Měření síly a odvozených veličin

http://www.omegaeng.cz • e-mail: [email protected]
TLAK • POMùRNÉ PRODLOUÎENÍ • SÍLA
TLAK • POMùRNÉ PRODLOUÎENÍ • SÍLA
âÍSLO 3, 2. VYDÁNÍ
Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN
âÍSLO 3, 2. VYDÁNÍ
Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN
http://www.omegaeng.cz • e-mail: [email protected]
Měření síly a odvozených veličin
TLAK • POMùRNÉ PRODLOUÎENÍ • HMOTNOST • ZRYCHLENÍ • KROUTÍCÍ MOMENT
Soubor technick˘ch informací poskytovan˘ch firmou OMEGA
âÍSLO
3
OBSAH
Kapitola
1
Historick˘ pfiehled
âÍSLO 3 - Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN
Téma
stropní
konstrukce
• Od Aristotela k Hawkingovi
• Síla a dÛsledky pÛsobení síly
• Meze realizace mûfiení
Strana
stavební
konstrukce
snímaã mûfiící
tahovou sílu
opûrné tyãe
nádoba
kolové
klouby
10
opûrné tyãe
Obrázek 1-6: ¤e‰ení ustálení nádoby
120
2
110
zmûna faktoru mûrky v procentech
• Konstrukce snímaãÛ
Snímaã pomûrného prodlouÏení • Mûfiící obvody
• Aplikace a instalace
advance (Cu Ni)
100
nichrome
90
karma (Ni Cr +)
15
80
70
Slitina platiny
a volframu
-400 -200
(-240) (-129)
0
(-18)
200
(93)
400
600 800 1000 1200 1400 1600
(204) (315) (426) (538) (649) (760) (871)
teplota °F (°C)
Obrázek 2-11: Závislost faktoru mûrky tenzometru na teplotû
elektrick˘ konektor
• Od mechaniky k elektronice
Mûfiení technologick˘ch tlakÛ • Typy pfievodníkÛ
• Praktická hlediska
3
deformaãní dráÏky
zesilovaã
vedení
piezielektrického
prvku
‰estihran,
matice 5/16"
prstenec,
závit 5/16"- 5/24"
tûsnící povrch
‰roub pro
nastavení pfiedpûtí
kfiemenn˘ krystal (2)
elektroda
spodní díl
vedení
piezielektrického prvku
26
membrána
Obrázek 3-8: Typick˘ piezoelektrick˘ snímaã tlaku
• Mûfiení vysokého tlaku
Vysok˘ tlak a vakuum • Velmi vysoké tlaky
• Pfiístrojové vybavení
pro mûfiení vakua
4
mûfiiã proudu
daného
tokem iontÛ
mikro
ampérmetr
( 100 mA/torr )
mfiíÏka ,
napûtí
+ 150 V
teplá (Ïhavená)
katoda
-
kolektor kladn˘ch iontÛ
( relativní napûtí –30 V )
+ + +
+
+
- - - - - -
k mûfienému
vakuu
+
+
41
mûfiiã proudu
daného
tokem elektronÛ
( 10 mA )
Obrázek 4-7: Vakuometr se Ïhavenou katodou
06
âíslo 3
ZPRAVODAJ
USPO¤ÁDÁNÍ KAPITOL ZPRAVODAJE
Vnitfiní strana obálky
Obsah
Ediãní poznámka
O firmû OMEGA
Kapitola
02
06
08
09
70
74
81
83
Informaãní zdroje, literatura
Slovník
Rejstfiík
Seznam obrázkÛ
Téma
Strana
maximální pfiípustn˘ tlak
5
Tlakomûry a tlakové spínaãe
spínaã detekuje nárÛst tlaku
• Konstrukce tlakomûrÛ
• Ochranné pfiíslu‰enství
• Tlakové spínaãe
spínaã detekuje pokles tlaku
aktivaãní tlak,
setpoint
deaktivaãní
tlak
pfiesnost
diferenãní rezerva
tolerance
48
tolerance
nastaviteln˘
rozsah
diferenãní rezerva
pfiesnost
deaktivaãní
tlak
aktivaãní tlak,
setpoint
Obrázek 5-3: Odborné názvosloví tlakov˘ch spínaãÛ
setrvaãná hmota
6
tenzometry
• Snímaãe síly
Síla, zrychlení, kroutící moment • Zrychlení a vibrace
• Mûfiení kroutícího momentu
izolované
podpûry
51
základna
pera konzoly
(krákorcÛ)
osa citlivosti snímaãe
Obrázek 6-3: ¤e‰ení piezoelektrického snímaãe
7
8
• Funkãní principy
Konstrukce silomûrÛ • Moderní snímaãe
• Sestavy tensometrÛ
• Konstrukce váÏícího
systému
Aplikace ve váÏících systémech
• Instalace a kalibrace
• Úãelovû zamûfiené montáÏe
ZPRAVODAJ
57
smûr jízdy
tenzometry
62
"Ïivá"
kolejnice
Obrázek 8-6: Jednokolejnicov˘ pfievodník váhy
âíslo 3
07
Ediãní poznámka
Pro řešení úloh je třeba udělat více,
než jen pořídit snímače
T
fietí ãíslo zpravodaje ze Souboru zpravodajÛ pro oblast mûfiení a regulace firmy OMEGA podává úplnou ‰kálu metod a postupÛ pouÏití mûfiících pfiístrojÛ a dal‰ích zafiízení pro mûfiení síly a síle pfiíbuzn˘ch
veliãin v rozsahu od mûfiení zrychlení po mûfiení tlaku, kroutícího (toãivého) momentu a váhy.
Snímaãe a pfievodníky, technika a technologie jejich pouÏití, které jsou urãené pro práci s tûmito na první
pohled rozdíln˘mi veliãinami, mají mnoho spoleãného. Napfiíklad tlak je, jednodu‰e vzato, síla, pÛsobící na
urãitou plochu. Velikost zrychlení je rovna hodnotû síly, dûlené velikostí hmotnosti. Váha je síla, kompenzující
vliv pfiitaÏlivé síly dané gravitací Zemû. Skuteãnû, základní rozdíly mezi technikami a technologiemi, diskutovan˘mi v následujících kapitolách, mají svÛj pÛvod v úsilí inÏen˘rsk˘ch nauk, které optimalizovalo zpÛsob vyuÏití fyzikálního principu, na kterém jsou postavena zafiízení jako napfiíklad snímaã pomûrného prodlouÏení, pro
konstrukci pfiístrojÛ, pfiesnû odpovídajících speciálním poÏadavkÛm Va‰ich aplikací.
Snímaãe a pfievodníky jsou ale jen první ãlánek z mnoha, potfiebn˘ch pro provedení správného a smysluplného mûfiení. âasto je tfieba provést, poté co byl vybrán urãit˘ snímaã, je‰tû mnoho dal‰ích rozhodnutí. Je tfieba
správnû urãit a specifikaci, tak aby byly splnûny v‰echny Va‰e poÏadavky na mûfiení, napájecí
zdroje, ãleny pro pfiizpÛsobení signálu, panelové displeje a ostatní pfiipojené pfiístroje dokonce i elektrické konektory, trubky pro kabelové rozvody, instalaãní materiál.
Nikdo nepfiichází k firmû OMEGA pouze s poÏadavkem na snímaãe pomûrného prodlouÏení nebo s poÏadavkem na váÏní ãidlo; zákazníci vyÏadují fie‰ení urãitého problému z oblasti mûfiení nebo urãité úlohy z oblasti samoãinné regulace a fiízení. Nikdo nesplní tento poÏadavek lépe
neÏ firma OMEGA .
Ve firmû OMEGA vûfiíme, Ïe je to právû tato na‰e schopnost
poskytnout Vám úplné fie‰ení problému, která, spolu s na‰ím
v˘jimeãnû kvalitním servisem, vede k tomu, Ïe se tisíce na‰ich
spokojen˘ch zákazníkÛ k nám stále vrací. Samozfiejmû Ïe také
pomáhá, Ïe máme stále pro zákazníka ihned k dispozici více
neÏ 40 000 v˘robkÛ. VyÏaduje-li v‰ak Va‰e fie‰ení v˘robek na
zakázku - originální v˘robek OEM vyrábûn˘ v malém mnoÏství,
nebo i pouze jen pomoc na‰eho inÏen˘ra pfii Va‰í aplikaci, buìte
uji‰tûni, Ïe Vám ji poskytneme.
Vûfiíme, Ïe shledáte, Ïe je toto ãíslo Zpravodaje pro Vás uÏiteãné a Ïe
najde trvalé místo ve Va‰í odborné knihovnû. V pfiípadû, Ïe jste se
z nûjakého dÛvodu dosud nesetkali se dvûma prvními ãísly, tj.
"Bezdotykové mûfiení teploty" a "Sbûr dat", doplÀte si je prosím bezplatnû tak,
Ïe nav‰tívíte na‰e webovské stránky www.omega.com.
Mrs. Betty Ruth Hollander
Chairman-CEO
OMEGA Technologies
P.S. Máte-li zájem pfiedloÏit, k publikování v budoucích vydáních Zpravodaje, nûjak˘ ãlánek nebo relevantní zprávu, pfiedloÏte mi
je prosím po‰tou (P.O. box 4047, Stamford, CT 06907, USA), FAX (203-359-7700) nebo e-mailem na adresu ([email protected]).
08
âíslo 3
ZPRAVODAJ
O firmû OMEGA
Více než očekáváte
Z
pravodaje pro oblast mûfiení a regulace firmy OMEGA , stejnû jako na‰e, dnes jiÏ legendární pfiíruãky a encyklopedie, jsou pfiipraveny tak, Ïe Vám pfiímo do rukou pfiiná‰ejí technické informace, které Vám pomohou fie‰it Va‰e
úlohy v oblastech mûfiení, regulace a samoãinného fiízení. Pokud v‰ak Va‰e potfieby pfiesáhnou moÏnosti ti‰tûného
slova - pokud budete potfiebovat pfii v˘bûru z mnoha moÏn˘ch v˘robkÛ technickou pomoc, nebo pokud se Vám bude zdát,
Ïe potfiebn˘ v˘robek není právû k dispozici - potom vûfiíme, Ïe se obrátíte na firmu OMEGA.
V souboru ZpravodajÛ nejsou nikde uvádûny inzeráty nebo reklamní materiály. Inzeráty a reklamní materiály se ve Zpravodajích nebudou vyskytovat.
Na‰i lidé, na‰e vybavení, a nበzávazn˘ pfiístup k uÏivatelskému servisu vytvofiil v oboru fiízení
a pfiístrojového vybavení pfiímo normu. Podívejme se na jeden pfiíklad na‰ich obsáhl˘ch moÏností a schopností:
• OMEGA je zapojena do ‰piãkového v˘zkumu a v˘voje, je angaÏována v nejmodernûj‰ích
v˘robních kapacitách. To v‰e nás pevnû drÏí v oblasti techniky a technologie na ãelním místû.
Na‰e V˘vojové a projekãní stfiedisko, Development and Engineering Center, je umístûno v na‰í
poboãce ve Stamfordu, Connecticut, CT. Je to domovské místo projekãních a konstrukãních laboratofií firmy OMEGA. V‰echny novû konstruované v˘robky jsou zde pfied zahájením jejich v˘roby
a uvedením na trh testovány a dále vylep‰ovány. Je zde umístûna metrologická laboratofi firmy OMEGA a dal‰í zafiízení,
urãená pro fiízení kvality v˘roby. Testy a zkou‰ky, které se zde provádûjí, zaruãují, Ïe pro svoje aplikace získáte ty nejlep‰í v˘robky.
• Pokud se t˘ká v˘roby, je na‰e vertikálnû integrované v˘robní zafiízení umístûno v Bridgeport, New York, NY, v blízkosti mûsta Philadelphia. Je zde moderní zafiízení pro v˘robu drátÛ termoãlánkÛ, jsou zde poãítaãem fiízené (CNC) válcovací stolice, zafiízení pro vstfiikové formování, svinovací stroje, oplétací stroje, protlaãovací stroje, prostfiihovací a dûrovací lisy a velmi mnoho dal‰ích strojÛ.
• OMEGA je hrdá na to, co Vám mÛÏe v oblasti mûfiící a fiídící techniky nabídnout. Pokud nelze Va‰e poÏadavky
zcela uspokojit z na‰eho ‰irokého sortimentu standardních v˘robkÛ, nabízíme své rozsáhlé, kvalitní a sofistikované, kapacity zákaznick˘ch inÏen˘rsk˘ch sluÏeb. NezáleÏí na tom, zda potfiebujete provést pouze nûjakou jednoduchou modifikaci standardního v˘robku, nebo zda poÏadujete zhotovit na zakázku cel˘ systém, OMEGA VበpoÏadavek vÏdy pfiijme
a splní. Se systémem zhotoven˘m na zakázku Vám rovnûÏ bezplatnû dodáme v˘kresovou dokumentaci systému zhotovenou v CAD, nebo zaãleníme, bez dal‰ích závazkÛ, tuto novou konstrukci do Va‰í dokumentace.
• Vûfiíme na aktivní a vstfiícné servisní sluÏby. Souãástí na‰ich v˘robních a obchodních aktivit je trvalá snaha o dosaÏení nov˘ch vy‰‰ích úrovní kvality. Pracujeme podle norem ISO 9000. Tento nበsystematick˘ pfiístup k otázkám kvality dále
zvy‰uje na‰e v˘hodné postavení v konkurenãní soutûÏi. Na‰e stfiediska, kde provádíme kalibraãní sluÏby a zkou‰ky kvality
jsou spolehlivé a zodpovûdné základny, které nám vÏdy a neustále pomáhají splnit poÏadavky na‰ich zákazníkÛ.
• Technické stfiedisko na‰í spoleãnosti hostí mnoho skupin spolupracujících inÏen˘rÛ a vûdcÛ, ktefií se obracejí na firmu
OMEGA s poÏadavky na ‰kolení. Na‰e pfiedná‰ková síÀ má 140 míst a je vybavena nejmodernûj‰í multimediální technikou. Poskytuje ideální v˘ukové prostfiedí pro ‰kolení, která pfiizpÛsobíme potfiebám Va‰í spoleãnosti - od základních kurzÛ
slouÏících pro osvûÏení znalostí aÏ po nároãné, podstatou problému se zab˘vající kurzy.
Struãnû fieãeno, povaÏujeme za svoji povinnost, aby základem na‰eho úspûchu byla kvalitní pfiístrojová technika a poskytování v˘jimeãnû dobr˘ch sluÏeb na‰im zákazníkÛm. Priority firmy OMEGA jsou jasné: Jsme zde proto, abychom Vám
ulehãili fie‰ení Va‰ich problémÛ.
Více informací o Zpravodaji nebo o technice a technologiích firmy OMEGA získáte na na‰í internetové adrese
www.omegaeng.cz .
ZPRAVODAJ
âíslo 3
09
1
Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN
Historick˘ pfiehled
Od Aristotela k Hawkingovi
Historický přehled
Síla a dÛsledky pÛsobení síly
Meze realizace mûfiení
P
o staletí je existence Ïivota
pfiisuzována pÛsobení urãité
základní "síly". Îivot se projevuje zmûnou a pohybem, coÏ
vyÏaduje pÛsobení a vzájemné interakce mnoÏství rÛzn˘ch sil. V ãinnosti lidí
není proto nic co by mûlo hlub‰í
základ, neÏ je mûfiení síly v jejích rÛzn˘ch projevech, patfií sem váha, tlak,
zrychlení, kroutící (toãiv˘) moment,
práce a energie.
Cílem této první kapitoly je sledovat
historick˘ v˘voj pochopení podstaty síly
a historick˘ v˘voj teorií, které na‰ly
uplatnûní v rÛzn˘ch stádiích v˘voje lidstva. PfiestoÏe se jiÏ ve v‰ech starovûk˘ch civilizacích, které vznikly v období let 8000 pfied nl. - 6000 pfied nl.
v údolích fiek v jihozápadní Asie,
Mesopotamie nebo Egypta, i u jin˘ch
v âínû a v Indii, pouÏívaly pro zv˘‰ení
síly lidsk˘ch svalÛ pákové a kladkové
systémy, datují se první pokusy o formální vyjádfiení a teoretické pochopení
síly do starovûkého ¤ecka.
Od Aristotela k Hawkingovi
Stafií fieãtí filozofové se povaÏovali za
kvalifikované k tomu, aby v oblasti vûdy
proná‰eli své názory a postoje. Jejich
názory v‰ak mûly málo spoleãného
s reáln˘m svûtem. Aristotelés (384 pfied
nl. - 322 pfied nl.) napfiíklad vûfiil, Ïe
pohyb hmoty je dán jejím "tvarem".
Definoval pohyb jako proces, ve kterém
"potenciál" hmoty pfiechází do "stavu"
jejího tvaru. Pfii takovémto pohledu na
pfiírodu není divu, Ïe v Aristotelov˘ch
dobách ¤ekové vytvofiili více umûleck˘ch
dûl neÏ prací spojen˘ch s nov˘mi tech10
âíslo 3
nologiemi.
Nicménû, o sto let pozdûji je jiÏ
fieck˘ fyzik Archimedés (287 pfied nl. 212 pfied nl.) prvním prÛkopníkem
v experimentálních inÏen˘rsk˘ch bádáních. Nejen Ïe objevil zesílení pÛsobící
síly pomocí kladky, ale pfii‰el i na to, Ïe
zlato o dané váze vytûsní ménû vody,
neÏ stejnû váÏící stfiíbro.
Asi o 400 let pozdûji vytvofiil astronom Clausius Ptolemaeus (Ptolemáios,
2. století nl.) první model pohybu planet.
Pfiedpokládal, Ïe se Zemû nepohybuje,
Ïe se nachází ve stfiedu Vesmíru a Ïe se
kruhov˘ch drahách.
Uplynulo dal‰í století, neÏ Galileo
Galilei (1564 - 1642) objevil, sledováním pádu rÛzn˘ch pfiedmûtÛ ze ·ikmé
vûÏe v Pise, Ïe rychlost padajícího
pfiedmûtu nezávisí na jeho váze. Pfiístup
Galilea Galilei k tomuto faktu byl pfiístupem dobrého inÏen˘ra: "Nevím sice
proã tomu tak je, ale je tomu tak.
Nemohu tento fakt odmítnout!"
Johannes Kepler (1571 - 1630)
správnû urãil, Ïe obûhy planet kolem
slunce jsou vedeny po eliptick˘ch drahách. Neznal pfiitom dÛvod, proã tomu
protiváha
zde je pfiipevnûno
váÏené tûleso
Obrázek 1-1: Bûhounové váhy, pfiezmen, pro váÏení porovnáním vah
Slunce, Mûsíc a hvûzdy otáãejí kolem
Zemû v kruhov˘ch drahách. První oprava systému vytvofieného Ptolemáiem pfii‰la o tisíc let pozdûji. Nicholas
Copernicus (MikolበKoperník, 1473 1543) nahradil ve stfiedu Vesmíru Zemi
Sluncem (vznikl tzv. heliocentrick˘
systém). ProtoÏe ani on je‰tû nechápal
v˘znam gravitaãních sil, i on pfiedpokládal, Ïe se planety pohybují po pfiesn˘ch
tak je: neznal gravitaãní sílu a její
dÛsledky. Uvedl, Ïe Slunce má urãitou
"tajuplnou sílu nebo vlastnost" která
nutí planety, aby se drÏely na sv˘ch
orbitálních drahách. Role gravitace
unikla dokonce i Blaise Pascalovi (1623
- 1662), aãkoliv správnû vysvûtlil nûkteré jevy a pojmy, které se k ní váÏí, jako
napfiíklad tlak, a barometrick˘ tlak. Byl
to také právû Pascal, kter˘ si první
ZPRAVODAJ
1
v‰iml, Ïe tlak, pÛsobící na tekutinu uzavfienou v nádobû se ‰ífií v tekutinû
v nezmen‰ené velikosti v‰emi smûry. Za
tyto jeho objevy je mu dnes vzdávána
úcta i tím, Ïe byla jeho jménem nazvána jednotka tlaku (v soustavû SI).
V˘znam gravitaãní síly byl poprve
plnû pochopen˘ Sirem Isacem
Newtonem (1642 - 1727).
Jeho gravitaãní zákon vysvûtlil jak
pád tûles k Zemi, tak pohyb nebesk˘ch
opûrná tyã
kuÏelka
a tûsnûní
referenãní
vakuum
pfiipojení
k mûfienému tlaku
mûchy
Obrázek 1-2: Tlakomûr pro mûfiení nízk˘ch
absolutních tlakÛ
tûles. Newton ovûfiil, Ïe gravitaãní
pÛsobení existuje mezi kaÏd˘mi dvûma
hmotn˘mi objekty, tûlesy. Zjistil také, Ïe
tato síla je pfiímo úmûrná souãinu hmotnosti tûles a nepfiímo úmûrná druhé
mocnicnû
jejich
vzdálenosti.
Gravitaãní, pfiitaÏlivá, síla která na
tûleso pÛsobí na Zemském povrchu, je
dána, a mûfií se váhou, tohoto tûlesa.
Intenzita gravitaãního pole Zemû, daná
gravitaãním zrychlením (g), se mûní
v rozmezí od 9.78 m/s2 na hladinû
mofie na rovníku do 9.832 m/s2 na hladinû mofie na zemsk˘ch pólech.
Newton shrnul své vysvûtlení pohybu
do tfií zákonÛ:
1. Zákon setrvaãnosti: Tûleso klade pfiirozen˘ odpor ke zmûnû své rychlosti nebo
svého smûru. Jak tûleso, nacházející se
v klidu, tak tûleso nacházející se v pohybu,
ZPRAVODAJ
má snahu ve svém stavu setrvávat.
2. Zákon o zrychlení (zákon síly):
Hmotnost (m) tûlesa je ãíselnou mírou
jeho setrvaãnosti. Zrychlení (a) tûlesa
které vzniká pÛsobením síly na tûleso
o hmotnosti m lze vyjádfiit rovnicí
a = F/m. âím je tedy hmotnost tûlesa
vût‰í, tím men‰í bude jeho zrychlení po
pfiivedení urãité dané síly na tûleso.
3. Zákon akce a reakce: KaÏdá
akce vyvolává stejnou reakci. Reakce
má opaãn˘ smûr neÏ akce.
Po Newtonovi se proces v pochopení jevÛ a pojmÛ spojen˘ch se sílou zpomalil. James Prescott Joule (1818 1889) urãil vztah mezi teplem a rÛzn˘mi formami mechanické energie. Zjistil
také, Ïe se energie neztrácí ale pouze
transformuje (zákon zachování energie), definoval pojem potenciální energie (schopnost síly konat práci), a zjistil, Ïe vykonaná práce (vynaloÏená
energie) je dána souãinem pfiivedené
síly a vzdálenosti, po kterou pÛsobila.
Jako v˘raz uznání jeho pfiínosu ke
vûdû je jednotka práce a energie v soustavû SI nazvána jeho jménem.
Dal‰í velkou zmûnu v na‰em chápání
jevÛ a pojmÛ spojen˘ch s energií pfiinesl
Albert Einstein (1879 - 1955). Prokázal,
Ïe rychlost svûtla (c = 300 000 km/s) je
nejvût‰í teoretická rychlost, se kterou se
mÛÏe pohybovat hmotné tûleso a Ïe
hmotnost (m) a energie (e) jsou vzájemnû ekvivalentní a zamûnitelné: e = mc2.
Einsteinova teorie relativity odstranila rozpory v Newtonovû mechanice
a
vysvûtlila
je
geometricky:
Nahromadûní, koncentrace, hmotnosti
(masy) zpÛsobuje zakfiivení ãasoprostorového kontinua a vede ke vzniku
"gravitaãních vln". PfiestoÏe je pfiínos
Alberta Einsteina k pokroku vûdy
nesmírn˘, cíl, kter˘m bylo vytvofiení
jednotné teorie pole (jednotné mnoÏiny
Historick˘ pfiehled
zákonÛ, vysvûtlujících gravitaci, elektromagnetismus, a chování elementárních ãástic), mu unikl.
Edwin Powel Hubble (1889 - 1953)
dále zlep‰il na‰e poznání Vesmíru.
Zjistil, Ïe pozorujeme-li Vesmír v libovolném smûru, jeví se stále stejn˘, a Ïe
vzdálenosti mezi galaxiemi se stále
zvût‰ují. Podle Hubbela zaãala tato
expanze Vesmíru pfied 10 aÏ 20 miliardami rokÛ "velk˘m tfieskem" a ãasoprostorová stuktura, kterou nበVesmír
vyplÀuje, se stále zvût‰uje.
Carlo Rubbia (1934 - ) a Simon van
der Meer (1925 - ) roz‰ífiili dále na‰e
chápání síly objevem elementárních
ãástic W a Z, které transportují "slabé
síly" pfii rozpadu atomÛ. Stephen
Hawking (1952 - ) posunul na‰e znalosti je‰tû dále svojí teorií stringÛ.
Stringy lze chápat jako nepatrné kmitající smyãky, ze kter˘ch se odvozuje jak
energie, tak hmotnost (masa). Tato teorie slibuje sjednotit Einsteinovu teorii
relativity, která popisuje gravitaci a síly
pÛsobící v makrosvûtû, s kvantovou teorií, která popisuje síly na atomární
kuÏelka
a tûsnûní
opûrná tyã
mûchy
zaráÏka
pfiipojení
k mûfienému tlaku
referenãní
atmosférick˘ tlak
Obrázek 1-3: Tlakomûr pro mûfiení relativního tlaku
a subatomární úrovni.
Síla a důsledky působení síly
Síla je veliãina, schopná mûnit velikost,
âíslo 3
11
Historick˘ pfiehled
1
rozmûr, tvar nebo pohyb urãitého tûlesa. Síla je mûfiiteln˘ vektor, a jako taková má svÛj smûr a svoji velikost.
Jednotkou velikosti síly je v SI soustavû
jeden newton, v britsko-americké soustavû se síla mûfií v librách.
souosé
pÛsobení
square inch, (psi), libry na ãtvereãní
palec nebo v soustavû SI v newtonech
na ãtvereãní metr, tj v pascalech (Pa).
Proces, pfii kterém na urãit˘ objekt
pÛsobí vnûj‰í tlak s cílem sníÏit objem
objektu se naz˘vá komprese. Vût‰ina
úhlové
poru‰ení souosoti
rovnobûÏné
poru‰ení souosoti
Obrázek 1-4: PruÏné spojky pro trubky napojené na váÏen˘ objekt
Nachází-li se tûleso v pohybu, lze
energii jeho pohybu kvantifikovat souãinem jeho hybnosti a jeho rychlosti (hybnost tûlesa je daná souãinem hmotnosti
tûlesa a jeho rychlosti). Pokud je tûleso
volné, má moÏnost se pohybovat, mûní
se pÛsobením síly rychlost tûlesa.
V pfiírodû se setkáváme se ãtyfimi
základními typy sil. Jsou to gravitaãní
síla, magnetická síla, silné jaderné síly
a slabé jaderné síly. Nejslab‰í z uveden˘ch sil je síla gravitaãní. Je to také síla,
která se nejsnadnûji pozoruje, protoÏe
pÛsobí na v‰echna tûlesa a je vÏdy pfiitaÏlivá, pÛsobí pfiitom na nekoneãnou
vzdálenost. Velikost gravitaãní síly se
vzdáleností klesá, síla ale zÛstává vÏdy
mûfiitelnou. RovnováÏné polohy tûlesa
lze tedy dosáhnout pouze tehdy, je-li
pÛsobení pfiitaÏlivé gravitaãní síly
vykompenzováno nûjakou jinou silou,
pfiíkladem je vzhÛru pÛsobící síla, kterou
pÛsobí zemsk˘ povrch na na‰i nohu.
Tlak je dán podílem síly, pÛsobící na
urãit˘ povrch, a velikosti tohoto povrchu.Tlak se mûfií v jednotkách síly dûlen˘ch jednotkami plochy: pounds per
12
âíslo 3
pevn˘ch látek a kapalin je prakticky
nestlaãitelná. Plyny jsou stlaãitelné.
První zákon o plynech, tzv. BoylÛv
zákon, fiíká, Ïe tlak a objem plynu jsou
pfii stálé teplotû vzájemnû nepfiímo
úmûrné : PV = k, kde P je velikost tlaku,
V je velikost objemu a k je konstanta
úmûrnosti. Druh˘ zákon o plynech, tzv.
CharlesÛv zákon, fiíká, Ïe objem plynu
pfii stálém tlaku je pfiímo úmûrn˘ absolutní teplotû plynu: V = kT, kde T je hodnota absolutní teploty.Podle tfietího
zákona o plynech je tlak plynu pfii stálém objemu pfiímo úmûrn˘ absolutní
teplotû plynu: P = kT.
Kombinací a slouãením tûchto tfií
zákonÛ získáváme stavovou rovnici pro
ideální plyn: PV = kT. Tato pfiibliÏná rovnice velmi dobfie vyhovuje pro vût‰inu
plynÛ pfii relativnû mal˘ch tlacích (tlacích, které nejsou blízké k tlakÛm pfii
kter˘ch dochází ke zkapalÀování plynÛ)
a relativnû vysok˘ch teplotách (teplotách, které nejsou blízké k teplotám, pfii
kter˘ch dochází ke kondensaci plynÛ).
Meze realizace měření
Jedno z hlavních omezení, se kter˘mi se
pot˘ká celá nauka o mûfieních je dáno
skuteãností, Ïe v‰echna mûfiení jsou
relativní. KaÏd˘ snímaã proto obsahuje
referenãní bod, se kter˘m se musí mûfiená hodnota veliãiny srovnávat.
Bûhounové váhy, pfiezmen, byl jeden
z prvních snímaãÛ relativní hodnoty,
které ãlovûk vytvofiil. Pfiezmen byl vynalezen˘ pro mûfiení váhy tûlesa (Obrázek
1-1). Je tvofien˘ nosníkem zavû‰en˘m
na hák (A nebo B). VáÏené tûleso se
upevní na krat‰í rameno páky a protiváha se posouvá po del‰ím rameni tak
dlouho, aÏ je dosaÏeno rovnováhy.
Pfiesnost takovéhoto váÏení závisí na
pfiesnosti, se kterou je urãena referenãní
váha (protiváha) a na pfiesnosti, se kterou je poloha protiváhy urãena.
Obdobnû tomuto pfiíkladu jsou
chyby pfii mûfiení tlaku ãasto zpÛsobeny, kromû jin˘ch vlivÛ zpÛsobujících
nepfiesnost snímaãe, nepfiesn˘mi hodnotami referenãních tlakÛ. Má-li b˘t
mûfien absolutní tlak, mûla by b˘t absolutní hodnota referenãního tlaku rovna,
Obrázek 1-5: Typická instalace silomûru
teoreticky, nule - mûla by odpovídat
absolutnímu, úplnému, vakuu. Ve skuteãnosti ale nelze v referenãní komÛrce,
vlnovcovém mûchu (Obrázek 1-2),
absolutní vakuum vytvofiit. Lze se
ZPRAVODAJ
1
k nûmu pfiiblíÏit na nûkolik tisícin mm
sloupce Hg (torrÛ). Znamená to, Ïe
jako nulov˘ referenãní bod je pouÏita
nenulová hodnota veliãiny. âím bude
tato hodnota referenãního tlaku vût‰í,
tím vût‰í bude v˘sledná chyba mûfiení.
Jin˘m zdrojem chyb pfii mûfiení absolutního tlaku je ztráta referenãního
vakua v dÛsledku pronikání vzduchu
do referenãní komÛrky.
V pfiípadû mûfiení relativního tlaku
vzhledem k atmosferickému tlaku, "pfietlaku" oproti atmosferickému tlaku, je
referenãním tlakem atmosférick˘ tlak,
kter˘ je promûnn˘ (Obrázek 1-3).
V˘stupní údaj snímaãe se proto mÛÏe
mûnit i tehdy, kdyÏ se mûfien˘ tlak
nemûní, zmûna v˘stupního údaje mÛÏe
b˘t dána zmûnou referenãního tlaku.
Barometrick˘ tlak se mÛÏe mûnit aÏ
o 25 mm sloupce rtuti (340 mm vodního sloupce), coÏ mÛÏe v nûkter˘ch pfiípadech sdruÏen˘ch mûfiení vést k pfiíli‰
velké a nepfiípustné chybû. Podle definice mûfií sdruÏen˘ snímaã relativních
tlakÛ, sdruÏen˘ tlakomûr, jak kladné,
tak záporné relativní tlaky o absolutních
hodnotách blízk˘ch absolutní hodnotû
atmosférického tlaku.
UvaÏujme napfiíklad oplá‰Èovan˘
chemick˘ reaktor. Typick˘m pfiíkladem
je reaktor, ve kterém (v situaci kdy není
uzavfien˘) musí b˘t vytvofieno technické
vakuum o hodnotû 10 torÛ (10 mm
sloupce Hg). Po vyãerpání vzduchu
musí b˘t reaktor vyãi‰tûn inertním plynem, tlak v reaktoru se pfiitom musí
udrÏovat na hodnotû o 25 mm vodního
sloupce vy‰‰í, neÏ je atmosferick˘ tlak.
Neexistuje Ïádn˘ snímaã, pracující
s jednou referenãní hodnotou tlaku,
kter˘ by byl schopn˘ správnû urãit obû
v˘‰e uvedené hodnoty tlaku. PouÏije-li
se snímaã, kter˘ má za referenãní hodnotu vakuum, nelze tento snímaã pro
ZPRAVODAJ
nastavení hodnoty pfietlaku 1 mm oproti atmosferickému tlaku pouÏít. Pfiístroj
nemá informaci i tom, jaká je skuteãná
hodnota barometrického tlaku. Na
druhé stranû, pouÏije-li se snímaã,
kter˘ má za referenãní hodnotu barometrick˘ tlak, nelze tento snímaã pouÏít
pro nastavení hodnoty absolutního
stropní
konstrukce
Historick˘ pfiehled
pohybu musí b˘t ale umístûn pevnû
a zaji‰tûn. To se ov‰em mnohem snadnûji fiekne neÏ provede.
Voln˘ pohyb nádoby ve vertikálním
smûru se dosáhne tehdy, je-li nádoba
podepfiena pouze snímaãem síly, silomûrem. (Velikost vertikálního stlaãení
moderních silomûrÛ je men‰í neÏ 0,25
stavební
konstrukce
snímaã mûfiící
tahovou sílu
opûrné tyãe
nádoba
kolové
klouby
opûrné tyãe
Obrázek 1-6: ¤e‰ení ustálení nádoby
tlaku 10 torrÛ. DÛvodem je, Ïe v tomto
pfiípadû se referenãní hodnota barometrického tlaku mÛÏe mûnit aÏ o 25 torÛ
- tedy více, neÏ je celková hodnota,
která má b˘t mûfiena.
Nyní, kdyÏ jsou k disposici mikroprocesory, je moÏné vybavit jeden snímaã tlaku dvûma referenãními hodnotami tlaku a ponechat na inteligenci
pfiístroje, aby sám rozhodl, kterou
z obou referenãních hodnot pro dané
mûfiení pouÏije.
Dal‰ím dÛleÏit˘m hlediskem pfii
mûfiení veliãin, váÏících se k pÛsobení
síly je eliminovat, odstranit nebo potlaãit, v‰echny sloÏky sil, které se k danému mûfiení nevztahují. Mûfií-li se napfiíklad hmotnost obsahu nádoby nebo
reaktoru, je nutné umístit kontejner tak,
aby se ve vertikálním smûru choval
jako volné tûleso, ve smûrech horizontálního posunu a moÏného rotaãního
mm.) Znamená to, Ïe v‰echny trubky,
elektrické vodiãe a opûrné tyãe, které
jsou k nádobû pfiipevnûny, musí b˘t
navrÏeny tak, aby nekladly vertikálnímu pohybu nádoby Ïádn˘ odpor.
U reaktorÛ, které pracují pod tlakem to
obvykle vyÏaduje pouÏít ohebné trubkové spoje, umístûné v horizontální
rovinû (Obrázek 1-4). Pro fixaci opûrn˘ch tyãí je obvykle tfieba pouÏít tyãe
s kulov˘mi klouby. Aby se dosáhlo co
nejlep‰ích v˘sledkÛ, pouÏívají se obvykle u vût‰ích trubek dvû horizontálnû
instalované pruÏné spojky umístûné za
sebou v sérii.
Je rovnûÏ dÛleÏité chránit a izolovat
silomûr pfied pÛsobením horizontálních
sil. Tyto síly mohou b˘t zpÛsobeny teplotní roztaÏností, nebo zrychlováním
a zpomalováním vozidel pojíÏdûjících
po váÏící plo‰e. Je proto dÛleÏité, aby
byly silomûry instalovány buì volné
âíslo 3
13
Historick˘ pfiehled
1
vzhledem k horizontálnímu pohybu
(Obrázek 1-5), nebo aby byly vybaveny adaptérem, kter˘ boãnímu zatíÏení
silomûrÛ prakticky zabrání. Koneãnû,
nádoby, zejména reaktory ve kter˘ch se
provádí míchání obsahu, je tfieba ustálit a uklidnit, tj. je tfieba zabránit jejich
rotaãnímu pohybu. Dosáhne se toho
instalací tfií opûrn˘ch tyãí, kaÏdá z tyãí
má dva kulové klouby (Obrázek 1-6).
VáÏení je umûní, které vyÏaduje velkou dávku zdravého selského rozumu.
Úspû‰n˘ váÏící systém vyÏaduje, aby
byly opûry váÏené nádoby pevné,
nepruÏné, a aby byly kvÛli stabilitû
umístûny nad tûÏi‰tûm nádoby. Je to
zejména dÛleÏité u venkovních váÏících
systémÛ, kde je tfieba poãítat s pÛsobením vnûj‰ích sil, napfiíklad síly vûtru. Je
také dÛleÏité, aby byla hmotnost rozloÏena na jednotlivé silomûry rovnomûrnû. Tato úvaha vede k poÏadavku umístit v‰echny doteky, na které zatíÏení
pÛsobí, do jedné roviny. ProtoÏe je
rovina urãena tfiemi body, dosáhne se
nejsnadnûji stejného rozloÏení zatíÏení
pfii pouÏití tfií silomûrÛ.
Zdrav˘ selsk˘ rozum nám také fiíká,
Ïe pokud mûfiené zatíÏení není maximální, nebo pokud nejsou silomûry
správnû ocejchovány, nemÛÏe pfiesnost
celého systému dosáhnout pfiesnosti
vlastních silomûrÛ (která je obvykle
14
âíslo 3
0.02 % nebo lep‰í). Pfiesnost vysoce
kvalitních silomûrÛ nepfiiná‰í Ïádn˘
uÏitek, jsou li kalibrovány srovnáním
s údaji na prÛtokomûrech, které mají
chybu 1 % nebo vût‰í. Jediná cesta
která vede k plnému vyuÏití v˘hod
dan˘ch pozoruhodn˘mi moÏnostmi
pfiesn˘ch moderních silomûrÛ je pouÏít
pro nulování a kalibrování systému
pfiesná závaÏí. Je také dÛleÏité pamatovat na skuteãnost, Ïe závaÏí mohou
b˘t pfiipevnûna na nádobu pouze
tehdy, jsou li tam pro nû zfiízeny háky
nebo plo‰iny.
ProtoÏe se pfiesnost silomûrÛ udává
v procentech z plného rozsahu zafiízení, je také dÛleÏité dobfie zváÏit rozsah
hodnot, které mají b˘t mûfieny.
Znamená to, Ïe relativní chyba konkrétního mûfiení, odpovídající, fieknûme,
pfiesnosti silomûrÛ 0.02 %, je funkcí celkové mûfiené hmotnosti. Je-li celková
mûfiená hmotnost reaktoru 100 000 kg,
je absolutní chyba váÏení 20 kg. Má-li
se ale uveden˘m zpÛsobem do tohoto
reaktoru vsadit dávka 100 kg katalyzátoru, bude relativní chyba mûfiení, místo
0.02 %, rovna 20 %.
T
Odkazy na literaturu, zdroje dalších informací
• Black Holes and Baby Universes and Other Essays, Hawking
Stephen, Bantam Books, 1993.
•
•
Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995.
•
Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, 10th Edition,
Eugene A. Avollone and Theodore Baumeister, McGraw-Hill, 1996.
•
McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Science and Technology,
McGraw-Hill, 1998
•
Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7th Edition, Robert H.Perry,
Don W. Green and James O. Maloney, McGraw-Hill, 1996.
•
Process Control Systems: Application, Design and Tuning,
4th Edition, F.Greg Shinskey, McGraw-Hill, 1996.
•
Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia, Douglas M. Considine
and Glen D.Considine, Van Nostrand 1997.
Instrumentation Reference Book, 2nd Edition, B.E. Noltingk,
Butterworth - Heinemann, 1995
ZPRAVODAJ
2
Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN
Snímaã pomûrného prodlouÏení
Kontrukce snímaãÛ
Snímač poměrného prodloužení
P
Ûsobí-li na nepohybující se
tûleso síly, vyvolávají v tûlese
mechanická napûtí a v tûlese
lze zjistit pomûrná prodlouÏení. Mechanické napûtí je definováno
pomocí vyvolan˘ch reaktivních sil,
které vznikají a pÛsobí uvnitfi tûlesa,
pomûrné prodlouÏení je definováno
jako deformace a zmûna tvaru tûlesa.
Pro rovnomûrné rozloÏení vyvolan˘ch
vnitfiních reaktivních sil lze mechanické
napûtí urãit jako podíl velikosti síly
(F) velikostí plochy (A), na kterou síla
pÛsobí (Obrázek 2-1).
mechanické napûtí () = F/A)
Pomûrné prodlouÏení je definováno
jako velikost deformace, pfiipadající,
po pfiivedení zátûÏe na tûleso, na jednotku délky tûlesa. Pomûrné prodlouÏení se vypoãítá dûlením celkové zmûny
délky tûlesa pfii zatíÏení tûlesa délkou
(L) nezatíÏeného tûlesa:
pomûrné prodlouÏení () = (L/L)
Typické hodnoty pomûrného prodlouÏení jsou men‰í neÏ 0.005 mm/mm.
Pomûrné prodlouÏení se proto ãasto
vyjadfiuje jednotkách pro pomûrné mikroprodlouÏení:
pomûrné mikroprodlouÏení =
pomûrné prodlouÏení . 106
Pomûrné prodlouÏení mÛÏe b˘t tahové
(nataÏení tûlesa) nebo tlakové (stlaãení
tûlesa). Mûfií se obvykle mûrkami pro
mûfiení pomûrného prodlouÏení,
mûfiidly pomûrného prodlouÏení, tenzometrick˘mi mûrkami, dále: tenzometry. První kdo zvefiejnil, Ïe kovové vodiãe vykazují pfii pomûrném prodlouÏení
ZPRAVODAJ
zmûnu svého elektrického odporu byl
v r. 1856 Lord Kelvin. V praktick˘ch
aplikacích se tento jev uplatÀuje od tfiicát˘ch let 20. století.
V principu pracují v‰echny mûrky
pro mûfiení pomûrného prodlouÏení
Mûfiící obvody
Aplikace a instalace
ného odporu teplota, vlastnosti materiálu, lepidlo kter˘m je tenzometr pfiipevnûn˘ k povrchu, stabilita kovu.
