Doc. Ing. Josef Jenčík, CSc. Doc. Ing. Jaromír Volf, DrSc. a kolektiv
,
v
v
,
TECHNICKA MERENI
2003
v
Vydavatelství CVUT
PŘEDMLUVA
Počet vědeckých poznatků
se v poslední době zdvojnásobuje každých deset let a v progresivních vědních oborech i mnohem dříve. Růst nových poznatků bude stále pokračovat, zvlášť v technice. Není tedy jiného východiska, než výuku definitivně osvobodit od snahy po úplnosti látky, po maximu odevzdávaných informací. Místo toho je třeba u studentů vychovávat schopnost a vůli poznatky je třeba ho naučit znát získávat a umět jich využívat. Aby se usnadnila životní orientace absolventa, , i prvky trvalejší hodnoty, jako např. metoda, pracovní a životní návyky. Ulohou školy není tedy pouze "vyzbroj it" studenty vhodným množstvím poznatků, ale podávat hlavně takové znalosti a tak, aby je uměli využít v praktickém životě. Skriptum Technická měření je koncipováno tak, aby podalo poměrně ucelený, ne však přespříliš hluboký pohled na část měřicí techniky týkající se snímačů základních technických a fyzikálních veličin.
Ve skriptu jsou probrány problémy spojené s uspořádáním experimentu a jeho vyhodnocením. Jsou zde popsány základní statické a dynamické vlastnosti měřicích systémů jako souboru prvků pro snímání, transformaci, přenos, zpracování a využití informací o sledovaném procesu. Vzhledem k rychlému vývoji v takové oblasti jako jsou technické prostředky k měření a zpracování fyzikálních veličin, není možné postihnout tuto rychlost v textu a proto je pozornost věnována především vysvětlení v současnosti nejpoužívanějších a nejčastěji aplikovaných principů měření a měřidel, bez detailního zaměření se na jejich konkrétní technické provedení, které spolu s vývojem mikroprocesorové techniky a zpracování signálu nabývá rok od roku novou, kvalitativně vyšší úroveň. Jednotliví
autoři
zpracovali tyto kapitoly:
kapitola 12. Prof. Ing. Ivan Uhlíř Doc. Ing. Josef Jenčík, CSc kapitoly 1,4, 9. Doc. Ing. Jaromír Volf, CSc kapitoly 2, 5, 6, 10. Ing. Dana Bauerová kapitoly 7, 8, ll. Ing. Stanislava Papežová, CSc..kapitola 3.
Autoři
Praha,
říjen
1999.
1
OBSAH 1
Měřicí
technika 1.1 Rozdělení a úkoly měřicí techniky 1.2 Uspořádání měření 1.3 Základní pojmy z měřicí techniky 1.4 Měřicí řetězce 1.4.1 Statická charakteristika měřícího přístroje 1.4.2 Uživatelská charakteristika měřícího přístroje 1.4.3 Rovnováha sil (momentů) na přístroji 1.5 Statické vlastnosti přístrojů 1.5.1 Přesnost a chyby měřicích přístrojů 1.5.2 Citlivost měřicích přístrojů 1.5.3 Spolehlivost měřicích přístrojů 1.5.4 Zivotnost měřicích přístrojů 1.6 Dynamické vlastnosti měřicích přístrojů 1.6.1 Přechodová charakteristika 1.6.2 Lineární charakteristika 1.6.3 Frekvenční charakteristika 1.7 Informační vlastnosti 1.7.1 Informační obsah měřicích přístrojů 1.7.2 Informační kapacita měřicích přístrojů 1.7.3 Informační kapacita měřených veličin 1.8 Nejistoty měření 1.8.1 Standardní nejistota UA (přímé měření jedné veličiny) 1.8.2 Standardní nejistota Uli (přímé měření jedné veličiny) 1.8.3 Kombinovaná standardní nejistota přímého měření 1.8.4 Standardní nejistota Ul při nepřímém měření 1.8.5 Standardní nejistota liJi při nepřímém měření 1.8.6 Udávání nejistot v
2 Elektronické vyhodnocovací obvody 2.1 Můstkové metody 2.1.1 Napájení můstků 2.1.2 Stejnosměrné můstky 2.1.2.1 Vyvážený můstek 2.1.2.2 Nevyvážené můstky 2.1.3 Střídavé můstky 2.1.4 Diferenciální můstky 2.2 Elektronické obvody 3 Optoelektronické senzory 3.1 Optické vláknové senzory 3.1.1 Základní pojmy 3.\.2 Rozdělení optických vláknových 3.2 Integrované polovodičové snímače obrazu 3.2.1 PSD senzory 3.2.2 CCD senzory 3.2.2.1 Rádkový senzor CCD 3.2.2.2 Plošné senzory CCD v
2
7 7 8 8 9 11 14 14 15 15 17 17 18 19 19 20 21 22 22 23 24 24 25 25 26 26 26 26
29 29
29 30 30 31 34 34 36
senzorů
38 38 38 40 42 42 44
44 45
4
5
Měření
teploty a tepla 4.1 Základní pojmy z oblasti měření teploty 4.2 Rozdělení teploměrů 4.3 Dilatační teploměry 4.3.1 Tyčové teploměry 4.3.2 Bimetalické teploměry 4.3.3 Skleněné teploměry 4.3.4 Tlakové teploměry kapal inové 4.3.5 Tlakové teploměry plynové 4.4 Tlakové teploměry parní 4.5 Odporové teploměry 4.5.1 Materiál a provedení čidel odporových teploměrů 4.5.2 Konstrukce odporových teploměrů 4.5.3 Měření elektrického odporu 4.5.4 Iontové teploměry 4.5.5 Krystalové teploměry 4.6 Termoelektrické teploměry 4.6.1 Zapojení termoelektrických teplomčrů 4.6.2 Měřeni termoelektrického napětí 4.6.3 Konstrukce termoelektrických teploměrů 4.7 Speciální dotykové teploměry 4.7.1 Barevné indikátory teploty 4.7.2 Optoclcktron ické snímače teploty 4.8 Zabudování dotykových teploměrů 4.8.1 Měření teploty kapalin a plynů 4.8.2 Měření teploty těles 4.9 Bezdotykové teploměry 4. 10 Pyrometry 4.10.1 Monochromatické pyrornetry 4.10.2 Pásmové pyrometry 4.10.3 Pyrometry na spektrální rozložení 4.10.4 Pvrornetrv na celkové záření • • 4.11 Fotografické měření teploty 4.12 Termovizní systémy 4.13 Měření tepelného výkonu a tepla 4.13.1 Měřič tepla ve vodní tepelné síti 4.13.2 Měřič tepla v parní tepelné síti 4.13.3 Poměrové měřiče tepla
Měření
polohy a vzdálenosti 5.1 Analogové snímače polohy 5.1.1 Odporové snímače 5.1,1, I Potenciometrický snímač 5.1,2 Indukčnostní snímače 5.1.2.1 Parametrickv snímač s malou vzduchovou mezerou 5,1.2.2 Transformátorový diferenciální snímač 5.1.2.3 Selsyny 5.1.2.4 Snímače na principu vířivých proudů 5.1.3 Kapacitní snímače 5.1 .4 Laserové interferometry
-
3
47 47 48 49 49 50 5I 53 54 54 55 56 58 58
60 60 61 61 63 64 65
66 67 68
68 70 70 70 70 72 '7~
I
.l
74 75
75 7:::" , .
76 76 77
78
78 78 78 80 81 83
84 90 91 93
5.2 Číslicové snímače polohy 5.2.1 Inkrementální snímače polohy 5.2.2 Absolutní snímače polohy 5.3 Proximitní snímače 5.3.1 Proximitní optický' snímač 5.3.2 Proximitní ultrazvukový snímač 5.3.3 Proximitní induktančn í snímače 5.3.4 Proximitní kapacitní snímače 5.4 Diskrétní snímače polohy 6
Snímače
síly• a momentu
sílv • 6.1.1 Odporový tenzornctr 6.1.2 Tenzometrické snímače 6.1.3 Snímače síly s převodem deformace na polohu 6.1.4 Snímač na principu magnetostrikce 6.1.5 Snímač na principu magnetoanizotropie 6.1.6 Piezoelektrické snímače síly 6.1.7 Kapacitní snímače síly 6.1.8 Snímače síly na bázi vodivého elastomeru 6.2 Snímače momentu 6.2.1 Tenzornetrickv• snímač momentu 6.2.2 Kapacitní snímač momentu 6.1
7
Snímače
Měření
tlaku a výšky hladiny• •• 7.1 Měření tlaku 7.1.1 Základní pojmy 7.1 .2 Zvonové t lakorněrv• 7.1.2.1 Zvonovv. tlakoměr s účinkem vztlaku 7.1.2.2 Zvonový tlakoměr bez účinku vztlaku 7.1.3 Kapal inové tlakoměry 7.1.3.1 U-trubicové tlakoměry 7.1.3.2 Nádobkové tlakoměry 7.1.3.3 Mikromanornetr se sklopnou trubicí 7.1.3.4 Kompresní Mac Leodův vakuometr 7.1 .4 Pístové tlakoměry 7.1.5 Deformační tlakorněrv• 7.1.5.1 Trubicové tlakoměry (Bourdonské) 7.1.5.2 Membránové tlakoměry 7.1.5.3 Krabicové tlakoměrv• 7.1.5.4 Vlnovcově tlakoměry 7.1.5.5 Inteligentní vysílače tlaku a tlakové diference 7.1.6 Elektrické tlakorněrv• 7.1.6.1 Elektrické vakuometry 7.1.6.2 Odporový tlakoměr 7.1.7 Zabudování tlakoměrů 7.1.8 Ověřování tlakoměrů 7.2 Měření výšky hladiny 7.2.1 Průhledové stavoznaky 7.2.2 Plovákové stavoznaky 7.2.3 Hydrostatické stavoznaky 7.2.4 Pneumatické stavoznaky
4
95 95
98 98 99 99 100 100 101 102 102 102 108 III I 12 113 1 14 115 I I5 I 16 I 16 I I7 118 118 I I8 I 19 119 120 120 12l 121 122 123 123 125 126 127 129 130 130 132 132 133 133 135 136 136 136 137 138
7.2.5 Elektrické stavoznaky 7.2.5.1 Vodivostní snímače 7.2.5.2 Termistorové snímače 7.2.5.3 Kapacitní snímače 7.2.6 Radioizotopové hladinoměry 7.2.7 Ultrazvukové hladinoměry 7.2.8 Radarové hladinoměry 7.2.9 Vibrační snímače a elektromechanické systémy 7.2. I O Provedení hladinorněrů
138 138 139 139 140 140 141 141 142
8 Měření průtoku a množství tekutin 8.1 Základní pojmy 8.2 Objemová měřidla průtoku a proteklého množství 8.2.1 Zvonový krychloměr 8.2.2 Vodoměr s krouživým pístem 8.2.3 Oválové měřidlo 8.2.4 Bubnové měřidlo 8.3 Rychlostní měřidla průtoku a proteklého množství 8.3.1 Rychlostní sondy 8.3.2 Anernometrv• 8.3.3 Lopatkové a šroubové vodoměry 8.3.4 Turbínové průtokoměry 8.3.5 Vírové a vířivé průtokoměry 8.3.6 Tepelné průtokorněry 8.3.7 Ultrazvukové průtokorněry 8.3.8 Magnetické indukční průtokorněry 8.3.9 Coriol isovy hmotnostn í průtokornéry 8.3.10 Optické vláknové průtokorněry 8.3.11 Průřezová měřidla průtoku - škrticí orgány 8.3.11.1 Zabudování škrticích orzánů 8.3. I 1.2 Návrh a výpočet škrticího orgánu 8.3. I 1.3 VI iv zrněn parametrů měřeného prostřcd í na přesnost 8.3.11.4 Měření hustoty• tekutin 8.3 .12 Plováčkové průtokorněry 8.4 Volba typu průtokorněru
143 143 143 144 144 145 146 146 147 150 152 154 154 156 158 159 161 163 164 166 167 168 169 170 173
~
měření
9 Měření vlastností kapalin a plynů 9.1 Měření vlhkosti plynů 9.1.1 Psychrometry 9.1.2 Hvzrornetrv9.1.3 Rosné vlhkoměry 9.2 Analýza kapalin 9.2.1 Elektrická vodivost kapalin 9.2.2 Koncentrace vodíkových iontů (pH) 9.2.3 Viskozita kapalin
174 174 174 175 177 177 177 177 178
10 Snímače otáček 10.1 Analogové snímače rychlosti 10.1.1 Mechanické otáčkoměry 10. I.2 Elektromagnetické otáčkoměry 10.1.3 Tachodynamo 10.1.4 Tachoalternátor
181 181 181 181 182 183
.
~
5
10.2 Impulsní snímače otáček 10.2.1 Snímač rychlosti s fotoelektrickým čidlem 10.2.2 Snímač rychlosti s induktančním čidlem 10.2.3 Snímač s Hallovou sondou 10.2.3 Snímač s oscilátorem a induktivní vazbou 10.3 Stroboskopické měření otáček II
183 183 184 184 185 185
Průmyslové měřicí
systémy II .1. Retězec toku informací průmyslového systému 11.2. Používané druhy komunikačních médií pro přenos informací o měřených 11.2.1. Průmyslové sběrnice typu FIELDBUS 11.2.2. Filozofie rozsáhlých měřicích systémů 11.2.3. Požadavky na řízení sběrnice z hlediska měřicího systému 11.2.4. Podmínky komunikace z hlediska využití přenosového kanálu 11.2.5. Použití inteligentních snímačů 11.2.6. Základní typy průmyslových měřicích systémů 11.3. Software pro obsluhu průmyslových měřicích systémů a pro vizualizaci v
veličinách
186 186 187 187 188 189 189 189 190 193
12 Elektromagnetická kompatibilita 12.1 Kapacitní rušení 12.2 Indukčn í rušení 12.3 Galvanické rušení
194 195 195 196
Literatura
200
PŘÍLOHY I Převodní tabulka jednotek teploty, délky. síly, tlaku, práce a výkonu 2 Důležité fyzikální konstanty 3 Vybrané bezrozměrové veličiny (podobnostní čísla) charakterizující proudění tekutin 4 Termoelektrické napětí termoelektrických článků podle IEC-CSN 751 4,1 Termoelektrický článek typu T (Cu-CuNi) 4.2 Termoelektrický článek typu J (Fe-CuNi) 4.3 Termoelektrický článek typu E (NiCr-CuN i) 4.4 Termoelektrický' článek typu K (NiCr-NiAI) 4.5 Termoelektrický článek typu S (Pt 1ORh-Pt) 4.6 Termoelektrický článek typu R (PtI3Rh-Pt) 4.7 Termoelektrický článek typu B (Pt30Rh-Pt6Rh) 5 Hodnoty měřicího odporu Pt I00 podle IEC-ČSN 751 6 Hodnoty měřícího odporu Ni I00 7 Nomogram pro určení viskozity vody a plynů 8 Tabulka a nomogram pro výpočet normalizované clony 9 Nomogram pro určení velikosti expanzního součinitele E pro (PI - P2)/PI < 0,08 10 Nomogram pro určení velikosti expanzního součinitele E pro (PI - P2)/PI > 0,08. I I Psychrometrická tabulka pro aspirační psychrometr 12 Tabulka nasyceného vlhkého vzduchu
201 20 I 202 202 203 203 203 203 204 204 205 205 206 206 206 207 208 209 210 2 I2
v
-
6
1
MĚŘICí TECHNIKA Dějiny měření
spadají již na počátek kulturní historie lidstva. První vědecký postoj k měření se však projevil až u Galilea Galilci, který měření povýšil na nejdůležitější prostředek k získávání nových faktických poznatků potřebných k budování kvantitativních vědeckých teorií. Je mám jeho výrok, který platí stále: "Měřit vše co je měřitelné a co měřitelné není, měřitelným učinit", Rozšíření měření do obchodu a průmyslu si vyžádalo zavedení jednotné soustavy jednotek fyzikálních veličin, která byla a je stále zdokonalována. Tak došlo ke vzniku metrologie jako vědní disciplíny o měření, jejímž hlavním účelem je definice a realizace Jednotek. Ncustálý V)'voj měření vedl k zavádění měření i do mnohých nefyzikálních věd. Přitom se ukázalo, že měření je potřebné chápat obecněji a není je možno omezovat pouze na veličiny, jejichž hodnoty odvozujeme od jednotek fyzikálních veličin. vývoj měřicí techniky je nyní zaměřen především na zlepšování statických a dynamických vlastností snímačů, přenosových členů, převodníků i vyhodnocovacích členů. Významné místo v měřicí technice zaujímají snímače mčřených veličin s elektrickým výstupním signálem, protože umožňují dálkový přenos a snadné zpracování signálu. U rozsáhlých provozu lze tak soustředit všechny důležité údaje na jedno místo zpracování a využít Je k řízení procesu. Technická měření jako zdroj informací jsou nezbytnou disciplínou téměř ve všech oborech, protože jsou na měřicí technice závislé. Výzkum, vývoj, výroba i provoz všech zařízení jsou prakticky nemyslitclné bez vyspělé měřicí techniky. Důležitou úlohu plní měřicí technika také v automatizaci. V této oblasti má měřicí technika dvojí poslání - získávání informací o chování řízeného procesu (bez těchto informací ncmůže samočinné řízení vůbec probíhat), - získávání informaci o vlastnostech jednotlivých členů řídicího systému (bez těchto informací by nebylo možno navrhnout regulační obvod, realizovat ho a seřídit) \tf
"
""IV,
1.1 ROZDELENI A UKOLY MERICI TECHNIKY lze rozdělit měřicí techniku na vědeckou a průmyslovou. Vědecká měřicí technika slouží k rozvoji nových technických disciplín získáváním nových vědeckých poznatků. Patří sem např. měření vývojová, výzkumná a laboratorní. Výzkumná a v)'Vojová měření slouží k získávání nových poznatků (parametrů)o vyvíjeném zařízení. K realizaci těchto měření je třeba použít obvykle speciálních snímačů, popř. dalších členů měřicího zařízeni. Hlavním požadavkem je vysoká přesnost měření, vynikající dynamické vlastnosti snímačů a reprodukovatelnost měření. Laboratorní měření slouží k ověřování, popř. kalibraci etalonů, normálů a pracovních přístrojů Přesnost měření je dána požadavky na jednotlivé druhy operací. Průmyslová měřicí technika je založena na požadavcích a potřebách průmyslu, Jejím úkolem je získat údaje k objektivnímu posouzení kvality probíhajícího procesu. Průmyslová měřicí technika se velmi rychle rozvíjí a její význam, hlavně hospodářský, stále stoupá, Lze ji rozdělit do dvou skupin, podle druhu měření: záruční měření a průmyslová měření. Záruční měření (garanční měření) slouží k získávání informací o tom, zda předávané (přejímané) technologické zařízení vykazuje parametry, garantované výrobcem. Všechny použité snímače a přístroje musí mít platné atesty úředního ověření. Obvykle se jedná o rozsáhlé měření velkého počtu měřených veličin a proto je nutno volit vhodné zpracování výsledků měření. Průmyslová měření slouží k zajištění bezporuchového a hospodárného průběhu technologického procesu a k dosažení správných vlastností výrobků, Nejdůležitější vlastností měřicích přístrojů pro průmyslová měření (tzv. pracovních přístrojů) je vysoká provozní spolehlivost a dostatečná přesnost. Podle charakteru
měření
7
v,
,
,
vv
,
1.2 USPORADANI MERENI K získání objektivních hodnot měřených veličin je nutno zachovat určitý pracovní postup nejen při vlastním měření, ale především při jeho přípravě, při vyhodnocování měření a při rozboru chyb. ffillrava měření je nejdůležitější etapou experimentu, protože musí zajistit zdárný průběh vlastního měření a zajistit, aby experimentátor byl plně poučen o záměrech experimentu a o postupu měřických prací. Přitom musí být zvoleno vhodné měřicí zařízení a správné uspořádání měření. Při přípravě měření je nutno provést podrobný' rozbor měřického problému především s ohledem na účel měření, a to v těchto tazích: a) volba druhu a počtu měřených veličin z hlediska jejich důležitosti a potřebnosti, b) volba přesnosti měření z hlediska potřebností (podle zásady: "Měřit pouze tak přesně, jak potřebujeme a ne tak, jak Jsme schopni"), c) volba měřicí metody z hlediska požadované přesnosti a zpracování naměřených hodnot, d) volba konfigurace měřicího řetězce z hlediska předchozích požadavků a účelu měření, e) volba měřicích míst a správného zabudování snímačů a Jejich příslušenství z hlediska jejich ., . pnstupnostr, f) volba ochrany měřicího zařízení proti působení rušivých vlivů vnějšího prostředí (např. magnetického pole, elektrického pole, vlhkosti a teploty okolního prostředí), g) předběžný rozbor chyb měření z hlediska dovolených chyb měřených veličin a z toho vyplývajících požadavků na výslednou přesnost, popř. nejistot měření. Jednotlivé fáze přípravy měření navzájem spolu souvisejí a ovlivňují se. Aby bylo možno takový' podrobný' rozbor měřického problému provést a vyslovit správné závěry, je třeba znát Jednak fyzikální podstatu a funkci jednotlivých členů měřicího řetězce, jejich vlastnosti statické a dynamické, měřicí metody a systémy. Vlastní měření K úspěšnému průběhu vlastního měření je třeba zajistit bezporuchovou činnost všech členů měřícího řetězce včetně indikace naměřených veličin a i z hlediska zvoleného způsobu zpracování VÝsledků měření . . Zpracování výsledků měření Abychom určili nejpravděpodobnější hodnoty měřených veličin je třeba naměřené hodnoty vhodným způsobem zpracovat i z hlediska rozboru vyskytujících se chyb, popř. určit nejistoty měření. V případě nepřímých měření je třeba určit analytické aproximace funkčních závislostí vhodnými matcmaticko-statistickými metodami.
1.3 ZÁKLADNÍ POJMY Z MĚŘICí TECHNIKY Měření
fyzikální
veličiny
je
číselné Vyjádření
její hodnoty, tj.
součin číselné
hodnoty a
příslušné
jednotky. Měřicí veličiny,
metoda se používá přímá nebo nepřimá. Přímá měřicí metoda vychází z definice měřené nepřimá měřicí metoda vychází z určení funkční závislosti měřené veličiny na jiné fyzikální
veličině.
Měřicí přístroj (měřicí zařízení)
hodnoty měřené veličiny. Vstupní veličinou do měřicího přístroje je analogová měřená veličina, výstupní veličinou je analogový nebo číslicový' signál. Jednoduchý měřici přístroj tvoří konstrukční celek - např. skleněný teplomčr, deformační tlakoměr apod. Měřicí zařízení je tvořeno měřicím řetězcem. Měřicí řetězec je tvořen několika členy, které jsou spolu zapojeny do měřícího obvodu. Tyto členy získávají, upravují a přenášejí, popř. zpracovávají informace o měřených veličinách. Podle toho se také jednotlivé členy nazývají. Čidla a snímače měřených veličin snímají jejich časový průběh a převádějí na jinou fyzikální veličinu, tzv. měronosnou veličinu - signál. Signály musí být v jednoznačné závislosti k měřené veličině a dobře zpracovatelné. Signály jsou spojité a nespojité. realizuje
zjištění
8
SQQjitý signál (analogový) se mění s časem spojitě a mírou velikosti mčřené veličiny je amplituda signálu. Spojité signály se zpracovávají analogoyými přístroj.L NesQQjité signály se mění s časem nespojitě - přetržitě. Těmto signálům se říká též signály diskrétní nebo číslicové. Diskrétní signál lze získat z analogového vzorkováním ve zvolených časových intervalech ~'t. Mírou velikosti měřené veličiny je amplituda v rozsahu od O do 100 %, šířka signálu je přitom konstantní. Nespojité signály lze také zpracovat přímo v číslicových přístrojích. Převod analogových signálů na číslicové provádějí analogově-číslicové převodníky na úměrný počet impulsů, popř. se převádějí přímo na číslicový údaj na počitadlech. Měřicí a f!tnkční převodní kL Měřicí převodníky převádějí měronosný signál na unifikovaný' signál. Funkční převodníky jsou např. převodníky napětí-proud, nelineární a elektricko-pneurnatické. Měřicí kanály jsou členy pro přenos informace - vodiče pro přenos elektrického signálu a impulsní potrubí pro přenos pneumatického a hydraulického signálu. Pro bezdrátový přenos elektrického signálu slouží vysílací a přijímací systémy (modemy) Yyho9nocovaRci~~troiQ slouží ke zpracování signálu. Patří sem ukazovací a zapisovací přístroje, tiskárny, digigrafy, měřicí magnetofonv, měřicí a informační systémy apod Z hlediska použité metody zpracování signálu rozeznáváme přístroje 'y:»chylkové, kOI!!Renzač~nLa integrační. Výchylkové přístroje udávají velikost signálu na základě rovnováhy sil nebo momentů Kompenzační přístroje využívají samostatného zdroje kompenzační veličiny, úmčrné měřené veličině Výhodou kompenzačních přístrojů je to, že snímač není zatěžován. Integrační přístroje (nazývané též měřice) sčítají hodnotu měřené veličiny v pravidelných časových intervalech, popř průběžně " RLdicí systé'lli' včetně řídicích počítačů patří mezi členy pro využití informace v automaticky řízcnvch obvodech. Inteligentní-'!l~řicí s):§.témy obsahují obvody pro zpracování signálu z čidla a přenos přes rozhraní do sběrnicových sítí. 'V'
'\tl
,
"Itl
'V
1.4 MERICI RETEZCE Klasick)! měřicí ře1~G je schematicky uveden na obr. 1.1 a) Sestává ze snímače a obvodů pro úpravu (zesilovač, převodník atd.) a vyhodnocení signálu (indikace), popř. jeho využití. Současná doba je spojena s vývojem a praktickým nasazením tzv inteligentních měřicích systémů připojených přes rozhraní do sbčrnicových sítí ("Fieldbus") Inteligentní vysílačSť_ m-.Čřen)'ch veličin obsahují obvody pro zpracování a analýzu signálu z čidla v jediném kompaktním provedení spolu s čidlem Cílem je integrace měřicího řetězec na jediný' čip obvodu. Na obr. I. lb) je uvedeno schéma zapojení integrovaného inteligentního měřicího systému. Podle technologie výroby lze senzory dělit na mechanické, elektromechanické, monolitické, tenkovrstvé a tlustovrstvé. MSťchanické a elektrol11f,?chanické senzQ!}' tvoří skupinu klasických prvků starší generace. Jsou vyráběny v menších sériích, jsou robustní, nákladné, ale lze je vyrobit velmi precizně. Monolitické senzory se vyrábějí běžnými postupy používanými při výrobě integrovaných obvodů na substrátu monokrystalického křemíku. Základem je tzv. Si-technologie (oxidace vhodná pro aplikace při teplotách nad 150 "C. Tenkovrstvé senzory se vytvářejí monokrystalickými, polykrystalickými a amorfními vrstvami křemíku, izolantů a kovů o tlouštce I nm až I um Vrstvy se nanášejí vakuovým nebo katodovým napařováním na základní vrstvu ze skla nebo plastu a litografií a selektivním leptáním se Vytvářejí prvky pasivní sítě vysílače. Tenkovrstvá technologie zajišťuje u snímačů vysokou přesnost, stabilitu, spolehlivost, malou hmotnost a rozměry a tím i rychlou odezvu, levnou sériovou výrobu s možnou integrací s SI-integrovanými obvody. Tlustovrstvé senzory se vytvářejí pastami vhodného složení, které se postupně přes sítka nanášejí na keramickou nebo plastovou vrstvu, pak se suší a vypalují. Tlustovrstvé technologie se používá při výrobě vodičů, rezistoru a kapacitorů. Senzory lze doplňovat integrovanými obvody (zapouzdřenými nebo ve formč čipu).
9
Integrované senzory umožňují podstatné zmenšení rozměrů a minimalizaci parazitních impedancí včetně šumů. Narůstá rychlost zpracování signálu, možnost bezchybné výměny a snížení nákladů na výrobu. Integrovaná optika např. obsahuje i zdroje a detektory záření včetně zesilovačů a dalších obvodů na jediném čipu s optickými součástkami (vazebními členy, modulátory apod.) a umožňuje spolehlivý přenos vláknovými vlnovody (optickými kabely). Optoelektronické senzory reagují na dopad světelného signálu, optické vláknové senzory využívají modulace světla v optických vláknech.
X
....
tidto
Yl
[>
....
snímač
Cl)
senzoru čidlo
senzoru čidlo
senzoru
~
t-~'--~indjkátor
.......,''---~ ---~-
(vysítač)
čidlo
y
Y2
zesilovače a převodníky
I
I
I obvody rnerici I I pro I I obvody lau tokal ibracil A/ČIMPIR a kompenzaci I I zesilovače I apod. I I I I I
I
'ft 't.
I
vyhodnocovac, 01, ZQrlZenl I
I Rl P
I I
I
inteligentní integrovaný senzor I_ ____ ____ _ _ s_mikroprocesorem _____ J v
Obr. 1.1 Bloková schémata měřicích řetězců. a) klasický, b) inteligentní: Ale - analogově číslicový převodník, MP - jednočipový mikropočítač nebo sběrnicový systém, R - rozhraní, P - nadrazeny pocuac. ....
,
"" I
v
U některých inteligentních vysílačů bývá vyhodnocovací zařízení od čidla odděleno tam, kde by extrémní provozní podmínky kladly vysoké požadavky na elektroniku. Strukturu inteligentního vysílače lze rozdělit na vstupní, vnitřní a výstupní části s těmito funkcemi - převod měřené veličiny na elektrický signál, jeho zesílení a filtrace, a) vstupní část: - linearizace statické charakteristiky, - přepínání více vstupních veličin, - ochrana proti působení parazitních veličin. b) vnitřní část: - analogově-číslicový převod, - autokalibrace elektrické, popř. neelektrické části měřicího řetězce, - číslicová linearizace, - aritmetické operace, - autodiagnostika, - statistické vyhodnocování naměřených dat, - dálkové ovládání rozsahů (zesílení) přes rozhraní, - hlídání mezí, - registrace mezivýsledků až po umělou inteligenci. c) výstupní část: - unifikace analogových výstupních signálů, - komunikace prostřednictvím integrovaného rozhraní se sběrnicovým systémem, - výkonové binární výstupy, - číslicově-analogový převod. rl) napájecí část: - napájení včetně ochran proti přepětí.
10
Shrnutím poznatků o inteligentních vysílačích měřených vyráběné systémy mají přibližně shodné vlastnosti, a to:
veličin
lze konstatovat, že
téměř
všechny
a) maximální odchylka od statické charakteristiky je (0,2 až 0,3) % v nulovém bodu, b) chyba hystereze a reprodukovatelnosti je pod O, I %, -3
-1
c) teplotní součinitel nulového bodu je lOK , součinitel
d) teplotní
-3
statické charakteristiky je (l0 až 2.10 ) K , 3
e) vliv statického tlaku na nulový bod je (10- až 2.10Obecně
je nutno posuzovat vlastnosti
nebo ustálený stav. Reakci na skokovou t
-r-
00
se údaj
přístroje mění
již
nemění
3 )
MPa·
měřicích přístrojů
l .
podle toho, zda se jedná o
změnu měřené veličiny
a nachází se v tzv.
přechodovém
je dán jeho dynamickými vlastnostmi popsanými přístroje
·3-1
stavu.
Průběh změny
t =
ovlivněn
Oaž
údaje přístroje
diferenciální rovnicí. Od t = 00
např.
- je v ustáleném stavu. Jeho údaj je
ukazuje obr. 1.2. V čase
přechodový
se údaj
statickými vlastnostmi, popsanými
algebraickými vztahy.
x
přechodový
us tórený s tav
stav
-~)
to<> Obr. 1.2 Odezva údaje pilstroje
(snímače) na
,
VY,
skokovou změnu
měřené
t
veli činy.
""
1.4.1 STATICKA CHARAKTERISTIKA MERlCIHO PRlSTROJE Je to grafické zobrazení závislosti výstupní veličiny na vstupní veličině v ustáleném stavu, tzn. když se nemění ani vstupní ani výstupní veličina. U snímače je vstupní veličinou x měřená veličina a výstupní veličinou y výstupní signál. U měřicího přístroje je výstupní veličinou y jeho údaj. Matematicky lze statickou charakteristiku popsat algebraickou rovnicí ve tvaru y
=
f(x)
( 1.1)
Výslednou statickou charakteristiku měřicího systému lze rovněž získat graficky, nebo popsat matematicky. Podle způsobu zapojení jednotlivých členů lze měřicí řetězce rozdělit na sériové, paralelní, zpětnovazební a kombinované. Sériové za o'ení podle blokového schematu na obr.1.3 a) uvažuje tři členy se statickými charakteristikami Xl = J;(x), x2 := J;(x; a y := ~(x-l Výsledná statická charakteristika bude popsána . , rovmci (1.2)
11
V případě členů s lineárními charakteristikami (x. = krx, charakteristika popsána vztahem
X
2
= ktx I a y = k 3·x) bude výsledná
Výsledná konstanta k přístroje bude rovna součinu jednotlivých konstant. Graficky lze získat výslednou statickou charakteristiku podle obr. 1.3 b), což je zvláště výhodné hledání korekčních členů např. pro lineární výslednou charakteristiku.
x
-,
1
1
I
2
při
y=f3(x2) )
. y=f(x)
---~--- -~-----
1.. . x
, = f, (x 1
2 . . . x2
3. _._-
-
I
'.
{f2 [f, (x lJ}
bl
i
t
I x2
I
--t
(
:>x
t
I
~
~)""
~ 3.
4/
l.
-----.....,.
měřicího řetězce:
--
I I
I
c-,
I
I
I ..J.-~
I
Obr. 1.3 Sériové zapojení
I I
I
I
I
~.
x
t I
Y = f3 ( X 2 ) y=f 3
2.
I
f2 ( X1)
I
1.
----....;.---
a) blokové schéma, b) statické charakteristiky.
Paralelní zanojení podle blokového schematu na obr.IA a) uvažuje pouze dva členy s charakteristikami Yl = f;(x) a Y2 = h(x). Výsledná charakteristika je rovna součtu jednotlivých charakteristik, tedy
Y = f;(x) +h(x) = f(x) (1 A) V případě zapojení členů s lineárními charakteristikami Y I = kj.x a Y 2 = ktx je výsledná charakteristika popsána vztahem Y
=
(kl +k).x
=
(1.5)
k.x
a výsledná konstanta k přístroje bude rovna
součtu jednotlivých
konstant.
Graficky se získá výsledná charakteristika velmi jednoduše - jednotlivé charakteristiky se sečtou viz obr. IA b).
12
al
y, ::. f 1( X I
,
1
x,
...
