Průvodní zpráva k projektu

1
SPŠ a VOŠ Písek, Karla Čapka 402, 397 01 Písek
Průvodní zpráva k projektu
0862P2006
Implementace e-learningu do výuky automatizační techniky
část II
Učební texty - snímače
autoři: Ing. Miroslav Paul
Ing. Michal Burger
V Písku dne 30.11.2006
2
Snímače polohy
Úvod
Pokud budeme řešit regulační obvod RO, tak spojovacími prvky mezi technickým procesem tj.
regulovanou soustavou RS a řídícím programem v PLC tj. regulátorem R, jsou snímače a akční
členy. Snímače mají za úkol měřit a vyhodnocovat fyzikální veličinu – regulovanou veličinu y.
Akční členy slouží pro vykonání zpracované úlohy, nastavení, řízení – akční veličiny u.
w
e=w-y
y
RS
u
R
Byly vyvinuty různé typy snímačů - spojité, nespojité, diskrétní. Jednotlivé typy snímačů
používají různé fyzikální principy, v závislosti na tom, jakou fyzikální veličinu snímají, na jakou
výstupní veličinu ji převádějí a jaký fyzikální princip využívají při tomto převodu. Pro použití v
pneumatických obvodech budou zapotřebí zejména následující typy snímačů:
✗
snímače polohy nespojité: jazýčková relé, magnetické snímače
✗
snímače polohy inkrementální
✗
snímače polohy absolutní
✗
snímače tlaku/podtlaku/vakua
snímače průtoku.
Postupně se zvyšuje obsah inteligence snímačů, která se implementuje do snímačů – vznikají tzv.
SMART snímače, které v sobě obsahují řídící mikropočítač, nastavovací obvody a rozhraní,
umožnující komunikovat analogovými unifikovanými signály nebo číslicově.
✗
snímač
zesilovač
A/D
µP
Převod na
unifikovaný
signál 4-20mA
Komunikační
rozhraní
RS 232 (RS485)
Také roste podíl snímačů, které jsou schopné měřit speciální fyzikální veličiny, jako např.
vlhkost, náklon nebo i vážit. Klasické snímače jsou zapojované přímo na digitální nebo analogové
vstupy PLC. Nové generace snímačů je možné zapojit na sériová komunikační rozhraní PLC.
Analogové snímače
Digitální snímače jsou vyhotovené tak, že na jejich výstupu jsou stavy „zap“ (1) anebo „vyp“ (0),
tyto jsou potom připojeny na binární vstupy PLC. Snímače dokáží i více jako spínat ve dvou
stavech. Některé snímače umožňují i měření spojité, na jejich analogovém výstupu dostáváme
napětí nebo proud, které se dají zpracovat na analogovém vstupu PLC a následně upravit na
číslicový signál apod.
3
Aby se předešlo problémům a pro lepší spolupráci zařízení byly stanoveny normy na hodnoty
výstupních napětí a proudů tzv. unifikované signály:
✔
✔
✔
✔
Unipolární napětí: 0 - 10 V
Bipolární napětí: -10 až +10 V
Proud: 0 - 20 mA
Proud: 4 - 20 mA
Bezdotykové snímače polohy
Při bezdotykovém snímání polohy nedochází k přímému styku snímače s měřeným objektem.
Využívá se působení elektromagnetického, magnetického, elektrostatického nebo elektrického pole
objektu nebo změny uvedených polí při vzájemném pohybu snímače a měřené součásti a tím
sledovaného parametru snímače. Tak lze rozlišit více druhů bezdotykových snímačů, jako snímače s
jazýčkovým relé, elektronické, indukční, indukčnostní, kapacitní, magnetické, optické a další. S
těmito snímači je možné detekovat kovové, nekovové a plastové materiály a nebo snímat jen
magnetické pole. Pro náročné aplikace lze použít ultrazvukový snímač, který pracuje na principu
vysílání ultrazvukových signálů do okolí, při jeho zachycení předmětem, se aktivuje spínač.
