Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky

1. Snímače a meracie členy tlaku, sily a momentu princípy a vlastnosti Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky PRS 1 13.9.2014

2. 1. Snímače a meracie členy (prevodníky, vysielače) tlaku TLAK- jedna zo základných fyzikálnych veličín v technike Def.- podiel elementárnej sily dF pôsobiacej v smere normály na elementárnu kolmu plochu dSN, tj. p = dF/dSN (Pa) pevné látky - špecifický tlak p = F/SN kvapaliny - hydrostatický tlakp =  ·g·h (Pa) Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky PRS 2 13.9.2014

3. prúdiace tekutiny- tlak kinematický pk alebo dynamický pd pk =pd = 1/2 · v2 (Pa) V sústave SI je základnou jednotkou tlakupascal(Pa), (francúzsky fyzik, matematik a filozof Blaise Pascal, 1623 až 1662) technická prax(kPa, MPa), podľa harmonizácie noriem (EU) ajbar 1 bar = 1·105 Pa • Pri rýchlostiach, ktoré sú veľmi malé v porovnaní s rýchlosťou svetla platí jednoduchý vzťah Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky (skriptá SaP, prevodová tab.) PRS 3 13.9.2014

4. Tlak sa udávavoči dvom vzťažným hodnotám, absolútna tlaková nula alebo atmosférický (barometrický) tlak (fyzikálna hodnota normálneho barometrického tlaku prepočítaná na 0 °C a na hladinu mora je101 325 Pa). Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky V praxi sa meria sa hlavnestatický pretlak PRS 4 13.9.2014

5. Základné tvary deformačných prvkov tuhá membrána mäkká membrána vlnovec ( 1až 3 mm, do MPa, Tp 0,1)( 1až 5 cm,do 3,5 MPa, Tp 2, lin.) (oceľ, posun mm, do 500 kPa, Tp 0,5) Priame meranie- špeciálne: dynamický tlak, piezoelektrický prvok Nepriame meranie- cez deformačný prvok Klasické MČ Buor.r., membrána, vlnovec Senzory tlaku votknutá tuhá membrána,  1až 3 mm Bourdonova rúrka kov. zliat., 100 kPa až MPa, Tp 2,5 PRS 5 13.9.2014

6. Piezorezistívne snímače tlaku • piezorezistencia v polovodiči a difúznej vrstve polovodiča, tj. zmena vodivosti vplyvom mechanického namáhania  rezistivita,zmeny geometrických rozmerov a zmena kryštalografickej orientácie vlastného tenzometra,polovodičové tenzometre, (až 80% MČ tlaku) • deformačný člen - tuhá membrána z polovodiča(Si), difundované tenzometre, mostíkové zapojenie na membráne • miniatúrne (až subminiatúrne) snímače tlaku • lepšie mechanické vlastnosti membrány (linearita, hysteréza, dopružovanie a pod.) • väčší počet piezorezistívnych prvkov - väčšia citlivosť, diferenciálne zapojenie – výhody!!! • väčší frekvenčný rozsahsnímača Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky PRS 6 13.9.2014

7. Platí: Piezorezistívne snímače tlaku Odporová tenzometria (skriptá SaP)materiál: kovové, polovodičové Princíp → →  je Poissonovo číslo (od 0 do 0,5)  /., K- koeficient deformačnej citlivosti jepiezorezistívny koeficient

8. Ovplyvňujúce (poruchové) veličiny Teplota - rozťažnosť tenzometra a podložky, zmena elektrického odporu, (nelinearita - polovodičové) samokonpenzujúce tenzometre Typy

9. Konštrukcia a el. zapojenie Kremíkový snímač tlaku konštrukcia usporiadanie diferenciálne zapojenie -2x (linear., kompen., citlivosť)

10. Konštrukcia a el. zapojenie Kremíkový snímač tlaku konštrukcia usporiadanie diferenciálne zapojenie -2x (linear., kompen., citlivosť)

11. Diferenciálne zapojenie kapacitného snímača posunutia PRS 11 13.9.2014

12. Kompenzácia teplotnej závislosti piezotenzometrov Rk –kalibračný rezistor, RP – kompenzačný rezistor, RS – vyvažovací rezistor p=0, =r p=0, =ir Výhody:miniatúrne prevedenia; zlepšené mechanické vlastnosti - hysteréza, dopružovanie; väčší počet aktívnych prvkov a meracia metóda - citlivosť, rozšírenie frekvenčného rozsahu Nevýhody: teplotná závislosť, nižšia citlivosť(napr. oproti kapacitnému), nízke a stredné tlaky

