Snímače III

1. Snímače III 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 III Náplň výuky Snímače síly Piezoelektrický snímač Odporový tenzometr Polovodičový tenzometr Magnetostrikční snímač Magnetoizotropní snímač Tenzometrický snímač Snímače tlaku Zvonový snímač Kapalinový snímač Pístový tlakoměr

4. Základní pojmy • Síla F [N] • Moment síly M= F.r [Nm] • Tlak • 1 bar = 105 Nm-2 • 1 torr = 133,322 Nm-2 (hydrostatický tlak rtuťového sloupce 1 mm) • Atmosférický (barometrický) tlak je statický tlak ovzduší způsobený jeho tíhou, jeho normální hodnota je 101325 Pa = 1013,25 hPa = 760 torů a to na stupnici při nulovém tlaku (tj. v absolutní nule, absolutní tlak) • Tlaková diference – rozdíl dvou absolutních tlaků • Statický tlak – v klidovém stavu • Dynamický tlak – proměnný (akustický tlak, v proudícím prostředí) Snímače tlaku a síly Obr. 1: Pojmy užívané při měření tlaku

5. Piezoelektrický snímač – princip činnosti je založen na piezoelektrickém jevu, tj. na deformaci krystalů dielektrika na němž vzniká polarizací vázaný náboj. Elektrické momenty všech objemových elementů způsobí polarizaci krystalu. Hodnota elektrické polarizace je číselně rovna fiktivnímu vázanému náboji na jednotkové ploše povrchu, který je kolmý ke směru vektoru polarizace. Po přiložení elektrod k povrchu krystalu vzniknou indukcí na těchto vodivých elektrodách volné náboje. Vyřízněme např. z křemene krystal, jehož podélná osa souhlasí s mechanickou a příčná s elektrickou. Působí-li síla Fx ve směru elektrické osy (viz obr. 2), pak se na elektrodách objeví náboj o velikosti: Snímače síly Q náboj na elektrodách výbrusu (C) d piezoelektrická konstanta (C/N), pro Si02 je d =2,3 . 10-12 C/N Fx síla působící na výbrus krystalu (N). Obr. 2: Piezoelement a) krystal křemene, b) výbrus

6. Tenzometr je odporový senzor, u něhož je změna odporu závislá na změnách, způsobených deformací tenzometru, tj. na změnách geometrických rozměrů nebo změnách krystalografické orientace tenzometru. Vzhledem k malým rozměrům tenzometru omezme pojem deformace na deformaci, způsobenou tahem nebo tlakem v mezích Hookova zákona. Tenzometry se podle použitých materiálů dělí na kovové a polovodičové. Kovové podle způsobu provedení pak na drátkové a fóliové. Drátkový tenzometr je tvořen meandrem z drátku o průměru 0,01 až 0,03 mm. U fóliových tenzometrů je měřicí mřížka tvořena odleptanou fólií tlustou 5 až 10 um. Fóliový tenzometr má vhodnější tepelné vlastnosti (lepší odvod tepla) a též deformační (menší příčná deformace). Jejich výhodou je snadnější hromadná výroba, neboť je analogická s výrobou plošných spojů. Odporový tenzometr

7. Z důvodů měření deformací v různých směrech se vyrábějí tenzometrické růžice, složené z různého počtu tenzormetrů (obvykle 2 až 4) a svírajících různé úhly, nejčastěji 45°, 60° nebo 90°. Drátek nebo fólie je u kovových snímačů přitmelena k podložce (nejčastěji tenký papírek nebo umělohmotná fólie) a tento celek se přilepí na měřené místo podle návodu výrobce. . Odporový tenzometr Obr. 3: Odporové kovové tenzometry a) drátkový, b) drátková tenzometrická růžice. c) fóliový tenzometr

8. Polovodičové tenzometry mohou mít podložku jako kovové nebo mohou být bez ní. Aktivní délka bývá 3 až 6 mm, šířka 2 mm a tloušťka 0,02 až 0,06 mm. Příčné rozměry dovolují aplikovat Polovodičové tenzometry i na zakřivené plochy. Deformační citlivost polovodičového tenzometru je obecně dána též vztahem. Pro konstantu K se však používá vztahu: Kde K = 1 + 2μ +πi . Ed πi podélný piezorezistenční součinitel Edmodul pružnosti materiálu polovodiče Pro polovodičové tenzometry je K > 100. Poměrná změna odporu není jako u drátkových a fóliových tenzometrů lineární, ale má kvadratický průběh a lze ji linearizovat jen v úzké oblasti. Polovodičový tenzometr Obr. 4: Polovodičové tenzometry a) monokrystalicky difusní tenzometr, b) řez strukturou. c) křemíková tenzometrická membrána s difusními tenzometry