Příklady použití snímačů:
Snímání polohy válců, dveří,
pák apod.
Snímání předmětů, čtení,
snímání koncových poloh,
hlídání dveří apod.
Snímání polohy válce.
.
Snímač s jazýčkovým relé
Jazýčkové relé je nejčastěji
používané
na
snímání
polohy
pneumatických válců. Konstrukčně se
jedná o dva tenké dráty, které jsou
zatavené ve skleněné trubičce, která je
naplněná inertním plynem. Po
přiblížení pístu válce s permanentním
magnetem, magnetické pole, které se
vytváří kolem permanentního magnetu
drátky jazýčkového relé zmagnetuje a
ty se přitáhnou - kontakty se spojí a
tím se sepne signalizační obvod.
Obvody pro ochranu kontaktů se používají v případě:
✔ spínání induktivní zátěže
✔ vodiče připojující snímač do obvodu jsou delší než 5 m
✔ spínané napětí je větší než 100 V
Optický snímač.
4
Elektronický snímač
Signál ze snímače (elektronického
obvodu), který je citlivý na magnetické
pole magnetu ( Hallova sonda,
magnetoodpor,..)
je zesílen obvykle
tranzistorem a upraven Schmitovým
klopným obvodem na logický signál.
Logický stav je obvykle signalizován
pomocí LED.
Přednosti elektronických snímačů:
• Odolnost proti vibracím
• Vyšší životnost
• Menší rozsah spínání (hystereze)
Nevýhody:
• Vyšší cena (cca o 30%) oproti jazýčkovému relé
Indukční snímač
Jedná se o bezdotykový snímač. Je možné jej rozdělit do tří stupňů:
−
−
−
oscilátor vytvářející v cívce elektromagnetické pole, které je vyzařované ze
snímače. Po přiblížení magneticky vodivého materiálu, se změní úroveň
výstupního signálu snímače.
hradlovací stupeň reaguje na změny výstupního signálu oscilátoru a převádí jej
pomocí klopného obvodu na dvoustavový signál
spínací stupeň upravuje výstupní výkon snímače
Kapacitní snímač
I tento snímač pracuje bezdotykovým způsobem. RC-oscilátor kmitá na základní frekvenci.
Působením vnějšího vlivu (přiblížením předmětu) dojde ke změně kapacity kondenzátoru a tím ke
změně kmitočtu oscilátoru. Tato změna frekvence
se vyhodnotí a sepne spínací stupeň. Protože mají
materiály různou dielektrickou vodivost, vznikají
velké rozdíly kmitočtů při změně vzdálenosti
předmětu od snímače.
Ultrazvukový přibližovací snímač
V ultrazvukovém přibližovacím snímači
dochází k použití speciálního akustického
měniče, který dovoluje vysílání a přijímání
zvukových vln. Měnič vysílá určitý počet
zvukových vln, které jsou předmětem odraženy.
Po vyslání pulzů se ultrazvukový senzor přepne
na přijímací režim. Čas mezi vysláním a příjmem zvukové vlny je úměrný vzdálenosti objektu od
snímače. Pokud je výstup senzoru vybaven hradlovacím stupněm a spínacím výstupem, sepne se
výstupní kontakt při přiblížení předmětu.
5
Optoelektronické senzory (světelné závory)
Optoelektronické senzory jsou důležité komponenty automatizované výroby. Používají se pro
rozpoznávání předmětů na větší vzdálenosti. Na trhu jsou dva různé fyzikální principy:
−
Jednocestné světelné závory obsahují jeden vysílač a jeden přijímač, které jsou montovány
proti sobě. Pro zjednodušení montáže je možné vysílač a přijímač umístit vedle sebe, paprsek se
v tomto případě odráží od reflexní plochy umístěné proti vysílači-přijímači. K vyhodnocení
přítomnosti předmětu dochází v obou případech při přerušení světelného paprsku.
