Praktikum 1 Drehzahl/Drehmoment PDF

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Summary

Anerkanntes Protokoll aus dem WS19/20...

Description

Drehzahl- und Drehmomentmessung

Sensorik und Aktorik

Inhaltsverzeichnis

S. 1

Einleitung

S. 1-3

Theorie

S. 4-5

Messaufbau

S. 5

Ablauf der Messung

S. 6-7

Messergebnisse

S. 7-8

Auswertung und Diskussion

S. 9

Quellenangaben

Einleitung In diesem Praktikum wurde in drei Versuchen mithilfe verschiedener Sensoren , Messgeräten und Methoden die Drehzahl und das Drehmoment gemessen. In d en Versuchen wurden die unterschiedlichen Sensorsignale mit Softwares erfasst und visualisiert. Das Ziel ist es die spezifischen Einsatzgebiete und Funktionsweisen der Sensoren in der Praxis zu sehen und zu bewerten, die Signale selbst auswerten zu können, zumindest einige Basiskenntnisse der Programmierung zu erlangen und den Umgang mit verschiedenen Softwares zu erlernen.

Theorie Aktive Sensoren: Ein Sensor wird dann als aktiv bezeichnet, wenn er erst mithilfe einer Versorgungsspannung "aktiviert" wird und erst dann in der Lage ist ein Ausgangssignal zu generieren. Passive Sensoren: Ein Sensor wird als "passiv" bezeichnet, wenn er ohne Versorgungsspannung arbeitet.

Im Versuch eins wurden drei verschiedene Sensoren und zwei Messgeräte zur Messung der Drehzahl verwendet, die alle mit verschiedenen Wirkprinzipien arbeiten. Im Folgenden werden die Sensoren die Messgeräte und deren Wirkprinzipien vorgestellt und erläutert.

Induktiver Sensor

Induktiver Sensor: Der Induktive Sensor ist ein passiver Sensor, der die Induktion als Grundlage für seine Funktionsweise benutzt. Der Sensor besteht aus einem Permanentmagneten mit einem Polstift in einer Spule steckt. Hierdurch wird ein konstantes Magnetfeld erzeugt. Der Polstift befindet sich über dem Zahnrad. Sobald das Zahnrad anfängt sich zu drehen führt der ständige Wechsel zwischen Zahn und Lüke zu einer Störung des konstanten Magnetfelds, wodurch sich eine Wechselspannung an den Wicklungsenden der Spule aufbaut, die dann abgegriffen und mittels eines Oszilloskops visualisiert werden kann. Dadurch, dass das Signal bei kleinen Drehzahlen sehr klein und ungenau ist, ist der Induktive Sensor nicht geeignet für die Messung kleiner Drehzahlen.

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Hall Sensor

Hall Sensor: Der Hall Sensor ist ein aktiver Sensor. Der Sensor nutzt wie der Name schon sagt den Hall-Effekt aus. Der Sensor besteht aus einem Permanentmagneten und einem Halbleiter-Element wodurch ein konstantes Magnetfeld vorliegt. Befindet sich in diesem Magnetfeld ein Objekt aus ferromagnetischem Material, wird die Feldstärke beeinflusst und es ergibt sich eine messbare Spannung im Halbleiter. Das entstandene Sinus-Spannung wird dann in ein Rechtecksignal umgewandelt und verstärkt. Magnetoresistiver Sensor: Der magnetoresistive Sensor ist ein aktiver Sensor und nutzt den anisotropischen magnetoresistiven Effekt. Kurz gesagt wird hierbei der Elektronenfluss der Elektronen durch ein von außen aufgebrachtem Magnetfeld behindert, wodurch sich der Widerstand erhöht und diese Erhöhung kann ziemlich präzise gemessen werden. Der Winkel des aufgebrachten Magnetfeldes spielt ebenso eine Rolle, denn bei 90 Grad ist der Widerstand maximal.

LED-Stroboskop

LED-Stroboskop: Das LED-Stroboskop gibt den Blick auf einen periodischen Prozess nur zeitweise frei durch die Lichtblitze. Hierdurch wird der Prozess scheinbar verlangsamt, angehalten oder umgekehrt. Wenn die Periode der Lichtblitze mit der Drehzahl des Motors übereinstimmt steht er scheinbar still. Laser-Reflex-Messgerät: Das Laser-Reflex-Messgerät funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie das LED-Stroboskop. Die Unterschiede bestehen darin, dass der Messbereich deutlich kleiner ist, wodurch das Messgerät ruhig gehalten werden sollte und dass über eine weitere Distanz gemessen werden kann. Oszilloskop: Das Oszilloskop dient zur Visualisierung der zeitlichen Änderung der Spannungskurven.