>-
~y=f(X)
~ Y2=f (x )
i
y
z
2
-~)X
Obr. 1. 4 Paralelní zapojení Zpětnovazební
zaQ.Qirni
měřicího řetězce.
a) blokové schéma. b) statické charakteristiky.
podle blokového schematu na obr.lf a) uvažuje dva a x, = /;(y). Výsledná statická charakteristika je popsána rovnicí
s charakteristikami y =h(x~
členy
( 1.6)
U zal2QÍení s kladnou
zpětnou
y U zal2QÍení se zápornou
=
vazbou je tedy výsledná statická charakteristika popsána rovnicí ftx) = f(x] - x.} (l7a)
zpětnou
y
=
vazbou je výsledná charakteristika dána výrazem f(x) = f tx, -'o x~ (l.7b)
U dvou zpětnovazebně zapojených prvků s lineárními statickými charakteristikami popsanými vztahy y = k] .X2 a x, = kl . y, budou vztahy pro výsledné statické charakteristiky mít tvary: a) pro kladnou
zpětnou
vazbu:
zpětnou
b) pro zápornou
kl
(1.8a)
y=.X
I-kl·k l
(1. 8b)
vazbu:
Zobrazení výsledných statických charakteristik
zpětnovazebních obvodů je
i
x
x2=x +-x, '~
-
2
y= f 2 (x 2 }
x r >o
bl
<,
","v
s;
:::'g >.,
+ -
N
-
u
,
,,+;V
~
>,
aj
na obr. 1.5 b).
l::I
.2
~
\t-\ /' 9\ ./ "\ /'0 , / 1,.'Q
/ ' -l0 /'
~('o
,~o
\-+---Jl-*--r 1,.0
x l = f, (y)
1 Xl
~<-
Xl
Obr. 1.5 Zpětnovazební zapojení měřicího řetězce: a) blokové schéma, b) statické charakteristiky.
13
V , .
V
>tl
v,
,
1.4.2 UZIVATELSKA CHARAKTERISTIKA MERlCmO PRlSTROJE Je to grafické zobrazení závislosti měřené veličiny na výstupním signálu (údaji) v ustáleném stavu, tedy y - f(x). Tato charakteristika je důležitá pro uživatele měřicí techniky, protože její pomocí získá z údaje měřicího přístroje velikost měřené veličiny. ,
o
v
,
1.4.3 ROVNOVAHA SIL (MOMENTU) NA PRlSTROJI Na mechanismus přístroje při měření působí vnitřní a vnější řídící síly (momenty). V ustáleném stavu dochází k rovnováze mezi nimi - přestavující síla (moment) je rovna nule. Vmtřní řídicí síla J;~ (moment Mi) je silový účinek vyvolaný zrněnou měřené veličiny, tedy I;; = fix), resp. Mi = f(x) Vnější řídicí síla Fe (moment Me) je silový účinek vyvolaný měřicím systémem a je funkcí jeho výchylky, tedy Fe = f(y) , resp. M, =f(y) Přestavující síla J;~ (moment Mp) jc rozdíl mezi vnitřní a vnější řídicí silou (momentem), tedy J;~ = F, -Fe, resp. Mp = M, - M, . V ustáleném stavu musí být přestavující síla rovna nule, tedy musí platit rovnice rovnováhy JI. = F~, resp. M, = M, Z rovnice rovnováhy sil (momentů) lze odvodit rovnici statické charakteristiky, popř. uživatelské charakteristiky. PŘÍKLAD 1.1: Odvoďte
obecnou rovnici statické a uživatelské charakteristiky kapalinového U-trubicového tlakoměru podle obr. 1.6 a) Vnitřní řídicí síla F, je vyvolána působením tlakového rozdílu (PI - P2) na povrch tlakoměrové kapaliny o ploše S, tedy Fi = (Pl - pJJ.s. Vnější řídicí síla je vyvolána silovým účinkem kapalinového sloupce o výšce h, tedy Fe = (0 - pJ.g.S = k.h. Průběh obou řídicích sil je zobrazen na obr.l.6 b). Z rovnice pro rovnováhu sil, tj. pro F, = Fe lze odvodit rovnici statické charakteristiky, tedy h=
Pl - P2
a uživatelské
Pl - P2
=
(Pl - Pl)'g.h.
(P2 - Pl ).g
b)
~~
Pz ~
""5
-F.p
LL
P, a)
I
i
I
~ = (Pl - P2 ) 5
I I
t-Fp
P,
I I I I
92
I
h Obr. 1.6 U-trubicový
tlakoměr:
.. f
a) funkčni schéma, b) průběhy 'ídicích sil. 14
,
",,\tl,
y,
o
1.5 STATICKE VLASTNOSTI MERICICH PRISTROJU .
.
Ty vyjadřují vlastnosti přístrojů v ustáleném stavu, jsou popsány algebraickými rovrucenu. Ncjdůležitějšimi statickými vlastnostmi jsou přesnost (chyby), citlivost a wolehlivost. v
v
,
o
1.5.1 PRESNOST A CHYBY PRISTROJU Přesnost přístroj~
je schopnost udávat za stanovených podmínek pravou hodnotu měřené veličiny Pravou hodnotou měřené veličiny přitom rozumíme hodnotu, která charakterizuje veličinu dokonale definovanou za podmínek existujících v okamžiku jejího zjištění. Pravou hodnotu měřené \ cličiny nelze zjistit bez odchylek, protože nejsou k dispozici tak dokonalé přístroje Pro účely měřicí techniky se nahrazuje pravá hodnota měřené veličiny tzv. konvenčně pravou hodnotou, která se blíží pravé hodnotě tak, že jejich vzájemný rozdíl je zanedbatelný Absolutní chyba (odchylka) L1y měřicího přístroje (snímače) je rozdíl údaje přístroje (výstupního signálu snímače) y a hodnoty měřené veličiny x, tedy L1y - Y - x. Absolutní chyba je vždy v jednotkách měřené veličiny a je charakteristickým znakem přesnosti přístroje. V ustáleném stavu mluvíme o staticl<;é ~bsolutní chybě L1y tj. rozdílu údaje přístroje y 00 v ustáleném stavu a měřené veličiny x, tedy L1y=yoo-x (1.9) V přechodovém stavu, tj. když ještě ncni ustálen údaj přístroje (ncni ustálen výstupní signál snimače), mluvíme o djnaI1!ické absolutní chybě L1Yd - rozdílu okamžitého údaje přístroje y(t) a měřené veličinv x tedy .' L1Yd = y(t) - xtt) (1.10) Relativní chyba 5(y) měřicího přístroje udává poměr absolutní chyby L1y k okamžité hodnotě měřené veličiny x a udává se v procentech, tedy
.
5(y)
= óY lOO x
(%)
(1.11)
Třída přesnosti 1~ měřicího přístroje vyjadřuje
na
rozpětí přístroje,
tedy maximální relativní chybu přístroje vztaženou
tedy Tp =
kde je L1ymor - maximální
óYmax .1 OO Y maM- Y min
přípustná
(1.12)
absolutní chyba přístroje,
y max-y. - měřicí rozpětí přístroje. mIn
Vypočtená třída přesnosti
se zaokrouhlí směrem nahoru na nejbližší hodnotu upravené tedy 4 -2,5 -1,6 - 1,0 - 0,6 - 0,4 - 0,25 - 0,16 - 0,1 - atd.
řady
R5,
PŘÍKLAD 1.2: Vypočítejte maximální absolutní chybu deformačního tlakoměru s rozsahem O až 16 MPa o třídě přesnosti 2,5 . Maximální absolutní chyba přístroje se vypočte z rovnice (1.12): 0,025 . 16 = 0,4 , takže bude rovna +0,4 MPa. Běžné
provozní (pracovní) přístroje a snímače jsou třídy přesnosti od 2,5 do I. Přístroje o třídě přesnosti 4 jsou pouze k informativním měřením. Bilanční přístroje jsou obvykle třídy přesnosti od 0,6 do 0,1. Výsledná chyba nepřímých měření se určuje tam, kde výsledná měřená veličina V je definována několika dílčími fyzikálními veličinami Xl' X2' ... tedy V = fix; Xl• .. .). Výslednou absolutní chybu měření L1V lze vypočítat, jsou-li známy absolutní chyby jednotlivých veličin, tedy ,,1YJ. "1Y2,, ... podle vztahu
15
t.V=
óV
óV
2
2
2
(ac) ·t.YI +(ac ) ·4Y2 I
2
(1.13)
2
kde jsou oV/mi parciální derivace funkce V podle jednotlivých veličin XI' Při určování absolutní chyby jedné veličiny V = f(x) je parciální derivace rovna totálnímu diferenciálu, takže lze psát dV
(1.14)
t.V=dx.t.y
Výslednou chybu nejvíce ovlivňuje maximální chyba. Proto by neměly být jednotlivé chyby velmi rozdílné co do velikosti. Přehled vztahů pro výpočet absolutních a relativních chyb nepřímých měření pro nejčastěji se vyskytující funkce je uveden v tab. 1.1. Tab. 1.1: Vztahy k
výpočtu
absolutních a relativních chyb vybraných funkci. I
V=f(x)
I
L1V = (dV/dx).L1y
k.x
k.L1y L1y/x = 6(y) nxn•1.L1y /n.l)ln. L1y/n
lnx xn
~
o(V) =
!iV V
L1y/x oCY)/ln x nL1y/x = n. oCY) L1y/(n.x) = o(y)/n
_._-V
!lV = \ (
f(Xl,Xz}
=
óV
acx}
2
) ·!lYl + (
óV
acx 2
2
) ·!lY2
2
o(V) =
!iV V
~AYI2 +L\Y2 2
Xd X2
XI
2
.x2
x 2. ~0(Y1 )2 +0(Y2)2
~O(YI )~ +0<Ý27
-XI . ~ O(YI) 2 + 0(Y2 ) 2 X2
~0(YI)2 +0(Y2)2
XI'
XI
-
X2
,-
PŘÍKLAD 1.3: Vypočítejte
absolutní a relativní chybu určení průtoku vzduchu proudícího kruhovým potrubím o světlosti d -100 mm (světlost byla změřena s chybou M = 0,01 mm). Rychlost proudění vzduchu byla změřena w = 15 m.s' s chybou L1w = O, I m.s'. Qv =
tr.d 4
2
2
tr.0,1 3 .1 .1 .w= 4 .15=0,118 m.s = 118 l.s
. _ (tr.d L\Qv 4
2
)2.L\w
2
(2.tr.d.w)2 2 + 4 .ťsdř
_ >
tr.O,O I) ( 4
2
2
.0,1
(tr.o,1.l5) + 2
2
2 _
.0,0000 I -
= (0,785.0,01Y-0,l2 = 0,785.10- 3 m". S-I
100. !lQt-IQv
0,785.1 021118
&(Qv)
=
o(Qv)
= ~0(W)2 +[2.0(d)f
;=
=
=
0,667 %
~0,6672 +0,04 2 = JO,4435 +0,0016 = JO,4451
Výsledek lze napsat např. ve formě:Qv = 118 + 0,785 l.s'
16
= 0,667%
= 118 I.s· 1 + 0,667 %.
Vlil"
o
V,
1.5.2 CITLIVOST MERlCICH PRlSTROJU Je to schopnost přístroje reagovat na změnu měřené vyjádřit vztahem pro minimální citlivost (necitlivost)
veličiny
za stanovených podmínek a lze ji
c = lim ~y x->o
( 1.15)
Llx
Z rovnice statické charakteristiky lze vypočítat citlivost ze vztahu
dy c=dx
(1.16)
Citlivost lze také získat experimentálně. Citlivost má fyzikální rozměr. Přístroje s lineární statickou charakteristikou mají citlivost konstantní v celém rozsahu měření. Přístroje s kvadratickou statickou charakteristikou vykazují citlivost v okolí nulové měřené veličiny rovněž nulovou, a proto nelze používat tento typ přístroje k měření od nuly, protože jeho údaj zde není definován! vv,
o
v,
1.5.3. SPOLEHLIVOST MERlCICH PRISTROJU Spolehlivost je podle ČSN JEC SO( 191) chápána jako souhrnný termín pro popis pohotovosti činitelů, kteří ji ovlivňují: bezporuchové činnosti, udržovatelnost a zajištěnost údržby. Pro měřicí přístroje je pak pro takto obecněji chápanou spolehlivost nejvýznamnější dílčí vlastností bezporuchovost. Bez12oruchovost obecně je definována jako schopnost objektu plnit požadovanou funkci v daných podmínkách a v daném časovém období. V interpretaci na měřicí přístroj ji pak lze vyjádřit jako schopnost měřicího přístroje udávat hodnotu měřené veličiny v mezích požadované přesnosti (dovolených chyb) za stanovených podmínek užívání a po dané časové období. Vedle bezporuchovosti však spolehlivost určuje i udržovatelnost (preventivní údržba, opravovaných objektů pak dále údržba po poruše) a zajištěnost údržby, vyjádřené schopností organizace poskytující údržbářské služby zajišťovat podle požadavků v daných podmínkách prostředky potřebnými pro údržbu podle dané koncepce údržby. Spolehlivost, zejména bezporuchovost, patří zvláště u provozních přístrojů k jejich nejdůležitějším vlastnostem (znakům jakosti, kvality). Závisí na konstrukčním řešení, na způsobu jejich provedení, na správné volbě, používání a zapojení. Pro kvantitativní hodnocení spolehlivosti je nutné používat aparátu teorie pravděpodobnosti, matematické statistiky i se všemi důsledky, které z toho vyplývají. a) teorie pravděpodobnosti umožňuje stanovit vzájemný stav mezi velkým počtem proměnných náhodných vlivů, které ovlivňují spolehlivost měřicího přístroje. V období návrhu umožňuje zhodnotit, případně provést opatření k dosažení požadované úrovně spolehlivosti. Kvantitativní míra spolehlivosti (ukazatel spolehlivosti, též charakteristika spolehlivosti apod.), s níž se pracuje v době, kdy přístroj fyzicky ještě neexistuje, má tedy charakter předpovědi. Tak je nutné chápat i případné údaje výrobců (např. hodnotu 10 000 hodin, udávanou jako střední dobu do poruchy (angl. Mean Time To Failure = MITF). b) metody matematické statistiky umožňují vyhodnocovat tzv. provozní spolehlivost, tj. bezporuchovost (resp. udržovatelnost, zajištěnost údržby) přístroje během jeho celé doby používání. To umožňuje ověřovat, zda ukazatele bezporuchovosti (a obdobně uživatelnosti, ale také např. skladovatelnosti apod.) odpovídají daným hodnotám (např. udávaným výrobcem). Nejsou-li tyto hodnoty předem známé, umožňuje je stanovit, a to ve formě bodového nebo intervalového statistického odhadu. Ukazatelé bezporuchovosti obecně popisují pravděpodobnostní chování náhodné veličiny, např.:
17
a) pravděpodobnost bezporuchové činnosti R(t) , b) pravděpodobnost poruch)! ~('t), c) hustota pravděpodobnosti poruch f(t), d) intenzita poruch A(t) e) střední doba mezi poruchami (MIBF) !::..ts f) střední doba do první poruch)! (MITFF) ts Bezporuchovost přístroje lze kvantitativně popsat libovolným z uvedených ukazatelů. Tito ukazatelé jsou obecně funkcí času a navzájem spolu souvisejí; dají se graficky zobrazit a vztahují se na vznik poruchy. Přitom poruchou přístroje je takový jeho stav, kdy je bud' zcela nefunkční, nebo jeho údaj za stanovených podmínek užívání vykazuje větší odchylky, než dovolené hodnoty. Pravděpodobnost bezporuchoyé činnosti R(t) udává relativní počet měřicích přístroj u, které se ve sledovaném časovém intervalu neporouchaly. Pravděpodobnost poruchy F(t) udává relativní počet měřicích přístrojů, které se ve sledovaném časovém intervalu porouchaly. Ftt) a R(t) jsou pravděpodobnosti opačných jevů, tedy platí, že F(t)
.",
o
1.5.4 ZIVOTNOST PRlSTROJU y
Zivotnost přístroje vyjadřuje schopnost vykonávat požadované funkce v daných podmínkách používání a údržby do mezního stavu, který lze charakterizovat ukončením funkčního života, nevhodností z důvodů ekonomických, technických nebo jinými závažnými faktory. Zivotnost přístroje je tedy charakterizována mezními podmínkami správné činnosti, přípustností údržby a oprava z toho plynoucí technickou životnosti. Technická životnost přístro~ je součet všech dob bezporuchového provozu do okamžiku dosažení mezního stavu. Někdy dochází k vyřazení přístroje z činnosti nikoliv z technických důvodů, tj. při dosažení mezního stavu z technických důvodů, nýbrž z důvodů "morálního" zastarání (nemoderní uspořádání, zastaralá součástková základna apod.).Doba, po kterou je přístroj schopen plnit požadovaný úkol, je závislá na provozních podmínkách. Jako mezní podmínku životnosti lze určit minimální hodnotu pravděpodobnosti bezporuchového provozu a z ní vypočítat technickou životnost y
přístroje.
Technická životnost složitého měřicího zařízení se určuje podobně, jen se místo intenzity poruch přístroje Nt) uvažuje intenzita poruch celého zařízení A(t) a tato intenzita poruch A(t) bude rovna součtu intenzit poruch A; jednotlivých prvků.
18
,
yy,
y,
o
1.6 DYNAMICKE VLASTNOSTI MERICICH PRISTROJU Dynamické vlastnosti přístrojů (snímačů) se určují v přechodovém stavu, když se jejich údaj (výstupní signál) ještě neustálil, tj. stále se ještě mění s časem. Popisují se lineárními diferenciálními rovnicemi s konstantními koeficienty ... (1 . 17) an.y (n) +.... .+a 2·y+a l·y+a o·y-x nebo přenosovými funkcemi (obvykle frekvenčními přenosy) . y Yo.sin(wt+lfI) yo·e)(O>1+i/) G(jw)=-::=
.
x
-
xo·smmt
xo.e·
=A.e N
Iml
(1.18)
Dynamické vlastnosti jednoduchých přístrojů a snímačů lze popsat rovnicemi nultého a prvního řádu, složitčjších přístrojů pak rovnicemi vyšších řádů. Graficky se zobrazují dynamické vlastnosti dynamickými charakteristikami, např.: a) wechodová charakteristika je odezvou na skokovou změnu vstupní veličiny a popisuje ji přechodová funkce); b) rychlostní charakteristika je odezvou na vstupní veličinu mčnící se konstantní rychlostí; popisuje ji rychlostní funkce; c) impulsní charakteristika je odezvou na změnu vstupní veličiny ve formč impulsu a popisuje ji impulsní funkce; d) frekvenční charakteristika vyjadřuje chování přístroje při harmonické změně vstupní veličiny; popisuje ji frekvenční přenosová funkce. Průběh libovolné dynamické charakteristiky přístroje lze zjistit expcrimcntálnč, nebo určit výpočtem, když je znám matematický popis jeho dynamických vlastností. Rovnice dynamických charakteristik se získají řešením příslušných diferenciálních rovnic pro danou změnu vstupní veličiny x. Ze zobrazené dynamické charakteristiky lze určit velikost dynamické chyby L1xd = y(t) - x(t) v přechodovém stavu.
1.6.1 PŘECHODOVÉ CHARAKTERISTIKY Příklad průběhu
přechodové
charakteristiky přístroje, jehož dynamické vlastnosti JSou popsány diferenciální rovnicí prvního řádu, je uveden na obr. 1.7. Diferenciální rovnice má tvar a I . Ý + a o. Y = x, resp. r" .Ý + Y
kde je
'k = 01/00
k
=
l/ao
---
.,
ji Ýa::~ /
Y
i
I I
('J
i
(Vl
I
ci
I
co
O
(1.19)
- časová konstanta přístroje, - statická konstanta (statické zesílení) přístroje.
-t - -
-eS. >. x-
= k. x
1 I
2 2,303
Obr. J.7
I
I I
o (Tl o
1 I
~I
I
tO I (Tl I o
I
3 ~t/Tt. 4
Přechodová
I
I
I
0-
I
I
~
I
.x:
I
•
I I
(Tl (Tl (Tl
o
I
I
4}506
charakteristika 1.
19
II
(Tl (Tl
I
5
řádu.
6
17
6,909
Při změně
vstupní veličiny o L1x bude přechodová funkce rovnicí exponenciály (1.20)
Charakteristickou veličinou exponenciály je subtangenta, jejíž délka je konstantní podél celého průběhu křivky. Délka subtangenty se nazývá časová konstanta 'k' Ta udává dobu, za kterou dosáhne výstupní veličina 63,2 % konečné hodnoty Yoo při skokové změně vstupní veličiny. Časová konstanta přístroje je velmi důležitou veličinou k ohodnocení jeho dynamických vlastností, a to především jeho dynamických chyb. Z obr. 1.7 a rovno (1.20) je patrno, že dynamická chyba bude popsána vztahem AYd = Y - y", = -y<x>. e-t/ t k (1.21) Maximální hodnota dynamické chyby je v čase t = O; v ustáleném stavu je vždy dynamická chyba nulová. Přechodové charakteristiky přístroje, popsaného diferenciální rovnicí druhého řádu jsou zakresleny na obr. 1.8. Zde jsou uvedeny tři charakteristické průběhy podle kořenů charakteristické rovnice: a) kořeny reálné různé: \ ;t: \ : Y - Cj./'J·I r Ct / ·2.f + Ya;, průběh aperiodický, b) kořeny reálné násobné: Al = A2 = A: Y = (Cl +C 2· I)/'tt Ya>, průběh na mezi aperiodicity, c) kořeny komplexně sdružené: A12 = a +j»: Y = (A.cosrot- j B.sinrot).eat + Yoo. průběh kmitavý. Velikosti dynamických chyb budou pro jednotlivé případy popsány vztahy C ..LI C )...1 A ~ -'.JYd - ..« + ].e iJ..Á"
C'I· e A,
a AI b) AYd =(C I + C .1), e 2 al c) AYd = (A.cosro I + B.sinrot).e )
A.
.
-
lG I
('
+ Te
A, I
x
-
c)
>.
......... ~
t
"
~
:ll(
Obr. 1.8 Přechodové charakteristiky druhého řádu. a) aperiodická, b) na mezi aperiodicity, c) kmitavá. ,
,
1,6.2 LINEARNI CHARAKTERISTIKA V některých případech je zvláště výhodné zavést lineární charakteristiku, tj. odezvu na změnu vstupní veličiny konstantní rychlostí. Je to např. v případě ověřování teploměrů v lázni, jejíž teplota se velmi pomalu zvyšuje. Zde je otázka dynamické chyby velmi důležitá. Příklad průběhu takové charakteristiky je uveden na obr. 1.9. Měřená veličina (vstupní veličina) x roste konstantní rychlostí w podle vztahu x = w . t. Pro přístroj popsaný diferenciální rovnicí prvního řádu, pro který je také lineární charakteristika na obr. 1.9 zakreslena, lze napsat rovnici této charakteristiky ve tvaru
(1.23)
a jeho dynamickou chybu popsat vztahem (1.24)
20
Z uvedeného vztahu plyne, že nejmenší dynamická chyba bude v čase 't = O. Maximální hodnoty dosáhne v čase ,~, tedy Liydmax = -W, 'k' U přístrojů složitějších, popsaných diferenciálními rovnicemi druhého a vyšších řádů, lze maximální /x /' dynamickou chybu vyjádřit rovnicemi
-:
./
n
~Ydmax =-W.LTki , resp. Liydmax = -w.n·'k'
/
/' ./
i=l
kde n = řád rovnice, jestliže lze zapojení těchto přístrojů nahradit prvky prvního řádu s různými nebo násobnými časovými konstantami.
/
./
Obr, 1. 9 Rychlostní charakteristika J.
řádu.
1.6.3 FREKVENČNÍ CHARAKTERISTIKA Frekvenční
charakteristika vyjadřuje zmčnu amplitudy výstupního signálu při stálé amplitudě vstupního signálu a fázové posunutí výstupního signálu proti vstupnímu, jestliže na vstup zavádíme harmonickou změnu měřené veličiny v rozsahu frekvenci úJ = O až 00. Přitom vstupní signál x a výstupní signál y lze popsat vztahy . JaJ! X = Xl). sin m t = Xl). e (I.25a) Y = Yl). sin (ro t + 1If) ~ Yl). é lll i - 'JI) (I 25b) kde je Xo - amplituda vstupního signálu, Yo - amplituda výstupního signálu, m - frekvence harmonického signálu, IIf - fázové posunutí výstupního signálu oproti vstupnímu. Průběh frekvenční charakteristiky lze získat výpočtem frekvenčního přenosu F(jro) a jeho zobrazením v komplexní rovině. Frekvenční přenos je dán poměrem výstupního vektoru ji k vektoru vstupnímu
x , tedy ji Yo. sin(úJt + lf/) Yo' eJ(
xo.smúJt
kde je A = Yo/xo - poměrná amplituda. Pro zakreslení frekvenční charakteristiky je nutno imaginární složku, tedy na P(ro) a Q(ro). tedy
Gtjco)
=
přenosovou
funkci GÚm)
P(ro) +jQ(ro)
k
. 1+ jm'k
a tvar frekvenční charakteristiky je
rozdělit
na reálnou a
( 1.27)
U přístroje popsaného rovnici prvního řádu má frekvenční
G(jm) =
(1.26)
xo.eJ
přenos
tvar (1.28)
půlkružnice
podle obr. 1.10 vlevo. Příklady průběhů frekvenčních charakteristik složitého přístroje popsaného rovnici druhého řádu jsou na obr. 1.10 vpravo. V souhlasu s průběhy přechodových charakteristik jsou i průběhy frekvenčních charakteristik rozdílné ad a), b) a c). Vztah mezi přechodovou a frekvenční charakteristikou na základě vztahu času t a frekvence co: 1. Čím strmější je průběh přechodové charakteristiky, tím rychleji klesá amplituda ve frekvenční charakteristice.
21
2. Ustálený stav přechodové charakteristiky (pro t = co) odpovídá počáteční poměrné amplitudě frekvenční charakteristiky (pro úl .z: O) 3. Počátek přechodové charakteristiky (nulová hodnota pro t = O) odpovídá konci frekvenční charakteristiky v počátku souřadnic (pro úl = (0).
k
-
+
O w,.=
k w:r.Q
141=0
I
w :.: 1/1k r
.
-J
+
Q
al bl
1
cl
I
.
I
I
-J
Obr.l.10: v
Průběhyfrekvenčních charakteristik
1. řádu a 2. řádu.
,
1.7 INFORMACNI VLASTNOSTI Ke komplexnímu ohodnocení statických i dynamických vlastností měřicích soustava to i z hlediska použití výpočetní techniky, zavádějí se tzv. informační vlastnosti přístroji!. Z nich pak informační obsah I a informační kapacita rp (informační tok). Informační obsah měřicího přístroj!< Ip (bit) reprezentuje jeho statické vlastnosti, především třídu přesnosti 1~
Informační kapacita měřicího přístrojs; rpp (bit.s') reprezentuje navíc i jeho dynamické vlastnosti, především časové zpoždění
údaje.
Informační kapacita měřené veličiny rpv (bit.s') reprezentuje dynamické chování měřené veličiny a
umožní posoudit, zda zvolený přístroj (snímač) je vhodný k mčření uvažované měřené veličiny časově promenne. Komplexní hodnocení vlastností přístrojů je důležité zvlášť proto, aby bylo možno sestavit různé konfigurace měřicích řetězců k použití pro různé měřicí rozsahy a rychlosti změn měřené veličiny. Nczanedbatelnou možností je i zpracování velkého množství informací v krátkých časových intervalech. v
•
y
,
""
....
,.."
o
,
vo
1.7.1 INFORMACNI OBSAH MERlCICH PRlSTROJU (SNIMACU) Do měřicích řetězců vstupují spojité proměnné měřené veličiny x(t), měnitelné v mezích od Xmin do X max ve stejném rozsahu jako jc rozpčtí mčřicího přístroje, tedy (vmm až Ymax)' Pro účely výpočetní techniky je třeba nahradit analogové veličiny diskrétními. Konečný počet m diskrétních veličin lze určit ze vztahu m = Ymax - Ymin 2.L\y
+1
(1.29)
kde je Liy uvažovaná rozlišitelnost přístroje. Aby byly zahrnuty do této úvahy statické vlastnosti se vztah (1.29) na tvar m = (100/2Tp ) + I = (50/Tp ) + 1
přístroje, především třída přesnosti
Tp,
zmční
(1.30)
Z uvedeného plyne, že analogový měřicí přístroj měřící v m možných amplitudových stupních je co do chyby rovnocenný číslicovému přístroji, jehož rozsah je m číslic. K uložení m-počtu informací do
22
dvojkové (binární) paměti je třeba I-míst v této paměti, resp. k zobrazení desítkového čísla m je třeba mít I-bitů. Protože každá informace je vyjádřena v bitech, je nutno vyjádřit i desítkové číslo v bitech, tedy m ~ 21 a řešením dostaneme výraz pro informační obsah Ip.
Ip =-log2 m = 3,322 log [(50/Tp) + 1]
(bit)
(1.31 )
Informační
obsah měřicího přístroje Ip je závislý na třídě přesnosti Tp a proto charakterizuje pouze jeho statické vlastnosti. Přehled hodnot informačních obsahů přístrojů běžných tříd přesnosti udává tab.l.2.
Tab. 1.2..
Informační
obsah přístrojů pro
běžné třídy přesnosti.
Tp
0,0 I
0,10
0,16
0,25
0,40
0,60
1,00
1,60
2,50
4,00
Ip (bit)
12,29
8,97
8,29
7,65
6,98
6,66
5,67
5,01
4,40
3,75
v
vv,,,,,,
r
Q
'""0
,
1.7.2 INFORMACNI KAPACITA MERICICH PRlSTROJU (SNIMACU) Měřené veličiny jsou vesměs časovč promčnné,
přístroje (snímače).
Pro tyto
účely
se zavádí
a proto je jejich
měřeni
infocma_~IlíJ::j.I>acitA.-Přístroj~
závislé na rychlosti reakce q;p vztažená na jednotku
tedy q;p = lpiLlt. Pro praxi se za časový interval Llt dosazuje doba, za kterou údaj přístroje (výstupní signál snímače) dosáhne 95 % konečné hodnoty v ustáleném stavu při skokové zmčnč měřené veličiny, který se označuje .0.95, tedy času,
q;P
=
lpi
-
'0.95
t 0.95
.log ,
50 -T +1
.)
(bit.s )
(1.32)
p
Informační kapacita přístrojů tak hodnotí jak statické vlastnosti (přesnost), tak i dynamické vlastnosti přístroje. Přehled informačních kapacit vybraných snímačů je uveden v tab.l.3. Pro jednotnost byly
vybrány snímače a přístroje o třídě
Tab. 1. 3..
Informační
přesnosti 7~
c.
0,6, tj. s
informačním
kapacita vybraných snimačů a přístroji, (Fp
Snímač, přístroj:
termoelektrickv článek PtRh 10-Pt měřicí odpor Ptp 100 (pertinaxový) měřicí odpor Pts 100 (skleněný) měřicí odpor Ptk 100 (keramický) měřicí vložka s Fe-CuNi měřicí vložka s Ptk 1O skleněný teploměr rtuťový
tlakový teploměr stonkový rtuťovv bimetalický teploměr stonkový teplotní snímač nejrychlejší teplotní snímač nejpomalejší ocelová teploměrová iímka tlakoměr trubicovv deformační PIE převodník pneumatická silová iednotka
'k(S) 0,2 1,27 2,12 4,7 1,8 21,0 3,5 2,6 10,0
-
50,0 0,05 0, IO 0,10
23
obsahem Ip
=
=
6,66
bitů.
0,6, Ip =- 6,66 bit).
·0 95(S)
q;p (bitjs )
0,6 3,6 6,36 14, I 5,5 65,0 11,0 8,0 30,0 115,0 2040,0 150,0 0,15 0,3 0,28
10,67 1,78 1,0I 0,45 1,164 0,098 0,582 0,80 0,213 0,057 0,0031 0,0427 42,67 21,33 22,86
v
,
.,,"'"
v
1.7.3 INFORMACNI KAPACITA MERENYCH VELICIN Informační
kapacitu
fA
měřené veličiny
tA. lze určit ze vztahu
(bit.s")
=2.f.log2 n
(1.33)
kde je f(Hz) - frekvence změn měřené veličiny, n - počet úrovní měřené veličiny (kvantování). Při měřeni tepelně technických veličin předpokládáme maximální rychlost zmčn měřených veličin f max = 0,1 Hz a kvantování do 1.000, resp. maximálně do 10.000 úrovní. Hodnoty informačních kapacit budou rovny: tA. = 2.O, I. 13,3 = 2,7 bit. s'} pro n = 10 000 a tA. = 2.0,1.9,966 = 2,0 bit.s' pro n=l 000 Při měření elektrickvch veličin se uvažuje maximální rychlost zmčn měřených veličin f max -I kHz. • Při stejném kvantování budou hodnoty informační kapacity rovny: r/Jv~ 2.1000.13,3 =27 000bit.s· 1 pron-lOOOOa r/J ve 2.1000.9,966 = 20 000 bit.s' pro n =1 000. Při určování informační kapacity měřených veličin, jejichž změny jsou udány rychlostí w, má vztah pro informační kapacitu měřené veličiny tvar tA. = n. w.log- n/(xmax - xmuJ (1.34) kde je n - počet úrovní měřené veličiny (kvantování), w = dx/dt - rychlost zmčny měřené veličiny, (x max
-
xmm )
-
rozpětí změn měřené veličiny.
Uvedené vztahy pro určení informačních vlastností přístrojů a měřených veličin jsou vhodně upraveny pro inženýrskou praxi a umožňuji posouzení těchto vlastností i celých měřicích řetězců. Vyhodnocení informačních vlastností přístrojů z hlediska teorie informace poskytuje možnost komplexnč posoudit optimálnost návrhu a projekce vstupních částí integrovaných řídicích systémů, jejichž funkčním posláním je získání a přenos informací. Využití teorie informace poskytuje nový způsob teoretického rozboru vlastního pochodu získání a přenosu informace a jeho výsledky jsou objektivnější než obvykle používaného rozboru přesnosti a dynamických vlastností odděleně. Tak lze komplexně posuzovat jak statické, tak i dynamické vlastnosti přístrojů a respektovat vlivy náhodných veličin (chyby přístrojů, poruchy a šumy) z hlediska úbytku informace v přenášeném signálu. Při použití řídicích počítačů dávají tyto rozbory základní orientační údaje pro požadovanou rychlost operací a kapacitu pamětí počítače. v
v
,
1.8 NEJISTOTY MERENI Nejistoty měření se stanovují při vyhodnocování měření ve výzkumu a technické praxi a to při: a) experimentálním ověřování fyzikálních zákonů a určování hodnot fyzikálních konstant, b) definičních měřeních, reprodukci jednotek fyzikálních a technických veličin a vyhodnocování metrologických vlastností primárních etalonů, c) kalibraci sekundárních etalonů a pracovních (provozních) měřidel, d) typových zkouškách měřidel a vyhodnocování jejich technických a metrologických vlastností, e) vyhodnocování přesných měření v oblasti zkušebnictví a kontroly jakosti výrobků, f) úředních měřeních ve smyslu zákona o metrologii, g) ostatních přesných a závazných měřeních v technické praxi, např. přejímacích a garančních zkouškách, měření množství látek a energií v hospodářském styku, měření složení a vlastností materiálů apod. hodnot okolo výsledku měření, který lze zdůvodněně přiřadit k hodnotě měřené veličiny. Nejistota měření se týká nejen výsledku měření, ale i měřicích přístrojů, hodnot použitých konstant, korekcí apod., na kterých nejistota výsledku měření Nejistota
měření
charakterizuje rozsah
naměřených
24
nejistot měření je statistický přístup. Předpokládá se určité rozdělení pravděpodobnosti, které popisuje, jak se může udávaná hodnota odchylovat od skutečné hodnoty, resp. pravděpodobnost, s jakou se v intervalu daném nejistotou může nacházet skutečná hodnota. Mírou nejistoty měření je směrodatná odchylka udávané veličiny. Takto vyjádřená nejistota se označuje jako standardní nejistota -u a představuje rozsah hodnot okolo naměřené hodnoty. Standardní nejistoty se dělí na standardní nejistoty typu A a typu B. Udávají se buď samostatně bez znaménka, nebo za hodnotou výsledku se znaménkem ±. Standardní nejistoty typu A - UA jsou způsobovány náhodnými chybami, jejichž příčiny se považuji všeobecně za neznámé. Stanovují se z opakovaných mčření stejné hodnoty měřené veličiny za stejných podmínek Tyto nejistoty se stoupajícím počtem opakovaných měření se zmenšují. Přitom se předpokládá existence náhodných chyb s normálním rozdělením Standardní nejistoty typu B - Un JSOU způsobovány známými a odhadnutelnými příčinami vzniku. Jejich identifikaci a základní hodnocení provádí experimentátor. Jejich určování nebývá vždy Jednoduché. U složitých měřicích zařízeních a při zvýšeném požadavku na přesnost, musí se provést podrobný rozbor chyb, což vyžaduje značné zkušenosti. Tyto nejistoty vycházejí z různých zdrojů a výsledná nejistota typu B je dána jejich sumací - přitom nezávisí na počtu opakovaných měření. Kombinovaná standardní nejistota -Uc je sumací nejistot typu A a B. Hodnotí-li se výsledek měření touto nejistotou, není třeba rozlišovat nejistoty typu A a B Kombinovaná standardní nejistota udává interval, ve kterém se s poměrně velkou pravděpodobností může vyskytovat skutečná hodnota měřené veličiny. V praxi se dává této nejistotě přednost. Rozšířená standardní nejistota U se zavádí v případč, že je třeba zajistit ještě větší pravděpodobnost správného výsledku měření. Získá se tak, že se kombinovaná standardní nejistota Uc vynásobí součinitelem ku = 2. Při zjišťování jednotlivých standardních nejistot se postupuje podle toho, zda se jedná o přímé nebo nepřímé měření jedné nebo více veličin. Při výpočtech se hodnoty koeficientů a nejistot zaokrouhlují na tři platné číslice. Udávaná výsledná nejistota se zaokrouhluje na dvě platné číslice. závisí. Základem
určování
,
.."