13. Kapacitné snímače tlaku • Princíp - zmena kapacity snímača tlaku, meracieho kondenzátora • Deformácia polovodičových (kremík), izolačných a kovových votknutých membrán a tenkovrstvových nosníkov • Väčšina snímačov je riešená ako diferenciálna – výhody !!! • Súčasnosť –IO vyhotovenie (senzory tlaku), techn. IO, miniaturizácia • vysoká citlivosť • malé rozmery • nižšia cena • vyhotovenie s vyhodnocovacími obvodmi • nižšia presnosť a opakovateľnosť Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky PRS 13 13.9.2014

14. Kapacitné snímače tlaku FunkciaDeformačný člen (votknutá polovodičová, kovová membrána alebo nosník) spojený aspoň s jednou elektródou snímacieho kondenzátora Konštrukcia a el. zapojenie Kapacitný senzor tlaku Diferenciálny kapacitný snímač tlaku

15. Diferenciálne zapojenie kapacitného snímača posunutia PRS 15 13.9.2014

16. Poruchové veličiny Teplota - rozťažnosť materiálu kondenzátora Kapacitné snímače tlakumajú podstatne menšiu teplotnú závislosť (až o dva rády), vyššiu citlivosť a väčší rozsah pracovných tlakov (MPa až GPa), ale tiež nelineárnu charakteristiku v porovnaní s piezorezistívnymi snímačmi

17. Snímače a meracie členy sily • Meranie síl sa vyžaduje pri: • zrýchľovaní hmôt • meraní tiaže, resp. hmotnosti • pri pôsobení zaťaženia a pri deformáciách materiálov Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky Newtonov zákon: Tiažovásila, gravitácia: Jednotka sily je newton (N)1N= 1 kg.m.s-2 PRS 17 13.9.2014

18. Nepriame meranie síl • Transformácia meranej sily na elektrický výstupný signál • pomocou pružného (deformačného) prvku, ako pri tlaku • Pružné členy: • tlakové (ťahové) deformačné prvky • ohybové deformačné prvky • šmykové deformačné prvky(skriptá) Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky  Membránový snímač tlaku (sily) s prevodom na deformáciu stĺpika s meracími tenzometrami Snímač tlakovej sily s kompenzačnými tenzometrickými snímačmi alebo snímačmi ťahu (R1, R3) a „pracovnými“ snímačmi tlaku (R2, R4)  PRS 18 13.9.2014

19. Snímače a meracie členy sily Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky a) b) c) PRS 19 13.9.2014

20. Pre menšie sily: - odľahčený tvar pružného prvku - s tenzometrami na najviac deformovaných miestach Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky • vytvára zvýšené mechanické napätie na ohyb (ťah, tlak) • lepšie deformačné pomery • tenzometre umiestnené vo vnútri telesa sú chránené voči vonkajšiemu • poškodeniu PRS 20 13.9.2014

21. Snímače a meracie členy momentu sily • Krútiaci moment silyje príčinou uhlového zrýchlenia (spomalenia) telies, resp. ich deformácie • Ohybový moment – napr. deformácia votknutého nosníka Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky  - uhlové zrýchlenie telesa J – momentom zotrvačnosti F – sila r – rameno sily Jednotka momentu sily jenewtonmeter [N.m] PRS 21 13.9.2014

22. Snímače a meracie členy momentu sily Hmotný bod po kružnici v, kinetická energia Wk, moment zotrvačnosti hmotného bodu J: Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky Moment zotrvačnosti tenkostenného valca J (bicykel): PRS 22 13.9.2014

23. Meranie momentu(krútiaceho) –slúži na určovanie okamžitého výkonu strojov a meranie ich účinnosti(výkon P = k. MK. n otáčky) • Použitie – v automatizačnej technike – kinematické systémy • určovanie vlastností akčných členov • robotické systémy – nepriame sledovanie silových pomerov vo výstupnej hlavici • Snímače podľa typu výstupného signálu: • mechanické snímače • elektrické snímače - vysoká presnosť merania - dynamické snímanie momentu - najčastejšie použitie • optické snímače – perspektívne riešenia Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky PRS 23 13.9.2014

24. Typy snímačov: • Odporové snímače - najpoužívanejšie • Fotoelektrické a kapacitné • Indukčné - poloha • Magnetické  Príklad snímania ohybového momentu od sily F Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky Meranie krútiaceho momentu na otáčajúcom sa hriadeli – tenzometrický mostík PRS 24 13.9.2014

25. Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky Príklad optoelektronického snímača krútiaceho momentu PRS 25 13.9.2014

26. Podpora k prednáške PRS -Tlak!!! PRS Prvky riadiacich systémov - Úvod 26 13.9.2014