−
U reflexních světelných závor se nachází vysílač a přijímač ve
stejné schránce. Tyto mohou rozeznávat mezi objekty s různými
vlastnostmi odrazu. Tak mohou reagovat na nějaký reflektor
(zrcadlo) anebo jen na odraz objektu. V případě nepřítomnosti
předmětu nebo přitomnosti v jiné, než sledované pozici, se
paprsek odráží mimo identifikační zónu přijímače.
Tlakové snímače / senzory
U tlakových snímačů se jedná o senzory:
nespojité - spínají při určitém tlaku
✗ spojité – na výstupu je spojitá změna
Mimo základních, mechanicky spínaných senzorů, existují dnes funkční principy, které
využívají fyzikální vlastnosti piezokrystalů (piezoelektrický jev) anebo odporových tenzometrů .
✗
Piezoelektrická siloměrná technika
Piezoelektrický element získáme z krystalu křemene tak, že vyřízneme
destičku, jejíž hrany budou rovnoběžné s jednotlivými osami krystalu (X osa elektrická, Y - osa mechanická, Z - osa optická). Působí-li síla kolmo
na optickou osu, krystal se zelektrizuje a na plochách kolmých na
elektrickou osu se objeví elektrický náboj.
Krystal křemene
Výbrus snímače
Piezoelektrický jev
Působí-li na křemennou destičku rovnoměrně rozložená síla Fx podél elektrické osy X,
hovoříme o tzv. podélném piezoelektrickém jevu a náboj Q, vznikající na každé stěně, kolmé k
elektrické ose, bude Q = Kp . Fx , kde Kp je piezoelektrická konstanta (piezoelektrický modul).
Z rovnice je vidět, že velikost nábojů, vznikajících při působení síly podél elektrické osy X,
nezávisí na rozměrech krystalů.
6
Působí-li na krystal síla Fy ve směru mechanické osy Y, vznikají náboje opět na plochách
kolmých na elektrickou osu, avšak směr polarizačního vektoru je záporný a velikost náboje závisí
na geometrických rozměrech krystalu. Hovoříme o tzv. příčném piezoelektrickém jevu. Velikost
náboje Q je dána vztahem
kde b, a jsou rozměry destičky
Piezoelektrický modul Kp křemene má poměrně malou hodnotu (10-7 V/Pa), avšak předností
křemene je lineární statická charakteristika, nepatrná závislost piezoelektrické konstanty na teplotě,
velký měřicí rozsah, který je dán mechanickou pevností krystalu a široké rozmezí teplot
(maximálně do 550 ˚C).
Působením síly F (= tlak × plocha) na
piezokrystal (např. Quarz, Turmalin, BariumTitanat atd.) dojde k jeho deformaci. Přitom se
posune v krystalové mřížce negativní bod mřížky
proti pozitivnímu, takže na povrchu krystalu
nastanou nábojové rozdíly jako funkce síly F. Při
použití piezokrystalu je vrch a spodek zasazen do
kovové fólie, která vede nábojové rozdíly k
zesilovači náboje, který realizuje spínací výstup
senzoru.
Piezoelektrické snímače se používají především pro měření dynamických tlaků od frekvencí
např. 3 až 5 Hz. Generují měřicí signál s chybou kolem 1 %. Je nutno dbát na to, aby hmotnosti
částí, které přenášejí sílu na výbrus byly co nejmenší a aby měly také vlastnosti pružiny s lineární
charakteristikou. Pokud se snímají průběhy tlaku tekutin s vysokou teplotou, je nezbytné chlazení
snímače. Jejich výhodou jsou miniaturní rozměry, jednoduchost a umožňují měřit v nejširším
frekvenčním rozsahu, např. do 100 kHz. Používají se zejména k měření tlaku, tlakové síly,
zrychlení, výchylky a mechanického napětí.