1.8.1 STANDARDNI NEJISTOTA Odhad údaje y podle vztahu
měřené veličiny
UA -
je dán
,
Vy',
,
...,
PRIME MERENI JEDNE VELICINY yýběrov)!1O průměrem
z n-naměřených hodnot y,
y
n
2:>, y=
(I .35) -
i.c:..l
11
Odhad rozptylu naměřených hodnot, označovaný jako výběrov}' rozmyl
i(yJ se určí ze vztahu
n
L(y;_y)2 S2(y,) =
(1.36)
,ol
I
11 -
Odmocninou výběrového rozptylu se získá yýběrová směrodatná odchylka charakterizuje rozptyl naměřených hodnot kolem výběrového průměru y. Rozptyl yýběrových průměrů S2 (y) se určí ze vztahu (1.37)
S2(y)=S2(y,> n Směrodatná
odchylka
s(yJ. která
výběrových průměrů
s(y) je zvolena za standardní nejistotu typu A,
tedy n
L(Y; - y)2 i :::.1
(1.38)
n.(n-l)
Pokud je počet opakovaných měření menší než deset a není možné na základě zkušenosti, určí se korigovaná nejistota UAk ze vztahu
25
učinit
kvalifikovaný odhad
U Ak
(1.39)
=k.s(y),
kde je k koeficient závislý na počtu opakovaných měřeních, jakje uvedeno v tab.Lš. Tab.J.4: Hodnoty
8 1,2
9 1,2
n
k
korekčních koeficientů pro různé počty opakovaných měření.
7 1,3
,.
v,
1.8.2 STANDARDNI NEJISTOTA
4 1,7
5 1,4
6 1,3 ,.
3 2,3
"",,v,
2 7,0
,
....
PRlME MERENI JEDNE VELICINY
UB -
Postup při zjišťování standardní nejistoty typu B je následující: Vytypují se možné zdroje nejistot '0 ; jsou jimi např. nedokonalé měřicí přístroje, použité mčřicí metody, nepřesné hodnoty konstant, způsob vyhodnocování a někdy i malé zkušenosti pracovníků v laboratoři. Odhadne se rozsah odchylek +!ll rnax od jmenovité hodnoty tak, aby jeho překročení bylo málo pravděpodobné. Dále se odhadne, jakému rozdělení pravdčpodobnosti odpovídají odchylky LtZ v intervalu +AZ max a určí nejistoty u, ze vztahu uz=!1Zmax.1m. Hodnota m závisí na druhu rozdělení m = 2 pro normální, m = 1,73 pro rovnoměrné a m = 2,45 pro trojúhelníkové rozdělení. Určí se standardní nejistoty u, těchto zdrojů (např. převzetím hodnot nejistot z technické dokumentace jako jsou certífikáty, kalibrační listy, technické normy, údaje výrobců, technické tabulky apod.) a přepočítají na složky nejistoty měřené veličiny - UZl" Výsledná standardní nejistota typu B se vypočítá ze vztahu Us =
Jt~::
(1.40)
1.8.3 KOMBINOVANÁ STANDARDNÍ NEJISTOTA
v,
Uc -
,.
(1Al)
s
1.8.4 STANDARDNÍ NEJISTOTA
,
PRlME MERENI
Tato nejistota se určí ze vztahu Uc = ~r:-(U - 2 -+-U-2-:-') A-
VY
NEPŘÍMÉ MĚŘENÍ
UA -
Když je zjíšťována výsledná hodnota veličiny V nepřímým měřením, tzn.že se přímo měří veličiny .ť;. a parametry Ph, které veličinu vyjadřují vztahem V = j{Xj. Ph) je výsledkem měření hodnota v = F(x j ,Ph)' kde veličin
(1.42) x j jsou výběrové průměry jednotlivých měřených
a Ph jsou hodnoty parametrů Ph. Velikost standardní nejistoty UA se určí ze vztahu m
u/
== S(y)2 =
m
L A./ .S(X;> + 2LA-t/. A.* .S(X 2
j=1
kde AXJ a
Art jsou
přcvodové
(1A3)
j )
j=2
koeficienty aktuálních hodnot x ap.
,
1.8.5 STANDARDNI NEJISTOTA
VI
UB -
,.
VV
,
NEPRlME MERENI
Základní postup je stejný jako při přímém měření. ,
,
,
1.8.6 UDAVANI NEJISTOT Údaje o nejistotách musí obsahovat formulace a zápis výsledných hodnot, způsobu výpočtu a nutné informace o pramenech. Výpočet nejistot je neoddělitelnou částí zpracování výsledků měření. Nejistoty musí být specifikovány. Při udávání rozšířené nejistoty musí být uveden použitý koeficient rozšíření (k), popř.
26
odpovídající konfidenční pravděpodobnost. Lze udávat jak absolutní, tak i relativní nejistoty, popř. oboje. Hodnoty nejistot se zásadně zaokrouhlují na dvě platná místa a to přednostně nahoru. Je třeba také uvádět odkazy na použité normativní dokumenty. Některé tyto dokumenty přímo předepisují náležitosti a formulace při udávání výsledků měření včetně nejistot. Do certifikátů o kalibraci se uvádí výsledek měření s rozšířenou nejistotou ve formě (y + U) s následujícím dodatkem: "Uvedená nejistota představuje dvě směrodatné odchylky. Směrodatná odchylka byla vypočtena z nejistoty měřicího etalonu, kalibračních metod, vnějších vlivů, krátkodobého vlivu kalibrovaného objektu ... " PŘÍKLAD 1.4:
Jako příklad je vybráno stanovení nejistot UA, ue, Uc a lJ při kalibraci přesného odporového snímače teploty s platinovým měřicím odporem Pt 100 při teplotě 150 "C v olejové lázni. Standardní n~~ I teplotě - VIZ tab U lka v
UA
byla
určena
z devíti
měření
hodnot
měřicího
odporu R,
při
stanovené
•
I
I
2 3 4 5 6 7 8 9 n=9 Výběrový průměr
R,
e. (O)
L1R!. (mfž)
L1R/ (mQ2)
157,311 157,313 157,318 157,320 157,318 157,314 157,313 157,312 157,316 I= 1415,835
-4 -2 +3 +5 +3
16 4 9 25 9
-I
I
-2 -3 +1 I=O
4 9
z naměřených hodnot odporu
snímače
I
I=78 Rti se určí ze vztahu (1.35):
9
R ::= UA
I
9
I
a standardní nejistota
LR"
::= 1415,835::= 157315 O 9 '
ze vztahu (1.38): 9
I uA --
a převedeno na teplotu
UA
D.R 'i 2 1
9.8
= 2,83 mK
Protože bylo naměřeno pouze devět hodnot, je třeba korigovat nejistotu koeficientem z tab. 1.4, který je roven k = 1,2: UAk = k. UA = 1,2. 1,041 = 1,249 mš'ž, resp. UAk = 3,318 mK. Standardní nejistota UB je vnášena do měření změnami fyzikálních podmínek, jako např. kolísáním teploty lázně, napájecího napětí apod. Zdroji nejistot ~. a jejich standardní nejistoty z; pro uvedený příklad jsou: 1. Měřicí most - maximální odchylka 2 mQ, tj. 5 mK; 2. Napájecí zařízení tj. vliv měřicího proudu - maximální odchylka 300 mK; 3. Vliv odvodu tepla snímačem - maximální odchylka 50 mK; 4. Vliv teplotního gradientu v lázni - maximální odchylka 200 mK; 5. Přepínač měřicích míst - maximální odchylka 100 mK;
27
6. Nejistota ověření etalonového snímače 50 mn, tj. 130 mK. Standardní nejistota us se určí ze vztahu
UB= f(U{/)2 m j=l
Vzhledem k uvažovanému rovnoměrnému rozdělení pravděpodobnosti se volí m = -{3= 1,732. řebné ' leduií Potre ne hodnoty pro výpočty JSou uvedeny v nas e UliCI ta bu Ice. z, (mK) Uzl (mK) ul (roK2) I 1 5 2,89 8,35 173,21 2 300 30001,70 3 50 28,87 823,48 4 200 115,47 13333,32 100 57,74 3333,91 5 130 6 75,06 5634,00 785 453,24 53144,76 Dn=6 ' v '
Standardní nejistota typu B bude rovna Ub = Ý 53144,76 = 230,53 mK. Kombinovaná standardní nejistota Uc se vypočítá ze vztahu (1.41): Uc
Rozšířená
= ~UA 2 +U S 2
2
= J3,31S +230,53
2
= J53155,09 =230,554 mK
standardní nejistota U se vypočte ze vztahu
u
=
ku.
Uc =
2.230,554 = 461,11 mK.
Rekapitulace: Standardní nejistota typu A Standardní nejistota typu B Kombinovaná standardní nejistota Rozšířená standardní nejistota
28
= 3,32 mK UB = 230,53 mK uc = 230,55 mK U = 461, II roK.
UA
2 ELEKTRONICKÉ VYHODNOCOVACÍ OBVODY V praxi používané snímače, pokud jsou vybaveny elektronickými obvody, mohou poskytovat výstupní signál dostatečné velikosti. Obvykle napěťový nebo proudový unifikované velikosti (O až 10 V. - 10 až + lOV, případně v proudové smyčce O až 20 mA nebo 4 až 20 mA). Napěťový výstup má výhodu v podstatě neomezené přenosové vzdálenosti (řádově desítky km), je však výrazně náchylnější na rušení. Proudový výstup má omezenou vzdálenost přenosu vlivem odporu vedení (řádově km),je však podstatně méně náchylný na rušení. Navíc, použijeme-li proudovou smyčku 4 až 20 mA, jsme schopni velm i jednoduše rozpoznat její přerušení (proud ve smyčce je nulový). Velmi často, speciálně u snímačů, které reagují na měřenou mechanickou veličinu změnou odporu, indukčnosti nebo kapacity, je jejich změna bud' přímo neměřitelná, nebo velmi obtížně. Pak používáme můstkový obvod. Jimi se budeme nadále zabývat. o
,
2. 1 MUSTKOVE OBVODY Můstkové obvody můžeme
podle napájení
dělit
na:
stejnosměrné,
kdy napájecím zdrojem je zdroj stejnosměrného napětí nebo proudu střídavé, kdy napájecím zdrojem je zdroj harmonického napětí nebo proudu impulsové, kdy napájecím zdrojem je zdroj impulsů
I. 2. 3.
Podle stavu
při
vyhodnocování
změny
parametru
snímače:
vyvážené, kdy rozvážení můstku je kompenzováno a vyhodnocujeme změnu kompenzačního prvku nevyvážené, kdy vyhodnocujeme přímo velikost rozvážení můstku.
1. 2. Schéma
,
můstku
r
ukazuje obr. 2.1.
o
I)
2.1.1 NAPAJENI MUSTKU Jak bylo výše uvedeno můžeme rozdělit můstky podle napájecího napětí na stejnosměrné, střídavé a impulsové. Při stejnosměrném napájení je obvykle proud v měřicí úhlopříčce CO (viz obr. 2.1) příliš malý, aby mohl působit přímo na indikátor a je nutno mezi můstek a indikátor vložit zesilovač. Při uzemnění zesilovače nesmíme zemnit napájení můstku a naopak. Návrh a konstrukce citlivého stejnosměrného zesilovače činí určité obtíže. Výhodou je však to, že se neuplatňují rozptylové kapacity, případně i rozptylové indukčnosti obvodu. Při střídavém (harmonickém) napájení můstku volíme pro statická měření kmitočet v rozmezí 65 Hz až 5 kHz, s ohledem na rozptylové kapacity a ztráty v magnetických obvodech snímačů. Pro dynamické měření volíme kmitočet s ohledem na nejvyšší kmitočet snímané veličiny (frekvence napájecího napětí má být alespoň IOkrát větší nežje maximální kmitočet změn měřené veličiny). Impulsové napájení použijeme při větším počtu měřicích míst. Jedním měřicím kanálem měříme více míst tak, že pomocí přepínače měřicích míst připojujeme postupně vždy na určitou dobu měřené místo (snímač) do můstku. Přepnutí se děje v době mimo impuls. Výhodou je možnost použití střídavých zesilovačů a necitlivost na změny rozptylových kapacit během měření.
29
v
,
o
2.1.2 STEJNOSMERNE MUSTKY ,
v
,
o
2.1.2.1 VYVAZENY MUSTEK Výstupní
napětí
mezi body CD (viz obr. 2.1) je
úměrné změně některého
z
rezistorů
(R I až
R4).
Toto napětí způsobí proud Iv, který protéká do vstupního rezistoru R v následujícího stupně (obvykle zesilovače). Nyní hledejme velikost proudu Iv. Vnitřní odpor Ri napájecího zdroje můžeme
c
c Uc
R'2
•
Uo
R,
Ra, B
A
Uo
B
A
O
...
.-"
,U
-
Obr. 2.2 Zapojení můstku naprázdno
.. Obr. 2.1
Wheatstonův můstek
vzhledem k velikostem Rl, R2, R3, R4, zanedbat. Nahraďme celý obvod vzhledem ke svorkám CD náhradním zdrojem napětí s vnitřním odporem v sérii (viz obr. 2.4), podle Theveninova teorému. Náhradní zdroj napětí dostaneme jako napětí naprázdno mezi body CD (viz obr. 2.2).
Uo=Uf)-U e
tt, Uf)
(2.1)
Rl =U--'--Rl + R2
(2.2)
R3
=U-~-
(2.3)
R3 +R 4
Dosadíme-li rovnice (2.2) a (2.3) do rovnice (2.1) dostaneme pro hodnotu náhradního napětí
u, =U o
Obr. 2.3 Náhradnl schéma pro výpočet Rk
R3
-U
R3 + R4
Rl
(2.4)
Rl + R2
Náhradní vnitřní odpor dostaneme, jestliže v obvodu zdroje napětí zkratujeme a zdroje proudu rozpojíme, v našem případě dostaneme náhradní odpor Rk dle obr. 2.3.
Rk =
30
Rl .R 2 Rl + R2
+
R3·R 4 R3 + R4
(2.5)
c ;..
I
-t>
Iv
Rv
( UO J~
Náhradní schéma obvodu dle Theveninova teorému je na obr. 2.4. Hodnoty U o a Rk lze též získat měřením. Nyní již můžeme určit proud Iv, tekoucí do následujícího stupně
'-
I = O
v
Obr. 2.4 Náhradnl schéma můstku dle Theveninova teorému
Uo
R, + R;
po dosazení za Rk a U o z rovnic (2.4) a (2.5) a úpravě dostáváme:
(2.6)
Pro
I,.
= O
(2.7)
Je můstek v rovnováze a splněním podmínky (2.7) získáme ze vztahu (2.6) podmínku rovnováhy můstku:
Můstek můžeme
vyvážit ručně nebo automaticky. Automatické vyvážení lze realizovat servomechanismem, nové můstky jsou vyvažovány většinou elektronicky změnou parametrů polovodičových prvků. Velmi rozšířené jsou poloautomatické můstky. Vyvážené můstky dosahují velmi malé chyby, obvykle menší než 0,5 %. Většího rozšíření než můstky vyvážené dosáhly však nevyvážené můstky. ,
v
,
o
2.1.2.2 NEVYVAZENE MUSTKY Pracují tak, že můstek nevyrovnáváme na nulovou výchylku, ale zaznamenáváme napětí nebo proud v diagonále CD a po zesílení a eventuální úpravě získáme trvalý záznam měřené veličiny. Nejčastěji se v praxí setkáváme s můstky, u nichž:
Rl = R2 = R3 = R4 = Ra
(2.9)
že snímačem je Rl a že svůj odpor mění v rozmezí Ro + .1.R. Proud CD je dán vztahem (2.6). Dosadíme-Ii do této rovnice podmínku (2.9), dostaneme:
Předpokládejme,
v úhlopříčce
(2.10)
Za předpokladu, že ó.R «
M= v
Ro, můžeme výraz zjednodušit
U .±!lR. 4(R v +R o) Ra
(2. I I)
Proudová citlivost můstku je definována
s m
= Mv _
U
!lR.
4(Rv + Ra)
(2.12)
Ra
31
Za předpokladu, že ~R«
Ro
je
a, = f
M R
lineární, avšak při větších změnách ~R již nelze
o
jeho vliv na jmenovatel rovnice (2.10) zanedbat.
Ro
Obr. 2.5 Zapojení snímačů se souhlasnou změnou odporu
RO±AR
Obr. 2. 6 Zapojení snímačů s nesouhlasnou změnou odporu Citlivost můstku lze zvětšit použitím současně dvou nebo čtyř snímačů, citlivost se pak zvětší dvakrát nebo čtyřikrát. Příklad zapojení dvou snímačů, u nichž měřená veličina způsobí souhlasnou změnu odporu je uvedena na obr. 2.5. Příklad zapojení dvou snímačů, u nichž měřená veličina způsobí nesouhlasnou změnu odporu, je na obr. 2.6. Zapojení čtyř snímačů ukazuje obr. 2.7. Zapojení s jedním snímačem v můstku nazýváme čtvrtrnůstek, se dvěma půlmůstek a se čtyřmi
plný
můstek.
Měření při
použití nevyváženého můstku je snadnější a rychlejší s možností přímého záznamu, ale přesnost je menší než u vyváženého můstku , (asi 1 %). Udaj indikátoru je závislý na parametrech pomocných
Obr. 2.7 Plný můstek
Základní parametry nevyváženého
na
obvodů (např. stabilitě napětí,
stabilitě zesilovače
stejnosměrného můstku shrnuje
32
a jeho zesílení apod.).
tab. 2.1.
Tab. 2.1 Parametry stejnosměrného můstku Legenda proud diagonálou Srn citlivost můstku U velikost napájecího napětí při napěťovém napájení můstku 10 velikost napájecího proudu při proudovém napájení můstku
Iv
1 =~ ±t.R v Ra 4(R, + Ro )
I,. '----t
U
Citlivost můstku
Proud v úhlopříčce
Zapojení
=
1a (
s
=
U
4(R" + Ro )
Itl
+ t.R
4 R" + Ra
)
J-----.J
1 =~
2t.R . Ra 4(R, + Ro )
"
s'"
=
2U 4(R" + Ra)
Ra 1 =1 "
2M o 4(R v + Ro )
1 =~ 2t.R Ra 4(R ,. + Ra) I'
Ra
Ra
1 v
=
1
2t.R_ a ( 4 R" + Ra )
1 =~ v
4M Ra 4(R" + Ro)
33
S _
2U c'" - 4(R" + RJ
""
,
o
2.1.3 STRIDAVE MUSTKY Ovlivňuje-li měřená
mechanická veličina změnu indukčnosti nebo kapacity snímače, musíme kjejímu vyhodnocení použít střídavého můstku. Zapojení můstku je stejné jako u stejnosměrného můstku, pouze ve větvích jsou místo rezistorů obecné impedance:
(2.13) Podmínku pro vyvážený ""
"
můstek
můžeme
pak
psát ve tvaru:
"
Zl . Z4 = Z2 .23
(2.14 )
můžeme přepsat do
Rovnici (2.14)
exponenciálního tvaru:
Z I ·e!"'I·Z 4 ·e!"" =Z 2 ·e!"'! ·Z 3 ·e!"" Dostáváme tak
dvě
podmínky rovnováhy (jednu
(2.15) impedanční ajednu
•
fázovou):
Z, .Z" = Z] .Z] cp, + cp" = cp] + cp]
(2.16)
Vyvažování střídavých můstků je složitější, neboť je nutno splnit dvě podmínky rovnováhy současně, a proto musí být v můstku alespoň dva prvky proměnné. U některých můstků musí být dokonce zachován určitý postup při vyvažování, aby se můstek dal vyvážit. Poněvadž u převážné většiny střídavých můstků používáme elektronických obvodů, u nichž R v je velmi velké, určujeme napěťovou citlivost: A
S
= /:!>.u CD mv
(2.17)
'"
i1Z 1 A
Zl ,
,
o
2.1.4 DIFERENCIALNI MUSTKY Schéma diferenciálního můstku je na obr. 2.8. V můstku jsou zapojeny dva zdroje napětí a dvě A
impedance. Hledáme opět velikost proudu I v' který protéká vstupním odporem následujícího stupně.
-
--.
......
r "'" \..Ut..!
~ Z1
r " " U2...1
~
Iv
Zv
Pl
A
A
Zvolme smyčkové proudy II a 12 , pak pro A
l, platí: (2.18) A
A
pro proudy I I a 12 , platí: '"
A
'"
JI\,
A
'"
Ul =IIZI + Z; (ll -1 2 )
Z'1
,..
AA
U 2 =I 2 Z 2
«z,a, ""
'"
-II)
•
Obr. 2.8. Diferenciální můstek
Rešením těchto rovnic získáme a dosazením do (2.18) dostaneme: (2.19)
34
můstku
Pro rovnováhu ""
1\
A
platí
....
(2.20)
U 2'Z j=U j'Z 2 A
impedance Zl
místě
Uvažujme na
snímač
mechanické
veličiny,
zbylou impedanci a zdroje
konstantní, tedy A
A
A
Zl = Z + t,Z A
A
(2.21 )
Z2 =Z A
A
A
Ul =U 2 =U A
A
Pak pro změnu proudu +1" , vyvolanou změnou impedance +Z platí: A
U.b.Z
A
M" = A
A
i(i + Ai)+ i,.(i + i
(2.21 )
+ tli)
A
pro +Z« Z nabývá rovnice tvar:
(2.23 ) Pro citlivost
můstku
pak platí:
si,
U S11/ = L1Z - Z + 2Z "
(2.24)
-'
Z V tomto Při změně
můstku může
být proud v
úhlopříčce způsoben buď změnou
impedance, nebo
impedance musíme splnit podmínku /1Z« Z, aby se neprojevila nelinearita
tlU
změně napětí je závislost
s diferenciálními
J,. = f( U ) lineární. Tyto
snímači buď
se
změnou
napětí.
můstku. Při
můstky se obvykle používají ve spojení
impedance (viz obr. 2.9), nebo se
změnou napětí
(viz
obr. 2.10).
y
'I'
'I'
...
l' Y
1'lI"
Y '1" ... '1" "
l'
*====:::ll •
x • y
l'
l' TO'
.. y
UO±AU
Rv
1'(
"
X
l' . . . . . . . . . . . . .
Uo + AU Rv
Co+A.C
•
X
R
R
•
Obr 2.9 Diferenciální můstek s kapacitním diferenciálním snímačem
Obr. 2.10 Diferenciální můstek se LVDT
35
snímačem
V tab. 2.2 Jsou shrnuty základní zapojení a vlastnosti diferenciálních
Tab. 2.2 Parametry diferenciálního
Zapojení můstku
.-U
-
můstku
Proud v úhlopříčce
M =
u.t::.z
v
Z(Z+2ZJ
-
-
111 =
M
U-.U
I'
Z +2Z v
2U
2U.t::.z Z(Z + 2ZJ
S =--ni Z +22
=
I1U Z + 2ZI'
U s=--m Z+2Z"
=
211U
I'
-
U".U
\I----"It---(I_ \J----,
-
M \'
z
ni
U
z
z
-
s =
",.....--,
\'
-
Citlivost
_U
,..--(1- ')--t---f -
r---tl -
můstků.
Z +2ZI'
s ni
=
2U Z + 2Z v
1
2.2 ELEKTRONICKÉ OBVODY Elektronické obvody slouží ke zpracování signálů ze snímačů. Zde se věnujme jen jednomu, a to diferenciálnímu zesilovači, který zesiluje signál z měřicí diagonály můstku. Jeho zapojení s operačním zesilovačem. je patrné z obr. 2.11. Jde o základní a principiální zapojení. Skutečné je mnohem složitější, neboť je třeba vykompenzovat všechny negativní vlastnosti operačního zesilovače, např. offsety, drifty a součtové napětí.
36
K odvození přenosu použijeme zákonu superpozice. vzhledem k vstupnímu napětí Ull jde o invertující zesilovač s dílčím přenosem:
R
R
R2
U 21 = - -
(2.25)
Ull
Rl
Z hlediska vstupního napětí u12 se jedná o neinvertující zesilovač se vstupním děličem R3, R4. Dílčí přenos pak je dán vztahem:
Obr. 2.11 Zapojení diferenciálního zesilovače (2.26) Celkové výstupní
napětí je
pak dáno
součtem
složek
Ull
a
U Z2 :
(2.27) Zvolíme-Ii rezistory Rl až R4 , aby platilo:
Rl _ R2
R3
(2.28)
R4
má pak výsledný vztah tvar:
u2 =
~2
(2.29)
(U 12 - Ull)
I
Výstupní napětí je tedy úměrné rozdílu vstupních napětí. Jak bylo výše uvedeno, daný vztah platí pro ideální operační zesilovač, u skutečného závisí hlavně na potlačení součtového napětí.
37
3
OPTOELEKTRONICKÉ SENZORY Senzory založené na optických principech se používají k vyhodnocování řady různých, nejen
optických veličin. Jako zdroje optického signálu se používají LED diody, pracující v oblasti viditelného a infračerveného záření a polovodičové laserové diody. K detekci optického záření jsou vhodné fotodiody, PIN diody, fototranzistory, senzory PSD a CCD. Ke zpracování optických signálů jsou používány jak klasické optické systémy, tak i systémy vláknové či planární optiky. Optoelektronické prvky umožňují konstrukci velmi citlivých a rozměrově malých senzorů pro snímání celé řady neelektrických veličin (poloha, posun, rychlost, zrychlení, síla, tlak, teplota aj.). V následující kapitole jsou popsány vlastnosti základních vybraných typů optických senzorů a speciálních součástí a dílů, které se v nich používají. Základním optoelektronickým součástkám jako jsou LED diody, fotodiody, fototranzistory, PIN diody aj., vzhledem k velmi omezenému rozsahu této kapitoly, nemohla být
věnována
pozornost.
Potřebný
studijní materiál
čtenář
nalezne
např.
v
literatuře
[2 J, [201 a [21].
3.1
OPTICKÉ VLÁKNOVÉ SENZORY Současná potřeba přenosu
neustále většího množství informací vedla k nutnosti využívání větších šířek přenášeného pásma v komunikačních systémech, které pracující se signálem kmitočtů řádu 105 GHz, a dala vznik tzv. optickým vláknovým přenosovým systémům. Přenos informace je umožněn použitím optických vláken. Optické vlákno, které je v podstatě uzavřeným dielektrickým vlnovodem, vylučuje většinu rušivých vlivů, které mohou ovlivňovat přenos signálu, a zaručuje vysokou spolehlivost. Oproti klasickým kabelovým přenosovým trasám maj í optické přenosové trasy tyto výhody: jsou odolné vůči vnějším elektromagnetickým polím, vůči přeslechům, je obtížně realizovatelný jejich odposlech, mají nízký útlum, který umožňuje realizovat přenosové trasy s délkou několika desítek kilometrů bez opakovače. Mají menší rozměry (v průřezu), nízkou hmotnost. Umožňují při jejich nízké ceně dosáhnout velmi vysoké přenosové rychlosti. Jsou odolné proti korozi, lze je použít v hořlavých, explozivních prostředích. Vylučují možnost vzniku zemních smyček. K nežádoucím vlastnostem optických vláken patří vysoká citlivost vůči vnějším vlivům jako jsou deformace a mikroohyby vlákna, vliv teploty, vliv chemického prostředí, eventuálně vliv silného elektrického a magnetického pole ajiné. Použití optického vlákna jako prostředí, ve kterém se šíří informace a znalosti změn jeho vlastností při působení různých vnějších faktorů daly podnět ke vzniku a vývoji optických vláknových ,
senzoru.
3.1.1
ZÁKLADNÍ POJMY
Typický vláknový světlovod kruhového průřezu je tvořen vnitřním jádrem o poloměru a S indexem lomu n, a vnějším pláštěm s indexem lomu n]. Z hlediska rozložení indexu lomu po průřezu lze optické vlnovody rozdělit do dvou skupin (viz obr. 3.1): •
optická vlákna se skokovou
změnou
indexu lomu, kde n = n, pro O < r < a, a
a,< r < a2 38
11
= 112 pro
• optická vlákna se spojitě a n = n] pro a, < r < a].
proměnným
indexem lomu (gradientní), kde n = n(r) pro O< r
r
Pro typické vlákno se skoko\OU změnou indexu lomu je vedení . vlny dosaženo prostřednictvím toz tálních odrazů na rozhraní jádro plášť za podmínky ni> n-, Vedení a) energie gradientním vláknem je založeno na deflexi, tj. na postupném r ohýbání elektromagnetické vlny. no Elektromagnetická vlna se O n=l n Z šíř'í převážně jádrem optického ni r I a1 n, \ lákna. Při totálním odrazu vlny na a, rozhraní není ale veškerá energie b) koncentrována uvnitř vlákna. Cást energie se šíří jako povrchová vlna Obr. 3.1 Optické vlákno aj se skokovou změnou indexu lomu pláštěm a exponenciálně ubývá h) gradientní \ radiálním směru. Pro konstrukci optického vlákna se používá buď křemenného skla a to jak pro jádro. tak i plášť, nebo organické látky jako akryláty, polykarbonát pro jádro a elastomer pro plášť. K základním parametrům optického vlákna patří vedle typu vlákna, materiálu a rozměrů vlákna jeho numerická apertura NA, útlum a disperze. Pro numerickou aperturu platí vztah ( 3.1). v
NA = no siny = n] sina = ~nl: -n~
(3.1)
Optickým vláknem se při daném budícím kmitočtu může šířit pouze konečný počet různých elektromagnetických vln, které se vzájemně liší svým geometrickým uspořádáním. V trojrozměrných vlnovodných strukturách mohou existovat pouze elektromagnetické vlny, které mají všech šest složek (tj. tři složky elektrického a tři magnetického pole). Označují se jako hybridní vidy EH",n a HE které jsou různě polarizovány. Šíří-Ii se optickým vláknem pouze jeden vid, nazývá se jednovidovým optickým vláknem. Umožňuje-li optické vlákno šíření více vidů, nazývá se mnohavidové . • Utlum optického vlákna je způsoben mnoha faktory. Jednak je to útlum materiálu samotného vlákna, u reálného optického vlákna je navíc třeba uvažovat vliv zvýšení útlumu rozptylem na neregularitách, ohybech a mikroohybech. Disperze signálu je způsobena frekvenční závislostí rychlosti šíření signálu a dále různou rychlostí šíření jednotlivých vidů elektromagnetické vlny (u mnohavidového vlákna). Jednovidová optická vlákna mají průměr vlákna srovnatelný s vlnovou délkou zdroje optického záření. Mají velmi malý útlum (šíří se jimi pouze dominantní vid, který má ze všech vidů nejnižší útlum) a malou disperzi. Jsou konstrukčně náročnější jak z hlediska výroby samotného vlákna, tak i z hlediska navázání na další části přenosové trasy. Vyžadují generování optického záření laserem. Na rozdíl od jednovidových optických vláken mají mnohavidová optická vlákna v porovnání s vlnovou délkou elektromagnetické vlny velký průměr jádra (50 - 100 um) a mohou mít i poněkud větší diferenci indexů lomu jádra a pláště. Mnohavidová optická vlákna mohou být buzena jak laserem, tak i luminiscenční diodou s menší hustotou energie. Nevýhodou těchto vláken je vyšší útlum a velká disperze, která je důsledkem velkého počtu přenášených vidů. Disperze omezuje kapacitu přenosu. Mnohavidová optická vlákna jsou výrobně jednodušší a tedy lacinější. Jednodušší jsou i aplikace. lI lI "
39
Vedle optických vláken se používají i planární optické vlnovody. Planární vlnovody jsou vhodné ke konstrukci optických vazebních členů, filtrů, modulátorů, demodulátorů a jiných prvků planární optiky.
'
3.1.2
,
o
, . , .
ROZDELENI OPTICKYCH VLAKNOVYCH SENZORU Optickým vláknovým senzorem rozumíme optické vlákno, u kterého dochází
ších podmínek k modulaci signálu. přenášeného
funkce signálu
Může
doj ít ke
změně
fáze, amplitudy,
působením vněj
polarizační
nebo spektrální
vlnovodem. Na optický senzor musí být navázán zdroj
světla
(laser,
laserová dioda) a detektor (fotodioda, PIN dioda). Vyhodnocením změn signálu detektorem je možné usuzovat na typ a intenzitu
změny veličiny,
která j i způsobila.
Dle funkce, kterou optické vlákno plní u daného optického vláknového senzoru,
dělíme
senzory
na vlastní a nevlastní.
Vlastní optické vláknové senzory využívají přímého působení měřené fyzikální veličiny (tlak. ohyby, mikroohyby) na přenosové vlastnosti optického vlákna. Nevlastní optické vláknové senzory používají optického vlákna pouze k přenosu optického signálu a k vlastní modulaci signálu měřenou veličinou dochází mimo optické vlákno. Podle toho, zda optický senzor vyhodnocuje změny přímého signálu nebo odraženého, dělíme optické vláknové senzory na přenosové (tranzitní) a odrazové (reflexní). U přenosového optického vláknového senzoru je zvlášť oddělen vstup a výstup optického vlákna. Odrazový optícký vláknový senzor má zpravidla totožné vstupní vlákno s výstupním. Nejčastější dělení optických vláknových senzorů je podle způsobu modulace světla, kdy rozlišujeme senzory na: •
amplitudové
•
fázové
•
polarizační
•
spektrální (změna vlnové délky).
Optické vláknové senzory s amplitudovou modulací jsou založeny na změně amplitudy (intenzity
záření)
změnou
vlákna
vyvolané
indexu lomu
působením pláště
či mikroohybů.
fyzikální
veličiny.