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Im zweiten Versuch wurde ein Sensor, der sowohl Drehmoment und Drehzahl misst, verwendet und ebenso ein Messwertverstärker.

Drehmomentsensor T20WN: Der T20WN Sensor ist eine Drehmoment-Messwelle und beruht auf der Dehnungsmessstreifen-Technologie. Der Dehnungsmessstreifen erfasst die mechanische Spannung, die auf die Welle wirkt. Dieses Signal wird in dem T20WN Sensor digitalisiert und ausgegeben.

Messwertverstärker QuantumX840: Der QuantumX840 ist ein universaler Messwertverstärker zur Verstärkung des Eingangssignals.

Im letzten Versuch wurden ein Lichtsensor und Mikrocontroller verwendet. Drehzahlsensor LM393: Der LM393 Sensor ist ein lichtempfindlicher Sensor, der das einkommende Licht misst. Arduino: Der Arduino ist ein Mikrocontroller, der prinzipiell für alle möglichen digitalen Aufgaben gemacht ist, je nachdem was man an den Controller anschließt und ihn programmiert.

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Messaufbau Versuch 1 Der Motor hat eine manuelle Drehzahlregelung, die man mit einem Drehregler bedienen kann. An dem Zahnrad des Motors liegen die drei Sensoren an, welche man mit Kabeln an die verschiedenen Kanäle des Oszilloskops anschließen kann, der gegenüber dem Motor steht. Versuch 2 Der zweite Versuch bestand aus dem T20WN Sensor, der auf der Welle angebracht war und von einem Motor angetrieben wird. Nach der Welle befinden sich zwei Zahnräder, an denen magnetoresistive Sensoren angebracht sind zum Messen der Drehzahl. Am Ende des Messplatzes befindet sich der Potentiometer, mit dem man das Bremsmoment über eine Hysterese-Bremse aufbringt. Über die DAQ Software am Computer kann man die Signale der Sensoren visualisieren.

Potentiometer Antrieb

Zahnräder

T20WN

Magnetoresistive Sensoren

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Versuch 3

Im dritten Versuch hat man einen Arduino, den man nach dem obigen Bild mit dem LM393 Lichtsensor verkabelt und über einen USB Kabel mit dem Computer verbindet, um den Programmcode auf den Arduino zu laden. Die Spannung misst man über Klemmverbindungen am Arduino GND und 2 Steckplatz mithilfe eines Multimeters.

Ablauf der Messung Versuch 1 Als erstes wurden die drei Sensoren mit Kabeln abwechselnd an die zwei Steckplätze des Oszilloskops angeschlossen und der Motor gestartet. Nach dem Auslesen der Frequenzen wurde mit einem LED-Stroboskop und einem Laser-Reflex-Messgerät nochmals die Drehzahl gemessen. Versuch 2 Mit der Software DAQ-Catman verbindet man zunächst den Drehzahlsensor mit dem Computer und stellt die Visualisierung des Drehmomentes und der Drehzahl ein. Im Anschluss wird der Motor gestartet ein Bremsdrehmoment von 1Nm aufgebracht und die Messwerte ausgelesen. Danach misst man mittels eines Oszilloskops die Zeitverschiebung der beiden Signale. Versuch 3 Im dritten Versuch vervollständigt man zunächst das Programm des Arduino Mikrocontrollers zur Messung einer Drehzahl. Im nächsten Schritt verbindet man den Sensor LM930 gemäß Anleitung mit dem Arduino und lädt das Programm darauf. Als letzten Schritt bringt man ein Objekt in den Sensor und stellt die Visualisierung des Programms an.

