Εκτύπωση  Αποστολή TΟ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ ΓΙΑ ΤΟ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟ ΤΗΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ
ΤΕΥΧΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΥ
Κυκλοφορεί
ΤΕΥΧΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΥ
Αρχείο περιοδικών
 
 
 Αρχική Σελίδα
 Επικαιρότητα
Τεχνικά Άρθρα
 Γραμμή Παραγωγής
 Θέσεις
 Ατζέντα
 Ταυτότητα
 Χρήσιμα links
 Επικοινωνία
   
Γίνε συνδρομητής!  
 

στο διαδίκτυο
στο site
 
 
 
Τύποι οργάνων μέτρησης στη βιομηχανική παραγωγή
 


ΓΡΑΦΕΙ Ο ΓΙΩΡΓΟΣ ΜΑΛΙΩΤΗΣ

Μπορούμε να χωρίσουμε τους διάφορους τύπους οργάνων σε δύο κατηγορίες. Στην πρώτη ανήκουν τα όργανα που η μετατόπιση του δείκτη τους είναι ευθύγραμμη και η μέτρηση προκύπτει από μια στιγμιαία ισορροπία δυνάμεων και στη δεύτερη ανήκουν τα όργανα, στα οποία η μετατόπιση του δείκτη τους είναι γωνιακή και η μέτρηση προκύπτει από μια στιγμιαία ισορροπία ροπών. Σε όλους τους τύπους οργάνων έχουμε αξιοποίηση των διαφόρων νόμων του ηλεκτρομαγνητισμού ώστε να αποτυπώνεται το προς μέτρηση ηλεκτρικό μέγεθος σε ένα αντίστοιχό του μηχανικό. Για το σχεδιασμό των παραπάνω δύο κατηγοριών οργάνων αξιοποιούνται διαφορετικοί νόμοι του ηλεκτρομαγνητισμού.

Για την πρώτη κατηγορία αξιοποιείται ο νόμος του Biot Savart και για τη δεύτερη κατηγορία ο νόμος του Laplace. Στην πρώτη κατηγορία υπάγονται τα όργανα που αξιοποιούν τη μέθοδο του κινητού σιδήρου και το ηλεκτροστατικό πεδίο διηλεκτρικής μετατόπισης, ενώ στη δεύτερη κατηγορία υπάγονται τα όργανα που αξιοποιούν στρεφόμενο πηνίο ή στρεφόμενο ζεύγος πηνίων εντός μαγνητικού πεδίου ακίνητου μαγνήτη, η στρεφόμενο μεταλλικό στέλεχος (π.χ δίσκο) εντός πεδίου ακίνητων πηνίων(επαγωγικά όργανα).

Είναι χαρακτηριστικό ότι οι διάφοροι τύποι οργάνων έχουν διαφορετικές μεταξύ τους δυνατότητες μέτρησης. Τα όργανα που υπάγονται στην πρώτη κατηγορία μπορούν να μετρούν τάση και ένταση είτε συνεχούς, είτε εναλλασσόμενου ρεύματος. Τα όργανα στρεφόμενου πηνίου (ή ζεύγους διασταυρωνόμενων πηνίων) μπορούν να μετρούν τάση και ένταση συνεχούς ρεύματος, ενώ τα λεγόμενα επαγωγικά όργανα μπορούν να μετρούν άεργη ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος.

