Snímače IV

1. Snímače IV Střední odborná škola Otrokovice Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je ing. František Kocián Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

2. Charakteristika DUM

3. Snímače IV Náplň výuky Snímače tlaku Deformační tlakoměry Trubicový tlakoměr Vlnovcový tlakoměr Krabicový tlakoměr Elektrické tlakoměry Snímače hladiny Plovákový hladinoměr Hladinoměry s ponorným tělesem Hydrostatické hladinoměry Kapacitníhladinoměry

4. Výhody deformačních tlakoměrů: • velká přestavující síla umožňující použití přídavného zařízení k signalizaci • a dálkový přenos, zápis apod. • robustnost provedení • malé rozměry a tím i malá hmotnost, • velký měřicí rozsah • dostatečná přesnost • jednoduchost a spolehlivost v provozu • jednoduchá obsluha a údržba • Nevýhodou je elastické dopružování, popř. trvalé deformace měřicího prvku během provozu. • Tyto nepříznivé vlivy lze potlačit, popř. úplně vyloučit použitím dokonale vystárlého materiálu deformačních prvků. V případě potřeby se používá i umělého stárnuti střídavě působícími silami, teplotním namáháním, otřesy apod. Stárnutím se zbaví materiál vnitřního pnutí a pružné vlastnosti se pak nemění. Deformační tlakoměry

5. Měřicí rozsah deformačních tlakoměrů je nutno volit tak, aby pomalu kolísající tlak nepřekročil dvě třetiny maximálního tlaku (rozsah) přístroje a rychle se měnící tlak nepřekročil jeho polovinu. • Vzhledem k tomu, že se nejedná o tzv. definiční přístroje, je nutno všechny deformační tlakoměry kalibrovat a ověřovat. • Podle konstrukce deformačního prvku se rozdělují deformační tlakoměry na: • trubicové – měření podtlaků, vakua a přetlaků • membránové – měření podtlaků, vakua, přetlaků a tlakových rozdílů • vlnovcové – měření podtlaků, přetlaků a tlakových rozdílů • krabicové – měření podtlaků, přetlaků a tlakových rozdílů Deformační tlakoměry

6. Nejpoužívanější typ deformačních tlakoměrů je deformačním prvkem trubice oválného profilu, stočená do kruhového oblouku, spirály nebo šroubovice. Trubice je na jednom konci uzavřena a do druhého, otevřeného, se přivádí měřený tlak. Uzavřený konec je spojen mechanickým převodem s ukazatelem, otevřený konec je zachycen v tělese tlakoměru. Trubice je pro nízké tlaky velmi zploštělá, z mosazi, bronzu apod., pro vysoké tlaky méně zploštělá, z oceli. Měřicí rozsahy trubicových tlakoměrů jsou až 200 MPa, výjimečně 2 GPa. Trubicové tlakoměry Obr. 1:Trubicový tlakoměr a) uspořádání přístroje, b) deformace trubice

7. Tlakoměrným prvkem je membrána kruhového tvaru uložená mezi příruby komory, kam se přivádí z jedné nebo z obou stran měřený tlak. Membrány z plastu nebo z pryže nemají vlastni charakteristiku (tuhost) a jsou doplněny pružinou. Navíc mají uprostřed kruhový talíř, který membránu vyztužuje. Deformace membrány je ještě menší než deformace trubice, proto musí být použitý mechanický převod větší než u trubicových tlakoměrů. Výhodou membránových tlakoměrů je malá setrvačná hmotnost membrány, a proto možnost použití v provozech s chvěním a otřesy. Membránové tlakoměry Obr. 2: Membránový tlakoměr