Vzhledem k tomu, Ïe vût‰ina materiálÛ
nemá stejné vlastnosti ve v‰ech smûrech, je pro úplnou anal˘zu problému
F
síla
(F)
síla
(F)
L
velikost plochy A
mechanické napûtí (σ) =
síla/velikost plochy = F/A
∆L
pomûrné prodlouÏení (ε) =
zmûna délky/délka = ∆L/L
Obrázek 2-1: Definice mechanického napûtí a pomûrného prodlouÏení
tak, Ïe pfievádûjí mechanick˘ pohyb na
elektrick˘ signál. Zmûna kapacitance,
induktance nebo rezistance snímaãe je
pfiímo úmûrná hodnotû pomûrného
prodlouÏení, mûfieného mûrkou. Je-li
aplikováno pomûrné prodlouÏení na
drát, drát se mírnû prodlouÏí a jeho
prÛfiez se zmen‰í. To má za následek
zmûnu odporu drátu (R) která je pfiímo
úmûrná citlivosti odporu drátu (S) na
pomûrné prodlouÏení. Citlivost mûrky
na pomûrné prodlouÏení se také naz˘vá faktor mûrky (GF), Gauge Factor.
Pfiivede-li se na snímaã pomûrné prodlouÏení, pak je GF urãen˘ vztahem
GF = (R/R)/(L/L) =
(R/R/ pomûrné prodlouÏení)
Ideální tenzometr by mûnil svÛj odpor
pouze v dÛsledku deformace povrchu,
na kter˘ je pfiipevnûn˘. Ve skuteãn˘ch
aplikacích ale ovlivÀují hodnotu mûfie-
znalost pouze axiálního, souosého,
pomûrného prodlouÏení nedostateãná.
Je také tfieba mûfiit zkos ve smyku (zkos
ve stfiihu), veliãinu analogickou pomûr-
síla
γ
kniha
Obrázek 2-2: Zkos ve smyku
nému prodlouÏení, Piossonovo pomûrné prodlouÏení (kombinace pomûrného
prodlouÏení pfii protaÏení a zúÏení
tûlesa), pomûrné prodlouÏení v ohybu
âíslo 3
15
Snímaã pomûrného prodlouÏení
2
(pomûrné prodlouÏení vyvolané ohybov˘m momentem), veliãiny analogické
pomûrnému prodlouÏení, a zkos ve
smyku pfii torzi (zkos ve smyku pfii
kou drátu roste i elektrick˘ odpor drátu.
Pomûrné prodlouÏení v ohybu
(pomûrné prodlouÏení vyvolané ohybov˘m momentem), se vypoãítá tak, Ïe se
D
F
D-∆D
F
L
L+∆L
pfiíãné pomûrné prodlouÏení (εt) = ∆D/D
podélné pomûrné prodlouÏení (εl) = ∆L/L
Poissonova konstanta (υ) = -[(∆D/D)/(∆L/L)] = -(εt/εl)
Obrázek 2-3: Poissonovo pomûrné prodlouÏení
krutu), veliãinu analogickou zkosu ve
smyku. KaÏdé z nich vyÏaduje jinou
konstrukci nebo sestavu tenzometru.
Zkos ve smyku, (zkos ve stfiihu),
vyjadfiuje situaci, kdy se tûleso pÛsobením mechanického napûtí deformuje
úhlovû. Pfiedstavme si Ïe síla pÛsobí na
horní pravou hranu silné knihy leÏící na
stole. ZpÛsobuje, Ïe kniha dostává
jak˘si lichobûÏníkov˘ tvar (Obrázek 22). Zkos ve smyku (zkos ve stfiihu),
mÛÏe b˘t v tomto pfiípadû vyjádfien˘
pomocí úhlu, mûfieného v radiánech,
daného vertikální osou y a polohou
hrany knihy po deformaci. Zkos ve
smyku je roven˘ tangentû tohoto úhlu.
Poissonovo pomûrné prodlouÏení
vyjadfiuje situaci, kdy v napjaté tyãi
dochází jak ke ztenãení tyãe, tak k jejímu prodlouÏení (Obrázek 2-3).
Poissonovo pomûrné prodlouÏení je
definováno jako zápornû vzat˘ pomûr
pomûrného prodlouÏení v pfiíãném,
transverzálním, smûru (pomûrné prodlouÏení je zpÛsobené zmen‰ením
polomûru tyãe k pomûrnému prodlouÏení v podélném smûru. Se zmen‰ujícím se polomûrem drátu a rostoucí dél16
âíslo 3
urãí vztah mezi velikostí síly a mezi velikostí ohybu, kter˘ tato síla vyvolává.
Zkos ve smyku pfii torzi (zkos ve
smyku pfii krutu se nemûfií tak ãasto jako
jiné typy pomûrného prodlouÏení. Zkos
ve smyku pfii torzi se mûfií tehdy, kdyÏ je
tfieba urãit pomûrné prodlouÏení, vzniklé kroucením. Zkos ve smyku pfii torzi se
vypoãítá dûlením torzního mechanické
napûtí modulem pruÏnosti ve smyku.
Konstrukce snímačů
Pro mûfiení deformace tûlesa lze pouÏít
mechanické, optické, akustické, pneumatické a elektrické prostfiedky. První
snímaãe pomûrného prodlouÏení byly
mechanické pfiístroje, které mûfiily
pomûrné prodlouÏení mûfiením zmûny
délky, porovnáním délky namáhaného
tûlesa s pÛvodní délkou tûlesa.
Pfiíkladem je extenzometr, prÛtahomûr,
pfiístroj kter˘ pomocí soustavy pák zvût‰uje velikost pomûrného prodlouÏení
na hodnotu, kterou je moÏno odeãíst.
Obecnû je v‰ak moÏno fiíci, Ïe mechanická zafiízení mají sklon k malé rozli‰ovací schopnosti, Ïe jsou rozmûrná
lepidlo
tenzometr
napínan˘
detektor
síly
A. dotykov˘ kovov˘ foliov˘
tenzometr, pfiipevnûn˘
lepením
plátek polovodiãe
odpor
B. polovodiãov˘ plátek s odporem nanesen˘
na substrát pomocí difuse a pfiipevnûn˘
k povrchu pomocí tenké vrstvy lepidla
tenká vrstva
epoxidového
lepidla
isolace, SiO2
tensometr
C. tenkovrstv˘ tenzometr (thin-film)
molekulárnû (bez lepení) spojen˘
s keramickou podloÏkou, která je
nanesena pfiímo na napínan˘
detektor síly
tensometr
D. difúzní polovodiãová mûrka
Obrázek 2-4: Konstrukce tenzometrick˘ch snímaãÛ pomûrného prodlouÏení
ZPRAVODAJ
2
a Ïe se s nimi obtíÏnû pracuje.
Optické snímaãe jsou citlivé a jsou
pfiesné, jsou ale kfiehké a choulostivé
a v prÛmyslov˘ch aplikacích nejsou pfiíli‰ Ïádané. Pro mûfiení pouÏívají interferenãní prouÏky generované optick˘mi
rovinami. Optické snímaãe pracují nejlépe v laboratorních podmínkách.
Z fyzikálních veliãin, které se mûní
úmûrnû velikosti pomûrného prodlouÏení je ve snímaãích nejãastûji pouÏívan˘ elektrick˘ odpor. Byly zkonstruovány
a jsou k disposici i tenzometrické snímaãe zaloÏené na zmûnû kapacitance
a na zmûnû induktance. PouÏití tûchto
snímaãÛ v aplikacích je v‰ak omezeno
jejich citlivostí na vibrace, poÏadavky
na montáÏ a jejich obvodovou nároãností. Fotoelektrické snímaãe pouÏívají
svûteln˘ paprsek, dvû pfiesné jemné
mfiíÏky a detektor s fotobuÀkou, generují proud, kter˘ je úmûrn˘ mûfienému
pomûrnému prodlouÏení. Délka mûrky
mÛÏe b˘t u tûchto snímaãÛ men‰í neÏ
1,6 mm, snímaãe jsou ale drahé a také
kfiehké a choulostivé.
První spojn˘ (mechanicky manuálnû
pfiipevÀovan˘) drátov˘ tenzometr byl
vyvinut˘ v roce 1938. Kovov˘ tenzometr fóliového typu sestává z mfiíÏky tvofiené vláknem drátu (odporu, o síle pfiibliÏnû 0.025 mm, pfiilepené tenkou
vrstvou epoxidového lepidla pfiímo na
povrch napínaného tûlesa (Obrázek 24 A).PÛsobí-li na tûleso síla, je zmûna
délky povrchu tûlesa pfiená‰ená na
odpor tenzometru. Odpovídající
pomûrné prodlouÏení se mûfií pomocí
mûfiení elektrického odporu foliového
tenzometru. Odpor tenzometru lineárnû závisí na jeho pomûrném prodlouÏení. Foliová membrána a lepidlo, kter˘m se tenzometr pfiipevÀuje na povrch
musí b˘t pro pfienos pomûrného prodlouÏení vzájemnû pfiizpÛsobeny,
lepidlo musí také slouÏit jako elektrick˘
izolant mezi mfiíÏkou fólie a povrchem.
ZPRAVODAJ
Pfii v˘bûru tenzometru je nutno mít
na zfieteli nejen charakteristiky snímaãe
vzhledem k pomûrnému prodlouÏení,
ale také jeho stabilitu a citlivost na teplotní zmûny. Vût‰ina materiálÛ, které
jsou pro tenzometry maximálnû vhodné vzhledem k jejich citlivosti na
pomûrné prodlouÏení, jsou nane‰tûstí
také citlivá na teplotní zmûny a mají
sklon mûnit svÛj odpor se stárnutím.
Toto nemusí b˘t v˘znamné pfii mûfieních, která trvají krátkou dobu. U prÛmyslov˘ch dlouhotrvajících nepfietrÏit˘ch mûfiení je ale nutno do fie‰ení kompenzaci teplotních vlivÛ a kompenzaci
Snímaã pomûrného prodlouÏení
v˘robu tenzometrÛ jsou slitiny mûdi
a niklu a slitiny niklu a chromu.
Uprostfied padesát˘ch let 20. století
objevili vûdci v Bell Laboratories piezorezistivní vlastnosti germania a kfiemíku.
I kdyÏ tyto materiály vykazují znaãnou
nelinearitu a teplotní citlivost, mají faktor
mûrky více neÏ padesátkrát vût‰í a citlivost více neÏ stokrát vût‰í neÏ materiály
pouÏívané v tenzometrech s kovov˘mi
dráty nebo kovov˘mi foliemi.
Kfiemíkové, silikonové, plátky jsou
také pruÏnûj‰í neÏ kovové. Po uvolnûní
pomûrného prodlouÏení se lépe a pfiesnûji vracejí do pÛvodního tvaru.
drátûná mfiíÏka
vodiãe
plst
papír
Obrázek 2-5: Konstrukce spojného odporového tenzometru
driftu zahrnout.
KaÏd˘ materiál, kter˘ se pouÏívá pro
dráty v tenzometrech, má své vlastní
charakteristicky: faktor mûrky, odpor,
teplotní koeficient faktoru mûrky, teplotní koeficient odporu a stabilitu. Mezi
typické materiály pro dráty patfií konstantan (slitina mûdi a niklu), nichrom
(slitina niklu a chromu), slitiny platiny
(obvykle s wolframem), isoelastic (slitina niklu a Ïeleza), a slitiny typu karma
(slitina niklu a chromu). PouÏívají se
fólie s polovodiãov˘mi materiály.
Nejvíce pouÏívan˘mi slitinami pro
Okolo roku 1970 byly vyvinuty, pro
automobilov˘ prÛmysl, první polovodiãové (kfiemíkové) tenzometry. Na rozdíl
od ostatních typÛ tenzometrÛ vyuÏívají
polovodiãové tenzometry piezoelektrick˘ jev, kter˘ se uplatÀuje na kfiemíku
nebo na germaniu. Mûfiená zmûna
odporu nezávisí na pomûrném prodlouÏení, ale závisí na mechanickém napûtí. Dotykov˘ polovodiãov˘ tenzometr je
tvofien˘ plátkem s odporem nanesen˘m
difuzní technikou pfiímo do kfiemíkového substrátu. Plátek obvykle není vybaven˘ v˘ztuhou nebo ochranou a protoâíslo 3
17
Snímaã pomûrného prodlouÏení
2
Ïe se pro jeho pfiilepení na napínan˘
povrch pouÏívá pouze malé vrstvy epoxidového lepidla, je tfieba plátek pfiipevÀovat s velkou opatrností (Obrázek
2-4 B). Rozmûr tenzometru je mnohem
men‰í a jeho cena je mnohem niωí neÏ
o 10 % aÏ 20 %. Je-li mûfiící technika
vybavena fiídícím poãítaãem, lze tuto
nev˘hodu kompenzovat softwarem.
Dal‰í vylep‰ení pfiiná‰í tenzometrick˘
tenkovrstv˘ tenzometr, tzv. tenzometr
typu thin-film, tento tenzometr nevyÏa-
v˘stup
mV
C
R4 nebo Rg
R1
VIN
vstupní
napájecí
napûtí
VOUT
v˘stupní
napûtí
B
D
R3
R2
A
VOUT = VIN
R3
R3 + Rg
_
R2
R1 + R2
Obrázek 2-6: Schéma zapojení Wheatstoneova mÛstku
je tomu u kovov˘ch foliov˘ch tenzometrÛ. Pro pfiilepení spojn˘ch (mechanicky
manuálnû pfiipevÀovan˘ch) polovodiãov˘ch snímaãÛ se pouÏívá stejné epoxidové lepidlo, jaké se pouÏívá pro pfiilepení foliov˘ch tenzometrÛ.
Jednoznaãnou v˘hodou polovodiãov˘ch snímaãÛ oproti kovov˘m foliov˘m
snímaãÛm je jejich velk˘ odpor a velká
citlivost, jejich nev˘hodou je vût‰í citlivost
na teplotu a sklon k driftu. Dal‰í nev˘hodou polovodiãov˘ch snímaãÛ je, Ïe je
u nich závislost odporu na pomûrném
prodlouÏení nelineární, jejich statická
charakteristika se odchyluje od pfiímky
18
âíslo 3
duje pro spojné pfiipevnûní lepení
(Obrázek 2-4 C). Snímaã se vytvofií
tak, Ïe se na kovov˘, mechanick˘m
napûtím namáhan˘, povrch nejdfiíve
nanese elektrická izolaãní podloÏka,
(obvykle keramick˘ izolant) a poté se
na tuto izolaãní podloÏku nanese vlastní tenzometrická mûrka. K molekulárnímu spojení tûchto materiálÛ se pouÏívá
vakuové naná‰ení nebo pokovování
rozpra‰ováním.
ProtoÏe je tenkovrstv˘ (thin-film) tenzometr pfiipevnûn˘ na povrch vzorku
molekulárnû, je jeho instalace mnohem
stabilnûj‰í a hodnoty odporu vykazují
men‰í drift. Dal‰í v˘hodou je, Ïe detektor mechanického napûtí mÛÏe b˘t
kovová membrána nebo svazek
s nanesenou vrstvou keramické izolace.
Dal‰ím vylep‰ením v technice a technologii v˘roby tenzometrÛ jsou difúzní
polovodiãové tenzometry. Tyto tenzometry nevyÏadují pfiipevÀovací prostfiedky. Vylouãením tûchto pfiipevÀovacích prostfiedkÛ se také vyluãují chyby,
zpÛsobené jejich creepem (teãením
pevné fáze) a jejich hysterezí. Difúzní
polovodiãové tenzometry vyuÏívají pro
provedení molekulární vazby a nanesení odporov˘ch elementÛ fotolitografickou maskovací techniku a difúzi boru
v pevné fázi. Elektrické vodiãe se pfiipojují pfiímo na základní mûrku
(Obrázek 2-4 D).
PouÏití difúzních polovodiãov˘ch
tenzometrÛ je omezeno na aplikace,
kde nejsou vysoké teploty, tenzometry
vyÏadují realizovat teplotní kompenzaci. Difúznû naná‰ené polovodiãe jsou
také ãasto pouÏívány ve snímaãích pro
mûfiení tlaku. Jsou malé, levné, pfiesné,
mûfiení snímaãi jsou opakovatelná.
Snímaãe mají velk˘ mûfiící rozsah
a poskytují velk˘ v˘stupní signál. Jejich
omezením je citlivost na zmûny okolního prostfiedí, tato ale mÛÏe b˘t v pfiípadû pouÏití inteligentních mûfiících systémÛ kompenzována.
Celkovû lze shrnout, Ïe ideální tenzometr je mûrka, která je rozmûrovû
a hmotnostnû malá, levná, která se
snadno pfiipevÀuje a je vysoce citlivá
na mûfiené pomûrné prodlouÏení
a necitlivá na zmûny teploty okolí nebo
teploty mûfieného objektu.
• Spojné (mechanicky manuálně
připevňované) tenzometry
Spojné polovodiãové tenzometry jsou
schématicky uvedeny na obrázku 2-4
A a na obrázku 2-4 B. Tato zafiízení
reprezentují oblíbenou metodu mûfiení
pomûrného prodlouÏení. Tenzometr
ZPRAVODAJ
2
sestává z mfiíÏky velmi jemného drátu,
folie nebo polovodiãového materiálu,
která je mechanicky pfiipevnûna k napí-
na creep, teãení lepidla, projevujícího
se pfii zhor‰ování stavu spoje, na teplotní vlivy a na hysterezi zpÛsobenou ter-
kou citlivost, a je vhodn˘ jak pro statické, tak pro dynamické aplikace. Fóliové
tenzometry jsou k dispozici s odpory
mûrky od 0,2 mm do 100 mm.
Komerãnû dostupné tenzometry mají
délky od 0.008 palce do 4 palcÛ. Pfii
v˘bûru tenzometru se uplatÀují následující tfii základní poÏadavky a hlediska:
teplota, ve které bude tenzometr pracovat, druh pomûrného prodlouÏení, které
se bude tenzometrem mûfiit a poÏadavky
na stabilitu. Pro zaji‰tûní úspûchu aplikace je dále tfieba vybrat správn˘ materiál podloÏky, slitinu mfiíÏky, lepidlo,
a ochrann˘ obal tenzometru.
Typické tenzometry s kovovou fólií
nanému povrchu, nebo k povrchu kontaktní podloÏky, pomocí tenké izolaãní
vrstvy epoxidového lepidla (Obrázek 25). JestliÏe je kontaktní podloÏka napnuta, pfienese lepidlo pomûrné prodlouÏení na materiál mfiíÏky. Pomûrné prodlouÏení se urãuje mûfiením zmûny elektrického odporu mfiíÏky. Tvar mfiíÏky je
navrÏen˘ tak, aby tenzometr mûl, pfii co
nejmen‰í délce a ‰ífice tenzometru, co
nejvût‰í odpor.
Spojné polovodiãové tenzometry si
drÏí v aplikacích své dobré postavení.
Jsou relativnû levné, lze s nimi dosáhnout celkové pfiesnosti lep‰í neÏ
0.10%, tenzometry jsou k disposici
v mal˘ch délkov˘ch rozmûrech, jejich
vlastnosti jsou jen mírnû ovlivÀovány
teplotními zmûnami, mají malé fyzikální rozmûry a malou hmotnost, a mají
velkou citlivost. Spojné polovodiãové
tenzometry lze pouÏít pro mûfiení jak
statického, tak dynamicky se mûnícího
pomûrného prodlouÏení.
Pfii pfiipevÀování tenzometrÛ na napínan˘ povrch je tfieba vzít v úvahu, Ïe je
tenzometr napínan˘ stejnû, jako je
napínáno mûfiené tûleso. Díky materiálu lepidla, které se vkládá mezi snímaã
a napínan˘ povrch, je instalace citlivá
ZPRAVODAJ
Snímaã pomûrného prodlouÏení
Měřící obvody
Aby bylo moÏno spojn˘mi odporov˘mi
tenzometry mûfiit pomûrné prodlouÏení, musí b˘t tenzometry pfiipojeny na
elektrick˘ obvod, kter˘ je schopn˘ mûfiit
okamÏité zmûny odporu, odpovídající
zmûnám mûfieného pomûrného pro-
momechanick˘m namáháním. ProtoÏe
jsou mnohá lepidla a epoxidové pryskyfiice ke creepu náchylné, je dÛleÏité
vybrat takové pryskyfiice, které jsou pro
lepení tenzometrÛ speciálnû urãené.
Spojn˘ odporov˘ tenzometr je vhodn˘
Zdroj
konstantního (VIN )
napájecího
napûtí
A
R1
ãíslicov˘ voltmetr
DVM
R2
R3
0
1
(VOUT)
2
3
v˘stupní napûtí
Rg1
D
Rg2
E
Rg2
B
Obrázek 2-7: Schéma zapojení Chevronova mÛstku
pro práci v ‰iroké ‰kále prostfiedí. MÛÏe
se s ním mûfiit jak pomûrné prodlouÏení
na turbínách tryskov˘ch motorÛ pracujících za velmi vysok˘ch teplot, tak pomûrné prodlouÏení v aplikacích pracujících
s kryogenními kapalinami, kde jsou
nízké teploty aÏ -452 °F (-269 °C). Má
malou hmotnost a malé rozmûry, vyso-
dlouÏení. Pfievodníky tenzometrÛ jsou
obvykle tvofieny ãtyfimi prvky, elektricky
zapojen˘mi tak, aby vytváfiely
WheatstoneÛv mÛstek (Obrázek 2-6).
WheatstoneÛv mÛstek je pomûrov˘
mÛstkov˘ elektrick˘ obvod, kter˘ se
pouÏívá pro mûfiení jak konstantního,
tak dynamicky se mûnícího elektrického
âíslo 3
19
Snímaã pomûrného prodlouÏení
2
odporu.
V˘stupní
signál
Wheatstoneova mÛstku se vyjadfiuje
v milivoltech v˘stupního pomûrného
Detailní vysvûtlení podává obrázek
2-6. MÛstek je vyváÏen˘, pokud platí
R1/R2 = Rg/R3, u vyváÏeného mÛstku
R1
R1
V
zdroj
proudu
R1
Rg
voltmetr
R1
Obrázek 2-8: Schéma Ohmova obvodu ve ãtyfidrátovém zapojení
20
prodlouÏení na volty vstupního pomûrného prodlouÏení. Obvodové zapojení
Wheatstoneova mÛstku je také vhodné
pro realizaci teplotní kompenzace.
Z obrázku 2-6 je zfiejmé, Ïe pokud
jsou hodnoty odporÛ R1, R2, R3 a R4
stejné, pak po pfiivedení napûtí Vin
mezi body A a C není mezi body
B a D Ïádn˘ napûÈov˘ rozdíl. Zmûní-li
se v‰ak hodnota odporu R4 na hodnotu, která není rovna hodnotám odporÛ
R1, R2a R3, mÛstek se rozváÏí a na
v˘stupních svorkách mÛstku se objeví
elektrické napûtí. V této tzv. ãtvrtinové
konfiguraci mÛstku má odpor, kter˘ je
citliv˘ na pomûrné prodlouÏení, hodnotu Rg, odpory v ostatních vûtvích
mÛstku mají stále stejnou konstantní
hodnotu. Tenzometr, snímaã, mÛÏe ale
obsadit jednu, dvû, nebo ãtyfii vûtve
mÛstku. Celkové pomûrné prodlouÏení,
nebo v˘stupní napûtí mÛstku (Vout je
dáno rozdílem poklesu napûtí na
odporech R1 a R4, resp. Rg). Tuto skuteãnost lze zapsat jako:
je Vout rovno nule.
Libovolná malá zmûna odporu tenzometru pfiivede mÛstek do rozváÏeného stavu, mÛstek detekuje pomûrné
prodlouÏení. Je-li mÛstek nastaven˘
tak, Ïe je aktivní tenzometr umístûn˘
pouze jako odpor Rg, vede ke generování v˘stupního napûtí mÛstku malá
zmûna odporu Rg. Je-li faktor mûrky
GF, závisí hodnota pomûrného pro-
VOUT = VCD - VCB
dlouÏení mûfieného mÛstkem na hodnotách Rg a DRg vztahem
âíslo 3
pomûrné prodlouÏení = (Rg/Rg)/GF
Poãet aktivních tenzometrÛ, které
mohou b˘t v mÛstku zapojeny závisí na
konkrétní aplikaci. MÛÏe b˘t napfiíklad
uÏiteãné pfiipojovat do mÛstku dva tenzometry umístûné na opaãn˘ch stranách nosníku tak, Ïe jeden z tenzometrÛ je namáhan˘ stlaãením a druh˘ nataÏením. Pfii takovémto uspofiádání lze pfii
stejném pomûrném prodlouÏení úãinnû
dvakrát zvût‰it velikost v˘stupního signálu. V instalacích kde jsou v‰echny
vûtve mÛstku tvofieny stejn˘mi tenzometry dochází k automatické kompenzaci
vlivu teploty, zmûny odporu ke kter˘m
dochází v dÛsledku zmûny teploty jsou
ve v‰ech vûtvích mÛstku stejné.
U mÛstku se ãtyfimi aktivními tenzometry se obvykle dvû vûtve zapojují pro
mûfiení stlaãení a dvû pro mûfiení nataÏení. Jsou-li napfiíklad odpory R1 a R3
v mûrkách natahovány (kladná zmûna
odporu) a odpory R2 a R4 v mûrkách
stlaãovány (záporná zmûna odporu), je
v˘stup úmûrn˘ souãtu v‰ech ãtyfi pomûrn˘ch prodlouÏení, ãtyfiikrát vût‰í oproti
stavu, kdy by se kaÏdé pomûrné prodlouÏení mûfiilo zvlá‰È. U tenzometrÛ
R1
Rg
VOUT
zdroj
proudu
voltmetr
R1
Obrázek 2-9: Schéma obvodu napájeného konstantním proudem
zapojen˘ch v pfiilehl˘ch vûtvích se mÛstek rozvaÏuje úmûrnû rozdílu pomûrZPRAVODAJ
2
n˘ch prodlouÏení. U tenzometrÛ zapojen˘ch v protilehl˘ch vûtvích se mÛstek
rozvaÏuje úmûrnû souãtu pomûrn˘ch
prodlouÏení. Jak pfii mûfiení ohybového,
tak pfii mûfiení axiálního, posuvného,
pomûrného prodlouÏení, Poissonova
pomûrného prodlouÏení, zkosu ve
ãtyfikanálov˘ pfiepínaã, pomocí kterého
se ãíslicov˘ voltmetr (DVM) pfiipojuje
postupnû k zapojení, realizujícímu ãtvrtinov˘ (jeden tenzometr v jedné aktivní
vûtvi) a poloviãní (dva tenzometry ve
dvou aktivních vûtvích) mÛstek. Na ãíslicov˘ voltmetr je stále pfiipojena druhá,
+
DVM
R1
Rg
A
-
ãíslicov˘
voltmetr
dvoudrátové pfiipojení mÛstku
DVM
B
ãíslicov˘
voltmetr
C
Rg
tfiídrátové pfiipojení mÛstku
i=0
Rg
DVM
Rg
ãíslicov˘
voltmetr
OhmÛv obvod ve ãtyfidrátovém zapojení
kompensace ofsetu
Obrázek 2-10: Alternativní konfigurace zapojení vodiãÛ
smyku, nebo zkosu ve smyku pfii torzi,
urãuje vztah mezi v˘stupním signálem
a typem mûfieného pomûrného prodlouÏení uspofiádání tenzometru. Z obrázku
2-6 je zfiejmé, Ïe objeví-li se na tenzometrech R2 a R3 kladné pomûrné prodlouÏení vzniklé tahem a na tenzometrech R1 a R4 záporné pomûrné prodlouÏení vzniklé tlakem, v˘stupní napûtí
mÛstku Vout se nezmûní.
• Chevronův můstek
ChevronÛv mÛstek je uveden˘ na
obrázku 2-7. ChevronÛv mÛstek je vícekanálové zapojení, kter˘m se kompenzují zmûny v hodnotách odporÛ vûtve
jejich periodick˘m pfiipínáním. V ukázaném zapojení je pouÏit jednopólov˘
ZPRAVODAJ
vnitfiní, polovina mÛstku a referenãní
hodnota napájecího napûtí. Toto zapojení je nejÏádanûj‰í pfii mûfiení pomûrného prodlouÏení u strojÛ s rotujícími
ãástmi, kde vede ke sníÏení poãtu
potfiebn˘ch kontaktních krouÏkÛ.
• Ohmův obvod ve čtyřdrátovém
zapojení
I kdyÏ je WheatstoneÛv mÛstek jedním
z nejoblíbenûj‰ích prostfiedkÛ pro
mûfiení elektrického odporu, jsou k disposici i jiné metody. Hlavní v˘hodou
ãtyfidrátového zapojení Ohmova obvodu je, Ïe se mûfiené napûtí urãuje pfiímo
na tenzometrické mûrce, takÏe mûfiená
hodnota pomûrného prodlouÏení není
ovlivnûna odporem napájecích vodiãÛ
Snímaã pomûrného prodlouÏení
a vodiãÛ signálního vedení.
OhmÛv obvod ve ãtyfidrátovém
zapojení mÛÏe sestávat z voltmetru,
zdroje proudu a ze ãtyfi odporÛ vedení,
oznaãme je R1, zapojen˘ch v sérii
s odporem tenzometry Rg (Obrázek 28). Signál je na ãíslicov˘ voltmetr pfiiveden˘ pfies vysokoohmov˘ vstup voltmetru, proudov˘ zdroj ãíslicového voltmetru je vyuÏit˘ pro napájení mûfiícího
obvodu. Pro mûfiení pomûrného prodlouÏení se obvod napájí mal˘m proudem, obvykle proudem 1 mA. Voltmetr
mûfií napûÈov˘ spád na odporu Rg,
hodnotu Rg urãuje ãíslicov˘ voltmetr
(multimetr) z hodnoty mûfieného napûtí
a hodnoty proudu.
Mûfiení se obvykle provádí tak, Ïe se
zmûfií hodnota odporu tenzometru ve
stavu kdy tenzometr není namáhan˘
pomûrn˘m prodlouÏením, teprve poté
se provede druhé mûfiení ve stavu kdy je
na tenzometr pfiivedeno pomûrné prodlouÏení. Rozdíl mezi zmûfien˘mi odpory tenzometru dûlen˘ odporem tenzometru ve stavu kdy není namáhan˘
pomûrn˘m prodlouÏením je hodnota,
která spolu s faktorem mûrky (GF) slouÏí k v˘poãtu pomûrného prodlouÏení.
OhmÛv obvod ve ãtyfidrátovém zapojení je také vhodn˘ pro automatickou
korekci elektrického napûÈového ofsetu
pfiístroje. Nejdfiíve se zmûfií napûtí ve
stavu, kdy obvodem neprotéká elektrick˘ proud. Tato hodnota se potom odeãte od hodnoty napûtí, zmûfiené ve stavu,
kdy je na obvod pfiiveden˘ elektrick˘
proud. V˘sledná hodnota se pouÏije
pro v˘poãet odporu tenzometru.
Vzhledem ke své citlivosti je ãtyfidrátové
zapojení tenzometrÛ vhodné pro mûfiení dynamick˘ch pomûrn˘ch prodlouÏení o mal˘ch frekvencích. Pfii mûfiení
pomûrného prodlouÏení o vy‰‰ích frekvencích je nutné v˘stupní signál obvodu
zesílit. Stejn˘ obvod mÛÏe b˘t také pouÏit˘ s polovodiãov˘mi tenzometry
a s rychl˘m ãíslicov˘m voltmetrem. Je-li
âíslo 3
21
2
Snímaã pomûrného prodlouÏení
citlivost ãíslicového voltmetru 100 mikrovoltÛ a je-li napájecí proud obvodu
0.44 miliampéru, odpor tenzometru
350 ohmÛ a faktor mûrky je rovn˘ 100,
získáme rozli‰ovací schopnost mûfiení
6 mikrostrainÛ.
• Obvody pracující s konstantním
proudem
Odpor lze mûfiit tak, Ïe mÛstek napájíme buì ze zdroje konstantního napûtí,
nebo ze zdroje konstantního proudu.
ProtoÏe R = U/I, tak je-li U konstantní,
ru tenzometru (Rg) dynamicky se mûnící síla, mûfií se obvykle pouze ãasovû
promûnná sloÏka v˘stupního signálu
(Vout), zatímco pomalu se mûnící jevy,
jako zmûna odporu vodiãÛ v dÛsledku
teplotních zmûn, se povaÏují za nepodstatné. Pfii pouÏití takovéto konfigurace
mûfiícího obvodu je teplotní drift prakticky zanedbateln˘.
Aplikace a instalace
V˘stupem obvodu s tenzometrem je
120
zmûna faktoru mûrky v procentech
110
advance (Cu Ni)
100
nichrome
90
karma (Ni Cr +)
80
70
Slitina platiny
a volframu
-400 -200
(-240) (-129)
0
(-18)
200
(93)
400
600 800 1000 1200 1400 1600
(204) (315) (426) (538) (649) (760) (871)
teplota °F (°C)
Obrázek 2-11: Závislost faktoru mûrky tenzometru na teplotû
mûní se I v závislosti na odporu a naopak. Lze pouÏít obû metody.
I kdyÏ pouÏití zdroje konstantního
proudu nepfiiná‰í oproti pouÏití zdroje
konstantního napûtí teoreticky Ïádnou
v˘hodu (Obrázek 2-9), bude v nûkter˘ch pfiípadech v systémech pracujících
s konstantním proudem charakteristika
mÛstku lineárnûj‰í. Pfii pouÏití zdrojÛ
konstantního proudu také není nutné
mûfiit na mÛstku napûtí, coÏ umoÏÀuje
zapojit tenzometr do obvodu pouze
dvûma vodiãi.
Obvod pracující s konstantním proudem je nejvíce efektivní v pfiípadû, Ïe
se mûfií dynamické namáhání. Je tomu
tak proto, Ïe zpÛsobuje-li zmûnu odpo22
âíslo 3
napûÈov˘ signál o velmi malé úrovni,
vyÏadující citlivost mûfiícího pfiístroje
100 mikrovoltÛ, nebo lep‰í. Malá velikost signálu zpÛsobuje, Ïe je signál
v praxi náchyln˘ na ru‰ení neÏádoucím
‰umem, generovan˘m jin˘mi elektrick˘mi zafiízeními. V úvahu pfiipadají pfiedev‰ím zdroje ru‰ení dané kapacitní
vazbou vodiãÛ signálního vedení obvodu se silov˘mi kabely stfiídavého (síÈového) rozvodu pokud jsou vedeny
paralelnû se signálním vedením a zdroje ru‰ení dané zemními proudy. Jin˘mi
zdroji chyb mohou b˘t napûtí generovaná elektromagnetickou indukcí
pokud vodiãe signálního vedení procházejí promûnn˘mi magnetick˘mi
poli, porucha izolace, nebo napûtí
vzniklá na spojích rÛzn˘ch kovÛ
v dÛsledku termoefektu. Souãet tûchto
ru‰ení mÛÏe mít za následek v˘znamné
znehodnocení signálu.
• Stínění
Vût‰inu problémÛ s elektrick˘m ru‰ením
a problémÛ se ‰umem lze vyfie‰it správn˘m stínûním a zemnûním. Stínûní provedené kolem vodiãÛ signálního vedení
zachytí a potlaãí ru‰ení a mÛÏe také
sníÏit chyby dané zhor‰ením izolace.
Stínûní také chrání mûfiení pfied pÛsobením kapacitních vazeb. Vede-li se
signální vedení v blízkosti zdrojÛ elektromagnetického ru‰ení, napfiíklad
v blízkost transformátorÛ, minimalizuje
se zhor‰ení signálu elektromagnetickou
indukcí pouÏitím krouceného vedení.
Zkroucením vodiãÛ signálního vedení se
dosáhne toho, Ïe se napûtí generovaná
elektromagnetickou indukcí do jednotliv˘ch ok krouceného vedení vzájemnû
kompenzují. V prÛmyslov˘ch aplikacích
se pouÏívají stínûná a kroucená signální vedení témûfi bezv˘hradnû.
• Stínění a ochrana přístrojů
Správné stínûní a ochrana samotn˘ch
pfiístrojÛ jsou stejnû dÛleÏité jako správné stínûní signálního vedení. Stínûní
a ochrana pfiístrojÛ se realizuje kovovou plechovou krabicí, která uzavírá
analogové obvody pfiístrojÛ a která je
spojena se stínûním signálního vedení.
Pokud protékají tenzometrem nebo
jeho vodiãi zemní proudy, nerozezná
je WheatstoneÛv mÛstek od proudÛ,
generovaného proudov˘m zdrojem.
Stínûní a ochrana zaji‰Èuje, Ïe se svorky v‰ech elektrick˘ch pfiístrojÛ nacházejí na stejném potenciálu, coÏ zabraÀuje, aby obvody tekly nepatfiiãné vnûj‰í
proudy.
Spojí-li se testovan˘ objekt a záporná svorka napájecího zdroje ochrann˘m vodiãem, vytvofií se v mûfiícím
ZPRAVODAJ
2
obvodu dal‰í proudová vazba.
Vytvofiením této cesty se pfiehradí cesta
kterou teãe proud zpÛsobující chybu
mûfiení. V‰echny prvky mûfiícího obvodu které toto fie‰ení zahrnuje (tj. plovoucí napájecí zdroje, tenzometr, ve‰keré dal‰í pfiístrojové vybavení pouÏité
pro mûfiení) jsou na stejném potenciálu
jako mûfien˘ objekt. Chyba daná souhlasn˘m napûtím mÛÏe b˘t úãinnû
potlaãena pouÏitím stínûn˘ch signálních
vodiãÛ a integraãních ãíslicov˘ch voltmetrÛ opatfien˘ch stínûním a ochranou.
• Účinky signálního vedení
Tenzometry se nûkdy instalují ve vût‰í vzdálenosti od ostatního mûfiícího zafiízení.
Tím se zvy‰uje moÏnost chyby
v dÛsledku teplotních zmûn, sníÏení citlivosti signálního vedení a zmûn odporu vodiãÛ signálního vedení. U dvoudrátové instalace snímaãe (Obrázek 210 A) jsou dva vodiãe signálního vedení zapojeny v sérii s aktivním odporem
tenzometru. To má za následek, Ïe je
kaÏdá zmûna v odporu vodiãÛ (R1)
nerozeznatelná od zmûny aktivního
odporu (Rg) tenzometru.
Ke korekci vlivu vodiãÛ signálního
vedení lze pfiispût pfiipojením tfietího
vodiãe do horního uzlu aktivního odporu mÛstku, viz obrázek 2-10 B. Pfii této
konfiguraci slouÏí vodiã C pouze pro
odeãtení hodnoty mûfieného signálu,
vodiãem C neteãe Ïádn˘ napájecí elektrick˘ proud, vodiãe A a B jsou v protilehl˘ch vûtvích mÛstku. Tuto metodu lze
povaÏovat za minimální pfiípustné fie‰ení pfiipojení tenzometru k mÛstku,
zapojení alespoÀ ãásteãnû potlaãuje
chybu vzniklou na del‰ím signálním
vedení. Teoreticky platí, Ïe pokud vodiãe, které vedou v signálním vedení ke
snímaãi, mají stejn˘ jmenovit˘ odpor,
stejn˘ teplotní koeficient odporu
a pokud jsou udrÏovány na stejné teplotû, dosáhne se tfiídrátov˘m zapojením
úplné kompensace vlivu vedení. Ve skuZPRAVODAJ
teãnosti jsou vodiãe vyrábûny s tolerancí asi 10 % a tfiídrátov˘m zapojením se
chyby dané vodiãi dvoudrátového
zapojení úplnû nepotlaãí, jejich velikost
se v‰ak zmen‰í o fiád. Je-li potfieba
dal‰í zlep‰ení, lze uvaÏovat o ãtyfidrátovém zapojení a o zapojení, pomocí
kterého se kompensuje ofset (Obrázky
2-10 C a 2-10 D).
U dvoudrátov˘ch zapojení je chyba
zpÛsobená odporem signálních vodiãÛ
funkcí pomûru R1/Rg odporÛ. Chyba
zpÛsobená odporem signálních vodiãÛ
je obvykle nev˘znamná v pfiípadech,
kdy je odpor R1 vodiãe oproti odporu
tenzometru Rg mal˘, pfiesahuje-li ale
odporvodiãe 0.1 % jmenovité hodnoty
odporu tenzometru, zaãíná b˘t vedení
v˘znamn˘m zdrojem chyb. V prÛmy-
Snímaã pomûrného prodlouÏení
prodlouÏení, jako napfiíklad mûì, mûní
pfii vysok˘ch teplotách svoji vnitfiní
strukturu. Teplota mÛÏe zmûnit nejen
vlastnosti tenzometru, ale mÛÏe zmûnit
i vlastnosti základního materiálu, ke
kterému je tenzometr pfiipevnûn˘.
Rozdíly mezi teplotní roztaÏností materiálu tenzometru a teplotní roztaÏností
základního materiálu mohou zpÛsobit,
Ïe u mûfiícího prvku tenzometru dojde
ke zmûnám rozmûrÛ.
ProtaÏení nebo stlaãení mûfiícího
prvku tenzometru a/nebo základního
materiálu zpÛsobuje chybu, která se
obtíÏnû koriguje. Pfiíkladem je zmûna
odporu tenzometru nebo zmûna jeho
teplotního koeficientu odporu, které
zpÛsobují zmûnu referenãní nuly pfii
kalibraci zafiízení.
smûrnice zdánlivého pomûrného prodlouÏení
10-6 palce/palec/°F (mikronÛ/mm/°C)
100
(0.180)
slitina platiny a wolframu
75
(0.135)
50
(0.090)
nichrom
20
(0.036)
10
(0.018)
Kkarma
referenãní materiál:
nerezavûjící ocel
advance
0
(-0.009)
-5
500
(260)
600
(315)
700
(371)
800
900
(426)
(482)
teplota °F (°C)
1000
(538)
1100
(593)
1200
(649)
1300
(704)
Obrázek 2-12: Závislost zdánlivého pomûrného prodlouÏení na teplotû
slov˘ch aplikacích je proto tfieba signální vedení buì úplnû potlaãit, nebo
délky signálního vedení minimalizovat,
umístûním vysílaãe pfiímo ke snímaãi.
• Teplota a faktor měrky
Materiály, které jsou citlivé na pomûrné
Faktor mûrky je rovn˘ citlivosti tenzometru na pomûrné prodlouÏení.
V˘robce tenzometru by mûl vÏdy
poskytovat také údaje o teplotní citlivosti, závislosti, faktoru mûrky. Pro
rÛzné materiály, pouÏívané pro konstrukci tenzometrÛ ukazuje závislost
âíslo 3
23
2
Snímaã pomûrného prodlouÏení
faktoru mûrky na pracovní teplotû
obrázek 2-11. Slitiny mûdi a niklu,
napfiíklad slitina advance, mají faktory
mûrky, jejichÏ hodnota se se zmûnou
pracovní teploty mûní relativnû málo.
Tyto materiály jsou proto konstrukci
ben˘ch tûmito teplotními vlivy, mûnit
i v dÛsledku stárnutí a nestability kovu
a lepidla, nebo jiného materiálu, kter˘m je tenzometr upevnûn˘.