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Messergebnisse Versuch 1 Zähnezahl Induktiver Sensor

50 1

482,88 𝑚𝑖𝑛 1

Hall-Sensor

482,88 min

Magnetoresistiver Sensor

480,96 𝑚𝑖𝑛

LED-Stroboskop Laser-Reflex

1

482,5 482

1

𝑚𝑖𝑛 1 𝑚𝑖𝑛

Versuch 2

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Versuch 3 Sensorspannung bei Lichteinfall Sensorspannung ohne Lichteinfall

0,18V 4,88V

Auswertung und Diskussion Versuch 1 Die Messwerte liegen nur um wenige Umdrehungen sehr nahe beieinander. Dadurch, dass die LED-Stroboskop und Laser-Reflex Messungen sind am ungenausten, da sie lediglich auf subjektiven Eindrücken beruhen. Die Messungen mit den drei Sensoren variieren von 1 480,96-482,88 𝑚𝑖𝑛. Das liegt unter anderem an den Kabelwiderständen, Messungenauigkeiten der Sensoren und des Oszilloskops. Am Oszilloskop wird die Frequenz in Hz wiedergegeben, die man über folgende Formel in die 1

Drehzahl in 𝑚𝑖𝑛 umrechnen kann, wenn man die Zähnezahl kennt:

𝑓 50

∙ 60𝑠 = 𝑛

Jedoch sind die Messwerte unter Laborbedingungen gemessen worden und man kann nicht alle Sensoren für alle Bedingungen einsetzen. Der induktive Sensor kann nicht für niedrige Drehzahlen eingesetzt werden, da er diese sehr ungenau bzw. so gut wie gar nicht messen kann. Es können nur ferromagnetische Materialien gemessen werden und er kann durch andere Magnetfelder beeinflusst werden. Andererseits ist er verschleißarm, da er berührungslos arbeitet und er ist robust, also unempfindlich gegenüber Schmutz, Vibrationen und Erschütterungen. Der Hall Sensor benötigt eine Versorgungsspannung und kann durch andere Magnetfelder beeinflusst werden. Er verfügt über keine mechanischen Teile ist unempfindlich gegenüber Verschmutzungen und ist langlebig. Der magnetoresistive Sensor hat lediglich einen komplexeren Aufbau und ist robust, für extreme Umgebungen geeignet und kann sehr präzise messen.

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Der induktive Sensor gibt eine Sinusschwingung als Ausgangssignal heraus, dessen Amplitude proportional zur Drehzahl steigt und sinkt. Der Hall Sensor gibt eine Rechteckschwingung mit konstanter Amplitude heraus, aufgrund der Versorgungsspannung hat er auch bei sehr geringen Drehzahlen die gleiche Amplitude. Hier verhält sich die Drehzahl nur proportional zur Frequenz. Der magnetoresistive Sensor gibt ein gemischtes Signal aus, dass eine Mischung aus Rechteck- und Sinusschwingung ist. Versuch 2 Das Drehmoment kann mittels folgender Formel ausgerechnet werden: 𝑛 𝐺 ∙ 𝜋 ∙ 𝑑𝑤 𝑇 = ∆𝑡 ∙ 𝜋 ∙ ∙ 𝑙 ∙ 16 60𝑠 𝑈 81.000 𝑁 ∙ 𝜋 ∙ 10𝑚𝑚 431,05 𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚2 = 957,26𝑁𝑚𝑚 = 0,9572𝑁𝑚 40 ∙ 10−6 𝑠 ∙ 𝜋 ∙ ∙ 150𝑚𝑚 ∙ 16 60𝑠 Das gemessene und berechnete Drehmoment weicht um etwa 0,05Nm voneinander ab, was unter anderem an der sehr ungenauen Messung der Zeitverschiebung, Abweichungen der Drehzahlmessung und leichten Ungenauigkeiten des T20WN liegen könnte. Wobei die Drehzahlmessung sehr genau sein sollte, aufgrund der Messung durch zweie unabhängige Sensoren. Versuch 3 Mithilfe eines Lichtsensors und einem Arduino realisiert man eine kreative Art die Drehzahl messen zu können. Mit dem vorgegebenen Programm wird jedes Mal hochgezählt, sobald der Sensor kein Lichteinfall mehr hat, also wenn sich etwas zwischen den beiden Platten befindet. Zur Messung einer Drehzahl mit dem Lichtsensor müsste man den Sensor am Zahnrad anbringen, wodurch der Wechsel zwischen Zahn und Lücke das Programm hochzählen würde. Durch die Kenntnis der Zähnezahl und dem Zeitintervall kann man dann auf eine simple Weise die Zahlenwerte, die das Programm rausgibt in eine Drehzahl umrechnen.

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Quellenangaben https://moodle.thm.de/course/view.php?id=2201 https://www.lorenz-messtechnik.de/deutsch/unternehmen/drehmomentmesstechnik.php https://www.rechner-sensors.com/dokumentation/wissen/magnetoresistiver-sensor https://www.rechner-sensors.com/dokumentation/wissen/induktiver-sensor

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