K modulaci
optického vlákna nebo
U nevlastnich
změnou
senzorů může
může
dojít u vlastních
senzorů např.
koeficientu útlumu v důsledku
dojít k modulaci
např.
ohybů
vzájemným pohybem
pevného a pohyblivého konce přerušeného optického vlákna, změnou polohy odrazné plochy. Optické vláknové senzory s amplitudovou modulací se používají zejména jako senzory polohy či
posunutí, senzory tlaku a síly, senzory výšky hladiny, senzory koncentrace látek, senzory teploty aj. Příklady
optických vláknových
senzorů
s amplitudovou modulací jsou uvedeny na obr. 3.2,
obr. 3.3 a obr. 3.4. Změna
fáze signálu vedeného vláknem je určujícím faktorem pro vyhodnocení měřené veličiny
u interferometrických senzorů. K rozlišení změn fáze optického signálu se používá několik typů vláknových
interferometrů.
Pro konstrukci vláknového senzoru založeného na
změně
fáze je nutné
jednovidové vlákno a koherentní zdroj budícího signálu. Interferometrické senzory jsou vůbec nejcitlivější senzory fyzikálních veličin. Citlivost interferometrických senzorů je omezena pouze úrovní šumu vnášeného do soustavy zdrojem signálu, vlastním senzorem a také detektorem. Nevýhodou je jej ich složitá konstrukce.
40
x
p-
o
-
_ "x reflexní plocha
- -~~---
--
Obr. 3.3 Opticky vláknovy senzor posunutí reflexni roviny
Obr. 3.2 Opticky vláknovy senzor koncentrace látky v kapalině
------------------=f \J
\J
\f
\J
....--...1/ ''--_--ff '\-_ _.J/ '\--_..,
Obr. 3.4 Optický vláknovv senzor síly. resp. polohy. resp. posunu
Jako příklad uveďme Sagnakův optický vláknový' interferometr, jehož principiální schéma je na obr. 3.5. Jednovidové optické vlákno je navinuto na cívce s N závity. Vláknem se šíří jeden optický signál ve směru hodinových ručiček, druhý optický signál proti směru hodinových ručiček. Otáčí-li se cívka úhlovou rychlostí n, vykazují tyto dva optické signály na výstupu vlákna vzájemný fázový posuv i\rjJ, pro který' platí ( 3.2)
kde S je plocha cívky, N počet závitů, Ao vlnová délka šířící se elektromagnetické vlny a c je " rychlost světla ve vakuu. Při měření úhlu lze dosáhnout přesnosti měření až 10'- rad.
laser
N
o(
)
oE
)
vazební člen detektor Obr. 3. 5
Sagnakův
optický vláknový interferometr
41
Princip polarimetrického senzoru je založen na stáčení roviny polarizace světla a na dvojlomu ve vlákně. Při detekci signálu je nutné snímat intenzitu výstupního signálu v předem vybraných rovinách nebo lze použít interferometru. K vedení světla se používá jednovidového vlákna. Senzory jsou vhodné jak pro měření periodických veličin, tak i veličin, které se mění pomalu. Polarizační senzory mají menší citlivost než senzory s fázovou modulací, jsou konstrukčně jednodušší, i když vyžadují použití jednovidového optického vlákna. Pro spektrální senzory je charakteristické, že vnější veličina působí na změnu vlnové délky světla nebo změnu spektrálního rozdělení vlnových délek. Při detekci signálu je nutno oddělit jednotlivé složky spektra např. filtrem. Pro přenos signálu se používá mnohavidového vlákna. Detekci signálu je možno realizovat na konci vlákna nebo na vstupu vlákna při zabezpečení odrazové plochy na konci vlákna nebo jiné odrazové plochy. Spektrální senzory se používají např. jako senzory teploty. Výhodou optických vláknových senzorů je bezprostřední souvislost vlastního citlivého členu senzoru a jeho přívodů, senzor může pracovat jako pasivní člen bez změny kvality přiváděného signálu.
3.2
INTEGROVANÉ POLOVODIČOVÉ SNÍMAČE OBRAZU
Elektrické snímače obrazu umožňují přeměnu informace, která je dána místními změnami hustoty výkonu optického signálu dopadajícího na určitou plochu, na elektrický signál. Z hlediska možnosti rozlišení těchto místních změn snímače obvykle dělíme na jednorozměrné - řádkové, umožňující snímání závislosti dopadajícího optického výkonu na délkové souřadnici v protáhlé oblasti podél určité úsečky, a snímače plošné, umožňující snímání závislosti dopadajícího výkonu na dvou souřadnicích, které popisují polohu v určité oblasti roviny.
3.2.1 PSD SENZORY Fotoelektrický
snímač
polohy (Position Sensitive photo Detector - PSD) je vhodný pro vyhod-
nocování polohy paprsku světla. Struktura PSD senzoru (viz obr. 3.6) je podobná fotodiodě PIN s velmi rovnoměrným odporem ve vrstvě P (podél osy, vzhledem k níž sledujeme změnu polohy). Pracuje v odporovém režimu. Na povrchu vrstvy P jsou na jejích okrajích napařeny dvě elektrody (A a B). Vrstva N je opatřena jednou společnou elektrodou. Při dopadu světelného záření na povrch fotodiody proniknou fotony až do intrinzitní vrstvy I, kde dojde ke generování volných nosičů náboje. Elektrony se pohybují k vrstvě N, díry k vrstvě P (vzhledem k vysoké intenzitě elektrického pole a polarizaci diody v závěrném směru). Při propojení elektrod A - N a B - N nakrátko se fotoelektrický proud /0 rozdělí na proudy /A a /H' Jejich velikost závisí na poloze světelné stopy dopadajícího záření vzhledem k podélně rovnoměr nému rozložení odporu. Dle náhradního obvodu PSD senzoru lze vyjádřit proudy /A a /H vztahy:
1 =/ RL -Rx A o R
(3.3)
L
I II = 10
Rx
( 3.4)
-
RL
Protože odpory R, , Rl. - R, jsou lineární funkcí polohy převést do tvaru:
42
světelné
stopy, lze vztahy 3.3 a 3.4
L x
A
B
p
t
é?
I
'I o
N
a)
3
1I
1_
Rx
-
RL- R X 12
t
1
/
2
....
.. ,...
-
10
14
4
4
Iv •
2
13
Ry
RL- R y
3
b)
Obr. 3.6 Struktura PSD senzoru: a) jednorozměrné uspořádání ajeho zjednodušené náhradní schéma, b) dvourozměrné uspořádání ajeho zjednodušené náhradní schéma ( 3.5)
1 :=/ L-x cl o L x
( 3.6)
= /0-
/B
L
Protože je třeba vyloučit vliv intenzity záření, tj. proudu /0 na údaj polohy, je vhodné pro vyhodnocování použít poměrové metody. Potom obdržíme lineární vztah (3.7).
I IH --'---"-= 1- -2x j
I + IH j
V je
( 3.7)
-
L
dvojrozměrném uspořádání tvoří
opatřena dvěma
vrstvu PiN vrstva s rovnoměrným odporem. Každá vrstva elektrodami, umístěnými na koncích odporové vrstvy. Společná elektroda pak
odpadá. Výslednou polohu
světelné
stopy lze
I1 - 1
0 -,--.;;:.." =
určit:
X
=y
I1 + 12 Senzory tohoto typu jsou analogovými senzory. PSD senzory mají zejména tyto výhody: • malé rozměry • spojitý výstupní signál (nemá mrtvé body)
• rozlišení není závislé na velikosti světelné skvrny
43
( 3.8)
3.2.2 CCD SENZORY CCD snímače (CCD - Charge Coupled Devices) jsou tvořeny maticí fotocitlivých prvků - fotoelektrických kondenzátorů realizovaných technologií MOS. Průhledné elektrody kondenzátorů jsou tvořeny ze strany dopadajícího světla dobře vodivým polykrystalickým křemíkem, z druhé strany vrstvou kře míku typu N nebo typu P. Dielektrikem je vrstva kysličníku křemičitého Si02 • Při dopadu fotonů vzniká těsně pod vrstvou Si02 v potenciálové jámě tzv. nábojový balík, jehož množství náboje je úměrné osvětlení. Kapacita potenciálové jámy závisí na rozměrech elementárního kondenzátoru a je schopna poelektronů
jmout desítky až stovky tisíc
a to až do stavu na-
sycení, při kterém se už ale naruší přímá úměrnost mezi dopadajícím osvětlením a nábojem. Ve fotocitlivém prvku tedy dochází k přeměně fotonů na náboj. Tyto elementární náboje jsou posuvnými registry pře sunuty do výstupní části senzoru, kde se náboj převede na výstupní napětí, které vytváří výsledný videosignál (viz obr.
1!1 vstupní
část
~Q l.I'
přenosová část
(posuvný registr)
r• ídící .signály
výstupn í část Q~ U
videosignál ~
Obr. 3. 7 Princip optoelektronické CCD struktury
3.7). Pro
přenos nábojů
z elementárních
senzorů
na výstup se používají prvky s
přenosem
náboje,
realizované obdobně jako vstupní fotocitlivé kondenzátory. Přesun nábojů se uskutečňuje posouváním potenciálových minim připojením synchronizačních impulsů vhodného průběhu na přenosové elektrody. Realizace přenosu nábojů pomocí přímého multiplexování je technicky nevhodná a rozlišovací schopnosti obtížně realizovatelná.
při
velké
Důležitým
parametrem posuvného registru CCD je nábojová přenosová účinnost (poměrná část náboje přeneseného na následující elektrodu), která dosahuje hodnoty až 0,998. U posuvných
registrů
CCD se
děje přenos
náboje povrchovou vrstvou, kde
může
snadno dojít
kjeho ztrátě vlivem nedokonalostí a nečistot ve struktuře. Proto byly vyvinuty registry konstruované jinými technologiemi (BCCD, CIO), kde se transport náboje realizuje v objemu Transformace náboje na
napětí
polovodiče.
probíhá ve výstupním bloku, viz obr. 3.7 na PN
přechodu
diody,
která se při polarizaci v závěrném směru chová jako kondenzátor. Napětí na něm je úměrné nábojovému balíku, přesunutému ze vstupní části postupně až sem. Tímto napětím je řízena dvojice tranzistorů MOSFET (která tvoří sledovač), jehož výstupním napětím je požadovaný videosignál. Protože se přesuny dějí vždy v určitých časových intervalech, má i průběh výstupního signálu podobu řady pulsů, jejichž
v
r
amplituda je
úměrná osvětlení příslušného obrazového
elementu.
•
3.2.2.1 RADKOVY SENZOR CCD ,
fotocitlivých elementů viz obr. 3.8. K nim přiléhají CCD posuvné registry s paralelními vstupy, do kterých se po sejmutí obrazové informace přesunou elementární nábojové balíky. Z důvodu lepšího využití struktury přísluší sudým fotocitlivým elementům S jeden paralelní registr a lichým fotocitlivým elementům L druhý. Přenosy jsou řízeny řídícími impulsy. Z registrů se informace vysouvá v rytmu hodinových pulsů. Je tak získán videosignál buď půl-
Rádkový senzor CCD
tvoří řada
44
řádku
lichého a následně půlřádku sudého, či při přepínání sériových výstupních převodníku náboje na napětí, přímý videosignál sejmutého řádkového obrazu.
registrů
na vstupu
Takt I
," I s
s
"
s
, ď\,.j:
<~ ~""l
'.
",
s
videosignál
','0 "
Takt 2 o----4-L
...L
L
..L
~
fotocitlivé plochy Ohr. 3.8 Řádkový senzor CCD jednorozměrny Rozměr čtvercového
fotocitlivého elementu se pohybuje v rozmezí od 7 až do 100).!m. Při počtu 128 až 6000 elementů v jednom řádkovém snímači se délka fotocitlivé části pohybuje od 4 do 60 mm. Běžný je hodinový kmitočet od 2 MHz do 20 MHz, výjimečně až 120 MHz. Při rozdělení elementů do více skupin (výše popsaný snímač má dvě: sudou a lichou), každé se svým přesunovým kanálem a posuvným registrem, lze dosáhnout i vyšších rychlostí snímání.
"
,
3.2.2.2 PLOSNE SENZORY CCD Plošný senzor CCD
soustava elementárních fotocitlivých prv- Takt A I fotocitlivé ků, uspořádaných v matici. Přenos inA2 plochy formace z fotocitlivých prvků je realizován buď řádkově nebo snímkově. " CCD registr)' f.Principiální struktura plošného CCD snímače s meziřádkovým přeno sem (ITL - Interline Transfer) je na obr. 3.9. Fotocitlivé prvky jsou uspořá hi ~ ~ dány do sloupců. Paralelně ke každému sloupci je integrován do struktury dvoufázový přenosový registr CCD, hi i-l "" který musí být zakryt neprůsvitnou vrstvou. Po osvětlení je náboj z fotoBI • • • Takt B2 citlivých prvků přenesen do vertikálvideosignál výstupu í registr ních registrů. Poté je náboj z vertikálních registrů přenášen pomocí řídících Obr. 3. 9 Plošny senzor CCD s řádkovým pienosem pulsů do horizontálního registru, odkud se v době mezi dvěma přenosy přesouvá do výstupního obvodu, který generuje videosignál trans• formací náboje na napětí. Rádkování může být prokládané, pak první půlsnímek tvoří liché řádky fotocitlivých prvků, druhý půlsnímek tvoří sudé řádky. Principiální uspořádání plošného CCD snímače se snímkovým přenosem je na obr. 3.10. Z dllvodu lepšího využití obrazové plochy tvoří fotocitlivé prvky tzv. obrazovou část snímače, paměťová část je oddělena. Po sejmutí obrazu fotocitlivými elementy obrazové plochy jsou náboje přeneseny do tvoří
.. 1 .. 1
45
l
1
1
1
1
1
1
paměťové části, tvořené
paralelními vertikálními registry. Z paměťové části je pak obrazová informace přesunuta pomocí horizontálního registru do výstupního obvodu a převedena na výstupní videosignál.
Al
.
Takt
"
A2
-
fotocitlivá
CCD ploch a
1/ I,
BI
Takt B2
-
>fotonecitliv
é
CCD regist rv
-
. /
I
Takt
CI
I
I
,
•
I
I
.
VI deosignál
I
I výstupní registr
• Cl
Obr. 3.10 Plošny senzor ccn se snimkovym přenosem Paměťová část
musí být chráněna proti dopadaj ícímu záření neprůsvitnou vrstvou. Výhodou plošného CCD snímače se snímkovým přenosem je lepší využití obrazové plochy (u snímače s řádkovým přenosem asi 113 celkové plochy snímače). Doba přenosu je několik milisekund. Výhodou je i provoz v režimu sdílení času, během zpracování obrazu v paměťové části může již probíhat expozice dalšího snímku. Spektrální citlivost všech zobrazovacích elementů je v rozsahu 450 nm až 900 nm dostatečná a málo závislá na vlnové délce světla, takže lze tyto senzory použít i pro přenos barevného obrazu (CCD kamery).
46
4 MĚRENÍ TEPLOTY A TEPLA 4.1 ZÁKLADNÍ POJMY Z OBLASTI MĚŘENÍ TEPLOTY Teplota je jednou z nejdůležitějších stavových veličin ovlivňující téměř všechny stavy a procesy \ přírodě. Při měření teploty nestačí použít přesného teploměru a zaručit správné čtení údajů, ale je nutno teploměr zabudovat tak, aby správně měřil. K měření teploty lze využít různých fyzikálních principů, jako např. teplotní roztažnosti látek, změny elektrického odporu vodičů a polovodičů, vznik elektrického napětí apod. Aby ale bylo dosaženo stejných výsledků měření, bylo nutno sestavit jednotnou teplotní stupnici, která by nebyla závislá na zvoleném principu měření. Takovou stupnicí je termodynamická teplotní stupnice, odvozená z účinnosti vratného tepelného stroje (Carnotův ideální stroj). Jednotkou termodynamické teploty T je kelvin (K). Definice: Jeden kelvin je 273, 16-tý díl termodynamické teploty trojného bodu vody. Kromě termodynamické teploty T (K) vyjadřované v kelvinech, používá se ještě Celsiova teplota ! (0C) vyjadřovaná v Celsiových stupních. Teplotní rozdíl I K je roven přesně 1°C. T.b41P· . a . . .. revod' nt vztah lY meztl tep," otnimi stupnicemi t (0C) Teplota: T(K) Tt(OR) tl Cf)
T(K)=
1
t+273,15
(5/9).T1
(5/9)(/ 1+459,67)
t (0C)
=
T - 273,15
I
(5/9)( TI-49 I ,67)
(5/9)(t(32)
Tr R)
=
(9/5). T
(9/5).t + 491,67
I
tl +459,67
tj(Of)
=
(9/5).T - 459,67
(9/5).(+ 32
Tl-459,67
1
,
.
•
.
.
.
.
Pro obtížnou realizaci termodynamické stupnice byla zavedena mezmárodní teplotní stupmce. Mezinárodní teplotní stupnice 1990 - ITS-90 (z anglického: The lntemational Temperature Scale of 1990) je definována od 0,65 K do teplot prakticky měřitelných v podmínkách Planckova radiačního zákona. Tato teplotní stupnice značená T je tvořena tak, aby jednotlivé rozsahy měřeni 90 T 90 těsně vyjadřovaly číselné hodnoty termodynamické teploty a měly vysokou reprodukovatelnost.
Tab. 4.2: Definiční pevné body lTS-90. (90 (0C) T90 (K)
, :
I :
3 až 5 13,8033 17 20,3 24,5561 54,3584 83,8058 234,3156 273,16 302,9146 429,7485 505,078 692,677 933,473 1234,93
-270,15 až -268,15 -259,3467 -256,15 -252,85 -248,5939 -218,7916 -189,3442 -38,8344 0,01 29,7646 156,5985 231,928 419,527 660,323 961,78
1337,33 1357,77
Látka: Be e-H z e-Ho e-Hz Ne
Stav: a
O2
b b
Ar
b a a
b
b b
Hg H 2O Ga ln Sn Zn Al Ag
c d d d d d
1064,18
Au
d
1084,62
Cu
d
47
Poznámky k tabulce: 1. Všechny látky kromě helia jsou v přírodním izotropickém složení. Látka e-H 2 je vodík při rovnovážné koncentraci ortho- a para- molekulárních forem. 2. Význam symbolů ve sloupci "stav": a) tlak syté páry, b) trojný bod, tj. teplota, při které jsou v rovnováze fáze pevná, kapalná i pára; c) bod tání, d) bod tuhnutí. Mezi
definičními
pevnými body teplotní stupnice je teplota definována etalonovým odporovým teploměrem platinovým až do teploty bodu tuhnutí stříbra, tj. do teploty 961,78 "C. Nad touto teplotou je využito definice spektrálních intenzit záření při teplotě tuhnutí stříbra a Planckovým vyzařovacím zákonem. K měření teploty se používá teploměrů nebo teploměrných zařízení.
4.2 ROZDĚLENÍ TEPLOMĚRŮ Podle oblasti použití lze teploměry rozdělit na dotykové a bezdotykové. Dotykové teploměry jsou při měření v přímém dotyku s měřeným prostředím (objektem). Bezdotykové teploměry využívají tepelného záření vyšetřovaného objektu Dotykové teploměry lze rozdělit podle fyzikálního principu funkce na: a) dilatační - využívají teplotní roztažnosti tuhých látek, kapalin a plynů, b) parní - využívají teplotní závislosti tlaku syté páry teploměrové kapaliny, c) odporové - využívají teplotní závislosti elektrického odporu vodičů a polovodičů, d) termoelektrické - využívají teplotní závislosti termoelektrického napětí termoelektrického článku,
e) speciální - využívají změn vybraných fyzikálních vlastností tuhých látek a kapalin s teplotou (např. měknutí, tavení, index lomu apod.). Bezdotykové teploměry lze rozdělit podle měřicího principu na přímoměřící a zobrazovací. Do přímoměřícíeh patří pyrometry a do zobrazovacích fototermometrie a termovize. Pyrometry lze rozdělit podle různých hledisek, jako je spektrální oblast využitého záření, způsob měření, optický systém apod. Pro praxi je nejvhodnější rozdělení podle spektrální oblasti využitého záření, a to na: a) ~ektrální - ( jasové, monochromatické) - využívají tepelného záření při jedné vlnové délce, zpravidla A = 0,65 um; b) pásmové - využívají tepelného záření v úzkém pásmu vlnových délek, který je dán absorpčními vlastnostmi použitého detektoru záření; c) na spektrální rozložení - (barvové) - využívají tepelného záření při dvou vlnových délkách, zpravidla při Al = 0,55 um a \ = 0,65 um (zelená a červená barva); d) na celkové záření - (radiační) - využívají tepelného záření ve velké oblasti vlnových délek (teoreticky v celém rozsahu), který je omezen pouze absorpční schopností použitého detektoru a propustností optiky pyrometru. Termovize využívá ke snímání povrchových teplot objektů speciální kamery s detektorem tepelného záření pouze v infračervené oblasti. Rozložení teploty na měřeném povrchu je zobrazeno na speciálním monitoru s černobílou nebo barevnou obrazovkou. Fototermometrie využívá klasického fotoaparátu s velkou světelností a fotomateriálem sensibilovaným na infračervené záření. Teplotní rozsahy vybraných dotykových a bezdotykových teploměrů jsou uvedeny v tab. 4.3.
48
Tab. 4.3:
Měřicí rozsahy
vybraných typů teploměrů. Měřicí rozsah (Oe)
Dotykové teploměry: . , tvcove • bimetalické skleněné s organickou náplní skleněné s kovovou náplní tlakové kapalinové tlakové parní tlakové plynové odporové platinové odporové niklové termoelektrické T (Cu-CuNi) termoelektrické J (Fe-CuNi) termoelektrické E (NiCr-CuNi) termoelektrické K (NiCr-NiAI) termoelektrické S (PtRh 10-Pt) termoelektrické R (PtRh 13-Pt) termoelektrické B (PtRh36-PtRh6) termoelektrické A (WRe5-WRe20) termoelektrické N (nicrosil-nisil) se světlovody s kapalnými krystaly iontové krystalové • barevné nátěry a tužky tavná tělíska a tablety keramické žároměrkv •
-30 až 1000 -30 až 350 -200 až 100 -30 až 630 (1000) O až 850 -50 až 200 -260 až 800 -270 až 850 (1000) O až 180 -200 až 400 -200 až 760 -100 až 700 (900) -200 až 1000 (1300) O až 1300 (1600) O až 1300 (1600) 300 až 1600 (1800) O až 2500
-270 až 1370 -11 až 200 -20 až 250 200 až 720 -80 až 250 40 až 1400 100až 1650 600 až 2000
Bezdotvkové teploměry: 650 až 3500 300 až 2000 700 až 2000 50 až 2300 -50 až 650 -50 až 1000 (500)
pyrometry jasové pyrometry pásmové pyrometry barvové pyrometry radiační fototermometrie tennovize
4.3 DILATAČNÍ TEPLOMĚRY Funkčním principem dilatačních teploměrů je
využití teplotní roztažnosti látek všech skupenství. Podle tohoto principu a podle konstrukce lze dilatační teploměry rozdělovat na tyčové, bimetalické, skleněné a tlakové kapalinové a plynové. v,
v
4.3.1 TYCOVE TEPLOMERY Tyčové dilatační teploměry využívají rozdílné teplotní délkové roztažnosti dvou konstrukčně oddělených součástí - trubice a vnitřní tyče. Zahřátím této soustavy o
konec tyče se v otevřeném konci trubice posune o Sl. podle vztahu !lL=L.(al-a2).t1t Výhodou
tyčových teploměrůje
t1t se trubice prodlouží a volný
(4.1)
velký teplotní rozsah (až 1000 "C), malé
49
pořizovací náklady,
robustní konstrukce, velká přestavující síla a poměrně rychlá odezva na Nevýhodou tyčových teploměrů je menší přesnost (do 2 %).
změnu
teploty.
Hlavní pole použití - jako čidla dvoupolohových regulátorů teploty - termostatů (obr. 4.1 c).
J
b)
Obr. 4.1
Tyčový dilatačni teploměr:
kontakty. 3 -
a) měiici princip, b) provedení, c) termostat: 1,2 - spínací 4 - trubice, 5 - nastavení teploty, 6 - ukazatel, 7 - vahadlo.
tyč,
4.3.2 BIMETALICKÉ TEPLOMĚRY Bimetalické teploměry využívají deformace kovových pásků z rozdílných materiálů o odlišných hodnotách teplotní délkové roztažnosti. Tyto pásky jsou po celé délce spolu pevně spojeny, Délkou pásků a jejich vhodným tvarováním lze docílit značné výsledné deformace. Základní tvary pásků jsou na obr. 4.2 a) a provedení teploměrů na obr. 4.2 b). Průhyb přímého pásku (vetknutého) o délce L a tloušťce b při oteplení o M lze určit ze vztahu >
J. -
D.a. L-. 11/
(4.2)
b
kde je Lia = U 1-U = (10. 10,6 až 15. 10'6) K,I - relativní teplotní součinitel délkové roztažnosti 2 materiálů pásku.
Výhodami bimetalických teploměrů jsou malé pořizovací náklady, jednoduchá údržba a obsluha, robustní konstrukce a tím i značná přestavující síla. Nevýhodou bimetalických teploměrů je menší rozsah teplot (pouze do 400 Oe), menší přesnost (do 1,5 %), pomalá odezva na změnu teploty (musí se prohřát nejen vnější trubice, ale i stočený bimetalický pásek uvnitř). Hlavním polem použití je orientační měření teploty a dvoupolohová regulace teploty čidla termostatů.
50
-~.. ..... -
-
-
r.
.
\\ ~iiii ,;;;
t
y
-
-
I
y
y -- ---
-4
:J
''/ -, .. -- ........--. ... /: ,
~
l;
;-
-c,
;
:
, ,
J
-:
y
J ..rl
r
ri
I;;: f, , '%
% ,
. t:
teploměry:
;; 1% t:; C/ ~ '/
I
/
~/: , /
~
,...
I
I-
"
F;;
'1 ~ f%
,
,
ř; ,/: ;:::~,
h
r
~
I'
I,
.",
a
I/,
.J
;I~
b)
, ~
c-
ti. ~r
'K[;
b
:%
,
o
Obr. 4,2 Bimetalické
8.)
/:
(-w-~,.;~".-I /'
JO
I 40 A
-10
\ /
"-
50
"l%r;
, J'"
I/,
I ~~
iL~~'~
A;:t/:
a) základni typy pásků. b) provedení teploměr/i.
4.3.3 SKLENĚNÉ TEPLOMĚRY Skleněné teploměry
využívají ke své funkci objemové roztažnosti teploměrové kapaliny (náplň teploměru) ve skle. Přírůstek objemu kapaliny se stoupající teplotou se čte přímo v kapiláře teploměru, která vychází z teploměrové nádobky. Prostor v kapiláře je vakuován u běžných typů. pouze u vysokoteplotnich rtuťových teploměrů je kapilára nad rtutí vyplněna stlačeným inertním plynem, nejčastěji dusíkem, aby se zvýšila teplota varu rtuti a tím i měřicí rozsah. Jako teploměrových kapalin se u skleněných teploměrů používá: a) pentanová směs: rozsah od -200 "C do +30 °C; používá se k přesnému měření velmi nízkých teplot; b) rtuť: rozsah od -38 "C do 350°C (v kapiláře vakuum) a do 630 °C (v kapiláře tlakový dusík); používá se k přesnému měření středních teplot; c) toluol: rozsah od -90°C do + 100 °C; používá se k méně náročným měření nízkých teplot; d) etylalkohol: rozsah od -110°C do +70 °C; používá se k méně náročným měřením. Skleněné teploměry jsou jednoduché, spolehlivé, levné a přesné. Nevýhodou je jejich křehkost. omezená možnost dálkového přenosu a někdy špatná čitelnost. Nejvíce jsou rozšířeny skleněné teploměry rtuťové; jejich výhodou je značná tepelná vodivost rtuti, nesmáčivost stěn, dobrá čitelnost a možnost použití pro signalizaci a regulaci teploty. Nevýhodou je velmi malá teplotni objemová roztažnost rtuti. Podle konstrukce lze skleněné teploměry rozdělit na laboratorní, technické a speciální. Laboratorní teploměry ukazují správně měřenou teplotu pouze tehdy, když je celý sloupec teploměrové kapaliny v kapiláře v měřeném prostoru. Tyto teploměry se také ověřují tak, že celý sloupec teploměrové kapaliny je ponořen v měřeném prostoru. Vyrábějí se obalové a tyčinkové. Technické stonkové teploměry jsou provozní teploměry a jsou odlišné konstrukce než laboratorní teploměry. Technické teploměry mají stonek (jako např. regulační teploměr Vertex), který je cel)! ponořen v měřeném prostředí. Stupnice teploměru je vždy mimo měřené prostředí. Délka stonku tak určuje hloubku ponoru. Protože sloupec teploměrové kapaliny v kapiláře v oblasti stupnice má jinou
51
teplotu než
měřené prostředí,
je tento vliv zahrnut do kalibrace a není
třeba provádět
opravu na
vyčnívající
sloupec. .speciální teploměry jsou obvykle jednoúčelové. Jedná se např. o teploměry kalorimetrické, teploměry k určování tepelně fyzikálních vlastností látek (bod vzplanutí apod.), teploměry maximální, maximominimální, minimální apod. Diferenční teploměry (Beckmannovy - obr.4.3) tvoří samostatnou skupinu. Používají se k velmi přesnému měření malých teplotních změn ve velkém rozsahu teplot. Vyrábějí se v délkách 500 až 600 mm, délka stupnice 300 mm s rozpětím I oe až 5 "C. Kalibrace je provedena s plně ponořeným stonkem. Nejdůležitější
vlastností diferenčního teploměru je možnost nastavení žádané teploty v poměrně širokém rozsahu. Tento rozsah bývá uveden na pomocné stupnici u rozšířené části kapiláry v homi části teploměru Při nastavování žádané teploty je nutno změnit objem rtuti v teploměrové nádobce. Tak např. pro nastavení vyšší teploty je nutno převést část objemu rtuti z teploměrové nádobky do homí rozšířené kapiláry. Teploměr je nutno otočit teploměrovou nádobkou nahoru podle O" obr.4.3 vlevo. Rtuť začne samovolně přetékat z teploměrové nádobky. Na s o pomocné stupnici se sleduje velikost nastavené teploty. Při dosažení Q 9 potřebného rozsahu se teploměr otočí do původní polohy a poklepem na teploměr se rtuťový sloupec přeruší a teploměr je připraven k použití (poloha podle obr. 4.3 vpravo). Diferenční skleněný teploměr udává správnou teplotu pouze při 0-"'-5 s O kalibrační teplotě, která je buď O "C nebo 20 "C (tento údaj je na ;:::::::::: teploměru uveden). Při jiné (nastavené) teplotě je nutno údaj teploměru násobit opravným součinitelem, který je k = 1,004 na každých IO°e. o Např. při nastavení měřené teploty 80 "C je třeba násobit údaj teploměru o O součinitelem k = 1,032. 5 o Regulační teploměr Vertex je určen k dvoupolohové regulaci teploty. Regulovanou teplotu lze nastavit v celém rozsahu teploměru. Schéma tohoto teploměru je na obr. 4.4. Regulační teploměr je vždy rtuťový a v provedení stonkovém. Měřicí kapilára teploměru je v homí části rozšířena do tvaru sploštělé trubice. V této části kapiláry se pohybuje šroubové vřeteno s maticí. Na matici je upevněn tenký drátek, zasahující až do měřicí části kapiláry. Matice se nernůže otáčet a při otáčení šroubu se matice s drátkem posunuje. Přenos pohybu na šroub je uskutečněn magnetickou spojkou. Podél dráhy matice Obr. 4.3 Beckmannův je pomocná stupnice, udávající nastavenou teplotu polohou matice. Ve teploměr při nastavování spodní části kapiláry nad teploměrovou nádobkou je zataven drátek teploty, a při měření. vyvedený na svorkovnici teploměru, kam je vyveden i druhý kontakt z matice. Kontakty teploměru jsou zapojeny do regulačního obvodu a ovládají přes výkonové relé např. vytápění apod.
Obr. 4.4
Regulační teploměr
52
Vertex.
Qprava na vyčnívající sloupec teploměrové kapaliny. Při měření laboratorními skleněnými teploměry, musí být při měření celý kapalinový sloupec v měřeném prostoru. Toto nelze vždy dodržet a proto v těchto případech je nutno údaj teploměru opravit, protože teploměrová kapalina ve vyčnívající části má jinou teplotu než v měřeném prostoru. Na obr. 4.5. je c nakreslen takový případ. Skutečná teplota trn v měřeném prostoru bude rovna údaji teploměru t, doplněného opravným součinitelem M, který lze vypočítat ze vztahu M=fJ.n. (t1-tOJ (4.3) -\ kde je fJ (K ) - teplotní součinitel objemové roztažnosti teploměrové t m -kapaliny ve skle, n (0(') - délka vyčnívajícího sloupce teploměrové kapaliny ve 0(', to (0C) - střední teplota vyčnívající teploměrové kapalíny. Obr. 4.5 Korekce na Skutečná teplota trn v měřeném prostoru bude tedy rovna vyčnivajici sloupec. trn = tl + ,1t (4.4) Ke zjištění teploty to je nutno použít přídavný pomocný teploměr umístěný těsně k použitému teploměru ve výši třetiny vyčnívajícího sloupce teploměrové kapaliny. Stanovení opravy na vyčnívající sloupec teploměrové kapaliny je velmi důležité, protože jejím .L<medbáním vzniklá chyba měření může mnohokrát přev)'šit chybu vlastního tep.c..lo:...:m.c...c..ě:...:ru'--. _ PŘÍKLAD 4. I: Jaká je teplota lázně, jestliže údaj laboratorního rtuťového skleněného teploměru ponořeného po dílek 10 0(' je 350 "C. ľJdaj pomocného teploměru je 30 0(' a teplotní součinitel roztažnosti rtuti ve skle jJ= 0,000164 K .J ? Oprava údaje teploměru bude rovna ,1t = 0,000164 . (350-10) . (350-30) = 17,84 "C. Skutečná teplota lázně tedy je trn = 3S0 + 17,84:= 367,84 "C.
4.3.4 TLAKOVÉ TEPLOMĚRY KAPALINOVÉ se skládají z teploměrové nádobky, spojovací kapiláry a měřicího přístroje (deformačního tlakoměru). Celý teploměrový systém je vyplněn teploměrovou kapalinou. Teplotou vyvolaná změna objemu teploměrové kapaliny se převádí na změnu tlaku, který se měří deformačním tlakoměrem. Stupnice tlakových kapalinových teploměrů je lineární. Schéma tlakového kapalinového teploměru s krátkou kapilárou je na obr. 4.6 a). Tlakové kapalinové teploměry jsou ověřovány tak, že přístroj (tlakoměr) i teploměrová nádobka jsou ve stejné výši. Po montáži teploměrů na měřicí místa je třeba nastavit ukazovatel na hodnotu teploty, udávanou kontrolním teploměrem, umístěným v blízkosti teploměrové nádobky. Proto jsou tyto teploměry vybaveny mechanismem pro otevření a uzavření krytu ukazovatele. Tato justáž se provádí u teploměrů bez kompenzace. Způsob částečné kompenzace na vliv kolísání okolní teploty v oblasti přístroje i kapiláry je uveden na obr. 4.6 b). Mezi tlakoměrné ústrojí ! a ukazovatel 4 je vložen vhodně tvarovaný bimetalický pásek 5, který svou deformací eliminuje případnou změnu polohy ukazovatele vlivem změny okolni teploty přístroje. Ke kompenzaci okolní teploty v okolí kapiláry je na exponovaném místě kapiláry vložena nádobka 8 z takového materiálu, aby její objem se s teplotou zvětšoval. Uvnitř nádobky je invarový váleček 9, který svůj objem s teplotou nemění. Při změně teploty v okolí nádobky 8 se změní její objem tak, že eventuálni přírůstek nebo úbytek objemu teploměrové kapaliny pohltí a výsledný tlak v systému se nezrněni. Způsob úplné kompenzace je uveden na obr. 4.6c). Kompenzace eliminuje vliv změn teploty nejen v okolí kapiláry a přístroje, ale i vliv změny hydrostatického tlaku teploměrové kapaliny. Teploměr má dva shodné systémy - měřicí (1, 2 a 3) a kompenzační (6 a 7). U kompenzačního systému chybí teploměrová nádobka, kapilára je na konci zaslepena. Změna okolní teploty i hydrostatický tlak působí shodně na oba systémy, takže se eliminuje a neprojeví se na změně polohy ukazovatele. Údaj bude proto závislý pouze na měřené teplotě. Tlakové kapalinové
teploměry
53
II
•
~'
"
.