Όργανα κινητού σιδήρου
Η αρχή λειτουργίας των οργάνων αυτών στηρίζεται στην έλξη ή την άπωση που εμφανίζεται μεταξύ δύο σιδηρομαγνητικών υλικών, όταν αυτά βρεθούν μέσα σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που παράγεται από ηλεκτρικό ρεύμα.
Τα μεγέθη που μετρώνται με αυτόν τον τύπο οργάνων είναι η ένταση του ρεύματος που παράγει το πεδίο, καθώς και η μαγνητική επαγωγή του πεδίου που είναι ανάλογη του της έντασης του ρεύματος, είτε αυτή ληφθεί ως σταθερή για συνεχές ρεύμα, είτε ληφθεί η ενδεικνύμενη τιμή της για εναλλασσόμενο ρεύμα.
Η μέτρηση των μεγεθών αυτών λαμβάνεται από μια στιγμιαία ισορροπία δυνάμεων, καθώς η κινούσα αιτία είναι η δύναμη έλξης ή άπωσης, που είναι ανάλογη του τετραγώνου της μαγνητικής επαγωγής. Η ανασταλτική διάταξη είναι ένα ελατήριο, στο οποίο η ανασταλτική και ισορροπούσα το σύστημα κατά τη μέτρηση δύναμη είναι ανάλογη της αξονικής σχετικής μετατόπισης των δύο πυρήνων σιδήρου.
Εξ’ αυτού προκύπτει ότι η αξονική μετατόπιση είναι ανάλογη με το τετράγωνο της μαγνητικής επαγωγής, συνεπώς και τα δύο προς μέτρηση μεγέθη δηλαδή η ένταση του ρεύματος και η μαγνητική επαγωγή είναι ανάλογα της τετραγωνικής ρίζας της μετατόπισης του οργάνου. Με βάση αυτόν τον κανόνα λοιπόν βαθμονομείται το όργανο.
Με τα όργανα κινητού σιδήρου λοιπόν μπορούμε να μετρήσουμε είτε την ένταση συνεχούς ρεύματος, είτε την ενδεικνύμενη τιμή της έντασης εναλλασσόμενου ρεύματος.

Ηλεκτροστατικά όργανα
Στα όργανα αυτά αντί να αξιοποιείται η παρουσία σιδηρομαγνητικού υλικού εντός μαγνητικού πεδίου, αξιοποιείται η παρουσία μεταλλικών στοιχείων εντός ηλεκτρικού πεδίου. Η αρχή λειτουργίας των οργάνων αυτών στηρίζεται στην δύναμη που αναπτύσσεται μεταξύ μεταλλικών ηλεκτροδίων που βρίσκονται μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο παράγεται από μια συνεχή ή εναλλασσόμενη τάση.
Η ανάπτυξη μιας ηλεκτρικής τάσης μεταξύ δύο σημείων επιφέρει την ανάπτυξη μιας διηλεκτρικής μετατόπισης, η οποία είναι ανάλογη, είτε της σταθερής τιμής της τάσης, για την περίπτωση του συνεχούς ρεύματος, είτε της ενδεικνύμενης τιμής της τάσης, για την περίπτωση του εναλλασσόμενου ρεύματος. Τα μεγέθη που μετρώνται με αυτόν τον τύπο οργάνων είναι η τάση του ρεύματος που παράγει το πεδίο, καθώς και η διηλεκτρική μετατόπιση του πεδίου που είναι συνάρτηση της τάσης αυτής.
Η μέτρηση των μεγεθών αυτών λαμβάνεται από μια στιγμιαία ισορροπία δυνάμεων, καθώς η κινούσα αιτία είναι η δύναμη έλξης ή άπωσης μεταξύ των μεταλλικών ηλεκτροδίων, η οποία είναι ανάλογη του τετραγώνου της διηλεκτρικής μετατόπισης. Η ανασταλτική διάταξη είναι ένα ελατήριο, στο οποίο η ανασταλτική και ισορροπούσα το σύστημα κατά τη μέτρηση δύναμη είναι ανάλογη της αξονικής σχετικής μετατόπισης των μεταλλικών ηλεκτροδίων.
Εξ αυτού προκύπτει ότι η αξονική μετατόπιση είναι ανάλογη με το τετράγωνο της διηλεκτρικής μετατόπισης, συνεπώς και τα δύο προς μέτρηση μεγέθη δηλαδή η τάση του ρεύματος και η διηλεκτρική μετατόπιση του παραγόμενου πεδίου είναι ανάλογα της τετραγωνικής ρίζας της αξονικής μετατόπισης του οργάνου. Με βάση αυτόν τον κανόνα λοιπόν βαθμονομείται το όργανο. Με τα ηλεκτροστατικά όργανα λοιπόν μπορούμε να μετρήσουμε είτε την τάση συνεχούς ρεύματος, είτε την ενδεικνυόμενη τιμή της τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος.