Odporový snímač / tenzometer
Na tenké plastové fólii je nanesená několik pm tenká vrstva slitiny. Potom se procesem leptání
vyrobí vinuté cesty. Odporové snímače se mohou nalepit např. na ocelový nosník. Natahováním
anebo stláčením ocelového nosníku se odpor zvětšuje anebo zmenšuje. Vložením do můstkového
zapojení mohou být tyto odporové změny zachycené a vyhodnocené. Odporový snímač se používá
nejenom na měření roztažnosti
v důsledku elastických napětí
na povrchu materiálu, ale i k
měření
všech
mechanicky
měrných jednotek, které se dají
vztahovat na proporcionální
roztažnost elastických pružných
těles. To jsou např. dráha,
zrychlení, síly, ohybové momenty, kroutící momenty, tlaky plynů a tekutin.
R = ρR . l / S
ρR . . . rezistivita materiálu
l . . . délka vodiče
S . . . průřez vodiče
ΔR, Δρ, Δl, ΔS . . . diference jednotlivých veličin
7
Polovodičový tenzometr
Tenzometrický rezistor (tenzometr) je odporový senzor, u něhož je změna elektrického odporu
závislá na změně deformací tenzometru (tj. změny geometrických rozměrů, případně změna
krystalografické orientace tenzometru) a na změně teploty prostředí.
Základním měřeným parametrem je elektrický odpor R homogenního tělesa (vodič nebo
polovodič), který je přímo úměrný změně délky vodiče a jeho průřezu. Například protahujeme-li
odporový drátek v rozmezí pružné deformace silou F, zvětší se jeho odpor úměrně jeho prodloužení.
Aby změna odporu byla co největší, je nutné aby i délka drátu byla co největší. Protože se změnou
délky se mění i průřez vodiče a jeho měrný odpor, je
skutečná změna odporu větší, než odpovídá prodloužení
odporového drátku. Zvětšení odporu se vyjadřuje jako
deformační citlivost, která je závislá na materiálu snímače
(závislost poměrné změny odporu na poměrné deformaci
ukazuje obrázek). Odporové tenzometry se vyrábějí z
materiálu, který je málo citlivý na teplotě. Nejčastěji z
konstantanu. Nyní se však v běžných aplikacích a hlavně v
integrovaných senzorech používají polovodičové
tenzometry s podstatně větší poměrnou deformační
citlivostí. Jejich nevýhodou je však velká teplotní závislost
a citlivost na světlo.
Vlastnosti polovodičových tenzometrů
•
•
•
•
•
60x vyšší deformační citlivost dovoluje měřit bez zesilovačů s běžnými ohmmetry,
voltmetry a osciloskopy
60x vyšší prahová citlivost umožňuje změřit deformaci kovů již od miliontiny milimetru na
délkovém metru
malá šířka tenzometru dovoluje vytvářet malé a lehké snímače
křemík se do 300°C deformuje bez měřitelné hystereze
tenzometry z křemíku a zlata mají vynikající korozní odolnost
Při aplikaci polovodičových tenzometrů je nutno vždy teplotní závislost kompenzovat vhodným
zapojením měřicího můstku nebo pomocným obvodem. Vhodným umístěním tenzometrů na
zařízení jakož i vhodným uspořádáním tenzometrů do měřicího můstku je možno zvýšit citlivost
měření a potlačit nelinearitu snímače a vliv ostatních ovlivňujících veličin.
Přednosti snímačů s křemíkovými tenzometry
•
•
•
•
velký výstupní signál - desítky až stovky mV
využitelnost i v prostředí s rušivými elektromagnetickými vlivy
vysoká životnost - někdy až 109 cyklů plného pracovního zatížení
odolnost proti soustavnému přetěžování do 200% jmenovitého rozsahu
8
Provedení polovodičových tenzometrů
Deformací takto vytvořených rezistorů se mění výrazně
pohyblivost nosičů nábojů a tím i vodivost. Tento jev se nazývá
piezo-odporový efekt. Polovodičové tenzometry jsou malé a
citlivé, ale silně teplotně závislé.
