két tekercs közös A nyitott mágneskörű induktív jeátaakító vasmagja miatt a tekercsek egy tekercsének statikus jeeggörbéje között kö- csönös induktivitás is van és ez befoyásoja a karakterisztikát. Ennek x ismeretében a tekercsek impedanciájára írható: (x) mh max ( M ) ( M ) Z 1 jω + = 1 Z jω +. = 1 G.6.4. ábra Összetett, nyitott mágneskörű induktív jeátaakító szerkezeti vázata a tápfeszütség és, Z a tekercsek impedanciája. Z1 Ha a küönbségi átaakítót két azonos nagyságú impedanciáva hídba kapcsojuk, akkor a híd üresjárási (a terheő impedancia végteen értékéné) kimeneti feszütsége a (G.6.) összefüggés szerint vátozik, aho U

4 U ki Z 1 1 U Z 1 Z = U =. (G.6.) Z 1 + Z Z 1 + Z (x) M 0 (x) mh 10 0 M x X mm G.6. 5.ábra Beheyettesítve a kimeneti feszütség összefüggésébe és egyszerűsítve: U ki U 1 =. (G.6.3) + + M 1 A nevező köze áandó, ezért a kimeneti feszütség heyzetfüggését az 1 görbe adja. A negatív irány - vátakozó feszütségű tápáás miatt fázisfordítást jeent. Az ábrán átható, hogy a kéttekercses átaakító ineáris tartománya ényegesen nagyobb. A G.6.6. ábrán hídkapcsoás átható, aho U ki = U. Z 1 Z 3 Z 1 + Z Z 3 + Z 4 Z1 Z U ki Z 3 Z 4 U G.6.6. ábra Négytekercses, nyitott mágneskörű induktív jeátaakító hídba kapcsova Ha δ =, híd kimeneti feszütségének egyenetébő evezethető a következő öszszefüggés: = δ. A aboratóriumi U ki U gyakorat során tehát a négytekercses szerkezetű induktív jeátaakítót ke hasznánunk, hogy az összes inearizáó kapcsoást (híd, differenciá transzformátor) vizsgáni tudjuk. Ennek a mérőátaakítónak a szerkezeti feépítését a G.6.7. jeű ábra szeméteti. Fontos fehívnunk a figyemet arra, hogy a tekercseé-

5 i ( ) G.6.7. ábra Négy tekerccse feépüő jeátaakító szerkezete G.6.8. ábra Öninduktivitás és kapacitás mérőműszer 7. méréshatár vátó sek iránya a inearizáó kapcsoásokná miyen fontos szerepet játszik. A gyakoraton a négy tekercs x ( öninduktivitási tényező, x tekercs vasmagjának emozduása) statikus karakterisztikáját egyenként, egy öninduktivitás-mérő műszerre fogjuk fevenni, ameynek az eőapi feépítését és főbb kezeő szerveit a G.6.8. ábrán mutatjuk be. Az ábrán évő számozott téteek a következők: 1. háózati kapcsoó,. az impedancia mérőbokk csatakozó kábeei, 3. mérés indítógomb nem foyamatos üzemmódban, 4. üzemmód (foyamatos, egyenkénti) kapcsoó, 5. mérendő impedancia (induktivitás, kapacitás) kiváasztó, 6. az impedancia járuékos jeemzőinek (G, R, tg δ ) kiváasztó kapcsoója, A fent eírt műszer segítségéve az eméeti részben tárgyat, harang jeeggörbe fevéteét tudjuk evégezni. Ez akkor esz pontos, ha a vasmag emozduását egy miiméterné kisebbre váasztjuk. A nyitott mágneskörű, induktív jeátaakító vizsgáatát továbbiakban küönböző inearizáó kapcsoásokban a SCOPE oszcioszkóp emuációs program segítségéve végezzük e. Ez utóbbi programró részetesen is beszéünk a következőkben. A SCOPE program működése és akamazása A PC-SCOPE szoftver nem más, mint egy oszcioszkóp emuáció. A tervezése úgy történt, hogy képes egyen vaamennyi PCXXX típusú adatgyűjtőve együttműködni. Azon tú, hogy a szeméyi számítógépet képes egy egyszerű oszcioszkóppá aakítani, többet szogátatásokra is képes: az oszcioszkóp képernyőjén megjeenő adatok etároása fájban, az etárot adatok újra megjeenítése, az etárot adatok konvertáása ASCII vaós vagy egész formátumban, az etárot adatok átviteének ehetősége MATAB környezetbe. A szoftver átaános jeemzői a következők: többcsatornás oszcioszkóp emuáció, egyszerre több csatornát képes etároni, de maximum csak két kijeöt csatorna jeét tudja megjeeníteni vaós időben, két képernyőn dogozik - konfiguráó kép és vaósidejű oszcioszkóp ernyő,