Όργανα στρεφομένου πηνίου
Στα όργανα αυτά υπάρχει ένας μόνιμος μαγνήτης, ο οποίος δημιουργεί ένα μόνιμο ακτινωτό μαγνητικό πεδίο, μέσα στο οποίο περιστρέφεται ένα πηνίο που διαρρέεται από συνεχές ρεύμα. Κάθε πηνίο αποτελείται ως γνωστόν από μια σειρά συρμάτινων αγωγών συγκεκριμένου μήκους.
Με βάση το νόμο του Laplace πάνω σε κάθε συρμάτινο αγωγό ασκείται μια δύναμη που έχει διεύθυνση κάθετη στο επίπεδο που σχηματίζεται από τα διανύσματα του ηλεκτρικού ρεύματος και της μαγνητικής επαγωγής και είναι ανάλογη με τη μαγνητική επαγωγή αλλά και την ένταση του συνεχούς ρεύματος.
Η δύναμη αυτή ασκεί μια ροπή στο συρμάτινο αγωγό του πηνίου Επειδή όπως προαναφέρθηκε το μαγνητικό πεδίο του μόνιμου μαγνήτη είναι ακτινωτό το διάνυσμα της μαγνητικής επαγωγής διαφοροποιείται μέσα στην περιοχή περιστροφής του πηνίου. Έτσι λοιπόν κινούσες ροπές είναι εκείνες που ασκούνται μόνο στους συρμάτινους αγωγούς που είναι παράλληλοι στον άξονα περιστροφής του πηνίου.
Με τη διαμόρφωση ενός κατάλληλου συντελεστή που είναι συνάρτηση του αριθμού των σπειρών του μήκους τους και της ακτίνας περιστροφής τους προκύπτει ότι η κινούσα ροπή είναι ανάλογη της έντασης του ρεύματος. Δεδομένου όμως ότι η ανασταλτική ροπή είναι σε κάθε περίπτωση ανάλογη της γωνίας στροφής του κινητού μέρους του οργάνου, η προς μέτρηση ένταση συνεχούς ρεύματος είναι ανάλογη της γωνίας του δείκτη του οργάνου.
Με τη χρησιμοποίηση των κατάλληλων συντελεστών που προκύπτουν από τις σχετικές αλγεβρικές σχέσεις επιτυγχάνεται η βαθμονόμηση των οργάνων μέτρησης έντασης και τάσης συνεχούς ρεύματος. Τα όργανα αυτά ωστόσο με τη χρησιμοποίηση ανορθωτικών διατάξεων μπορούν να μετρούν επίσης ένταση και τάση εναλλασσόμενου ρεύματος.

Όργανα διασταυρωνόμενων πηνίων
Στην ίδια αρχή λειτουργίας στηρίζεται ένας άλλος τύπος οργάνων, τα όργανα διασταυρωνόμενων πηνίων. Στην περίπτωση αυτή μέσα στο ακτινωτό πεδίο του μόνιμου μαγνήτη δεν περιστρέφεται ένα πηνίο αλλά ζεύγος πηνίων σταθερά συνδεδεμένων, έτσι ώστε να είναι πάντα κάθετα μεταξύ τους.
Και τα δύο πηνία διαρρέονται από συνεχή ρεύματα και οι δυνάμεις που ασκούνται σε αυτά είναι ανάλογες της έντασης εκάστου ρεύματος αλλά και της κοινής γωνίας περιστροφής του ζεύγους των πηνίων. Οι δυνάμεις αυτές δημιουργούν δύο κάθετες κινούσες ροπές, οι οποίες ισορροπούν όταν το σύστημα ακινητοποιείται σε ένα σημείο. Το σημείο αυτό αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη γωνία φ και συνιστά μια ένδειξη μέτρησης του οργάνου.
Από τις αλγεβρικές σχέσεις που αποτυπώνουν τη λειτουργία του συστήματος προκύπτει ότι ο λόγος των εντάσεων των δύο ρευμάτων είναι ανάλογος της εφαπτομένης της γωνίας περιστροφής του συστήματος φ. Έτσι λοιπόν με χρησιμοποίηση των συντελεστών που προκύπτουν από τις παραπάνω αλγεβρικές σχέσεις γίνεται η βαθμονόμηση των οργάνων αυτού του τύπου με τα οποία μπορούμε να μετρήσουμε το πηλίκο των εντάσεων δύο συνεχών ρευμάτων. Με κατάλληλα διαμορφωμένες διατάξεις μετρούνται και πηλίκα τάσεων δύο συνεχών ρευμάτων, γι’ αυτό και τα όργανα αυτά λέγονται και όργανα πηλίκου.

