Właściwości dynamiczne wysokociśnieniowych czujników pneumatycznych o zmniejszonych komorach pomiarowych

Tematem rozprawy są właściwości metrologiczne czujników pneumatycznych. Opisano w niej budowę i klasyfikację czujników wykorzystywanych do pomiaru wielkości geometrycznych za pomocą sprężonego powietrza. Scharakteryzowano zastosowanie czujników pneumatycznych do pomiaru wielkości zmiennych w czasie. Przeprowadzono analizę czynników wpływających na pracę czujników w stanie nieustalonym. Na podstawie danych literaturowych, analiz teoretycznych oraz badań doświadczalnych stwierdzono, że eliminacja linii transmisji sygnału oraz zmniejszenie objętości komory pomiarowej stanowią kierunek badań, pozwalający skutecznie wpłynąć na właściwości dynamiczne czujników pneumatycznych. Przede wszystkim jednak przetwornik ciśnienia musi się charakteryzować dobrą dynamiką, dlatego zdecydowano się na łatwo dostępne i niedrogie czujniki piezorezystancyjne.
Postawiono tezę, że zastosowanie w jednokaskadowych czujnikach pneumatycznych wysokociśnieniowych przetwornika piezorezystancyjnego w połączeniu ze zmniejszeniem objętości komory pomiarowej pozwoli sprowadzić właściwości dynamiczne czujnika do członu inercyjnego pierwszego rzędu o stałej czasowej o wartości od kilku do kilkunastu milisekund. Teza została udowodniona.
Obszerną część pracy stanowi opis przeprowadzonych badań oraz stanowisk badawczych. Opisano zastosowaną zasadę wymuszenia sinusoidalnego sygnału wejściowego oraz dokonano analizy niepewności wyznaczenia stałej czasowej na tym stanowisku. Badania dokładności uzupełniono analizą wariancji. Opisano stanowisko do generowania wymuszenia skokowego oraz przeprowadzono analizę rzeczywistego sygnału wymuszającego. Na podstawie otrzymanych danych skorygowano odpowiedź na wymuszenie.
Wyniki badań pozwoliły na sformułowanie wniosków na temat zastosowania czujników pneumatycznych do pomiarów dynamicznych, np. w układach kontroli czynnej lub do pomiaru zarysów. Istotnym wkładem autora jest wskazanie zależności między stałą czasową a aktualnie mierzoną wielkością, której wartość zmienia się podczas pomiaru. Sformułowano zalecenia doboru parametrów czujników, tak by spełniały one stawiane wymagania w ramach zmienności ich właściwości dynamicznych.
Praca ma duże znaczenie praktyczne zarówno dla projektantów, jak i dla użytkowników systemów pomiarowych, w których zastosowano czujniki pneumatyczne.

Streszczenie 4 Wykaz ważniejszych oznaczeń 5 1. Ogólna charakterystyka wysokociśnieniowych czujników pneumatycznych 7 1.1. Wprowadzenie 7 1.2. Przetworniki ciśnienia 8 1.3. Uzyskanie elektrycznego sygnału pomiarowego 11 1.4. Zastosowanie przetworników piezorezystancyjnych w pneumatycznych czujnikach do pomiaru długości 15 1.5. Przykłady zastosowań czujników pneumatycznych w pomiarach wielkości zmiennych w czasie 22 1.6. Podsumowanie i teza naukowo-badawcza 30 2. Błąd dynamiczny 31 3. Podstawy dynamiki czujnika pneumatycznego 40 3.1. Równania dynamiki kaskady pneumatycznej 40 3.2. Model matematyczny i obliczeniowy stanów nieustalonych w komorze pomiarowej czujnika pneumatycznego 52 4. Badania właściwości dynamicznych 55 4.1. Rejestracja sygnału 55 4.2. Stanowiska do badań właściwości dynamicznych 58 4.3. Niepewność wyznaczenia stałej czasowej na podstawie wymuszenia sinusoidalnego 63 4.4. Wymuszenie skokowe 68 4.5. Wymuszenie skokowe – pełne zamknięcie i otwarcie 78 5. Wyniki badań 87 6. Wnioski i zalecenia praktyczne 98 Literatura 102 Summary 115