7/23/2019 Tipala_01

1/15

Osnove kapacitivnih in induktivnihtipal

(povzetek gradiva dr. Denisa onlagia FERIMarior!

7/23/2019 Tipala_01

2/15

"#$#%I&I'# &I$#)#

Kapacitivna tipala temeljijo na spremembi kapacitivnosti kondenzatorja. Za ploatikondenzator kjer je relativna dielektrina konstanta , povrino elektrod A in razdaljo medelektrodami d velja izraz:

Dielektrina konstanta praznega prostoraznaa:

0 0,!!"#$ . %0&%$ '(cm.

Kapacitivna tipala temeljijo na spremembi kapacitete z spremembo geometrije )A, d* alispremembi dielektrinosti:

+premembo geometrije )A,d* porabljamo najpogosteje za merjenja premikov in drgi-veliin, ki ji- la-ko pretvorimo v )maj-en* premik )npr. tlakov & pogib membrane primembranski- merilniki- tlaka, mikrooni-*, itd. +premembo r pogosto porabljamo zamerjenja nivoja, vla/nosti, itd.

rednosti kapacitivni- senzorjev so: preprosta izvedba senzorskega elementa, zelo dobriedinamine lastnosti )-iter odziv*, odlino razmerje signal m in s tem zelo visoka loljivost)tdi do nanometersko podroje*, delovanje v zmernem temperatrnem podroj in cenovnaizvedba. +labosti so: obtljivost na nagib, zamik in premaj-ne dimenzije tare.

Kadar porabljamo kapacitivne senzorje za merjenje premikov je konstrkcija senzorja je

odvisna od ciljne aplikacije:

za visoke loljivosti senzor konstriramo tako, da delje vplivna veliina na povrino

elektrod A. za veliko loljivost, konstriramo senzor tako, da vplivamo na razdaljo d.

Kapacitivna merilna tipala )zgoraj je izvedba, spodaj pa pripadajoa karakteristika: 1 2kapacitivnost ali 3" & napetost merilnega mostia4

a* in b* & enostavni in dierencialni kondenzator s premikom plo A )sprememba povrine Aali relativne dielektrine konstante *4 e* & vrtljivi kondenzator z zaskom 5, )sprememba

povrine A*, la-ko izveden tdi kot dierencialni & vrtljivi kondenzator.

7/23/2019 Tipala_01

3/15

6nostavni ploati kondenzatorje najbolj razirjena izvedbakapacitivnega tipala. 7einoma vvlogi detektorjev konnegapolo/aja )od enostavni- izvedbdo dovreni- z nanometerskololjivostjo*. Do spremembekapacitivnost pride zaradispremembe razdalje medploami kondenzatorja.

8biajno je ena izmed plo kondenzatorja kar prevodni merilni objekt )tara*.

8b premik ene izmed plo je relativna nelinearna sprememba kapacitivnosti. 7 maj-nempodroj sprememb la-ko karakteristiko lineariziramo. 8ziroma obravnavamo kot )pribli/no*linearno.

rimer taknega senzorja ka/e slika: Kapacitivni senzor premika )9; instrments*.

7 primer enostavnega kondenzatorja pogosto namesto kapacitivnosti 1 merimo impedancoZ%()j

7/23/2019 Tipala_01

4/15

merimo impedance, saj enaba )>>* predpostavlja idealen ploat kondenzator s-omogenim poljem. 7arovalo je obiajno dodaten obro )kondenzator*, ki obdaja senzorskoploo. 8bro napajamo sin-rono s senzorsko ploo )posebno vezje skrbi, da je potencialvarovala vseskozi enak potencial senzorja* in na ta nain dose/emo, da je polje merilnegakondenzatorja praktino -omogoeno, kar ima za posledico linearizacijo karakteristike 2

7arovalni obro:

6nostaven ploati kondenzator porabljamo pogosto tdi kot detektor konnega polo/aja)konno stikalo*. Znailna praktina izvedba je na sliki >0 in vsebje poleg senzorja tdi vsapotrebna prilagoditvena vezja. ovrstni senzorji so preprosti in ceneni.

Kapacitivno konno stikalo: remer%!mm, ma?. doseg $0mm, napajalna

napetost %0&>07, == iz-od.