6 PC-SCOPE Ver 1.1 Hardware Scan Run Fie Base Addr. = (Hex) 0 Channe A = 0 DMA (1/3) = 1 Channe B = 1 INT. ( 7 ) = 3 Scan: 0 V. Range : ± 5 V Card: PC-718 oad Fie = FUN1.DAT Save Fie = TEMP.DAT PC-SCOPE Ver 1.1 Copyright (C) By Advantech Co., td. OPERATION MESSAGE Use or, enter to seect G.6.9. ábra A SCOPE program főmenüje, a hardver konfiguráó menü megnyitásakor Hardware Scan Run Fie Card type Base address DMA Interrupt V. range Channes oad Save Quit G ábra A SCOPE program egördített menüi néhány vaódi oszcioszkóp funkció (küönböző triggereési ejárások). A konfiguráó kép hasznáata A konfiguráó főmenüben a és a kurzor mozgató bientyűkke ehet mozogni (G.6.9. ábra). A főtéteek (Hardware, Scan, Run és a Fie) egördüő menüit úgy ehet megnyitni, hogy az emített kurzor mozgatókka a főtétere áunk és enter-t ütünk. A főtéteek egördüt áapotát - az amenüket - a G ábra szeméteti. A hardver opció a tényeges PCXXX típus (XXX = 711, 718, 818) megadására szogá. A Base address funkcióban az eőzőekben definiát kártya típus hardver címét ke hexadecimáisan megadni vigyázva, hogy ez a hardver cím ne kerüjön más interfész egységge azonos címre. A PC718 és a PC818 típusú adatgyűjtő kártyák DMA csatornákat is fehasznának az Típus Votage Range Unipoáris Bipoáris PC711 ± 5 V PC718, V, 5 V, V, 1V ± (10 V, 5 V,,5 V, 1 V, 0,5 V) G.6.1. tábázat Küönböző típusú adatgyűjtő kártyák ehetséges méréstartományai adatátvite ebonyoításához. A DMA opcióban az egyes vagy a hármas csatorna adható meg vigyázva, hogy ez a megadott DMA csatornát más egység ne hasznája. A PC711 típusú adatgyűjtő kártyán kívü minden más típus haszná interrupt szintet. Az Interrupt amenüben megadható a...7 csatornák bármeyike, meyiket más egység nem haszná. A Votage Range opcióban az egyes adatgyűjtő moduokra jeemző bemenő jetartomány adható meg, ameyet a G.6.1. tábázat szemétet. A Scan menüben ke megadni, hogy mey induó anaóg csatornátó (start channe) ke a mérést ekezdeni s meyik számú csatornáná ke a etapogatást befejezni (stop channe). A csatornák kijeöését befoyásoja, hogy aszimmetrikus vagy szimmetrikus

7 jebemenet vane konfiguráva. Adatgyűjtő típusa Jeforrás Csatorna tartomány PC718 aszimmetrikus 0-15 A ehetséges PC818 aszimmetrikus 0-15 eseteket a PC718 szimmetrikus 0-7 G.6.. tábázat PC818 szimmetrikus 0-7 szeméteti. A PC711 aszimmetrikus 0-7 Run főtéte teszi ehetővé, G.6.. tábázat hogy beépjünk A bemenő csatornák jeege és darabszáma küönböző adatgyűjtő kártyákná az oszcioszkóp emuációba és ugyanakkor a képernyőn egy hagyományos oszcioszkópéhoz nagyon hasonó kép ép eőtérbe. A Fie menü főtéte feadata a mérési fájok ementése, konvertáása vagy emezrő vaó visszaovasása utóagos anaízis céjábó. A következő afunkciók taáhatók meg benne: oad - egy eőzőeg emezre mentett fáj visszatötése és az oszcioszkóp emuációban vaó újra megjeenítése (d. ott), e funkció azonban csak a fáj kijeöésére szogá, magát a megjeenítést az emuáció végzi, Save - az emuáció aatti mentéskor annak fájnak a kijeöése (megnevezése), ameybe a mérési adatokat menteni kívánjuk, Convert - az eőzőekben ismertetett fájkezeési funkciók (oad, Save) egy speciáis - csak az oszcioszkóp emuáció áta értemezett - adatformátumot haszná s azért, hogy más programok is képesek egyenek fedogozni az adatokat e funkció átkonvertája ASCII egésszé (a fáj kiterjesztése PRN esz) vagy vaóssá (a fáj kiterjesztése RE esz) az amenüben történt kijeöéstő függően (a harmadik konvertáási ehetőséget - bináris egész - nem hasznájuk), Quit - kiépés a DOS operációs rendszerbe. G ábra Oszcioszkóp üzemmód képe Az oszcioszkóp üzemmód A G ábra szeméteti a számítógép képernyőjének feépítését oszcioszkóp üzemmódban. Ez a képernyő feépítésében nagyon hasonó egy hagyományos oszcioszkóp ernyőjéhez és úgy ke hasznánunk, mintha vaóban egy oszcioszkóppa enne dogunk. A és kurzor bientyűkke mozoghatunk a képernyő speciáisan kiaakított asó részének feső sorában, aho az aábbi beáítási ehetőségek adódnak (d. a G.6.1. ábrát). A Time/Div opcióva közvetetten a mintavétei frekvencia áítható be ietve az x tengeyen fevett időépték vátoztatható. A csatornák számáva osztott Time/Div értéket