Ηλεκτροδυναμικά όργανα
Και αυτός ο τύπος οργάνων στηρίζεται στην αρχή λειτουργίας των οργάνων στρεφομένου πηνίου. Ωστόσο στην περίπτωση αυτή αντί για μόνιμο μαγνήτη έχουμε έναν ηλεκτρομαγνήτη που διαρρέεται από συνεχές ή εναλλασσόμενο ρεύμα. Έτσι λοιπόν το μέτρο της μαγνητικής επαγωγής στην περιοχή του στρεφόμενου πηνίου είναι είτε μια γραμμική συνάρτηση της έντασης του συνεχούς ρεύματος, είτε μια ημιτονοειδής συνάρτηση της έντασης του εναλλασσόμενου ρεύματος του ηλεκτρομαγνήτη.
Επειδή όμως η δύναμη η ασκούμενη στο στρεφόμενο πηνίο είναι ανάλογη με τη μαγνητική επαγωγή, τελικά προκύπτει ότι η δύναμη αυτή και κατά συνέπεια και η κινούσα ροπή είναι ανάλογη του γινομένου των εντάσεων των δύο ρευμάτων, δηλαδή του ρεύματος που διαρρέει το πηνίο και του ρεύματος που διαρρέει τον ηλεκτρομαγνήτη. Έτσι λοιπόν με κατάλληλη βαθμονόμηση μπορούμε να μετρούμε το γινόμενο των δύο αυτών συνεχών ρευμάτων ως συνάρτηση της γωνίας στροφής του στρεφόμενου πηνίου. Σε αυτό τον τύπο οργάνων μπορούμε να εφαρμόσουμε εναλλασσόμενα ρεύματα και στο στρεφόμενο πηνίο και στον ηλεκτρομαγνήτη.
Τότε από τις αλγεβρικές σχέσεις που χαρακτηρίζουν το σύστημα αυτό προκύπτει ότι το γινόμενο των δύο εναλλασσόμενων ρευμάτων είναι συνάρτηση της μέσης τιμής της μεταβολής της γωνίας στροφής του στρεφόμενου πηνίου στο διάστημα μιας περιόδου Τ του εναλλασσόμενου ρεύματος, αλλά και της διαφοράς φάσης των δύο εναλλασσόμενων ρευμάτων. Αυτός ο τύπος οργάνου μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σαν βατόμετρο δηλαδή σαν μετρητής ισχύος ρεύματος.
Αυτό γίνεται αν η συνολική διάταξη διαμορφωθεί κατάλληλα ώστε στο ένα πηνίο να επενεργεί η τάση ενός κυκλώματος, ενώ στο άλλο η ένταση του κυκλώματος. Με κατάλληλη αναγωγή στις ενεργές τιμές των ρευμάτων και δεδομένου ότι η μέση τιμή της μεταβολής της γωνίας στροφής – όπως προαναφέρθηκε – είναι συνάρτηση και της διαφοράς φάσης των ρευμάτων που διαρρέουν το στρεφόμενο πηνίο και τον ηλεκτρομαγνήτη προκύπτει ότι η ισχύς του κυκλώματος είναι ανάλογη της μέσης τιμής της γωνίας στροφής.
Κατά συνέπεια με κατάλληλη βαθμονόμηση που θα προκύψει από πιο πολύπλοκους αλγεβρικούς υπολογισμούς μπορεί να μετρηθεί η ισχύς συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος συναρτήσει της γωνίας στροφής του πηνίου, δηλαδή τελικά της γωνίας στροφής του κινητού μέρους του οργάνου.

*Ο κ. Γιώργος Μαλιώτης είναι μηχανολόγος μηχανικός ΕΜΠ
 
 Τεχνικά Άρθρα / Αυτοματισμός
Ρομπότ συγκόλλησης με εφαρμογή στην αυτοκινητοβιομηχανία
sdas
Ρουλεμάν: Παρακολούθηση και διάγνωση βλάβης
Τα συστήματα PLC είναι η «καρδιά» κάθε συστήματος αυτοματισμού
Η βιομηχανία μη αλκοολούχων ποτών επιλέγει συσκευασία PET
Αργύρης Σανίνος: Ο σύγχρονος αυτοματισμός παράγει φθηνότερο προϊόν
Βραβεία Red Dot σε εργαλεία και ρομπότ
Το μέλλον του PLC στη βιομηχανία
Ανακάμπτει η αγορά βιομηχανικού αυτοματισμού
Η «ευφυΐα» στην παραγωγή της μεταλλουργίας
© ΤΕΧΝΟΕΚΔΟΤΙΚΗ  | Όροι χρήσης  | Πληροφορίες