Polovodičové tenzometry se vyrábí z křemíkového materiálu z
důvodu zanedbatelné mechanické a krystalografické hystereze a
použitelnosti pro širší rozsah teplot. Vyrábí se buď řezáním,
broušením či leptáním monokrystalu nebo planárně difúzní
technologií na křemíkový substrát.
Tři nejběžnější tvarová provedení polovodičových tenzometrů
Tenzometrický rezistor se obvykle skládá z
vlastního snímače a podložky, která zajišťuje
přenos deformace z povrchu měřeného objektu na
vlastní čidlo. Současně tvoří podložka elektrickou
izolaci.
Zapojení a umístění tenzometrů
Tenzometry se téměř vždy zapojují do
Wheatstonova můstku, buď plného, tj.
všechny rezistory můstku jsou aktivní
měřící tenzometry, nebo polovičního
můstku, tzn. že dva rezistory jsou pevné
hodnoty a co nejméně citlivé na okolní
podmínky.
Polovodičové tenzometry se velmi
často používají v senzorech tlaku. Zde
jsou často vyráběny již jako napevno
integrované na membráně nebo nosníku.
Následující obrázek ukazuje umístění tenzometrů na nosníku.
9
Použití polovodičových tenzometrů
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Měření deformací objektů
Měření síly, tlaku, krouticího momentu, momentu síly, mechanického napětí spojů (např.
svařovaných nebo lepených)
Přesné váhy využívané například v automobilovém průmyslu
Nedílná součást některých integrovaných senzorů tlaku, síly, váhy
Měření vibrací a deformací apod.
Měření a detekce pnutí vlivem teploty, externího zatížení apod.
Měření rozsáhlých deformačních polí složitě namáhaných mechanických konstrukcí
Váhy pro měření v aerodynamickém tunelu
Přesné snímače zatížení
Přednosti snímačů s křemíkovými tenzometry
•
•
•
•
velký výstupní signál - desítky až stovky mV
využitelnost i v prostředí s rušivými elektromagnetickými vlivy
vysoká životnost - někdy až 109 cyklů plného pracovního zatížení
odolnost proti soustavnému přetěžování do 200% jmenovitého rozsahu
Anemometry
Anemometry jsou obecně měřidla či senzory hmotnostního průtoku, senzory množství
proudících plynů nebo kapalin. Existuje mnoho fyzikálních principů používaných pro tyto účely.
Základní vlastnosti
•
•
•
•
•
•
Obecně měření rychlosti proudění vzduchu už od cca 0.1 m/s (obecně je problém měřit
pomalá proudění) až do cca 130 m/s s přesností od 0.1 m/s
Měření průtoků v rozsahu 0 až 1000 m3/h někdy i více
Reakční doba 500 ms až 3 s
Teplota měřeného média může být -20 až 80°C
Nízká citlivost na viskozitu, hustotu, teplotu a tlak měřeného média
Velká citlivost
Použití:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
pro měření čistých plynů - vzduch, nitrogen, hydrogen, helium, amoniak, argon a další
průmyslové plyny
nevhodný pro měřené směsí, zvláště těch s neznámým složením
v zdravotnictví
ve výrobě integrovaných obvodů
v automobilovém průmyslu – sání a plnění válců spal. motorů
v leteckém průmyslu – simulace, testování, regulace
chemický a petrolejářský průmysl
v elektrárnách a teplárnách
v klimatizacích
řízení kompresorů
10
Principy funkce
Tepelné průtokoměry jsou založeny na závislosti výměny tepla mezi zdrojem a okolím na
hmotnostním průtoku.
