Automationsteknik Laboration Givarteknik 1(6)

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Automationsteknik Laboration Givarteknik 1(6)"

Axel Vikström
för 5 år sedan
Visningar:

1 Automationsteknik Laboration Givarteknik () Laboration Givarteknik I denna laboration ska trådtöjningsgivare i bryggkoppling och med tillhörande förstärkare studeras. Vidare ska ett termoelement undersökas. Mätning av kraft och moment För att mäta kraft och moment kan trådtöjningsgivare användas. Dessa består av en ledande tråd som vid tryck eller drag ändrar tvärsnittsarea. När arean ändras kommer även resistansen i tråden att ändras. Om trådtöjningsgivaren monteras på en balk kan draget och böjmomentet i balken mätas. Ett problem är dock att denna konstruktion är mycket temperaturkänslig. Om trådtöjningsgivaren inte har samma längdutvidgningskoefficient som balken den är monterad på kommer man att uppmäta en resistansförändring när temperaturen ändras. För att undvika inverkan av temperaturförändringar kan flera givare användas. Dessa kopplas då i en brygga så att båda påverkas lika mycket när temperaturen varierar och därmed tar givarnas temperaturberoende ut varande. Om fyra givare placeras som visas i Figur och kopplas i brygga enligt Figur slipper man även inverkan av kraften F i balkens längdriktning och mäter således bara böjmomentet M b. Figur Två trådtöjningsgivare på ovansidan och två på undersidan av en balk.

2 Automationsteknik Laboration Givarteknik () Figur Bryggkoppling. Utspänningen från bryggan i Figur kommer att variera med resistansändringen men även med en ändring i matningsspänningen. Detta gör att en stabil matningsspänning är nödvändig för att få ett noggrant mätresultat. I detta fall används en stabil referensspänning på 5,0V för att mata bryggan. Antag att alla givarna har viloresistansen R 0 och att deras reistansändringen är ΔR. Hur beror bryggans utsignal av ΔR? Precis som i många andra mätsituationer finns det här två problem att ta hänsyn till när det gäller att anpassa givarna för att kunna använda signalen.. Signalen är mycket liten och kan inte mätas med ett enkelt standardinstrument.. Signalen måste mätas differentiellt och har en offset relativt jordpotential. Instrumentförstärkare Båda de ovan nämnda problem skall nu lösa med en så kallad instrumentförstärkare. Förstärkaren som används i detta fall har beteckningen AD0. Denna förstärkartyp byggs upp av tre op-förstärkare enligt figuren nere till vänster på databladets första sida. Instrumentförstärkaren kan sägas vara en betydligt förbättrad variant av differentialförstärkaren men uppgiften de löser är i princip densamma. Skillnaden i potential (spänningen) mellan ingångarna förstärks och resultatet påverkas mycket lite av potentialens absolutnivå. Studera kopplingsschemat i bilaga som beskriver kopplingen för det förstärkarkort som skall användas för mätningarna. Komponentplacering och bild återfinns i Figur. Studera även databladet för AD0 och besvara följande frågor: Vilken förstärkning har AD0-kretsen på förstärkarkortet? (Bortse från Coch C.) Vilken funktion har pinne nr 5 (ref) på AD0-kretsen? Hur mycket förstärker det efterföljande OP77-steget som mest/minst? (Räkna med extremlägena på R-potentiometern.) Vad blir totalförstärkningen för förstärkarkortet max/min?

3 Automationsteknik Laboration Givarteknik () Figur Komponentplaceringsskiss och foto av förstärkarkortet. Justering av förstärkaren För att trimma förstärkarkortet behöver man kunna hantera mycket låga spänningar på ingången. Med vanliga standardinstrument blir ofta mätningen ett problem eftersom instrumenten har mycket dålig upplösning/noggrannhet i dessa områden. Detta kan ofta lösas med en spänningsdelare eftersom motstånd kan mätas upp noggrant. Anslut den speciella kabeln som visas i Figur till J. Denna används för att spänningsdela 5 V. Förstärkarens plus- och minusingångar är anslutna till skruvplinten J: och J:. Anslut kopplingssladdar till J: och J:. Offsetjustering Anslut förstärkarens båda ingångar till mittpunkten mellan de två 0 Ω motstånden i spänningsdelaren. Mät spänningen ut från förstärkaren och trimma offseten till noll med hjälp av R7. Förstärkning Beräkna med hjälp av motståndsvärdena i spänningsdelaren vilken spänning som ligger över ett av 0 Ω motstånden. Flytta förstärkarens ena ingångsanslutning så att spänningen över ett 0 Ω motstånd mäts. Detta är nu den differentiella insignalen till förstärkaren. Eftersom insignalen är känd kan en önskad förstärkning nu trimmas in. Mät utsignalen från förstärkaren och justera förstärkningen med R så att den blir 500 gånger.