Kompenzace zdánlivého pomûrného
prodlouÏení je nutná tehdy, mûní-li se
ZZ
Y
X
X
Y
upevnûno
spojené
tensometry
a
R1
R3
opûrn˘
sloup
b
R2
R4
montáÏ na
spodní stranû
neutrální rovina
A) snímaã zatíÏení, silomûr
referenãní
tlak
(atmosférick˘
tlak nebo
vakuum)
mûfien˘,
technologick˘
tlak
B) krákorec
referenãní tlak
(atmosférick˘ tlak nebo vakuum)
R1
R2
R3
R4
oh˘baná
membrána
R1
R3
R2 R4
C) mûchy
mûfien˘, technologick˘ tlak
D) membrána
Obrázek 2-13: Nûkteré montáÏe tensometrÛ
tenzometrÛ pouÏívány nejvíce.
• Zdánlivé poměrné prodloužení
Zdánlivé pomûrné prodlouÏení je
kaÏdá zmûna odporu mûfiícího prvku
tenzometru, která není zpÛsobena
silou, pÛsobící na tento mûfiící prvek.
Zdánlivé pomûrné prodlouÏení je
v˘sledkem vzájemného pÛsobení, interakce, teplotního koeficientu tenzometru
a rozdílu mezi roztaÏností materiálu
tenzometru a roztaÏnosti materiálu
mûfieného objektu. Pro rÛzné materiály,
pouÏívané pro konstrukci tenzometrÛ
ukazuje závislost zdánlivého pomûrného prodlouÏení na pracovní teplotû
obrázek 2-12. Zdánlivé pomûrné prodlouÏení se mÛÏe, kromû zmûn zpÛso24
âíslo 3
v prÛbûhu mûfiení pomûrného prodlouÏení teplota. Ve vût‰inû aplikací závisí
velikost chyby na pouÏité slitinû a na
velikosti teplotních zmûn. Volba materiálu tenzometru mnohdy závisí i na
pfiesnosti, se kterou v˘sledek mûfiení
poÏadujeme. Je-li pracovní teplota tenzometru známá a je-li známá závislost
zdánlivého pomûrného prodlouÏení na
teplotû, je kompenzace moÏná.
• Přístup k řešení stability
Je Ïádoucí, aby byl systém pracující
s tenzometry stabilní a aby nevykazoval drift (kolísání nuly signálu v ãase).
U pfiístrojÛ dochází po jejich kalibraci
v prÛbûhu ãasu k nárÛstu driftu
a k postupné ztrátû kalibrace. Stabilita
spojn˘ch (mechanicky manuálnû pfiipevÀovan˘ch) tenzometrÛ je hor‰í, neÏ
stabilita difúznû naná‰en˘ch tenzometrÛ. Jednûmi z hlavních pfiíãin nestability, zejména pfii práci v prostfiedí o vy‰‰ích pracovních teplotách, jsou hysterese a creep zpÛsobené chybn˘m pfiipevnûním tenzometru.
ProtoÏe jakékoliv deformace povrchu elementu, pfievádûjícího sílu na
mechanické napûtí, vedou k chybû
v dÛsledku nestability, je tfieba pfied
montáÏí tenzometru zajistit, aby byl
element normalizovan˘ a homogenní.
Pro odstranûní zbytkov˘ch, reziduálních, napûtí v elementech je tfieba elementy pfievádûjící sílu na mechanické
napûtí opatrnû Ïíhat, ustálit, a uvolnit
jejich mechanická napûtí temperováním. Pfievodníky, které pouÏívají pro
detekci síly péra, membrány a mûchy
je také tfieba opatfiit mechanickou
ochranou, mechanickou izolací.
Mechanická izolace chrání pfievodník
pfied vnûj‰ími mechanick˘mi napûtími,
vyvolan˘mi deformací pfii montáÏi
nebo pfii pfiipevÀování elektrick˘ch
vodiãÛ k pfievodníku.
PouÏívají-li se stabilní tenzometry,
napfiíklad naná‰ené tenkovrstvé tenzometry typu thin-film, a je-li dobfie navrÏena konstrukce pfievádûjící sílu na
mechanické napûtí, jsou pro periodické
obnovování kalibrace pfiístroje postaãující vyvaÏovací a kompenzaãní
odpory. Nejstabilnûj‰í snímaãe a mûrky
jsou konstruovány z platiny a z jin˘ch
materiálÛ, které mají malé teplotní koeficienty. Je také dÛleÏité, aby pfievodník
pracoval v mezích pro které byl zkonstruován. V opaãném pfiípadû mÛÏe
docházet k trvalému ujíÏdûní kalibrace.
Vystavení pfievodníku teplotám, které
jsou mimo jeho pracovní meze mÛÏe
také vést ke znehodnocení jeho chování a provedení. Pfievodník je ze stejného dÛvodu tfieba chránit pfied vibracemi, pfied zrychlením a pfied rázem.
ZPRAVODAJ
2
Konstrukce převodníků
Tenzometry se pouÏívají pro mûfiení
odchylky, síly, zatíÏení, tlaku, kroutícího
(toãivého) momentu, váhy. Moderní
pfievodníky pracující s tenzometry
obvykle pouÏívají pro mûfiení sestavu
tvofienou ãtyfimi tenzometrick˘mi prvky,
zapojen˘mi do Wheatstoneova mÛstku.
Tenzometry jsou jedním z nejpouÏívanûj‰ích prostfiedkÛ pro mûfiení zatíÏení, síly a váhy. Obrázek 2-13 A ukazuje vertikálnû umístûn˘ opûrn˘ sloup,
nosník, kter˘ je namáhan˘ silou, pÛsobící ve smûru jeho vertikální osy. Po pfiivedení síly se opûrn˘ sloup elasticky,
pruÏnû, deformuje. Deformace má za
následek zmûnu odporu kaÏdého z tenzometrÛ. Velikost zatíÏení lze mûfiit
Wheatstonov˘m mÛstkem. Tenzometry
pro mûfiení zatíÏení jsou obecnû roz‰ífiené váÏící prvky pro mûfiení pfii váÏení nádob, nádrÏí, které jsou pouÏívané
v silech. Jejich pfiesnost pfii váÏení je
ovûfiená mnoha dal‰ími aplikacemi.
Pro mûfiení síly pfii ohybu lze tenzometry pfiipevnit na pfievislé pruÏnice,
krákorci (Obrázek 2-13 B). Tenzometr
pfiipevnûn˘ na horní stranu nosníku je
namáhan˘ na tah, tenzometr kter˘ je
pfiipevnûn˘ na spodní stranu nosníku je
namáhan˘ na tlak. Obvod pfievodníku
tvofií zapojení realizující WheatstoneÛv
mÛstek, pfievodník slouÏí pro mûfiení
velikosti síly, pÛsobící na krákorec.
Tenzometry se také ‰iroce pouÏívají
v konstrukcích prÛmyslov˘ch snímaãÛ
tlaku. Obrázek 2-13 C ukazuje mûchov˘ snímaã tlaku, u kterého je referenãní
tlak pfiiveden˘ tûsnûn˘m vstupem
dovnitfi pravého mûchu, do protilehlého
mûchu je pfiiveden˘ mûfien˘ tlak. Je-li
mezi obûma tlaky tlakov˘ rozdíl, mûfií
tenzometry pfiipevnûné na nosník, na
krákorec, v˘slednou tlakovou nebo
tahovou sílu.
ZPRAVODAJ
Membránové pfievodníky tlaku jsou
tvofieny ãtyfimi tenzometry, pfiipevnûn˘mi na membránu pfievodníku (Obrázek
2-13 D). Je-li na pfievodník pfiiveden˘
mûfien˘ tlak, jsou dva stfiední tenzometry namáhány na tah, dva krajní tenzometry jsou namáhány na tlak. Mírou
pfiivedeného mûfieného tlaku jsou
odpovídající zmûny jejich odporu.
Pokud mají v‰echny tenzometry stejnou
teplotu, uvedené fie‰ení pfievodníku je
pfiíkladem takovéhoto uspofiádání, pak
se chyby zpÛsobené zmûnami pracovní teploty vzájemnû potlaãují.
• Diagnostika instalací
V‰echny instalace, montáÏe, tenzometrÛ je tfieba testovat a kontrolovat. Pfii
kalibraci se postupuje podle následujících krokÛ:
1. Zmûfií se základní odpor nenapjatého tenzometru po jeho pfiipevnûní,
mûfiení se provede pfied pfiipojením
signálního vedení.
2. Mûfiené povrchy se zkontrolují na
zneãi‰tûní, resp. po‰kození. V pfiípadû, Ïe je napínan˘ element, na kter˘
je tenzometr pfiipevnûn˘, elektricky
vodiv˘, provede se kontrola povrchu
Snímaã pomûrného prodlouÏení
mûfiením. Zmûfií se elektrick˘ izolaãní odpor mezi mfiíÏkou tenzometru
a napínan˘m elementem. Pro mûfiení se pouÏije ohmmetr. Mûfiení je
tfieba provést pfied pfiipevnûním signálního vedení k pfiístrojÛm. Je-li
izolaãní odpor men‰í neÏ 500
megaohmÛ, je pravdûpodobné, Ïe
jsou povrchy zneãi‰tûny, resp.
po‰kozeny. Zkontroluje se, zda se
do obvodu neindukuje z vnûj‰ích
zdrojÛ elektrické napûtí. Mûfiení se
provede mûfiením v˘stupního napûtí
tenzometru ve stavu, kdy není tenzometr napojen˘ na zdroj napájecího
napûtí. Elektrická napûtí, namûfiená
na mÛstku, musí b˘t ve v‰ech kanálech tenzometrÛ blízká nule.
4. Na mÛstek se pfiipojí zdroj napájecí
energie. Zkontroluje se, Ïe elektrick˘
proud a elektrické napûtí mají správné hodnoty. Zkontroluje se stabilita
tûchto veliãin.
5. Zkontroluje se pfiipevnûní tenzometru. Tenzometrem se opakovanû
zmûfií stejné pomûrné prodlouÏení,
u správnû pfiipevnûného tenzometru
se nesmí v˘sledky li‰it.
T
Odkazy na literaturu, zdroje dalších informací
• Omegadyne
Pressure, Force, Load, Torque Databook. OMEGADYNE, Inc., 1996.
®
• The Pressure, Strain and Force Handbook . Omega Press LLC, 1996.
• Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995.
• Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, 10th Edition,
TM
Eugene A. Avollone and Theodore Baumeister, McGraw-Hill, 1996.
• Process/Industrial Instruments and Controls Handbook, 4th Edition,
Douglas M. Considine and Glen D.Considine, McGraw-Hill, 1993.
• McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Science and Technology.
McGraw-Hill, 1998.
• Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia, Douglas M. Considine and
Glen D.Considine, Van Nostrand 1997.
âíslo 3
25
3
Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN
Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin
Od mechaniky a elektronice
Měření technologických tlaků
Od mechaniky a elektronice
Praktická hlediska
M
echanické metody mûfiení
tlaku jsou známé po staletí. Mezi první snímaãe
tlaku patfií trubicové U-tlakomûry, U-manometry. Trubice tûchto
tlakomûrÛ byly pÛvodnû vyrábûny ze
skla a stupnice byly k tlakomûrÛm pfiidávány podle potfieby. Takovéto tlakomûry jsou velké, neohrabané a nejsou
pfiíli‰ vhodné pro integraci, zabudování, do obvodÛ systémÛ samoãinného
fiízení. Tlakomûry proto obvykle najdeme v laboratofiích, také se pouÏívají
jako samostatnû pracující indikátory
tlaku. Podle referenãního tlaku, se kter˘m pracují, ukazují tlakomûry buì
absolutní tlak, relativní tlak vzhledem
k atmosférickému tlaku (gague pressu-
Pfievodník diferenãního tlaku lze povaÏovat za vzor a model v‰ech ostatních
pfievodníkÛ tlaku.
Relativní tlak vzhledem k atmosférickému tlaku, tlak gauge pressure, je
definovan˘ jako relativní tlak, mûfien˘
vzhledem k dan˘m atmosférick˘m podmínkám. V tûch ãástech svûta, kde se
stále pouÏívá anglická mûrová soustava, se gauge pressure oznaãuje pfiidáním písmene "g" k údaji o jednotce.
Jednotka tlaku "pounds per square inch
gauge", "libry na ãtvereãní palec
gauge" se tedy oznaãuje zkratkou psig.
PouÏívá-li se SI soustava, je správné
pfiidávat za pouÏitou jednotku slovo
"gauge", tedy napfiíklad "Pa gauge".
Mûfií-li se absolutní tlak, bere se za
cí element tlakomûru s pfievodníkem
mechanické veliãiny na veliãinu elektrickou nebo s pfievodníkem mechanické veliãiny na veliãinu pneumatickou,
plus napájecí zdroj. Vysílaã tlaku je
tvofien˘ standardní mûfiící soustavou,
sestávající ze tfií hlavních dílÛ: pfievodníku tlaku, napájecího zdroje vysílaãe
tlaku a z obvodÛ pro tvarování, pfiizpÛsobení a vysílání (opakování) signálu, tento díl pfievádí signál generovan˘ pfievodníkem do normalizovaného
v˘stupního tvaru.
Vysílaã tlaku udává hodnotu mûfieného tlaku buì analogov˘m pneumatick˘m v˘stupním signálem (rozsah 3 psig 15 psig), nebo elektrick˘m v˘stupním
signálem (rozsah 4 mA - 20 mA), nebo
mûfien˘
tlak
A
A
µ
mûfien˘
tlak
mûfien˘
tlak
Bourdonova trubice
ve tvaru písmene C
Bourdonova trubice (Bourdonovo pero)
ve tvaru spirály
pohybliv˘
konec
Bourdonovy
trubice
Bourdonova trubice (Bourdonovo pero)
ve tvaru ‰roubovice
Obrázek 3-1: ¤e‰ení Bourdonovy trubice
re), nebo diferenãní tlak.
Pfievodníky diferenãního tlaku se
ãasto pouÏívají pfii mûfiení prÛtoãného
mnoÏství, kde se jimi mûfií diferenãní
tlak na Venturiho trubici, na clonû,
nebo na jin˘ch typech základních, primárních, snímacích elementÛ. Mûfien˘
tlakov˘ rozdíl je funkcí rychlosti tekoucího média a tedy i funkcí prÛtoãného
mnoÏství. Mnoho rysÛ a vlastností
moderních snímaãÛ tlaku vychází
z pfievodníkÛ diferenãního tlaku.
26
âíslo 3
referenãní tlak tlak vakua. Absolutní
tlak se oznaãuje jako pounds per square inch absolute", "libry na ãtvereãní
palec absolutních", tedy zkratkou psia.
Pojmy a termíny tlakomûr, snímaã
tlaku, pfievodník tlaku, vysílaã tlaku, se
pfii pouÏívání ãasto vzájemnû zamûÀují. Termínem tlakomûr se obvykle oznaãuje samostatn˘ ukazovací pfiístroj,
kter˘ pfievádí mûfien˘ technologick˘
tlak na mechanick˘ pohyb ukazatele.
Pfievodník tlaku mÛÏe zahrnovat sníma-
ãíslicov˘m elektronick˘m v˘stupním signálem. Jsou-li pfievodníky pfiímo napojeny na systémy sbûru a zpracování
ãíslicov˘ch údajÛ, a jsou-li umístûny do
urãité vzdálenosti od hardware tûchto
systémÛ, dává se pfiednost velk˘m
napûÈov˘m v˘stupním signálÛm. Pokud
se tyto signály pfiená‰ejí na vût‰í vzdálenosti, musí b˘t chránûny jak pfied
bûÏn˘m elektromagnetick˘m ru‰ením
(EMI), tak pfied ru‰ením vysokofrekvenãními signály generovan˘mi radioZPRAVODAJ
3
hysterezí pfievodníku popisuje fenomén, zpÛsobující, Ïe stejná hodnota
mûfieného technologického tlaku vede
na rÛzné hodnoty v˘stupního signálu
pfievodníku v závislosti od toho, zda se
v˘mi vysílaãi (RFI).
Je také tfieba vysvûtlit nûkteré pojmy,
vztahující se k provedení a chování
pfievodníkÛ tlaku. Pfiesnost pfievodníku
se vztahuje ke stupni souhlasu hodnoty
Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin
Jeden konec trubice je pfiipojen˘ na
mûfien˘ tlak (Obrázek 3-1 A). Druh˘
konec trubice je uzavfien˘ a je pfiipojen˘ na mechanismus ukazatele nebo na
mechanismus vysílaãe. Pro zv˘‰ení citli-
voln˘ konec
distanãní
krouÏky
smûr pohybu membrány
pevn˘ konec
smûr pohybu membrány
konvexní membránová
krabice
jednoduchá membránová
krabice
sloÏená membránová
krabice
mûrka s více krabicemi
Obrázek 3-2: ¤e‰ení membrán snímaãÛ tlaku
tlak zvy‰oval, nebo sniÏoval.
mûfiené veliãiny s platnou normalizovanou hodnotou. Vyjadfiuje se obvykle
buì v procentech z plného rozsahu
pfiístroje, nebo v procentech z údaje,
kter˘ se pfiístrojem zmûfiil. U pfiístrojÛ
u kter˘ch je udána pfiednost v procentech z plného rozsahu zafiízení se relativní chyba mûfiení se zmen‰ující se
hodnotou mûfiené veliãiny zvût‰uje.
Opakovatelnost je pojem vztahující
se na tûsnost souhlasu údajÛ pfii opakovan˘ch mûfieních tlaku o téÏe hodnotû. Linearita je míra, která ukazuje, jak
dobfie je splnûn poÏadavek, aby vstupní signál pfievodníku rostl pfiímo úmûrnû rÛstu mûfieného tlaku. Chyba daná
Od mechaniky k elektronice
První tlakomûry pouÏívaly jako snímací
prvek pruÏné ohebné elementy. Pfii
zmûnû tlaku se pruÏn˘ element pohybuje,
pohyb prvku se pfiená‰í na pohyb ukazatele umístûného pfied stupnicí. U tûchto
mechanick˘ch tlakomûrÛ se jako pruÏn˘
element pro mûfiení tlaku pouÏívá
Bourdonova trubice, membrána, nebo
mûchy. V‰echny tyto elementy reagují na
mûfien˘ tlak zmûnou své polohy.
Bourdonova trubice má tvar písmene
C. Její prÛfiez je ováln˘, elipsovit˘.
absolutní tlak v mm sloupce rtuti
10-14
tenzometr
snímaãe s promûnnou kapacitancí
potenciometrické snímaãe
snímaãe s rezonujícím drátem
piezoelektrické snímaãe
magnetické snímaãe
optické snímaãe
10-10
10-6
10-3
10-1
vosti
Bourdonovy
trubice
lze
Bourdonovu trubici prodlouÏit a svinout
do spirály nebo do ‰roubovice
(Bourdonovo pero, Obrázek 3-1 B).
Zvût‰uje se tak její efektivní úhlová
délka, coÏ má za následek zvût‰ení
zmûny polohy uzavfieného konce trubice. V˘sledkem je zvût‰ení rozli‰ovací
schopnosti pfievodníku.
Rodina pruÏn˘ch snímacích elementÛ pfievodníkÛ tlaku zahrnuje také
mûchy a membrány (Obrázek 3-2).
Membrány jsou více oblíbené z toho
dÛvodu, Ïe zaujímají a vyÏadují men‰í
prostor, a také proto, Ïe generují
v˘chylku (nebo sílu, která je dostateãná
"H20
1
50
200
-300
400 600
-200 -100
-10
-5
PSIG
-1 +-0.1
+1
+5
4
7 11
+10 +100 +200 +300
102
103
104
105 106
A
V
A
V
A
V
A
V
A
V
A
A
V
oznaãuje, Ïe zafiízení pouÏívá pro svoji ãinnost jako referenãní tlak vakuum
A
oznaãuje, Ïe pfiístroj pouÏívá jako referenãní tlak atmosferick˘ tlak
Obrázek 3-3: Mûfiící rozsahy elektronick˘ch snímaãÛ tlaku
ZPRAVODAJ
âíslo 3
27
Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin
membrány vystavené
nízkému tlaku
3
zaráÏka zabraÀující
pfietíÏení
silikonová tekutina
(nízk˘ tlak)
membrány vystavené
vysokému tlaku
P2
(nízk˘ tlak)
P1
(vysok˘ tlak)
snímaã
v˘stup k elektronice
pfievodníku
silikonová tekutina
(vysok˘ tlak)
Obrázek 3-4: Tlakomûrná krabice s tenzometry
pro jejich pfiímé pfiipojení na elektronické pfievodníky). Jsou také k disposici
ve velkém rozsahu materiálÛ pro práci
v korozivním prostfiedí.
Po dvacát˘ch letech minulého století
se zaãaly pouÏívat automatizované
fiídící systémy, v padesát˘ch letech
minulého století byly jiÏ bûÏné vysílaãe
tlaku a centralizované velíny.
Nebylo tedy moÏné dále pfiipojovat
voln˘ konec Bourdonovy trubice (nebo
mûchy a membrány) na lokální ukazatele, tyto pfiístroje musely b˘t pouÏity se
zafiízením pro pfievod mûfieného technologického tlaku na signál kter˘ lze
vysílat a pfiená‰et (na pneumatick˘
nebo elektrick˘ signál). Nejdfiíve bylo
napojení tlakomûru na vysílaã pneumatického tlakového signálu provádûno
mechanicky. Vysílaã generoval v˘stupní
pneumatick˘ signál o tlaku 3 psi - 15 psi,
kter˘ je moÏno pfiená‰et na vzdálenost
nûkolika set stop (feet) a pfii zafiazení
opakovaãÛ na vzdálenosti je‰tû vût‰í.
Elektronické vysílaãe tlakového signálu
se zaãaly vyrábût a pouÏívat pozdûji,
poté co dosáhly polovodiãové elektronické v˘robky dostateãné úrovnû. První
elektronické vysílaãe pracovaly se stejnosmûrn˘m v˘stupním signálem (10mV
- 50mV, 1V - 5V, 0mV - 100mV),
pozdûji byl ale v˘stupní signál vysílaãÛ
28
âíslo 3
normalizován na stejnosmûrn˘ proudov˘ signál 4mA - 20mA.
Vzhledem k principálnímu omezení
fie‰ení vyvaÏování mechanického pohybu se nejdfiíve pouÏívaly pfievodníky
vyvaÏované silou, pfievodníky vyuÏívající polovodiãe se zavedly pozdûji.
První nespojné tenzometry se zaãaly
pouÏívat na konci tfiicát˘ch let minulého
století. V tûchto zafiízeních je drátûné
vlákno pfiipevnûno na deformovan˘
element, mûfií se odpor deformovaného
drátu. Takovéto fie‰ení bylo sv˘m principem nestabilní, nedrÏelo kalibraci.
Toto fie‰ení rovnûÏ pfiiná‰elo problémy
spojené se stárnutím a degenerací
spoje drátûného vlákna a membrány
a s hysterezí, danou elastick˘m pomûrn˘m prodlouÏením vlákna v dÛsledku
jeho teploty.
Hledání lep‰ího fie‰ení snímaãÛ tlaku
a snímaãÛ pomûrného prodlouÏení
vedlo k pouÏívání spojn˘ch tenkovrstv˘ch tenzometrÛ typu thin-film a nakonec k pouÏívání difúzních polovodiãov˘ch tenzometrÛ. Tyto byly sice pÛvodnû vyvinuty pro automobilov˘ prÛmysl,
referenãní
tlak
C2
v˘stup
vysokofrekvenãní
oscilátor
C1
mûfien˘
(technologick˘)
tlak
pfiipojení elektrody kondenzátoru C2
referenãní
tlak
hliníková elektroda
na sklenûném substrátu
vsazená kfiemíková
membrána
pfiipojení elektrody kondenzátoru C1
sklenûné
substráty
referenãní
tlak
hliníková elektroda
na sklenûném substrátu
OPbrázek 3-5: Tlakomûrná krabice s promûnnou kapacitancí
ZPRAVODAJ
3
rychle se ale roz‰ífiily, a ‰iroce se pro
mûfiení tlaku a pfienos údajÛ o tlaku
uplatÀují ve v‰ech prÛmyslov˘ch
a vûdeck˘ch aplikacích. Polovodiãové
snímaãe tlaku jsou citlivé, nejsou drahé,
jsou pfiesné a poskytují dobrou opakovatelnost mûfiení. (Detailnûj‰í informace
o tenzometrech viz kapitola 2.)
Pneumatické vysílaãe tlakov˘ch
údajÛ se stále pouÏívají. Pracují zejména v chemickém prÛmyslu. ProtoÏe jsou
ale fiídící systémy stále centralizovanûj‰í a role v˘poãetní techniky v fiídících
systémech roste, nahrazují se tato zafiízení elektronick˘mi analogov˘mi vysílaãi a, v poslední dobû, ãíslicov˘mi
elektronick˘mi vysílaãi.
pfievodníky tlaku. Budeme se proto
v této kapitole zab˘vat pracovními
principy, moÏnostmi a pouÏitím kaÏdého z jejich jednotliv˘ch typÛ.
Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin
Pfievodníky pracující s tenzometry se
pouÏívají pro mûfiení tlaku mûnícího se
v malém rozmezí a pro mûfiení diferenãního tlaku. V principu se zde tenzometrem mûfií vych˘lení pruÏné mem-
spojovací
rameno
pero
k obvodu
Wheatstoneova
mÛstku
Typy převodníků
Souhrnnou orientaci v problematice
poskytuje vûdci nebo inÏen˘rovi, kter˘
mÛÏe b˘t postaven˘ pfied úlohu, zvolit
mezi mnoha dostupn˘mi konstrukcemi
tlakového snímaãe, obrázek 3-3. Tato
tabulka ukazuje rozsahy tlaku a podtlaku, ve kter˘ch mohou jednotlivé typy
snímaãÛ mûfiit, pokud snímaã pracuje
s referenãním tlakem, udává také jeho
typ (atmosférick˘ tlak nebo vakuum).
V prÛmyslov˘ch a laboratorních
systémech sbûru dat a v fiídících systémech jsou nejpouÏívanûj‰í elektronické
mûfien˘
(technologick˘) tlak
Obrázek 3-6: Potenciometrick˘ pfievodník tlaku
• Tenzometr
Tenzometr, popsan˘ detailnû v kapitole 2,
se mÛÏe aplikovat pro zmûfiení prÛhybu pruÏné membrány nebo pro zmûfiení v˘chylky Bourdonovy trubice. V tom
pfiípadû se stává souãástí pfievodníkÛ
tlaku. Pfievodníky pracující s tenzometrem jsou ‰iroce pouÏívané.
Pfievodníky diferenãního tlaku rÛzn˘ch rozsahÛ a rÛzn˘ch v˘stupních signálÛ
ZPRAVODAJ
brány, které vzniká v dÛsledku rozdílu
tlaku na jednotliv˘ch stranách membrány. Tato zafiízení mohou mûfiit relativní
tlak vzhledem k atmosférickému tlaku
(gauge pressure), v tomto pfiípadû je
nízkotlak˘ vstup pfievodníku otevfien˘
do atmosféry. Mohou mûfiit diferenãní
tlak, v tomto pfiípadû jsou oba vstupy
pfievodníku pfiipojeny na technologické
tlaky. Pfiipojí-li se na nízkotlak˘ vstup
takovéhoto pfievodníku referenãní
vakuum, bude pfievodník pracovat jako
pfievodník absolutního tlaku.
Pfievodníky pracující s tenzometry
jsou k dispozici jiÏ od velmi nízk˘ch
tlakÛ pouze 76 mm vodního sloupce,
aÏ po vysoké tlaky aÏ 200 000 psig
(1400 MPa). Pfiesnost pfievodníkÛ se
pohybuje od 0.1 % z plného rozsahu
pfiístroje do 0.25 % z plného rozsahu
pfiístroje. Pfiídavn˘m zdrojem chyb
mÛÏe b˘t drift, ‰estimûsíãní chyba driftem dosahuje hodnotu aÏ 0.25 %
z plného rozsahu pfiístroje a také teplotní chyba, která dosahuje pfii teplotû
540 0C hodnotu 0.25 % z plného rozsahu pfiístroje.
âíslo 3
29
Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin
3
• Převodníky s proměnnou kapacitancí
Pfievodníky tlaku kapacitanãního typu
byly pÛvodnû vyvinuty pro pouÏití ve
v˘zkumu vysokého vakua. Kapacitance
snímaãe se mûní v dÛsledku pohybu
membrány snímaãe (Obrázek 3-5).
Membrána je obvykle z kovu nebo
slitiny inconel nebo hastelloy. Pro vysoce korozivní aplikace pfii vysok˘ch teplotách se pouÏívá také tantal. Jako
zvlá‰tní pfiíklad uveìme pouÏití stfiíbrn˘ch membrán pro mûfiení tlaku chloru,
fluoru a ostatních halogenÛ, nacházejících se v disociovaném stavu.
budící
a snímací cívka
membrána
citlivá na tlak
úchytka
drátu
úchytka drátu
rezonující drát
k obvodu
oscilátoru
rezonující drát
opûrná deska
na vysokém tlaku
opûrná deska
na nízkém tlaku
pero pro
nastavení
pfiedpûtí
magnet
kovová trubka
magnet
elektrická
izolace
vysokotlaká
membrána
nízkotlaká
membrána
pfiívod tekutiny
Obrázek 3-7: Pfievodník tlaku s rezonujícím drátem
z pokoveného kfiemene. Z jedné strany
je membrána vystavena mûfienému
technologickému tlaku, ze druhé strany
na membránu pÛsobí referenãní tlak.
Podle typu mûfieného tlaku se vyrábûjí
kapacitanãní pfievodníky pro mûfiení
absolutního tlaku, relativního tlaku
vzhledem k atmosférickému tlaku a pro
mûfiení diferenãního tlaku.
Nejãastûji pouÏívan˘m materiálem
pro konstrukci membrán je nerezavûjící ocel. Pro mûfiení tlaku korozivních
látek jsou ale vhodnûj‰í membrány ze
slitin oceli a niklu s velk˘m podílem
niklu, mezi tyto slitiny patfií napfiíklad
30
âíslo 3
U snímaãÛ s promûnnou kapacitancí
se pfii napájení elektrod snímacího elementu pouÏívá vysokofrekvenãní generátor s oscilátorem, pracujícím s velk˘m
napûtím. U snímaãe s kondenzátorem
kter˘ má dvû desky se zmûny mûfieného tlaku pfievádûjí na pohyb membrány, nacházející se mezi deskami kondenzátoru.
Obrázek 3-5 ukazuje, jak prohnutí,
v˘chylka, membrány zpÛsobuje zmûnu
kapacitance, zmûna kapacitance je
mûfiená mÛstkov˘m obvodem. Obvod
mÛÏe b˘t pouÏívan˘ buì ve vyváÏeném, nebo v nevyváÏeném reÏimu. Pfii
práci ve vyváÏeném reÏimu je v˘stupní
napûtí mÛstku vedeno na detektor nuly
a hodnota kapacitance kondenzátoru
s promûnnou kapacitancí se mûní tak,
aby bylo v˘stupní napûtí mÛstku udrÏováno na nulové hodnotû. Pfii práci ve
vyváÏeném reÏimu se hodnota mûfieného tlaku urãuje pfiímo z hodnoty nulovacího zásahu. Pfii práci v nevyváÏeném reÏimu se mûfien˘ tlak urãí
z pomûru mezi v˘stupním napûtím
mÛstku a jeho budícím napûtím.
BûÏné jsou i konstrukce snímaãe,
které vyuÏívají jen jedné pevné desky
kondenzátoru. Pfii tomto fie‰ení je deska
umístûna za membránou a promûnná
kapacitance je funkcí prohnutí, v˘chylky, membrány. Mûfiená kapacitance
ukazuje velikost mûfieného technologického tlaku.
Hodnota kapacitance se pfievádí
buì na hodnotu stejnosmûrného proudového signálu nebo na hodnotu stejnosmûrného napûÈového signálu, které
lze pfiivést pfiímo na panelové mûfiiãe
nebo na vstupní/v˘stupní karty s mikroprocesory.
Kapacitanãní pfievodníky jsou ‰iroce
roz‰ífiené tam, kde se uplatní jejich
velk˘ rozsah, sahající od mikronov˘ch
hodnot v blízkosti absolutního vakua po
vysoké tlaky aÏ 10 000 psig (70 MPa).
Snadno se jimi mûfií tak nízké diferenãní tlaky jako je 0,25 mm vodního sloupce. Mají men‰í drift neÏ pfievodníky
pracující s tenzometry. K dispozici jsou
kapacitanãní pfievodníky které mají také
lep‰í pfiesnost, 0.1 % z mûfiené hodnoty
nebo pfiesnost 0.01 % z plného rozsahu
pfiístroje. Typická teplotní chyba kapacitanãních pfievodníkÛ je 0.25 % z plného
rozsahu pfiístroje pfii teplotû 540 °C.
Snímaãe s promûnnou kapacitancí
se ãasto pouÏívají jako odvozené,
sekundární, pracovní normály, a to
zejména v aplikacích, kde se pracuje
s nízk˘mi diferenãními tlaky nebo s nízk˘mi absolutními tlaky. Mají také malou
ãasovou konstantu, protoÏe vzdálenost,
kterou musí membrána pfii mûfiení pfiekonat je pouze nûkolik mikrometrÛ,
mikronÛ. Oproti star‰ím kapacitanãním
pfievodníkÛm mají novûj‰í provedení
kapacitanãních pfievodníkÛ tlaku vût‰í
ZPRAVODAJ
3
Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin
• Převodníky tlaku
s rezonujícím drátem
elektrick˘ konektor
deformaãní dráÏky
zesilovaã
‰estihran,
matice 5/16"
prstenec,
závit 5/16"- 5/24"
vedení
piezielektrického prvku
vedení
piezielektrického
prvku
tûsnící povrch
‰roub pro
nastavení pfiedpûtí
kfiemenn˘ krystal (2)
elektroda
spodní díl
membrána
Obrázek 3-8: Typick˘ piezoelektrick˘ snímaã tlaku
odolnost proti korozi a jsou ménû citlivá na drift kapacitance a na vibrace,
které zpÛsobovaly u star‰ích pfievodníkÛ "roztfiesení" ("jitter") odeãtu údajÛ.
• Potenciometrické převodníky
Potenciometrick˘ snímaã tlaku nabízí
jednoduchou metodu pro získání elektrického v˘stupu z mechanicky pracujícího tlakomûru. Zafiízení sestává z pfiesného potenciometru, jehoÏ jezdec je
mechanicky spojen˘ s Bourdonovou trubicí nebo s mûchem. Pohybem jezdce
po potenciometru se pfievádí mûfiení
mechanické v˘chylky snímacího elementu na mûfiení elektrického odporu,
k mûfiení odporu se pouÏije
WheatstoneÛv mÛstek (Obrázek 3-6).
Mechanické napojení jezdce potenciometru k Bourdonovû trubici,
k mûchu, nebo k membránû, vede jiÏ
svojí podstatou pfii tomto zpÛsobu
mûfiení k nevyhnuteln˘m chybám. Dal‰í
chyby jsou zpÛsobeny teplotními vlivy.
Tyto chyby jsou dány rozdílem v koeficientech teplotní roztaÏnosti jednotliv˘ch kovov˘ch ãástí systému. K chybám
mûfiení také pfiispívá opotfiebení jednotliv˘ch dílÛ a jejich spojÛ.
Potenciometrické pfievodníky lze
vyrobit v mimofiádnû mal˘ch rozmûrech a lze je instalovat ve velmi mal˘ch
a tûsn˘ch prostorách, napfiíklad uvnitfi
ruãiãkového tlakomûru o velikosti 4.5
ZPRAVODAJ
palcÛ. Nabízejí siln˘ v˘stupní signál,
kter˘ lze odeãítat bez dodateãného
zesilování. To umoÏÀuje, aby byly pouÏívány v aplikacích, ve kter˘ch se pracuje s mal˘mi energiemi. Jejich v˘hodou také je, Ïe jsou levné.
Potenciometrické pfievodníky mohou
mûfiit tlaky v rozmezí od 5 psig do
10 000 psig (od 35 kPa do 70 Mpa).
Jejich pfiesnost se pohybuje mezi 0.5 %
Pfievodník tlaku s rezonujícím drátem
byl uveden˘ na trh ke konci sedmdesát˘ch let minulého století. Jeho fie‰ení
ukazuje obrázek 3-7. Jeden konec
rezonujícího drátu je pfiichycen˘ na snímaã tvofien˘ membránou, druh˘ konec
drátu je pfiichycen˘ na nepohybliv˘ blok
pfievodníku. Vibrace drátu na jeho
vlastní frekvenci je vybuzena oscilátorem. Zmûna mûfieného tlaku vyvolává
zmûnu napûtí drátu a tím se mûní vlastní rezonanãní frekvence drátu. Posun ve
frekvenci je detekován obvodem, jehoÏ
jádro tvofií ãíslicov˘ ãítaã. ProtoÏe lze
tuto zmûnu ve frekvenci detekovat velmi
pfiesnû, lze pouÏít uveden˘ typ pfievodníku jak pro mûfiení mal˘ch diferenãních tlakÛ, tak pro mûfiení absolutních
tlakÛ nebo relativních tlakÛ vzhledem
k atmosférickému tlaku (gauge).
Nejvût‰í v˘hodou pfievodníku tlaku
s rezonujícím drátem je, Ïe generuje
rovnou ãíslicov˘ signál, kter˘ lze posílat
pfiímo na mikroprocesor, vybaven˘ stabilními krystalov˘mi hodinami.
Meze pouÏívání pfievodníkÛ tlaku
tûsnící povrch
krystal kompenzaãního obvodu
hmota vystavená úãinkÛm zrychlení
sloupec tvofien˘ snímacími krystaly
spodní díl
membrána
Obrázek 3-9: Piezoelektrick˘ snímaã tlaku s kompenzací vlivu zrychlení
aÏ 1 %z plného rozsahu pfiístroje, tento
údaj nezahrnuje chybu zpÛsobenou
driftem a teplotními vlivy.
s rezonujícím drátem urãuje jejich citlivost na zmûny teploty, nelineární závislost v˘stupního signálu na mûfieném
tlaku a také urãitá citlivost na mechanick˘ ráz a na pulzace, vibrace. Tato
âíslo 3
31
3
k atmosférickému tlaku (gauge) aÏ do
hodnoty 6 000 psig (42 Mpa). Typická
pfiesnost tûchto pfievodníkÛ je 0.1 %
Analogov˘ vysílaã tlaku s nastavitelnou nulou a nastaviteln˘m rozpûtím rozsahu
z kalibrovaného rozsahu, ‰estimûsíãní
chyba driftem je 0.1 %, teplotní vliv
zpÛsobuje chybu 0.2 % pfii 540 °C.
v˘chylka pfii
v˘stupním signálu
odpovídajícím plnému
rozsahu
pfiístroje ( 0.03" )
• Piezoelektrické převodníky tlaku
PÛsobí-li na kfiemenn˘ krystal tlak, síla,
nebo zrychlení, vzniká v krystalu elektrick˘ náboj, kter˘ je úmûrn˘ pÛsobící
lineární
promûnn˘
diferenãní
transformátor
jádro s vysokou
permeabilitou
#1
P
#2
#1
P
#2
tlakomûrná
krabice
#1
A) induktanãní pfievodník
#2
P
magnetická kotva
vinutí
cívky
L2
‰roubovicová
Bourdonova
trubice
L1
ro
kompensaci vlivu zmûn teploty okolního prostfiedí a pro kompenzaci zmûn
teploty mûfieného média.
Pfievodníky tlaku s rezonujícím drátem mohou mûfiit absolutní tlaky vût‰í
neÏ 10 mm sloupce rtuti, diferenãní
tlaky aÏ do hodnoty 19 m vodního
sloupce, relativní tlaky vzhledem
síle (Obrázek 3-8). Základní rozdíl mezi
krystalov˘mi snímaãi a mezi jin˘mi zafiízeními pouÏívan˘mi pro mûfiení staticky
pÛsobící síly, jako jsou napfiíklad tenzometry, je v tom, Ïe elektrick˘ signál,
generovan˘ krystalem, rychle zaniká.
Pro tuto vlastnost nejsou piezoelektrické snímaãe vhodné pro mûfiení staticky pÛsobící síly nebo tlaku, jsou ale
vhodné pro dynamická mûfiení. (Tento
fenomén je diskutován také v dal‰ích
kapitolách, vûnovan˘ch mûfiení dynamick˘ch sil, rázÛ a zrychlení.)
Piezoelektrická zafiízení lze dále klasifikovat podle toho, mûfií-li se u nich
elektrostatick˘ náboj krystalu, resistance krystalu, nebo náboj krystalu pfii
jeho rezonanãní frekvenci. Podle toho,
kterého jevu se ve snímaãi vyuÏívá, dûlí
se snímaãe s krystalem na snímaãe elektrostatické, piezorezistivní a rezonanãní.
Krystal, na kter˘ pÛsobí tlak se pruÏnû deformuje. Tato deformace má za
následek pfielévání elektrického náboje
v krystalu (které trvá po dobu nûkolika
málo sekund). Elektrick˘m signálem
kter˘ tak vzniká lze mûfiit velikost síly,
která byla na krystal pfiivedena.
Snímaãe pracující na tomto principu
nemohou detekovat nebo mûfiit hodno-
jád
omezení se typicky potlaãují pouÏitím
mikroprocesorÛ, mikroprocesor slouÏí
jak pro kompenzaci nelinearit, tak pro
"E"
Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin
B) reluktanãní pfievodník
Obrázek 3-10: ¤e‰ení induktanãního a reluktanãního pfievodníku tlaku
32
âíslo 3
ZPRAVODAJ
3
tu statického tlaku, pouÏívají se pro
mûfiení rychle se mûnících tlakÛ vznikajících pfii v˘stfielu, v˘buchu, explozi, pfii
tlakov˘ch pulzacích (v raketov˘ch
motorech, v pohonech, v komprezorech), nebo vznikající pÛsobením
jin˘ch zdrojÛ tlakov˘ch rázÛ nebo vibrací. Nûkteré z tûchto odoln˘ch snímaãÛ mohou mûfiit tlakové dûje, které mají
dobu "nástupné hrany" fiádovû jednu
miliontinu sekundy, tyto snímaãe jsou
dále v této kapitole popsány detailnûji.
V˘stupní hodnota tlaku, mûfiená
takov˘mito dynamick˘mi snímaãi tlaku,
se ãasto vyjadfiuje v "relativních" jednotkách tlaku, (oznaãen˘ch, na rozdíl
od psig, zkratkou psir tato hodnota se
vztahuje k poãáteãnímu stavu krystalu).
Maximální rozsah dynamick˘ch snímaãÛ tlaku je 5000 psir nebo 10 000 psir.
Hlavními rysy piezoelektrick˘ch snímaãÛ je jejich odolná robustní konstrukce,
mal˘ rozmûr, malá ãasová konstanta,
a skuteãnost, Ïe nepotfiebují pro generování v˘stupního signálu cizí elektrick˘ napájecí zdroj. Na druhé stranû
jsou ale citlivé na teplotní zmûny
a vyÏadují speciální kabeláÏ a speciální zesilovaãe signálu.