Lze přitom použít dva přístupy:
•
•
měřit ochlazení žhaveného drátku - termoanemometry
měřit oteplení tekutiny - Kalorimetrický snímače průtoku = diferenční termoanemometry
Termoanemometry
Tento typ je průtokoměrů obsahuje pouze
jeden aktivní/měřící prvek. Ten je vytvořen z
tenkého platinového drátku nebo napařené
vrstvičky na skleněné nebo křemenné
trubičce nebo miniaturním perličkovým
termistorem, který je neustále elektricky
zahříván na konstantní teplotu. Snímač je
pak umístění v měřící trubce. Proudící plyn
procházející trubkou tento drátek ochlazuje a
k zajištění jeho stejné konstantní teploty je
tedy zapotřebí více energie, tj. vyšší
protékající proud. Zvýšení nebo snížení odběru výkonu, resp. jeho absolutní hodnota, je úměrný
zvýšení nebo snížení průtoku, resp. hodnotě průtoku nebo rychlosti proudění.
Měřící obvod termoanemometru
s konstantní teplotou drátku
Dokonalejší je provedení se dvěmi snímači, kdy je tak možné zjišťovat i směr proudění, podle
toho, který se ochlazován dříve.
Kalorimetrický snímač průtoku = Diferenční termoanemometr
Kalorimetrický snímač, pracující na jako diferenční
termoanemometr, pracuje na mírně odlišném principu. Zde
již nepracuje jeden snímač zároveň jako zdroj tepla a
snímač. K měření jsou použity pouze dva teplotní snímače
(např. typu Pt100) a jedno topné tělísko. Jeden snímač
(např. Pt100) měří aktuální teplotu okolního plynu
(tlakového vzduchu), druhý je vyhříván topným tělískem
na konstantní teplotní rozdíl vůči prvnímu. Čím vyšší je
proudění plynu, tím více tepla je odváděno a tím více je
ochlazován druhý Pt100. Aby se udržela konstantní teplotní diference, vyhřívací proud topného
tělíska musí adekvátně vzrůst. Velikost vyhřívacího proudu je digitalizována a přivedena jako vstup
do vyhodnocovací jednotky. Zde se jeho průběh linearizuje a na základě známých vnitřních rozměrů
měřicího potrubí se vypočte aktuální průtok.
11
Diferenční
anemometr
využívá
dvou
vrstvových odporů R1 a R2 umístěných spolu s
vyhřívacím odporem RH na izolačním podkladu.
Při nulové rychlosti proudění tekutiny jsou
odpory R1 a R2 zahřívány na stejnou teplotu a
měřící můstek je vyvážen. Při nenulové rychlosti
proudění tekutina ochlazuje přední odpor a
zvýšeným přenosem tepla od RH ohřívá odpor
zadní. Toto zapojení je obecně doporučováno pro
citlivá měření malých průtoků.
Měřící obvod diferenčního termoanemometru
Teorie hmotnostního měření:
Princip tepelného hmotnostního průtokoměru využívá vlastnosti molekul plynů vázat tepelnou
energii (kvantitativně vyjádřeno veličinou měrná tepelná kapacita c p nebo měrné teplo). Velikost
měrné tepelné kapacity je přímo závislá na hmotnosti a fyzikální struktuře molekuly. Hodnoty
měrných tepelných kapacit jsou téměř nezávislé na změnách teploty a tlaku a jsou velmi dobře
známy pro mnoho plynů.
Velmi malá část plynu protéká měřicí kapilárou
senzoru a je ohřívána topným tělesem T (RH).
Přenosem tepla do proudícího plynu vznikne
teplotní rozdíl mezi teplotami měřenými teplotně
závislými odpory S1 (RT1) a S1 (RT2) před a za
topným tělesem T. Změna elektrického odporu
čidel je elektronickým systémem převáděna na
výstupní napěťový signál nebo proudový signál.