8. Tlakoměrným prvkem je kovový měch (vlnovec) umístěný v měřicí komoře. Měřený tlak působí vně vlnovce, při měření tlakového rozdílu působí vně vlnovce větší tlak. Měřicí rozsah je do 0,4 MPa tlaku nebo tlakového rozdílu při statickém tlaku max. 2,5 MPa. Statickou charakteristiku určuje pružina uvnitř vlnovce . Hlavním polem použití je oblast regulační techniky, kde je hlavním prvkem v pneumatických regulačních systémech. Kontakty jsou buď mechanické nebo rtuťové. Na manostatu lze kromě maximálního tlaku nastavit také spínací hysterezi. Vlnovcové tlakoměry Obr. 3: Vlnovcový tlakoměr

9. Tlakoměrným prvkem je plochá krabice obvykle kruhového tvaru, jejíž dna jsou tvořena membránami. Používají se k měření velmi malých tlaků, podtlaků, popř. tlakových rozdílů v rozsahu řádově (10 – 103) Pa. Deformace krabice se převádí na ukazatel mechanickým převodem. Pro zvětšení výchylky (deformace) se používá celá sada krabic se spojenými vnitřními prostory. Nejrozšířenějším použitím těchto tlakoměrů jsou tzv. aneroidy k měření barometrického tlaku, kdy je prostor uvnitř krabice evakuován a vně působí barometrický tlak. Krabicové tlakoměry Obr. 4: Krabicový tlakoměr

10. U elektrických tlakoměru se využívá tlakové závislosti některých elektrických veličin. Podle principu funkce jsou použitelné k měření buď velmi malých absolutních tlaků, nebo naopak velmi vysokých tlaků. Ionizační vakuometr je v principu otevřená trioda do jejíhož prostoru se přivádí měřený absolutní tlak. Elektrony emitované z katody a přitahované anodou při srážce s molekulami zbytkového vzduchu z nich vyráží elektrony. Takto ionizované molekuly vzduchu jsou přitahovány záporným předpětím na mřížku a generují mřížkový proud Ig , jehož závislost na měřeném tlaku udává vztah Ig= k . Ia · Pa Elektrické tlakoměry Obr. 5: Ionizační vakuometr

11. Měřicím principem je využití tlakové závislosti odporu. Protože tento jev se uplatňuje pouze při vysokých tlacích, jsou tyto tlakoměry použitelné v rozsahu 80 MPa – 3 GPa. V silnostěnné komoře vyplněné olejem je uložena cívka s navinutým odporovým drátem (manganin, nikelin, konstantan), aby se vyloučil vliv teploty na změnu odporu drátu. Do komory se přivádí měřený tlak, který stlačuje průřez drátu, a tak se mění jeho odpor. Odporový tlakoměr Obr. 6: Odporový tlakoměr

12. Metody měření výšky hladiny využívají přímé čtení výšky hladiny (průhledové, plovákové stavoznaky) nebo převod výšky hladiny na jinou veličinu (přístroje pracující se změnou hydrostatického tlaku, elektrických parametrů ap.). Při volbě zařízeni je třeba zohlednit, zda jde o měření v otevřené nebo uzavřené nádobě. Přístroje pro měření výšky hladiny se označují jako stavoznaky nebo hladinoměry. • Z uživatelského hlediska lze snímače hladiny standardně rozdělit do dvou skupin: • snímače pro nespojitá měření • snímače pro spojitá měření • Průhledové stavoznaky • Nejjednodušším zařízením k měření výšky hladiny v nádrži jsou průhledová okénka (průzory), u nichž lze změny hladiny sledovat zpravidla jen v omezeném rozsahu a pouze přímým čtením. Variantou jsou k nádrži paralelně připojené skleněné vodoznaky (princip spojených nádob). Snímače hladiny

13. Metody měření výšky hladiny využívají přímé čtení výšky hladiny • Při výběru vhodného typu snímače pro konkrétní provozní aplikaci je zapotřebí brát v úvahu: •        fyzikální a chemické vlastnosti měřeného média •        charakter okolního prostředí a podmínky měření •        požadavek na spojité či nespojité snímání stavu hladiny •        specifikace účelu měření •    signalizace mezních stavů • regulace stavu hladin •    zjišťování množství náplně (bilanční měření) •        měřicí rozsah •        požadavek na přesnost měření •        ekonomické náklady na zařízení Snímače hladiny