4 Automationsteknik Laboration Givarteknik () Figur Spänningsdelarkabel för referensspänning. Testa förstärkaren med avsiktlig offsetspänning En differentialförstärkare förstärker inte enbart skillnadsspänningen mellan ingångarna utan även en eventuell common mode spänning på ingångarna, dvs en gemensam offset på de båda ingångarna. Förstärkningen av en common mode spänning ska nu undersökas genom att lägga på en common mode spänning med hjälp av ett extra spänningsaggregat. Koppla in den svarta sladden med banankontakt till J. Denna sladd som nu är ansluten till förstärkarens jord kopplas till det extra spänningsaggregatets minusanslutning, se Figur 5. Koppla in spänningsaggregatet och spänningsdelaren med ficklampsbatteriet i Figur 5. Anslut förstärkarens båda ingångar till anslutningspunkten mellan spänningsaggregatet och batteriet. Se till att spänningsaggregatets utspänning är 0. Mät utsignalen från förstärkaren och studera hur denna påverkas när en offsetspänning läggs på med hjälp av spänningsaggregatet. Prova med offsetspänningarna.5v och 5V. Flytta förstärkarens ena ingång så att spänningen över det nedersta motståndet i Figur 5 mäts. Mät precis som tidigare utsignalen med och utan en offset på ingången. Vad blir förstärkningen av en offsetändring? När förstärkningen ställs in med hjälp av spänningsdelaren i Figur har man en commom mode spänning på.5 V. Varför är detta lämpligt med tanke på bryggkopplingen?

5 Automationsteknik Laboration Givarteknik 5() Figur 5 Koppling för att lägga på en common mode spänning på differentialförstärkarens ingång. Belastning av balken Balken får inte belastas med mer än de tre vikterna. Anslut bryggan till kontakten J. Även om förstärkaren är trimmad och balken är obelastad finns troligen en liten offsetspänning ut från förstärkaren. Detta beror på att vissa mekaniska förspänningar alltid kommer in då trådtöjningsgivare monteras, dvs alla fyra givarna har inte samma resistans. Bortse för tillfället från denna offset. Belasta balken med olika vikter. Gör minst 5 mätningar, varav obelastad balk är en. Rita spänning som funktion av belastning på balken. Vilket samband mellan resistansändring och belastning verkar råda? Offsetjustering av bryggan Det är inte säkert att det går att justera bort bryggans offset helt med hjälp av förstärkares interna offsetjustering. Om bryggkopplingen i sig har en stor offset kan det bli nödvändigt att offsetjustera direkt i själva bryggan. Detta kan ske genom att en potentiometer och ett fast motstånd kopplas in till bryggan enligt Figur. Välj R p 5R och R s 00R där R är resistansen för en enskild trådtöjningsgivare i obelastat tillstånd, i detta fall ca 00 Ω. Använd de 0-varviga potentiometrerna både till R p och R s. Figur Koppling för offsetjustering direkt i bryggan.

6 Automationsteknik Laboration Givarteknik () Gör en ny mätserie när offseten är justerad till 0 och rita spänning som funktion av belastning. Påverkas lineariteten av offsetjusteringen? För en trådtöjningsgivare anges alltid givarfaktorn k som definieras som där R 0 r = kε ΔR Δl r = är den relativa resistansändringen ochε = är den relativa töjningen. l För metalliska givare är k. Hur stor blir den relativa töjningen i balken vid full belastning? Termoelement Ett termoelement av typ K ska undersökas. Eftersom spänningen från termoelementet är väldigt låg används samma förstärkarkort som användes till trådtöjningsgivarna i föregående uppgift. Anslut förstärkarens båda ingångar till jord och justera offseten till noll. Förstärkningen är fortfarande 500. Koppla in termoelementet till förstärkarens ingångar (J: och J:). Spänningen på ingången får inte sväva fritt utan måste vara refererad till jord. Förstärkarens minusingång (J:) anslutes därför även till jord. Värm det varma lödstället genom att hålla det i handen. Avläs spänningen och ta reda på temperaturskillnaden, mellan rum och hand, med hjälp av tabell. Vad händer om det kalla lödstället värms istället?

7 Bilagor Bilaga Ritning mätförstärkare (LCAMP) +5V J: J:5 5 J: J: R k R5 k +5V -5V U AD0 R k TP +5V R k CW U W R 5k CCW LC+ J: COMBIC8X J: J: J: +5V -5V J: J: +5V +V J: U J: J: J: J: DCDC_XISO OP77-5V J: J: J: 00n C VAL C7 D N00 VAL C5 00n C VAL C VINA+ VINB+ 0 5 k8 R8 R 99-5V n C n C TP A B C D Load Cell connector LC- LC- LC+ CW W R7 k CCW OP77 VINA- VINB- VA+ VB+ VA- VB- VA+ VB+ VA- VB- R9 R0 R R 0k k Reference voltage (+5V & -5V) generation +5V R +5V 0k U +5V VIN VOUT TEMP TRIM REF0AP R 0k R5 k99-5v U5 Printed: Fri Nov 00 0:0:5-5V A B C D Title Size A Date Filename Number Drawn by GL LCAMP.S0 Sheet of Rev A

Relevanta dokument

Figur 1 Konstant ström genom givaren R t.

Figur 1 Konstant ström genom givaren R t. Automationsteknik Övning givaranpassning () Givaranpassning Givare baseras ofta på att ett materials elektriska egenskaper förändras när en viss fysikalisk storhet förändras. Ett exempel är temperaturmätning