VyÏadují také zvlá‰tní opatrnost pfii
instalaci. Namáhání snímaãe kroutícím
momentem v prÛbûhu chybné instalace
mÛÏe b˘t násobnû vût‰í neÏ kroutící
moment, pro kter˘ je snímaã ocejchován (obvykle 340 mm*kg). Jin˘m faktorem, kter˘ mÛÏe zhor‰it jejich funkci
prodlouÏením ãasové konstanty snímaãe, je velikost prázdného prostoru
v montáÏní dutinû sondy. âím je prázdn˘ prostor vût‰í, tím del‰í je ãasová
odezva snímaãe. Doporuãuje se proto
hloubku dutiny minimalizovat tak, aby
nebyla vût‰í, neÏ je polomûr sondy
(obvykle asi 6,3 mm).
Elektrostatické pfievodníky tlaku mají
malé rozmûry a mají robustní konstrukci. Síla mÛÏe na krystal pÛsobit
v podélném nebo pfiíãném smûru,
v obou pfiípadech vyvolává velk˘ napûÈov˘ v˘stupní signál, kter˘ je úmûrn˘
pÛsobící síle. Skuteãnost, Ïe je napûÈov˘ signál na krystalu vyvolan˘ pfiímo
pÛsobící silou je v˘znamná v tûch pfiíZPRAVODAJ
padech, kdy je pfiivedení napájecí
energie na snímaã nepraktické nebo
neproveditelné. Tyto snímaãe také pracují s malou ãasovou konstantou (mají
frekvenãní rozsah 30 kHz, pfii mûfiení
impulzÛ aÏ 100 kHz), jsou proto ideální pro mûfiení pfiechodn˘ch jevÛ.
Obrázek 3-9 ukazuje piezoelektrick˘
snímaã tlaku s kompenzací vlivu zrychlení. Pfii zobrazeném fie‰ení je kompenzace provedena pfiidáním hmoty, jejímÏ
úãelem je pÛsobit silou proti zrychlení,
a pfiidáním zvlá‰tního, oproti orientaci
snímacího krystalu opaãnû polarizovaného, kompenzaãního krystalu. Tyto
komponenty jsou nastavené tak, aby pfii
zrychlení snímaãe zcela kompenzovaly
Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin
dobré linearity snímaãe, tak jeho malé
citlivosti na zmûny teploty.
I kdyÏ nemohou piezoelektrické pfievodníky mûfiit hodnotu statick˘ch tlakÛ,
pouÏívají se ve velké mífie pro urãení
dynamick˘ch tlakov˘ch jevÛ spojen˘ch
s prudk˘m hofiením, tlakov˘mi pulzacemi a tlakov˘mi pomûry v motorech,
v raketov˘ch pohonech, v komprezorech a v jin˘ch zafiízeních u kter˘ch se
vyskytují rychlé tlakové zmûny. Mohou
mûfiit tlaky v rozmezí od 0.1 psig do
10 000 psig, (od 0.7 kPa do 70 Mpa).
Typická pfiesnost pfievodníku je 1 %
z plného rozsahu pfiístroje, typická teplotní chyba je 1 % z plného rozsahu
pfiístroje pfii 540 °C.
dioda LED
referenãní fotodioda
Opaque Vane
mûfiící fotodioda
mûfien˘ tlak
Obrázek 3-11: Optick˘ pfievodník tlaku
setrvaãnost hmot spodního dílu a membrány, které pÛsobí na sloupec tvofien˘
snímacími krystaly.
ProtoÏe je kfiemen bûÏn˘, v pfiírodû
se nacházející, materiál, jsou piezoelektrické pfievodníky obvykle levné.
Turmalín, v pfiírodû se vyskytující ‰estereãn˘ nerost, forma kfiemene, polodrahokam, kter˘ má ãasovou odezvu krat‰í neÏ jedna mikrosekunda, je velmi
uÏiteãn˘ pro mûfiení velmi rychl˘ch pfiechodn˘ch dûjÛ. Dobr˘m v˘bûrem krystalu mÛÏe konstrukrér dosáhnout jak
Funkce piezorezistivních snímaãÛ
tlaku je zaloÏena na zmûnû rezistivity
kfiemíku s tlakem, kter˘ na kfiemík pÛsobí. Podobnû jako je tomu u fie‰ení snímaãe pomûrného prodlouÏení, je piezorezistivní snímaã konstruován jako
membrána, na kterou jsou pfiipevnûny
ãtyfii páry kfiemíkov˘ch odporÛ. Na rozdíl od fie‰ení snímaãe pomûrného prodlouÏení, je u piezorezistivního snímaãe
z kfiemíku i membrána, odpory jsou
naneseny na membránu difúzní technikou pfii v˘robû snímaãe ve v˘robním
âíslo 3
33
Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin
3
závodû. Koneãnou operací je uchycení
membrány ke kfiemíkovému plátku,
kter˘ není mûfien˘m tlakem namáhan˘.
Je-li snímaã urãen˘ k mûfiení absolutního tlaku, provede se uchycení membrány k plátku ve vakuu. Má-li se snímaã pouÏívat pro mûfiení relativního
tlaku, pfiivede se do dutiny za membránou buì atmosférick˘ tlak, nebo jin˘
referenãní tlak. PouÏívá-li se snímaã
pro mûfiení technologick˘ch tlakÛ,
chrání se kfiemíková membrána proti
pfiímému kontaktu s technologick˘mi
tekutinami, materiály, dal‰í ochrannou
membránou, prostor mezi obûma
membránami je vyplnûn tekutinou.
Ochranná membrána je vyrobena
z nerezavûjící oceli nebo z jin˘ch slitin,
které vyhovují provozním poÏadavkÛm
na ochranu proti korozi.
Piezorezistivní snímaãe tlaku jsou citlivé na zmûny teploty a musí b˘t u nich
provádûna teplotní kompenzace.
Piezorezistivní snímaãe tlaku mohou
b˘t pouÏívány v rozsahu od zhruba 3
psi do zhruba 14 000 psi (od zhruba
21 kPa do zhruba 100 MPa).
Rezonanãní piezoelektrické snímaãe
tlaku mûfií zmûny rezonanãní frekvence
kfiemenného krystalu, která se mûní
úmûrnû se sílou, která na krystal pÛsobí. MoÏné fie‰ení snímaãe sestává
z volného krystalu, kter˘ bez pÛsobení
jin˘ch vnûj‰ích sil osciluje, kmitá, a je
udrÏován na oscilaci s kmitoãtem vlastní frekvence. Zmûny v pÛsobící síle
vyvolávají zmûnu vlastní frekvence
krystalu. Vztah mezi pÛsobící silou
a frekvencí je dán v˘razem
P = A (1 - To / T - B (1 - To / T2)
kde To je perioda kmitÛ ve stavu, kdy
má pÛsobící síla nulovou hodnotu. T je
perioda kmitÛ ve stavu, kdy má pÛsobící síla hodnotu. P A, B jsou kalibraãní
konstanty pfievodníku
Tyto pfievodníky lze pouÏívat pro
mûfiení absolutních tlakÛ od rozsahu
0 psia - 15 psia do rozsahu 0 psia 900 psia (od rozsahu 0 kPa - 100
kPado rozsahu 0 MPa - 6 Mpa), nebo
pro mûfiení diferenãních tlakÛ od rozsa34
âíslo 3
hu 0 psid - 6 psid do rozsahu 0 psid 40 psid (od rozsahu 0 kPa - 40 kPa) do
rozsahu 0 kPa - 175 kPa.
Zapu‰tûn˘ snímaã tlaku se závitem
1/4 -in NPT (1/4 palce NPT)
• Induktanční a reluktanční
převodníky tlaku
Mnoho konstrukcí prvotních pfievodníkÛ
tlaku vyuÏívalo pro svou funkci magnetické jevy. Pfievodníky pracovaly na
principu zmûny magnetické induktance,
reluktance, vyuÏívaly vlastnosti vífiiv˘ch
magnetick˘ch proudÛ. Induktance elektrického obvodu je parametr elektrické-
du generuje pfii dané rychlosti zmûny
elektrického proudu, protékajícího
obvodem). Reluktance je odpor proti
magnetickému toku, je dána odporem,
kter˘ klade magnetickému toku magnetick˘ materiál. U induktanãních a reluktanãních pfievodníkÛ tlaku zpÛsobuje
zmûna tlaku zmûnu polohy pohyblivé
ãásti pfievodníku, tato zmûna je pfievádûna na zmûnu induktance nebo na
zmûnu reluktance elektrického obvodu.
Obrázek 10 A ukazuje vysílaã tlaku,
ve kterém je jako pracovní element pouÏit˘ lineární promûnn˘ diferenãní transformátor (LVDT). Transformátor LVDT
pracuje na principu zmûny pomûru
induktancí. Ve zobrazeném fie‰ení jsou
na izolaãní trubkovou kostru, navinuty
tfii cívky. Kostra má Ïelezné jádro, poloha jádra v trubce se mûní se zmûnou
polohy primárního snímaãe tlaku.
Cívka primáru, nacházející se ve
stfiedu cívky je buzena stfiídav˘m proudem. Pokud se nachází jádro transformátoru ve stfiedu transformátoru, indukuje se do jeho obou sekundárních
vinutí, tedy do cívek #1 a #2 stejné
napûtí. ProtoÏe jsou tyto dvû cívky
zapojeny v sérii, je v˘stupní napûtí
obvodu za daného stavu nulové. Pfii
zmûnû mûfieného tlaku se jádro ze stfie-
tyã pfiená‰ející sílu
opûra a tûsnûní
zaráÏka pÛsobící pfii tlakovém pfietíÏení
ohebné pfiipojení
mûfien˘
tlak
atmosférick˘ tlak
Bourdonova trubice
( tvar C )
Obrázek 3-12: Ochrana Bourdonovy trubice pfied tlakov˘m pfietíÏením
ho obvodu kter˘ vyjadfiuje velikost elektromotorické síly (ems, která se v obvo-
du vych˘lí. Rozdíl elektrick˘ch napûtí
indukovan˘ch do cívek je úmûrn˘ tlaku,
kter˘ v˘chylku jádra vyvolal.
ZPRAVODAJ
3
Pfievodníky tlaku pracující s LVDT
transformátorem jsou k dispozici s pfiesností 0.5 % z plného rozsahu pfiístroje
signálu jsou ãasto pouÏívány v aplikacích, kde se poÏaduje velká rozli‰ovací
schopnost pfievodníku pfii jeho pomûrnû
pfiístroj
T
D
uzavfiené
pfiipojení
pro kontrolu
a testování
P
bezpeãn˘ odtok
pro vypu‰tûní
mûfien˘ technologick˘ tlak
Obrázek 3-13: Tfiíventilov˘ rozdûlovací kus pro oddûlení pfiístroje
od rozsahu 0 psig - 30 psig (0 kPa - 210
kPa) do rozsahu 0 psig - 10 000 psig
(0 kPa - 70 Mpa). Mohou b˘t pouÏity
pro mûfiení absolutního tlaku, relativního tlaku oproti atmosférickému tlaku
a diferenãního tlaku. Jejich hlavní nev˘hodou je jejich sklon k mechanickému
opotfiebení, citlivost na vibrace a citlivost na ru‰ení magnetick˘m polem.
Reluktance je v magnetick˘ch obvodech obdobou rezistance v elektrick˘ch
obvodech.
V závislosti na zmûnách mûfieného
tlaku se mûní velikost mezer, které stojí
v cestû magnetickému toku protékajícím
dvûma jádry (Obrázek 3-10 B). Zmûna
mûfieného tlaku je pak úmûrná pomûru
L1/L2 induktancí znázornûn˘ch
indukãností.
Pfievodníky tlaku pracující na principu
zmûny reluktance mají velk˘ v˘stupní
signál (fiádu 40 mV) na jeden volt budícího napûtí, musí b˘t ale buzeny stfiídav˘m napájecím napûtím. Jsou citlivé na
bludné magnetické toky a na teplotu,
jejich teplotní drift je asi 2 % pfii 540 °C.
Vzhledem ke svému velkému v˘stupnímu
ZPRAVODAJ
malém rozsahu. Pokr˘vají mûfiící rozsahy od 25 mm vodního sloupce do
10 000 psig (od 250 Pa do 70 MPa).
Typická pfiesnost pfievodníkÛ je 0.5 %
z plného rozsahu pfiístroje.
• Optické převodníky tlaku
Optické pfievodníky tlaku urãují okamÏitou polohu pracovního elementu,
Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin
mûnící se se zmûnami mûfieného tlaku.
PouÏívají vlastní elektronické obvody
pro generování odpovídajícího elektrického v˘stupního signálu (Obrázek 311). Ve zobrazeném pfievodníku je
jako zdroj svûtla pouÏita LED, generující svûtlo v infraãervené oblasti. Pfii
pohybu membrány se ãást svûtla zastíní clonou. MnoÏství svûtla, dopadajícího na mûfiící fotodiodu se s pohybem
membrány mûní.
Optick˘ pfievodník musí b˘t vybaven˘ kompenzací stárnutí diody LED,
která je zde zdrojem svûtla.
Kompenzace se provádí pomocí referenãní fotodiody, která není clonou
nikdy zastínûna. Referenãní dioda slouÏí také ke kompenzaci chyby vznikající
postupn˘m zaná‰ením povrchu optick˘ch souãástek neãistotami, ‰pínou,
nebo povlaky z jin˘ch materiálÛ.
Optické pfievodníky tlaku jsou necitlivé
na vlivy teploty. Je to umoÏnûno tím, Ïe
jak zdroj svûtla, tak mûfiící fotodioda
a referenãní fotodioda jsou zmûnami
teploty ovlivÀovány stejnû. Navíc, protoÏe je pohyb clony, kter˘ je nutn˘ pro
provedení mûfiení, velmi mal˘ (men‰í
neÏ 0.5 mm), má optick˘ pfievodník
chybu zpÛsobenou hysterezí témûfi
nulovou a také mûfiení provádûná tímto
snímaãem jsou opakovatelná s témûfi
nulovou odchylkou.
Optické pfievodníky tlaku nemají velké
poÏadavky na údrÏbu. Mají vynikající
závaÏí
kalibrovan˘
tlakomûr
hlavní píst
válec a nádrÏka
‰roub
tlaãn˘
píst
Obrázek 3-14: Schéma kalibraãního zafiízení pracujícího se znám˘m závaÏím
âíslo 3
35
Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin
3
DVo = S DVs (Pm/Pr)
V systémech urãen˘ch pro mûfiení
tlaku lze hodnotu celkové chyby mûfiení
vypoãítat s pfiijetím urãit˘ch zjednodu‰ení jako odmocninu ze souãtu druh˘ch
mocnin hodnot jednotliv˘ch chyb.
• Kritéria pro výběr převodníku
Miniaturní snímaã tlaku lze instalovat i v tûsn˘ch prostorách
stabilitu a jsou projektovány pro dlouho
trvající mûfiení. Jsou k dispozici v rozsazích od 5 psig do 60 000 psig (od
35 kPa do 413 Mpa). Pfiesnost pfievodníkÛ je 0.1 % z plného rozsahu pfiístroje.
Praktická hlediska
V prÛmyslov˘ch aplikacích je ãasto
dobrá opakovatelnost mûfiení dÛleÏitûj‰í, neÏ absolutní pfiesnost mûfiení.
Mûní-li se mûfien˘ technologick˘ tlak ve
velkém rozsahu, dává se pfii v˘bûru
pfiednost pfievodníkÛm, které vykazují
dobrou linearitu a malou hysterezi.
Chyby mûfiení jsou také zpÛsobová-
ny zmûnami teploty okolního prostfiedí
a zmûnami teploty mûfieného média.
V˘znamné jsou zejména tehdy, mûfií-li
se nízké tlaky nebo malé diferenãní
tlaky. U tûchto aplikací je nutno pro
potlaãení teplotních chyb pouÏít kompenzátory teplotních chyb.
SníÏení kvality pfievodníkÛ tlaku
mÛÏe b˘t také zpÛsobováno kolísáním
zdroje napájecí energie. Citlivost pfievodníku na napájecí napûtí (S) urãuje
pro konstantní hodnotu mûfieného tlaku
(Pm) a konstantní hodnotu vypoãítávaného tlaku (Pr) velikost zmûny v˘stupního napûtí (DVo), danou zmûnou napájecího napûtí (DVs):
Pfievodníky tlaku obvykle generují
v˘stupní signály v rozsahu milivoltÛ
(mívají rozsahy 100 mV aÏ 250 mV).
PouÏívají-li se pfievodníky tlaku ve vysílaãích tlaku, b˘vá obvykle v˘stupní signál zesilován na úroveÀ jednotek voltÛ
(1 V aÏ 5 V) a pfievádûn na signál pro
proudové smyãky, tedy obvykle na stejnosmûrn˘ proudov˘ signál 4 mA aÏ
20 mA. SkfiíÀ pfievodníku je tfieba volit
tak, aby v dané konkrétní instalaci
vyhovovala jak poÏadované tfiídû elektrického provedení, tak podmínkám
ochrany pfied korozí. Ochrana pfied
korozí musí b˘t volena tak, aby chránila pfievodník jednak pfied postfiikem
a poteãením vnûj‰ími korozivními kapalinami nebo pfied pÛsobením vnûj‰ích
korozivních plynÛ, jednak pfied vystavením snímacího elementu pfievodníku
korozivní technologické tekutinû, jejíÏ
tlak se pfievodníkem mûfií. PoÏadavky
instalace pfievodníku na korozní ochranu se splní v˘bûrem materiálÛ, které
k tlakomûru
porézní
filtraãní
kotouã
píst
otvor
s nastaven˘m
promûnn˘m
prÛfiezem
plstûné
tûsnûní
pryÏová
kapsle,
naplnûná
olejem
filtr
otvor s
nastaviteln˘m
promûnn˘m
prÛfiezem
mûfien˘ tlak
Obrázek 3-15: ¤e‰ní tlumiãÛ rázÛ a tlumiãÛ vibrací
36
âíslo 3
ZPRAVODAJ
3
jsou proti korozi odolné, zakrytím,
obalením, potaÏením chránûného zafiízení, a pouÏitím tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média, která
jsou diskutována dále v této kapitole.
Provádí-li se mûfiení v prostoru ve
kterém se mohou vyskytovat v˘bu‰né
páry nebo plyny, musí pfievodník nebo
vysílaã a jejich napájecí zdroj tomuto
prostfiedí vyhovovat. Dosáhne se toho
to obvykle buì jejich zapouzdfiením do
skfiíní vybaven˘ch kontinuálním proplachováním nebo do skfiíní klasifikovan˘ch ve tfiídû pro práci ve v˘bu‰ném
prostfiedí. Jiná moÏnost je pouÏít systémy, které jsou navrÏené tak, Ïe jsou jiÏ
svojí podstatou v dané aplikaci vnitfinû,
jiskrovû, bezpeãné.
Jedním z nejdÛleÏitûj‰ích rozhodnutí
pfii v˘bûru pfievodníku tlaku je pravdûpodobnû volba jeho rozsahu. Je tfieba
vzít do úvahy dvû protichÛdná hlediska:
pfiesnost pfiístroje a jeho ochranu pfied
pfietíÏením mûfien˘m tlakem. Z hlediska
pfiesnosti by mûl b˘t rozsah pfievodníku
mal˘ (bûÏnû mûfien˘ pracovní tlak by se
mûl nacházet zhruba uprostfied rozsahu), aby se minimalizovala chyba
mûfiení, udávaná obvykle v procentech
z plného rozsahu pfiístroje. Na druhé
stranû je tfieba ale vÏdy vzít do úvahy
následky zniãení pfievodníku v dÛsledku
jeho pfietíÏení, ke kterému mÛÏe dojít
v dÛsledku provozních chyb, chybn˘ch
projektÛ (vodní ráz), nebo nesprávného
zaji‰tûní odpojení pfiístroje pfii tlakov˘ch
zkou‰kách nebo pfii nábûhu provozu. Je
tedy nutné specifikovat nejen poÏadovan˘ rozsah pfievodníku, ale i velikost
a typ poÏadované ochrany proti tlakovému pfietíÏení.
Vût‰ina pfiístrojÛ je vybavena ochranou proti tlakovému pfietíÏení v rozmezí 50 % aÏ 200 % jejich rozsahu
(Obrázek 3-12). Takovéto ochrany
vyhovují u vût‰iny aplikací. Pfiedpokládá-li se pÛsobení vût‰ích tlakov˘ch pfietíÏení, která mají doãasn˘ krátkodob˘
charakter (tlakové impulzy o krátké
dobû trvání - sekundy nebo ménû),
instalují se do systému tlumiãe rázÛ.
Tlumiãe rázÛ filtrují tlakové ‰piãky, mají
ale za následek, Ïe má mûfiící systém
ZPRAVODAJ
del‰í ãasovou odezvu. Pfiedpokládá-li
se, Ïe by tlakové pfietíÏení mohlo mít
del‰í trvání, je moÏno pfiístroj chránit
instalací pfietlakového ochranného ventilu. Za situace kdy je pfietlakov˘ ventil
otevfien˘ toto fie‰ení ov‰em vede ke
ztrátû mûfien˘ch hodnot.
plnûní (vyprazdÀování)
Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin
smyãka, sifon, tûsnûní proti chemick˘m
úãinkÛm mûfieného média s kapilárami
a proplachováním.
• Údržba
Snímaãe tlaku vyÏadují, bez v˘jimky,
plánovanou pravidelnou údrÏbu
pfiipojení pfiístroje závity 1/4 " nebo 1/2 " NPT
( 6 mm nebo 13 mm )
‰roub
pfiepravní
tûsnûní
horní díl tûlesa
pfii ãi‰tûní
vyjmout
dolní díl tûlesa
pfiipojení
na ãistící zafiízení
matice
O - krouÏek
A) Off Line
membrána
pfiipojení mûfieného tlaku
závitem 1/2 " NPT
(13 mm )
Housing
Filling
Fluid
Flexible
Cylinder
End
Flange
B) In Line
C) Flow-Through
Obrázek 3-16: RÛzná fie‰ení tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média
Má-li vysílaã tlaku pracovat v instalacích, kde jsou vysoké teploty okolního
prostfiedí, je moÏno skfiíÀ vysílaãe chladit elektricky (s vyuÏitím Peltierova
jevu), nebo vodou, je také moÏno vysílaã umístit do klimatizovaného prostoru. Pfiedpokládá-li se instalace zafiízení
v prostfiedí o teplotách pod bodem
mrazu, mûl by b˘t pfiístroj tepelnû izolovan˘, zároveÀ by mûlo b˘t pouÏito
elektrické odporové vyhfiívání pfiístroje
nebo jeho ohfiev parním topením.
Má-li vysoké teploty tekutina, jejíÏ
tlak se mûfií, je tfieba uvaÏovat o rÛzn˘ch metodách a moÏnostech oddûlení
pfiístroje pro mûfiení tlaku od mûfieného
média. Mezi tyto patfií oddûlovací
a/nebo kalibraci. Pfievodník tlaku je
proto nutno periodicky z technologického procesu demontovat. Je pfiitom
nutno se ubezpeãit, zda tato operace
nevyÏaduje odstavení technologického
procesu a Ïe nezpÛsobí Ïádn˘ úraz
nebo jinou ‰kodu. ProtoÏe mohou b˘t
tekutiny pouÏívané v technologickém
procesu jedovaté, korozivní nebo jinak
pro ãlovûka a/nebo pro Ïivotní prostfiedí ‰kodlivé, je nutno zabránit, aby
takovéto tekutiny pfii údrÏbû unikly.
K ochranû proti úniku tekutiny pfii
údrÏbû lze pouÏít trojcestn˘ ventilov˘
rozvod (Obrázek 3-13). Ve zobrazeném
uspofiádání slouÏí ventil P pro odpojení
pfievodníku od technologického procesu,
âíslo 3
37
Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin
3
ventil D slouÏí pro vypu‰tûní zbytkové
tekutiny nacházející se ve ventilu do urãité bezpeãné nádrÏe. Ventil T umoÏÀuje
pfiivést na pfievodník médium o známém
kalibraãním nebo testovacím tlaku.
ProtoÏe jsou v‰echny díly zobrazeného
rozvodu pfiedem sestaveny do jediného
kompaktního celku, je prostor nutn˘ pro
jeho instalaci v provozu mal˘, malá je
i doba nutná pro instalaci rozvodu, fie‰ení sniÏuje moÏnost úniku tekutiny jejím
prosakováním.
• Kalibrace
Opakovanou kalibraci pfievodníkÛ
tlaku lze provádût buì v kalibraãní
laboratofii, nebo on-line v provozní
instalaci. Obecnû se dává pfiednost
opakované kalibraci, provádûné
v laboratofii. Není to v‰ak vÏdy moÏné,
nemusí to b˘t nutné. V laboratofii se
obvykle pouÏívají dva typy kalibraãních zafiízení: kalibraãní zafiízení vyuÏívající pro kalibraci tûlesa, závaÏí,
o známé váze, tato zafiízení se pouÏívají jako primární normály základní
fiady, a laboratorní, nebo také pracov-
ní, zafiízení, sekundární normály, které
jsou pravidelnû opakovanû kalibrovány pomocí primárních normálÛ základní fiady. Tyto sekundární normály jsou
samozfiejmû ménû pfiesné neÏ primární
normály, jsou ale pro testování jin˘ch
pfiístrojÛ mnohem vhodnûj‰í.
Kalibraãní zafiízení pracující se znám˘m závaÏím sestává z tlaãného pístu
se ‰roubov˘m pfievodem, pomocí kterého se stlaãuje tekutina v nádrÏce,
z hlavního pístu kter˘ podpírá závaÏí
a z kalibrovaného, resp. testovaného,
tlakomûru nebo pfievodníku tlaku
(Obrázek 3-14). Kalibraãní zafiízení
pracuje tak, Ïe se hlavní píst (hlavní píst
má prÛfiez A zatíÏí znám˘m závaÏím
o váze (W), která odpovídá poÏadovanému kalibraãnímu tlaku (P = W / A).
Poté se tlaãn˘m pístem postupnû zvût‰uje mnoÏství tekutiny v nádrÏce pod
hlavním pístem, tlak v celém systému se
zvût‰uje tak dlouho, aÏ se závaÏí zvedne ze své podloÏky.
Dne‰ní kalibraãní zafiízení pracující
se znám˘m závaÏím jsou mnohem sloÏitûj‰í neÏ je pfiístroj, uveden˘ na
snímací
membrána
kapilára
membrána
kapilára
obrázku 3-14. Principy jejich ãinnosti
jsou ale stejné. Jejich fie‰ení je propracováno v tom smyslu, Ïe obsahují,
kromû jiného kompenzaci vlivu teploty
a Ïe hlavní píst ve válci rotuje, ãímÏ se
potlaãují vlivy tfiení.
Ve Spojen˘ch státech americk˘ch
dává certifikované hodnoty vah úfiad
National Institute of Standards and
Technology (NIST). Tento úfiad také
kalibruje laboratorní pístová mûfiidla
v tom smyslu, Ïe mûfií prÛmûr pístu.
Kalibraãní zafiízení pracující se znám˘m závaÏím lze pouÏít pro tlaky
v rozmezích jiÏ od 5 psig (53 Pa).
Nejvy‰‰í tlaky jsou aÏ 100 000 psig
(690 Mpa). Vzduchem mazaná zafiízení která vyvaÏují úhel naklonûní mohou
mûfiit tlaky v rozsahu jednotek milimetrÛ rtuÈového sloupce. Zku‰ební zafiízení
se závaÏím, která jsou kalibrována
v NIST zaruãují, u tlakÛ niωích neÏ 40
000 psig (280 Mpa), pfiesnost pût stotisícin. Typická pfiesnost prÛmyslov˘ch
kalibraãních zafiízení pracujících se
znám˘m závaÏím je 0.1 % z rozpûtí
rozsahu pfiístroje.
membrána
kapilára
kapilára
membrána se
zvût‰enou plochou
membrána s pfiírubou
a membrána se ‰roubem
kapilára
mûchové tûsnûní
Side View
tûsnûní na principu Bourdonovy trubice
médium
s mûfien˘m tlakem
plátkov˘ element
trubkové tûsnûní
kapilára
membrána
membrána
kapilára
‰roubovan˘ filtraãní element
Obrázek 3-17: ¤e‰ení volumetrick˘ch tûsnících elementÛ
38
âíslo 3
ZPRAVODAJ
3
Typick˘ sekundární normál pouÏívan˘ pro kalibraci pfievodníkÛ tlaku technologick˘ch médií je vybaven˘ pfiesn˘m zdrojem napájecí energie, pfiesn˘m ãíslicov˘m odeãítacím pfiístrojem
a velmi pfiesn˘m rezonanãním kfiemenn˘m snímaãem tlaku. Normál je dostateãnû pfiesn˘ pro kalibraci vût‰iny prÛmyslov˘ch pfievodníkÛ tlaku. Aby mohl
b˘t sekundární kalibraãní normál pro
kalibraci oficiálnû pouÏívan˘, musí b˘t
zaregistrovan˘ u NIST. Nejvût‰í pfiesnost, kterou v˘robci sekundárních standardÛ uvádûjí je obvykle 0.05 %
z plného rozsahu pfiístroje.
chází v ustáleném stavu, jeho ukazatel
bude trvale mûnit polohu. S cílem
odstranit tlakové ‰piãky, nebo prÛmûrovat tlakové impulzy se mezi mûfiené
technologické médium a pfiístroj umisÈují tlumiãe rázÛ a tlumiãe pulzací
(Obrázek 3-15).
První fie‰ení uvedené na obrázku
pouÏívá pro zpoÏdûní odeãtu tlaku pfievodníkem porézní filtr, vyroben˘
z nerezavûjícího materiálu. âasová
konstanta tohoto fie‰ení je asi 10
sekund. Jiná fie‰ení poskytují krat‰í
zpoÏdûní aplikací pevn˘ch nebo nasta-
Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin
hlavní díly (horní díl tûlesa, dolní díl
tûlesa a krouÏek, kter˘ se pfii ãi‰tûní
vyjímá) ukazuje obrázek 3-16. Pfiístroj
pro mûfiení tlaku je pfii‰roubovan˘
k hornímu dílu tûlesa tûsnûní. Horní díl
tûlesa tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm
mûfieného média mÛÏe b˘t vyroben˘
z bûÏn˘ch materiálÛ, protoÏe pfiichází
do kontaktu pouze s nekorozivní tekutou náplní pfiístroje, obvykle se silikonov˘m olejem. KdyÏ údrÏbáfi odstraÀuje neãistoty a materiál, nashromáÏdûné
v dolním dílu, lze horní díl s vloÏenou
membránou spolu s mûfiícím pfiístrojem
• Instalace a příslušenství sloužící
pro napojení převodníku na technologické médium
Je-li to moÏné, mûly by b˘t pfiístroje pro
mûfiení tlaku instalovány na místech, na
která je vidût a která jsou dobfie pfiístupná. Odeãítací stupnice nebo ukazatele by mûly b˘t umístûny ve v˘‰ce
oãí. Je tfieba pamatovat na dostateãn˘
voln˘ prostor pro demontáÏ pfiístroje,
na prostor pro potfiebné nástroje a pro
testovací a kalibraãní zafiízení.
V nûkter˘ch pfiípadech je poÏadováno, aby technologické tekutiny nepfiicházely pfiímo do styku se snímacím
prvkem pfievodníku. Technologické
tekutiny mohou b˘t ‰kodlivé, jedovaté,
korozivní, abrazivní, mohou mít sklon
degenerovat na gel, pfii dan˘ch teplotách okolí mohou tuhnout nebo se
mohou rozkládat, také mohou b˘t teplej‰í nebo chladnûj‰í, neÏ je pro snímaã
pfiípustné. Jin˘mi dÛvody pro vloÏení
pfiipojovacího elementu mezi pfievodník
a mûfiené médium je nutnost filtrace
moÏn˘ch pevn˘ch sloÏek které by zpÛsobovaly ucpání pfievodníku, nebo nutnost potlaãení tlakov˘ch rázÛ, impulsÛ,
nebo vibrací, které by mohly vést ke
zniãení pfievodníku.
• Tlumiče rázů a tlumiče pulzací
Nechránûn˘ pfievodník tlaku umístûn˘
na v˘toku obûhového ãerpadla nebo
na v˘stupu kompresoru se nikdy nena-
ZPRAVODAJ
Miniaturní snímaã tlaku lze instalovat i v tûsn˘ch prostorách
viteln˘ch pístÛ nebo omezovaãÛ.
V˘hodu nastavitelného omezení oceníme napfiíklad v situaci, kdy instalujeme
tlakomûr na v˘stupu kompresoru: omezení lze snadno nastavit na hodnotu,
pfii které vidíme, Ïe se kmitání ukazatele zastaví. Samozfiejmû nelze tlumiãe
rázÛ pouÏívat v instalacích, kde se
poÏaduje mûfiit rychlé pfiechodné
zmûny tlaku. (Pfiíkladem je aplikace,
kde se musí pfii nárÛstu tlaku aktivovat,
uzavírat, bezpeãnostní pfiepáÏky).
V dané aplikaci nelze tlumiãe instalovat, protoÏe by zpÛsobovaly zpoÏdûní
reakce bezpeãnostního systému).
• Těsnění proti chemickým účinkům
měřeného média
Tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm
mûfieného média se rovnûÏ naz˘vá
pojmem "diaphragm protector", "chemická ochrana membrány". Jejich
sejmout. Dolní díl tûlesa tûsnûní proti
chemick˘m úãinkÛm mûfieného média
je vyroben˘ z materiálu, odpovídajícího specifikaci napojení snímaãe na
technologick˘ proces a specifikaci
média jehoÏ tlak se mûfií. Dolní díl lze
kontinuálnû nebo periodicky ãistit proplachováním.
Tûsnûní uvedené na obrázku 3-16
A je v provedení "off-line" tj. v provedení na napojení na potrubí. Tûsnûní
v provedení pro vsazení do potrubí
s proudící tekutinou ukazuje obrázek 316 B. Toto provedení je ménû náchylné
na zaná‰ení tûsnûní, vyÏaduje-li se ale
provádûní údrÏby, je nutno technologick˘ proces odstavit. NejdÛslednûj‰í fie‰ení tûsnûní s pfiirozen˘m ãi‰tûním ukazuje obrázek 3-16 C. U tohoto fie‰ení tûsnûní jsou odstranûny v‰echny ostré
hrany a dutiny (kde by se mohl ukládat
pevn˘ materiál). Ohebn˘ válec mÛÏe
b˘t vyroben˘ z celé fiady plastick˘ch
âíslo 3
39
Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin
3
hmot, vãetnû teflonu, a je dostupn˘ na
cívkách. Plochá tûsnûní mají tvar plátkÛ.
MnoÏství kapaliny pfiemísÈované
v˘chylkou tûsnící membrány pfii zmûnách mûfieného tlaku mÛÏe b˘t nûkdy
tak malé, Ïe je toto fie‰ení tûsnûní proti
chemick˘m úãinkÛm mûfieného média
nedostateãné pro ovládání snímaãÛ,
pracujících na principu mûchÛ. V takov˘chto pfiípadech se pouÏívají tzv. vlnité membrány, které mají v˘chylku vût‰í.
Volumetrické, odmûrné, tûsnící prvky
(Obrázek 3-17) jsou v˘hodné tím, Ïe
nemají dutiny a ostré hrany, ve kter˘ch
by se mohl hromadit neÏádoucí pevn˘
materiál. Volumetrické tûsnící prvky
jsou také vhodné pro aplikace, kde se
pracuje s vysok˘mi tlaky a s vysokou
viskositou, pfiíkladem je mûfiení na
vytlaãovacím lisu.
Pfiidáním tûsnûní k zafiízení pro
mûfiení tlaku mohou vznikat následující
problémy:
• Dlouhé nebo objemné kapiláry zvût‰ují mnoÏství plnící kapaliny, zvût‰ují
teplotní chybu
• Membrány o malém prÛmûru jsou
tuhé, zvût‰ují chybu, zejména pfii
nízk˘ch teplotách
• Viskosita plnící kapaliny, která má
pfiijatelnou hodnotu pfii bûÏn˘ch teplotách okolního prostfiedí, mÛÏe mít
pfii nízk˘ch teplotách okolního prostfiedí nepfiijatelnû velkou hodnotu
• Dlouhé kapiláry nebo otvory s mal˘m
prÛfiezem mohou zpÛsobovat zvût‰ení ãasové konstanty zafiízení
• Chybu mÛÏe zpÛsobovat také nestejnomûrn˘ ohfiev/chlazení tûsnûní
a kapilár
• Nûkteré plnící tekutiny se s rÛstem
teploty prudce rozpínají, coÏ má za
následek zniãení pfiístroje trvalou
deformací, protaÏením, membrány
• Pfii vysok˘ch teplotách, a/nebo pfii
vysokém vakuu se mÛÏe plnící tekutina vypafiit, coÏ by mohlo mít za
následek zniãení pfiístroje
• Pfii nízk˘ch teplotách mÛÏe plnící tekutina nepfiimûfienû zmen‰it svÛj objem,
membrána mÛÏe dosednout na doraz
a pfiístroj se mÛÏe stát nefunkãní
• Nefunkãnost pfiístroje mÛÏe b˘t také
40
âíslo 3
zpÛsobena zamrznutím kapaliny pfii
nízk˘ch teplotách
Aby byla instalace tûsnûní úspû‰ná, je
také nutno pfii návrhu fie‰ení vzít do
úvahy následující skuteãnosti:
• Teplotní rozsah mûfieného média,
teplotní rozsah teploty prostfiedí
• Relativní hydrostatickou v˘‰ku tûsnûní
a pfiístroje, hydraulick˘ ráz plnící
kapaliny. Pfiístroj je tfieba po instalaci
nulovat s ohledem na relativní hydrostatickou v˘‰ku umístûní pfiístroje
• Teplotu, tlak a jiné vlivy, které by
mohly pfiístroj po‰kodit pfii ãi‰tûní
a pfii vyprazdÀování
• MoÏné následky prasknutí membrány z hlediska takto vznikl˘ch ohroÏení a zneãi‰tûní
• Pfii instalaci zafiízení pro mûfiení diferenãního tlaku se pro oba vstupy
diferenãního tlakomûru pouÏívají
stejná tûsnûní a stejné délky kapilár
• Pfiístroj a tûsnûní musí vyhovovat za
následujících kombinací podmínek:
maximální teplota/minimální tlak,
minimální teplota/minimální tlak
• Izolovaná montáž & izolační kom-
penzátory objemu
MontáÏ zafiízení pro mûfiení tlaku,
u které je jedno, nebo obû impulsní
potrubí, trubky napojující tlakomûr na
médium s mûfien˘m tlakem, naplnûno
stabilní a s mûfien˘m médiem kompati-
bilní plnící kapalinou, se naz˘vá "izolovaná montáÏ" (montáÏ "wet-leg").
U tohoto druhu montáÏe je pfii kalibraci mûfiícího pfiístroje nutno vzít do
úvahy specifickou hmotnost plnící
kapaliny a hydrostatickou v˘‰ku plnící
kapaliny nad mûfiícím pfiístrojem.
Uvedená montáÏ také musí umoÏnit
plnûní vûtví impulzního potrubí plnící
kapalinou a její vypou‰tûní.
V pfiípadû, Ïe pfiístroj pfii zmûnách
mûfieného tlaku pfiemisÈuje velké mnoÏství kapaliny, pouÏívají se u izolované
montáÏe "wet-leg" izolaãní kompensátory objemu. Izolaãní kompensátory
objemu jsou malé tlakové nádoby
o objemu zhruba 1 l, které se umisÈují
na horní konce trubek impulzního
potrubí, které jsou naplnûné plnící
kapalinou. PouÏívají-li se pfii konkrétním mûfiení diferenãního tlaku dvû
impulsní potrubí, musí b˘t oba izolaãní
kompenzátory objemu umístûny ve stejné nadmofiské v˘‰ce. KaÏd˘ z kompensátorÛ slouÏí jako zásobník plnící
kapaliny pro impulzní potrubí. Velká
zmûna objemu vyvolá pouze minimální
zmûnu ve v˘‰ce hladiny plnící kapaliny.
Plnící izolaãní kapalina se proto nedostává do potrubí s technologickou tekutinou a zmûna nadmofiské v˘‰ky plnící
kapaliny nevede k chybû mûfiení. T
Odkazy na literaturu, zdroje dalších informací
• Omegadyne
Pressure, Force, Load, Torque Databook, OMEGADYNE, Inc., 1996.
®
• The Pressure, Strain and Force Handbook . Omega Press LLC, 1996.
• Industrial Control Handbook, E.A. Parr, Butterworth, 1995.
• Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995.
• Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, 10th Edition,
TM
Eugene A. Avollone and Theodore Baumeister, McGraw-Hill, 1996.
• „Pressure Transducers”, Raymond Williams, Flow Control, March 1998.
• Process/Industrial Instruments and Controls Handbook. 4th Edition,
Douglas M. Considine and Glen D.Considine, McGraw-Hill, 1993.
• Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia, Douglas M. Considine and
Glen D.Considine, Van Nostrand 1997.
ZPRAVODAJ
4
Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN
Vysok˘ tlak & vakuum
Mûfiení vysokého tlaku
Vysoký tlak & vakuum
P
ojem "vysok˘ tlak" je relativní,
stejnû jako jsou, de facto, relativní v‰echna mûfiení tlaku. Co
se tímto pojmem rozumí závisí
pfiedev‰ím na konkrétní prÛmyslové aplikaci, o které se mluví. U v˘roby syntetick˘ch diamantÛ, napfiíklad, je normální
tlak pfii fyzikálnû-chemické reakci okolo
100 000 psig (6 500 barÛ), nebo i vût‰í.
Protlaãovací stroje v prÛmyslu pro v˘robu plastick˘ch a pryÏov˘ch tovarÛ pracují s tlakem 10 000 psig (690 barÛ).
Nicménû, v bûÏném v˘robním provozu
se za vysoké tlaky povaÏují tlaky pfiesahující 1 000 psig (69 barÛ).
V aplikacích kde se pouÏívají protlaãovací stroje jsou vysoké tlaky provázeny i vysok˘mi teplotami a lepkavé
materiály mají tendenci ucpat v‰echny
dutiny, do kter˘ch dokáÏí vniknout.
Snímaãe tlaku u protlaãovacích strojÛ
jsou proto instalovány tak, aby mûly
rozmûry vyrovnané s vnitfiním prÛmûrem trubky, jsou také obvykle kontinuálnû, nepfietrÏitû, chlazené.
tlak ( P2 ) v˘stupního vzduchu,
hodnota ( P2 ) pneumatického
signálu
Velmi vysoké tlaky
Pfiístrojové vybavení pro mûfiení vakua
Řešení převodníků vysokého
tlaku
Obrázek 4-1 A ukazuje zesilovaã, opakovaã, tlaku s tlaãnou membránou.
Membrána mÛÏe mûfiit tlaky protlaãované hmoty aÏ do hodnoty 10 000 psig,
a protoÏe princip pfievodníku zaji‰Èuje
i její chlazení, mÛÏe mûfiit pfii teplotách
aÏ 8 000 °F (4 300 °C). Pfievodník pracuje na principu pfiímého vyrovnávání
síly dané mûfien˘m tlakem (P1) kter˘
pÛsobí na snímací membránu a síly
dané tlakem v˘stupního vzduchu, tj.
pneumatického signálu, (P2), pÛsobícího na vyvaÏovací membránu. Tlak
v˘stupního pneumatického signálu je
úmûrn˘ mûfienému tlaku, konstanta
úmûrnosti je daná pomûrem aktivních
ploch snímací membrány a vyvaÏovací
membrány. Je-li pomûr aktivních ploch
1 : 200, zpÛsobí nárÛst mûfieného tlaku
o 1 000 psig narÛst hodnoty v˘stupního tlaku vzduchu o 5 psig.