14. Pro otevřené nádrže se používají plovákové hladinoměry. Pohyb plováku, který plave na hladině měřené kapaliny, je vyveden z nádrže přes kladku lankem nebo řetízkem, obvykle ve spojení s protizávažím. Plovák zavěšený na lanku či řetězu je obvykle veden tak, aby nedocházelo k jeho rozkývání při neklidné hladině. Výška hladiny, tj. poloha plováku se určuje buď přímo odečtením polohy protizávaží na podložené stupnici, nebo se převádí na elektrický signál pomocí převodníku. Snímače tohoto typu jsou jednoduché a spolehlivé. Snímače pro nespojitá měření hladiny Obr. 7:Plovákový hladinoměr

15. Vhodným převodníkem může být odporový vysílač mechanicky spojený např. s kladkou plovákového snímače. Odporový vysílač je speciálně uzpůsobený měřicí potenciometr, u něhož se působením měřené veličiny mění poloha kontaktu (jezdce), který se posouvá po odporové dráze. V uzavřených nádržích se používá plováku obvykle ve tvaru prstence, jehož pohyb je usměrněn pomocí vodicí tyče. Poloha plováku je snímána např. prostřednictvím jednoho či několika magnetických spínačů . Plovákové hladinoměry se používají i pro měření hladiny v tlakových nádobách. Pohyb plováku, který bývá v těchto případech upevněn na rameni páky, se vyvádí z tlakového prostoru např. magnetickou spojkou Snímače pro spojitá měření hladiny Obr. 8:Plovákový hladinoměr

16. Hladinoměry s ponorným tělesem jsou založeny na platnosti Archimédova zákona a pracují na principu vyrovnání sil. Princip je patrný z obr. 8. Ponorné těleso 1 válcového tvaru je zavěšeno na pružině 2. Síla působící na pružinu je dána vlastní tíhou tělesa, zmenšenou o sílu vztlakovou. Změnou výšky hladiny o  h  se změní vztlaková síla a dojde k ustavení nové rovnováhy sil v jiné poloze tělesa. Pro rovnováhu ponorného tělesa pak platí S . (Δh . l) . g .  = k . Δl Snímače pro spojitá měření hladiny S  průřez ponorného tělesa h  změna výšky hladiny l  změna polohy tělesa a tedy i změna stlačení pružiny   hustota k  konstanta pružiny Obr. 9:Ponorné těleso Obr. 10: Spojení ponorného tělesa s jádrem diferenčního transformátoru

17. K měření hydrostatického tlaku se používá vhodného kapalinového nebo deformačního tlakoměru; současné systémy využívají často snímačů tlaku s polovodičovými tenzometry. Na obr. 9 a je znázorněno měření hydrostatického tlaku v otevřené nádobě. Měří-li se výška hladiny v uzavřeném, tlakovém zásobníku, užívá se uspořádání podle obr. 10. Výška hladiny  h  se vyhodnocuje z hydrostatického tlaku  p  sloupce kapaliny v nádrži. Hydrostatické hladinoměry Obr. 11: Měření hydrostatického tlaku Obr. 12: Měření hydrostatického tlaku

18. Kapacitní hladinoměry převádějí měření hladiny na měření kapacity. Těchto snímačů se používá jak ke kontinuálnímu měření, tak i k signalizaci mezních stavů hladiny kapalin i sypkých hmot. Konstrukce snímače závisí jednak na vlastnostech měřeného média, jednak na tvaru nádoby. U kapalin elektricky nevodivých se využívá kapacitního snímače, u něhož dochází ke změně dielektrika. Celková kapacita je dána součtem dvou dílčích kapacit CA a CB. Kapacitníhladinoměry Obr. 13: Snímač hladiny s proměnnou permitivitou