7 1
,
j
_2
o ~
L
-7
oj
(1)
tlJ
-" /
'"
~
/'/~/
//'"
.. ,
// , / . /
/
r: ///'
//'? - /~'--' '" . .',
"
/' . ;/:. .
W~ Obr. 4.6 Tlakové
/
~/ /~
;// '/,/ .'
,
,
';/
':%
~//j:~ teploměry
:;;;
/~
kapalinové: a) bez kompenzace, b) s kompenzací.
částečnou
kompenzací. c) s úplnou
Rtuťové
tlakové teploměry se používají v rozsahu (-30 až 600) °C. Organické kapaliny se používají pro rozsah od -30°C do 350°C. Materiálem teploměrového systému je legovaná ocel (pro rtuťovou náplň), mosaz, měď a bronz (pro organické kapaliny). Výhodou tlakových kapalinových teploměrů je lineární stupnice přístroje, poměrně velký rozsah měření (až 600 0C), robustní konstrukce a tím i velká přestavující síla. Nevýhodou tlakových teploměrů je nutnost korekce údaje na okolní teplotu u jednoduchých typů, nutnost korekce údaje na změnu hydrostatického tlaku teploměrové kapaliny vlivem rozdílného výškového umístění přístroje od teploměrové nádobky u typů s dlouhou kapilárou, nutnost použití vystárlého materiálu na deformační systém přístroje (v systému je trvalý vysoký přetlak). Hlavním polem použití je měření teploty v těžkých provozních podmínkách i při venkovní montáži, signalizace a dvoupolohová regulace teploty a pro dálkové měření do 50 m.
4.3.5 TLAKOVÉ TEPLOMĚRY PLYNOVÉ V posledních letech byly vyvinuty plynové tlakové teploměry plněné vysokým přetlakem. Měřicím principem je změna tlaku plynu za stálého objemu s teplotou. Konstrukční uspořádání plynových teploměrů je podobné jako u teploměrů tlakových kapalinových, ale není nutno provádět korekce jako u tlakových teploměrů kapalinových. Výhodou plynových teploměrů je lineární stupnice, velký rozsah (od -260°C do 800°C), malý obsah teploměrové nádobky (cca I cm'), vysoká přesnost (až 0,5 %), velká dlouhodobá stabilita (0,2 % za rok), necitlivost vůči vnějšímu barometrickému tlaku, délka kapiláry (až 100 m), možnost instalace v agresivním prostředí. Nevýhodou plynových teploměrů je velmi malý přírůstek tlaku s teplotou a velké pořizovací náklady.
4.4 TLAKOVÉ TEPLOMĚRY PARNÍ Konstrukční uspořádání
je podobné jako u tlakových teploměrů kapalinových. Použitý tlakoměr má podstatně menší rozsah (řádově desetiny MPa). Teploměrová nádobka má malý objem a je naplněna pouze zčásti a nad níje sytá pára této kapaliny (obr. 4.7 b).
54
Měřicím
principem je teplotní závislost tlaku syté páry teploměrové kapaliny podle vztahu log p, = A+.!!-+C.T
(4.5)
T
kde jsou A, BaC konstanty, závislé na druhu použité teploměrové kapaliny. Charakteristické průběhy tlaku syté páry některých vybraných teploměrových kapalin jsou uvedeny na obr. 4.7 a).
,
o)
d q.,5 ~I---+--:-I
•
......
~ ~60 tt----t+
j
l:
j
'--
~'"
t ~25 t---t-t-t---Jf--I-*-/----;A+-+-++--l 6"" / ,
o
-50
o
~50
100
~......
t
200
150
(-CJ
/
'
5
Obr.A. 7 Parní teploměry: aj statické charakteristiky, b) provedení teploměrů. U parních teploměru je nutno zabránit, aby se při kolísání okolní teploty netvořily v teploměrové kapalině v kapiláře a v přístroji parní bubliny, nebo naopak aby se v syté páře netvořily kondenzační zátky. Proto je konstrukční uspořádání provedeno následovně: a) při trvale nižší teplotě okolí kapiláry i přístroje než je měřená teplota, ústí kapilára v nádobce pod hladinou teploměrové kapaliny. Celý teploměrový systém je vyplněn touto kapalinou , jak je uvedeno na obr. 4.7 b) vlevo; b) při trvale vyšší okolní teplotě než je teplota měřená, ústí kapilára nad hladinou teploměrové kapaliny v teploměrové nádobce a celý systém je vyplněn sytou parou teploměrové kapaliny; c) kolísá-li okolní teplota kolem měřené teploty, vyplňuje se teploměrový systém přenosovou kapalinou oddělenou od teploměrové kapaliny a její syté páry vlnovcem - obr. 4.7 b) vpravo. Přenosová kapalina musí mít vysokou teplotu varu, aby v ní ani při extrémně vysoké okolní teplotě nevznikaly parní bubliny. Tlak syté páry ke konci měřicího rozsahu velmi rychle stoupá a i při malém přehřátí hrozí poškození tlakoměru. Proto je nutno před tímto stavem mčřici systém chránit. Nejjednodušší ochranou je naplnit teploměrovou nádobku odměřeným množstvím teploměrové kapaliny. Ta se při dosažení maximální teploty všechna odpaří a dále stoupá pouze tlak přehřáté páry, což je velmi pozvolné a nehrozí poškození tlakoměru i při značném překročení maximální teploty. Výhodou parních teploměru jsou malé pořizovací náklady, délka kapiláry až 50 m, není nutná kompenzace na změnu okolní teploty, vysoká citlivost a rychlá reakce na zrněnu teploty. Nevýhodou parních teploměru je nelineární stupnice, malý rozsah (do 400°C) a malé rozpětí měření (50 °C až 100°C). Hlavní pole použití je v průmyslu k měření a signalizaci teploty.
4.5 ODPOROVÉ TEPLOMĚRY Využívají k měření teploty teplotní závislosti elektrického odporu materiálu. Tuto závislost vyjadřuje teplotní součinitel odporu a (Kl), jehož střední hodnotu pro teplotní rozsah od O do 100°C udává vztah (4.6)
55
kde je Ro a R lOo - odpor materiálu při teplotě O °C a 100°C. K měření teploty se využívá především čistých kovů (platina,
měď
a nikl) a
polovodičů.
4.5.1 MATERIÁLy A PROVEDENÍ ČIDEL ODPOROVÝCH TEPLOMĚRU Čidla odporových teploměrů se nazývají měřicí odpory. Přehled materiálů k jejich výrobě spolu s hlavními parametry obsahuje tab. 4.4.
Tab. 4.4: Parametry materiálů na Materiál platina nikl měď
termistory elektrolyty
měřicí
odpory.
a (K· I )
o (Q.m)
0,00385 až 0,00391 0,00617 až 0,00675 0,00426 až 0,00433 -0,015 až -0,06 -0,015 až -0.10
9,81 . 10.8 12,13 . 10.8 1,54 . 10.8
Rozsah (OC) -200 až 850 -70 až+150 (+200) -50 až +150 -80 až +200 O až +100
-----
Platina nejlépe splňuje požadavky kladené na materiál měřicích odporů. Teplotní součinitel odporu je poměrně velký a hlavně časově stálý. To umožňuje vzájemnou záměnu měřicích odporů bez dodatečného ověřování. Výhodné vlastnosti platiny řadí platinové odporové teploměry mezi nejpřesnější teploměry. Používají se též jako etalony k realizaci Mezinárodní teplotní stupnice lTS-90 v rozsahu od teploty trojného bodu vodíku (13,8033 K = -259,3467 0C) až do teploty tuhnutí stříbra (961,78 °C). Jsou rovněž nezastupitelnými etalony k ověřování všech druhů teploměrů. Pro svoji přesnost, stabilitu a spolehlivost patří též k oblíbeným druhům provozních teploměrů. Základní rovnice pro určení odporu Rl platiny při teplotě t má tvar
R, = Ro.[ I + A.t + B.r + C.(t - 100)./ ]
(4.7)
kde konstanty A, BaC mají tyto hodnoty podle ČSN JEC 751: A
=
3,90832. 10'3 Kl , B =
-
5,775. 10,7 K 2 , C =
-
4,183 . 10. 12 K-4.
Uvedená norma ČSN JEC 751 zařazuje platinové měřicí odpory do dvou tolerančníchtříd. Toleranční třída A - tolerance 0,15 + 0,002.ltl (0C). Toleranční třída B - tolerance 0,30 + 0,005.ltl (0C). Zde jsou Itl absolutní hodnoty teploty ve °C. Platinové měřicí odpory se vyrábějí v několika provedeních jako keramické, skleněné, ., , pertmaxove a vrstvove. Keramické měřicí odpory podle obr. 4.8 a) obsahují platinový drátek o průměru cca 0,05 mm stočený do šroubovice a zatavený v keramické dvoukapiláře. Oblast použití až do teploty 850 "C. Jednoduché měřicí odpory (s jedním vinutím) jsou označeny Ptk 100, dvojité (se dvěma samostatnými vinutími) DPtk 100, tzv. vysokoteplotní Pvk 100 a DPvk 100 a miniaturní Ptm 100. Všechny uvedené měřicí odpory mají základní odpor R(} = 100 Q při O "C. Keramické měřicí odpory jsou určeny pro snímače do jímky. { '/ 'I
~2+
4
20 až
ol
60
o
/
~
N I
o
2
I
'I' /
'I (IJ I ~ 30 - 150
Obr.4.8 Měřicí odpory: a) keramický. b) skleněný, c) pertinaxový.
56
Skleněné měřicí
odpory podle obr. 4.8 b) obsahují platinový drátek navinutý bifilárně na skleněném válečku a povrchově zalit tenkou vrstvou skla. Jsou určeny pro snímače jímkové. Rozsah použití je do 600°e. Jejich nevýhodou je přídavný tzv. tenzometrický jev, vzniklý namáháním platinového drátku vlivem nestejné teplotní roztažnosti skla a platiny. Pertinaxové měřicí odpory (obr. 4.8c) 3 obsahují platinový drátek navinutý bifilárně na 'ploché pertinaxové destičce a vně izolovaný U) .papírem a lakem. Používají se k měření teploty U) o okolí, teploty vinutí elektrických strojů, a. povrchových teplot apod. v rozsahu do 150 "C. ~::1:"-"""'pt Vrstvové měřicí odpory se vyrábějí buď E Pt tištěním platinového meandru na plochou korundovou podložku, nebo nanášením platinové pasty a jejím vypalováním. Tyto měřicí odpory mají velmi malé rozměry, jsou , I ploché a používají se především k měření 100 50 100 50 povrchových teplot. Jejich charakteristickou - t IO( 1 vlastností je kromi velké otřesuvzdornosti také Obr. 4. 9 Teplotní závislosti odporu vybranych dlouhodobá stabilita. materiálů. Nikl je vhodným materiálem pro měřicí odpory užívané v měřičích tepla v sítích centrálního zásobování teplem. Nikl má podstatně větší teplotní součinitel odporu než platina a měřicí rozsah do 200°C je pro uvedené účely dostatečný. Hodnoty odporu v závislosti na teplotě jsou uvedeny v příloze. R., r Termistory jsou polovodiče ~q2 ':-3 N / / o a jsou asi 10x citlivější než kovy, o~ / 'Q. Rp T ~ ale jejich charakteristika je silně '" . / nelineární. Termistory jsou / 20 dvojího druhu: NTC s negativním součinitelem a a PTC s kladným součinitelem 0.. Termistory NTC se také nazývaly "negastory", termistory PTC "pozistory". K 100 50 měření teploty se používají pouze termistory NTC a tak jim zůstal zjednodušený název termistory. Obr. 4.10 Perličkové termistory a linearizace charakteristiky. Na obr. 4.9 jsou uvedeny teplotní závislosti odporu platiny, niklu a termistorů NTC a PTe. Termistoru PTC se používá pouze jako teplotních pojistek u vinutí elektrických strojů. Teplotni závislost odporu termistoru NTC je vyjádřena vztahem
-
.s
-
/
-
R = A I
•
e
· l
I
I -,
B. Trn' T"
J
(4.8)
kde je Rl (O) - odpor termistoru při teplotě t, A (O) - konstanta závislá na materiálu a konstrukci čidla, B (K) - materiálová konstanta, T/!l (K) - termodynamická teplota měření. Konstanty A a B udává výrobce. K měření teploty se používá perličkových termistoru podle obr. 4.10. Nevýhodou termistoru je to, že nelze vyrobit termistory se stejnými charakteristikami a je nutno je jednotlivě kalibrovat. Aby bylo možno jednotlivé termistory zaměňovat, provádí se linearizace jejich charakteristiky, ale pouze v úzkém rozpětí teplot t, až tz přiřazením paralelního rezistoru Rp a sériového rezistoru R;
57
podle obr. 4.10. Rezistorem Rp se nastaví hodnota odporu obvodu na začátku rozsahu a rezistorem R, pak hodnota na konci rozsahu, tj. při teplotách tl a t2 . Tímto opatřením se ale sníží citlivost termistoru. Termistory PTC (pozistory) se vyráběj i z feroelektrických keramických látek (např. BaTi0 3) . Při překročení Curieovy teploty se odpor pozistoru téměř skokově změní (obr. 4.9). Diody lze rovněž využít k měření teploty na základě teplotní závislosti úbytku napětí I:i.UD na diodě při průchodu konstantního proudu v propustném směru. Teplotní citlivost diody závisí na typu diody a na velikosti proudu a je rovna c = I:i.UD ll:i.t = (l až 3,5) mV.K- 1• Charakteristika diod je lineární a proto jsou vhodnější k měření teplot než termistory do cca +200 °C.
4.5.2 KONSTRUKCE ODPOROVÝCH TEPLOMĚRU Odporový teploměr se skládá z odporového snímače teploty, spojovacího měděného vedení, napájecího zdroje a měřicího přístroje - ukazovacího nebo zapisovacího. Qgporový snímač teploty je konstrukční celek, který obsahuje měřicí vložku. V měřicí vložce je měřicí odpor spojený vnitřním vedením se svorkovnící. Pro teploty do 500°C je vnitřní vedení kantalové, pro vyšší teploty je stříbrné. Měřicí vložka podle obr. 4.1] a) se umísťuje do ochranné armatury, se kterou tvoří snímač do jímky (obr. 4.11 b), popř. snímač jímkový (obr. 4.] I c). Odporové snímače teploty se vyrábějí s ponorem 160,250 a 400 mm. Plášťované odporové snímače teploty jsou ve formě dvou vodičů navzájem izolovaných keramickým lisovaným práškem MgO nebo Si02 ve stonkové trubici, kde je rovněž umístěn měřicí odpor. Stonek lze libovolně tvarovat ohýbáním s minimálním poloměrem oblouku 25 mm.Teplotní rozsah -100°C až +250 "C, vysoká stabilita, velká otřesuvzdornost,použití bez jímek do 4 MPa. "''lt
,
,
4.5.3 MERENI ELEKTRlCKEHO ODPORU Uplatňují
se zásadně dvě měřicí metody: můstková (výchylková i nulová) a kompenzační (pro
nejpřesnější měření).
Výchylková můstková metoda je nejrozšířenější provozní metodou měření odporu. Můstek musí být napájen ze stabilizovaného zdroje. Nulová můstková metoda je přesnější než výchylková, ale přístrojově složitější. V laboratorní praxi se používá ručně vyvažovaných můstků, pro provozní měření se používá automaticky vyvažovaných mostů.Vyvažovaný můstek nemusí být napájen stabilizovaným zdrojem, protože v okamžiku měření neprochází měřicí úhlopříčkou můstku proud a zapojený nulový indikátor ukazuje nulovou výchylku. Můstek se obvykle vyvažuje přesnou dekádou R; Odpor větve, kde je zapojen měřicí odpor, musí být vyrovnán justačním rezistorem na hodnotu 16 n (20 n).Změnou teploty spojovacího vedení se mění i jeho odpor při zapojení podle obr. 4.12 a) (tj. při dvouvodičovém zapojení) a to zanáší do měření chyby. Proto je nutno tuto chybu eliminovat. Provádí se to dvěma způsoby zapojení. Třívodičovým zapgjením podle obr. 4.12 b) se vliv změny odporu spojovacího vedení zanese do dvou větví můstku a tím se eliminuje. Tohoto zapojení se používá při délce spojovacího vedení do 50 m. Pro delší spojovací vedení se používá tzv. volné smyčky podle obr. 4.12 c). Kompenzační metoda vyžaduje čtyřvodičové zapojení měřicích odporů; (obr. 4.13) proudové vodiče jsou zapojeny v napájecím obvodu, napěťové vodiče v měřicím obvodu. Měří se úbytek napětí U, na měřicím odporu R, a srovnává se s úbytkem napětí UN na etalonovém odporu RN • Hledaný odpor měřicího odporu Rl se určí ze vztahu R, =RN . U, lUN =k. U, (4.9) Obvod je napájen stabilizovaným zdrojem proudu, úbytek napětí Ut na měřicím odporu RI se měří kompenzátorem. Protože v okamžiku měření neprotéká měřicím odporem proud, neuplatňuje se vliv velikosti odporu spojovacího vedení, ani jeho změn vlivem teploty.
58
bl
. cl
aj
Obr.4 II Snímače teploty: a)
měřici
vvložka, b) snímač do jímky, c)
oustob
U
USt a b
stab
I-
r-1
,
""
!{/ /
'--o
snímač jímkový.
..-I
t-
.>
~
'-
I-
-
~
J
/
/ r·J r· J
al
~ Obr.4.12
r·J , V
i\ "
b)
I I
I
~
Vl
cl I I
I
I I
I I
I I
Rt
LLc z5-J 7
Můstkové
zapojení měřicfho odporu: a) dvouvodičové, b) c) s volnou smyčkou.
I I
I I
I
I
I
I
U~ trivodičové,
Kompenzační
metody měření odporu se používá pouze v laboratorní praxi, protože vyžaduje obsluhu zapracovaným pracovníkem. Dosahuje se ale velmi přesných výsledků měření. lstab )-,1/
/
/
Ohřev měřicího
RN
Rt/"'
I
i-
6 kompenzátor
odporu měřicím proudem Při průchodu měřicího proudu měřicím odporem vzniká Jouleovo teplo a dochází k jeho ohřevu. Ohřátí měřicího odporu není zanedbatelné pro přesná měření a často ani pro měření provozní a proto je nutno s touto okolností počítat. Ohřátí závisí na základním odporu (jeho velikosti, konstrukci) a na prostředí, ve kterém se teplota měří (odvod tepla). Proto nelze stanovit předem jeho velikost. S dostatečnou přesností ale lze stanovit ohřátí při několika velikostech měřicího proudu, při stejných vnějších podmínkách a za stejné teploty. Extrapolaci na nulový proud lze potom provést početně. Pro běžné
Obr. 4.13 Kompenzační metoda měření odporu
59
průmyslové teploměry
se vychází z podmínky, že ztrátivý výkon v měřicím odporu by neměl překročit 0,4 mW. U miniaturních měřicích odporu (např. napařovaných a tištěných) je nutno počítat s ještě menšími přípustnými ztrátovými výkony. Pro běžné provozní snímače s měřicími odpory se základním odporem Ro = 100 n platí, že měřicí proud I až 2 mA způsobuje za běžných podmínek chybu menší než 0,05 "C, U přesných měření je nutno dodržovat předepsaný měřicí proud; musí být udán i v kalibračních listech. Proto se v mnoha případech nehodí k měření teploty celá řada multimetrů, které mají v daném rozsahu větší měřicí proud, např. 10 mA. Měřicí proud u termistorů by neměl překročit hodnotu 50 ~I.A.
. 4.5.4 IONTOVE TEPLOMERY ,
Využívaji skokové změny elektrické vodivosti v oblasti fázové změny pevných elektrolytů. Při vzrůstu nebo při poklesu teploty dochází k přechodu pevné fáze na kapalnou a naopak. Při vzrůstu teploty dochází k rozpadu krystalů, a tím k uvolnění nositelů proudu - iontů - a nastává iontová vodivost. Uvedená změna vodivosti je zvláště výrazná u krystalických látek s iontovou vazbou a je závislá na čistotě látky. Např. u Cdlšr- nastává při změně teploty v rozmezí 1,5 "C při teplotě 567 "C změna vodivosti o 6 řádů, jak je uvedeno na obr. 4.14 a). Čidlem skleněného snímače je skleněná nádobka o průměru 3 mm až 5 mm a délky 20 mm, vyplněná elektrolytem. V elektrolytu jsou ponořeny dvě platinové elektrody a přídavné elektrické topení (obr. 4.14 b). Teplota v čidle je udržována regulátorem na teplotě fázové přeměny a měřítkem měřené teploty (která musí být vždy nižší než teplota fázové přeměny) je velikost topného proudu. Přesnost měření dosahuje až 0,5 %, tj. 3 "C. Schéma zapojení obvodu je uvedeno na obr. 4.14 d). Novější čidla iontových teploměrů mají pevný elektrolyt (obr. 4.14 c) ve formě tenké vrstvy nanesené na keramické podložce o průměru 5 mm a tlouštce 2 mm se zapálenými elektrodami. Podle volby druhu elektrolytu lze použít iontové teploměry od 200 "C do 700 "C. 10" K
I
10'3
I
c:»: --.--. .-. - - -- .-,. . . ,
'
'
I CdBr 2
bl
1
I
(Sl
.
,
,
a}
10-5
sklo kor und zlato
c)
I stoo
t> výstup
Obr. 4.14 Iontový teploměr: a) statická charakteristika, b) skleněný snímač s kapalným elektrolytem, c) snímač s tuhým elektrolytem, d) zapojeni snímače.
4.5.5 KRYSTALOVÉ TEPLOMĚRY •
Cidlem krystalového teploměru je speciálně provedený výbrus krystalu. Tento krystal je zapojen v rezonančním obvodu tranzistorového oscilátoru. Měřená teplota krystalu mění jeho rezonanční kmitočet a tím také frekvenci oscilátoru, jehož kmity se směšují s kmity teplotně nezávislého referenčního oscilátoru. Rozdílový kmitočet se vyhodnocuje čítačem a indikuje na číslicovém displeji. Frekvenční rozdíl je přesně úměrný přírůstku teploty, a tak indikátor udává teplotu přímo ve "C. Teplotní závislost rezonančního kmitočtu krystalu je lineární v rozsahu teplot od -80 do 250 "C s odchylkou maximálně 0,05 %, rozlišitelnost až 0,0001 "C. Blokové schéma zapojení krystalového teploměru je na obrA.15 (výrobek fy Hewlett Packard, USA). Krystalové výbrusy Kl a K 2 mají teplotní součinitel kmitočtu 35.lO'6K,'. Oscilátory snímačů pracují na frekvenci cca 28 MHz, takže jmenovitá citlivost snímače je cca 980 Hz.K I . Při měření
60
teploty tl snímačem Kl je druhý snímač K2 termostatován. Při měření teplotního rozdílu jsou nasazeny oba snímače jako měřicí. Kmity příslušného oscilátoru jsou přiváděny přes hradlový obvod do směšovače, kam se přivádí také referenční signál z referenčního oscilátoru. Rozdílový kmitočet ve směšovači se zjišťuje čítačem. Interval činnosti čítače určuje hradlo, ovládané časovými impulsy získanými dělením kmitočtu referenčního oscilátoru. Čítacím intervalům (0,1 - 1,0 - 10,0) s odpovídá rozlišitelnost přistroje 0,01 °C - 0,001 °C - 0,0001 "C.
K1
osciCátor
28 MHz
indikace
s nirnnče K1
znaménka č
tf I'
ti nebo t
,
. ,
~ 28MHz:--
2 o c; C I l Cl t ():' snímače K
z
i's Iic ové / t U py vys
2
-
'"
hr o d ío vy
směšovat
obvo d
lt~ , I
X 10
2)8 MHz
.
I
dětlCI
I
obvody
funkce
tot
ovtádací
br o d Iu
'ciHivost '.,
I
ti
í
nebo reference x 10
I
(O oCl
č
L
,
refere nč ní o s c i Cá.tor
•
t2 t i ·\
.01
.001 DODl
Obr.4.15 Zapojení krystalového
teploměru
Krystalové teploměry se pro svou citlivost a přesnost používají v kalorimetrii, kryogenice, ebuliometrii, diferenční tepelné analýze. při proměřování teplotních polí a při ověřování teploměrů.
4.6 TERMOELEKTRICKÉ TEPLOMĚRY Využívají k měření teploty termoelektrického jevu v termoelektrickém článku. Teplotní závislost termoelektrického napětí E termoelektrického článku lze vyjádřit obecným tvarem rovnice polynomu E = Lx,.ť (/lV) (4.10) Rovnice k určení teploty z termoelektrického napětí má tvar t=LYi.E' (0C) (4.11) Rovnice pro konkrétní termoelektrické články jsou uvedeny v ČSN LEC 751. Dvojice materiálů na výrobu termoelektrických článků má vykazovat pokud možno velký přírůstek termoelektrického napětí s teplotou, stabilitu údaje při dlouhodobém provozu a odolnost proti chemickým a mechanickým vlivům. Pro průmyslové použití v oblasti středních teplot jsou nejrozšířenějšími termoelektrickými články železo - měďnikl (Fe-CuNi), měď - měďnikl (Cu-Cuř-Ii), niklchrom - nikl (NiCr-Ni), niklchrom - měďnikl (NiCr-CuNi) a niklchrom - niklhliník (NiCr-NiAl). Pro vysoké teploty se používají termoelektrické články ze vzácných kovů a to platina rhodium platina (PtRhlO-Pt a PtRh13-Pt, popř. PtRh30-PtRh6) a wolframrhenium - wolframrhenium (WRe5WRe20, WRelO-WRe20, WRe5-WRe26 a WRe3-WRe25). Teplotní rozsahy jednotlivých termoelektrických článků a hodnoty termoelektrického napětí jsou uvedeny v příloze.
4.6.1 ZAPOJENÍ TERMOELEKTRICKÝCH TEPLOMĚRŮ Schematické zobrazení základního zapojení termoelektrického teploměru je na obr. 4.16 názvosloví. Termoelektrický článek je z měřicího místa prodloužen do srovnávacího místa 61
včetně
-mHicí SPOJ
I
I- -, I 1"._ s r ovn cv c c r
I
svorkovnice I I I
..::
.
sPoJe
I L
Lte rmoelektri cký
kompenzační vedení
,
.,...
I
.-
svor ky prlst roje
/
, .J Cu - spojova cí ve dení
(prodlufovQcl)
članek
Obr. 4.16 Zapojení termoelektrického
článku včetně
názvoslovi.
prodlužovacím nebo kompenzačním vedením. Prodlužovací vedení je shodného složení jako vlastní termoelektrický článek z obecných kovů. Kompenzační vedení je určeno pro termoelektrické články ze vzácných kovů, ale je vyrobeno z obecných kovů. Prodlužovací i kompenzační vedení mají shodné termoelektrické vlastnosti jako termoelektrický článek, ale pouze do teploty 200 "C, protože se předpokládá, že teplota vedení nepřekročí tuto hodnotu. Ze srovnávacího místa je termoelektrický článek připojen k měřicímu přístroji spojovacím měděným vedením. V některých případech může být připojen přístroj přímo kompenzačním nebo prodlužovacím vedením, když teplota svorek přístroje nebude kolísat. Při kolísání teploty srovnávacích spojů je nutno provést takové opatření, aby to neovlivnilo přesnost měření. Používá se buď tepelná kompenzace - termostatem, nebo elektricky - kompenzační krabicí. +
r-- ----..,
+
-/
R'J
Obr. 4.17 Srovnávací termostat.
Obr.4.18
Kompenzační krabice.
Srovnávací termostat podle obr. 4.17 je vyhřívaný na teplotu 50 "C (výjimečně na 70°C). Používá se pro případy měření více termoelektrickými teploměry. Do jednoho termostatu lze umístit až 12 spojů termoelektrických článků i různých druhů. Kompenzační krabice podle obr. 4.18 je obchodní název můstkového obvodu určeného ke kompenzaci změn teploty srovnávacího spoje elektrickou cestou. V obvodu termoelektrického článku je zapojen můstek se třemi konstantními rezistory a jedním měděným - tepelně závislým. Můstek je vyvážen při teplotě 20 "C. Při nižší nebo vyšší teplotě se poruší rovnováha můstku a obvodem termoelektrického článku bude protékat kompenzační proud takové velikosti a smyslu, že kompenzuje úbytek nebo přírůstek termoelektrického proudu a údaj přístroje se tak nemění. Můstek je napájen stejnosměrným napětím 3,5 V. Pro každý termoelektrický článek je třeba jedna kompenzační krabice.
62
vv
,
, . . ,
,
4.6.2 MERENI TERMOELEKTRlCKEHO NAPETI Termoelektrické napětí se měří výchylkovou a kompenzační metodou, tj. milivoltmetrem nebo kompenzátorem. Milivoltmetr při výchylkové metodě měření neudává přímo termoelektrické napětí E (mV), ale vlivem úbytku napětí v obvodu hodnotu e (mV), která je závislá na odporu obvodu termoelektrického článku r J a vnitřním odporu milivoltmetru R. Popisují to vztahy R R+r e=E atedyanalogicky E=e j (4.12) R+~ R •
Cím bude větší vnitřní odpor milivoltmetru při stejném odporu obvodu (bývá 16 nebo 20 ohmů), tím se více bude blížit údaj přístroje e termoelektrickému napětí E. U číslicových milivoltmetrů s vysokým vnitřním odporem lze předpokládat, že e = E. Jako provozních přístrojů se používá ukazovacích milivoltmetrů, které pro zápis nemají dostatečnou přestavující sílu. Pro zápis lze použít pouze bodových přístrojů (až sedmimístné, vybavené automatickým přepínačem. Bývají opatřeny stupnicí ve °C pro použité druhy termoelektrických článků. Elektrická nula přístroje je buď 20°C (při použití kompenzační krabice), nebo 50 °C (při použití termostatu). Kompenzační metoda měření termoelektrického na~ umožňuje přímo určit velikost termoelektrického napětí E, protože v okamžiku měření neprotéká obvodem termoelektrický proud. Tím zde nenastává úbytek napětí jako u výchylkové metody. Měřicí přístroje jsou kompenzátory, a to s konstantním proudem, s konstantním odporem a mostové kompenzátory. Kompenzátor s konstantním proudem je schematicky uveden na obr. 4.19 a). Kompenzační obvod je napájen ze stabilizovaného proudového zdroje, takže kompenzační napětí na potenciometru P je konstantní (U = konst.). V měřicím obvodu je zapojen termoelektrický článek v sérii s nulovým indikátorem NI. Zapojení zdroje a termoelektrického článku je provedeno tak, aby obě napětí působila proti sobě. Na potenciometru P se běžcem vyhledá místo, kde termoelektrické napětí E je rovno úbytku napětí. V tomto okamžiku ukáže nulový indikátor nulovou výchylku a obvodem termoelektrického článku (měřicím obvodem) neprochází žádný proud. Poloha běžce udává velikost termoelektrického napětí E. Potenciometrem bývá velmi přesná dekáda (kliková nebo kolíková). Termoelektrický článek se připojuje přímo nebo prodlužovacím (kompenzačním) vedením na svorky kompenzátoru. Tento druh kompenzátoru patří mezi nejpřesnější přístroje. 'T"
U
Us t o b .
/t-
/r
.-
p
U
R
E
t
tm ~
"
./
1
Q.)
I
E
(NI ")
, ř!
......
(mA
U=konst I
/
tm
t5
/N/'-, /
h)
L-
Cl) • -oUs t a ~;....'- - - - - _ .
Obr. 4.19 Kompenzátory: a) s konstantním proudem, b) s konstantním odporem. c) automaticky mostový kompenzátor. Kompenzátor s konstantním odporem je schematicky uveden na obr. 4.19 b). Kompenzační napětí U se nastavuje rezistorem r tak, aby bylo rovno právě termoelektrickému napětí E. Když se toho dosáhne, ukáže nulový indikátor NI nulovou výchylku. Miliampérmetr v kompenzačním obvodu
63
měří
okamžitý kompenzační proud úměrný napětí U, a tím měřenému termoelektrickému napětí E. Miliampérmetr mívá stupnici přímo v mV. Oba uvedené typy kompenzátorů jsou určeny pro laboratorni práce s ručni obsluhou. Pro průmyslové použití se vyrábějí automatické kompenzátory v mostovém provedení, většinou jako . , zapisovacr. Mostoyý kompenzátor podle obr. 4.19 c) má v měřící úhlopříčce zapojen zesilovač, který ovládá balanční motorek M pohánějící běžec potenciometru (a případně zapisovací mechanismus). Zapisovače se vyrábějí s dobou přeběhu ukazatele přes celou stupnici kratší než 1 sekunda. Přesnost údaje automatického mostového kompenzátoru je 0,1%, zápisu 0,25%.
4.6.3 KONSTRUKCE TERMOELEKTRICKÝCH TEPLOMĚRŮ použití jsou termoelektrické články umístěny do ochranných trubic, které jsou konstrukčně shodné s odporovými snímači teploty. Termoelektrický článek je tvořen dvěma vodiči, které jsou spolu v místě měřicího spoje svařeny. Průměry drátů jsou do 3,5 mm pro obecné kovy a 0,35 mm pro vzácné kovy. Dráty jsou navzájem izolovány a připojeny na svorkovnici v hlavici měřicí vložky. Snimače se vyrábějí o ponorech 100 mm až 2 m. Vyrábějí se jednoduché nebo dvojité (se dvěma termoelektrickými články). Speciálním provedením je derivační termoelektrický článek (obr. 4.20). Jsou to v podstatě dva termoelektrické články v diferenčním zapojení v jedné ochranné trubici. Měřicí spoj jednoho termoelektrického článku je přivařen na dno ochranné trubice, druhý spoj je uložen v izolačním tělísku (tepelně izolován). Při neměnné teplotě mají oba spoje stejnou teplotu a výstupní signál, tj. Pro
průmyslové
re gutá-
I
t
'-_.
tor
m
hta vní te rrnoe r.e ktderivační
r ický čtánek
111111-'
b>
Q)
Obr. 4.20
~
~
terrnoetektrický trn
čtánek
Derivační termoelektricky článek:
a) měřicí spoje, b) zapojení v regulačnlm obvodu..
termoelektrické napětí je nulové. Při stoupání teploty má neizolovaný spoj vyšší teplotu než izolovaný a na výstupu vznikne kladný signál (odpovídá kladné derivaci teploty). Při poklesu teploty naopak neizolovaný spoj má nižší teplotu než izolovaný a na výstupu se objeví záporný signál. Polarita signálu tak odpovídá smyslu změny teploty, tedy její derivaci a velikost signálu odpovídá rychlosti změny teploty. Derivační snímač se používá hlavně v regulačních obvodech, kde je zapojen v sérii s hlavním termoelektrickým teploměrem zapojeným na regulátor. V ustáleném stavu neovlivňuje funkci regulačního obvodu, ale při změnách teploty ovlivňuje signál hlavního teploměru. Tím dosahuje předstih při snímání změn teploty, zásah regulátoru je intenzívnější a kompenzuje tak teplotní zpoždění signálu ze soustavy. Sériový termoelektrický článek se používá při měření malých teplotních rozdílů, kdy by termoelektrické napětí jednoho termoelektrického článku bylo příliš malé. Termoelektrické napětí seriového n-násobného termoelektrického článku je také n-násobné, tedy E; = n.E, , kde n je počet párů termoelektrických článků. Na obr. 4.20 je schéma zapojení sériového termoelektrického článku s milivoltmetrem, jehož údaj bude roven v souhlase s (4.12)
e; = n. E.