Zesilovaã tlaku s tlaãnou membránou
lze na‰roubovat na v˘stupní trubku protlaãovacího stroje pomocí spojovacího
dílu se závitem 1/2 palce, napojení se
provede tak, Ïe membrána pfievodníku,
vyrobená z nerezavûjící oceli 316 je
vyrovnaná s vnitfiním povrchem trubky.
Vlastní chlazení pfievodníku se provádí
kontinuelním prÛtokem pracovního
vzduchu pfievodníku.
Jin˘ mechanick˘ snímaã vysokého
tlaku pouÏívá prvek, konstruovan˘ jako
‰roubovicová Bourdonova trubice
(Obrázek 4.1 B). Takovéto zafiízení
mÛÏe obsahovat aÏ dvacet závitÛ,
a mÛÏe, s rezervou, mûfiit tlaky do
10 000 psig. Standardním materiálem
ze kterého b˘vá tento element zhotoven˘ je nerezavûjící ocel urãená pro tûÏké
pracovní podmínky, chyba mûfiení je
asi 1 % z rozpûtí rozsahu pfiístroje.
Snímaãe, konstruované na principu
‰roubovicové Bourdonovy trubice mají
dobrou ochranu, odolnost, proti velkému tlakovému pfietíÏení a jsou vhodné
pro mûfiení promûnliv˘ch tlakÛ, musí
b˘t ale chránûny pfied ucpáváním. Tato
ochrana mÛÏe b˘t provedena vysokotlak˘mi knoflíkov˘mi membránov˘mi
tûsnûními proti chemick˘m úãinkÛm
vyvaÏovací
membrána
A2
závaÏí
pohybující
se vrchol
prÛduch
zdroj
napájecího
vzduchu
kalibrovan˘
tlakomûr
tyã
pfiená‰ející sílu
hlavní píst
válec
regulaãní
ventil
snímací
membrána
PI
AI
A) opakovaã tlaku s tlaãnou membránou
mûfien˘ technologick˘ tlak
B) ‰roubovicová Bourdonova trubice
‰roub
tlaãn˘
píst
C) kalibraãní zafiízení se znám˘m závaÏím
Obrázek 4-1: Mechanické snímaãe vysokého tlaku
ZPRAVODAJ
âíslo 3
41
Vysok˘ tlak & vakuum
4
mûfieného média, tato tûsnûní jsou rovnûÏ dimenzována pro práci s tlaky
10 000 psig.
Vylep‰ením návrhu ukázaného na
urãil, Ïe pfiesnost jejich kalibrace je
u hodnot pfiesahujících 40 000 psig je
asi 1.5 desetitisíciny z kalibrované hodnoty. Typická pfiesnost prÛmyslov˘ch
tyã
tlak
sonda
tûleso krabice
obal
Obrázek 4-2: Krabice s dan˘m objemov˘m modulem pruÏnosti
obrázku 4-1 B je optické mûfiení polohy uzavfieného vrcholu trubice, optick˘
odeãet nevyÏaduje Ïádné mechanické
spoje. Toto fie‰ení je Ïádané, protoÏe se
jím odstraní chyba, vznikající v dÛsledku tfiení mechanick˘ch pfievodÛ.
V takov˘chto pfiístrojích se rovnûÏ pouÏívá referenãní dioda, slouÏící pro
kompenzaci stárnutí zdroje svûtla, pro
kompenzaci vlivu teplotních zmûn,
a pro kompenzaci vlivu za‰pinûní
optick˘ch prvkÛ. ProtoÏe je v˘chylka
dráhy snímacího elementu u tûchto pfiístrojÛ obvykle malá (0,5 mm), lze
zanedbat chyby dané hysterezí nebo
‰patnou opakovatelností mûfiení.
Popsané pfiístroje mohou b˘t pouÏity
pro mûfiení tlaku aÏ 60 000 psig.
Také pro kalibraci snímaãÛ vysokého
tlaku se pouÏívají kalibraãní zafiízení,
pracující se znám˘m závaÏím
(Obrázek 4-1 C). V kalibraãním zafiízení se zvy‰uje tlak tak dlouho, dokud se
nedosáhne rovnováhy generovaného
tlaku s maximálním tlakem, kter˘ mÛÏe
vyvolat známé závaÏí, zatûÏující hlavní
píst o známém prÛfiezu. Hodnota závaÏí je certifikovaná v NIST. (Detailnûj‰í
popis kalibraãního zafiízení je uveden˘
v kapitole 3 tohoto ãísla.) Úfiad NIST
42
âíslo 3
kalibraãních zafiízení je asi jedna tisícina z kalibrované hodnoty, tedy asi
0.1 % z kalibrované hodnoty.
V oblasti elektronick˘ch snímaãÛ
vysok˘ch tlakÛ má bezkonkurenãní
postavení tenzometrická mûrka, tenzometr (detailnûj‰í popis funkce tenzometru je uveden˘ v kapitole 2). Snímaãe
pracující s tenzometrem mohou mûfiit
tlaky pfiesahující 100 000 psig, mûfiení
mohou provádût s pfiesností 0.1 %
z rozpûtí rozsahu mûfiení nebo 0.25 %
z plného rozsahu pfiístroje. PoÏadovány
jsou teplotní kompenzace a periodická
kalibrace snímaãe, protoÏe teplotní
chyba pfii 540 °C nebo ‰estimûsíãní drift
mohou zpÛsobit pfiídavnou chybu, jejíÏ
velikost je rovnûÏ 0.25 %. Pro mûfiení
vysok˘ch
tlakÛ
do
hodnoty
10 000 psig lze také pouÏít jiné typy
elektronick˘ch snímaãÛ tlaku (kapacitanãní, potenciometrick˘, induktanãní,
reluktanãní), Ïádn˘ z nich ale nemÛÏe
mûfiit tak vysoké tlaky, jako snímaã
s tenzometrickou mûrkou.
jejich objemového modulu pruÏnosti,
sestává z duté válcové ocelové sondy,
na vnitfiním vrcholu je sonda uzavfiená
a na vnûj‰ím konci je opatfiená vystupující tyãí (Obrázek 4-2). Je-li sonda
vystavena pÛsobení mûfieného tlaku,
dochází k jejímu stlaãení, její vrchol se
v dÛsledku izotropické kontrakce vych˘lí doprava a tyã se více vysune ze sondy.
Tato v˘chylka tyãe je poté pfievedena na
v˘stupní signál, odpovídající hodnotû
tlaku. Hystereze snímaãe a citlivost snímaãe na teplotní zmûny je podobná,
jako u jin˘ch snímaãÛ s pruÏn˘mi elementy. Hlavními v˘hodami tohoto snímaãe je jeho rychlá odezva a velká spolehlivost. Snímaã je odoln˘ proti poruchám. Snímaã umoÏÀuje mûfiit tlaky aÏ
200 000 psi, s pfiesností 1 % aÏ 2 %
z plného rozpûtí rozsahu snímaãe.
Jiné sondy, snímaãe, vysokého tlaku
jsou fie‰eny tak, Ïe je na jádro snímaãe
navinut˘ drát, jehoÏ elektrick˘ odpor se
mûní v závislosti na tlaku, kter˘ pÛsobí
na jeho povrch. Materiály ze kter˘ch
b˘vá drát zhotoven˘ jsou manganin,
slitina zlata a chromu, platina nebo
olovo. Snímaãe jsou dostateãnû málo
citlivé na zmûny teploty. Odpor manganinu s tlakem roste, závislost je lineární, zmûna odporu manganinu
v závislosti na tlaku je znaãnû velká.
Manganinové snímaãe jsou k dispozici
vakuum
atmosferick˘ tlak
Velmi vysoké tlaky
Snímaã, u kterého se pro mûfiení tlaku
vyuÏívají dÛsledky koneãné hodnoty
Obrázek 4-3: Princip Barometru
ZPRAVODAJ
4
Měření vakua
aÏ do tlaku 400 000 psig, pfiesnost snímaãe je 0.1 % aÏ 0.5 % z plného rozsahu pfiístroje. Hlavním omezením pouÏívání manganinové sondy je, Ïe je
kfiehká. Lze ji zniãit tlakov˘mi pulzacemi nebo jevy vznikajícími v dÛsledku
viskozity mûfieného média.
Nûkteré pevné látky pfii pÛsobení
10-12 10-11
10-10
Poprvé se inÏen˘fii zaãali zajímat
o mûfiení velmi nízk˘ch tlakÛ, dále:
vakua, v sedmnáctém století. Popudem
k tomu bylo zji‰tûní, Ïe se pumpováním
nedá v pumpách ãerpat voda z hloubky vût‰í neÏ asi 9,1 m.
V Itálii povûfiil Vévoda Toskánsk˘
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
Vysok˘ tlak & vakuum
6,45 cm2 silou 14.7 liber (psi), a Ïe je
atmosferick˘ tlak právû dostateãn˘ pro
zvednutí sloupce rtuti uvnitfi zcela
vyãerpané (Torricelliho) trubice do
v˘‰ky 29.9 palcÛ (760 mm). V˘‰ka rtuÈového sloupce je proto pfiímo mírou
atmosférického tlaku.
V roce 1644 poÏádal francouzsk˘
10-2
10-1
1
10
100
1000
vakuometr s Bourdonovou trubicí
vakuometr s mûchy
vakuometr s membránou
mechanické vakuometry
vakuometr s kfiemennou Bourdonovou trubicí
kapalinov˘ tlakomûr
molekulární
tlakomûr
vakuometr
s kapacitanãní membránou
McLeodÛv pfiístroj
vakuometr s viskosním
tfiením rotující koule
vakuometr systém Pirani (termistor)
tepelné
vakuometry
vakuometr s termoãlánkem,
termoãlánkovou baterií
konvekãní vakuometr
vakuometr se Ïhavenou katodou
(systém Schultz-Phelps)
ionizaãní
vakuometry
vakuometr se Ïhavenou katodou
(systém Bayard- -Alpert)
vakuometr se studenou katodou
(systém Philips)
vakuometr se studenou katodou
(systém Redhead)
Obrázek 4-4: Mûfiící rozsahy vakuometrÛ
vysok˘ch tlakÛ kapalní. I tuto jejich
vlastnost lze v prÛmyslu pro indikaci
mûfiené hodnoty vysokého tlaku vyuÏít.
Bismut napfiíklad kapalní pfii tlacích
v rozmezí 365 000 psig aÏ 375 000
psig. Pfii zkapalnûní rovnûÏ zmen‰uje
svÛj objem. Obdobné charakteristiky
mají i jiné materiály, napfiíklad rtuÈ.
Tyto látky mohou b˘t vyuÏity pro signalizaci, Ïe tlak dosáhl urãité konkrétní
uvedené hodnoty.
ZPRAVODAJ
Galilea aby tento "problém" zkoumal.
Galileo také navrhl, kromû jiného,
mnoho pokusÛ pro v˘zkum vlastností
vzduchu. Mezi prostfiedky, pouÏívan˘mi
pro tyto pokusy byly písty pro mûfiení síly
a vodní barometr (vysok˘ asi 10,4 m),
kter˘m se mûfiil barometrick˘ tlak.
Po smrti Galilea v roce 1642 pfievzal
práci spojenou s v˘zkumem vlastností
vakua Evangelista Torricelli. Torricelli
vynalezl rtuÈov˘ tlakomûr (Obrázek
4-3). Objevil, Ïe atmosféra pÛsobí na
matematik Blaise Pascal skupinu horolezcÛ, aby vynesla barometr do Alp
a ovûfiila, Ïe tlak vzduchu klesá se zvût‰ující se nadmofiskou v˘‰kou. PrÛmûrn˘
barometrick˘ tlak na hladinû mofiské
mÛÏe vyrovnat tlak sloupce rtuti o v˘‰ce
760 mm, tento tlak je definovan˘ jako
normální atmosfera. Hodnota tlaku
1/760 atmosfery se naz˘vá, na poãest
Torricelliho, torr.
V roce 1872 McLeod vynalezl
McLeodÛv pfiístroj pro mûfiení nízk˘ch
tlakÛ plynu. Tlak plynu se mûfií pfiístroâíslo 3
43
4
Vysok˘ tlak & vakuum
jem ve dvou krocích. Nejdfiíve se zmûfií
objem, kter˘ plyn zaujímá pfii neznámém mûfieném tlaku, poté se zmûfií
objem, kter˘ plyn zaujímá pfii známém
vy‰‰ím referenãním tlaku. Hodnota
mûfieného v˘chozího absolutního tlaku
se urãí podle objemu, kter˘ zaujímá
plyn po svém stlaãení. Varianty
McLeodova pfiístroje se pouÏívají
vysok˘
tlak
Ïhavenou, katodou. Îádn˘ z nich není
pfiíli‰ pfiesn˘ nebo pfiíli‰ stabilní, v‰echny vyÏadují ãastou kalibraci.
Pro mûfiení vakua v rozsahu jednotek
militorrÛ (takovéto vakuum je potfiebné
pfii pokovování napafiováním nebo
rozpra‰ováním) lze provádût ionizaãními vakuometry s teplou, Ïhavenou,
katodou. Pro realizaci pfiesnûj‰ího
nízk˘
tlak
nízk˘ tlak
vysok˘ tlak
A) tlakomûr s trubicí ve tvaru písmene "U"
vysok˘ tlak nízk˘ tlak
B) tlakomûr s nádrÏkou
vysok˘ tlak
nízk˘ tlak
C) tlakomûr s plovákov˘m ukazatelem
D) tlakomûr s naklonûnou trubicí
Obrázek 4-5: ¤e‰ní tlakomûrÛ
dodnes, slouÏí jako normály pro kalibraci snímaãÛ velmi nízk˘ch tlakÛ.
• Použití v aplikacích
Dne‰ní pfiístroje pro mûfiení velmi nízk˘ch tlakÛ, dále: vakuometry, lze rozdûlit do tfií hlavních tfiíd: mechanické
vakuometry, tepelné vakuometry a ionizaãní vakuometry. Rozsah vakuometrÛ
ukazuje tabulka na obrázku 4-4.
Obecnû jsou pro mûfiení vysokého
vakua (okolo 10-6 torrÛ) vhodné vakuometry se studenou katodou, nebo
Bayard-AlpertÛv vakuometr s teplou,
44
âíslo 3
mûfiení v tomto stfiedním rozsahu tlakÛ
vakua je dobrou volbou kapacitanãní
vakuometr. Pro stfiední rozsahy tlakÛ
vakua (mezi 10-4 torrÛ aÏ 10-2 torrÛ)
jsou kapacitanãní vakuometry nejlep‰í
z hlediska jejich v˘konnosti a chování,
jsou ale také nejdraωí. Nejlevnûj‰í
vakuometry jsou termoãlánkové vakuometry, pracují ale s nejvût‰í chybou.
Dobr˘m kompromisním fie‰ením mÛÏe
b˘t pouÏití digitálních vakuometrÛ
systému Pirani, jejichÏ pfiesnost se
nachází mezi pfiesností kapacitanãních
a termoãlánkov˘ch snímaãÛ.
Pro mûfiení malého vakua (velk˘ tlak)
s hodnotami mezi atmosférick˘m tlakem a 10-2 torrÛ jsou vhodné vakuometry konstruované na principu
Bourdonovy trubice, mûchÛ, aktivních
snímaãÛ pomûrného prodlouÏení,
a kapacitanãních snímaãÛ.
• Mechanické vakuometry
Mechanické vakuometry mûfií tlak nebo
vakuum pomocí mechanické deformace trubek nebo membrán, deformace
vzniká v dÛsledku tlakového rozdílu,
kter˘ na nû pÛsobí. V typickém provedení je jedna strana mûrného elementu
vystavena pÛsobení tlaku referenãního
vakua, a pfiístroj mûfií mechanickou
deformaci, která na elementu vznikne
poté, co je neznám˘ tlak vakua pfiiveden˘ na jeho druhou stranu.
Vakuometr s kfiemennou Bourdonovou trubicí: Obdobnû jako je tomu
u klasické Bourdonovy trubice, má
tento vakuometr ‰roubovicov˘ mûrn˘
element, element je zhotoven˘ z kfiemene. Deformace se nepfievádí na pohyb
mechanick˘ch spojÛ, pfii deformaci se
natáãí zrcátko. U pfiístroje pro mûfiení
tlaku vakua je ‰roubovice vytvofiena ze
dvou kfiemíkov˘ch Bourdonov˘ch trubic. Na referenãní stranu je trvale pfiivedeno referenãní vakuum, na mûfiící
stranu je pfiipojeno mûfiené technologické vakuum. Tlakov˘ rozdíl mezi
obûma stranami vyvolává úhlov˘
posun, úhlov˘ posun je detekovan˘
opticky.
Optick˘ odeãet má velkou rozli‰ovací pfiesnost, urãenou zhruba jednou stotisícinou rozsahu. V˘hodou tohoto snímaãe je jeho pfiesnost a odolnost kfiemíku proti korozi. Nejvût‰ím omezením
je vysoká cena snímaãe.
Nejjednodu‰‰í tlakomûry, manometry: Základní tlakomûr mÛÏe sestávat z nádrÏky naplnûné kapalinou
a z vertikální trubice (Obrázek 4-5). Pfii
mûfiení vakua je vrch sloupce utûsnûn˘
a je z nûj vyãerpan˘ vzduch. Tlakomûr,
kter˘ nemá nádrÏku je prostû trubice ve
ZPRAVODAJ
4
tvaru písmene "U", jedno rameno trubice je nahofie utûsnûné a je z nûj
vyãerpan˘ vzduch, na druhé rameno je
pfiiveden˘ neznám˘ mûfien˘ technologick˘ tlak (Obrázek 4-5 A). Mûfiené
technologické vakuum se urãí z rozdílu
v˘‰ek kapaliny ve sloupcích. Tlakomûr
s naklonûnou trubicí (Obrázek 4-5 D)
sestává z nádrÏky a z prÛhledné trubice, trubice svírá s vertikálou urãit˘ úhel.
Malá zmûna tlaku vakua vyvolá
pomûrnû velkou zmûnu zaplnûní trubice kapalinou. Tlakomûry jsou jednoduché levné pfiístroje, mohou mûfiit vakuum aÏ do hodnoty 1 militorr.
Kapacitanãní tlakomûr: Kapacitanãní snímaãe pracují na principu mûfiení
zmûny elektrické kapacitance, zmûna
kapacitance je dÛsledkem zmûny polohy snímací membrány vzhledem
k nûkteré z pevn˘ch elektrod kondenzátoru (Obrázek 4-6). âím je mûfiené
technologické vakuum vût‰í, tím dále
odtáhne mûfiící membránu od pevn˘ch
destiãek kondenzátoru. U nûkter˘ch
provedení snímaãe se mÛÏe membrána
pohybovat. U jin˘ch provedení se
pomocí kompenzaãního stejnosmûrného napûtí udrÏuje WheatstoneÛv mÛstek ve vyváÏeném stavu. Velikost napûtí, nutná pro vyváÏení mÛstku je v pfiímém vztahu k mûfienému tlaku.
Velkou v˘hodou kapacitanãních tlakomûrÛ je jejich schopnost mûfiit mimofiádnû malé v˘chylky membrány.
Typická pfiesnost vakuometru je 0.25 %
aÏ 0.5 % z mûfiené hodnoty.
Vakuometry s tenkou membránou
mohou mûfiit tlaky aÏ po rozsah 10-5
torrÛ, vakuometry se silnûj‰í membránou mohou mûfiit tlaky malého vakua
aÏ od hodnoty atmosférického tlaku.
Pro pokrytí velkého rozsahu tlaku
vakua lze spojit dvû nebo více snímacích hlavic kapacitanãního vakuometru
do vícerozsahové sestavy.
Kapacitanãní membránové vakuometry jsou ‰iroce pouÏívány v prÛmyslu polovodiãÛ. Je to dáno skuteãností,
Ïe tûleso a membrána vakuometru,
ZPRAVODAJ
vyrobené z inocelu, jsou vhodné pro
práci v korozivním prostfiedí, které se
v tomto prÛmyslu vyskytuje. Jsou oblíbené také pro svoji velkou pfiesnost
a pro svÛj mal˘ sklon ke zneãi‰tûní.
McLeodÛv vakuometr: McLeodÛv pfiístroj byl vynalezen˘ v roce 1878.
McLeodÛv vakuometr mûfií tlak plynÛ
pomocí stlaãení známého objemu plynu
znám˘m pevn˘m tlakem. PÛvodní mûfien˘ absolutní tlak plynu se urãí z velikosti objemu plynu po jeho stlaãení. Od
doby kdy byl vynalezen˘ se McLeodÛv
vakuometr zmûnil jen málo. PouÏívá se
dodnes pro kalibraci jin˘ch vakuometrÛ. McLeodÛv vakuometr má mûfiící rozsah 1 torr aÏ 10-6 torrÛ.
Molekulární vakuometr: Moleku-
Vysok˘ tlak & vakuum
Tato energie je úmûrná poãtu molekul
plynu v tomto prostoru. Pln˘ rozsah pfiístroje závisí na plynu, jehoÏ tlak se má
mûfiit. Pfiístroj je nutno pro kaÏdou aplikaci kalibrovat.
Vakuometr pracující na principu viskozního tfiení: Pfii vysokém vakuu závisí jak viskozita plynu, tak tfiení v plynu
na tlaku plynu. Vakuometr, vyuÏívající
tuto skuteãnost, mûfií vakuum v rozsahu
aÏ 10-7 torrÛ. Vakuometr mûfií záporné
zrychlení, zpomalení, kuliãky, otáãející
se v magnetickém poli. Zpomalování
kuliãky je vyvoláno tfiením, které je
dáno molekulami plynu. Hodnota
vakua se urãí z mûfiení doby, kterou
kuliãka potfiebuje, poté co bylo vypnuto
její pohánûní, ke zpomalení z hodnoty
snímací membrána
z inconelu
signály
o hodnotách,
dan˘ch velikostmi
kapacitancí
mûfien˘ tlak
po vyãerpání vzduchu
(plynu) utûsnûno
elektrody
kondenzátoru
dutina s vysok˘m vakuem
Obrázek 4-6: Kapacitanãní vakuometr
lární vakuometr pracuje na principu
mûfiení hybnosti molekul plynu. Je
vybaven˘ elektrick˘m motorem, jehoÏ
rotor se otáãí konstantní rychlostí.
Molekuly ve vzorku plynu, jeho vakuum
se mûfií, pfiicházejí s rotorem do kontaktu a jsou vrhány na brzdn˘ válec.
Síla vznikající nárazem molekul na
válec posouvá válec do polohy úmûrné
energii, pfiedané pfii nárazu molekul.
425 otáãek za sekundu na hodnotu
405 otáãek za sekundu. âím je vakuum
vy‰‰í, tím je tfiení plynu men‰í a tím vût‰í
dobu kuliãka ke svému zpomalení
potfiebuje. Toto fie‰ení vakuometru má
pfiesnost 1.5 % z mûfiené hodnoty, vakuometr je odoln˘ proti korozi a mÛÏe
pracovat do teplot aÏ 4 150 °C.
Vakuometry pracující na tepelném
principu: Tepelná vodivost plynÛ se
âíslo 3
45
Vysok˘ tlak & vakuum
4
mûní, pfii tlaku v rozsahu vakua, s jejich
tlakem. Umístí-li se do plynu element,
vyhfiívan˘ ze zdroje konstantního v˘konu, je ustálená v˘sledná teplota povrchu
elementu závislá na velikosti tlaku plynu,
kter˘ element obklopuje, na velikosti
mûfiiã proudu
daného
tokem iontÛ
mikro
ampérmetr
( 100 mA/torr )
mfiíÏka ,
napûtí
+ 150 V
v pracovním rozsahu mají chybu 10 %.
Termoãlánkov˘ vakuometr: Termoãlánkov˘ vakuometr urãuje tlak vakua
z teploty vyhfiívaného vlákna, umístûného v mûfieném plynu. Vlákno je vyhfiívané konstantním stejnosmûrn˘m prou-
kolektor kladn˘ch iontÛ
( relativní napûtí –30 V )
+ + +
+
+
- - - - - -
teplá (Ïhavená)
katoda
-
k mûfienému
vakuu
+
+
mûfiiã proudu
daného
tokem elektronÛ
( 10 mA )
Obrázek 4-7: Vakuometr se Ïhavenou katodou
jeho vakua. ProtoÏe se ve snímaãi pouÏívá elektricky ohfiívan˘ drát, oznaãují
se tyto vakuometry ãasto názvem vakuometry pracující s hork˘m drátem (hot
wire gauges). V typickém provedení
mohou b˘t vakuometry pracující s hork˘m drátem pouÏívány pro mûfiení
vakua do rozsahu 10-3 mm sloupce rtuti.
Vakuometr systém Pirani: U tohoto
fie‰ení vakuometru je drát ve snímaãi
vyhfiíván elektricky a tlak plynu se urãuje mûfiením velikosti proudu, nutného
pro udrÏení drátu na konstantní teplotû.
Tepelná vodivost jednotliv˘ch plynÛ se
od sebe rÛzní, vakuometr je proto nutno
pro konkrétní plyn, jehoÏ tlak se mûfií,
kalibrovat. Vakuometr Pirani nelze pouÏít pro mûfiení tlakÛ vy‰‰ích neÏ
1.0 torrÛ, protoÏe pfii tlaku nad touto
hodnotou se jiÏ tepelná vodivost plynu
s tlakem prakticky nemûní. Vakuometr
Pirani je v rozsahu 10-2 torrÛ aÏ
10-6 torrÛ lineární. Nad tímto rozsahem
má statická charakteristika vakuometru
zhruba
logaritmick˘
prÛbûh.
Vakuometry Pirani jsou levné, jsou praktické a mají docela dobrou pfiesnost.
Jejich chyba v kalibraãním bodu je 2 %,
46
âíslo 3
dem 20 mA aÏ 200 mA, termoãlánek
generuje stejnosmûrn˘ napûÈov˘
v˘stupní signál o velikosti asi 20 mV.
Teplota ohfiívaného drátu se zvût‰uje
úmûrnû sniÏujícímu se tlaku plynu.
Typické termoãlánkové vakuometry
mûfií tlaky v rozsahu od 1 militorru do
2 torrÛ. Tento rozsah lze zvût‰it pouÏitím fiadiãe, regulátoru, vakuometru
s analogovû - ãíslicov˘m pfievodníkem
a pouÏitím ãíslicového zpracování signálu. U bûÏného termoãlánkového snímaãe se mÛÏe regulátorem vakuometru
zvût‰it rozsah termoãlánkového snímaãe na rozsah od 10-3 torrÛ do
1000 torrÛ, vakuometr tak získává stejn˘ rozsah jako má konvekãní vakuometr systému Pirani, cena vakuometru
je pfiitom men‰í.
Konvekãní vakuometr: Konvekãní
vakuometr pracuje podobnû jako vakuometr Pirani. Mûfií intenzitu chlazení
snímacího elementu jak kondukcí
(vedením), tak konvekcí (proudûním),
tím se zvût‰uje rozsah snímaãe. Jako
snímací element se pouÏívá teplotnû
kompenzovan˘ pozlacen˘ wolframov˘
drát. U vy‰‰ího vakua závisí odezva
vakuometru zejména na tepelné vodivosti mûfieného plynu, u niωího vakua
závisí zejména na konvekãním chlazením molekulami plynu. Mûfiící rozsah
vakuometru je od 10-3 torrÛ do
1000 torrÛ. AÏ na svÛj vût‰í rozsah má
konvekãní vakuometr stejné vlastnosti
a stejná omezení jako vakuometr Pirani
a vût‰ina termoãlánkov˘ch vakuometrÛ.
Kombinované vakuometry: Aby se
pfiekonala omezení pouÏití pfiístrojÛ,
daná jejich mûfiícími rozsahy, nabízejí
v˘robci vakuometrÛ a tlakomûrÛ pfiístroje, u kter˘ch je provedeno elektro-
katoda
mûfiené
vakuum
mikroampérmetr
se stupnicí
v hodnotách
vakua
anoda
+ -
~4000 V
katoda
magnetické pole, ~ 1500 gaussÛ
Obrázek 4-8: Vakuometr se studenou katodou
ZPRAVODAJ
4
nické propojení nûkolika typÛ snímaãÛ.
Jeden z v˘robcÛ napfiíklad nabízí tlakomûr pracující ve velkém rozsahu,
konstruovan˘ tak, Ïe jsou v jedné skfiíni
umístûny dva tlakové snímaãe: membránov˘ snímaã s rychlou odezvou pro
mûfiení tlaku v rozsahu 2 torry aÏ
1500 torrÛ a vakuometr systém Pirani
pro mûfiení tlaku v rozsahu 1 militorr aÏ
2 torry. Snímaãe jsou automaticky pfiepínány fiídící jednotkou tlakomûru.
Ionizaãní vakuometry: Ionizaãní
detektory a snímaãe jsou k dispozici od
r. 1916. Ionizaãní vakuometry mûfií
hodnotu vakua pomocí velikosti elektrického proudu, pfiená‰eného náboji
iontÛ plynu, vznikajících po sráÏce
molekul mûfieného plynu s voln˘mi
elektrony. K dispozici jsou dva typy
ionizaãních vakuometrÛ: vakuometry
s teplou (Ïhavenou) katodou a vakuometry se studenou katodou.
Vakuometr se Ïhavenou katodou,
vylep‰en˘ systém Bayard-Alpert
z r. 1950, emituje ze Ïhaveného vlákna do prostoru s mûfien˘m vakuem
elektrony, které se sráÏejí s molekulami
mûfieného plynu, molekuly se pfii sráÏce ‰tûpí na ionty (Obrázek 4-7). Ionty
s kladn˘m nábojem jsou urychlovány
smûrem ke kolektoru, kde vytváfiejí
elektrick˘ proud, velikost tohoto proudu
je mûfiena mûfiícím obvodem vakuometru. Velikost takto generovaného proudu
je úmûrná hustotû, respektive tlaku,
mûfieného plynu. Vût‰ina snímaãÛ
s teplou (Ïhavenou) katodou mûfií vakuum v rozsahu od 10-2 torrÛ do
10-10 torrÛ.
U novûj‰ích pfiístrojÛ je tento rozsah
v˘znamnû roz‰ífien˘ pouÏitím modulovaného svazku elektronÛ. Pomocí synchronní detekce v˘stupního signálu se
mûfií dvû hodnoty iontového toku.
U tlakÛ men‰ích neÏ 10-3 torrÛ se velikosti obou hodnot pfiíli‰ neli‰í. U vy‰‰ích
tlakÛ pomûr mezi tûmito mûfien˘mi hodnotami monotónnû roste. Vakuometr
vyuÏívající tento princip mÛÏe mûfiit
vakuum aÏ do hodnoty 1 torr.
ZPRAVODAJ
ProtoÏe vût‰ina pfiístrojÛ pracujících
s vysok˘m vakuem byla konstruována
v padesát˘ch letech minulého století ze
skla, byly i elektrody vakuometru uzavírány do sklenûné skfiínû. Toto fie‰ení bylo
rozumné, v dne‰ní dobû se ale moderní
systémy pracující s vakuem mohou vyrábût v celokovovém provedení. Jeden
dÛvod kter˘ pro toto fie‰ení mluví je dán
skuteãností, Ïe sklo se pfii vakuování
rozkládá a uvolÀuje neÏádoucí ionty
sodíku, vznikají pfiitom i dal‰í druhy
zneãi‰tûní. Nicménû, v souãasné dobû
zÛstávají stále nejãastûji pouÏívan˘m
typem vakuometrÛ se Ïhavenou katodou
sklenûné vakuometry.
Vakuometr se studenou katodou:
Hlavní rozdíl mezi snímaãi pracujícími
s teplou (Ïhavenou) a studenou katodou je v metodû, kterou pouÏívají pro
generování elektronÛ. U zafiízení se
Vysok˘ tlak & vakuum
studenou katodou jsou elektrony vytrhávány z povrchu katody pÛsobením
silného elektrického pole. U vakuometru systému Philips (Obrázek 4-8) jsou
elektrony vychylovány magnetick˘m
polem v okolí trubky tak, Ïe se pfii svém
pohybu magnetick˘m polem od katody
k anodû pohybují ve spirále. Tímto spirálov˘m pohybem se zvût‰uje pravdûpodobnost ionizujícího nárazu elektronu na molekulu mûfieného plynu.
Typick˘ mûfiící rozsah vakuometru je
10-10 torÛ aÏ 10-2 torrÛ. Hlavní v˘hodou
zafiízení pracujících se studenou katodou je, Ïe nemají vlákno, které by se
mohlo pfiepálit, Ïe jejich funkce není
ovlivÀována vnikáním vzduchu a Ïe
jsou relativnû málo citlivé na vibrace.
T
Odkazy na literaturu, zdroje dalších informací
• Omegadyne
Pressure, Force, Load, Torque Databook, OMEGADYNE, Inc., 1996.
®
• The Pressure, Strain and Force Handbook . Omega Press LLC, 1996.
• ”Considerations in Selecting Pressure Calibrators”, L. Buckon,
TM
Paper 91-0449, 1991.
• ”Dead Weight Pressure Measurement”, F. G. Budenberg, I&CS,
February 1971
•
• ”Strain Gages, Bonded Resistance”. National Aerospace Standard
”Keeping Up With Pressure Sensors”, R. Merritt, I&CS, April 1982.
942, Revision 2, 1964.
• ”The Strain Gage Primer”, C. C. Perry and H. R. Lisser,
McGraw-Hill, 1962.
•
• ”Measuring High Pressures Above 20,000 psig.”, R.K. Kaminski,
Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995.
Intech, August 1968.
• Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, 10th Edition,
Eugene A. Avollone and Theodore Baumeister, McGraw-Hill, 1996.
• McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Science and Technology,
McGraw-Hill, 1998.
• Process/Industrial Instruments and Controls Handbook. 4th Edition,
Douglas M. Considine and Glen D.Considine, McGraw-Hill, 1993.
• Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia, Douglas M. Considine and
Glen D.Considine, Van Nostrand 1997.
âíslo 3
47
5
Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN
Tlakomûry & tlakové spínaãe
Kontrukce tlakomûrÛ
Tlakoměry & tlakové spínače
Ochranné pfiíslu‰enství
Tlakové spínaãe
T
lakomûry a tlakové spínaãe
patfií v továrnách mezi nejvíce
ãasto pouÏívané pfiístroje.
ProtoÏe b˘vají instalovány ve
velkému poãtu, neb˘vá ãasto jejich
údrÏba - a také spolehlivost - nejlep‰í.
DÛsledkem je, Ïe není v˘jimkou, Ïe
mÛÏeme ve star‰ích provozech vidût
mnoho tlakomûrÛ a tlakov˘ch spínaãÛ
v nefunkãním stavu. Je to ne‰Èastné
z toho dÛvodu, Ïe pracuje-li provoz
s chybn˘m tlakov˘m spínaãem, mÛÏe
b˘t práce v závodû nebezpeãná. Na
druhé stranû, mÛÏe-li práce v provozu
bezpeãnû probíhat i za stavu, kdy je
tlakomûr pokaÏen˘, je ihned zfiejmé, Ïe
nebyl tento tlakomûr potfiebn˘. Správn˘
projekt vybavení v˘robní technologie
pfiístroji musí mít za jeden ze sv˘ch cílÛ
instalovat ménû, zato více uÏiteãn˘ch
a více spolehliv˘ch, tlakomûrÛ a tlakov˘ch spínaãÛ.
Jednou z cest jak sníÏit poãet tlakomûrÛ v provozu je pfiestat s jejich instalací na základû zvyklostí (napfiíklad
kalibrace,
testování,
nebo vypou‰tûní
A) sifon
napojení nebo
spojení podle
poÏadavku
sifon pro
zachycení
kondenzátu
pfiipojení na
mûfien˘ tlak
(uzavírací ventil
musí splÀovat
poÏadavky
pfiipojení na potrubí
a na mûfiené
technologické médium)
neumisÈovat tlakomûr na v˘tokové
potrubí kaÏdého ãerpadla). Namísto
toho je tfieba pfiezkoumat jednotlivû
k indikaci stavu, Ïe je ãerpadlo
v chodu, nemusí b˘t nutn˘, staãí-li se
o chodu ãerpadla pfiesvûdãit sluchem
A
A
ãep
pastorek
spoj
µ
úhel
spoje
ozubnice
díl slouÏící
pro uchycení
tlakomûru
mûfien˘
tlak
mûfien˘
tlak
tradiãní provedení
provedení "s vyplnûnou skfiíní"
Obrázek 5-1: ¤e‰ení tlakomûrÛ
poÏadavky kaÏdého zafiízení. Pfii pfiezkoumávání poÏadavkÛ je tfieba si klást
otázku "Co budu dûlat s údaji, které mi
tento tlakomûr poskytne?" a instalovat
pfiístroj pouze tam, kde lze k této otázce najít smysluplnou logickou odpovûì. Má-li tlakomûr slouÏit pouze
kalibrace,
testování,
nebo vypou‰tûní
tlumiã pulzací
(nûkteré tlumiãe
pouÏívají malé
jehlové ventily)
tlumiã pulzací
(nûkteré tlumiãe
pouÏívají malé jehlové
ventily pfiipojení
na mûfien˘ tlak (uzavírací
ventil musí splÀovat
poÏadavky pfiipojení na potrubí a
na mûfiené technologické médium)
B) tlumiã otfiesÛ
nebo pohledem. Ukazuje-li tlakomûr
tlak, (nebo pokles tlaku) v technologickém procesu, dává hodnotnou informaci pouze tehdy, lze-li na jejím základû provést nûjakou ãinnost (napfiíklad
vyãistit filtr), v opaãném pfiípadû je tato
informace bezcenná. Pfiistoupí-li se ke
kalibrace,
testování,
nebo vypou‰tûní
membránová ochrana
tlakomûru pro práci
v korozivním
prostfiedí
pfiipojení na
mûfien˘ tlak
(uzavírací ventil
musí splÀovat
poÏadavky
pfiipojení na potrubí
a na mûfiené
technologické médium)
C) tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média
Obrázek 5-2: Pfiíslu‰enství tlakomûrÛ
48
âíslo 3
ZPRAVODAJ
5
specifikaci tlakomûrÛ s tímto zpÛsobem
my‰lení, bude poãet pouÏívan˘ch tlakomûrÛ men‰í. PouÏívá-li provoz men‰í
poãet lep‰ích pfiístrojÛ, zv˘‰í se celková
spolehlivost.
Mezi dostupná provedení tlakomûrÛ
patfií tlakomûry s osvûtlen˘mi ciferníky
a s ãíslicov˘mi displeji zaji‰Èujícími lep‰í
viditelnost mûfiené hodnoty, tlakomûry
s teplotní kompenzací pro korekci
zmûn okolní teploty, diferenãní tlakomûry pro mûfiení diferenãních tlakÛ
a tlakomûry s dvojit˘m systémem, ukazující na jednom ciferníku dva tlaky.
Podle své pfiesnosti jsou tlakomûry
zafiazeny do odpovídajícího stupnû
pfiesnosti, poãínaje stupnûm 4A (pfiípustná chyba 0.1 % z rozpûtí rozsahu
pfiístroje) po stupeÀ D (chyba 5 % ).
Ochranné příslušenství
Tlakové spínaãe s nastavitelnou hodnotou
aktivaãního tlaku.
Konstrukce tlakoměrů
Dvû bûÏné obvyklé pfiíãiny, proã dochází k poruchám tlakomûrÛ (a tlakov˘ch
spínaãÛ) jsou vibrace potrubí a kondenzace vody, kondenzát mÛÏe v chladnûj‰ím prostfiedí zamrznout a zniãit skfiíÀ
tlakomûru. Obrázek 5.1 ukazuje tradiãní konstrukci tlakomûru a jeho modernûj‰í konstrukci "s vyplnûnou skfiíní".
Jemné spoje, ãepy a pastorky jsou u tlakomûru tradiãní konstrukce citlivé jak na
vibrace, tak na sráÏení vody. Îivotnost
tlakomûru s vyplnûnou skfiíní je del‰í,
jednak proto, Ïe má tlakomûr men‰í
poãet pohybliv˘ch ãástí, jednak proto,
Ïe je jeho skfiíÀ vyplnûná viskozním olejem. Vyplnûní skfiínû olejem je v˘hodné.
Olej tlumí vibrace ukazatele. Olej také
neponechává ve skfiíni voln˘ prostor, do
kterého by mohla z okolního prostfiedí
pronikat vlhkost. V˘sledkem je, Ïe ve
skfiíni nemÛÏe docházet ke kondenzaci
vody a ke hromadûní kondenzátu.
ZPRAVODAJ
NejbûÏnûj‰ím pfiíslu‰enstvím tlakomûru je uzavírací ventil, kter˘ se umisÈuje mezi tlakomûr a technologick˘ proces (Obrázek 5-2). Ventil lze uzavfiít
v pfiípadû v˘mûny tlakomûru, nebo
Tlakomûry & tlakové spínaãe
Mezi ostatní pfiíslu‰enství patfií trubkové smyãky nebo sifon (Obrázek 52A), které chrání, u instalací kde se
mûfií tlak páry, tlakomûr pfied zniãením
jejich teplotou a tlumiãe rázÛ nebo tlumiãe vibrací (Obrázek 5-2B), obojí
mohou potlaãovat jak tlakové rázy, tak
kolísání mûfieného tlaku vzhledem
k jeho prÛmûrné hodnotû. Je-li vyÏadována ochrana tlakomûru pfied zamrznutím, lze tlakomûr vyhfiívat elektricky
nebo párou.
Tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm
mûfieného média, (Obrázek 5-2C),
chrání tlakomûr v nebezpeãn˘ch a ‰pinav˘ch aplikacích v tom smyslu, Ïe
zabraÀují, aby se ke snímaãi dostaly
korozivní, jedovaté, nebo jinak ‰kodlivé látky. ZabraÀují také, aby látka, jejíÏ
tlak se mûfií, zamrzala v montáÏní dutinû tlakomûru, nebo aby se zde transformovala na gel. Tûsnûní proti chemic-
maximální pfiípustn˘ tlak
spínaã detekuje nárÛst tlaku
spínaã detekuje pokles tlaku
aktivaãní tlak,
setpoint
deaktivaãní
tlak
pfiesnost
diferenãní rezerva
tolerance
tolerance
nastaviteln˘
rozsah
deaktivaãní
tlak
diferenãní rezerva
pfiesnost
aktivaãní tlak,
setpoint
Obrázek 5-3: Odborné názvosloví tlakov˘ch spínaãÛ
v pfiípadû jeho údrÏby. âasto se pfiidává je‰tû druh˘ ventil, jehoÏ úãelem je
odvádût kondenzát u instalací kde se
vyskytují páry (napfiíklad vodní pára)
a také, u nároãnûj‰ích aplikací, umoÏnit
opakovanou kalibraci tlakomûru po pfiipojení externího zdroje, normálu, tlaku.
k˘m úãinkÛm mûfieného média chrání
tlakomûr tak, Ïe mezi mûfiené technologické médium a tlakomûr umisÈuje
ochrannou membránu. Dutina mezi tlakomûrem a ochrannou membránou se
vyplní stabilní tekutinou, která má
malou teplotní roztaÏnost, malou viskoâíslo 3
49
Tlakomûry & tlakové spínaãe
5
Tlakové spínaãe jsou k dispozici
v ‰iroké ‰kále rozsahÛ a provedení.
situ a která není korozivní. U aplikací
pfii vysok˘ch teplotách se ãasto pouÏívá
eutektikum sodíku a draslíku, pfii bûÏn˘ch pokojov˘ch teplotách smûs glycerínu a vody, pfii nízk˘ch teplotách se
pouÏívá ethylalkohol toluen, nebo silikonov˘ olej.