Na obrázku jsou teplotní čidla S1 a S2 zapojena
do Wheatstoneova můstku.
Tlakoměry
Přístroje pro měření tlaku se nazývají tlakoměry. Tlakoměry na měření přetlaků se označují
zpravidla jako manometry, na měření podtlaků jako vakuometry a na měření tlakových rozdílů
jako diferenční tlakoměry. Přístroje určené pro měření barometrického tlaku se označují jako
barometry.
Pro měření tlaku se využívá různých fyzikálních principů, které se liší podle charakteru převodu
tlaku na výstupní signál. Technické tlakoměry můžeme rozdělit podle principu na tlakoměry
hydrostatické, deformační, pístové a elektrické.
12
Hydrostatické tlakoměry
Princip činnosti je založen na účinku hydrostatického tlaku, který vyvozuje sloupec kapaliny o
výšce h a hustotě ρ
Mírou tlaku je výška kapalinového sloupce h a měření tlaku je tak převedeno na měření délek.
Protože hustota kapaliny je funkcí teploty, je i údaj hydrostatického tlakoměru závislý na teplotě.
Jako tlakoměrné kapaliny se používá nejčastěji rtuti, vody, příp. alkoholu či tetrachloru. Délka
trubic bývá maximálně 1,5 m, a tím je dán i rozsah měření tj. Např. 0,2 MPa pro rtuť, nebo 15 kPa
pro vodu.
Hydrostatické tlakoměry jsou většinou jednoduché, spolehlivé a přesné přístroje, používané
zejména k laboratorním účelům, jejich nevýhodou je skutečnost, že neposkytují signál vhodný pro
dálkový přenos a pro další zpracování v řídicích obvodech.
Deformační tlakoměry
Princip funkce deformačních tlakoměrů je založen na pružné deformaci, a tím i na změně
geometrického tvaru vhodných tlakoměrných prvků, vlivem působení měřeného tlaku. Nejčastěji
používanými deformačními prvky jsou Bourdonova trubice, membrána, krabice a vlnovec (obr. 4.6)
Deformační prvky se zhotovují z uhlíkových a niklových ocelí, z mosazi, z fosforového a
beryliového bronzu a dalších vhodných slitin.
a) Bourdonova trubice
a) schéma
b) membrána
c) krabice
d) vlnovec
Trubicové tlakoměry (tlakoměry Bourdonovy) jsou
nejpoužívanějším
typem
deformačních
tlakoměrů.
Tlakoměrným prvkem je Bourdonova trubice , což je
trubice eliptického průřezu stočená do kruhového oblouku,
spirály nebo šroubovice. Jedním koncem je trubice pevně
spojena s tělesem, opatřeným závitem pro připojení tlaku.
Volný konec trubice je uzavřen a spojen přes převodové
ústrojí s ukazovatelem na stupnici. Při působení tlaku se
snaží eliptický průřez změnit v kruhový a zakřivení
oblouku, do kterého je trubice stočena, se přitom zvětšuje.
b) průřez trubice Uspořádání měřicího prvku trubicového tlakoměru je
znázorněno na obrázku. Pro nízké tlaky je trubice mosazná
a má plošší profil, pro vysoké tlaky je ocelová a blíží se
13
kruhovému profilu. Měřicí tlaky trubicových tlakoměrů bývají od 0 do 0,5 MPa až 2 000 MPa.
Těmito přístroji lze měřit i podtlaky. Vyrábějí se ve třídách přesnosti 0,6 a 1 (kontrolní manometry)
a dále ve třídách přesnosti 1,5; 2,5 a 4 (provozní přístroje).
Membránové tlakoměry používají jako tlakoměrného elementu kovové membrány kruhového
tvaru zvlněné soustředěnými kruhy. Membrána je sevřena mezi dvěma přírubami a z jedné strany je
přiváděn měřený tlak. Ten vyvolá průhyb membrány, který se přenáší na ukazatel. Závislost zdvihu
na tlaku je přibližně lineární.