9. . Polovodičový tenzometr index T změny způsobené teplotou index A změny způsobené osovousilou A index M změny způsobené momentem M U napájení můstku ΔU výstupní elektrické napětí z můstku Obr. 5: Eliminace nevhodných namáhání

10. Magnetostrikce je jev, při němž se vlivem sil vyvolaných magnetickým polem mění rozměry feromagnetika nebo naopak vlivem deformací vyvolaných vnějšími silami se mění permeabilita feromagnetika. Mění se indukčnost, která se vyhodnocuje můstkovými metodami. Daný, jev je popsán rovnicí Magnetostrikční snímač λs činitel magnetostrikce při nasycení (T-2) Bs magnetická indukce při nasycení (T) μ = μ0μr permeabilita (Hm-1 ) δ mechanické napětí (Nm-2 ) K Konstanta Obr. 6: Magnetostrikční snímač

11. Ve feromagnetiku jsou čtyři otvory, jimiž je provlečeno primární v1a sekundární V2vinutí. Obě vinutí jsou na sebe kolmá. Nebude-li na snímač působit žádná síla, nebude se v sekundárním vinutí V2 indukovat žádné napětí. Při silovém působení na snímač dochází k anizotropnímu rozložení permeability, tím také magnetické vodivosti. Následkem toho část magnetického toku primárního budicího vinutí v1 zasáhne sekundární vinutí v2, v němž se bude indukovat napětí u, jehož velikost je úměrná působící síle. Daný jev je popsán vztahem Magnetoizotropní snímač Obr. 7: Magnetoizotropní snímač

12. Klíčovým prvkem těchto snímačů je deformační člen, převádějící působení měřené síly na deformaci. Deformace tohoto členu se téměř výhradně snímá tenzometry. Na tyto plochy jsou nalepeny polovodičové tenzometry. Polovodičový tenzometr – materiál na výrobu tenzometrů se musí vyznačovat piezorezistivními vlastnostmi to znamená, že na velikost mechanického namáhání reaguje změnou odporu. Proto se tenzometry vyrábějí z monokrystalu křemíku. Obr.8 znázorňuje pružný člen typu S, který je v praxi značně rozšířený. Tlaková nebo tahová síla je měřena uprostřed vnějších ramen písmene S. Tenzometry jsou umístěny uvnitř prostoru. který' lze hermeticky uzavřít jednoduchým plochým víkem. Tenzometry jsou tak bezpečně chráněny před vlivy okolí. Tenzometrický snímač Obr. 8: Deformační člen tvaru S

13. Obecně se přístroje k měření tlaku nazývají tlakoměry; podle velikosti • měřeného tlaku a podle použití tlakoměrů se jim přiřazují následující názvy: • manometry – k měření přetlaků (obvykle deformační tlakoměry), • vakuometry – k měření velmi malých absolutních tlaků, • manovakuometry– k měření přetlaků i podtlaků (obvykle deformační • tlakoměry), • tahoměry – k měření malých podtlaků (obvykle kapalinové nebo deformační • tlakoměry), • diferenční tlakoměry – k měření tlakových rozdílů • Podle definice tlaku a podle funkčního principu se tlakoměry dělí na: • zvonové a pístové – etalonové přístroje, měřítkem tlaku je zdvih zvonu • (zvonové) nebo hmotnost závaží na pístu známého průřezu (pístové); • kapalinové – etalonové přístroje, měřítkem tlaku je výška kapalinového • sloupce (U-trubicové, nádobkové, mikromanometry se sklonným ramenem • a kompresní vakuometry); • deformační – měřítkem tlaku je velikost deformace pružného prvku • (trubicové – bourdonské, membránové, krabicové a vlnovcově); • elektrické – měřítkem tlaku je změna elektrické veličiny tlakově závislé Snímače tlaku