Pro pozorování operátorem mÛÏe
b˘t vhodnûj‰í, kdyÏ se tlakomûr spojí
s tûsnûním proti chemick˘m úãinkÛm
mûfieného média pomocí kapiláry. Aby
se udrÏela pfiesnost mûfiení, nesmí b˘t
kapilára vystavena pfiíli‰ velké teplotû
a nemûla by pfiesahovat délku 25 stop
(7.5 m). Samotné tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média mÛÏe
mít nûkteré z následujících ãtyfi provedení: provedení "off-line", tj provedení
na napojení na potrubí, v samoãistícím
provedení tj. v provedení pro vsazení
do potrubí, vloÏená tûsnûní a plochá
tûsnûní, která se uchycují mezi pfiíruby.
Pfii mûfiení nízk˘ch tlakÛ (niωích neÏ
50 psig, 350 kPa) a pfii mûfiení vakua
mÛÏe zpÛsobovat chyby mûfiení rychlost reakce ochranné membrány tûsnû-
50
âíslo 3
ní. DÛvodem je, Ïe se z plnící kapaliny
mohou uvolnit bublinky plynÛ, které
jsou v plnící kapalinû rozpu‰tûné.
Z tohoto dÛvodu se pfii fie‰ení tûsnûní
ãasto dává pfiednost zesilovaãÛm, opakovaãÛm, tlakového signálu. Jsou k dispozici opakovaãe tlakového signálu
pracující s pfiesností od 0.1 % do 1 %
z rozpûtí rozsahu pfiístroje. Opakovaãe
mají rozsahy absolutního tlaku od
0 - 5 mm sloupce rtuti aÏ 0 - 50 psia
(0 - 0.7 kPa aÏ 0 - 350 kPa).
Tlakové spínače
Úkolem tlakov˘ch spínaãÛ je zapínat
nebo vypínat pfiipojené elektrické
obvody v závislosti na tom, zda je nebo
není mûfien˘ tlak normální. Elektrické
kontakty spínaãe mohou b˘t uspofiádány buì jako jednopólová dvojice
(SPDT), v tomto uspofiádání je pfii normálním tlaku vÏdy jeden kontakt sepnut˘ (NC) a jeden rozepnut˘ (NO).
Spínaãe mohou b˘t také uspofiádány
do dvoupólové dvojice, v tomto pfiípadû jsou vybaveny dvûma spínaãi SPDT,
z nichÏ kaÏd˘ mÛÏe ovládat svÛj vlastní elektrick˘ obvod. Skfiínû tlakov˘ch
spínaãÛ jsou konstruovány tak, aby
vyhovovaly v‰em normám NEMA,
uveìme napfiíklad zafiízení prvního
typu Type 1 (univerzální), zafiízení
sedmého typu Type 7 (provedení pro
práci ve v˘bu‰ném prostfiedí), nebo
zafiízení dvanáctého typu Type 12 (olejotûsné provedení).
Obrázek 5-3 ukazuje odborné
názvosloví, pouÏívané pro popis funkce a provedení tlakového spínaãe.
Jakmile tlak dosáhne hodnoty "aktivaãní tlak", (setpoint, tuto hodnotu lze
nastavit v rozmezí rozsahu spínaãe),
signalizuje spínaã nenormální stav
a aktivuje ochranné elektrické obvody.
Spínaã signalizuje normální stav
a deaktivuje ochranné elektrické obvody teprve poté, co se tlak vrátí do
oblasti normálního tlaku s urãitou "diferenãní tlakovou rezervou" a dosáhne
hodnoty "deaktivaãní tlak" . Tato diferenãní tlaková odchylka se také naz˘vá
mrtvé pásmo. K pfiesnosti aktivace
ochrann˘ch obvodÛ pfii nastavené hodnotû aktivaãního tlaku se vztahuje
pojem pfiesnost tlakového spínaãe.
K pfiesnosti jejich deaktivace pfii nastavené hodnotû deaktivaãního se vztahuje pojem tolerance tlakového spínaãe.
T
Odkazy na literaturu, zdroje dalších informací
• Omegadyne
Pressure, Force, Load, Torque Databook, OMEGADYNE, Inc., 1996.
®
• The Pressure, Strain and Force Handbook . Omega Press LLC, 1996.
• Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995.
• Process/Industrial Instruments and Controls Handbook. 4th Edition,
TM
Douglas M. Considine and Glen D.Considine, McGraw-Hill, 1993.
ZPRAVODAJ
6
Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN
Síla, zrychlení, kroutící moment
Snímaãe síly
Síla, zrychlení, kroutící moment
Z
ákladní principy, na kter˘ch
pracují pfiístroje pro mûfiení
síly, zrychlení a kroutícího
(toãivého) momentu jsou velmi
blízké principÛm, na kter˘ch pracují
tlakomûry s piezoelektrick˘mi snímaãi
a tenzometry. O tûchto pfiístrojích, pouÏívan˘ch pro mûfiení statick˘ch a dynamick˘ch tlakÛ, pojednávaly pfiedchozí
kapitoly. Jaká veliãina je v˘sledkem
mûfiení zde ãasto závisí jen na konfiguraci systému a na zpracování v˘stupního signálu.
Akcelerometr snímá pohyb povrchu
na kter˘ je pfiipevnûn˘ a generuje
v˘stupní elektrick˘ signál, jehoÏ hodnota je v potfiebném vztahu k tomuto
tlakem namáhaná
piezoelektrická mûrka
se‰roubovaná sestava
tlakem namáhaná
piezoelektrická mûrka
podobná rotaãní zafiízení. Kroutící
moment je definovan˘ jako souãin toãivé síly a polomûru, na kterém pÛsobí.
Udává se v jednotkách souãinu váhy
a délky, lb.ft (pound.feet, libra.stopa),
v SI v jednotkách souãinu síly a délky,
N.m (newton.metr).
Snímače síly
NejbûÏnûj‰í snímaã dynamicky pÛsobící síly a snímaã zrychlení je piezoelektrick˘ snímaã (Obrázek 6-1). Slovo piezo má svÛj poãátek v fieãtinû, kde znamená "zmáãknout, stisknout".
PouÏití tohoto slova je docela pfiimûfiené, protoÏe piezoelektrické snímaãe
generují pfii svém "stisknutí" elektrické
krutem namáhaná
piezoelektrická mûrka
krutem namáhaná
piezoelektrická mûrka
setrvaãná hmota
osa citlivosti snímaãe
osa citlivosti snímaãe
montáÏní základna
montáÏní základna
Zrychlení a vibrace
Mûfiení kroutícího momentu
generovan˘ krystalem, po pfiivedení
konstantní síly velmi rychle zaniká.
Zafiízení pracující na piezoelektrickém
principu jsou proto nevhodná pro
mûfiení staticky pÛsobících sil.
Elektrick˘ signál, generovan˘ vysokoimpedanãním v˘stupem piezoelektrického krystalu je pfievádûn (v zesilovaãi) na signál generovan˘ zdrojem
s malou v˘stupní impedancí, takov˘to
signál je jiÏ moÏno pfiivést na vhodn˘
mûfiící pfiístroj, napfiíklad na pamûÈov˘
ãíslicov˘ osciloskop. Aby bylo moÏno
signál analyzovat, je nutno prÛbûh signálu zaznamenat do pamûti dfiíve, neÏ
signál zanikne.
ZáleÏí na aplikaci, zda mûfiená
smykem namáhaná
piezoelektrická mûrka
smykem namáhaná
piezoelektrická mûrka
osa citlivosti snímaãe
smykem namáhaná
piezoelektrická mûrka
stfiední podpûra a
montáÏní základna
Obrázek 6-1: ¤e‰ení prvkÛ piezoelektrick˘ch snímaãÛ
pohybu. Zrychlení se mûfií v stopách za
kvadrát sekundy (m.s-2), souãin velikosti zrychlení a velikosti hmotnosti zrychlovaného tûlesa je roven˘ velikosti síly,
která na tûleso pÛsobí. Kroutící moment
je dán toãivou silou, pÛsobící obvykle
na hfiídele, tyãe, páky, kladky a na
ZPRAVODAJ
napûtí, úmûrné síle, kterou jsou namáhány. Zásadní rozdíl mezi zafiízeními
pracujícími na piezoelektrickém principu a zafiízeními pro mûfiení okamÏité
hodnoty i staticky pÛsobící síly, takov˘mto snímaãem je napfiíklad tenzometr, je v tom, Ïe elektrick˘ signál,
dynamicky pÛsobící síla je síla vyvolávající tlak, tah, nebo zda je to toãivá
síla vyvolávající kroutící moment.
V aplikacích se mohou vyskytovat síly
dané pruÏností pera, síly vyvolané
such˘m tfiením, napûtím v fietûze, síly
pfii kter˘ch dochází k prokluzÛm spoâíslo 3
51
6
Mal˘ snímaã zrychlení je uÏiteãn˘ pro pouÏití v laboratofiích, kde se pracuje s mal˘mi hmotnostmi.
jek, adhesní síly laminátÛ, lepen˘ch
pfiedmûtÛ, ou‰ek.
Piezoelektrick˘ snímaã síly je témûfi
tak pevn˘, jako je rozmûrovû srovnateln˘ kus masivní oceli. Tuhost a pevnost
tûchto snímaãÛ umoÏÀuje, aby byly
vkládány pfiímo do strojÛ jako souãást
jejich konstrukce. Pevnost dává piezoelektrick˘m snímaãÛm velmi vysokou
vlastní frekvenci. Této vysoké frekvenci
odpovídá malá ãasová konstanta snímaãÛ. Piezoelektrické snímaãe jsou
proto ideálním nástrojem pro mûfiení
rychle se mûnících pfiechodn˘ch sil,
napfiíklad sil vznikajících pfii vzájemném nárazu kovov˘ch tûles, nebo sil,
vznikajících pfii vysokofrekvenãních
vibracích. Aby bylo mûfiení pfiesné,
musí b˘t vlastní frekvence mûfiícího
zafiízení podstatnû vy‰‰í, neÏ je frekvence mûfieného dûje. BlíÏí-li se frekvence mûfieného dûje vlastní frekvenci
snímaãe, vznikají pfii mûfiení chyby.
• Rázové průtokoměry
Rázov˘ prÛtokomûr je rovnûÏ konstruovan˘ jako snímaã síly. Mûfií rychlost
volnû tekoucího sypaného pevného
materiálu na v˘stupu ze skluzného
násypného Ïlabu. Skluzn˘ Ïlab smûfiuje tok materiálu tak, aby naráÏel na
snímací desku (Obrázek 6-2). Na desku pÛsobí síla, vyvolaná nárazy materiálu, tato síla je úmûrná prÛtoãnému
mnoÏství materiálu.
52
âíslo 3
Konstrukce prÛtokomûru je fie‰ena
tak, aby se snímací deska mohla pohybovat pouze v horizontální rovinû.
Velikost pÛsobící síly se mûfií tak, Ïe se
mûfií horizontální v˘chylka snímací desky. Tato v˘chylka se mûfií pomocí lineárního promûnného diferenãního transformátoru (LVDT). V˘stupní napûtí
z LVDT se pfievádí na impulzní kmitoãtovû modulovan˘ signál. Tento signál se
vede jako signál udávající hodnotu prÛtoãného mnoÏství do fiídícího systému.
Pfii mûfiení a regulaci prÛtoãného
mnoÏství sypaného pevného materiálu
do spojitého v˘robního procesu lze pouÏít rázov˘ prÛtokomûr jako alternativu
k systému kter˘ mûfií hmotnost materiálu.
¤e‰ení ukazuje obrázek 6-2. Rázov˘
prÛtokomûr je zde umístûn na konci
skluzného násypného Ïlabu, za ‰roubov˘m, ‰nekov˘m, podavaãem kter˘ mÛÏe
pracovat s promûnnou rychlostí. Îádaná
hodnota podávaného materiálu je nastavena v jednotkách tun za hodinu a fiídící
systém reguluje rychlost ‰roubového
podavaãe tak, aby bylo dosaÏeno odpo-
vídajícího prÛtoãného mnoÏství materiálu. Pro regulaci rychlosti podavaãe
potfiebné pro dodrÏení konstantního prÛtoãného mnoÏství pouÏívá fiídící systém
algoritmus PID regulátoru. Rázové prÛtokomûry mûfií prÛtoãné mnoÏství nûkter˘ch pevn˘ch materiálÛ v rozmezí od
1 tuny za hodinu do 800 tun za hodinu.
Jejich linearita a opakovatelnost mûfiení
je lep‰í neÏ 1 %.
Zrychlení a vibrace
První snímaãe pouÏívané pro mûfiení
zrychlení a vibrací (chvûní) byly sloÏité
a spletité mechanické aparáty
(Obrázek 6-3), které byly vhodné spí‰e
pro práci v laboratofiích neÏ pro pouÏívání ve v˘robních závodech. Moderní
snímaãe zrychlení (akcelerometry) jiÏ
ãerpají z celkového pokroku techniky
a technologie. Jejich cenová dostupnost, pfiesnost a snadnost jejich poÏívání se v prÛbûhu let zlep‰ily.
První snímaãe zrychlení byly analogová elektronická zafiízení. Tyto byly
podavaã
h = 1-1/2 ft.
Síla, zrychlení, kroutící moment
rázov˘ systém
pro stanovení
hmotnosti
materiálu
γ = 35°
β = 60°
α = 85°
snímací deska
násypn˘
zásobník
vytlaãovací stroj
Obrázek 6-2: Aplikace snímaãe síly pro konstrukci rázového prÛtokomûru
ZPRAVODAJ
6
pozdûji nahrazeny snímaãi s ãíslicov˘mi elektronick˘mi obvody a snímaãi
s mikroprocesory. Pro ovládání airbagu se v automobilovém prÛmyslu pouÏívají hybridní elektronicko-mechanické mikrosystémy (MEMS). Funkce tûchto zafiízení je závislá na tom, co bylo
dfiíve pova-Ïované za chybu pfii v˘robû
polovodiãov˘ch prvkÛ: na "prázdné
vrstvû", neboli na prázdném prostoru
v materiálu obvodu, nacházejícím se
v nepatrné vzdálenosti nad povrchem
polovodiãového substrátu. U ãíslicového obvodu ovlivÀuje tato prázdná vrstva tok elektronÛ protoÏe má vliv na
okolní analogové prostfiedí.
U snímaãe zrychlení MEMS tato
prázdná vrstva tvofií jádro snímaãe pro
mûfiení zrychlení. V dne‰ních automobilech jsou snímaãe MEMS pouÏívané
pro ovládání airbagÛ a podvozkÛ, pro
detekci boãních nárazÛ a pro regulaci
protismykov˘ch systémÛ. Snímaãe
zrychlení, urãené pro automobilov˘
prÛmysl jsou k disposici od frekvencí
0.1 Hz do frekvencí 1500 Hz, s rozsahy od 1.5 g do 250 g, mûfií zrychlení
v jedné nebo dvou osách, jejich citlivost
se pohybuje v rozsahu od
zrychlení patfií sledování vibrací strojÛ,
slouÏící, napfiíklad pro diagnostiku
nevyváÏení rotujících ãástí strojÛ.
Analyzátor, jehoÏ jádrem je snímaã
setrvaãná hmota
ZPRAVODAJ
známou silou. Následkem je vznik vibrací konstrukce, které lze zaznamenat,
analyzovat a srovnat s referenãním prÛbûhem vibrací.
tenzometry
izolované
podpûry
základna
osa citlivosti snímaãe
pera konzoly
(krákorcÛ)
Obrázek 6-3: ¤e‰ení piezoelektrického snímaãe
zrychlení, mÛÏe nenormální vibrace
detekovat nebo mûfiit, analyzovat jejich
chování a usnadnit tak zji‰tûní, co je
jejich pfiíãinou.
Jinou aplikací je testování, kontrola
stavu, konstrukcí. Vada konstrukce,
napfiíklad prasklina, ‰patn˘ svár, nebo
koroze konstrukce, mohou zmûnit rozloÏení vibrací konstrukce. Konstrukcí mÛÏe
b˘t napfiíklad skfiíÀ motoru nebo turbíny,
nádoba reaktoru, nebo nádrÏ. Kontrola
PrÛmyslov˘ snímaã zrychlení s pfiipojen˘m elektronick˘m vybavením.
7.62 mV/1g do 1333 mV/1g.
Mezi prÛmyslové aplikace snímaãÛ
Síla, zrychlení, kroutící moment
se provede tak, Ïe se do konstrukce udefií kladivem, ãímÏ se konstrukce vybudí
Snímaãe zrychlení mají také uplatnûní pfii urãování orientace a smûru.
V tûchto aplikacích se pouÏívají miniaturní snímaãe. Snímaã mûfií zmûnu
rychlosti ve smûru pohybu, ve vertikálním smûru a v azimutu (úhlu odchylky
od horizontální roviny), nebo zmûny ve
tfiech na sebe kolm˘ch osách. X, Y, Z.
Tyto snímaãe lze pouÏít pro vedení vrtn˘ch korunek pfii vrtání, pro urãení orientace bójí a sonarÛ, ultrazvukov˘ch
zamûfiovaãÛ. Mohou slouÏit jako kompasy, mohou nahradit gyroskopy nebo
pevné navigaãní systémy.
Mechanické snímaãe zrychlení, jako
napfiíklad snímaã pracující na principu
setrvaãnosti hmoty, snímaã zmûny
rychlosti, nebo mechanicky buzen˘
magnetick˘ spínaã, detekují sílu, pÛsobící na hmotu pfii jejím zrychlení.
Hmota klade zrychlující síle odpor, coÏ
má za následek její vych˘lení nebo
deformaci, které se mûfií snímaãi
v˘chylky nebo tenzometry (Obrázek 63). Mnohá z tûchto zafiízení jsou vybavena tlumícím zafiízením, napfiíklad
pery nebo magnety, aby se zabránilo
jejich oscilacím.
Pfiíkladem snímaãe zrychlení je servomechanick˘ snímaã zrychlení, tento
snímaã má rozsah od 10-6g do více neÏ
âíslo 3
53
Síla, zrychlení, kroutící moment
6
50g. Snímaã pracuje s rotujícím
mechanizmem, kter˘ je v rovinû rotace
úmyslnû rozváÏen. Zrychlení které na
mechanizmus pÛsobí vyvolá jeho úhlovou v˘chylku, která se mûfií snímaãem
v˘chylky.
Mezi novûj‰í fie‰ení snímaãe zrychlení patfií snímaã zrychlení, pracující na
tepelném principu. Tento snímaã urãuje
polohu mûfiením velikosti pfiestupu tepla. Nad zdrojem tepla je umístûno tûleso s danou setrvaãnou hmotou. Zmûníli se v dÛsledku zrychlení tûlesa jeho
poloha, zmûní se jeho vzdálenost od
zdroje tepla, coÏ má za následek zmû-
pfii vysok˘ch teplotách, je obtíÏné instalovat snímaãe se zabudovan˘mi mikroelektronick˘mi obvody. Je zde moÏno
pouÏít zafiízení se snímaãi, které mají
velkou v˘stupní impedanci. V tûchto pfiípadech se krystalov˘ snímaã pfiipojuje
pomocí signálního vedení na zesilovaã
s velk˘m zesílením. V˘stupní signál snímaãe je úmûrn˘ síle vyvolávající zrychlení snímaãe. Tento signál je snímán
zesilovaãem s velk˘m zesílením. Není-li
teplota nadmûrnû vysoká, je moÏné
elektronické obvody, pfievádûjící signál
generovan˘ krystalem na nízkoimpedanãní signál, zabudovat pfiímo do sní-
komprese
(permealibita
klesá)
1m
kroutící
moment
5 kg.m
osa
hfiídele
45°
5 kg
dekomprese
(permealibita
roste)
Obrázek 6-4: Rotující hfiídel, namáhan˘ kroutícím momentem
nu jeho teploty. Pro mûfiení zmûny teploty tûlesa se pouÏívají polysilikonové
termoelektrické baterie.
Kapacitanãní snímaãe zrychlení pracují s miniaturními kondenzátory
(CMOS), s deskami o síle pouze
60 mikronÛ. Hmotnost tûchto kondensátorÛ je asi 50 mikrogramÛ.
PÛsobením zrychlení se desky kondensátoru deformují, v˘sledkem deformace
desek je mûfiitelná zmûna kapacitance.
Nejpraktiãtûj‰ím zafiízením pro mûfiení
rázÛ a vibrací jsou v‰ak zfiejmû piezoelektrické snímaãe zrychlení. Obdobnû
jako je tomu u mechanick˘ch snímaãÛ,
pracují tyto snímaãe se setrvaãností
hmoty, která pfii zrychlení pÛsobí setrvaãnou silou na piezoelektrick˘ krystal.
V aplikacích, kde se mûfiení provádí
54
âíslo 3
maãe. Jak vysokoimpedanãní snímaã,
tak nízkoimpedanãní snímaã lze k povrchu mûfiené konstrukce pfiipevnit mechanicky, nebo je lze pfiilepit nebo pfiichytit
magneticky. Takto instalované piezoelektrické snímaãe jsou vhodné pouze
pro mûfiení krátkotrvajícího zrychlení.
Piezorezistivní snímaãe zrychlení
a snímaãe s tenzometry pracují obdobnû, tenzometry jsou ale citlivé na zmûny teploty a vyÏadují pro svou ãinnost
teplotní kompenzaci. Dává se jim pfiednost v aplikacích, kde se mûfií nízkofrekvenãní vibrace, dlouhotrvající rázy,
nebo trvale pÛsobící zrychlení.
Piezorezistivní jednotky jsou masivní,
odolné, mohou pracovat aÏ do frekvencí 2000 Hz.
Měření kroutícího momentu
Mûfiení kroutícího momentu se provádí
buì snímáním skuteãného natoãení hfiídele, zpÛsobeného toãivou silou, nebo
mûfiením úãinkÛ zpÛsoben˘ch tímto
natoãením. Povrch hfiídele kter˘ je
namáhan˘ kroutícím momentem je jak
stlaãovan˘, tak napínan˘, situaci ukazuje obrázek 6-4. Pfii mûfiení kroutícího
momentu se obvykle snímaãe pfiipevÀují na hfiídel ve dvojicích. Jeden snímaã
mûfií nárÛst délky povrchu hfiídele (ve
smûru, kde je povrch hfiídele namáhan˘
na tah), druh˘ snímaã mûfií pokles délky povrchu hfiídele v opaãném smûru.
První snímaãe kroutícího momentu
byly mechanické konstrukce s tenzometry. Jejich vysoká cena a malá spolehlivost zpÛsobovaly, Ïe nebyly obecnû prÛmyslem pfiíli‰ kladnû pfiijímány.
Moderní technika a technologie v‰ak
cenu mûfiení kroutícího momentu sníÏily, fiízení a kontrola kvality v˘roby pfiitom potfiebu pfiesného mûfiení kroutícího momentu zv˘‰ily.
• Použití snímačů kroutícího momentu
Aplikace snímaãÛ kroutícího momentu
zahrnují úlohu urãení hodnoty v˘konu,
kter˘ pohon, motor, turbína nebo jiné
zafiízení s rotujícím hfiídelem generuje
nebo spotfiebovává. Norma ISO 9000
a jiné pfiedpisy pro fiízení a kontrolu
kvality pouÏívané ve svûtû prÛmyslu
nyní vyÏadují, aby byl pfii v˘robû kroutící moment mûfien˘, a to zejména
v pfiípadech, kdy se pouÏívají upevÀovací stroje. Snímaãe pfiedávají potfiebné mûfiené hodnoty kroutícího momentu pfiímo na ‰roubovací stroje a na
montáÏní stroje, snímaãe také mohou
b˘t také souãástí ruãního náfiadí.
V obou pfiípadech lze mûfiené údaje
automaticky sbírat, archivovat a pouÏít
pro úãely fiízení a kontroly kvality a pro
dokumentaãní zprávy.
Jiné prÛmyslové aplikace snímaãÛ
kroutícího momentu zahrnují mûfiení
fiezn˘ch sil pfii práci kovoobrábûcích
ZPRAVODAJ
6
strojÛ, kalibraci momentového náfiadí,
mûfiení adhezních sil, mûfiení tfiecích sil,
mûfiení kroutícího momentu pfii uzavírání lahví víãky, testování per, provádûní biodynamick˘ch mûfiení.
buzení
mÛstku
oscilátor
(napájení mÛstku)
• Uspořádání snímačů
Kroutící moment mÛÏe b˘t mûfien˘ tenzometrick˘mi snímaãi rotujícími spolu
s hfiídelem, mÛÏe b˘t mûfien˘ nepohyblivû umístûn˘m smímaãem vzdálenosti,
mÛÏe b˘t mûfien˘ magnetostriktivními
a
magnetoelastick˘mi
snímaãi.
V‰echny tyto snímaãe jsou citlivé na
zmûny teploty. Rotující snímaãe musí
b˘t pfiipevnûny na hfiídel, coÏ není vÏdy
moÏné z dÛvodu nedostatku místa.
Tenzometr mÛÏe b˘t upevnûn˘ pfiímo
na hfiídel. ProtoÏe hfiídel rotuje, je tfieba
rotující snímaã kroutícího momentu pfiipojit na napájecí zdroj a na elektronické obvody pro pfiizpÛsobení signálu
pomocí kluzn˘ch sbûrn˘ch krouÏkÛ.
Tenzometr lze také pfiipojit pomocí
transformátoru, toto fie‰ení nevyÏaduje
Output
Signal
ZPRAVODAJ
tenzometry
mÛstek pro
mûfiení krouticího
momentu
zesilovaã
a demodulátor
v˘stuní
signál
ROTUJÍCÍ âÁST
PEVNÁ, NEROTUJÍCÍ âÁST
Obrázek 6-5: Induktivní pfiipojení snímaãÛ krouticího momentu
mÛstek pfiivádí pomocí induktivní vazby, v˘stupem mÛstku je amplitudovû
modulovan˘ impulzní signál (Obrázek
6-5). Maximální rychlost otáãení hfiídele je pfii takovémto uspofiádání mûfiení
15 000 otáãek za sekundu.
Tenzometry lze také pfiipevnit na
pevné podpûry stroje, nebo pfiímo na
jeho skfiíÀ. Tyto snímaãe reaktivních sil
Snímaã kroutícího momentu pracující na principu mûfiení reaktivních sil, provedení pro montáÏ na pfiíruby.
nároãnou údrÏbu kluzn˘ch krouÏkÛ.
Budící napûtí se pak na tenzometrick˘
Síla, zrychlení, kroutící moment
mûfií kroutící moment pfienesen˘ ze hfiídele na ãásti stroje, které stroj drÏí.
Takto získaná hodnota kroutícího
momentu není ale zcela pfiesná, protoÏe zahrnuje vliv setrvaãné hmoty celého stroje.
Pro mûfiení kroutícího momentu se
pouÏívají foliové, difúzní polovodiãové,
nebo tenkovrstvé tenzometry. Na hfiídel
se pfiipevÀují buì lepením, pájením,
nebo jinou technikou. Nejsou-li odstfiedivé síly pfiíli‰ velké, a lze-li povolit rozváÏení stroje jejich hmotností, lze na
hfiídel pfiipevnit také potfiebné elektronické vybavení, vãetnû baterie, zesilovaãe a radiového vysílaãe.
Kroutící moment lze také mûfiit snímaãi vzdálenosti a snímaãi posunutí.
Mûfií se úhlové posunutí mezi obûma
konci hfiídele. Úhlové posunutí, zpÛsobené kroutícím momentem, lze zmûfiit
poté, co se na hfiídel umístí, v urãité
vzdálenosti od sebe, dvû stejná ozubená kola. Snímaã vzdálenosti nebo fotobuÀky umístûné u kaÏdého z ozuben˘ch kol generují napûÈové impulzy,
jejichÏ fázov˘ posun se rÛstem kroutícího momentu zvût‰uje.
Jin˘m pfiístupem je zamûfiit jedinou
fotobuÀku pfies ozubení obou ozuben˘ch kol. RÛst kroutícího momentu zpÛsobuje posun vzájemné polohy ozuben˘ch kol a mnoÏství svûtla dopadajícího na fotobuÀku se zmen‰uje. Posunutí
zpÛsobené kroutícím momentem lze
âíslo 3
55
Síla, zrychlení, kroutící moment
6
zmûfiit i jin˘mi optick˘mi, induktanãními, kapacitanãními a potenciometrick˘mi snímaãi. Kapacitanãní snímaã kroutícího momentu mÛÏe napfiíklad mûfiit
zmûnu kapacitance která vzniká, kdyÏ
se pÛsobením kroutícího momentu mûní
velikost mezery mezi dvûma deskami
kondenzátoru.
S velikostí kroutícího momentu se také
mûní schopnost materiálu absorbovat
magnetické pole, tj. mûní se magnetická
permeabilita materiálu. Magnetická
permeabilita mÛÏe b˘t mûfiena magnetostriktivními snímaãi, vyuÏívajícími jevu,
Ïe se zmûnou rozmûrÛ feromagnetického tûlesa dochází ke zmûnû jeho magnetizace. Pokud není hfiídel zatíÏen˘,
má permeabilita hfiídele standardní
hodnotu. Pfii zatíÏení hfiídele kroutícím
momentem roste permeabilita materiálu
hfiídele úmûrnû s velikostí kroutícího
momentu, poãet siloãar procházejících
hfiídelem se zvy‰uje. Magnetostriktivní
snímaã lze umístit po stranû hfiídele,
pouÏívají se dvû primární a dvû sekundární vinutí. Lze také pouÏít sestavu
s velk˘m poãtem primárních a sekundárních vinutí, která jsou uspofiádána
v prstenci okolo hfiídele.
Magnetoelastick˘ snímaã kroutícího
momentu mûfií zmûny permeability
mûfiením zmûn svého vlastního elektro-
56
âíslo 3
magnetického pole. Jeden magnetoelastick˘ snímaã je konstruovan˘ jako
tenk˘ prstenec, pevnû pfiipojen˘ ke hfiídeli z nerezavûjící oceli. Tato sestava
pracuje jako permanentní magnet,
jehoÏ magnetické pole je úmûrné velikosti kroutícího momentu pÛsobícího
na hfiídel. Hfiídel je vloÏen˘ mezi hnací
motor a pohánûné zafiízení, napfiíklad
‰roubovací, upínací, mechanismus.
Vzniklé magnetické pole se snímá
magnetometrem a pfievádí se na elektrick˘ v˘stupní signál, kter˘ je úmûrn˘
velikosti kroutícího momentu.
T
Literatura
• Omegadyne
®
Pressure, Force, Load, Torque Databook,
OMEGADYNE, Inc., 1996.
• The Pressure, Strain and Force Handbook . Omega Press LLC, 1996.
• Industrial Control Handbook, E.A. Parr, Butterworth, 1995.
• Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995.
• Instrumentation Reference Book, 2nd Edition, B.E. Nolting, Butterworth TM
Heinemann, 1995.
• Overcoming the High Cost of Torque Sensing in Industrial Applications,
Darrell Williams, Eaton Corp., 1998.
• Process/Industrial Instruments and Controls Handbook. 4th Edition,
Douglas M. Considine and Glen D.Considine, McGraw-Hill, 1993.
• Sensor and Analyser Handbook. H.N. Northon, Prentice Hall, 1982
• Sensors: The Next Wave of Infotech Innovation, Paul Saffo, Institute for the
Future, 1998.
• Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia, Douglas M. Considine and Glen
D. Considine, Van Nostrand 1997.
• Vibration Analysis for Electronic Equipment, 2nd Edition,
Dave S. Steinberg, Wiley, 1988.
ZPRAVODAJ
7
Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN
Konstrukce silomûrÛ
Funkãní principy
Konstrukce siloměrů
N
eÏ se zaãaly pro váÏení v prÛmyslu pouÏívat metody vyuÏívající tenzometrické silomûrné
krabice, silomûry, dále: silomûry, pouÏívaly se bûÏnû pro váÏení
mechanické
pákové
váhy.
Mechanick˘mi váhami lze váÏit v‰e
poãínaje tabletkami a konãe Ïelezniãními vagony. Jsou-li mechanické váhy
správnû kalibrovány a správnû udrÏovány, poskytují pfiesné a spolehlivé
v˘sledky. Pro váÏení se buì pouÏívá
vyrovnávací mechanizmus, kter˘m se
Obrázek 7-1: Srovnání rÛzn˘ch fie‰ení silomûrÛ
TYP SILOMùRU
VÁÎÍCÍ ROZSAH P¤ESNOST
mechanické silomûry
hydraulické
aÏ
0.25%
4 500 000 kg
pneumatické
velk˘
velká
Moderní snímaãe
Sestavy tenzometrÛ
V kapitole 2 bylo detailnû ukázáno, Ïe
tento WheatstoneÛv mÛstek je ideální
i pro mûfiení zmûn odporu, které se
objevují na tenzometrech. I kdyÏ byl
první spojn˘ drátov˘ tenzometr vyvinut˘ v roce 1940, stala se tato nová technologie technicky a ekonomicky pouÏitelná teprve poté, aÏ zaãaly b˘t k dispozici moderní elektronické prostfiedky.
Od svého vzniku se tenzometry ‰ífiily
zejména jako souãásti mechanick˘ch
vah a jako vybavení samostatnû pracujících silomûrÛ.
vají v instalacích ve vzdálen˘ch odlehl˘ch místech, protoÏe pro svou ãinnost
nevyÏadují napájecí energetick˘ zdroj.
Tenzometrické silomûry nabízejí pfiesnost mazi 0.03 % aÏ 0.25 % z plného
rozsahu pfiístroje a jsou vhodné pro
témûfi v‰echny prÛmyslové aplikace.
V aplikacích ve kter˘ch není vyÏadována velká pfiesnost, takov˘mito aplikacemi je napfiíklad váÏení pfii pfiepravû
volnû sypaného materiálu nebo váÏení
nákladních automobilÛ, se stále bûÏnû
pouÏívají mechanické plo‰inové váhy.
POUÎITÍ
V¯HODY
NEV¯HODY
nádrÏe, zásobníky a násypníky
nebezpeãná prostfiedí
potravináfisk˘ prÛmysl
nebezpeãná prostfiedí
sná‰ejí velké rázy
nejsou citlivé na teplotu
drahé, sloÏité
vnitfinû (jiskrovû) bezpeãné
neobsahují kapaliny
pomalá odezva
vyÏadují ãist˘, such˘ vzduch
tenzometry jsou vystaveny
pÛsobení vnûj‰ího prostfiedí,
vyÏadují ochranu
tenzometrické silomûry
nosník namáhan˘ na ohyb
5-2200 kg
0.03%
nádrÏe, plo‰inové váhy
malá cena jednoduchá konstrukce
nosník namáhan˘ na smyk
220 000 kg
0.03%
nádrÏe, plo‰inové váhy
nevycentrované zatíÏení
kanistrov˘ (stonkov˘) silomûr
prstencové silomûry
2-22 000 kg
22 000 kg
90 kg
0.05%
aut., kolej., zásob., násyp. váhy, váÏ. nádrÏí
1%
nádrÏe, zásobníkové váhy
malé rozsahy
vysok˘ odpor proti boãnímu zatíÏení
lep‰í tûsnûní a ochrana
sná‰í pohyb zátûÏe
není ochrana proti horizont. zatíÏení
vyrobeny plnû z nerezavûjící ocele není pfiípustn˘ pohyb zatíÏení
malé, levné
zatíÏení musí b˘t centrované
není pfiípustn˘ pohyb zatíÏení
18 000 kg
0.2%
membránové (knoflíkové) silomûry
jiné typy silomûrÛ
silomûry se ‰roubovicovou
pruÏinou
silomûry s optick˘mi vlákny
piezorezistivní silomûry
0.1%
0.03%
vyvaÏuje mûfiená váha, nebo se mechanicky mûfií síla, kterou váÏen˘ objekt na
váhu pÛsobí. Mezi tyto prvotní silomûry,
konstruované bez pouÏití tenzometrÛ,
patfií také silomûry vyuÏívající rÛzné
hydraulické a pneumatické konstrukce.
V roce 1843 navrhl anglick˘ fyzik
Sir Charles Wheatstone mÛstkov˘
obvod pro mûfiení elektrického odporu.
ZPRAVODAJ
plo‰in. váhy, vys. vozíky, zatíÏení kol a
náprav, váÏení zatíÏení sedadel
kabely a vodiãe rozvodÛ el. energie
zatíÏení ‰roubov˘ch a vrutov˘ch úchytÛ
sná‰í zatíÏení, které nepÛsobí v ose
zátûÏe, pfietíÏení rázy
nejsou citlivé na vysokofrek. radiové
nebo jiné elektromag. ru‰ení
mimofiádnû citlivé vysoká úroveÀ
v˘stupního signálu
Dnes ve váÏícím prÛmyslu dominují,
s v˘jimkou nûkter˘ch laboratofií, kde se
stále pouÏívají mechanické jaz˘ãkové
váhy,
tenzometrické
silomûry.
Pneumatické silomûry se nûkdy pouÏívají v aplikacích, kde se poÏaduje vnitfiní (jiskrová) bezpeãnost zafiízení nebo
dodrÏování zvlá‰tních hygienick˘ch
norem. Hydraulické silomûry se pouÏí-
velká cena, nelineární
charakteristika
I v tûchto aplikacích se ale síly, pfiená‰ené mechanick˘mi pákami vah, ãasto
mûfií pomocí tenzometrick˘ch silomûrÛ.
DÛvodem je pfiirozená kompatibilita
tenzometrick˘ch silomûrÛ s návaznou
ãíslicovou, na práci poãítaãÛ vázanou,
pfiístrojovou technikou. Charakteristiky
a moÏnosti rÛzn˘ch fie‰ení silomûrÛ jsou
shrnuty na obrázku 7-1.
âíslo 3
57
Konstrukce silomûrÛ
7
vnitfiní teplotní
kompenzace
vnitfiní vyváÏení
mÛstku
nastavení
modulu pruÏnosti
v˘stup
tenzometry
odpor obvodu
vyváÏení mÛstku
vnitfiní vyváÏení
mÛstku
odpor obvodu
teplotní kompenzace
vstup
Obrázek 7-2: WheatstoneÛv mÛstek s teplotní kompenzací
Funkční principy
Silomûry je moÏno rozdûlit podle toho,
jak˘ typ signálu generují (pneumatické,
hydraulické, elektrické), nebo podle
principu, jak˘m na váhu reagují (ohyb,
smyk, komprese, nataÏení, atd.).
Hydraulické silomûry jsou zafiízení,
u kter˘ch je zatûÏující síla vyvaÏovaná,
váha se mûfií tlakem vnitfiní tekuté náplnû silomûru. U typu silomûru, pracujícího s vlnovcovou membránou pÛsobí
zatíÏení, nebo síla, na hlavici silomûru,
odtud se pfiená‰í na píst, kter˘ stlaãuje
kapalinovou náplÀ, uzavfienou v pruÏné elastomerické membránové komÛrce.S rÛstem pÛsobící síly roste tlak hydraulické tekutiny. Tlak tekutiny lze mûfiit
lokálnû, nebo lze údaje o tlaku vysílat
pro úlohy dálkového ovládání a fiízení.
Snímaã má lineární charakteristiku,
v˘stupní signál je relativnû málo závisl˘ na mnoÏství plnící kapaliny nebo na
její teplotû. Je-li silomûr správnû instalován a je-li fiádnû kalibrován, je jeho
pfiesnost alespoÀ 0.25 % z plného roz58
âíslo 3
sahu pfiístroje. Tato pfiesnost je pfiijatelná pro vût‰inu prÛmyslov˘ch váÏení.
ProtoÏe hydraulick˘ silomûr nemá elektronické prvky, je ideální pro práci
v nebezpeãn˘ch prostfiedích.
Jednou z nev˘hod hydraulického
silomûru je, Ïe elastomerická membrá-
provedení, tyto silomûry mohou pracovat s mnohem vût‰ími tlaky. Speciální
hydraulické silomûry s kovovou mebránovou komÛrkou jsou konstruovány pro
mûfiení váhy aÏ 4 500 000 kg.
Mezi typické aplikace hydraulick˘ch
silomûrÛ patfií váÏení nádob, zásobníkÛ, násypníkÛ. Aby se dosáhlo maximální pfiesnosti mûfiení, provede se
váÏení nádoby tak, Ïe se pod kaÏd˘
bod, ve kterém je nádoba podepfiena,
umístí jeden snímaã a celková váha
nádoby se urãí jako souãet zmûfien˘ch
zatíÏení. ProtoÏe je rovina urãena tfiemi
body, je nejlep‰ím fie‰ením podepfiít
váÏenou nádobu ve tfiech bodech.
V˘stupní signály silomûrÛ lze pfiivést do
hydraulického sumátoru, hydraulick˘
sumátor seãítá vstupní tlaky, v˘stupní
tlak sumátoru je roven souãtu vstupních
tlakÛ. Lze také pouÏít elektronick˘
sumátor.
Pneumatické silomûry pracují rovnûÏ na principu vyvaÏování zatûÏující
síly. Aby mûla tato zafiízení lep‰í pfiesnost neÏ jaké mohou dosáhnout hydraulické snímaãe síly, pracují s mnohonásobn˘mi pruÏn˘mi tlumícími komÛrkami. V nûkter˘ch fie‰eních silomûrÛ
Membránové (knoflíkové) silomûry pro mûfiení tlakov˘ch sil
na omezuje maximální sílu, pÛsobící na
píst, na asi 10 000 psig. K dispozici
jsou také v˘robky které mají celokovové
slouÏí jako vyvaÏovací komÛrka první
komÛrka silomûru. Pneumatické silomûry se ãasto pouÏívají pro mûfiení relaZPRAVODAJ
7
tivnû mal˘ch vah v prÛmyslu, kde je prioritním poÏadavkem dodrÏení ãistoty
a bezpeãnosti funkce.
V˘hodou tohoto typu silomûrÛ je, Ïe
Silomûr s nosníkem ve tvaru "S" pro mûfiení tlakov˘ch nebo tahov˘ch sil
jsou vnitfinû, jiskrovû, bezpeãné a Ïe
jsou necitlivé na kolísání teploty.
Neobsahují také Ïádné kapaliny, kter˘mi by mohly kontaminovat své okolí
v pfiípadû prasknutí membrány. Mezi
jejich nev˘hody patfií relativnû pomalá
odezva, a také to, Ïe pro svoji práci
potfiebují ãist˘ such˘ vzduch nebo dusík.