19. Pracuje na principu měření kapacity kondenzátoru. Při měření elektricky vodivých kapalin (obr. 14) je kovová tyčová elektroda opatřena izolačním povlakem například z teflonu, který tvoří dielektrikum. Vodivá kapalina pak představuje druhou elektrodu, jejíž plocha je závislá na výšce hladiny. Snímače pro signalizaci mezních stavů bývají zabudovány ve svislé stěně zásobníku. Přesnost měření v obou případech ovlivňuje vodivá vrstva kapaliny, pěny nebo nánosů ulpívajících na povrchu snímačů. K vyhodnocení změn kapacity se používá metody přímé, substituční, rezonanční anebo některého můstkového zapojení. Kapacitníhladinoměry Obr. 14: Kapacitní snímače hladiny

20. Kontrolní otázky: 1. Jak fungují membránové tlakoměry? Princip činnosti je založen na piezoelektrickém jevu, tj. na deformaci krystalů dielektrika na němž vzniká polarizací vázaný náboj. Založeny na využití principu Ohmova zákona. c) Tlakoměrným prvkem je membrána kruhového tvaru uložená mezi příruby komory . 2. jak funguje odporový tlakoměr? Měřicím principem je využití tlakové závislosti odporu. Měřená veličina je výstupní vysoká frekvence. Pracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou 3. Jak pracuje kapacitní snímač hladiny? Pracuje na principu měření kapacity kondenzátoru. Měří přetlak a podtlak Měří teplotu kapaliny

21. Kontrolní otázky – řešení: 1. Jak fungují membránové tlakoměry? Princip činnosti je založen na piezoelektrickém jevu, tj. na deformaci krystalů dielektrika na němž vzniká polarizací vázaný náboj. Založeny na využití principu Ohmova zákona. c) Tlakoměrným prvkem je membrána kruhového tvaru uložená mezi příruby komory . 2. jak funguje odporový tlakoměr? Měřicím principem je využití tlakové závislosti odporu. Měřená veličina je výstupní vysoká frekvence. Pracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou 3. Jak pracuje kapacitní snímač hladiny? Pracuje na principu měření kapacity kondenzátoru. Měří přetlak a podtlak Měří teplotu kapaliny

22. Seznam obrázků: Obr. 1: Trubicový tlakoměr[online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 2: Membránový tlakoměr [online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 3: Vlnovcový tlakoměr [online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 4: Krabicový tlakoměr [online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 5: Ionizační vakuometr [online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 6: Odporový tlakoměr[online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 7: Plovákový hladinoměr [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný z: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/F4/F4k

23. Seznam obrázků: Obr. 8: Plovákový hladinoměr [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný z: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/F4/F4k Obr. 9:Ponorné těleso [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný z: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/F4/F4k Obr. 10: Spojení ponorného tělesa s jádrem diferenčního transformátoru [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/F4/F4k Obr. 11: Měření hydrostatického tlaku [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný z: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/F4/F4k Obr. 12: Měření hydrostatického tlaku [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný z: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/F4/F4k Obr. 13: Snímač hladiny s proměnnou permitivitou[online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný z: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/F4/F4k Obr. 14: Kapacitní snímače hladiny [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný z: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/F4/F4k

24. Seznam použité literatury: [1] Automatizace [online]. [cit. 6.7.2013]. Dostupné z: http://web.spscv.cz/~madaj/skra4.pdf [2] CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., 2009 ISBN: 978-80-251-2523-6 [3] NĚMEC, Z., Prostředky automatického řízení (Elektrické), Skripta VUT Brno 2002 [4] JENČÍK, J., VOLF,J. a kol., Technická měření, Skripta ČVUT 2003 [5] GARZINOVÁ, R., Prvky řídících systémů, Skripta VŠB-TU Ostrava 2012 [6] Měření výšky hladiny [online]. [cit. 29.8.2013]. Dostupný z: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/F4/F4k44-hlad.htm

25. Děkuji za pozornost 