7 praksi la-ko dose/e enostavni kondenzator izjemno loljivost )tja do nekaj nm*.

Znailne praktine izvedbe enostavni- kondenzatorjev.

rimeri enostavni- kondenzatorjev z varovanjem pro izvajalca @;8= recision ter

pripadajajoe delavno obmoje in loljivost. Dose/e la-ko loljivost vsega nekaj nm

7/23/2019 Tipala_01

5/15

6nostaven ploati kondenzator porabljamo pogosto tdi kot detektor konnega polo/aja)konno stikalo*. Znailna praktina izvedba je na sliki >0 in vsebje poleg senzorja tdi vsapotrebna prilagoditvena vezja. ovrstni senzorji so preprosti in ceneni.

6nostavni kondenzator je mo/no porabiti tdi za merjenje polo/aja dielektrini- objektov.Dielektrino taro vstavimo v tem primer med senzor in prevodno taro. 7 kolikor se sedajspremeni polo/aj, gostota ali debelina dielektrine tare, se bo to odrazilo na spremembikapacitvnosti

3poraba dielektrine tare

7/23/2019 Tipala_01

6/15

7 primer, kadar nimamo na voljo reerenne prevodne podlage)kovinske tare*, la-ko s pomojo kapacitivni- tipal zaznavamoin merimo prisotnost dielektrine tare tdi tako, da izrabimoo-ije senzorja, kot drgo elektrodo. +ilnice polja se takozakljijo med senzorjem in o-ijem pri tem pa delno prekajo

taro. + spremembo razdalje tare se tako ponovno spremenikapacitivnost merilnega kondenzatorja.

Dierencialni kondenzator ima linearno karakteristiko, kadar gaporabimo v izmeninem mosti. ogosto ga sreamo kot

tipalo v merilni- pretvorniki- za nizke in dierencialne tlake.

Konigracijo z vzdol/nim premikom elektrod najpogostejesrejemo v obliki valjnega kondenzatorja. ri kro/ni- premiki-

porabljamo vrtljive kondenzatorje za merjenja kotov. ri temla-ko ob porabi primerni- oblik vrtljive ploe dose/emopoljbno )linearno ali nelinearno* karakteristiko, ) pri tem je kotzaska*.

loati in valjni kondenzator s spremenljivo viino in polo/ajemdielektrika obravnavamo spremembo kapacitivnosti 1 ploati- in valjni- kondenzatorjev.ovrstne kondenzatorje porabljamo za merjenja nivoja, ki se odrazi kot sprememba viinesnovi ? v kondenzatorj ali za merjenja premikov.

loati )a* in valjni )b* kondenzator s spremenljivo viino dielektrika ?

1elotna kapacitivnost je 1 10 B 1%, pri emer je 10 kapacitivnost dela kondenzatorja, vkaterem se na-aja zrak. Kapacitivnost 1% je kapacitivnost dela kondenzatorja, ki jenapolnjen z merjeno snovjo.

MERI)# 'E*+# # O,O'I MER+E+# IM$ED#%E9eritev impedance je zelo prikladen nain za merjenje kapacitivnosti, zlasti enostavni-

merilni- kondenzatorjev. ri enostavnem merilnem kondenzatorj je kapacitivnost 1 obratno

7/23/2019 Tipala_01

7/15

sorazmerna z razmikom med ploami d, kar pomeni, da je impedanca Z )%(j

7/23/2019 Tipala_01

8/15

neposredno v digitalno obliko na razline naine s pomojo digitalni- tevcev ali pa vanalogno obliko s pomojo (3 pretvornikov.

Za meritve kapacitivnosti pogosto porabljamo tdi razline monostabilne mltivibratorje.Eirina iz-odnega plza je tako doloena z 1 konstanto )1 je merjena kapacitivnost*. Fe

monostabilni mltivbrator pro/imo s konstantno rekvenco, dobimo tako plznoirinskomodliran iz-od )G9*, ki ga la-ko prevedemo v analogni signal )potrebno je dodati lenizkopasovni ilter* ali pa v digitalno obliko )porabimo digitalne tevce z strezno logiko*

7/23/2019 Tipala_01

9/15

INDUKTIVNA TIPALA

;ndktivna tipala temeljijo na spremembi indktivnosti s spremembo: preseka A, dol/ine

magnetnega kroga ali relativne permeabilnosti )na primer pri tipali- sile*. ;ndktivna tipala sozelo razirjena v indstrijski praksi, saj imajo vrsto dobri- lastnosti: ponjajo irokotemperatrno obmoje delovanja, temperatrni vpliv je obiajno maj-en, dosegajo dobrololjivost in tonost, so cenovno godni elementi, itd.