Tenzometrické silomûry pfievádûjí
zatíÏení, které na silomûr pÛsobí, na
elektrick˘ signál. Samotné tenzometry
jsou pfiipevnûny na nosník, nebo na
jin˘ ãlen konstrukce silomûru, kter˘ se
pÛsobením pfiivedené síly nebo váhy
mechanicky deformuje. Pro dosaÏení
maximální citlivosti silomûru a pro realizaci jeho teplotní kompenzace se ve
vût‰inû pfiípadÛ realizují silomûry se
ãtyfimi tenzometry. Dva tenzometry jsou
obvykle namáhány kompresí, druhé
dva jsou namáhány tahem. Jsou zapojeny do mÛstku podle obrázku 7-2,
mÛstek zahrnuje teplotní kompenzaci
tenzometrÛ. Pfii zatíÏení silomûru se
mûní pomûrné prodlouÏení snímané
tenzometry a jejich odpor se mûní
úmûrnû váze, která na silomûr pÛsobí.
S rÛstem pfiesnosti tenzometrick˘ch
silomûrÛ a se sniÏováním jejich ceny se
ZPRAVODAJ
postupnû stávají jiné typy silomûrÛ
pomalu neznámé. Nûkteré z jin˘ch
fie‰ení silomûrÛ se ale stále tû‰í, v urãit˘ch oblastech pouÏití, pozornosti:
• Piezorezistivní silomûry. Princip
funkce piezorezistivních silomûrÛ je
odobn˘ principu tenzometrick˘ch silomûrÛ. Piezoelektrické silomûry mají
velk˘ v˘stupní signál. Tím se stávají ideálním prvkem pro jednoduché váÏní
systémy, ponûvadÏ je lze pfiipojit pfiímo
k ukazovacímu pfiístroji vah. Tato v˘hoda v‰ak jiÏ ponûkud ztrácí na v˘znamu
protoÏe jsou dnes k dispozici levné
lineární zesilovaãe. Navíc, nev˘hodou
piezorezistivních zafiízení je i jejich
nelineární charakteristika.
• Induktanãní a reluktanãní silomûry. Zafiízení obou dvou typÛ reagují na
zatíÏení úmûrnou zmûnou polohy feromagnetického jádra. U prvního typu se
mûní induktance cívky solenoidu
v dÛsledku pohybu jeho jádra, u druhého typu se mûní reluktance velmi
malé vzduchové mezery.
• Magnetostriktivní silomûry. Funkce tohoto pfievodníku je zaloÏena na
zmûnû permeability feromagnetického
materiálu, ke které dochází, je-li
v materiálu mechanické napûtí. Snímaã
je konstruovan˘ tak, Ïe zatûÏovan˘ element je tvofien˘ sloupcem z navrstven˘ch plechÛ. Sloupec tvofií jádro pro
primární a sekundární vinutí transformátoru. Pfii pÛsobení zatíÏení zpÛsobuje mechanické napûtí v materiálu jádra
zmûnu magnetického toku jádrem.
V˘sledn˘ elektrick˘ signál je úmûrn˘
velikosti
pÛsobícího
zatíÏení.
Magnetostriktivní silomûr je masivní
a odoln˘ snímaã, je stále pouÏívan˘
pro mûfiení síly a váhy ve válcovnách,
napfi. ve válcovnách plechu a válcovnách pásku.
Konstrukce silomûrÛ
Moderní snímače
V oblasti novû vyvíjen˘ch snímaãÛ se
vûnuje stále více pozornosti snímaãÛm
s optick˘mi vlákny. Tyto snímaãe jsou
necitlivé na ru‰ení elektromagnetick˘mi
poli, a to jak na ru‰ení vysokofrekvenãními radiov˘mi polí (RFI), tak na ru‰ení
nosník namáhan˘
na ohyb
mûchy
A
B
zatûÏovací
síla
C
D
tenzometr
A) binokulární
zatûÏovací
síla
B) prstenec
zatûÏovací
síla
zatûÏovací síla
P-P
P
P
C) nosník namáhan˘ na smyk
zatûÏovací síla
D) stonkov˘
snímaã
zatûÏovací síla
tenzometry
‰roubov.
pruÏina
E) ‰roubovicová
pruÏina
Obrázek 7-3: Prvky silomûrÛ s nosníky a perem
elektromagnetick˘mi poli síÈov˘ch kmitoãtÛ (EMI). Jsou vhodné pro aplikace pfii
vy‰‰ích teplotách, jsou vnitfinû, jiskrovû,
bezpeãné. Práce na v˘voji optick˘ch silomûrÛ pokraãují. Jako slibné se ukazuje
pouÏité dvou principÛ mûfiení: mûfiení síly
âíslo 3
59
Konstrukce silomûrÛ
7
mûfiením ztrát, které vznikají na mikroohybech jednoho optického vlákna
a mûfiení síly s vyuÏitím vlnové mfiíÏky
BFG (Fieber Bragg Grating). Optické snímaãe zaloÏené na v˘‰e uveden˘ch dvou
technikách jsou provoznû ovûfiovány
a testovány v japonském Hokkaido, kde
se pouÏívají k mûfiení váhy, kterou zatûÏuje elektrická vedení sníh.
Na trhu je jen málo snímaãÛ síly, pracujících na principu optick˘ch vláken.
Instalaci vláknového optického snímaãe
pomûrného prodlouÏení lze provést tak,
Ïe se do vrutu nebo do ‰roubu vyvrtá
otvor o prÛmûru 0.5 mm, a poté se do
otvoru snímaã zasune. Takov˘to snímaã
je zcela necitliv˘ na namáhání zatíÏením které neleÏí v ose snímaãe, je zcela
necitliv˘ i na namáhání krutem, torzí.
Miniaturní silikonové silomûry se
dosud na trhu neobjevily, jejich v˘voj
v‰ak probíhá. Na universitû v Twente,
Holandsko, pokraãují práce na v˘voji
zapouzdfieného monolitického miniaturního silomûru a je moÏné, Ïe silikonové silomûry budou mít v budoucnu
v prÛmyslu dominantní postavení.
mého nosníku, kter˘ je na jednom konci
pfiipevnûn˘ k základnû. Na druh˘
konec nosníku pÛsobí zatíÏení. Tvar
nosníku mÛÏe b˘t stejn˘ jako je tomu
u nosníku krákorce, mÛÏe mít tvar
s otvory pfiipomínajícími dvû oãi
(Obrázek 7-3A), nebo mÛÏe mít prsten-
ny krytem z polyuretanu.
Prstencové silomûry mají kruhové
rovné pero namáhané na ohyb, spojné
fóliové tenzometry jsou pfiipevnûné
v uzavfiené ocelové hrabici. Celé uspofiádání se podobá ploché pánvi s palaãinkou (Obrázek 7-3 B). Prstencové
Typick˘ kanystrov˘ (stonkov˘ válcov˘) silomûr pro velká zatíÏení
Sestavy tenzometrů
PruÏné elementy, pera (naz˘vají se také
nosník, beam), reagují v silomûrech na
pfiímo pÛsobící namáhání, nebo na
ohybové namáhání, nebo na smykové
namáhání. Obvykle jsou naz˘vány
názvy, které toto namáhání vystihují,
jako napfiíklad nosník namáhan˘ na
ohyb, nosník namáhan˘ na smyk,
kanistr, stonek, válec, ‰roubovicová
pruÏina, atd. (Obrázek 7-3). V prÛmyslu se nejãastûji pouÏívají silomûry
se snímaãem s nosníkem namáhan˘m
na ohyb a se snímaãem s nosníkem,
namáhan˘m na smyk.
Snímaã s nosníkem namáhan˘m na
ohyb je jednoduch˘ a je relativnû levn˘.
Proto je základem jednoho z nejoblíbenûj‰ích fie‰ení silomûru. Sestává z pfií60
âíslo 3
cov˘ tvar (Obrázek 7-3 B). Tenzometry
se instalují na horní ãást a na dolní ãást
nosníku, mûfií se jimi síly zpÛsobující
prodlouÏení a kompresi nosníku.
ProtoÏe jsou tenzometry náchylné na
zniãení, pfiikr˘vají se obvykle pryÏov˘mi mûchy. Vlastní nosník je ãasto vyrábûn z masivní legované ocele a je chránûn˘ pokovením niklem.
Pro lékafiské pfiístroje, pro roboty
a pro jiné podobné aplikace, kde se
pracuje s mal˘m zatíÏením, jsou k dispozici snímaãe s miniaturními nosníky,
urãen˘mi pro mûfiení zatíÏení aÏ do
zhruba 40 liber (18 kg).Pro zatíÏení do
230 g se nosník vyrábí z beryliové
mûdi, pro vût‰í zatíÏení se pouÏívá
nerezavûjící ocel. U tûchto fie‰ení snímaãÛ jsou tenzometry obvykle chránû-
snímaãe urãené v˘hradnû pouze pro
mûfiení kompresních sil lze instalovat
do sestavy, která chrání pfiístroj tím, Ïe
ho správnû polohuje, omezuje pohyb
zatíÏení a soustfieìuje zatíÏení do stfiedu prstence. Zafiízení, která jsou urãená pro mûfiení tlakov˘ch i tahov˘ch
zatíÏení mají díru se závitem procházející stfiedem snímaãe.
Stabilizaãní kotouãe jsou pfiivafieny
na aktivní dotek snímaãe.
Snímaã s nosníkem namáhan˘m na
smyk mûfií zkos ve smyku, vyvolan˘
pÛsobením zatíÏení. Snímaã s nosníkem
namáhan˘m na ohyb zkos ve smyku
mûfiit nemÛÏe, protoÏe smyková napûtí
se v prÛfiezu snímaãe mûní. U snímaãe
s nosníkem namáhan˘m na smyk má
nosník tvar písmene I, zkos ve smyku je
ZPRAVODAJ
7
na nûm konstantní a lze ho pfiesnû zmûfiit pomocí tenzometrÛ. Snímaã s nosníkem namáhan˘m na smyk (Obrázek 73 C) má na kaÏdé stranû I - nosníku
umístûné dva tenzometry, odporové
dráhy jejich mfiíÏek vedou ve smûru
hlavních os nosníku. V˘hodou snímaãe
s nosníkem namáhan˘m na smyk oprotí snímaãi s nosníkem namáhan˘m na
ohyb je, Ïe lépe zvládá boãní zatíÏení,
lépe mûfií dynamické síly a vrací se
rychleji k nulové hodnotû.
Silomûry mûfiící pfiímo pÛsobící
namáhání (kanystrové silomûry, stonkové válcové silomûry) jsou v podstatû
snímaã s nosníkem namáhan˘m na
ohyb, nosník je tvofien˘ sloupkem,
umístûn˘m uvnitfi masivní válcové krabice (Obrázek 7-3 D). Stonkov˘ snímaã
je umístûn ve vzpfiímené poloze, dva ze
ãtyfi tenzometrÛ jsou pfiipevnûné na stonek v podélném smûru, druhé dva tenzometry jsou orientovány pfiíãnû.
Sloupek mÛÏe mít ãtvercov˘ nebo kruhov˘ prÛfiez, sloupek s kruhov˘m prÛfiez mÛÏe mít zhotovené na stranách
plo‰ky pro pfiipevnûní tenzometrÛ.
Je-li kanystrov˘ silomûr vybaven˘
kyvnou montáÏí, nebo je-li umístûn˘
v samopolohovacích opûrn˘ch loÏiskách, mÛÏe b˘t pfii váÏení pfiípustná
urãitá míra pohybu nádrÏe. Kanystrov˘
silomûr a je relativnû málo citliv˘ na
zmûnu bodu, ve ktrém na nûj zatíÏení
pÛsobí. Válcová krabice také chrání
tenzometry pfied fyzick˘m, mechanick˘m, po‰kozením a pfied vlivy okolního
prostfiedí. Rozsahy kanystrov˘ch silomûrÛ se pohybují v rozmezích od
"knoflíkov˘ch" silomûrÛ s prÛmûrem
38 mm, tyto mûfií zatíÏení od
45 - 220 kg , po snímaãe kompresního
zatíÏení s prÛmûrem 165 mm urãené
pro váÏení nákladních automobilÛ,
nádrÏí a násypníkÛ, tyto mûfií zatíÏení
do 220 000 kg.
Silomûry se ‰roubovicovou pruÏinou se vypofiádají se zatíÏením, pÛsoZPRAVODAJ
bícím mimo osu snímaãe, lépe neÏ
kanystrové silomûry pro mûfiení kompresního zatíÏení (Obrázek 7-3 E).
Funkce silomûru se ‰roubovicovou pruÏinou je zaloÏena na principu funkce
pera. Pero vyrovnává pÛsobící sílu
sv˘m vlastním kroutícím momentem.
Reaktivním kroutícím momentem je
pero namáháno po celé své délce,
deformace se ‰ífií ke konci pera od
zatûÏovaného zaãátku pera. Mûfiení
kroutícího momentu lze provést tenzometry, pfiipevnûn˘mi na pero. Silomûr
se ‰roubovicovou pruÏinou mÛÏe
umoÏÀovat dostateãnû pfiesné mûfiení
zatíÏení bez poÏadavku na drahou
montáÏ. Síly vyvolané asymetrick˘m
nebo vyosen˘m zatíÏením mají na pero
jen mal˘ vliv. Silomûry se ‰roubovicovou pruÏinou mohou mûfiit jak tlakové,
kompresní síly, tak tahové síly.
Silomûry se ‰roubovicovou pruÏinou
lze umístit na hrubé povrchy, lze je
pouÏít dokonce i tehdy, kdyÏ nejsou
horní a dolní povrch rovnobûÏné,
i v tûchto pfiípadech mÛÏe b˘t mûfiení
provádûno s celkovou chybou men‰í
neÏ 0.5 %. Silomûr se ‰roubovicovou
pruÏinou je rovnûÏ odoln˘ proti rázÛm
a pfietíÏení (mÛÏe zvládnout i tisíciná-
Konstrukce silomûrÛ
sobné pfietíÏení). Je proto ideálním
nástrojem pro mûfiení sil nebo zatíÏení
pÛsobících na nápravy vozidel, sedadel, vysokozdviÏné vozíky.
Membránové silomûry se spojn˘mi
tenzometry jsou k dispozici od prÛmûru 6 - 38 mm. Nejmen‰í silomûry jsou
k dispozici pouze v provedení pro
mûfiení kompresních sil, nûkteré z vût‰ích typÛ mají ale provrtané otvory,
umoÏÀující také jejich instalaci pro
mûfiení tahov˘ch sil. Vût‰ina z tûchto
mal˘ch silomûrÛ má mûfiící rozsah do
pfiibliÏnû 90 kg. Nûkteré mohou ale
mûfiit zatíÏení aÏ do 22 000 kg.
ProtoÏe tyto malé silomûry nemají
odpovídajíécí upínací pfiíslu‰enství
a nejsou ohebné, není pfiípustné aby
byly namáhány zatûÏovací silou která
nepÛsobí v ose snímaãe, nebo pohyblivou zátûÏí.
Na druhé stranû jsou membránové
silomûry nesmírnû praktické a jejich
pouÏití je neobyãejnû snadné. I ten
nejmen‰í snímaã je vyroben˘ z nerezavûjící ocele, má zabudovan˘ úpln˘
WheatstoneÛv mÛstek se ãtyfimi aktivními prvky, mÛÏe mûfiit síly aÏ 90 kg
a pracovat pfii teplotû aÏ 800 °C. T
Odkazy na literaturu, zdroje dalších informací
• Omegadyne
Pressure, Force, Load, Torque Databook. OMEGADYNE, Inc., 1996.
®
• The Pressure, Strain and Force Handbook . Omega Press LLC, 1996.
• Elements of Electronic Instrumentation and Measurements, 3th
TM
Edition, Joseph J Carr, Prentice Hall, 1996.
• Industrial Control Handbook, E.A. Parr, Butterworth, 1995.
• Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995.
• Process/Industrial Instruments and Controls Handbook, 4th Edition,
Douglas M. Considine and Glen D.Considine, McGraw-Hill, 1993.
• Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia, Douglas M. Considine and
Glen D.Considine, Van Nostrand 1997.
• Weighing and Force Measurement in the ‘90s, T. Kemeny,
IMECO TC Series, 1991.
âíslo 3
61
8
Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN
Aplikace ve váÏících systémech
Kontrukce váÏícího sytému
Aplikace ve vážících systémech
Instalace & kalibrace
Úãelovû zamûfiené montáÏe
Ř
e‰ení prvních váÏících systémÛ
bylo zaloÏeno na pracích
Archimeda a Leonarda da
Vinci. Hledaná váha se urãovala tak, Ïe se posunem kalibrovaného
protizávaÏí na rameni mechanické
páky páka vyrovnávala. Variantou
k tomuto fie‰ení je pouÏití víceramenné
páky, kaÏdé rameno má jinou délku
a je vyvaÏováno jedním normovan˘m
standardním závaÏím. Pozdûji byla
tato normovaná závaÏí nahrazena
kalibrovan˘mi pery. Zlep‰ení v oblasti
materiálu a v˘robní technologie vedlo
k tomu, Ïe se tyto váhy staly pfiesn˘mi
a spolehliv˘mi.
Zavedení hydraulick˘ch a elektronic-
k˘ch (obvykle tenzometrick˘ch) silomûrÛ znamenalo první velkou zmûnu
v technice a technologii váÏení. V dne‰ních v˘robních závodech je ve vût‰inû
aplikací dávána pfiednost elektronick˘m
silomûrÛm. PouÏívají se zde ale stále
i mechanické pákové váhy, a to v pfiípadech, kdyÏ se jedná o manuální ãinnost a kdyÏ obsluhující personál a údrÏba dává pfiednost jednoduchosti.
Mechanické pákové váhy jsou také
pouÏívány ve velkém poãtu aplikací,
vyskytují se napfiíklad jako mostní váhy
pro váÏení nákladních automobilÛ,
kolejové Ïelezniãní váhy, váhy u násypníkÛ, váhy pro váÏení nádrÏí, plo‰inové váhy, jefiábové váhy. Posun nulové
nádoba se
tfiemi silomûry
jistící tyã
(je-li poÏadována)
je-li to moÏné, umístûte
na v˘‰ku tûÏi‰tû pfii
plném zatíÏení nádoby
opûra dna nastavená o
s odchylkou lep‰í neÏ + 1
opûrná rovina
silomûr
Poznámka:
Umístûte tyãe co neblíÏe k opûrné rovinû nádoby
Tyãe instalujte nakonec: dosáhnûte vodorovné roviny
s odchylkou men‰í neÏ + 1/2o
nádoba se
ãtyfimi silomûry
pfiesazen˘
otvor s vÛlí
mezera 1/16" aÏ 1/18"
(uloÏení na obou koncích)
v˘ztuha
opûrná tyã
(pouze tah)
pevná opûrná konstrukce:
odchylka je
pro v‰echna místa,
kde jsou umístûny
silomûry, v podstatû stejná
hodnoty a posun mûfiítka, které na
vahách vznikají pozvoln˘mi zmûnami
teploty lze korigovat manuálním dostavením vah nebo pomocí korekãních
faktorÛ. Dobfie udrÏované a dobfie
kalibrované mechanické váhy mají velkou pfiesnost. PouÏívají se proto jako
obchodní normály a jsou pfiijatelné pro
státní orgány.
Váhy, vyrovnávající zatíÏení reakcí
pera jsou rovnûÏ jednoduché, a jsou-li
vyrobeny z vysoce legovan˘ch slitin
(jejichÏ modul pruÏnosti není ovlivÀovan˘ zmûnami teploty), mohou b˘t, jsou-li
správnû kalibrovány a udrÏovány,
docela pfiesné. Tyto váhy jsou levné
a nejlépe se hodí pro mûfiení mal˘ch
zatíÏení.
Cílem kaÏdého váÏícího systému je
získat údaje o hodnotû hrubé váhy,
ãisté váhy, nebo sypné váhy, nebo
nûjaké kombinace tûchto údajÛ. Pro
získání údaje o ãisté váze obsahu
násoby vyÏaduje provést dvû mûfiení:
zmûfiit celkovou váhu nádoby a váhu
prázdné nádoby. âistá váha se urãí
jako rozdíl první a druhé váhy.
Mûfiení sypné váhy vyÏaduje váÏení
velk˘ch objemÛ materiálu. Celková
váha se ãasto získá tak, Ïe se váÏí pfiírÛstky materiálu a seãtením jejich vah
se obdrÏí celková sypná váha. Tento
postup umoÏÀuje zmen‰it rozmûr váÏícího systému, sníÏit jeho cenu a nûkdy
také zv˘‰it pfiesnost váÏení.
Pro mûfiení sypné váhy lze také pouÏít
pásové váhy. Tato metoda je ménû pfiesná, protoÏe se celková váha urãuje jako
integrál ze souãinu rychlosti pásu a zatûÏování pásu za urãit˘ ãasov˘ interval.
Dávkovací váÏící systémy jsou urãeny pro splnûní poÏadavkÛ prÛmyslov˘ch pfiedpisÛ na pfiesné dávkování
daného poãtu rÛzn˘ch materiálÛ, které
mají b˘t míchány nebo které mají vstupovat do chemické reakce, do spoleãné
sbûrné nádoby.
Obrázek 8-1: Usazení nádoby
62
âíslo 3
ZPRAVODAJ
8
Konstrukce vážícího systému
PÛsobí-li zatíÏení ve smûru osy válcového silomûru, vyvolává jeho napnutí
nebo stlaãení, kompresi. PÛsobí-li na
nosník, vyvolává jeho ohyb nebo torzi.
Nosníky mohou b˘t instalovány v konfiguraci, kde je namáhan˘ buì jeden
konec, nebo nebo dva konce nosníku.
nádoby a pfiíslu‰enství, vzhledem
v váze náplnû nádoby pfiíli‰ velká, sniÏuje se pfiesnost mûfiení.
Tlakové nádoby pod tlakem a nádoby s plá‰ti pro vyhfiívání parou nebo
plynnou fází vyÏadují dal‰í kompensaci, protoÏe se váha páry pfii zmûnách
teploty a tlaku mûní. Dokonce i nádoba
Aplikace ve váÏících systémech
silomûru. Pfii práci mimo typické teplotní meze - 20 °C aÏ 70 °C je tfieba provádût dodateãnou korekci mûrn˘ch dat,
jinou moÏností je regulovat teplotu
v okolí silomûru. Silomûr by mûl b˘t
také chránûn pfied siln˘m ohfievem sáláním zejména tehdy, byla-li by takto
ohfiívána pouze jedna jeho strana.
uÏivatelova
opûrná konzola
klínová konsola
na nádobû
tfimen
opory
(opora mÛÏe b˘t
vybavena tfimenem)
nosník
snímaãe
nádoba
opora
díl se závitem
Obrázek 8-2: Krákorcové silomûry sniÏují poÏadavky na usazení váÏeného tûlesa
Hlediska pfii rozhodování mezi obûma
moÏnostmi zahrnují konstrukãní poÏadavky, poÏadavky na stabilitu, a s tím
spojené ohledy na cenu, sloÏitost a úplnost fie‰ení a na potfieby údrÏby.
Vybran˘ silomûr by mûl b˘t vÏdy vhodn˘ pro práci v daném pracovním prostfiedí pokud se t˘ká odolnosti proti
korozi, elektrické bezpeãnosti (jsou
k dispozici snímaãe ve tfiídû odpovídající vnitfiní, jiskrové, bezpeãnosti), odolnosti pfii postfiíkání hadicí, atp.
Prvním krokem pfii v˘bûru silomûrÛ
je urãení celkové váhy, které bude silomûr vzdorovat (hrubá váha). Celková
váha je souãet ãisté váhy obsahu nádoby, váhy vlastní nádoby a k nádobû
pfiipojeného vybavení – vãetnû vypou‰tûcích ventilÛ, pfiístrojÛ, míchaãÛ
a jejich motorÛ, ÏebfiíkÛ, ohfiívacích
plá‰ÈÛ a jejich obsahÛ, - a kaÏdé dal‰í
váhy, kterou mohou na nádobu pfienést
trubky nebo vodiãe. Je-li tára, váha
ZPRAVODAJ
o obsahu 19 000 l, která obsahuje
pouze vzduch, je pfii stejné okolní teplotû a vzrÛstu tlaku o jednu atmosféru
tûωí o 20 kg.
• Provedení vážících systémů
Provedení váÏícího systému je ovlivnûno mnoha faktory. Mezi tyto faktory
patfií teplota, vibrace, pohyb konstruce,
okolní prostfiedí, údrÏba. Vût‰ina systémÛ je obvykle vybavena teplotní kompenzací, rozsah teplotní kompenzace
by mûl b˘t vÏdy vût‰í, neÏ je pfiedpokládan˘ rozsah pracovních teplotních
zmûn a teplotních zmûn okolního prostfiedí. JestliÏe je váÏená nádoba horká
(nebo studená), je moÏno systém vybavit teplotními izolaãními vloÏkami umístûn˘mi mezi nádobu a silomûr.
U vût‰iny obvodÛ vysoce kvalitních
tenzometrick˘ch silomûrÛ je realizováno nastavení teplotní kompenzace polohy nuly a teplotní kompenzace mûfiítka
V prÛmyslu v˘roby a zpracování
kovÛ musí b˘t silomûry schopny pracovat nepfietrÏitû pfii teplotách aÏ 260 °C.
Aplikace tenzometrÛ pfii vysok˘ch teplotách jsou ãasto omezeny pojidly, slouÏícími k jejich pfiichycení a vyztuÏení.
V aplikacích, kde se mûfií pfii vysok˘ch
teplotách, lze provést montáÏ drátkÛ ze
slitiny citlivé na pomûrné prodlouÏení
pomocí anorganického (keramického)
pojiva. Jinou moÏností je pouÏít technologii naná‰ení kovÛ plamenem.
Touto technikou se mfiíÏka z materiálu
citlivého na pomûrné prodlouÏení pfiichycuje k tûlesu tak, Ïe se na ni napra‰uje roztaven˘ oxid hliníku. Tato montáÏ umoÏÀuje krátkodobû pracovat pfii
teplotách aÏ 540 °C.
Vlivy vibrací lze minimalizovat odddûlením podpûr váÏícího systému od
konstrukcí nebo od betonov˘ch základÛ, které nesou motory nebo jiná zafiízení zpÛsobující vibrace, nebo které
âíslo 3
63
Aplikace ve váÏících systémech
8
jsou ovlivÀovány sousední vozidlovou
dopravou. K dispozici jsou podloÏky
pro tlumení, absorbci, vibrací, kter˘mi
se izoluje silomûr od vibrací nádoby.
Nejlep‰ího v˘sledku se ale dosáhne,
pouÏijí-li se tlumící podloÏky u zdroje
vibrací. Také vysílaãe signálu nesoucího údaj o mûfiené váze lze vybavit filtrací zbytkového ‰umu, kter˘ vzniká
v dÛsledku vibrací. Nejlep‰í ale je,
pokud vibrace vÛbec nevznikají. Je-li to
moÏné, je pfii váÏení vÏdy vhodné uzavfiít v‰echny pfiítoky a odtoky a vypnout
v‰echny motory a mixery a míchaãe
které jsou na nádrÏ pfiipojeny. U nádob
s pohybujícím se obsahem by mûly b˘t
pfiidány odrazné, usmûrÀovací, desky,
slouÏící pro potlaãení vzdouvání, vlnûní a vífiení obsahu.
Okolní prostfiedí silomûru se dynamicky mûní, silomûr proto vyÏaduje
provádûní
periodické
kontroly.
Periodická kontrola by mûla zahrnovat
úsilí pro udrÏení silomûru (silomûrÛ)
kabeláÏe a odpovídajících rozvadûãÛ
mûla zahrnovat kontrolu okolního prostfiedí silomûru, kontrolu konstrukcí,
kabeláÏe a rozvadûãÛ (zkontroluje se
zda nejsou vlhké, zkontroluje se utaÏení svorek), nastavní opûrn˘ch a jistících
tyãí, a také periodickou kalibraci
a kontrolu silomûru, slouÏící k potvrzení správného vyváÏení zatíÏení.
Silomûry mohou odolávat boãnímu
zatíÏení o velikosti aÏ 200% z maximální hodnoty jejich rozsahu. Pokud
do‰lo k nárazu vozidla do nádoby,
nebo pokud byla nádoba jinak postiÏena, mûlo by se zkontrolovat, zda nebyl
silomûr po‰kozen˘ a mûla by b˘t provedena nová kalibrace silomûru.
Provûrky a kontrolní práce které jsou
vázané na údrÏbu by se mûly provádût
jak pfii naplnûné, tak pfii nenaplnûné
nádobû a také pfii v‰ech moÏn˘ch teplotách nádoby a konstrukce.
• Opěrná konstrukce nádoby
Druh˘m krokem pfii návrhu systému je
v˘bûr poÏadované konstrukce pro pfii-
smûr jí
zdy
silomûr
hlavní boãní
hrazení plo‰iny
ocelov˘
a betonov˘ základ
podpûra
silomûru
pfiipojení
elektrick˘ch kabelÛ
paralelní spojovací
prvek zavû‰ení
opûra spojovacího
prvku zavû‰ení
Obrázek 8-3: Umístûní silomûru s nosníkem zatíÏen˘m na sv˘ch koncích, nosník je namáhan˘ na smyk
v prostfiedí bez neãistot, bez ledu nebo
stojaté vody (nebo jin˘ch kapalin), silomûry by mûly b˘t odstínûné od tepeln˘ch zdrojÛ, pfiímého sluneãního záfiení, od vûtrÛ. Silomûry je také tfieba
chránit pfied bleskem a pfied náhl˘mi
v˘kyvy elektrick˘ch zdrojÛ. ÚdrÏba by
64
âíslo 3
drÏení nádrÏe. Nosníky namáhané na
tah je moÏno pouÏít pouze pfii váÏení
mal˘ch nádob, protoÏe snímaãe tahového napûtí mají pouze mal˘ rozsah.
U konstrukcí kde se mûfií tahové síly se
pouÏívá jeden snímaã aÏ ãtyfii snímaãe
(obvykle jeden snímaã). U konstrukcí
kde se mûfií tlakové síly se pouÏívají tfii
nebo více snímaãÛ. Neklade-li se dÛraz
na velkou pfiesnos mûfiení (0.5% z plného rozsahu nebo men‰í), lze, obsahuje
li nádrÏ kapalinu, sníÏit cenu mûfiícího
systému nahrazením silomûrÛ jejich
atrapami nebo nosníky namáhan˘mi
na ohyb. Vertikální nádrÏe s kruhov˘m
prÛfiezem se obvykle podpírají tfiemi
podpûrami, pro podepfiení hranat˘ch
nádob nebo horizontálních nádrÏí
s kruhov˘m prÛfiezem se obvykle pouÏívají ãtyfii podpûry.
Velmi objemné nádoby které jsou
nevyváÏenû naloÏené, které obsahují
nebezpeãné materiály, nebo které jsou
náchylné na pfievrácení mohou b˘t
vybaveny více silomûry. Není-li nádoba chránûna proti pÛsobení vûtru, musí
b˘t rozsah silomûru zvût‰en na hodnotu, umoÏÀující práci pfii zvût‰eních
a sníÏeních tlaku vûtru na nádobu,
vyvolan˘ch nejhor‰ími nárazy vûtru.
ProtoÏe je rovina definovaná tfiemi
body, je pro pfiesné váÏení nejlep‰í
pouÏít tfii silomûry, zátûÏ se v tomto pfiípadû pfiirozenû rozdûlí. Pfii pouÏití ãtyfi
nebo více silomûrÛ je tfieba silomûry
nastavit. Minimální rozsah (velikost)
silomûru se urãí tak, Ïe se dûlí hrubá
váha poãtem bodÛ, ve kter˘ch je nádoba podepfiena. Obvykle se zvolí standardní silomûr, jehoÏ rozsah je vy‰‰í
neÏ vypoãítan˘ poÏadovan˘ rozsahu
a je zároveÀ vypoãítanému poÏadovanému rozsahu nejbliωí. Nûktefií inÏen˘fii pfiidávají ke hrubé váze pfied provedením v˘‰e uvedeného v˘poãtu je‰tû
25% z hrubé váhy, uplatÀují tak 25procentní bezpeãnostní koeficient. Jiní
je‰tû pfiidávají, pokud je pfied provádûním vlastního váÏení zátûÏ na váhu
prudce poloÏena nebo upu‰tûna, koeficient pro dynamické zatíÏení. Je také
v˘hodné, kdyÏ mají v‰echny silomûry
v systému stejn˘ rozsah.
Konstrukce která podepírá nádobu
musí b˘t tuhá a stabilní, musí pfiitom
dovolovat naprosto voln˘ pohyb nádoby ve vertikálním smûru. Konstrukce
kaÏdého váÏícího systému by mûla b˘t
nezávislá na konstrukcích drÏících jiné
nádoby a na vozidlové dopravû.
V˘sledná celková v˘chylka konstrukZPRAVODAJ
8
ce podepírající silomûry a konstrukce
kterou silomûry podepírají, mûfiená
mezi stavem kdy nádoba není naplnûná a stavem kdy je nádoba plnû naplnûná (vãetnû ohybu stûn nádoby), by
nemûla pfiesahovat 1/1200 vzdálenosti mezi dvûma silomûry. Tato hodnota
odpovídá úhlu 0.5 stupnû. U nûkter˘ch
tfimenov˘ch montáÏí s nosníky namáhan˘mi na smyk mÛÏe b˘t tato hodnota ponûkud vût‰í.
Kroutící moment podpûrného nosníku vzniká také následkem odklonu stojky podpûry. Aby konstrukce splÀovala
projektované parametry, je také tfieba
brát do úvahy nerovnomûrné zatíÏení
vyvolané nerovnomûrn˘mi zmûnami
rychlosti a smûru vûtru, pfii nerovnomûrn˘ch zvût‰eních a sníÏeních tlaku
vûtru na nádobu. PouÏití vûtrného ‰títu
je nepostradatelné v pfiípadech, kdy by
bez jeho pouÏití docházelo k úplnému
odlehãení nûkterého ze silomûrÛ.
U vût‰iny silomûrÛ bude bez pouÏití
vûtrného ‰títu docházet k chybám men‰ím
neÏ 0.1 % z plného rozsahu pfiístroje.
Opûrné konstrukce by mûlo b˘t
moÏno horizontálnû vyrovnávat v rozsahu do 3 mm. V opaãném pfiípadû lze
dosáhnout vyrovnání roviny zátûÏe tak,
Ïe se pod silomûr(y) vloÏí klínky. Jak
v pfiípadû váhy která mûfií kompresní
sílu, tak v pfiípadû váhy která mûfií taÏnou sílu je tfieba zatíÏení nádoby pfienést pfies silomûr do osy konstrukce
opûrné ocelové plo‰iny. Zabrání se tím
kroucení nosníkÛ. V místech podepfiení
nádoby lze pro její ustavení pouÏít
v˘ztuÏné plechy nebo konzoly.
• Ustálení, stabilizace, nádoby
Pro umoÏnûní neomezeného vertikálního pohybu nádoby pfii povolení jejího
pohybu daného tepelnou expanzí se
pouÏívají opûrné a jistící tyãe. Jsou to
tyãe opatfiené závity a maticemi, jejich
úkolem je bránit boãnímu posunu
nádoby. Pomocí matic jsou tyãe nastaveny tak, aby byly sefiízeny pfiesnû
v souladu s opûrami nádoby a tuh˘mi
opûrami konstrukce. Matice je tfieba
pevnû dotáhnout a zajistit pfiítuÏn˘mi
jistícími maticemi (Obrázek 8-1).
Tyãe musí b˘t instalovány vodorovnû
ZPRAVODAJ
a kolmo na smûr teplotní expanze
nádoby. Tím se umoÏní neomezen˘
pohyb vertikální nádoby bez vzniku
boãních zatûÏovacích sil. Je-li to
moÏné, je vhodné instalovat opûrné
tyãe co nejblíÏe k opûrné rovinû, ve
které je nádoba podepfiena. U dlouh˘ch horizontálních nádob s kruhov˘m
prÛfiezem je tfieba opûrné tyãe rovnobûÏné s osou nádoby umístit u stfiedu
Aplikace ve váÏících systémech
nádoby vyÏadují instalaci opûrn˘ch
nebo jistících tyãí pouze tehdy, mÛÏe-li
b˘t jejich horizontální pohyb vyvolan˘
externími silami. Jsou-li pÛsobící síly
malé, mohou pro jejich zvládnutí
postaãovat nárazníky.
Teplotní zmûny rozmûrÛ nádob,
vztaÏené k jejich opûrám, mohou zpÛsobovat neÏádoucí boãní zatíÏení silomûrÛ. Aby se boãní zatíÏení uvolnilo,
uzavfien˘
rám
ukazatel hlavního
silomûru
00000
ukazatel
elektromechanick˘ch vah
00000
vyvíjení, pÛsobení, síly
mostní váha
elektrické napojení silomûrÛ
Obrázek 8-4: PouÏití hlavního silomûru pro kalibraci mostní váhy
nádoby a tyãe pro omezení boãního
pohybu nádoby umístit u koncÛ nádoby. Toto fie‰ení pomáhá vyhnout se velkému osovému teplotnímu posunu.
Jistící tyãe jsou shodné s opûrn˘mi
tyãemi, aÏ na to, Ïe jejich uchycení je
provedeno volnû s mezerou 3 mm mezi
maticí a otvorem, kter˘m tyã prochází.
Otvor má vzhledem k tyãi vût‰í svûtlost.
Jistící tyãe je moÏné umístit nad nebo
pod opûrnou rovinou, rovinu ve které je
nádoba podepfiena, je moÏné je instalovat ve vertikální poloze. Jejich úkolem
je zabránit pfievrácení nádoby. U zavû‰en˘ch nádob slouÏí jistící tyãe také
jako zvedací závûsy.
Pro urãení poÏadované velikosti
a poÏadovaného umístûní stabilizaãního systému je tfieba vyhodnotit pÛsobení vnûj‰ích sil (setrvaãn˘ch sil, sil vznikajících pfii míchání, atd.). Nejstabilnûj‰í opûrná rovina prochází tûÏi‰tûm
zcela naplnûné nádrÏe. Zavû‰ené
umoÏÀují nûkterá fie‰ení silomûrÛ horizontální posun nádoby. Tyãe silomûrÛ,
na kter˘ch je zavû‰ena nádoba musí
b˘t nastaveny s pfiesností 0.5 stupnû.
Silomûry s nosníky s jedním nebo
dvûma namáhan˘mi konci, nosníky
jsou namáhané na smyk, mohou poÏadavek na opûrné a jistící tyãe odstranit
nebo minimalizovat (Obrázek 8-2).
Válcové silomûry vÏdy vyÏadují pouÏít
oba typy tyãí.
Podle toho, jak˘ horizontální pohyb
silomûr povoluje, dûlí se silomûry na
silomûry "pevné" (nepovolují Ïádn˘
pohyb nádoby), "lineární" (povolují
horizontální pohyb nádoby po pfiímce)
a "volné" (povolují pohyb nádoby
v libovolném horizontálním smûru).
Pevné a lineární silomûry se instalují
v podpûrn˘ch místech, která jsou od
sebe co nejvíce vzdálená, lineární
pohyb se pfiitom povoluje po pfiímce,
která protíná pevn˘ silomûr.
âíslo 3
65
Aplikace ve váÏících systémech
8
V plo‰inov˘ch vozov˘ch vahách, kde
v dÛsledku zpomalení nebo zrychlení
vozidla pÛsobí na váhu velké horizontální síly, se pouÏívají adaptéry silomûrÛ. Adaptér zavû‰uje váÏící plo‰inu na
vr‰ek silomûru.Uchycení je provedeno
pomocí otoãn˘ch spojÛ pfiipojen˘ch
k niωí desce a k plo‰inû. Silomûr je
podepfien˘ základní deskou. V pfiípadû, Ïe horizontální v˘chylka pfiesáhne
vÛli ponechanou kolem základní desky,
absorbuje velká boãní zatíÏení základní deska. Podobná fie‰ení jsou k dispozici pro trámové silomûry s obûma
namáhan˘mi konci (Obrázek 8-3).
trubka tfiídy 405.
horizontálních sil je vhodné
odstranit pouÏitím dilataãních spojek
a fie‰ením potrubí tak, aby trubka mûla
pravoúhlé ohyby ve dvou rovinách.
PruÏné spojky, univerzální spoje
a hadice je moÏné pouÏívat pouze
tehdy, jsou-li pouÏity v horizontálních spojích a jsou-li pfiivedeny
k pfiípojkám nádoby kolmo a bez
vynaloÏení síly. Nemûly by se pouÏívat oplétané hadice. Pro realizaci
vertikálních spojÛ je pfiijatelné pouÏití pruÏn˘ch pryÏov˘ch kolen.
Pokud jsou násypník a jeho víko
podepfieny nezávisle a pokud jsou
utûsnûny kolenem, rukávem, mÛÏe
• Pfienos
•
•
Připojení trubek
Pfiipojení potrubí k váÏené nádobû má
za následek vznik vertikálnû a horizontálnû pÛsobících sil. Celková vertikální
síla (V), kterou na nádobu v‰echna
potrubí pÛsobí, by mûla mít men‰í hodnotu, neÏ je souãin tfiicetinásobku pfiesnosti systému (A) a maximálního dynamického zatíÏení (L):
•
•
•
PruÏné spoje neizolujte nepruÏnou,
pevnou, izolací.
U horizontálních kulat˘ch nádrÏí je
nejlep‰í místo pro pfiipojení potrubí
v blízkosti "pevného" silomûru.
Elektrická zafiízení (vãetnû silomûrÛ)
by se mûla na nádobu pfiipojovat
pomocí pruÏného kabelu, na kterém
je ponechána "smyãka".
Instalace a kalibrace
Pfii kontrole, zda pfievodníky a silomûry
pracují správnû, by mûly b˘t nejdfiíve
zodpovûzeny následující otázky: Vrací
se v pfiípadû, Ïe je systém prázdn˘,
nenaplnûn˘, nebo nenaloÏen˘, údaj
loÏe ve vozovce
smûr jízdy vozidla
V < 30 AL
Do hodnoty V je nutno zahrnout síly kter˘mi pÛsobí podpûry trubek, vlastní
trubky, obsah trubek, plus deformaãní
síly, které jsou dÛsledkem pohybu trubek
vlivem jejich teplotní roztaÏnosti. Stejnû
je nutno urãit horizontálnû pÛsobící síly.
Horizontální síly, které na nádobu pÛsobí by mûly mít nulovou hodnotu.
K získání uspokojivého návrhu systému napomáhají následující vybraná
obecná pravidla:
• Trubky musí b˘t moÏno k pfiípojkám
na nádobû pfiivést a pfiipojit bez
vynaloÏení jakékoliv síly.
• Délka trubky mezi nádobou a první
podpûrou trubky musí b˘t dostateãnû velká aby umoÏnila vertikální
ohyb trubky, ale ne tak velká, aby se
trubka provûsila a a zatíÏila nádobu
svojí vahou.
• Podpûry silomûru by také mûly
podepírat první dvû podpûry trubky.
Pohyb podpûr trubky ve smûru
nahoru a dolÛ musí b˘t omezen˘.
• Je-li to moÏné, pouÏívejte trubky
niωích tfiíd. Napfiíklad trubka tfiídy
105 je více ohebná, pruÏná, neÏ
66
âíslo 3
pfiemosÈující deska
snímaã
snímaãe pro
urãení smûru
umístûní tenzometrÛ
Obrázek 8-5: Integrované nosníkové váhy
•
vznikat pfii váÏení chyba v dÛsledku
zmûny tlaku zpÛsobené pfiísunem
nebo odsunem materiálu. Pro
odstranûní této chyby je nutné, aby
byly v kolenu ventilaãní prÛduchy
(tím se znemoÏní vznik podtlaku).