R
(4.13)
R+rj
64
Miniaturní provedení sériového termoelektrického článku se používá např. jako detektoru u pyrometrů na celkové záření (až 32 spojů na 2 mnr' ). L---_rI Plášťované termoelektrické články mají termoelektrické vodiče uloženy v plášti z nerezavějící oceli, inconelu příp. jiného materiálu podle pracovního prostředí. Vyrábějí se tzv. n kabely v délkách až 30 m. Vodiče jsou v plášti izolovány po nt V celé délce práškovitým MgO nebo A1 20 3• V jednom plášti \. ~ .----,"T_ mohou být až čtyři dvojice vodičů (čtyři termoelektrické r ~- - - - h L:.. -=-.I články). Plášti se vyrábějí o průměrech od 0,15 mm do 6 mm a t. o rdélkách do 30 m. T y10 rozličné průměry se vyrábějí válcováním a tažením ze základních polotovaru o průměru cca 50 mm a Y-' / J délce cca 6 m). Uživatel vyrábí sám spoje a konektory, popř. si lze objednat hotové Obr.4.2 I Sériový termoelektrický termoelektrické článek. smmace se SPOJl. " Rez plášťovaným termoelektrickým článkem je na obr. 4.22 a) s uvedenými rozměry. Měřicí spoje jsou uzemněné, izolované a otevřené. Uzemněné měřicí slli?k jsou svařeny přímo s pláštěm podle obr. 4.22 b), což zajišťuje velmi rychlou odezvu na změny měřené teploty. Nevýhodou je nemožnost použití některých typů vyhodnocovacího zařízeni (počítače) a možnost napadení spoje agresivním prostředím. Izolovaný měřicí sP-Qi - spoj je od pláště elektricky izolován podle obr. 4.22 c). Toto provedení umožňuje připojení k libovolnému vyhodnocovacímu zařízení. Ale rychlost odezvy na změnu teploty . "' Je mensl. Nezávi~lé měřicí s~ - jednotlivé spoje vícenásobného termoelektrického článku jsou izolovány nejen od pláště, ale i mezi sebou (obr. 4.22 d). Otevřený měřicí sP-Qi - spoj je vytvořen mimo plášť (obr. 4.22 e). Tento spoj je vytvořen vodič vyčnívajícími z pláště, takže je zaručena velmi rychlá reakce na změnu teploty. Použití je ale omezeno na pracovní prostředí, které nenapadne měřicí spoj. Nehodí se k měření teploty kapalin a vlhkých plynů a par. .. r:----~-:-1
/..1:t
,
012D
·. ,
'0/
••
..:'
,
li) ·1,
U! e-r-
0-'
•
..
.
O
-~
"S-.L.---P'i~~1
0,18 0'-+--+-1
0130
014D
Obr. 4.22
;
'
Plášťované
I
o
o{
•
a)
·· • •• • ·.'· · ,• " · • ·· • ·• · • •, • •• · ·
• . .' 1: , . ·• , • '.,. , , ·J,.: •
Ol
:.- ·,
·
bl
,
• J~
l
••
•,
,
,.
•
e
•
~
d)
bl
"
.••: : l- · , • '.1
•\
•
~
.~
I
.. ~
c)
e)
termoelektrické články:a) řez, b) uzemněné spoje, c] izolovany spoj. d) nezávislé spoje. e) otevřený spoj.
Mezi hlavní výhody plášťovaných termoelektrických článkl! patří uložení vodičů po celé délce v netečném materiálu, Tím jsou tyto vodiče chráněny před působením pracovního prostředí a zajištěna vysoká stabilita a odolnost proti stárnutí. Výhodou je i velmi rychlá reakce na změny měřené teploty. Tyto termoelektrické články nemusí být uloženy v ochranných jímkách. Dalšími výhodami je vysoká odolnost proti teplotním a tlakovým rázům, dobré mechanické vlastnosti (ohebnost, malé rozměry, malá hmotnost) a jednoduchá manipulace. r
w
,
4.7 SPECIALNI DOTYKOVE TEPLOMERY Sem patří teploměry pro speciální, popř, jednorázové použití, např. k měření povrchových teplot apod. Jedná se především o barevné indikátory teploty a optoelektronické snímače teploty.
65
4.7.1 BAREVNÉ INDIKÁTORY TEPLOTY Podle funkčního principu lze barevné indikátory rozdělit na čtyři základní typy: chemické, tavné, kapalné krystaly a luminiscenční. Chemické barevné indikátory teploty jsou složité látky, které při dosažení určité teploty ostře změní svoji barvu vlivem chemických složek. Tato změna může probíhat pomalu nebo rychle, vratně nebo nevratně. Teplota přechodu i změna její barvy závisí na chemickém složení materiálu indikátoru a to v rozsahu od 40 "C do 1000 "C. ThPloměrové barvy jsou buď v prášku a teprve těsně před nanášením na měřený povrch se rozmíchají v alkoholu, nebo jsou připraveny k použití v kapalném stavu. Teplotní rozsah barev je od 40 "C do 1370 "C, přesnost I %. Barvy se nanášejí před ohřevem. Při vlastním ohřevu se barevná stopa změní při dosažení teploty zvratu. ThPloměrové tužky se nanášejí na ohřátý povrch. Jsou jednozvratné (mají pouze jednu změnu barvy), dvouzvratné (mění svoji barvu při dvou teplotách) nebo reverzibilní (mění svoji barvu při stoupání teploty a při jejím poklesu nabývá původní barvy). Teplotní rozsah do 1400°C. Měří se jimi teploty pouze kovových těles. Th,ploměrové tablety se ukládají na měřené těleso před ohřevem. Při dosažení teploty zvratu se mění barva tablety. Teplotní rozsah až 1650 "C, rozměry 0 II x 3,5 mm, popř. 03,5 x 3,5 mm.
N N =:
38
43
49
54
oe
lJ)
U)
b)
cl
tb12
45 Obr. 4.23 Indikátory teploty - nálepky. Th,ploměrové
nálePkY jsou obvykle nalepeny na adhesivním podkladu, kterým se přitisknou na měřený povrch. Nálepkou je černý kroužek s bílým středem (obr. 4.23), tzv. indikačním okénkem. Při dosažení teploty zvratu okénko zčerná. Pro vlastní použití jsou nalepeny čtyři indikátory na jedné podložce s teplotními rozsahy např. (38 - 43 - 49 -54) "C až (188 - 193 - 199 - 204) "C ve 28 sadách. lndikátory jsou kryty průhlednou fólií. Miniaturní indikátory jsou jednotlivé, některé mají několik indikačních okének. V podobné formě nálepek jsou vyráběny i kapalné krystaly. Luminiscenční barevné indikátory teploty mění svůj jas nebo barvu světélkování s teplotou podle složení luminoforu, chemického přírodního aktivátoru a přítomnosti tzv. hasitelů luminiscence. Intenzita záření luminoforů závisí na intenzitě budícího ultrafialového záření. Luminofor ZnS aktivovaný Mn světélkuje při normální teplotě jasně modrým světlem, při teplotě 90 "C vyzařuje žluté světlo. Luminofor ZnS aktivovaný kyslíkem světélkuje při normální teplotě šedozeleným světlem, při teplotách 100 "C až 300 "C vyzařuje žlutočervené světlo. Některé indikátory mění se světélkováním současně barvu nanesené vrstvy, čímž se zvětšuje intenzita světélkování. Změny barvy nanesené vrstvy jsou patrné i při denním i umělém světle a odpadá nutnost ozáření měřeného povrchu ultrafialovým světlem. Walné krystaly jsou organické sloučeniny, které při ohřevu na určitou teplotu tají a během tání mění své vlastnosti, především index lomu bílého světla. K měření teploty se používá kapalných krystalů, kde každá molekula má plošné uspořádání. Proto se kapalné krystaly musí při nanášení na měřený povrch roztírat štětcem v jednom směru, aby bylo dosaženo polarizace molekul (nelze např. použít nástřiku). Kapalných krystalů se používá výhradně k měření povrchových teplot, resp. rozložení teplotního pole. Nejjednodušším způsobem aplikace je nátěr o síle několika setin milimetru přímo na povrch
66
měřeného předmětu. Podklad musí být černý; proto při jiné barvě povrchu je nutno tento natřít černou nelesklou barvou. Barevná změna je vratná a okamžitá.
Nevýhodou kapalných krystalů volně natřených na povrchu je působení okolního prostředí na jejich účinnost; po několika hodinách se začnou měnit jejich parametry. Dlouhodobou životnost mají foliové teplotní indikátory. Jejich nevýhodou je menší rozlišovací schopnost a nemožnost proměření členitých povrchů.
Velkou výhodou kapalných
krystalů je jejich
levnost a není
třeba přídavných čtecích zařízení.
Výhodou barevných indikátorů teploty je to, že nepotřebují speciální a nákladnou měřící aparaturu. Jsou použitelné v širokém rozsahu teplot a to i na nepřístupných místech předmětů libovolného tvaru včetně pohybujících se těles. Nepodléhají vlivu statické elektřiny ani vlivu magnetických polí, ani vysoké frekvence, umožňují měření povrchových teplot i na velkých plochách. Jsou levné, maji zanedbatelnou hmotnost, neovlivňují rozměry měřených součástí ani teplotní pole, snadno se nanášej Í. Nevýhodou barevných indikátorů teploty je možnost prohlídky indikátoru někdy až po skončeni měření (např. u pohybujících se objektů), II šikmých a svislých ploch může dojít ke stékání stopy indikátoru a nutnost zdroje ultrafialového záření II některých luminiscenčníchindikátorů.
4.7.2 OPTOELEKTRONICKÉ SNÍMAČE TEPLOTY Sestava optoelektronického snímače teploty má obvykle tyto části: a) měřicí část z teplotně citlivého světlovodného vlákna v ochranném obalu, b) signálové vedení ze světlovodných vláken z křemenného skla s velmi malým útlumem v PVC obalu, c) elektrické konektory s luminiscenčními diodami, fotodiodami a světlovodnými vlákny, d) elektronický stabilizátor proudu pro LED diodu, e) zesilovač signálu z detektoru. Podle funkčního principu lze rozdělit optoelektronické snímače teploty na refraktometrické, absorpční, polarizační a fluorescenční. Refraktometrické snímače využívají závislosti indexu lomu světlovodného vlákna na indexu lomu okolního prostředí. Měřicí část světlovodného vlákna je tvarována (jako písmeno U) v délce pouze několika milimetrů. Vlákno je nutno sensibilovat a kalibrovat pro zvolený rozsah teploty a pro měřené prostředí, jehož teplotní závislost indexu lomu známe. Absorpční snímače využívají teplotní závislosti absorpční hrany. Jsou tvořeny čidlem z materiálu GaAs nebo CďTe. Do čidla jsou přiváděny impulsy o vlnových délkách 0,87 um a 1,27 um z LED diod. Impulsy vlnové délky I,27 um jsou referenční. Teplotní POSWl absorpční hrany je detekován germaniovou lavinovou diodou. V některých případech se využívá vysoké optické aktivity křemíku. Konec vlákna je pokryt vrstvou křemíku a na ni je nanesena odrazová vrstva. Světlo šířící se světlovo dem se odrazí od odrazné vrstvy zpět na vstup optického vlákna a na detektor. Intenzita odraženého světla závisí na teplotě a je vyhodnocována jako měřící signál. Polarizační snímače s křemíkovými čidly využívají teplotní závislosti natáčení roviny polarizace světla. Polarizované světlo z He-Ne laseru se jako rovnoběžný svazek paprsků po průchodu křemíkovým blokem a čtvrtvlnnou destičkou odráží zpět od zrcadla do detektoru. Velikost natočení roviny polarizace světla závisí na jeho vlnové délce, na optické dráze a na teplotě materiálu. Statická charakteristika křemíku je až do teploty 180 "C lineární. Fluorescenční snímače jsou buzené a samobuzené. Fluorescenční látka je nanesena na konci měřicí části světlovodného vlákna, kterým je přiváděno ultrafialové záření. To vyvolá fluorescenci ve viditelné oblasti spektra (např. teplotní závislost intenzity červené a zelené složky záření). Poměr intenzit těchto dvou složek záření je teplotně závislou měřicí veličinou. Teplotní závislost doby osvitu luminoforu u snímačů buzených impulsy záření wnožňuje měření teploty od -100 "C do 800 "C, Zdrojem záření je laserová dioda pracující na vlnové délce 750 run. Její
67
výkon je 3 mW až 5 mW. Alternativně lze použít též svítící diody s výkonem 2 m W. Šířka impulsu je 600 JlS; po 50 JlS za sestupnou hranou impulsu je měřena doba dosvitu, která je funkcí teploty. U samobuzeného snímače se zahřátím světlo vodu na dostatečně vysokou teplotu vyvolá záření materiálu světlovodu. Tak lze indikovat po délce světlovodu místa se zvýšenou teplotou. Konstrukce snímače je velmi jednoduchá, protože nevyžaduje zdroj budícího záření. K detekci vyvolaného záření se používá křemíkové nebo germaniové diody. Rozsah měření teploty je od 135 "C do 725 "C. Výhodou optoelektronických snímačů teploty je vysoká odolnost proti rušivým vlivům elektromagnetických a mikrovlnných polí a ideální oddělení vyhodnocovací elektroniky od měřicích míst. Optické signály lze přenášet až na několik set metrů. Lze jimi měřit teploty v korozivním prostředí při použití světlovodů chráněných plasty. Další výhodou je velký měřicí rozsah (-100 "C až 700°C), vysoká přesnost mčření (od nčkolika desetin kelvinu po dva kelviny) a také možnost použití k měření teploty živých tkání ohřívaných elektromagnetickým polem při léčebných postupech. Nevýhodou optoelektronických snímačů teploty je nutnost vyhodnocení měřicích signálů mikropočítači řízenou aparaturou, poměrně vysoké pořizovací náklady a nutná zaškolená obsluha. "
,
,
..,.
v
4.8 ZABUDOVANI DOTYKOVYCH TEPLOMERU Základním předpokladem správného měření teploty dotykovými teploměry je správné umístění snímačů teploty v měřeném prostředí. Měřicí místo musí být voleno tak, aby byla zajištěna snadná montáž a demontáž snímače včetně údržby. Pro dosažení co nejmenší chyby měření je nutno zajistit, aby tepelné ztráty ze snímače teploty do okolí byly co nejmenší, a aby byl zajištěn co největší přestup tepla z měřeného prostředí do snímače teploty. Dále je pro správnou funkci teploměru nutno zajistit bezvadný stav celého měřicícho zařízení. Specifické podmínky je třeba splnit podle toho, proudícího, teplota kapalin, teplota povrchu apod.
měří-li
se teplota plynu v klidu, nebo plynu
4.8.1 MĚŘENÍ TEPLOTY PLYNŮ A KAPALIN Při měření teploty plynu v klidu, tj. v uzavřených prostorech (např. v topeništích, pecích,
sušárnách apod.) je třeba umístit snímač do takového místa, kde je měřená teplota pro sledovaný proces reprezentativní. Pro eliminaci tepelných ztrát sáláním je nutno použít snímač dostatečné délky a opatřit jej kryty proti sálání. Ve zvláště obtížných podmínkách je nutno použít tzv. průtočného teploměru, jehož snímačem protéká prostředí o měřené teplotě (to je zajištěno obvykle odsáváním vývěvou). Zvýšením rychlosti proudění se podstatně omezí tepelné ztráty sáláním a zvětší přestup tepla do snímače teploty. Při měření
teploty proudícího plynu potrubím je třeba omezit ztráty tepla sáláním ze snímače do stěny potrubí jednak ochrannými kryty proti sálání, jednak tepelnou izolací potrubí v místě zabudování snímače teploty. Pro zvýšení přestupu tepla do snímače se tento umísťuje do místa o vyšší rychlosti a nikoli do tzv. mrtvých koutů. Cidlo snímače teploty má zasahovat do středu potrubí (do jeho osy), ponor minimálně 160 mm. Proto u potrubí menších světlostí se snímače umístí šikmo k ose potrubí proti směru proudění, popř. do kolena rovněž proti směru proudění. Pro nižší teploty se teploměrové jímky plní olejem, popř. jiným plnidlem, aby se zvýšil přestup tepla z jimky do snímače teploty. v
Při měření teploty rychle proudících plynů (od 20 m.s") vznikají při měření přídavné chyby měření
teploty přeměnou kinetické energie proudícího plynu v teplo. V tomto případě může udávat snímač teploty skutečnou teplotu proudícího plynu (r.), celkovou teplotu plynu (klidovou) (tc) nebo teplotu mezi celkovou a skutečnou, cožje v praxi nejčastějším případem. oteplením
snímače
68
Při
úplné přeměně kinetické energie proudícího plynu v teplo, stoupne teplota snímače o tzv. adiabatický rozdíl LÍtad =tc - t, , což lze vyjádřit vztahem W2
(4.14)
Matl = / - t s =2- .c C
p
kde je w - rychlost
proudění a cp - měrná
tepelná kapacita proudícího prostředí.
Pro vzduch je cp = 1 000 J.kg'I.K'1 a proto vztah (4.14) bude mít zjednodušený tvar Lllad
= wi2/ 2000 = 0,0005. w·?
(4.15)
Že adiabatická chyba není zanedbatelná, ukazuje tabulka 4.5 vypočtených hodnot oteplení snímače proudícím vzduchem různou rychlostí. ,
T.a. b 4. 5 .. Ad'ta ba ťICk'e oI eptent I sntmace ie teplotv pii ruzne rů epto on ryc hlos ťI prouděni ent vz d uc h u. ,
w (m.s")
20
30
40
50
60
70
80
90
(oe)
0,2
0,45
0,8
1,25
1,8
2A5
3,2
5,0
j,/ad
Ve skutečnosti se celá kinetická energie nepřemění v teplo, tzn., že údaj teploměru tl není roven roven celkové teplotě ln ale je nižší. Skutečné zvýšení teploty Ll/s = t, - i, k adiabatickému zvýšení teploty Ll/ad vyjadřuje tzv. restituční faktor r, tedy
r= 100.Ll/ /Lll ad I•
~'
f
r \
.~
,,\:
..
~ ~/
t Obr. 4.24
(%)
(4.16)
Pro dosažení velké a stálé hodnoty restitučního faktoru se konstruují různé teplotní snímače, z nichž jeden typ je uveden na obr. 4.24. Konstrukčně je tento snímač proveden tak, aby bylo dosaženo přeměny kinetické energie a teplotní ztráty byly co nejmenší. Snímač se nastavuje ve směru proti proudění plynu. Plyn vstupuje do snímače, omývá čidlo (v tomto případě termoelektrický článek) uložené ve stínicích krytech proti sálání. Plyn vystupuje ze snímače otvory, jejichž plocha je cca 25% vstupniho průřezu. V oblasti rychlosti proudění (30 až 120) m.s' je r = 100 %. Vlastnosti snímače se nemění, není-li úhel odklonu od směru proudění větší než + 5°. Při odklonu osy snímače od osy potrubí o úhel 10° poklesne hodnota restitučního faktoru o 0,5 %, při 15° cca o I % a při 20° cca 02 %.
Snímač teploty
rychle proudícího plynu. Měření teploty kapalin v nádobách vyžaduje míchání měřené kapaliny, aby byl zvětšen přestup tepla do snímače a aby bylo dosaženo homogenního teplotního pole. Ztráty tepla vedením se omezí dostatečným ponorem snímače. Ztráty tepla sáláním jsou zanedbatelné. Měření teploty proudící kapaliny se provádí podobně jako u proudících plynů. Zjednodušení nastává v tom, že není třeba provádět ochranu proti ztrátám tepla sáláním. Snímače
do teploměrových jímek nebo ochranných trubic, které je chrání před působením prostředí a to chemickým i mechanickým. Materiál jímek musí proto splňovat tyto požadavky: musí být neprodyšný, nesmí vyvíjet škodlivé plyny, musí odolávat náhlým změnám teploty, chemickým vlivům měřeného prostředí a být mechanicky pevný při pracovních teplotách. teploty se
téměř
vždy
umísťují
69
..,..,
T
v
4.8.2 MERENI TEPLOTY TELES Měření
teploty těles vyžaduje umístění snímače do místa, kde lze naměřit požadovanou teplotu. Proto se používá vesměs termoelektrických článků jako čidel snímačů teploty. Při měření povrchových teplot je třeba zamezit tepelným ztrátám vedením z čidla snímače teploty. Při měření povrchové teploty kovových těles je nejlépe měřicí spoj termoelektrického článku připájet přímo na měřený povrch nebo na pomocnou destičku podle obr. 4.25 a), popř. jej zapustit pod , povrch a překrýt destičkou (viz obr. 4.25 b). Uprava termoelektrických článků k měření povrchové teploty potrubí velkých světlostí je na obr. 4.25 c) a pro malé světlosti potrubí na obr. 4.25 d). Vždy je třeba 'dbát, aby termoelektrické dráty byly vedeny od měřicícho místa pokud možno ve směru izotermy a pak teprve vyvedeny mimo potrubí.
dl
b)
Obr. 4.25
Měření povrchových
teplot: a) na kovech, b) na izolačních materiálech, c) na velkých potrubích, d) na malých potrubích.
Při měření
te.1?loty na povrchu jzolačních materiálů se teplotní pole snímačem teploty poruší více než u kovových těles. Proto délky termoelektrických vodičů vedených po izotermě od měřícícho spoje musí být větší, než u kovových těles.
4.9 BEZDOTYKOVÉ TEPLOMĚRY Bezdotykové teploměry využívají k měření teploty tepelného záření. Lze je rozdělit do několika skupin podle různých hledisek, např. podle spektrální oblasti využitého záření (vlnové délky záření), podle způsobu měření nebo podle optického systému apod. Zásadně se bezdotykové teploměry dělí na přímoměřící (pyrometry) a zobrazovací (fotografické a tennovizní systémy). Rozdělení pyrometrů je v praxi nejvhodnější podle spektrální oblasti, a to na monochromatické, pásmové. spektrálního rozložení a úhrnné. Rozdělení zobrazovacích systémů tennovizních je nejvhodnější podle způsobu rozkladu obrazu a podle detektoru záření.
4.10 PYROMETRY K měření teploty využívají pyrometry tepelného záření v různých oblastech spektra. Na obr. 4.26 je uvedena závislost zářivé energie na vlnové délce při různých teplotách. Plocha pod křivkou pro danou teplotu udává celkově vyzářenou energii (úhrnné záření), délka úsečky při určité vlnové délce pak monochromatické záření.
4.10.1 MONOCHROMATICKÉ PYROMETRY Monochromatické pyrometry se nejčastěji nazývají jasové. Využívají k měření teploty úzkého spektrálního pásma v oblasti viditelného záření. Tato oblast je vymezena barevným filtrem, nejčastěji červeným (A = 0,65 11m). Spektrální zář Em.. černého zářiče při vlnové délce A a při teplotě T je podle Planckova zákona rovna
70
(4.17)
10. (W.m ) - první vyzařovací konstanta, 2 C2 = 1,43 . 10. (m.K) - druhá vyzařovací konstanta. Měřicím principem pyrornetru je srovnávání jasu měřeného předmětu s jasem srovnávacího zdroje - pyrometrické žárovky'. Přitom se buď mění jas srovnávacího zdroje (obr. 4.27a), nebo při stejném jasu srovnávacího zdroje (odpovídá nejnižší měřené teplotě) se šedým klínovitým filtrem omezuje jas měřeného zářiče (obr. 4.27b). Toto srovnání se provádí ve vymezeném spektru. Měřený objekt je ale málokdy černým zářičem, aby se f: na něj vztahoval Planckův zákon a K:l I . -10 1"--"'-:' .~.,~~-, - -.~ --' '~~', ' - . -,~-~ -. pyrometr neukazuje tedy 1 • 'j . I 2'tOOK skutečnou teplotu, ale teplotu -, I --- " - - --... .. -_ .. '-odpovídající černému zářiči, ~j . : I', I teplotu jasovou. Jasová teplota Toi, g l- ·l'.:[- ~--, ". je všeobecně nižší, než skutečná I I \ teplota TI a proto je nutno údaj pyrometru korigovat. V praxi se používá korekčních grafů - viz obr. 4.26c). Skutečná teplota trn je : ~. \ \ . ~ ~- - ~ \'" ---\------ ---~ ~- ._.. - .. rovna součtu údaje pyrometru tl a ", \. í. uvedené korekce .1r. ·, . 2000 K 4 kde je
16
= 3,69 .
Cl
2
(W~~ lt:~l~ -,-"
:-~'~'-I
I
.
--
~---~~
--_"~'-,
-
,
~I
-
i
\
+--.-. i 2.
-~\--
-
-.
. ..... ~-
--_.~-_._~--~-
1BODf-<..
, ,• _ . ,
-
-,
·
.
, I
·
--J
1
2.
3
Obr. 4.26: Závislost tepelného záieni na vlnové délce a teplotě. Skutečnou
teplotu lze také vypočítat ze vztahu 1 1 A. -=-+-.Inc,( 7~,
T,
(4.18)
('2
kde je A - vlnová délka využitého záření, B,. - spektrální emisivita měřeného objektu. Spektrální emisivita závisí jak na materiálu objektu, tak na jakosti jeho povrchu. Pro názor jsou v tab. 4.6 uvedeny některé hodnoty spektrální emisivity pro /, = 0,65 um.
Tab. 4.6: Spektrální emisivity materiálů pro Jl = 0,65 um. Materiál: hliník neoxidovaný železo lesklé nikl wolfram měď
Materiál:
C'I.
0,12 - 0,18 0,32 - 0,42 0,31 - 0,45 0,37 - 0,48 0,10-0,35
zinek grafit, uhlí porcelán struska dinasové cihly
71
c,. 0,25 0,65 0,26 0,71 0,92
- 0,40 - 0,97 - 0,5 I - 0,98 - 1,00
Jasové pyrometry jsou pyrometry subjektivní, protože jakost měření závisí na pozorovateli. Automatické jasové pyrometry bývají vybaveny fotonkami, které ale mají také pouze omezenou spektrální citlivost a je nutno tuto okolnost brát v úvahu.
1
3
5
/
--- .......
-- ----
--~,..
-.
...l
-
360
..,
-
·--r·
oe ) =O,65~m
4
320
o)
280
t--"---t/----r--t--
24.0
1----+-+-~--t--7,<----_j
t 200
1----/--t...r-=---r-t----r------1
D. t 160
r -
-
.--ll
-
-- - - - --
- - - -- - -
;,..-1 L_
to
-
- - -.
~I
6
- -
5 - -
__
-
- - - -
-
l'
L--_ _--4-
I 800
-l' - -_.~---t r--. -.-. 1'-
-
I
40~~
3 ---l o
__ ~ --
----
__
t--T--~+,~ c-----7'f----7"i
I
. l . - -_ _--'
1200
t
1600
oe
2000
•
..J
l'
~
2 bl ObrA.27 Jasový pyrometr: a) s mizejícím vláknem, b) s šedým klínem( 1,2 - šedý filtr, klín, 3 - červený filtr, 4 regulační rezistor, 5 - pyrometrická žárovka, 6 - ukazatel teploty), c) korekční graf
4.10.2 PÁSMOVÉ PYROMETRY Pásmové pyrometry využívají k měření širšího spektrálního pásma než pyrometry jasové. Toto pásmo je vymezeno optikou, filtry a citlivostí detektoru záření. Jako detektoru se používá fotonky ,fotočlánku, fotodiody, fototranzistoru a fotoodporu. Jejich společnou výhodou je velmi rychlá reakce na změny teploty a možnost měření teploty i malých objektů.
72
Podobně
jako u jasového pyrometru údaj pásmového pyrometru Tp není u roven skutečné teplotě Trn, ale platí mezi nimi vztah 1 1 A.p - = -+-.lncp (4.19) Trn r, C2
nečerných zářičů
kde je Ap - charakteristická vlnová délka záření ve vymezeném pásmu (tzv. efektivní vlnová délka), Ep - pásmová emisivita měřeného objektu. Pásmová emisivita u skutečných objektů velmi silně kolísá a proto odhad chyby je pouze přibližný. Hlavní pole použití pásmových pyrometrů je v případech, kdy často mezi měřeným objektem a pyrometrem se náhodně vyskytuje rušivé prostředí v oblasti infračerveného záření, jako např CO 2, vodní pára apod. Detektory se volí takové, aby jejich citlivost ležela mimo absorpční pásmo vyskytujícího se plynu. Tak např. selenové fotočlánky jsou citlivé v oblasti viditelného záření, křemíkové fotočlánky v rozsahu (0,6 až I, I) um, germaniové diody (0,4 až 1,8) um, fotoodpory mezi 0,5 um a 3,6 um apod.
4.10.3 PYROMETRY NA SPEKTRÁLNÍ ROZLOŽENÍ Jedná se o spektrálně selektivní vícepásmové subjektivní pyrometry založené na teplotní závislosti spektrálního rozložení zářivosti tělesa. (starší označení je: barvové pyrometry). Tyto pyrometry využívají záření ve viditelné oblasti a jsou vhodné k měření teploty šedých • zářičů, u nichž neznáme emisivitu, nebo kde emisivita silně kolísá. Udaj pyrometru, tzv. teplota barvy je vždy vyšší, než je černá teplota, ale podstatně bližší než např. jasová teplota. Chyba bývá menší než 3%. Barevnou teplotu lze určit buď pomocí barevného vjemu vyvolaného smíšením dvou jednobarevných záření, nebo pomocí poměru jasů ve dvou různých spektrálních oblastech. Proto se dělí na srovnávací a poměrové. /
----5
[\'
/
Vi ,....,
r-,
-
-v
t>
~t:
-rl
Q)
í7sJ 7
--] -- --
/ t,
v) ,~to
~
23
---H- --o---t>
Obr.4.28 Pyrometry na spektrální rozloženi: a) srovnávací. b) poměrový. c) automatický poměrový: 1 - šedý filtr. 2 - červený klín nebo filtr, 3 - zelený filtr. 4 - částečně pokovený hranol, 5 - pyrometrická žárovka, 6 - jotoelelktrický článek, 7 - rotující clona.
Srovnávací pyrometr je uveden schematicky na obr. 4.28 a). Obsahuje šedý a červený klínovitý barevný filtr a filtr bichromatický (červenozelený), dále pyrometrickou žárovku a regulační obvod žhavení žárovky na stálou teplotu. Šedým klínem se srovná jas zářiče s jasem pyrometrické žárovky - jeho poloha je úměrná jasové teplotě 0' Nastavenim červeného klínu se dosáhne shodné barvy záření měřeného objektu a pyrometrické žárovky - jeho poloha je úměrná teplotě barvy Tb • Tento pyrometr je vhodný pouze tam, kde se teplota nemění příliš rychle.
73
Poměrový
=
délkami AI vztahu
pyrometr pracuje jako dva samostatné jasové pyrometry se dvěma vlnovými 0,65 um (červený filtr) a 1.2 = 0,55 um (zelený filtr). Teplota barvy T, se pak určí ze
1
t,
--
1 1 + A,.TJ I ~.TJ2 , 1 1 --
-
A, kde
-~" .•
(4.20)
*
~
T;I a '!J2 jsou jasové teploty určené v červeném 0"1) a zeleném (1.2) spektru záření.
Schéma poměrového pyrometru je na obr. 4.28 b). Tento pyrometr má dva červený a zelený a určují se dvě jasové teploty srovnáváním jasu měřeného pyrometrické žárovky pomocí šedého klínu. Automatický
výměnné zářiče
filtry, s jasem
poměrový
pyrometr je na obr. 4.28 c) s detektorem (fotodiodou), na který dopadá střídavě světelný tok přes červený a zelený filtr.
4.10.4 PYROMETRY NA CELKOVÉ ZÁŘENÍ Tyto pyrometry využívají tepelného záření v celé oblasti vlnových délek. Celková zářivá energie Eo vysílaná černým zářičem při termodynamické teplotě To je podle Stefan-Bolzmannova zákona rovna T. )
e, = 0-. To 4 = Co' ( 1~o
4
(4.21)
kde cr = 5,6697.10. 8 W.m·2 .K-4, resp. Co = 5,6697 W.m-2 .K-4 je součinitel záření černého tělesa. Emisivita nečerných zářičů je silně závislá na jakosti povrchu tělesa, materiálu a teplotě. Protože korekce údaje pyrometru je velmi obtížná, používají se radiační pyrometry k měření teploty zářičů blízkých černým zářičům. Funkční schéma radiačního pyrometru je na obr. 4.29. Tepelné záření je soustředěno objektivem nebo dutým zrcadlem na detektor. Druh detektoru ovlivňuje měřicí rozsah pyrometru, který je od -40°C do +5 000 "C, V důsledku pohltivosti a odrazivosti optického systému a detektoru pyrometru, přijímané záření neodpovídá tzv. černé teplotě měřeného zářiče. Tento vliv musí být respektován již při kalibraci stupnice přístroje. Při měření teploty nečerných zářičů se liší údaj pyrometru Te od skutečné teploty Tm podle vztahu T (4.22) Trn = ./~c
Zde je
li
emisivita úhrnného
záření měřeného zářiče.
í -- - - - - /
~ >t-_ L
/..,.....+-1
~
/.G - - - - -- -- -- -- -1
- -- --I
~
~
+---:
I/++-I
.---- :llj 1
-- _.::::
---1'
- - - - o - "'--
--J
---
r-' .
--;=--::--::c~ I
--.
L.:----o-
- .-r1>
_--~.:-/
I
J
b)
u)
Obr. 4.29 Pyrometry na celkové záření: a) s čočkou, b) s dutým zrcadlem. Při měření
teploty pyrometrem na celkové záření se skleněnou čočkou a termoelektrickým článkem jako detektorem lze chybu M = i, - t m vyjádřit přibližným vztahem
74
!J.t =
1- C ( ) 4 . I c + 300
(4.23)
Používají se sériové termoelektrické články (mívají až 30 měřicích spojů na ploše 4 rnrrr'), používají se rovněž bolometry (fóliové odporové snímače teploty), termistory i bimetalické spirály. Nejčastější použití pyrometrů na celkové záření je trvalé měření teploty v pecích. Pro takové případy musí být zabudované pyrometry chlazeny. Při měření teploty roztavených kovů, skloviny apod. se pyrometry vybavují trubicí otevřenou nebo uzavřenou, která je do taveniny ponořena.