8d slabosti navedimo relativno velike dimenzije, povratne vplive, potrebo po izmenini-napajalni- napetosti- ali tokovi- in v mnogi- primeri- dalje odzivne ase )odvisno doizvedbe*.

reprosta merilna dilka: s spremembo dol/inezrane re/e l0se spremeni indktivnost dilke.

ri spremembi zrane re/e za H Il0 dobimospremembo indktivnosti. 8dvisnost je -iperbolina@ J %(l0. Za maj-ne premike Il0la-ko predpostavimolinearno obmoje delovanja.

Znailna indktivnost preprosti- merilni- dilk jemed " in 0," mC. 3porabljamo ji- kot brezstinatipala premikov )poti*.

reprosto dilko porabljamo tdi kot indikator

konnega polo/aja )konno stikalo*.

9erilno dilko la-ko izvedemo tdi v obliki zvzdol/nim jedrom. Karakteristika takne dilke jeskoraj linearna. 9erilna dilka z vzdol/nim jedrom:

Dierencialne dilke ve/emo v mostina vezja. Kadar se jedro na-aja v sredinempolo/aj, je indktivnost obe- jeder tljavic enaka, zato je diagonalno napetost 3" 0. ripremik jedra v smeri osi pride do poritve simetrije, zato pride do spremembe napetosti

3".

7/23/2019 Tipala_01

10/15

Dierencialno dilko s prenim jedrom ka/e slika a, dilko z vzdol/nim )vlenim* jedrom paslika b.

ri dierencialni tljavici z vzdol/nim jedrom dose/e napetost s premikom neko maksimalnovrednost, pri nadaljnjem poteg jedra pa napetost pada in spet dose/e vrednost ni. 7porabnem podroj imamo opravka s pribli/no linearnim potekom karakteristike 3" )s*.

Dierencialne dilke s prenim jedrom so obiajno zgrajene za manje premike. =azivnaobmoja dierencialni- dilk s prenim so obiajno v velikostnem razred a=$0m & % mm.

Dierencialne dilke z vzdol/nim jedrom so obiajno zgrajene za merjenja veji- premikov.=azivno delovno obmoje je obiajno med a= )% & "00*mm.

Dierencialne tljavice porabljamo kot merilna tipala premikov. Dierencialne tljavice zkrivljenim jedrom pa porabljamo kot tipala kro/ni- premikov za nazivne kote do a=L M00.

ransormatorska merilna metoda & @inearni

dierencialni transormator ali @D7 )@ineardierential variable transormer* 8snovnoizvedbo ka/e slika:

rimarno navitje napajamo z napajalnonapetostjo z nosilno rekvenco 3%. 7 vsakitljavici se indcira napetost, amplitdanapetosti pa je odvisna od polo/aja jedra.ljavici pove/emo tako, da se indciraniizmenini napetosti 3N$ 3NN$ in odtejeta.;z-odna napetost transormatorja je zato ni,kadar je jedro v sredini, ob premik jedra iz

7/23/2019 Tipala_01

11/15

sredia pa se na iz-od pojavi napetost, ki je sorazmerna z odmikom. +mer premika )levoali desno* la-ko doloimo iz azne razlike med vzbjalnim in merilnim signalom, oziroma sposebnim demodlacijskim vezjem, kot ga ka/e slika:

rimarna in sekndarna navitja tljavic so la-ko postavljena enozraven drgega ali navita eno preko drgega in ji- la-ko v vezjzamenjamo. 8b primernem dimenzioniranj jedra in primarne

indktivnosti imajo dierencialni transormatorji zanemarljivomaj-ne povratne vplive na premino /elezno jedro. Kot tipalapremikov ji- la-ko porabljamo z relativno enostavnimiprilagoditvenimi vezji. Dierencialni transormatorji so porabnitdi za merjenja kotov zaskov.