Pro realizaci ohybÛ by nemûla b˘t
pouÏívána hadice.
o váze na nulovou hodnotu? Zvût‰í se
zmûfiená hodnota váhy na dvojnásobek v pfiípadû, Ïe se váÏí dvojnásobnû
velké zatíÏení? ZÛstane zmûfiená váha
stejná v pfiípadû, Ïe se zmûní poloha
zatûÏe (nerovnomûrné zatíÏení)? Je-li
odpovûì na v‰echny tyto otázky
ZPRAVODAJ
8
"ano", jsou pravdûpodobnû silomûry
a pfievodníky v dobrém stavu a nevyÏadují péãi a pozornost.
Pfied kalibrací by mûl b˘t prohlédnut
mechanick˘ systém a instalace silomûrÛ
by mûla b˘t zkontrolována podle následujících bodÛ:
• Prohlédnûte kabely silomûrÛ. SviÀte
a zajistûte proti nebezpeãn˘m vlivÛm
v‰echny nadbyteãné délky kabelÛ.
• ZatíÏení by mûlo, u systémÛ s více
silomûry, pÛsobit na silomûry rovnomûrnû. Jsou-li rozdíly v zatíÏení silomûrÛ vût‰í neÏ 10%, mûlo by se rozloÏení zatíÏení vyrovnat a nastavit
pomocí klínkÛ a podloÏek.
• Pfii kalibraci, instalaci, nebo v˘mûnû
silomûru by mûla b˘t nádoba nadzvednuta tak, aby nedo‰lo odtíÏení,
nebo k pfietíÏení, ostatních silomûrÛ.
¤e‰ení systému by mûlo b˘t provedeno tak, aby bylo moÏno provést
nadzvednutí a vyjmutí silomûru
v horizontálním smûru.
• Dokud není úplnû dokonãena montáÏ systému a dokud nejsou ukonãeny svafiovací práce, mûly by b˘t
místo funkãních, pracovních, silomûrÛ pouÏity jejich atrapy.
Pfii kalibraci silomûrÛ jsou potfiebné
závûsy nebo police pro pfiidrÏení kalibraãního zatíÏení. U nádob ASME musí
b˘t tyto díly zhotoveny pfii v˘robû
nádoby. Kalibrace ve tfiídû pfiesnosti
0.25% z plného rozsahu nebo v lep‰í
tfiídû se provádí obvykle pomocí závaÏí, tato metoda kalibrace je jedinou
metodou, která je úfiady pro míry
a váhy uznávaná. V‰echny kalibraãní
postupy zaãínají nulováním systému.
• Pfii kalibraci závaÏím se nádoba
pomocí normovan˘ch závaÏí rovnomûrnû zatíÏí na hodnotu 10% z jejího rozsahu dynamického zatíÏení.
Zaznamená se váhov˘ údaj na ukazateli váhy a závaÏí se z váhy
odstraní. Poté se do nádoby pfiidává váÏen˘, technologick˘, materiál
tak dlouho, dokud ukazatel váhy
neukazuje stejnou hodnotu ( 10%
jako v pfiedchozím pfiípadû. Nyní se
opût pfiidá do nádoby kalibraãní
závaÏí a zaznamená se údaj na
ukazateli váhy (nyní pfiibliÏnû 20%).
ZPRAVODAJ
•
Tyto kroky se opakují tak dlouho,
dokud se nedosáhne plného dynamického rozsahu (100%).
Kalibrace pomocí Ïivé zátûÏe je
nová a rychlej‰í metoda, u které se
místo kalibraãních závaÏí pouÏívají
pfiedem zváÏení lidé. Postup je stejn˘
jako postup pouÏívající závaÏí. Tato
Aplikace ve váÏících systémech
movan˘ - ohnut˘, protaÏen˘ nebo stlaãen˘ - pak nelze silomûr opravit a musí
b˘t vymûnûn. Prohlédnûte, zda není
silomûr zkroucen˘, zda nejsou na jeho
kovovém povrchu trhliny. Oh˘bané
povrchy musí b˘t vzájemnû rovnobûÏné, a musí b˘t kolmé vzhledem
k obûma koncÛm silomûru. Zkontrolujte
smûr jízdy
tenzometry
"Ïivá"
kolejnice
Obrázek 8-6: Jednokolejnicov˘ pfievodník váhy
metoda se nemÛÏe pouÏívat v situacích, kdy existuje nebezpeãí úrazu.
• Kalibraãní metoda zaloÏená na
"pfiená‰ení materiálu" pouÏívá pro
kontrolu váhy nûjakou jinou váhu.
Omezení této metody jsou dána jednak pfiesností referenãní váhy, jednak
nebezpeãím vzniku chyby v dÛsledku
ztrát materiálu pfii jeho pfienosu.
• Pokud je pfiesnost hlavního silomûru
systému asi tfiikrát vy‰‰í neÏ je pfiedpokládaná pfiesnost celého kalibrovaného systému, lze pro kalibraci
lze také pouÏít hlavní silomûr systému. Kalibraãní postup je zaloÏen na
postupném pfiírÛstkovém zatûÏování, v kaÏdém kroku se vyhodnocují
v˘stupní signály, udávající zatíÏení
kalibrované mostní váhy a zatíÏení
hlavního silomûru (Obrázek 8-4.
Poãet pouÏit˘ch dûlení, krokÛ,
a zpÛsob pfiivedení zatûÏující síly
(hydraulika nebo servomotor) je
ponecháno na uÏivateli.
Vznikají-li na systému se silomûry problémy, lze provést ãtyfii kontrolní testy.
Mechanická prohlídka: Zkontrolujte,
není-li silomûr mechanicky po‰kozen.
Je-li silomûr, vzhledem ke svému
pÛvodnímu tvaru, mechanicky defor-
v‰echny kabely po celé jejich délce.
Po‰krábané a odfiené kabely mohou
silomûr zkratem vyfiadit.
VyváÏení nuly (váha není zatíÏená): Posuny ve vyváÏení nuly jsou
obvykle zpÛsobeny zbytkov˘m, residuálním, napûtím v oblasti snímaãe.
Zbytkové napûtí vzniká jako dÛsledek
pfietíÏení silomûru nebo jako dÛsledek
opakovan˘ch pracovních cyklÛ. Pomocí
voltmetru zmûfite v˘stupní signál silomûru v situaci, kdy na silomûr nepÛsobí Ïádná váha. Zmûfiená hodnota by
mûla mít hodnotu, která se smí li‰it od
specifikované hodnoty nulového signálu maximálnû o 0.1%. LeÏí-li v˘stupní
signál mimo toleranãní pásmo nulového signálu, je silomûr zniãen˘, ale je
moÏné, Ïe ho pÛjde opravit.
Odpor mÛstku: Zmûfite odpor na
kaÏdé dvojici vstupních a v˘stupních
ramen mÛstku. Srovnejte tyto hodnoty
s hodnotami, uveden˘mi ve specifikaci
silomûru. Nejsou-li hodnoty v toleranci,
je to obvykle dÛsledek poruchy jednoho
nebo více prvkÛ, typick˘mi dÛvody
poruchy jsou kolísání a jiné vlivy elektrického napájení, nebo údery blesku.
Odpor vzhledem k Zemi: Spojte
vzájemnû v‰echny vstupní, v˘stupní,
âíslo 3
67
Aplikace ve váÏících systémech
8
snímací a zemnící vodiãe a zmûfite
odpor mezi tûlesem silomûru a a vodiãi. Pro mûfiení pouÏijte ohmmetr.
Zmûfiená resistance musí b˘t minimálnû
5000 megaohmÛ. JestliÏe silomûr
poÏadavek této kontroly nesplÀuje,
opakujte kontrolní test bez zemního
vodiãe. Pokud nyní silomûr vyhovuje,
mÛÏe b˘t chyba v kabelu silomûru.
Zkratov˘ obvod (tok elektrického proudu) mezi elektronikou silomûru a tûlesem silomûru vznikl pravdûpodobnû
v dÛsledku vlhkosti.
Účelově zaměřené montáže
Silomûry instalované na nohy, stojky,
mûfií zmûny napûtí v opûrné konstrukci
nádoby. Mohou urãit váhu nádoby
s pfiesností leÏící mezi 0.1% aÏ 0.5%
Dvouosé silomûry mohou mûfiit téÏ
kolmé pomûrné prodlouÏení, vzniklé
z tepeln˘ch a jin˘ch pfiekáÏejících
zdrojÛ mechanického napûtí, coÏ
umoÏÀuje z hlavního mûfieného signálu
odstranit odpovídající chyby. PouÏívajíli se jednoosé silomûry, instaluje se,
aby bylo moÏné mûfiit a eliminovat
chyby vzniklé v dÛsledku teplotních
pnutí, druh˘ silomûr ve smûru kolmém
na první silomûr.
Tyto silomûry jsou velice citlivé na
teplotu a proto vyÏadují zastínûní a izolaci proti slunci a vûtru. Teplotní chyba
se minimalizuje instalací silomûru na
strukturu s nosníky I profilÛ. Základní
materiál jednoos˘ch silomûrÛ musí
pfiesnû odpovídat materiálu nohy nádoby, jinak se do váÏení zaná‰í chyby.
PouÏívají-li se dvouosé silomûry, lze
vstupní
násypník
zásobník
‰roubov˘,
‰nekov˘
podavaã
uzavírací ventil,
klapa
násypník
s váhou
zásobník
‰roubov˘,
‰nekov˘
podavaã
váha
plynul˘ tok
materiálu
A) váÏení pfiírÛstku materiálu
B) váÏení úbytku materiálu
Obrázek 8-7: Konfigurace silomûrÛ pfii dávkování pevného materiálu
z plného rozsahu. Tyto silomûry mohou
b˘t instalované na stávající opûry
nádoby, nûkteré mohou b˘t upevnûny
nebo pfii‰roubovány k nohám nádoby.
Nohy nádoby mohou b˘t z trámÛ I-profilÛ, z trubek, z trubek vyplnûn˘ch betonem, nebo ze Ïelezn˘ch úhelníkÛ.
Tyto silomûry jsou k disposici v jednoosém a ve dvouosém provedení.
68
âíslo 3
realizovat kompenzaci vlivu materiálu
a tento problém nevzniká. Nejlep‰ím
fie‰ením je upevnit dvouos˘ silomûr do
stfiedu struktury I profilÛ. Tomuto fie‰ení
je blízké pouÏití jednoos˘ch silomûrÛ
umístûn˘ch proti sobû na ãele pfiíruby,
pfiíruba je spojená se strukturou.
Vozidlové integrované nosníkové váhy
odstraÀují nutnost sloÏitého budování
vozidlov˘ch vah pomocí jednotliv˘ch silomûrÛ, váÏních mostÛ a a stabilizaãního
hardware, jsou proto levnûj‰í (Obrázek
8-5). Integrovaná nosníková váha je
samostatná jednotka, kterou lze snadno
instalovat spu‰tûním do mûlké jámy. Váha
je pfiesná, a navíc je vybavena tenzometry pro urãení pohybu vozidla.
Jednokolejnicové pfievodníky váhy
mûfií "Ïivá" zátíÏení pomocí silomûru
a oh˘baného nosníku integrovan˘ch
do jediné sestavy, zabudované do jediného samostatného opûrného modulu
(Obrázek 8-6. Uspofiádání tenzometrÛ
v tomto modulu umoÏÀuje provádût
správné mûfiení bez ohledu na polohu
zátûÏe. Uspofiádáním naklonûn˘ch
povrchÛ na vrchu modulu se bûhem
mûfiení váhy oddûluje zátûÏ od "posunovaãe" a tím se jeho vliv eliminuje.
Pásové váÏící systémy se pouÏívají
u ploch˘ch pásÛ nebo u kor˘tkov˘ch,
Ïlabov˘ch, pásÛ. VáÏící systémy s ploch˘mi pásy jsou pfiesnûj‰í, mají ale tendenci rozsypat více materiálu. Tento typ
váÏícího systému sestává ze silomûru,
kter˘ podpírá sadu válcÛ, vãetnû tfií
nepohánûn˘ch opûrn˘ch válcÛ na
kaÏdé stranû, jimiÏ se pás a jeho obsah
pfii prÛchodu váhou stabilizuje a podepírá. Váha dopraveného materiálu se
urãí integrací souãinu signálÛ udávajících okamÏitou hodnotu mûfiené váhy
a okamÏitou hodnotu rychlosti pásu.
VáÏní systém by mûl b˘t umístûn tak,
aby byl vzdálen od místa, kde se provádí nakládání materiálu a jeho vysypávání. Mûl by b˘t umístûn na opaãném
konci neÏ se nachází fiemenice pohonu.
Tím se vyhneme vysokému napûtí pásu.
Pásy by mûly b˘t jednopramenné, jednovrstvé, ohebné a mûly by se pohybovat bez boãních posunÛ. Napnutí pásu
by mûlo b˘t udrÏováno vyváÏením
fiemenicového pohonu tak, aby se
zabránilo zaseknutí pásu nebo vzniku
odporu proti pohybu pásu. Poté, co se
zjistí odezva systému pfii me‰ím nebo
vût‰ím zatíÏení by mûlo b˘t napûtí pásu
upravováno. Voln˘ pás zpÛsobuje
chybu v dÛsledku boãního zatíÏení, protoÏe se pás plácá a nebo kroutí. Pfiíli‰
napnut˘ pás mÛÏe mít za následek, Ïe
silomûr mûfií, místo váhy, napûtí v pásu.
ZPRAVODAJ
8
Silomûry se ‰iroce pouÏívají v aplikacích, kde je vyÏadováno pfiesné
váÏení pevn˘ch nebo kapaln˘ch látek
a materiálÛ. Podle toho, váÏí-li se
v˘stupní nebo ve vstupní zásobník, se
v tûchto aplikacích mluví o váÏících
konfiguracích "gain-in-weight", váÏení
pfiírÛstku materiálu, nebo "loss-inweight", váÏení úbytku materiálu
(Obrázek 8-7).
Váhy pro váÏení úbytku materiálu
mûfií rychlost, s jakou se mûní celková
váha v zásobníku materiálu. Tyto váhy
se pouÏívají pro regulaci mal˘ch prÛtoãn˘ch mnoÏství materiálu, vstupujícího do technologickém procesu. Váhy
sestávají z malého systému se silomûrem, ze systému pro mûfiení a regulaci
odchylky a ze zásobníku s promûnnou
rychlostí v˘deje materiálu. Za normálního stavu je rychlost v˘deje ze zásobníku nastavovaná tak, aby byla dosaÏena Ïádaná hodnota prÛtoãného
mnoÏství materiálu do technologického
procesu. Pfii opûtném doplÀování
zásobníku se udrÏuje konstantní na své
poslední hodnotû.
Násypník s váhou je váÏen˘ pomocí
silomûrÛ, jejichÏ signál je pfiiveden˘ na
vysílaã signálu o váze pfies sumátor,
souãtov˘ blok. ¤ídící systém pohání
‰roubov˘, ‰nekov˘, podavaã velkou
rychlostí (neregulovanou rychlostí pouÏívanou pfii dodávce velkého objemu
materiálu) tak dlouho, neÏ se mûfiená
váha pfiiblíÏí k celkové plánované,
Ïádané, váze. V tomto bodû fiídící
systém ‰roubov˘ podavaã zpomaluje na
"odkapávací rychlost". ·roubov˘ podavaã pak pokraãuje po krátkou dobu
v doplÀování násypníku touto odkapávací rychlostí, zastaví se tûsnû pfied tím,
neÏ je dosaÏena plánovaná váha.
Rozdíl mezi plánovanou váhou
a váhou, pfii které se zastavuje ‰roubov˘ podavaã se naz˘vá váha "pre-act",
pfiedbûÏn˘ váhov˘ rozdíl. Nastavení
tohoto pfiedbûÏného váhového rozdílu
umoÏÀuje fiídícímu systému vzít do
úvahy hmotnost materiálu, kter˘ stále
je‰tû padá ze ‰roubového podavaãe do
násypníku s váhou. PfiedbûÏn˘ váhov˘
rozdíl lze nastavit buì manuálnû, nebo
automaticky. Správné nastavení pfiedZPRAVODAJ
bûÏného váhového rozdílu je v aplikacích, kde je potfiebné pfiesné váÏení,
rozhodující, kritické.
Pfii dávkování materiálu váhami pro
váÏení úbytku materiálu je dávkovaã
na svém vstupu vybaven˘ uzavíracím
ventilem, klapou, na svém v˘stupu je
vybaven˘ ‰roubov˘m podavaãem
s promûnnou rychlostí. Cel˘ dávkovaã,
vãetnû vstupního násypníku a ‰roubového podavaãe je usazen na silomûry.
Je-li vstupní ventil uzavfien˘, je kontinuelní vyprazdÀování zásobníku dávkovaãe urãeno rychlostí, s jakou klesá celková mûfiená váha. Tato rychlost se
reguluje regulátorem "úbytku váhy
materiálu" kter˘ vypoãítává rychlost, se
kterou se má váha mûnit. Rychlost dávkování je zadána v librách za hodinu
a fiídící systém reguluje rychlost ‰roubového podavaãe tak, aby tuto Ïádanou rychlost dávkování dodrÏel.
Je-li rychlost dávkování men‰í neÏ je
Aplikace ve váÏících systémech
její Ïádaná hodnota, pak fiídící systém
‰roubov˘ podavaã urychluje. Je-li vy‰‰í
neÏ je její Ïádaná hodnota, pak fiídící
systém ‰roubov˘ podavaã zpomaluje.
Je-li zásobník dávkovaãe témûfi
vyprázdnûn˘, pfiepíná fiídící systém
dávkovaã do reÏimu opûtného naplÀování. V tomto reÏimu je vstupní ventil
otevfien˘ a je ponecháván otevfien˘ tak
dlouho neÏ se dosáhne Ïádané váhy.
T
Odkazy na literaturu, zdroje dalších informací
•
Omegadyne® Pressure, Force, Load, Torque Databook, OMEGADYNE, Inc., 1996.
•
•
The Pressure, Strain and Force HandbookTM. Omega Press LLC, 1996.
•
”The rules for installing a belt scale”, Steve Becker, Powder and
Bulk Engineering, September 1996.
•
”Flat-belt weigh feeder accuracy: How to achive it, maintain it and
verify it”, Pete Cadou and Chuck Homer, Powder and Bulk
Engineering, September 1997.
•
•
Electronic Weigh System Handbook, BHL Electronics, 1986.
•
Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, 10th
Edition, Eugene A. Avollone and Theodore Baumeister, McGrawHill, 1996.
•
McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Science and Technology.
McGraw-Hill, 1998.
•
Process/Industrial Instruments and Controls Handbook, 4th Edition,
Douglas M. Considine and Glen D.Considine, McGraw-Hill, 1993.
•
Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia, Douglas M. Considine and
Glen D.Considine, Van Nostrand, 1997.
”How to troubleshoot your electronic scale”, Brent Yeager, Powder
and Bulk Engineering, September 1995.
Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC,
1995.
• Weighing and Force Measurement in the 90’s, IMECO TC, 1991.
âíslo 3
69
Zdroje informací
Zdroje informací
ORGANIZACE
70
JMÉNO/ADRESA
American Institute of Chemical Engineers (AIChE)
345 East 47 Street, New York, NY 10017-2395
TELEFON
WEB ADRESA
212/705-7338
www.aiche.org
American National Standards Institute (ANSI)
11 West 42 Street, New York, NY 10036
212/642-4900
www.ansi.org
American Society of Mechanical Engineers (ASME)
345 East 47 Street, New York, NY 10017
212/705-7722
www.asme.org
American Society for Testing and Materials (ASTM)
100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959 610/832-9585
www.astm.org
American Vacuum Society (AVS)
120 Wall Street, 32nd Floor, New York, NY 10005
212/248-0200
www.vacuum.org
Electric Power Research Institute (EPRI)
3412 Hillview Avenue, Palo Alto, CA 94303
415/855-2000
www.epri.com
Electronic Industries Association (EIA)
2500 Wilson Boulevard, Arlington, VA 22201-3834
703/907-7500
www.eia.org
Factory Mutual
1151 Boston-Providence Turnpike, Norwood, MA 02062
781/762-4300
www.factorymutual.com
International Electrotechnical Commission (IEC)
3, rue de Varembé, P.O. Box 131
CH - 1211 Geneva 20, Switzerland
+41 22 919 02 11 www.iec.ch
International Organization for Standardization (ISO)
1, rue de Varembé, Case postale 56,
CH-1211 Geneva 20, Switzerland
+41 22 749 01 11 www.iso.ch
Institute of Electrical & Electronics Engineers (IEEE)
445 Hoes Lane, Piscataway, NJ 08855-1331
732/981-0060
www.ieee.org
ISA—The International Society for Measurement and Control
67 Alexander Drive, Research Triangle Park, NC 27709
919/549-8411
www.isa.org
National Electrical Manufacturers Association (NEMA)
1300 North 17th Street, Suite 1847, Rosslyn, VA 22209
703/841-3200
www.nema.org
National Fire Protection Association (NFPA)
1 Batterymarch Park, Quincy, MA 02269-9101
617/770-3000
www.nfpa.org
National Institute of Standards and Technology
Gaithersburg, MD 20899-0001
301/975-3058
www.nist.gov
Society of Automotive Engineers (SAE)
400 Commonwealth Drive, Warrendale, PA 15096-0001
724/776-4841
www.sae.org
Underwriters Laboratories
333 Pfingsten Road, Northbrook, IL 60062
847/272-8800
www.ul.com
âíslo 3
ZPRAVODAJ
Zdroje informací
P¤ÍSLU·NÉ NORMY
Acceleration, IEC:68-2-7
Pressure Gauges, ANSI: B40.1
Accelerometers, IEEE: 337
Pressure Measurement, ASME: PTC 19.2
Electrical Instruments in Hazardous Atmospheres,
ISA: RP12.1,4,6,10,11
Pressure Transducers,
Calibration, ANSI: B88.1
Electrical Transducers, Terminology, ISA: S.37.1
Pressure Transducers, Potentiometric, ISA: S37.6
Electrical Transducers, Testing, ANSI: S2.11
Shock and Vibration, ANSI: S2.2, S2.4, S2.10, S2.11
Hazardous Areas, IEC: 79-10
Strain Gages, Calibration, ASTM: E251-67
Intrinsically Safe Circuits, IEC: 79-3, UL: 913
Strain Gage Transducers, ISA: S37.3, 5
Piezoelectric Crystals, IEEE: 179
Vacuum Gauges, Calibration, AVS: 6.2, 6.4, 6.5
Piezoelectric Acceleration Transducers, ISA: RP37.2
Vacuum Gauges, Ionization, ASTM: E297-70
Piezoelectric Pressure Transducers, ISA: S37.10
Vibration, IEC: 69-2-6
Potentiometers, Laboratory, ANSI: C100.2
Weighing Scales, ASME: PTC 19.5.1
V¯ROBKY URâENÉ PRO Mù¤ENÍ SÍLY A TLAKU
Nejnovûj‰í informace o v˘robcích urãen˘ch pro mûfiení síly
a tlaku mÛÏete získat na adrese:
OMEGA Engineering, Inc.
One Omega Drive
P.O. Box 4047
Stamford, CT 06907-0047
Phone: 800-82-66342
(800-TC-OMEGASM)
Email: [email protected]
Website: www.omega.com
ODKAZY NA LITERATURU OMEGA PRESS
The Pressure, Strain and Force Handbook™,
Omega Press, 1995.
OMEGADYNE® Pressure, Load, Force, and Torque Handbook,
Omega Press, 1996.
Book of Books®: Scientific & Technical Books, Software & Videos,
Omega Press, 1998.
Omega Handbook & Encyclopedia, Purchasing Agents Edition,
Omega Press, 1995
ZPRAVODAJ
âíslo 3
71
Zdroje informací
ODKAZY NA OSTATNÍ KNIÎNÍ LITERATURU
Electrical Measuring Instruments
C.V. Drysdale and A.C. Jolley, Ernest Bern, 1924
Electrical Measurements and Measuring Instruments
E.W. Goldin, Pitman and Sons, 1948
Electrical Measurements
F.K. Harris, Wiley, 1952
Electronic Test Instruments
Robert Witte, Prentice Hall, 1993
Electronic Weighing
K. Ellis Norden, Butterworth-Heinemann, 1993
Electronic Weigh System Handbook
BLH Electronics, 1979
Elements of Electronic Instrumentation and Measurements, 3rd edition
Joseph J. Carr editor, Prentice Hall, 1996
The Examination of Weighing Equipment
NBS Handbook No. 94, 1965
Handbook of Intelligent Sensors for Industrial Automation
Nello Zuech, Addison-Wesley Publishing, 1992
Handbook of Transducers
Harry N. Norton, Prentice Hall, 1989
Industrial Control Handbook
E.A. Parr editor, Butterworth-Heinemann Ltd., 1995
Industrial Pressure Measurement
D.R. Gillum, ISA, 1982
Industrial Weighing
D.M. Considine, Reinhold, 1948
Instrumentation and Control
C.L. Nachtigal, Wiley, 1990
Instrumentation and Process Control
Nicholas P. Chopey, McGraw-Hill, 1996
Instrumentation for Engineering Measurements
J. Dally, Wiley, 1993
Instrumentation for Process Measurement and Control, 3rd edition
Norman A. Andreson, 1980
Instrumentation in Industry
H.E. Soisson, Wiley, 1975
Instrumentation Reference Book, 2nd edition
B.E. Noltingk editor, Butterworth-Heinemann, 1995
Instrument Engineer’s Handbook, Process Measurement Volume, 3rd edition
Bela Liptak editor, CRC Press, 1995
The McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology, 8th edition
McGraw-Hill, 1997
72
âíslo 3
ZPRAVODAJ
Zdroje informací
ODKAZY NA OSTATNÍ KNIÎNÍ LITERATURU
Measurement and Competitiveness in Electronics
NIST Electronics and Electrical Engineering Laboratory, 1993
Measurement and Control Basics, 2nd edition
T.A. Hughes, ISA, 1995
Mechanical Problems in Measuring Force and Mass
H. Wieringa, Martinus Nijhoff Publishers, 1986
National Electrical Safety Code
IEEE, 1993
Notable Twentieth-Century Scientists
Emily J. McMurray, Gale Research Inc., 1995
Pioneers of Modern Science, The World of Science
Bill MacKeith, Andromeda Oxford Limited, 1991
Pressure Gauge Handbook
Philip W. Harland, Marcel Dekker, 1991
Principles of Industrial Measurement and Control Applications
E. Smith, ISA, 1984
Process/Industrial Instruments and Controls, 4th edition
Douglas M. Considine, McGraw-Hill, 1993
Process Measurement and Analysis, Instrument Engineers’ Handbook, 3rd edition
Bela Liptak editor, CRC Press, 1995
The Scientific 100, A Ranking of the Most Influential Scientists, Past and Present
John Simmons, Carol Publishing Group, 1996
Sensor and Analyzer Handbook
H.N. Norton, Prentice-Hall, 1982
Sensors and Control Systems in Manufacturing
S. Soloman, McGraw-Hill, 1994
The Strain Gauge Primer
C.C. Perry and H.R. Lissner, McGraw-Hill, 1962
Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia
Douglas M. Considine, Van Nostrand, 1995
Vibration Analysis for Electronic Equipment, 2nd edition
Dave S. Steinberg, Wiley, 1988
Weighing and Batching of Bulk Solids
H. Colijn editor, Trans Tech Publications, 1975
Weighing and Force Measurement in the 90’s
T. Kemeny editor, IMEKO TC Series, 1991
Teflon® je ochranná známka, obchodní znaãka, firmy DuPont.
ZPRAVODAJ
âíslo 3
73
Pfievodní tabulka pro tlaky
palcÛ vodního kg/m2
sloupce pfii 4°C
Ata
barÛ
dynÛ/cm2
palcÛ sl. rtuti
pfii 0°C
Ata
1
9.86923
x 10-1
9.86923
x 10-7
3.34207
x 10-2
2.458
x 10-3
9.678
x 10-5
0.068046
4.7254
x 10-4
barÛ
1.01325
1
10-6
3.3864
x 10-2
2.491
x 10-3
9.8067
x 10-5
6.8948
x 10-2
dynÛ/cm2
1.01325
x 106
106
1
3.386
x 10-2
2.491
x 103
98.067
palcÛ sloupce rtuti
pfii 0°C
29.9213
29.53
29.53
x 10-5
1
7.355
x 10-2
406.8
4.01.48
4.0148
x 10-4
13.60
kg/m2
1.033227
x 104
1.0197
x 104
1.0197
x 10-2
liber na ãtvereãní
palec (PSI)
14.695595
14.504
liber na ãtvereãní
stopu
2116.22
mm sloupce rtuti
torrÛ
palcÛ vodního
sloupce pfii 4°C
mikrometrÛ
sloupce rtuti
Pa
mikrometrÛ
sloupce rtuti
Pa
1.316
x 10-3
1.316
x 10-6
9.869
x 10-6
4.788
x 10-4
1.333
x 10-3
1.333
x 10-6
10-5
6.8948
x 104
4.78.8
1.333
x 103
1.333
10
2.896
x 10-3
2.036
0.014139
3.937
x 10-2
3.937
x 10-5
2.953
x 10-4
1
3.937
x 10-2
27.68
0.1922
0.5354
5.354
x 10-4
4.014
x 10-3
345.3
25.40
1
7.0306
x 102
4.882
13.59
13.59
x 10-3
1.019
x 10-1
1.4504
x 10-5
0.4912
3.6126
x 10-3
1.423
x 10-3
1
6.9444
x 10-3
1.934
x 10-2
1.934
x 10-5
1.450
x 10-4
2088.5
2.0885
x 10-3
70.726
5.202
0.2048
144.0
1
2.7844
2.7844
x 10-3
2.089
x 10-2
760
750.06
7.5006
x 10-4
25.400
1.868
7.3558
x 10-2
51.715
0.35913
1
10-3
7.502
x 10-3
760
x 103
750.06
x 103
0.75006
2.54
x 104
1.868
x 103
73.558
51.715
x 103
359.1
1 x 103
1
7.502
1.01325
x 105
1 x 10-1
10-1
3.386
x 103
2.491
x 102
9.8067
6.8948
x 103
4.788
x 101
1.333
x 102
1.333
x 10-1
1
liber na ãtver. liber na ãtver.
stopu
palec (PSI)
mm sl. rtuti
torrÛ
Zapojení tenzometrick˘ch mÛstkÛ a jim odpovídající rovnice
ε = pomûrné prodlouÏení, pro v˘poãet pomûr.
mikroprodl. se hodnota ε násobí hodnotou 106
Tahovému pomûrnému prodlouÏení odpovídá (+) ,
tlakovému pomûrnému prodlouÏení odpovídá (-).
Rovnice urãují hodnotu pomûrného prodlouÏení z hodnot elektrického napûtí ve vûtvích rozváÏeného mÛstku:
Znaménka pomûrného prodlouÏení odpovídají
GF =Gage Factor, koeficient mÛstku n = Poissonovo ãíslo
dále zobrazen˘m smûrÛm elektrick˘ch napûtí VIN a VOUT .
Vr = [(VOUT /VIN ) pfii pomûr. prodluÏ. - (VOUT /VIN ) bez pomûr. prodluÏ.]
âtvrtinové mÛstky (mÛstky s jedním mûrn˘m elementem)
Rl
Rl
R1
+
-
VIN
VOUT
R2
R3
Rg(ε)
+
Rl
+
-
-
VIN
VOUT
Rl
+
-
Rl
R2
Rg
kompensaãní
odpor
Rl
(1 + RR )
-4Vr
•
GF(1 + 2Vr)
ε=
R1
Rg(ε)
l
g
Poloviãní mÛstky (mÛstky se dvûma mûrn˘mi elementy)
mÛstek pro mûfiení podéln˘ch (axiálních) pomûrn˘ch prodlouÏení
mÛstek pro mûfiení ohybov˘ch pomûrn˘ch prodlouÏení
Rl
Rl
R1
+
-
VIN
R1
Rg(+ε)
VOUT
+
-
VIN
-
VOUT
Rl
+
Rg(-νε)
R2
ε=
Rg(+ε)
+
Rl
-4Vr
GF[(1 + ν)-2Vr(ν - 1)]
•
Rg(-ε)
R2
Rl
(1 + RR )
ε=
l
g
Rl
(1 + RR )
-2Vr
•
GF
l
g
Úplné mÛstky (mÛstky se ãtyfimi mûrn˘mi elementy)
mÛstek pro mûfiení podéln˘ch
(axiálních) pomûrn˘ch prodlouÏení
mÛstek pro mûfiení ohybov˘ch
pomûrn˘ch prodlouÏení
-ε
+
+ε
-
VIN
VOUT
-νε
+
+
-
VIN
-
+ε
VOUT
+
+
ε=
VOUT
+
-
-ε
-Vr
GF
+ε
-
VIN
+ε
-νε
+νε
ε=
-2Vr
GF(ν + 1)
-ε
+ε
ε=
-2Vr
GF[(ν + 1)-Vr(ν - 1)]
-νε
Rejstfiík
Rejstřík
A
Akcelerometr
Aplikace
Mechanick˘
Popis
Servomechanick˘
Archimedés
Aristotelés
B
Barometr
Bourdonova trubice
D
Diferenãní tlak
E
Einstein Albert
F
Faktor mûrky
Definice
Závislost na teplotû
G
Galileo Galilei
H
Hawking Steven
Hubble, Edwin Powell
CH
ChevronÛv mÛstek
Popis
Schéma obvodu
J
Joule, Prescott
K
Kalibraãní zafiízení se znám˘m závaÏím
Kapacitanãní tlakomûr
Kelvin, Lord
Kepler Johanes
Konvekãní vakuometr
Koperník Mikulá‰
Kroutící moment
M
Manometr, tlakomûr
McLeodÛv vakuometr
Mechanické napûtí
Mûfiení váhy
Chyby
ZPRAVODAJ
53
52
51
53
10
10
42
26
26
11
15
22
10, 43
11
11
20
19
11
35, 41
44
15
10
46
10
54
26, 44
45
15
13
Sestavy snímaãÛ
N
Newton, Sir Isaac
O
Obvod pracující s konstantním proudem
Popis
Schéma obvodu
OhmÛv obvod ve ãtyfidrátovém zapojení
Ohybové pomûrné prodlouÏení
OMEGA Engineering
Kontakt na firmu OMEGA
O firmû OMEGA
Opakovaã tlaku s tlaãnou membránou
Opûrná tyã
P
Pascal, Blaise
Pomûrné prodlouÏení
Pfiesnost
Referenãní
Pfietlak
Pfievodní tabulka pro tlaky
Ptolemáios Claudius
R
Rubbia, Carlo
S
SdruÏen˘ tlakomûr
Síla
Definice
Chyby
Snímaãe
Silomûr
Funkãní principy silomûrÛ
Hydraulick˘
Izolace silomûru
Kanystrov˘, stonkov˘
Knoflíkov˘
Kritéria pro v˘bûr silomûru
Miniaturní
Optické
Pneumatick˘
Provedení silomûrÛ
Prstencov˘
Pfiímo namáhan˘
S nosníkem namáhan˘m na ohyb
60
10
21
20
20
15
71
9
41
13
10
15
12
34
2
10
11
13
11
13
51
57
58
64
60
61
14, 57
59
59
58
13, 57
60
60
60
âíslo 3
81
Rejstfiík
S nosníkem namáhan˘m na smyk
Se ‰roubovicovou pruÏinou
Tenzometrické silomûry
Snímaã kroutícího momentu
Induktivní pfiipojení
Magnetoelastick˘
Optick˘
PouÏití
Tenzometrick˘
Uspofiádání snímaãÛ
Snímaã (pfievodník) tlaku
Elektronick˘
Elektrostatick˘
Induktanãní
Instalace snímaãe tlaku
Kalibrace
Kapacitanãní
Kritéria pro v˘bûr snímaãÛ tlaku
Mechanick˘
Optick˘
Piezoelektrick˘
Potenciometrick˘
Pfiíslu‰enství
¤e‰ení membrán snímaãÛ tlaku
S rezonujícím drátem
Snímaã diferenãního tlaku
Tenzometrick˘
ÚdrÏba snímaãe tlaku
·roubovicová Bourdonova trubice
T
Tenzometr
Chyba
Instalace
Ochrana
PouÏití
¤e‰ení a odstraÀování problémÛ
¤e‰ení snímaãe
S difundovan˘m polovodiãem
S odporov˘m drátem
Silikonov˘
Stabilita tenzometru
Stínûní
Tenkovrstv˘
Tenzometrické mÛstkové obvody
Tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm média
Tlak
Tlakomûr
Pfiíslu‰enství
¤e‰ení
82
âíslo 3
60, 64
61
59
55
56
55
54
55
54
27
33
34
38
37
29
36
27
35
31
30
38
27
31
29
29
37
41
23
21, 24
21
21
14
16, 24
18
17, 18
17
23
21
17
3
39, 49
12, 26
29
48, 49
48
Tlakov˘ spínaã
Odborné názvosloví
Popis
¤e‰ení
Tlumiã rázÛ
Tlumiãe pulzací
U
Úãinky signálního vedení
V
Vakuometr systém Pirani
Vakuometry
Ionizaãní
Mechanické
Molekulární
PouÏití
¤e‰ení vakuometrÛ
Se studenou katodou
Se Ïhavenou (teplou) katodou
Systém Pirani
Tepelné
Termoãlánkové
Van der Meer, Simon
VáÏící systémy
Dávkovací
Kalibrace
Konstrukce
Podepfiení nádoby
PouÏití
Provedení
Pfiipojení trubek
¤e‰ení
Stabilizace
VáÏení pfiírÛstku materiál
VáÏení úbytku materiál
Vibrace
(viz zrychlení)
Vysok˘ tlak
W
WheatstoneÛv mÛstek
Kompenzace
Rovnice
Schéma
Wheatstone, Sir Charles
Z
Zrychlení
Definice
Zákon
49
48
50
36, 39
36, 39
22
45
46
45
45
43
42
46
46
45
45
45
11
68
67
67
64
62
63
66
63
65
69
69
41
58
19
18
57
51
11
ZPRAVODAJ
Rejstfiík
Seznam obrázků
Kapitola 1
Historick˘ pfiehled
1-1. Bûhounové váhy, pfiezmen, pro váÏení porovnáním vah 10
Tlakomûr pro mûfiení nízk˘ch absolutních tlakÛ
11
Tlakomûr pro mûfiení relativního tlaku
11
PruÏné spojky pro trubky napojené na váÏen˘ objekt 12
Typická instalace silomûru
12
¤e‰ení ustálení nádoby
13
1-2.
1-3.
1-4.
1-5.
1-6.
Kapitola 2
Snímaã pomûrného prodlouÏení
2-1.
2-2.
2-3.
2-4.
2-5.
2-6.
2-7.
2-8.
2-9.
2-10.
2-11.
2-12.
2-13.
Definice mechanického napûtí a pomûrného prodlouÏení
Zkos ve smyku
Poissonovo pomûrné prodlouÏení
Konstrukce tenzometrick˘ch snímaãÛ pomûrného prodlouÏení
Kostrukce spojného odporového tenzometru
Schéma zapojení Wheatstoneova mÛstku
Schéma zapojení Chevronova mÛstku
Schéma Ohmova obvodu ve ãtyfidrátovém zapojení
Schéma obvodu napájeného konstantním proudem
Alternativní konfigurace zapojení vodiãÛ
Závislost faktoru mûrky tenzometru na teplotû
Závislost zdánlivého pomûrného prodlouÏení na teplotû
Nûkteré montáÏe tenzometrÛ
15
15
16
16
17
18
19
20
20
21
22
23
24
Kapitola 3
Mûfiení technologick˘ch tlakÛ
3-1.
3-2.
3-3.
3-4.
3-5.
3-6.
3-7.
3-8.
3-9.
3-10.
3-11.
3-12.
¤e‰ení Bourdonovy trubice
¤e‰ení membrán snímaãÛ tlaku
Mûfiící rozsahy elektronick˘ch snímaãÛ tlaku
Tlakomûrná krabice s tenzometry
Tlakomûrná krabice s promûnnou kapacitancí
Potenciometrick˘ pfievodník tlaku
Pfievodník tlaku s rezonujícím drátem
Typick˘ piezoelektrick˘ snímaã tlaku
Piezoelektrick˘ snímaã tlaku s kompenzací vlivu zrychlení
¤e‰ení induktanãního a reluktanãnío pfievodníku tlaku
Optick˘ pfievodník tlaku
26
27
27
28
28
29
30
31
31
32
33
Ochrana Bourdonovy trubice pfied tlakov˘m pfietíÏením 34
3-13. Tfiíventilov˘ rozdûlovací kus pro oddûlení pfiístroje 35
3-14. Schéma kalibraãního zafiízení pracujícího
se znám˘m závaÏím
35
ZPRAVODAJ
3-15. ¤e‰ní tlumiãÛ rázÛ a tlumiãÛ pulzací
36
3-16. RÛzná fie‰ení tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média 37
3-17. ¤e‰ení volumetrick˘ch tûsnících elementÛ
38
Kapitola 4
Vysok˘ tlak & vakuum
4-1.
4-2.
4-3.
4-4.
4-5.
4-6.
4-7.
4-8.
Mechanické snímaãe vysokého tlaku
Krabice s dan˘m objemov˘m modulem pruÏnosti
Princip barometru
Mûfiící rozsahy vakuometrÛ
¤e‰ení tlakomûrÛ
Kapacitanãní vakuometr
Vakuometr se Ïhavenou katodou
Vakuometr se studenou katodou
41
42
42
43
44
45
46
46
Kapitola 5
Tlakomûry & tlakové spínaãe
5-1. ¤e‰ení tlakomûrÛ
5-2. Pfiíslu‰enství tlakomûrÛ
5-3. Odborné názvosloví tlakov˘ch spínaãÛ
Kapitola 6
Síla, zrychlení, kroutící moment
48
48
49
6-1. ¤e‰ní prvkÛ piezoelektrick˘ch snímaãÛ
6-2. Aplikace snímaãe síly pro konstrukci rázového prÛtokomûru
6-3. ¤e‰ení piezoelektrického snímaãe
6-4. Rotující hfiídel, namáhan˘ kroutícím momentem
6-5. Induktivní pfiipojení snímaãÛ kroutícího momentu
Kapitola 7
Konstrukce silomûrÛ
51
52
53
54
55
7-1. Srovnání rÛzn˘ch fie‰ení silomûrÛ
7-2. WheatstoneÛv mÛstek s teplotní kompenzací
7-3. Prvky silomûrÛ s nosníky a perem
57
58
59
Kapitola 8
Aplikace ve váÏících systémech
8-1. Usazení nádoby
8-2. Krákorcové silomûry sniÏují pofiadavky na usazení váÏeného tûlesa
8-3. Umístûní silomûru s nosníkem zatíÏen˘m
na sv˘ch koncích, nosník je namáhan˘ na smyk
8-4. PouÏití hlavního silomûru pro kalibraci mostní váhy
8-5. Integrované nosníkové váhy
8-6. Jednokolejnicov˘ pfievodník váhy
8-7. Konfigurace silomûrÛ pfii dávkování pevného materiálu
62
63
64
65
66
67
68
âíslo 3
83