4.11 FOTOGRAFICKÉ MĚŘENÍ TEPLOT Fototermometrie umožňuje proměřovat i teplotní pole na povrchu předmětů, jejichž teplota se značně mění. Využívá se fotografického materiálu citlivého na infračervené záření (A = 0,78 um). Pro vyhodnocení snímku je nutno současně vyfotografovat tzv. teplotní měřítko se známým rozložením teploty. Teplotní měřítko je složeno z řady destiček, které jsou vyhřáty na různou teplotu, určovanou termoelektrickými články. Citlivost měření je taková, že rozlišuje již nepatrné porušení teplotního pole nesprávně zabudovaným termoelektrickým článkem. Vyhodnocovat se mohou již plošky 0,25 mm. Rozsah měření teploty je od + 250°C do 1000 "C. Přesnost měření je ovlivněna především rozdílností emisivit teplotního měřítka a měřeného povrchu.
4.12 TERMOVIZNÍ SYSTÉMY Využívají infračerveného záření povrchů vyšetřovaných těles. Jsou velmi rychlé a umožňují přímé sledování 7JUěn povrchových teplot. Teplotní pole se snímá speciální kamerou a zobrazuje se na obrazovce speciálního monitoru. Rozložení teploty na měřeném povrchu je na obrazovce zobrazeno termogramem, tj. plochou s různým stupněm šedi - od černé do bílé, popř. barevně. Tennogram lze pozorovat. filmovat popř. zaznamenat na různá digitální paměťová media. Základním funkčním prvkem termovize je detektor infračerveného záření. V současné době se používá kvantových detektorů a bolometrů. Kvantové detektor):' při dopadu infračerveného záření zvyšují svoji elektrickou vodivost. Jsou selektivní a vyžadují chlazení na nízkou teplotu. Nejčastěji se používá antimonit india (lnSb) chlazený kapalným dusíkem. Bolometrické detektory při dopadu infračerveného záření se ohřívají a mění se jejich elektrický odpor. Jsou neselektivní a nevyžadují chlazení - pracují při běžné teplotě. Dalším důležitým prvkem je snímací systém, který může být dvojího druhu - s postupným rozkladem obrazu a přímozobrazující. Snímací systémy s postuIilli'm rozkladem obrazu pracují s opticko-mechanickým nebo elektronickým rozkladem obrazu a kvantovým detektorem. Mezi jejich výhody patří zejména velká přesnost a rozlišovací schopnost, volba teplotního rozpětí až 1000 °C a kontrastu termogramu.. Přímozobrazující systémy používají velkoplošné bolometrické detektory. Na povrchu celého pole bolometrů se vytváří rozložení odporu podle přijímaného infračerveného záření.
4.13 MĚŘENÍ TEPELNÉHO VÝKONU A MNOŽSTVí TEPLA Měření
tepelného výkonu a množství dodaného/odebraného tepla v tepelných sítích je velmi důležitým problémem. Vztah pro výpočet tepelného výkonu Pq dodávaného teplonosným mediem má tvar
r; = Qm.(h, -hJ
(4.24)
kde je Qm - hmotnostní průtok teplonosného média, hl a h: - měrné entalpie na vstupu a výstupu tepelné
75
sítě.
Vzhledem k obtížnému stanovování měrné entalpie, nahrazuje se vztahem h = cp-t, takže předchozí vztah přejde na tvar (4.25) Ve vodních tepelných sítích se měří obvykle objemový průtok Qv a zavádějí se také střední hodnoty hustoty p a měrné tepelné kapcity cp a rovnice (4.25) se změní na tvar Pq == Qv .pp.c)t l
kde je k (J.ni 3.K' I )
-
-
tJ = Qj"k .(t tJ
(4.26)
l -
střední hodnota tzv. tepelného součinitele.
Vztah (4.26) lze použít při měření tepelného výkonu v teplovodních tepelných sítích. V horkovodních sítích by zjednodušení výrazu ve tvaru (4.26) znamenalo zanesení značných chyb, protože se jak hustota vody, tak i její měrná tepelná kapacita s teplotou značně mění. Množství dodaného, resp. odebraného tepla Qq se získá integrací tepelného výkonu, nebo se místo průtoku teplonosného média měří přímo proteklý objem V, tedy (4.27) vv
v
"
,
4.13.2 MERlC TEPLA VE VODNI TEPELNE SITI b) c) d) e)
Hlavní části měřiče tepla ve vodní síti jsou: odporové snímače teploty párované (jejich přesnost je zaměřena především na teplotní rozdíl, vodoměr s vysílačem impulsů - počet impulsů odpovídá proteklému množství, jejich četnost pak okamžitému průtoku, používají se ale také indukční a ultrazvukové průtokoměry, kalorimetrický převodník - vyhodnocuje tepelný výkon a množství tepla, počitadla proteklého množství vody a množství tepla.
a.)
tf
t2
Q"
Nás.
-
Obr. 4.30
t1
k
r ti - t?
b)
tl
~ II
J~dt
Uspořádáníměření v
Qq.
~
t 'j
-
tl
V
k Nás
Q(j
tepelných sítích: a) tepelného výkonu, b) množství tepla.
4.13.2 MĚŘIČ TEPLA V PARNÍ TEPELNÉ SÍTI Hlavní
části měřiče
tepla v parní tepelné síti jsou: a) průtokoměr - nejčastěji normovaný škrticí orgán s elektrickým převodníkem tlakové diference, b) odporové vysílače teploty s platinovými měřicími odpory ve čtyřvodičovém zapojení, c) matematický člen pro výpočet tepelného výkonu a množství tepla zahrnující potřebné korekce na změny měrné entalpie páry s jejím tlakem a teplotou, d) počitadla proteklého množství páry a množství tepla. Modifikace matematických členů a kalorimetrických převodníků s mikroprocesorovou výpočetní technikou umožňují řešit elektronické obvody velmi úsporně a výkonně a udávat všechny
76
potřebné veličiny,
jako např. okamžitý průtok a proteklé množství, teplotní rozdíl, tepelný výkon a množství tepla, ale také příslušné hodnoty součinitelů a konstant.
4.13.3 POMĚROVÉ MĚŘIČE TEPLA Speciální skupinou měřičů tepla jsou ty, které se připevňují na topná tělesa (radiátory). Měřicím principem je odpařování speciální kapaliny v závislosti na době ohřevu a výši teploty, nebo trvalá deformace páskových čidel, popř. změn vodivosti elektrolytu. Volba umístění měříče na topném tělese se řídí požadavkem, aby byl v oblasti střední povrchové teploty tělesa (radiátoru). Tomu odpovídá poloha ve výšce cca 55 % až 60 % celkové výšky radiátoru. Co se týká vodorovného umístění, má být měřič v uhlopříčné ose tělesa. U dlouhých těles (více jak dva metry) je nutno umísti dva měřiče ssouměrně. Takto zabudované měřiče nevykazují chyby větší než 7 %.
77
v
v
,
,
5 MERENI POLOHY A VZDALENOSTI K měření polohy a vzdálenosti používáme snímače, které slouží k indikaci okamžité polohy jednotlivých mechanismů. V podstatě jde o měření délek nebo úhlů s využitím různých fyzikálních principů. V této kapitole si uvedeme základní používané fyzikální principy a snímače. Podle výstupního signálu je dělíme na: I. analogové - výstupní veličina je úměrná vstupní měřené veličině a je vyjádřena např. změnou proudu, napětí, odporu, indukčnosti, kapacity apod. 2. číslicové - výstupní veličina je vyjádřena číslem 3. diskrétní - výstupní veličina se mění skokově v závislosti na vstupní měřené veličině a nabývá pouze dvou hodnot (logický výstup). Podle
způsobu odměřování
na:
poloze je vyjádřen přímo hodnotou výstupního signálu (napětím proudem, ale i číslem apod.), při obnovení napájecího napětí po jeho výpadku, je údaj o měřené veličině znovu správně obnoven. 2. přírůstkové - výstupní údaj o poloze je obvykle vyjádřen počtem pulzů. Není-li zálohováno napájecí napětí čítače, popř. paměti, v níž je počet pulzů uložen, je údaj o poloze při výpadku napájecího napětí nenávratně ztracen. I. absolutní - údaj o
měřené
5.1 ANALOGOVÉ SNÍMAČE POLOHY ,
,
"
5.1.1 ODPOROVE SNIMACE Podstatou těchto snímačů je prvek veličiny dle známých fyzikálních zákonů. ,
čidlo,
,
jehož elektrický odpor se
mění působením měřené
"
5.1.1.1 POTENCIOMETRlCKY SNIMAC Je nejjednodušším analogovým snímačem polohy. Může být posuvný nebo otočný. U otočného pro rozsahy větší než 270°, např. O až 3600°, lze použít aripot, u něhož je odporová dráha tvořena spirálou, nejčastěji s pěti až deseti závity. Potenciometrické I. dle
změny
snímače můžeme dělit:
odporu v závislosti na poloze jezdce na:
• lineární - změna odporu je přímo úměrná natočení (posunutí) jezdce • nelineární - změna odporu není přímo úměrná natočení (posunutí) jezdce, logaritmická, exponenciální
např.
2. dle odporového materiálu:
• kovové - drátové (vinuté) -odpor je tvořen navinutým odporovým drátkem vrstvové - též nazývané metalizované, odporová vrstva je napařenou vrstvou kovového odporového materiálu
78
tvořena
• nekovové - uhlíkové (grafitové) vodivé plastické materiály cermentové (keramika s kovem)
Na obr. 5.1 je znázorněno principiální schéma potenciometrického snímače, na obr. 5.2 pak jeho skutečná provedení. Vobr. 5.1 představuje Ro odpor potenciometru a Rz vstupní odpor vyhodnocovacího obvodu. Polohou jezdce je celková dráha, a tím i celkový odpor snímače rozdčlen na dvě části, v našem případě na odpory R I a R2, přičemž platí Ra = Rl + R2. Celý snímač napájíme zdrojem o napětí U. Pro vystupni
napětí
U2
snímače p\atl:
RJR Z R1
A
X
U =U ,
~ ~
U
Ra
,
R2
U2 \
Rz
R, + R, . . . R,R RJ + . z R 2 + R,
R,
=u-
.
(5. 1)
RJR,. + R ....
RZ
II
Jestliže vyjádříme R, a Rl prostřednictvím odporu snímače Ro a posunutím jezdce x
lt
Ohl'. 5. J Potenciometrický snímač
R2
= xRo
Rl
= Ro -
R2
= (I
(5.2)
- x)R r,
K = Rz
Ro
a dosadíme-li do (5.1) z (5.2) a po
U )-
úpravě,
dostáváme výsledný vztah (5.3) pro výstupní
Kx K + (1- x)x
U~
napětí
U2 :
(5.3)
Ze vztahu (5.3) vyplývá, že závislost U2 = f(x) je obecně nelineární (viz obr. 5.3). K dosažení lineárního průběhu je třeba, aby odpor Rz byl co největší, ideálnč Rz -jo co, tj. K -jo co. Pro U2 pak dostaneme ideální lineární průběh.
-
o.- =XU
(5.3) o
Přídavná
relativní chyba 8 [%], zpusobená zátěží je dána vztahem : 8
= U2 -
XU
100 =
U
-x
2
(1 - x) 100 (5.4) K +x(1-x)
Ze vztahu (5.4) vyplývá, že je nutné použít vyhodnocovací obvod s co největším vstupním odporem, aby byla splněna podmínka:
K» x(1-x) Obr. 5.2 Skutečná provedení potenciometrického , . sntmace
Maximální chybu vztahu (5.4) dle x: 88 =0
8x Z této podmínky vyplývá, že
největší
chyba je ve 2/3 polohy jezdce.
79
(5.5) určíme
z první derivace
(5.6)
\o+--......,.--.,.----y--...,.----,
.U2
Pro dodržení linearity (relativní chyby), zaručované výrobcem, nesmí mít Rz menší hodnotu než
U
uvádí výrobce. Přesnost
t
snímačů
potenciometrických se udává pro stejnosměrné
napájecí napětí. Při střídavém napájení se přesnost zhoršuje vlivem parazitních kapacit a indukčnosti vinutí. Vliv frekvence napájecího napětí
je tím
snímače
o
0.2
0.4
0.6
0.8
..
1,0
čím
je vyšší odpor
je vinutí delší. U ví-
ceotáčkových potenciometrů
se frek-
vence volí max. 400 Hz, u
aripotů
s dvaceti
otáčkam i
max. 50 Hz.
Výhodou těchto snímačů je jejich jednoduchost, nevýhodou je
x
Obr. 5.3 Závislost vystupniho napětí U2 na posunutí x jezdce mače
a
větší, čím
nespolehlivost daná mechanickým opotřebením. Potenciometrické sní-
s chybou linearity 0,05 - 0,1 %, u snímačů s velkým průměrem (okolo 200 mm) až 0,002 %. Životnost se pohybuje kolem 106 až 107 cyklů pro pohyb jezdce v plném rozsahu. se
vyrábějí
v
" V
5.1.2 INDUKCNOSTNI SNIMACE Tyto snímače tvoří početnou skupinu snímačů, u nichž se měřená veličina převádí na změnu vlastní indukčnosti L nebo vzájemné M. Indukčnostní snímač se skládá vždy z jedné nebo více cívek. Magnetický obvod může být otevřený nebo uzavřený, s feromagnetickým jádrem nebo bez něho. Parametrické a transformátorové snímače ve svém principu snímají posuvný pohyb, vybavímeli je převodem posuvného na rotační pohyb, jsou schopné snímat úhlové natočení. Naopak selsyny a resolver dle své konstrukce snímají úhlové
natočení. Převod
na posuvný pohyb se provádí
prostřednictvím odměřovacího hřebene. Nejčastěji používaná uspořádání indukčnostníchsnímačů jsou
Tab. 5.1 Přehled indukčnostnich snímačů Legenda: L vlastní indukčnost N počet závitů S I
průřez
feromagnetika délka feromagnetického jádra
/-to permeabil ita vakua 8 vzduchová mezera x mereny posun vv
•
80
uvedena v tab. 5.1
Typ snímače
Schéma
Závislost
Charakteristika
Rozsah
L Jednoduchý , mezerovy
do 0./ mm ~X
•
I
Diferenciálni
I.1L -
,
mezerovy
-
1+' -~--::-
I I I
L
do 1 mm
J(
I
L Jednoduchý
b
do 10mm
p/o,~nJ"
I
...........
)(
-+-----~)(
L
XX
lLl
Jednuduchý Jádroví' . "
L = LoO + xtga)
r'l • I
--2
Diferenciální
•
jádrový
2l
l
!:JL
L
oj
= 2xtga
,
,
"""X ~L
2
J1
12
tI I
~
O
~l."
X
'll
r""1
do 1 mm
4L ,-
X
do /Omm
1
"*
La
"
5.1.2.1 PARAMETRICKY SNIMAC S MALOU VZDUCHOVOU MEZEROU Snímače tohoto
typu (viz obr. 5.4) jsou konstrukčně velmi jednoduché. Měřená veličina mění buď velikost vzduchové mezery, nebo její průřez, a tím i vlastní indukčnost snímače. Impedance snímače Z se pak skládá z ohmické a induktanční složky ~
~
Z
= R + )X/. = R + JOJL
(5.7)
81
(S.8) kde R odpor, který respektuje vliv kého odporu vinutí, vliv
N
proudů a
a
s
Ů
x
ohmicvířivých
hysterezní ztráty
L
indukčnost snímače
N
počet závitů
R m magnetický odpor magnetického obvodu
+ ~8
co úhlová frekvence napájecího
napětí
Magnetický odpor R m se skládá z odporu feromagnetické části snímače RFe
Obr. 5.4
Indukčnostnisnimač s
malou
a odporu vzduchové mezery R V.
vzduchovou mezerou
Rm=RFe+Rv= f Fc _.25_ /lof.1/;
kde ).10
I
).1r
(S.S)
/loS
permeabilita vakua (41t 10- 7 Hm-I) relativní permeabilita
IFe délka siločáry S průřez jha Pokud
můžeme
předpokládat,
že
odpor
Rv
vzduchové mezery je mnohem větší než feromagnetické obvodu R v » RFe a Ó < a, zjednoduší se podstatně výraz (S.8) pro vlastní indukčnost snímače L. části
2 N L=_ -
SN' ILo"
Rv
(5.10)
25
Indukčnost L je tedy nepřímo úměrná velikosti
Obr. 5.5 Závislost I = 1(5)
vzduchové mezery (viz obr. S.S). A
Pro napájecí napětí
A
U je proud I v obvodu dán vztahem:
A
U 1=--R + jcol: A
Za
předpokladu, že
1=
(S.ll)
ml, » R platí
2U
.5
(5.12)
úJ/loSN Závislost I = f(8) je zobrazena na obr. S.6. V oblasti I. není splněna podmínka a v oblasti III. podmínka roUR» I. Obvykle nastavíme snímač na klidovou vzduchovou mezeru 8 0 , která je způsobené měřenou veličinou. Rozsah snímače se
větší
pohybuje v rozmezí Ómin až ómax .
82
y
y
nez zmeny
pětí
I
a
Snímač
se napájí zdrojem harmonického na-
změna
posuvu se vyhodnocuje miliampér-
metrem.
Je\\kot
také elektro-
magnet, je kotvička přitahována určitou silou a ovlivňuje tak měřenou mechanickou soustavu.
I
2x
Sl\\mač ?tedsta"u~e
I I
Přitažlivá
síla musí být
alespoň
o
řád
menší, než
síla způsobující přemístění kotvičky.
ll.
Obr. 5.6 Závislost I
=
f( 8)
5.1.2.2 TRANSFORMÁTOROVÝ DIFERENCIÁLNÍ SNÍMAČ Je
snímač,
u
něhož
se
měřená veličina
vyhodnocuje
J\ ou cívek. Primární cívka je napájena z generátoru transformátoru. Z
důvodů potlačení
parazitních
rozptylových polí, apod.) se transformátorové označuji
vlivů
prostřednictvím
vzájemné
střídavého napětí,
indukčnosti
obdobně
jako u (vliv teploty na ohmický odpor vinutí. vliv
snímače
konstruují
převážně
jako diferenciální a
se proto názvem diferenciální transformátor (L VDT - Linear Variable Differential
lransformer) Příklad uspořádání
a náhradního schéma transformátorového
snímače
s feromagnetickým
jadrem (ferit) ukazuje obr. 5.7, obr. 5.8 pak ukázky skutečných snímačů. Pohyb měřené mechanické \ cličiny se přenáší na pohyb jádra. Je to v podstatě diferenciální transformátor s otevřeným magnetickým obvodem s jedním primárním vinutím P a dvěma sekundárními S I a S2.
~
11
MI
Rl
....--. L
~
+x
R2
21
+x
~
o-j -
- X
U 21
S, Rz
LI
P
-U S2
n
-x
lt.-.--l" Ln M2
a)
uspořádání snímače
b) náhradní schéma snímače
Obr. 5.7 Transformátorový diferenciální snímač
83
o -
U,
V
uspořádání
podle obr. 5.7, kde nemáme uzavřený magnetický obvod (u něhož jsme předpokládali R] « oil. 1), nemůžeme zanedbat ohmický odpor vinutí, a tak pro primární obvod , , musime psat: ~
~
1,(R, + júJLI)=U I Pro sekundární
napětí
•
•
•
•
(5.13)
naprázdno platí:
U 21 =júJM,l,
(5.\4)
U n = júJM), Pro výstupní ~
~
napětí
platí:
~
-ú' 21
(5.\5)
Tf V ,,-
a po dosazení (5.\4) do (5.\5) dostáváme: ~
~
U" = júJ(M , - MJl,
(5.\6)
~
Obr. 5.8
Skutečné uspořádání Lt/D'Iř snimačů
Dosadíme-li za II z (5.13) do (5.16), dostaneme výsledný vztah pro výstupní napětí U v : ~
'úJ _I (M -M ) J ~ R' 2 ~ U,,= I L Ul l+j(t} I Rl a tedy
(5.17)
(5. I 8)
-x
Obr. 5.9 Závislost výstupního posunutíjádra
+x napětí na
Závislost výstupního napětí Uv na posunutí x jádra snímače ukazuje obr. 5.9. Vlivem vyšších harmonických ve výstupních sekundárních napětích U2], U22 a parazitních kapacit je Uv *- Opro x = O.
5.1.2.3 SELSYNY Selsyn slouží k měření polohy a též její odchylky od žádané polohy. Selsyn je v podstatě střídavý indukční stroj skládající se ze statoru se souměrným třífázovým vinutím a jednofázového rotoru, který je napájen střídavým napětím o frekvenci 50 až 500 Hz. Pro vyhodnocení úhlové odchylky (úhlu natočení) se používá zapojení dle obr. 5.\ O. Selsyn vysílač S] slouží jako snímač polohy (úhlu natočení cq ), selsyn přijímač S2 jako indikátor polohy. Ta je zobrazena prostřednictvím indikačního přístroje IP, jehož ručka je spřažena s rotorem selsynu 52. Statory selsynu vysílače (SJ) a přijímače (S2) jsou vzájemně propojeny, stejně tak i rotory. Jsou-li rotory vysílače a přijímače natočeny souhlasně (a] = a2), neprotéká synchronizačním vedením, propojujícím statory obou selsynů, žádný proud. Pootočí-li se rotorem selsynu vysílače,
84
jsou napětí, indukovaná ve vinutích obou statorů, různá a začne jimi procházet proud. Ten vyvolá magnetický tok, který spolu s magnetickým tokem rotoru přijímače vytvoří silové účinky, jimiž působí na rotor. Rotor přijímače se natočí do polohy, kdy synchronizačním vedením opět nepotečc proud (a I = aú Rotor přijímače sleduje rotor selsynu vysílače s jistou chybou, která je závislá na zatěžovacim momentu hřídele selsynu přijímače, na pasivních odporech a na rychlosti změn úhlu.
.-e
selsyn vysílač
selsyn
>0
Přijímač
cu N ..e
e
Q) 0"0 .... Q)
13> e >.
CI)
U1 I
\:/
/
/
/
//
/
I
/
I
a2
• <.:; /
IP
Obr. 5.10
Snímač polohy
T/ -----
1\
I \
I \ I \
I \ I \ I \
o Obr. 5.11 Závislost vyrovnávacího momentu na velikosti vychylky
se
I •
//
X
.i
/
/
dvěma
selsyny
Závislost tohoto točivého momentu na úhlu vzájemného natočení rotorů selsynů S I a S2 ukazuje obr. 5.11. Průběh lze v první části nahradit přímkou (tečna T). Směrnice této tečny je dána poměrem přeneseného momentu a momentu. odpovídajícího vzájemnému úhlovému natočení rotorů. Tento poměr nazýváme měrným synchronizačním momentem. Jestliže známe jeho velikost, můžeme snadno určit velikost úhlu vzájemného natočení rotoru selsynu S I a rotoru selsynu S2, jeli zatížen určitým momentem. Při dalším zatěžování se momentový průběh odchyluje od tečny
Tl, až dostoupí k maximální hodnotě, nazývané moment zvratu M zv. Při zvětšení zatížení nad tuto hodnotu nastává přerušení synchronního přenosu úhlové výchylky (vazby) mezi selsyny S I a S2- Celá soustava se dostane do nestabilního stavu a snaží se zaujmout nulovou
85
polohu. Probíhá po nestabilní (čárkované) oblasti momentové charakteristiky. Se zatížením selsynu přijímače S2 se zmenšuje přesnost přenosu úhlové výchylky mezi oběma selsyny. Výhodou tohoto
o
typu snímače je, že je schopen přenášet úhlové otáčení (při výchylky i při rovnoměrném dynamickém provozu). Na obr. 5.12 je závislost momentu na otáčkách od nulových až po synchronní otáčky ns. Velikost budícího napětí a kmitočet budícího proudu jsou udržovány na jmenovité hodnotě. Z dynam ické charakteristiky
n
Obr. 5.12 Závislost synchronizačního momentu na otáčkách
(obr. 5.12) vyplývá, že největší přenesený moment je v blízkosti nulových otáček. Se zvyšujícími se otáčkami klesá velikost přenášeného momentu, až
při
synchronních otáčkách ns je moment nulový. Synchronní otáčky selsynu s počtem km itočtem f budícího napětí jsou dány stejně jako u rotačních indukčních strojů vztahem:
60f n, = ')- -p Při těchto otáčkách
pólů
2p a
(5.19)
a ukazatelem úhlové výchylky přeruší, i když ukazovací selsyn není zatěžován. Přerušení vazby se projeví buď zastavením ukazatele, nebo jeho kmitáním v různých polohách. Budící proud i příkon u obou členů se v tomto případě značně zvětší se vazba mezi
snímačem
a kolísají. Selsynový systém lze použít také k odměřování délek pomocí odměřovacího hřebenu. K přesnému odměřování je však zapotřebí více selsynů spojených převody. Jejich výstupy jsou zpracovány samostatně, přičemž při jejich dostatečném počtu a vhodných převodech má informace o odměřované poloze absolutní charakter. Lze tak docílit rozsah měření od setin mm až po jednotky metrů. Rozlišovací schopnost selsynů se obvykle pohybuje v rozmezí 3 až 10 úhlových minut. Při správné mechanické skladbě je přesnost nastavené polohy řízeného členu při odměřování selsynem 20
um s opakovatelnou přesností 5 um.
Další aplikací selsynu je polohový transformátor (viz obr. 5.13). Zde jsou propojeny již jen statory. Rotor prvního selsynu S I je napájen střídavým sinusovým napětím (5.20) a slouží jako zadávací člen polohy. Rotor druhého selsynu S2 je mechanicky spojen se zařízením. Propojení statorů je shodné s předcházejícím zapojením. V rotoru selsynu S2 se indukuje napětí, jehož amplituda je závislá na úhlu a vzájemného natočení obou rotorů a je maximální, souhlasí-li magnetické osy rotorů obou selsynů:
u2 Po
=
usměrnění
u2
kU1mcosa sinoz
(5.21)
(demodulaci) a filtraci dostáváme výstupní
= kU1mcos a = kU1m sin cp
(5.22)
o
cp = 90 - a Snímač
a
natočení
napětí:
respektuje obě polarity odchylky polohy. Nevýhodou je, že monotónní závislost úhlu os je pouze v rozmezí:
86
(5.23)
a je nelineární.
/.,
.: selsyn
",
. :
'-
selsyn
'u
Přijímač
c
vysílač
ro ,N
'c C (1) 0-0 L....
(1)
ť > C >(f)
a
•
'. '"
., .. '
~
<. . .
Obr. 5.13 Polohový transformátor Při jednofázovém uspořádání
statoru a rotoru lze získat lineární otočný polohový transformátor. Magnetický obvod selsynu je upraven tak, že napětí indukované ve statoru je v oblasti ± SS<' přímo úměrné úhlu natočení. Dosahovaná přesnost se pohybuje v rozmezí 0, I % až 0,5 %. Pro měření polohy se nejčastěji používá selsynu rozkladače (resolveru). Obvykle má dvě statorová vinutí, vzájemně prostorově posunutá o 90° a jeden jednofázový rotor (viz obr. 5.14), skutečné U1' provedení pak znázorňuje obr. 5.15. Statorová vinuti se napájejí dvěma napětími u Is a u2s (U 1m = U2m), též posunutými o 90°. I
r'.
_ TT • U h - v lm SIn úJ{
I
!I i
a
•
/
u 2s = U 2m
.
> Obr. 5.14 Resolver
COS
ox
(5.24)
Tím se vytvoří točivé pole, které indukuje v rotorovém vinutí střídavé napětí s fázovým posunutím o úhel a (fázové napájení) vůči statorovému referenčn ímu napětí u1s. u, = U lm sin(úJ( - a)
87
(5.26)
případě je
V tomto
fáze
střídavého
na-
pětí
ur rotoru resolveru nositelem informace o poloze. Vyhodnocení se uskutečňuje fázovým
diskriminátorem. Údaj je absolutní v rozmezí jedné
otáčky. ,
Castěj i
se používá obrácené napájení,
tj. do rotoru a vyhodnocují se
napětí
ze sta-
" toru.
Pak vstupním napětím je Ur, obvykle o frekvenci 7 kHz, které vytváří referenční napětí:
'
.
U r = l./ 1/1 Sl l] ox napětí
Výstupní Ul .\
=
. sin cot. srn a
J
Jejich
frekvencí
(1),
Skutečné
obalová
(5.28)
sin OJI • cos a
~
průběh
ukazuje obr. 5.16. l Iorni
znázorňuje průběh napětí II
Is, dolní pak 1I2s·
provedení resolveru
křivka
Nosná frekvence je dána napájecí úhlovou má pak sinový' u 1s nebo kosinový u2s průběh podle příslušnčho
statorového vinutí. Vyhodnocením obou statorových jedné
získáme ve tvaru:
TI' l) ni
U 2\ = [1 nT
Obr. 5.15
(5.27)
napětí
opět
získáme
absolutní
průběh během
otáčky.
V případě větší odměřované polohy, čítáme počet otáček. Chyba polohy u resolverů je menší než 0,05 %
---• •
••• ••
-• •
Obr. 5.16
Průběh
statorovych
napětí resolveru při
napájení do rotoru
Selsyny se připojují buď na kuličkové odměřovací šrouby strojů, nebo je na ně přenášen pohyb z
kloubů
robotů
používáme
přes příslušný
několik selsynů,
převod.
spojených
Chceme-li
převody.
zvětšit
délku
absolutně odměřované
Jejich výstupy jsou zpracovány
dráhy,
samostatně, přičemž
při dostatečném počtu selsynů a vhodných převodech má informace absolutní charakter. Často se
používají dva sclsyny, spojené
převodem
1 : 20.
Vhodným snímačem polohy pro měření délek je induktosyn. Lineární induktosyn představuje ve své podobě rozvinutý dvoufázový selsyn s vinutími rozloženými do roviny, viz obr. 5.17. Skutečné provedení zobrazuje obr. 5.18.
88
U3
>
-,
I,
--->~
I
i
jezdec iI
-
-
1
~
" •••••••• ".1 .•••..•"
~ ,
, , ,. ,
-
..... ..... ,; -
-
""...-
-
,
~
..... -
~
~
, ,
, ,, L-;,
K
pravítko
_••_•••••_._
-
-
x
< • >
I, ;
~
-
'--
Kl4 \
Obr. 5. 17 Induktosyn Induktosyn se skládá z měřítka a jezdce, který se pohybuje nad měřítkem. Obě vinutí - primární (jezdec) a sekundární (pravítko) jsou vyrobena technikou plošných spojů na podkladových vrstvách ze skla. keramiky nebo z nernagnetické ocele s meandru s krokem K
~
2 mm. Na jezdci jsou
izolační
vrstvou. Vinutí mají tvar pravoúhlého
umístěna dvě
vinutí. Druhé vinutí je oproti prvnímu
posunuto o celistvý násobek kroku K zvětšený o jednu čtvrtinu. Magnetická vazba mezi primárním a sekundárním vinutím je závislá na vzájemném posunu jezdce a pravítka. Vhodným geometrickým uspořádáním
je zajištěno, že průběh činitele vazby obou vinutí je v rozsahu jednoho kroku sinusový. Napájíme-Ii obě vinutí jezdce střídavým napětím o frekvenci 10 až 15 kHz s fázovým posuvem 90° dle vztahu (5.29):
Um sin oz
Ul
=
U2
= [J m
COS ox
má magnetické pole vytvořené v blízkosti jezdce charakter posouvajícího se pole, které indukuje ve vinutí pravítka střídavé napětí sinusového průběhu, rovnající se součtu obou napětí v jezdci dle vztahu: (5.30) je rozdíl fáze mezi výstupním Přiřadíme-li délce
napětím
a jednou napájecí fází,
kroku úhel 2n, pak fázový úhel «' je
úměrný
posunutí jezdce.
přímo úměrný'
posunutí jezdce x a platí:
K
(5.31)
X=qJ-
21r
a tedy (5.32) Vyhodnocení posunutí x se tak převádí na elektronické vyhodnocení fázového posunu «'. Délka jednoho měřítka (pravítka) je 250 mm. Do jedné souřadnice lze sestavit až 20 měřítek. Lineární induktosyny jsou Vyrábějí
vyráběny ve třídě přesnosti
± 111m, ± 3 11m a ± 6 11m.
se též rotační induktosyny. Vinutí má tvar kruhových disků (viz obr. 5.18). Používají
se pro odměřování kruhových pohybů. Přesnost se pohybuje v rozmezí + 5 až + 35 úhlových vteřin. Princip funkce i vyhodnocování je stejné s lineárním induktosynem.
89
'< ' ;; oJ'" ,,;;~..
"
,
"
'"
"
....."'.
Obr. 5.18 Skutečné provedení lineárního a
,
rotačniho
' v , .
'ttI
induktosynu
<;;
5.1.2.4 SNIMACE NA PRINCIPU VIRIVYCH PROUDU těchto
Princip
snímačů znázorňuje
magnetickým polem cívky magnetické pole o
fl
obr. 5.19.
Vířivé
proudy jsou vyvolány
střídavým
a vyvolají v materiálu s resistivitou p a permitivitou II sekundární '
,
intenzitě H v
Intenzita tohoto pole H v
.
působí
dle Lencova zákona proti
intenzitě
pole budící cívky II, tedy polí, které je vyvolalo. Zmenšení intenzity pole má za následek zmenšení indukčnosti
proudy na
cívky a zvýšení jejích ztrát, protože je nutné hradit energii
ohřev
vodivého objektu.
;-, I
I I
IN
,
'\
I
\ I
I ,
Pro získání základních představ o klasifikaci snímačů s vířivými proudy je vhodné pracovat s pojmem hloubka vniku hv. Velké hustotě vířivých proudů v objektu odpovídá malá hloubka vniku, definovaná vztahem:
.,.-, '/
I I
spotřebovanou vířivými
I
\
'
I I I ... -" I I " - , f
\1 'I
II
II
I
/
'I
íI
II
• I
I I tl I
:I
II
II II
~ II
II tI I II
'Jel!'ll
II
'\
; li1
),
II
I
-~.
•
..-,
I
, .... -,
kde to
dud
I
I
tI'
v,~/
i
Obr. 5.19 Princip snímače s
úhlová frekvence v budící cívce (s-I).
Fyzikálně
~o: 0 ~ Jl "0 }o J \ .... '.tH\,~- .. 1 .... 2- ...
(5.33)
OJj1
II
k,
I
2p
vířivými proudy
h v odpovídá vzdálenosti od povrchu vodivého tělesa, ve které se dopadající rovinná elektromagnetická vlna utlumí na 55 % intenzity na povrchu. Vztah platí pro silná pole H, pro slabá pole je nutno násobit pravou stranu koeficientem 1,6. Jak je vidět ze vztahu (5.33), lze měřit ty vlastnosti objektu, které ovlivňují kteroukoliv veličinu, vyskytující se v tomto vztahu. Např. složení povrchu, pokud ovlivňuje p nebo ll.
90
Hlavní využití nacházejí v diagnostice, tj. zjišťování vad materiálu, založené na změnách resistivity a permeability objektu. Z principu je zřejmé, že objektem měření mohou být i vodivé kapaliny. Vzhledem k tomu, že intenzita pole cívka - objekt, jsou bezdotykové
měření
H pronikajícího do objektu je závislá na vzdálenosti v
indukčnostní snímače
vzdálenosti,
tloušťky
dynam ickým i vlastnostm i a jednoduchostí
'
s vířivými proudy jedním z hlavních
vodivých vrstev nebo detekci kovových
předčí
známé LVDT
snímačů
objektů.
pro
Svými
snímače.