8 A kártya típusa Aapidő nevezzük aapidőnek. Az aapidő beáítható tartományát PC-711 5,0 ms s és összefüggését a mintavétei PC-718, 818 0,5 ms s frekvenciáva a G.6.3 tábázat G.6.3 tábázat szeméteti. A Dispay funkció azt jezi, hogy hány csatorna jeét rajzotatjuk ki a képernyőre. A váasztási ehetőség a következő: Channe A vagy Channe B ietve mindkettő (Channe A&B). Megegyezés szerint a képernyő feső részén az A csatorna, míg az asó feében a B csatorna mérései jeennek meg. Egy csatorna mérése esetén az egész képernyő feüeten történik a kijeöt csatornaje megjeenítése. A Trigger funkcióban csak akkor történik meg a kijeöt csatornán a mérés, ha a mérendő je fevette a trigger fetéteeknek megfeeő értékeket. Pédáu, ha a trigger poaritás pozitív és a szintje 5 V, akkor csak abban az esetben indu e a kijeöt csatornán a mintavéteezés, amikor a jeszintje meghaadja a + 5 votot. A trigger mező (abak) három részre osztott, ameyben specifikáni ke a trigger jenek tekintett csatornát (pédáu Channe A), a trigger je poaritását (pédáu ) és végü a trigger je szintjét (pédáu 5V). A V. Scae ehetőséget kíná (T)race (G)rid (S)weep H.(C)opy az ordináta- (je-) tengey átskáázására. A beáítható skáa-faktorok: 1,, 5 és 10. G.6.1. ábra A Cursor funkció az x és y tengeyeken évő értékek pontosabb eovasását teszi ehetővé, mive úgy működik, hogy egy az x- (idő-)tengeyre merőeges marker vonaat mozgatva pontos eovasását adja meg - numerikusan - az egyes tengeyek értékének. A marker vonaat két módon ehet mozgatni a képernyőn: Ctr és Ctr bientyű kombinációva foyamatos bara ietve jobbra mozgatást, míg a Page Up és a Page Down ugyaniyen irányba ugrásokka haadást idézhetünk eő. A tengeyeken eovasott numerikus értékek a Time ietve a Cursor mezőben jeennek meg. A következőkben a parancsadó funkciókka és bientyűkke fogakozunk (d. a G.6.1. ábrát). A (T)race funkciót a <T> eütéséve vátoztatjuk meg. Amennyiben a Trace funkció áapota bekapcsot (ine), akkor a jee megjeenítése foytonos, míg (dot) áapotban szaggatott vonaa történik. A (G)rid paranccsa a tengey osztások rácsozatának megjeenítését ehet be (on), ietve ki (off) kapcsoni. A (S)weep paranccsa váaszthatunk a horizontáis etérítés foyamatos (repeat) vagy egyszer (singe) áapota között. A H.(C)opy a képernyőn megjeenő információ mátrix nyomtatóra vaó kiviteét indítja e. A funkció bientyűkke oyan feadatokat végeztethetünk e a SCOPE programma, ameyeket egy anaóg oszcioszkóp már nem enne képes végrehajtani. Ezek a feadatok a fáj kezeéshez kapcsoódnak (d. a G ábrát). A OAD feadatkör az F1 funkció bientyűhöz van rendeve. Ez ehetővé teszi régebben ementett SCOPE fájok újbói megjeenítését.