Membránové tlakoměry se vyrábějí pro tlaky do 4 MPa. Jejich výhodou je vyšší citlivost než
tlakoměrů trubicových. Pro nízké tlaky se využívá pryžových membrán s textilní vložkou s
kovovými příložkami, kde však deformačním prvkem je pružina z ocelového drátu. Je-li tlak
přiveden na obě strany membrány, lze využít membránových tlakoměrů i pro měření tlakových
diferencí. Proti korozi je možno membránu snadno chránit povlakem či fólií z vhodného materiálu.
Výhodou membránových tlakoměrů jsou malé setrvačné hmoty systému. Takové snímače jsou
vhodné pro měření velmi rychle pulsujících tlaků. Membrána snímače je velmi tenká, má malý
průměr a její deformace jsou snímány elektricky (např. kapacitně, indukčně či piezoelektricky).
Krabicové tlakoměry se používají pro měření malých přetlaků, podtlaků či tlakových diferencí. Měřicím prvkem je krabice tvořená dvěma zvlněnými membránami o průměru 50 až 100 mm
Deformace se přenáší pákovým převodem na ukazovatel. Měřicí rozsah bývá 10 Pa až 1 000 Pa. Pro
zvýšení citlivosti se spojuje několik krabic v jeden konstrukční celek.
Tlakoměrné krabice se používá i v přístroji sloužícím pro měření barometrického tlaku, v tzv.
aneroidu. V tomto případě je prostor krabice neprodyšně uzavřen, evakuován a měřený
barometrický tlak působí na krabici zvnějšku.
Vlnovcové tlakoměry se používají pro měření přetlaků a tlakových
diferencí do 0,4 MPa. Schéma tlakoměru je na obr. 4.8. Tlakoměrným
prvkem je tenkostěnný kovový měch - vlnovec, který je umístěn v
pouzdře, do něhož je přiváděn měřený tlak. Deformace vlnovce se
přenáší táhlem na ukazovatel. Odolnost proti deformaci (tuhost
vlnovce) lze snadno zvětšit vložením pružiny. Dojde tak úpravě
charakteristiky a měřicího rozsahu tlakoměru. V případě měření
tlakové diference se větší tlak přivádí do pouzdra, menší do vlnovce.
Někdy se místo kovového měchu používá měchu z umělé hmoty
(např. teflonu); funkci deformačního prvku pak zcela přebírá pružina.
Hlavní použití kovových vlnovců s pružinou je v regulační technice,
kde se jich používá v pneumatických vysílačích, převodnících, přijímačích apod.
Vlastnosti deformačních tlakoměrů:
●
●
●
●
●
●
●
●
●
velká přestavující síla
robustnost
malé rozměry, malá hmotnost,
velký měřicí rozsah,
dostatečná přesnost,
jednoduchost a spolehlivost
použití i v těžkých provozech.
teplota ovlivňuje modul pružnosti materiálu deformačního prvku a teplotní roztažností
převodového ústrojí pozměňuje mechanický převod.
deformační tlakoměry vyžadují pravidelnou kalibrační kontrolu, zvláště při měření
pulsujících tlaků.
14
Manostaty. jsou to přístroje vybavené jedním nebo více elektrickými kontakty a používají se
pro dvoupolohovou regulaci tlaku.
Použitá literatura:
SMC - Elektronická učebnice pneumatiky
Odkazy na www stránkách:
http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mrt/F4/F4k42-tlak.htm
http://e-automatizace.vsb.cz/ebooks/mmv/tlak/tlak_tlakomery_elektricke.htm#obr.4.19
http://automatizace.hw.cz/view.php?cisloclanku=2006111601
http://www.mavis.cz/obr_hont/ta.htm#ta10
průtokoměry
http://automatizace.hw.cz/view.php?cisloclanku=2006082301
průtokoměry