14. Základní součástí zvonového tlakoměru je zvon ponořený' do kapaliny, pod nějž se zavádí měřený tlak. Měřítkem tlaku je zdvih zvonu. Podle funkčního principu jsou zvonové tlakoměry s účinkem vztlaku využitým a nevyužitým. V klidovém stavu pod zvon není zaveden přetlak, zvon v kapalině plave a ukazatel ukazuje na nulu stupnice. Ph zavedeni tlaku pod zvon, se .zvon začne zdvíhat sílou F, =p. S (vnitřní řídicí síla). Proti působí síla Fe = (S2– S1) . I . P2 . g (vnější řídicí síla) způsobená úbytkem vztlaku při vynořování zvonu. Při rovnosti těchto sil se zvon zastaví a z jeho zdvihu I lze určit měřený tlak. Zvonové snímače tlaku Obr. 9: Zvonový tlakoměr s účinkem vztlaku: a) funkční schéma, b) statická charakteristika

15. Je to skleněná trubice tvaru U, popř. dvě přímé trubice dole spolu spojené (např. gumovou hadicí) a zpola naplněné tlakoměrnou kapalinou. Měřený tlak P, resp. tlakový rozdíl Sp= P2 – P1vychýlí kapalinu o míru h = h1+ h2 U-trubicové tlakoměry jsou vyráběny jako velmi jednoduché s milimetrovým měřítkem, nebo jako velmi přesné s optickým čtením výchylky kapaliny. Při rtuťové náplni se používá promítání menisku na matnici, čímž se současně odstraní chyba z paralaxy čtení. U-trubicový tlakoměr Obr.10: U-trubicový tlakoměr

16. Vysoká přesnost pístových tlakoměrů si vyžádala i jejich aplikaci pro průmyslové účely jako tzv. tendenčních tlakoměrů (použití především v kotelnách k měření i velmi malých změn tlaku páry, které provozní deformační tlakoměr nezaznamená). Jedná se o pístový tlakoměr, který je zatížen konstantním závažím, které potlačuje rozsah měření podle požadavku provozu až do hodnoty P0. Teprve při tomto tlaku se začne píst zdvíhat a stlačuje pružiny, které udávají vlastní měřicí rozsah od P0 do Pmax. Pístem stále otáčí elektromotorek. Zdvih pístu je převáděn mechanickým převodem na ukazatel, kde na stupnici udává přímo měřený tlak. Potlačení rozsahu může být (0,5 – 10) MPa, měřicí rozsah (0,1 – 5) MPa. Pístový tlakoměr Obr. 11: Tendenční pístový tlakoměr: a) schéma, b) statická charakteristika

17. Kontrolní otázky: 1. Piezoelektrický snímač? 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) Tvořeno permanentním magnetem, v jehož magnetickém poli se otáčí rotor s vinutím vyvedeným na komutátor. 2. Magnetoizotropní snímač? Ve feromagnetiku jsou čtyři otvory, jimiž je provlečeno primární vinutí v1a sekundární v2. Obě vinutí jsou na sebe kolmá. Měřená veličina je výstupní stejnosměrné napětí. Pracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou 3. Diferenční tlakoměry ? K měření tlakových rozdílů . K měření přetlaků i podtlaků K měření malých podtlaků

18. Kontrolní otázky – řešení: 1. Piezoelektrický snímač? 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) Tvořeno permanentním magnetem, v jehož magnetickém poli se otáčí rotor s vinutím vyvedeným na komutátor. 2. Magnetoizotropní snímač? Ve feromagnetiku jsou čtyři otvory, jimiž je provlečeno primární vinutí v1a sekundární v2. Obě vinutí jsou na sebe kolmá. Měřená veličina je výstupní stejnosměrné napětí. Pracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou 3. Diferenční tlakoměry ? K měření tlakových rozdílů . K měření přetlaků i podtlaků K měření malých podtlaků

19. Seznam obrázků: Obr. 1: CHLEBNÝ, J. a kol., Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., 2009 ISBN: 978-80-251-2523-6 Obr. 2: Piezoelement[online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 3: Odporové kovové tenzometry [online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 4: Polovodičové tenzometry [online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 5: Eliminace nevhodných namáhání [online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 6: Magnetostrikční snímač [online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 7: Magnetoizotropnísnímač [online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 8:Deformační člen tvaru S [online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf

20. Seznam obrázků: Obr. 9: Zvonový tlakoměr s účinkem vztlaku [online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 10: U-trubicový tlakoměr [online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 11: Tendenční pístový tlakoměr [online]. [vid. 23.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf

21. 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

22. Děkuji za pozornost 