9 OAD SAVE CEAR CHANNE F1 F F3 F4 G ábra Aapidő Mintavétei frekvencia 100 s 0,5 Hz 50 s 1,0 Hz 0 s,5 Hz 10 s 5,0 Hz 5 s 10,0 Hz s 5,0 Hz 1 s 50,0 Hz 0,5 s 100,0 Hz 0, s 50,0 Hz 0,1 s 500,0 Hz 50 ms 1,0 KHz 0 ms,5 KHz 10 ms 5,0 KHz 5 ms 10,0 KHz ms 5,0 KHz 1 ms 50,0 KHz 0,5 ms 100,0 KHz C1 G.6.4. tábázat U U C3 G ábra Impedancia módszer mérési erende- zése R U 1 C4 C Ennek fetétee, hogy a konfiguráó menü Fie apontjában évő oad opcióban heyes Scope fáj nevet adtunk meg az F1 enyomása eőtt. A SAVE (F) feadat a mért jeek etároására szogá, amennyiben a konfiguráó menü Fie apontjában évő Save opcióban heyes Scope fáj nevet megadtunk az F működtetése eőtt. A Cear (F3) hatására törődik az oszcioszkóp képernyője. A Channe (F4) feadatkörre megvátoztatható a mérő csatorna, ameyet meg kívánunk jeeníteni. Miután megnyomtuk az F4 funkció bientyűt, megadhatjuk annak a csatornának a számát, ameyet megjeeníteni kívánunk. Hasonó szerepe van a szóköz (Space bar) bientyűnek is. Amennyiszer enyomjuk, annyiszor növei meg eggye a megjeenítendő csatorna sorszámát. Amennyiben eértük a Scan opcióban megadott egnagyobb sorszámú csatornát és újbó szóközt ütünk, akkor a egkisebb csatorna sorszámná foytatódik a kijezés. Végü fogajuk össze a G.6.4. tábázatba az aapidőkhöz tartozó mintavétei frekvenciákat. Javasot mérési módszerek és erendezések az induktív jeátaakító vizsgáatához mérésadatgyűjtőve Az öninduktivitási tényezőt a G.6.8. ábrán bemutatott céműszeren kívü ún. impedancia módszer (G ábra) segítségéve is meg tudjuk határozni. E a mérési módszer akamazásának az a fetétee, hogy a mérendő induktivitásnak kicsi egyen az ohmos eenáása. E fetéte tejesüése azt jeenti, hogy a tekercsnek megfeeő a jósági tényezője. A kapcsoásbó átható, hogy mérjük a generátor U és az induktivitáson eső U feszütségek pianatértékét. Az egyszerűség kedvéért és a gyakorati szempontok miatt eha-

10 nyagojuk az induktivitás ohmos részét, mive ez két nagyságrendde kisebb (kb. 8 ohm), mint a referencia eenáás értéke ( R=800 ohm ). Tekintette arra, hogy az emített adatgyűjtők egnagyobb mintavétei frekvenciája 100 khz és két csatornajeet mérünk, cészerű a generátor frekvenciáját 6,5 khz-re váasztani. A generátor ampitúdóját 5 V effektív értékre váasztjuk, ameyet a generátor saját anaóg műszerén áítunk be. Figyemeztetés! A fent eírt kapcsoást és a beáításokat a gyakoratvezetőnek minden körümények között eenőriznie ke és csak az ő jóváhagyásáva kapcsoható a mérőkör az adatgyűjtőre. 1 U1 (C0high) U(C1high) C0,C1ow A C1-C4 pontokat nagysebességű (PC- 818/718 típusú) adatgyűjtőhöz ke csatakoztatni a következőképpen: 3 4 a hangfrekvenciás generátor 5 ohmos kimenetének födpontját (C3) az adatgyűjtő nuás és egyes csatornájának OW pontjára, majd ezt a pontot az induktivitás egyik pontjára (C4) és az Ut adatgyűjtő anaóg födpontjára kötjük, AGND G ábra a hanggenerátor 5 ohmos meegpontját (C1) az adatgyűjtő nuás csatornájának HIGH pontjára kötjük, az induktivitás referencia eenáássa közösített pontját (C) az adatgyűjtő egyes csatornájának HIGH jeű pontjára ke csatakoztatni. Figyemeztetés! U U ki Amennyiben nem a hangfrekvenciás generátor 5 ohmos kimenő pontját hasznájuk a mérőkör tápáására, úgy az adatgyűjtő kártya ( ára kb Ft!!) és a szeméyi számítógép (ára kb Ft) azonna tönkremegy, mive a hangfrekvenciás generátor többi kimeneti pontján több száz vot is megjeenhet! G ábra Differenciá transzformátoros kapcsoás A eírt mérési módszer esetén a meghatározni kívánt öninduktivitási tényező az aábbi függvény szerint vátozik: = f U, U, ω, R, aho x= xm x M ( ) x = jeenti a vasmag egy meghatározott heyzetét, más néven a jeátaakító munkapontját. A G ábra mutatja a négytekercses nyitott mágneskörű, induk-

11 tív jeátaakító hídkapcsoását adatgyűjtőhöz vaó bekötését. Az ábra jeöései megegyeznek az impedancia módszerné tárgyatakka. Ugyanez a mérőátaakító vizsgáható még kihasznáva a tekercsek közötti köcsönös induktivitás hatását is a G ábra szerinti kapcsoásban is.