,I-ROI +#')+#)I"+in-roni javljalnik zaska )+Onc-ro* je rotacijski sistem. @a-ko ga opazjemo tdi kot vrtljivatransormatorja z vrtljivim rotorjem, na katerem se na-aja enoazno navitje, ter najpogosteje

tremi navitji na statorj.

7/23/2019 Tipala_01

12/15

+in-roni javljalnik kot indktivni daljinski dajalnik: 8 & oddajnik )generator* + & sprejemnik)motor* 3= & napajalna napetost, 50, 5+& kota zaska rotorja

Z vzbjalno napetostjo 3= )$# ... "0* 7 in rekvenco = )"0 ... #00* Cz napajamo prekodrsni- obroev rotorska navitja oddajnika 8 in elektrino enakega sprejemnika +. 7zbjalnanapetost po/ene v rotorski- navitji- sinsna vzbjalna toka ;=, ki stvarita izmeninomagnetno polje v statorji-. 7 statorski- navitji- se tako indcirajo sinsne napetosti.Amplitda te- napetosti je odvisna od polo/aja rotorja, oziroma od sin njegovega kotazaska.

ri enaki- rotorski- koti- )50 5+* na oddajnik 8 in sprejemnik + imamo opravka zravnote/nim stanjem statorski- napetosti, saj so napetosti, ki se indcirajo v obe- statorji-

povsem enake. ri zask oddajnega rotorja se ravnovesje podre in skozi rotorska navitjasteejo izravnalni tokovi. o povzroi premik rotorja sprejemnika, tako da se ponovnovzpostavi ravnovesje. otor sprejemnika )ali rotorji sprejemnika, kateri- je la-ko ve* takosledi rotorj oddajnika )princip je zelo podoben sin-ronem triaznem motorj*.

Kotni polo/aj oddajnega rotorja se la-ko spreminja tdi za ve kot >P0Q. Absoltni pogreeksistema je v velikostnem razred 5' H 0,%Q. +in-roni javljalniki imajo obiajno moi )%0 ... "0* G in vrtilni moment 9 )0,0% ... 0,%* =m.

3porabljamo ji- za daljinska merjenja in daljinske prenose kotov zaska 5 L >P0Q, oziromaza pridobivanje vrtilni- momentov ali kot krmilne dajalnike.

Za merjenja z indktivnimi tipali porabljamo izmenino napajalno napetost. 'rekvencanapajalne napetosti je odvisna od izvedbe tipala. ipala z /eleznim jedrom obiajno nedopajo visoki- rekvenc zaradi pojava vrtinni- tokov in s tem povezani- izgb. ;zgbenamre povzroijo, da dobi naa impedanca Z poleg indktivnega znaaja e o-mskokomponento, ta pa je temperatrno in rekvenno odvisna ter povzroa parazitni zamik aze,kar vodi v potrebo po bolj kompleksni- vezji- in kalibraciji.

o drgi strani ni/je napajalne rekvence pomenijo omejitev v odzivni- asi-, saj je pri veinianalogni- indktivni- tipali- inormacija o merjeni veliini sorazmerna z amplitdo elektrini-signalov. Amplitde pa na splono ne moremo zanesljivo doloiti v as, ki je kraji od ene

periode, kar pomeni, da v primer napajanj s "0 Cz vzbjalnim signalom ne moremozanesljivo doloiti amplitdi v as, ki je kraji od $0ms. Zato si mnogi proizvajalci trdijo

7/23/2019 Tipala_01

13/15

izdelati takna tipala )poraba eritni- jeder*, ki dopajo porabo im viji- rekvenc obminimalnem pojav izgb. Znailna rekvenca za indktivna tipala je tako med "0 Cz innekaj %0KCz.

E)E"&RODI#MI# &I$#)#

ri aktivni- elektro&dinamini- tipali- izrabljamo indkcijski zakon. 7 primer, da se gibljevodnik z dol/ino l v magnetnem polj z gostoto R in s -itrostjo v, se na sponka- vodnikaindcira napetost :

l R v.

7 primer, da se na-aja navitje v asovno spremenljivem magnetnem polj R, se v zankiindcira napetost , ki je doloena z :

= dS ( dt

ri tem je S magnetni pretok )SR A4 A presek zanke*.

7 primer, da so veliine =, l in R konstantne, je povezava med napetostjo in -itrostjo v pritranslatornem )dol/inskem*, ter med napetostjo in kotno -itrostjo < pri rotacijskem gibanjlinearna. ;ndkcija je zato zelo primeren princip za merjenje -itrosti )translatorni- in kro/ni-

premikov* ter izdelavo pospekometrov in vibrometrov.rincip izvedbe elektrodinaminega )generatorskega* merilnega tipala za merjenjetranslatorne -itrosti v pri dol/inskem gibanj je zelo enostavno. Citrost premikanja jeproporcionalna z indcirano napetostjo J v.

6lektrodinamino merilno tipalo: a* s premino tljavico +b4 b* s preminim trajnimmagnetom 9b

Tenerator izmenine napetosti sestavlja senzorsko navitje navito na statorj, rotirajoaploa z trajnimi magneti )brez drsni- obroev*. =apetostna karakteristika )

7/23/2019 Tipala_01

14/15

6lektrini generator za meritve tevila vrtljajev n, oziroma kotne -itrosti !b*dajejo napetosti s polariteto, ki je odvisna od smeri vrtenja. 3nipolarni generatorji dajejo

teoretino idealno enosmerno napetost, vendar le nekaj m7. 6nosmerne generatorjeporabljamo v merilni- in krmilni- naprava- kot tipala vrtilne -itrosti.

,E*OR+I # O,O'I -#))O'E/# $O+#'#Callov pojav omogoa merjenje in zaznavanje magnetnega polja.

'izikalni pojav je odkril leta %!UM 6. C. Call. ojav temelji na vpliv med gibljivimi nosilcinaboja v prevodnik in znanjim magnetnim poljem. 7 primer kovin so nosilci elektroni.Kadar se elektron giblje skozi magnetno polje, nanj delje sila, ki je pravokotna na smerpolja.

Callov pojav razlo/imo na slede nain:

8glejmo is tanko kovinsko ploo kvadratne oblike, ki se na-aja v magnetnem polj R, takoda so silnice polja pravokotne na ploo. loa naj ima tiri kontakte, na vsakem rob poenega. =a kontakta, ki se na-ajata na o/jem rob kvadra, priklopimo napajalno napetosttako, da skozi ploi stee konstanten tok ;. =a elektrone, ki se gibljejo vzdol/ ploe, delje

zaradi znanjega polja sila '. o povzroi premik elektronov protidesnem rob ploe, zato postane desna stran ploe bolj

negativna kakor leva stran. 9agnetno polje in tok skozi plootako povzroi elektrini potencial na robovi- ploe. ;menjmo gatransverzalni CalloV potencial 7C ali kar Callova napetost.redznak in velikost potenciala sta odvisna od obe- veliin, takotoka, kakor tdi od magnetnega polja.

7 splonem so la-ko nosilci naboja tdi pozitivni )npr. vrzeli vpolprevodniki-*. 7 taknem primer zavzame iz-odna napetostnasproten predznak.

7/23/2019 Tipala_01

15/15

Callov senzor ima obiajno tiri prikljke. rikljka, preko kateri- vsilimo pogonski tok,imenjemo nadzorna prikljka, pornost med njima pa imenjemo nadzorna pornost i.rikljka na kateri- merimo Callovo napetost imenjemo dierencialna iz-odna prikljka,pornost med tema prikljkoma pa imenjemo dierencialna iz-odna pornost.=adomestno vezje je podano na sliki. Znailne vrednosti za obe pornosti so med % in %0

KW. CalloVe elemente izdeljemo obiajno iz polprevodniki- materialov )+i, T6, TaAs,itd.*.

=adomestno vezje Callovega elementa

Callove senzorje sreamo v razlini- izvedba-.ogosto so integrirani skpaj z ojaevalnikom,kar poenostavi nji-ovo porabo. +reamo ji-bodisi kot linearne oziroma zvezne senzorje alipa kot stikala in so namenjeni za zaznavanjeprisotnosti oziroma odsotnosti magnetnega polja.

@inearne senzorje sreamo npr. v merilniki- pomika, stikala pa kot dajalnike konne pozicije,merilnike tevila vrtljajev itd.