Nevýhodou indukčnostnich snímačů je závislost výstupního signálu na změně amplitudy s frekvencí napájecího napětí. Vlastnosti magnetického obvodu jsou proměnné s časem (stárnutí) a závisí na vlivech prostředí, ve kterém snímač pracuje. zejména na teplotě. Tyto nežádoucí vlivy lze omezit použitím diferenciálních snímačů. Pokud používáme indukčnostních snímačů pro snímání proměnných veličin jsme omezeni maximální možnou frekvencí snímače, která je řádově kHz vzhledem k velkým hmotám pohyblivých částí.
5.1.3 KAPACITNÍ SNÍMAČE Kapacitní snímače mechanických veličin mají jednoduchou konstrukci a využívají změny některé z veličin, které určují kapacitu kondenzátoru. Principy konstrukcí snímačů a jejich vlastnosti jsou ukázány v tab. 5.2. Základem konstrukce snímače nejčastěji bývá deskový' nebo válcový kondenzátor, tvořen)' dvěma souosým i válci. Kapacitu deskového kondenzátoru můžeme vypočítat ze vztahu: C=&S d
(5.34)
kde C kapacita snímače (F) E permitivita dielektrika (prostředí) (Fm- I) S společná plocha elektrod (m 2) d vzdálenost elektrod (m). Kapacitu válcového kondenzátoru získáme ze vztahu:
I C=21[&--
(5.35)
ln ..r 2 1',
kde
I délka překrytí válců (m) rl poloměr vnitřního válce (m) r, poloměr vnějšího válce (m). Snímače
ve tvaru deskových kondenzátorů jsou nejčastěji používány pro měření malých posunutí, přičemž diferenciální uspořádání, díky své linearitě, umožňuje využít mnohem větších rozsahů. Diferenciální provedení dle 2. řádku tab. 5.2 je využíváno ve snímačích tlaku, jako snímač průhybu membrány. 91
Změny
kapacity, způsobené proměnnou permitivitou vlhkosti a měřičů koncentrace. Tab. 5.2
prostředí,
se využívá u
snímačů
hladiny,
Přehled kapacitních snímačů
Typ snímače
Závislost
Schéma x
~
C =&
•
•
deskový jednoduchý • spromennou mezerou
C
d(x)
sa
d
-
cr: x\ d,
do I mm
"
d
d d
S =8
dl (x) S
C 1=8 d , (x) ~C
d-
Rozsah
S
~C __ C[I_M]
CI deskovy diferenc iáln í • spromennou mezerou
Charakteristika
~d
~
C d
--
---
·x
1 2(~)
~
c, x
do I mm
C,
2
+
L-
C. =& Sex)
i 1(,)
-'llJ
deskový • spromennou plochou překrytí
lm..
d
p~
CI
:r::=x ~J c,
__ C
=
,
I(x)
C, ' /
//
d
c,
'/i/x
C) =&S2(a) d
/ ' C2
x
"
C
r-
promenna permitivita
.'111(' ) e ./
'"
t,
C=S
,,
d
)'m.,
. V -
x
s
+
l: I
i:
L
několik
V
(8 2 - &1 ) .
d
metrů
I(x)
C=&
OD,
21d(x)
/D ln
2\
válcový • s promennou plochou překrytí
d
c SI (a)
-
•
nad I mm
(I + ~d)
max
t.:
~l(x)
k ..
.>
diferenciální • s promennou plochou překrytí
~C
I "".~--
('
d
I
-
I'
'
.. -
,
c
D,
~
~
""" ,
-
d
-;l
? •
~C ~l(x)
-
C'max
i:
1- ~ (~dr
-
em,.:;.
92
I(x)
.
Legenda x l(x)
C d S
měřená veličina
(m) velikost posunu elektrod, vyvolaný kapacita snímače (F) vzdálenost elektrod (m) společná plocha elektrod (rn").
K vyhodnocení
změny
kapacity
snímače
měřenou veličinou
x
se používá diferenciálních
můstků
nebo
rezonančních
obvodů.
Výhodou kapacitních snímačů je velká přesnost, daná rozměry elektrod, které lze vyrobit s velkou přesností. Pracovní části snímačů mají malou váhu, a tím i vysokou rezonanční frekvenci, která leží mimo oblast nejčastěji měřených kmitů. Rovněž zpětné působení na měřený objekt je zanedbatelné (velmi malé elektrostatické síly mezi elektrodami). Výhodou, pokud si neklademe velké požadavky na přesnost, je rovněž možnost využít částí měřeného objektu jako jedné z elektrod, event. die lektrika. Kapacita snímačů se pohybuje řádově v desítkách až stovkách pikofaradů. To přináší potíže s parazitními kapacitami přívodů, které je třeba eliminovat. Pro napájení je třeba používat kmitočty větší než I kHz, neboť při nízkých kmitočtech by byla reaktance velmi velká, srovnatelná s hodnotou izolačního odporu. Horní hranice kmitočtu závisí na dalším zpracování, účelu měření a rovněž na uplatnění vlivu parazitních kapacit.
5.1.4 LASEROVÉ INTERFEROMETRY Laserové interferometry patří k nejpřesnějším odměřovacím zařízením. Pro odměřování dráhy, popř. rychlosti, se využívá interference (skládání) světelných vln, případně Dopplerova jevu. Princip si vysvětleme na Michelsonově interferometru, znázorněném na obr. 5.20. Laserem vytvořený svazek paprsků dopadá pod úhlem 45° na referenčnl zrcadlo polopropustnou plochu. Od něho se polopropustná měřici ').)2 plocha zrcadlo u část světla odráží směrem ..--..., k referenčnímu pevnému zrcadlu laser a část prostupuje k pohyblivému měřicímu zrcadlu, spojenému 6X s měřeným objektem. Odražené světlý tmavý pruh pruh paprsky od obou zrcadel se vektou rově sčítají na polopropustné ploše Obr. 5.20 Michelsonův interferometr a odrážejí se k měřicímu zařízení, které měří jeho intenzitu prostřednictvím optoelektronického senzoru. Tato intenzita je pak úměrná kvadrátu elektrické složky takto vzniklého výsledného pole. Za předpokladu koherentního světla o kmitočtu co, lineární polarizace obou paprsků ve stejné rovině a dokonalého odrazu platí pro součet obou postupných vln: (5.36) kde Xl dráha referenčního paprsku, určeného koncovými body zdroj-místo interference X2 dráha měřicího paprsku, určeného koncovými body zdroj-místo interference. 93
p o vlnové délce A ve vakuu vypočteme dle následujícího vztahu:
Konstantu šíření vlnění
C
2JT
fl = úJVEI-l = -
(5.37)
A
Mezi vektory Ě, (já) a
i; (já)
je fázový úhel
2JT
(5.38)
f3(x 2 -x))=-Iix
A
Výslednou amplitudu můžeme vypočítat dle kosinové věty: _
2
E(júJ)
_
2
= E)(júJ)
-
2
-
2JT
-
+ E 2(júJ) -2E 1(júJ).E2(júJ) COSTIix
(5.39)
Maxima a minima intenzity osvětlení jsou určena argumentem kosinové funkce. Pro maximum intenzity platí:
Iix 2JT-=nJT
A
~
A Iix = n -; n = 0, 1, ... 2
(5.40)
Pro minimum:
(5.41) Rozdíl drah
paprsků
L'\x je roven dvojnásobku rozdílu geometrických vzdáleností mezi zrcadly
a místem interference. Počítáním maxim a minim intenzity osvětlení se určí poloha s rozlišením A/2 (hrubá stupnice). Interpolací závislosti intenzity na Ax se získaj í údaje o poloze uvnitř intervalu A/2 (jemná stupnice). Předpokladem
správnosti interpolace jsou známé hodnoty intenzit Eia E2 elektrického pole. Dosahovaná přesnost se pohybuje v O, 111m. Jinou variantu laserového interferometru, pra-
LH
HeNe 1,&f,
o
cujícího opět na Michelsono ve pnncipu a umoznuji-
PK
f,
v
laser r-:-...:....-\\-+---:~~-H--,IY-' ---- ---- ..- .. ~-"
f,&'. f,·f, (2 MHz
I
f,·(f,+áf) 2;;15MHz
----------------/
-~-
r, ,,'//
•
•
/"
,
./,
•
AX
,.
obsahuje
1.
1',=5.00000000.10 Hz -1-'-T-'....ča.SOvý posuv za periodu (zvětšeno)
Obr. 5.21
Měření polohy
vy
a rychlosti laserovým interferometrem
dvoufrekvenční
vytváří
Laser
svě
telný paprsek o dvou frekvencích fl =5,00000000.10 14 Hz a f2=5,00000002.10 14 Hz s
opačnou
polarizací.
děličem opět renční
-,
laser s náplní HeNe.
',=5.00000002.10 Hz
K
•
cího měřit kromě polohy i rychlost pohybu, ukazuje obr. 5.21. Interferometr
f,+áf
f,+áf
•
Za
vzniká refe-
a měřicí svazek. Polarizace referenčního paprsku před jeho dopadem na optoelektronický
senzor způsobí, že záření na obou kmitočtech mají stejnou polarizaci a vzájemnou interferencí vzniknou maxima a minima intenzity osvětlení. Původně nepatrný časový posuv obou složek, daný rozdílem kmitočtů obou vlnění (L'\t = 8.10-24 s), se asi po 1,25.10 8 periodách zvětší natolik, že vzniká interferenční minimum. Na výstupu referenčního optoelektronického senzoru D tak vzniká signál o kmitočtu
2 MHz, který odpovídá periodickému kolísání intenzity.
94
Měřicí svazek je polarizován na pevném koutovém odražeči průchodný
KG navrženém tak, aby byl
fl; složka o kmitočtu f 2 se odráží zpět do měřicího senzoru. Pohyb pohyblivého koutového odražeče PK, spojeného s měřeným objektem, způsobuje na základě Dopplerova jevu změnu kmitočtu odráženého paprsku se strmostí asi 3,3 MHz/(m/s). Odražený paprsek fl + ~f se skládá s paprskem f 2. Na výstupu měřicího detektoru pak vzniká elektrický signál [f2 - (fl + ~f)] v rozmezí 0,5 až 3,5 MHz v závislosti na hodnotě měřené rychlosti. Rozdíl obsahu čítačů referenčního (f2 - fl,) a měřicího kanálu [f2 - (fl + M)] je při nulové rychlosti nulový, avšak v čítačích se akumuluje signál úměrný posuvu od referenčního bodu. Rozlišovací schopnost je přibližně 3.\O-7m. Současně se měří rušivé veličiny, ovlivňující efektivní vlnovou délku (tlak, teplota, vlhkost pouze pro složku o
kmitočtu
vzduchu a teplota přístroje), a jejich účinky se korigují výpočtem. Jinou možností potlačení chyb je soustavné sledování vlnové délky a pak korekce naměřených hodnot. Korekcí se zmenší chyba z hodnot řádově 10" až na 10- 7 m (při kolísání teploty prostředí o 5°C, relativní vlhkosti 50 % ± 10 %, tlaku 101325 Pa ± 3333 Pa). .."
,,'wI
5.2 CISLICOVE SNIMACE POLOHY ~
Císlicové snímače polohy jsou v výpočetní
techniky. Tyto číselného údaje na
současné době
ve lm i rozšířené vzhledem k používání
snímače můžeme rozdělit
do dvou skupin podle
snímače,
I.
základě
které měřenou analogovou neelektrickou svého funkčního uspořádání
způsobu
veličinu převádějí
na
číslicové
získávání
číslicovou
na
snímače,
které měřenou analogovou veličinu převádějí na číslicovou ve své výstupní části (např. A/D převodníkem)
2,
Jako číslicového snímače lze použít i resolveru. Změna fáze se v tomto případě převede na délku intervalu, který je změřen počtem impulsů načítaných v čítači. Obdobně lze vyhodnotit i údaj ze
selsynů. ~
Castěji
se však používá optoelektronických inkrementálních.
,
,
,
odměřovacích systémů
a z nich nejvíce
'V
5.2.1 INKREMENTALNI SNIMACE POLOHY Princip uspořádání lineárního inkrementálního snímače polohy ukazuje obr. 5.22a). Obvyklejší provedení je znázorněno na obr. 5.22 b). Světlo prochází ze zdroje přes pravítko (měřítko), na kterém je soustava světlých a tmavých polí stejné šířky a roztečí T. Pravítko je pevné a potřebné délky. Clona, která je opatřena průsvitnými ploškam i se pohybuje současně se světelným zdrojem,
fotosnímačem
překrývání světlých
(fotodiodou, fototranzistorem) a řízeným mechanismem. Následkem různého a tmavých polí vlivem vzájemného pohybu pravítka a clony se mění intenzita
osvětlení fotosnímače.
Na jeho výstupu po vytvarování vznikají obdélníkové impulsy napětí, které
jsou čítány v čítači. Aby mohl být rozlišen směr pohybu, musí clona obsahovat soustavu dvou průsvitných plošek vzájemně posunutých např. o čtvrtinu rozteče. Stejně musí být posunuty i fotosnímače.
Rovněž čítač
musí být reverzibilní. Snímače se vyrábějí s rozlišovací schopností 5 až 10 um.
95
clono
x ... ,
T
pravltko
fotodiody
clono •
ravltko
o) clona
T
•
pravltko
b)
fotodiody
Obr. 5.22 Prlmkovy optoelektronický snimač polohy
Na principu Moirého interference pracuje snímač uvedený na obr. 5.23. Opět je zde použito pravítko a jezdec, jehož rysky jsou mírně skloněny proti ryskám na pravítku. Při vzájemném pohybu vznikají příčně se pohybující pruhy světla a tmy (Moirého interference), které jsou dvěma fotosnímači přeměňovány na elektrické signály. Fotosnímače jsou opět umístěny tak, že signály jsou posunuty o T/4, čímž lze rozlišit směr pohybu. Rysky na pravítku se zhotovují na skle fotochemickou technologií a na kovech fotolitografií. Šířka mezer a rysek na pravítku a cloně je stejná.
96
jvzdte
,
provltko
, fot o snímače Obr. 5.23
Snímač
na principu Moirého interference
Použití přímkových snímačů není tak časté, protože délka pravítka i při vhodné volbě materiálu r sk 10, speciální slitiny) se bude měnit s teplotou. Castěji se používají kruhové (rotační) snímače, u nichž se tyto vlivy na úhlové dělení neuplatňují. Přesnost je prakticky ovlivněna jen převodem posuvného pohybu na rotační. Výrobci je označuji zkratkou IRC. Provedení takového snímače znázorňuje obr. 5.24. v
stator
rotor stator
rotor rcadlo
Obr. 5.24 Kruhový optoelektronický snímač polohy
Snímač
se skládá z rotoru o velkém počtu rysek a clony (rotoru). Světlo dopadá na fotosnímače F, až F4 , zapojené do můstku přes průsvitné plošky ve cloně. Jeden impuls odpovídá otočení rotoru o jednu rysku. Fotosnímače jsou i zde fázově posunuty, čímž je možné opět rozlišit směr otáčení (pohybu). Primární počet rysek závisí na možnostech výrobce a bývá jich asi 2500. Tomu odpovídá 10 000 impulsů na jednu otáčku. Počtu impulsů odpovídá přesnost určení polohy. Pro 10 000 impulsů na otáčku to je konkrétně 2,16 úhlové minuty.
97
Pro menší počty impulsů na jednu otáčku (asi 300) se vyrábějí také snímače založené na indukčním nebo magnetickém (Hallův jev) principu, které nepotřebují prosvěcující žárovku. Vyrábějí se i absolutní snímače.
,
r
"
5.2.2 ABSOLUTNI SNIMACE POLOHY Místo rotoru je u těchto snímačů kódovaný kotouč s ryskami. Pro přímočarý pohyb slouží kódované pravítko. Kódovaný kotouč má po obvodu vzorek v několika řadách, např. tmavá a světlá políčka v příslušném kódu. Každé řadě odpovídá Obr. 5.25 Skutečné provedení inkrementálního informace po I bitu a informace se snímá tak, že rotačního snimače každé řadě je přiřazen jeden fotosnímač (viz obr. 5.26). Na obr. 5.26 a) je nakreslen kódovaný kotouč pro binární 5 bitový kód s 5 snímači, umožňující rozlišit 32 poloh. Častěji se však používá Grayova kódu (obr. 5.26 b), neboť při přechodu zjedné polohy do druhé dochází ke změně jen jednoho bitu. Tím je snížena pravděpodobnost chyby. II kódovaných pravítek se používá délky až 1300 mm a osm stop. Citlivost snímání dosahuje 2,5 11m. [00000]
[00000]
[00101 ]
[00111]
a)
b) Obr. 5.26 Kódové kotoučky a) binární kód b) Grayův kód
Chceme-li dosáhnout větší značném množství fotosnímačů. ,
,
přesnosti čidla
má absolutní
odměřování
polohy nevýhodu ve
..,
5.3 PROXIMITNI SNIMACE Patří
mezi bezdotykové snímače, reagují na přiblížení předmětu nebo jeho vzdálenost od snímače a pracující na různých fyzikálních principech Z hlediska indikace polohy zjišťovaného předmětu je dělíme na: I. pracující na principu odražené energie - např. optické, ultrazvukové, laser 2. reagující na přiblížení předmětu, např. induktanční, kapacitní apod.
98
části
na
V'
určitou
,
" V
5.3.1 PROXIMITNI OPTICKY SNIMAC Principiální schéma činnosti tohoto snímače znázorňuje obr. 5.27, reálné provedení ukazuje pak obr. 5.28. Princip funkce je následující: kužel světla, usměrněný ze zdroje optikou, dopadá na ZDROJ SVĚTLA •
•
•
PREKAZKA
,
CITUVA ZÓNA
VYHOD
COVACI OBVOD
Ohl'. 5.27 Optický proximitni snimač předmět (popř. překážku),
od něho se odráží a je optickou soustavou usměrněn na fotocitlivý prvek. vysílače
Optika
i
přijímače
zajišťuje
protnutí
proximitnich Ohl'. 5.28 Provedení, optickych .. snllnacu
světelných
od
bodli v malé oblasti, nazývané citlivou zónou. Jestliže není předmět v této oblasti, nedojde k odražení energie, fotocitlivý! prvek pak nepřijímá žádnou odraženou energii a nedojde tedy
něho
ke vzniku signálu . .Jako zdroj světla může sloužit v nejjednodušším případě žárovka nebo luminiscenční dioda (LED), pracující v oblasti viditelného nebo lépe infračerveného světla. Novč se začíná
používal
polovodičového
nebo plynového laseru. Jako
přijímač může
sloužit fotodioda,
fototranzistor nebo PSO prvek, popř. CCO kamera. Při použití PSD prvků lze realizovat poměrně přesné měření polohy předmětu nebo řezů předmětu v rovině. neboť tyto prvky mají velkou
rozlišovaci schopnost (i pod I um). Dosah bývá od
několika em
až po několik m.
5.3.2 PROXIMITNÍ ULTRAZVUKOVÝ SNÍMAČ
.
GENERATOR UF
Ultrazvukový' signál (do 50 kHz),
.
vytvořený
•
VYSILAC
generátorem (viz obr. 5.29), je vysílačem do prostoru směrem
vyslán
k objektu (překážce). Od něho se odrazí, je přijat
,
•
FAZOVY DETEKTOR
•
•
•
PRIJIMAC
/;5
./
/'
./
/'
/'
/'
a zesílen přijímačem. Ve fázovém
detektoru je porovnána fáze
vyslaného
a přijatého
napětí
úměrné
využití
signálu.
tomuto
Obr. 5.29 Ultrazvukovy proximitni snímač
fázovému
několika
umístěných v
Výstupní
rozdílu.
přijímačů,
Při
vhodně
prostoru, získáme spolehlivou
informaci o poloze objektu v prostoru.
99
je
5.3.3 PROXIMITNÍ INDUKTANČNÍ SNÍMAČE Tyto snímače reagují na přiblížení kovového předmětu. Schéma snímače je uvedeno na obr. 5.30, ukázka provedení snímače na obr. 5.31. Oscilátor vytváří vysokofrekvenční elektromagnetické ,
DETEKTOR
OSCILATOR
Ll
KLOPNY OBVOD
VÝSTU p
'-
Obr. 5.30 Schéma induktančniho bezkontaktního snímače
Obr. 5.31
Skutečné
provedení snímače
pole. To představuje aktivní zónu snímače. Je-li do této aktivní zóny vložen kovový předmět, dojde k poklesu energie oscilátoru, případně k vysazení kmitů. Jejich zánik je detekován detektorem, výstupní signál je pak upraven klopným obvodem, který ovládá koncový spínací tranzistor. Uvedený snímač může detekovat předměty ve vzdálenosti 5 až 40 mm. Bezkontaktní snímače jsou určeny k bezdotykové indikaci a snímání polohy kovových předmětů, mechanismů nebo jiných kovových částí zařízení nebo stroje, např. jako koncové spínače apod. Vyrábějí se též ve štěrbinovém provedeni.
" 5.3.4 PROXIMITNI, KAPACITNI" SNIMACE
Tyto snímače reagují na přiblížení kovového i nekovového předmětu. Schéma snímače ukazuje obr. 5.32. Obdobně jako induktanční snímače obsahují také kapacitní snímače bezkontaktní elektrody a oscilátor, který však obvykle nepracuje nepřetržitě. Při přiblížení kovového nebo nekovového předmětu k činné plošce snímače vzroste kapacita mezi kostrou a činnou ploškou. Přesáhne-li kapacita určitou hodnotu, uvede se v činnost oscilátor a prostřednictvím klopného obvodu dojde k sepnutí koncového spínacího tranzistoru. ,
OSCILATOR
KLOPNY OBVOD
DETEKTOR
•
VYSTU P
,
PŘEDMĚT
Obr. 5.32 Schéma kapacitního bezkontaktního sntmace ,
v
100
Kapacitní bezkontaktní snímače slouží ke sledování výšky hladin kapalin, sypkých materiálů, lze jc používat ke sledování počtu předmětů, přítomnosti materiálů v rolích apod. Nevýhodou je, že reaguj í i na zkondenzovanou vlhkost nebo nečistotu na činné plošce. Je proto třeba zajistit jejich čistotu během provozu. Technické provedení je navenek shodné s induktančními ,
v'
srurnaci.
,
,
"
,
5.4 DISKRETNI SNIMACE POLOHY Jsou snímače, které mají jen dvouhodnotový výstup (sepnuto-rozepnuto, on-off), Můžeme mezi ně přiřadit rovněž
proximitní snímače v případě, že poskytují jen tento typ výstupu (induktanční, kapacitní a většinou i optické). Tyto snímače jsou bezkontaktní. Většina diskrétních snímačů je však konR taktních. Působením mechanické veličiny dochází ke skokové změně odporu přepnutím kontaktu.
R,
Statickou charakteristiku ukazuje obr. 5.33., kde Rl představuje odpor v sepnutém stavu a R2 v rozepnutém stavu. Jedná se vlastně jen o indikaci dosažení jedné nebo více hodnot měřené veličiny. Kontakt může být ovládán buď přímo, nebo nepřímo změnou magnetického pole, teploty, tlaku apod. Nejdůležitější částí kontaktového snímače je
I-
x,
x
Obr. 5.33 Statická charakteristika kontaktového snímače
kontaktový systém. Materiál, konstrukce, mechanické uspořádání kontaktů a způsob jejich spínání určují přesnost, spolehlivost a životnost snímače. Kontakty v měřicích zařízeních obecně musí mít malý přechodový odpor, stálost při malých proudech a napětích, při malých tlacích a různých chemických prostředích. V měřicí technice se používají především kontakty s malým proudovým zatížením. Nejčastěji se používají následující materiály: platina - iridium (5 % až 50 % Pt), stříbro - platina (5 % až 30 % Pt), platina - wolfram (5 % až JO % W), paladium - měď (5 % až 50 % Cu). Pro větší proudová zatížení se používá wolfram, wolfram grafitu) a další. Správná
činnost
stříbro
kontaktového systém u
(17 % až 70 % Ag), může
stříbro
- grafit (l % až 20 %
být narušena nežádoucím i vl ivy, jako jsou
například:
znečištěníkontaktů mastnotou
a prachem. Při zahřátí kontaktu se tato vrstva mění na špatně vodivou hmotu a může v extrémních případech vést až k izolaci kontaktů. Je proto vhodné svislé uložení kontaktů a krytí celého systému.
prehriváni
kontaktů,
způsobené
jejich vlastní funkcí nebo
vnějším
zdrojem, nemá
přestoupit
dovolenou mez oteplení. Výkon v obvodu, přerušovaném kontakty, nemá přesáhnout 150 m W. Je-li spotřeba měřidla větší než 150 m W, musí být mezi kontakt a měřidlo vložen další elektronický obvod. spolu s elektrickým opotřebením určují životnost kontaktů. U kontaktových snímačů se předpokládá 106 sepnutí bez podstatných změn v přesnosti
mechanické
.
opotřebení
,
smmace. jsou určeny k indikaci a snímání polohy jiných částí zařízení nebo stroje, např. jako koncové spínače apod. Kontaktové
snímače
101
předmětů, mechanismů
nebo
,
v
,
6 SNIMACE SILY A MOMENTU Jejich princip spočívá ve využití fyzikálních účinků síly. Pro snímače statických i dynamických sil se v naprosté většině případů používá deformačních účinků síly na objekt vhodného tvaru nebo materiálu. Měření hmotnosti není v podstatě nic jiného než měření statických sil, proto se používá stejných
snímačů.
Snímače
sil můžeme dělit následovně: 1. síla způsobuje deformaci pružného členu ve tvaru vetknutého nosníku, válce nebo pružného rámu (paralelogramu). Vyhodnocuje se ohyb, tah, tlak, smyk nebo krut. 2. síla vlivem deformace způsobuje změnu parametrů měřicího členu - změna náboje (piezoelektrické), magnetických vlastností (L, ).1, <jl), optických vlastností. ,
v
,
6.1 SNIMACE SILY Vlivem působící síly na snímač, vznikají deformace. Pro jejich nejčastěji používá odporových tenzometrů.
převod
na elektrický signál se
6.1.1 ODPOROVÝ TENZOMETR 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.
aj
b)
c)
Obr. 6. J Odporové kovové tenzometry aj drátkový, b) drátková tenzometrická růiice. c) fóliový tenzometr
Tenzometry se podle použitých materiálů dělí na kovové a polovodičové. Kovové podle způsobu provedení pak na drátkové a fóliové, viz obr. 6.1. 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. Z důvodů měření deformací v různých smčrech se vyrábějí tenzometrické růžice (např. obr. 6.1 b)), složené z různého počtu tenzornetrů (obvykle 2 až 4)
102
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. Cejchovat jednotlivé tenzometry před měřením nebo po něm není možné a je
třeba
se spolehnout na údaje výrobce. Provedení polovodičových tenzometrů ukazuje obr. 6.2.
b)
aj
Obr. 6.2
c)
Polovodičové
tenzometry
a) monokrystalicky difusni tenzometr, b) řez strukturou. c) kremiková tenzometrická membrána s difusnimi tenzometrv 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. Nyní přikročme k odvození rovnice, popisující tenzometrický jev. Pro poměrné prodloužení s platí:
!11
(6.1.)
&=-
I kde délka drátku (vodiče) tenzometru (mm) /),1 prodloužení drátku (mm).
I
U drátkových tenzometrů pro měření poměrných prodloužení s, sledujících deformaci povrchu měřeného objektu využíváme změny odporu drátku, z něhož je tenzometr vyroben. Pro něj platí:
/
R=p-
(6.2)
S
kde p
I S
měrný
odpor materiálu vodiče (O.mm) délka vodiče (mm) plocha průřezu vodiče (mm 2).
Poměrná změna
odporuje pak dána vztahem:
1 !1/ !J.S !1p p !J.S I - - - !1/- - p I + - Sp = - +--'S S2 S R I / S p pS
liR
103
(6.3)
V důsledku osového tahu vodiče je
M = -2p t11
S
(6.4)
I
kde Poissonova konstanta (pohybuje se v rozmezí 0,2 až 0,5). Takže vztah pro poměrnou změnu odporu má tvar:
t1p p !lR __ t1l + 2" t1l + t1p _ t1l r: 1 + 2p + t1l R I I p I I
(6.5)
Výraz v závorce ve vztahu (6.5) představuje součinitel deformační citlivosti vodiče K. Výsledný vztah pro relativní změnu odporu kovového tenzometru pak dostaneme ve tvaru:
!lR = K t1l = K R
(6.6)
E
I
Pro kovové tenzometry je K - 2 a poměrné prodloužení přibližně E = 10-3. Kovové i polovodičové tenzometry mají ve stavu bez deformace odpor typicky 120 O, 350 n a 1000 n. Deformační citlivost polovodičového tenzometru je obecně dána též vztahem (6.6). Pro konstantu K se však používá vztahu:
K = 1 + 2jJ + Jr .Ed
(6.7)
I
kde 1ti podélný piezorezistenční součinitel Ed modul 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. Pro velké deformace je nutno použít bud' speciálně linearizované tenzornetry, nebo je předepnout. Na výsledky měření s polovodičovými tenzometry má značný vliv teplota, tento vliv je podstatně větší než u kovových tenzometrů a hůře kompenzovatelný. Odporové změny při běžném rozsahu měření (E = 10-5 až 10-3) a při použití kovových tenzometrů jsou v rozsahu jednotek až stovek mfž. Měření těchto malých odporových změn vyžaduje velmi stabilní a citlivé elektronické obvody. Jako vstupní obvod je používán nejčastěji Wheatstonův můstek, napájený stejnosměrným, lépe však střídavým napětím (viz kap. 2). Výstupní napětí je zesíleno přesným a kompenzovaným zesilovačem, tvořeným obvykle operačními zesilovači. Jak bylo uvedeno výše, je odpor u všech kompenzovat.
tenzornetrů teplotně
závislý. Tuto závislost je nutné
Jednou z možností je použití samokompenzačního tenzometru. Je to tenzometr, který má na stejné podložce v sérii s měřicím vinutím zapojené vinutí s opačnou teplotní charakteristikou. Výsledná odporová změna při této kombinaci by měla být rovna nule, to však platí jen pro určitý, výrobcem daný rozsah teplot. Další možností je vhodné technologické zpracování drátku před vlastní výrobou tenzometru. I u tohoto tenzometru platí omezení rozsahu teplot.
104
Pro nejčastěji používanou kompenzaci teploty (částečně i vlivu vlhkosti) je vhodné zapojení měřicích a kompenzačních tenzometrů v můstku (viz obr. 6.3). Pro rovnováhu můstku, tzn. pro i~U =
O musí platit:
RI·R 4 = R2.R 3
(6.8)
U můstku tenzometry volíme:
Rl = R2 = R3 = R4 = Ro
(6.9)
kde
Ro
odpor měřicího tenzometru bez namáhání.
Obr. 6.3
Wheatstonův můstek
Obr. 6.4 Zapojení kompenzačního tenzometru bez namáhání
tenzometr Ro zapojíme místo odporu Rl (tzv. čtvrtmůstek) použijeme pro kompenzaci teploty kompenzačního tenzometru Rk, tzn. tenzometru stejných parametrů, umístěného ve stejných podmínkách (nesmí být však namáhán) jako měřicí tenzometr a zapojeného buď místo odporu R2, nebo R3 (podle rovnice (6.8», jak je nakresleno na obr. 6.4. Jestliže
měřicí
Obr. 6.6 Zapojeni opačně namáhaného kompenzačniho tenzometru
Obr. 6.5 Zapojeni shodně namáhaného kompenzačniho tenzometru
105
Jestliže nám měření umožní použít dvou měřicích tenzometrů, zvýší se citlivost měření na dvojnásobek a mluvíme o tzv. půlmůstku. Mohou nastat dva případy: a) oba měřicí tenzometry jsou souhlasně namáhány a jsou zapojeny místo odporu Rl a l~. Kompenzační tenzometry musí být dva a zapojeny do opačných větví můstku, jak je ukázáno na obr. 6.5, b) měřicí tenzometry jsou nesouhlasně namáhány (jeden na tah, druhý na tlak) a jejich změny jsou opačné. Pak měřicí tenzometry musíme zapojit do sousedních větví můstku, jak ukazuje obr. 6.6. Vliv teploty se v tomto uspořádání neprojeví na výstupním napětí. V případě, že můžeme použít při měření čtyř tenzometrů (tzv. plný můstek), musí být dva namáhány na tah a dva na tlak. Zapojení je na obr. 6.7. Citlivost se zvýší na čtyřnásobek a při tomto zapojení se vliv teploty na výstupním napětí i1U neprojeví. Při měření deformací měřicího členu vznikají složky, které nevhodně ovlivňují měření příslušné síly. Tyto složky síly (např. ohybový moment při měření osové síly nebo naopak eliminace osové síly při měření ohybového mo'----f U mentu apod.) musíme též kompenzovat vhodným umístěním tenzornetrů a s využitím opět můstko Obr. 6. 7 Plný můstek vého zapojení. Eliminace parazitního namáhání je znázorněna v tab. 6. I. Tab. 6.1 Eliminace nevhodných namáhání
Legenda: index T změny způsobené teplotou změny způsobené osovou silou A index A změny způsobené momentem M index M U napájení můstku i1U výstupní elektrické napětí z můstku ostatní proměnné jsou patrné z textu. Měřená
Uspořádání
veličina
tenzometrů
Zapojení tenzometrů
•
Deformace
=R. , ] e . .c';: RA =Rl
.. ~
napětí
z můstku
Rt I
Výstupní elektrické.
J
llRt = k . E
Rl
Teplotní vlivy kompenzovány.
~R2
/
1:1 U
U I1U = 4R (MI -M 2 )= U = [(I1R I + M I T ) - Mn'] 4R U = -UK [(&+61')-61']= -K6 4R 4R
U
Rl 106
Tah. 6.1
pokračování
Měřená
Uspořádání
veličina
tenzometrů
Zapojení tenzometrů
Výstupní elektrické napětí z
můstku
Vliv ohyb. momentu M eliminován. Teplotní vlivy nekompenzovány.
U
~?-_---.\
\
Osová síla N
N
!1U
J
;
M
!J.U = -(AR I - AR 4 )= 4R U = 4R K[(CN + c,\4 + cr) + +(8 s
u
-c.lvl
+l'r)]=
U
=4R 2K (c ,v + c r ) Vlivy
ohybového momentu, příčné sily F eliminovány. Teplotní vlh}' kompenzovány.
t1U
=
U (!J.R 1 4R
-
t1R) + AR 4 "
U
=
N Osová síla N
4R K[(8 11,v + c I M + E: y)-
- ( - j.J.c 2N - j.J.C 2M
;
+ (C 41N
M
u
-C41/,1
+ j.J.c T ) +
+cr)-
- ( - j.J.E: 3N - tu: 3M
+ j.J.c 1 )] =
U
CIN = c 4 ..\, c2N
.
=
= 8 3N = k l 8 1S
4R 2K(&IN + j.J.E: g U
=
107
4R 2K(1 + klj.J.)cv
)
=
resp.
-
AR, )
,
,
v
6.1.2 TENZOMETRICKE SNIMACE Klíčovým
prvkem těchto snímačů je deformační člen, převádějící působení měřené síly na deformaci. Na jeho vlastnostech a přesné výrobě záleží přesnost měření, neboť chyby, které zde vzniknou nelze buď vůbec, nebo velmi obtížně korigovat. Deformace tohoto členu se téměř výhradně snímá tenzometry, o jejichž vlastnostech pojednává předcházející kapitola. Materiály pro pružné členy musí mít minimální teplotní roztažnost a teplotní koeficient Youngova modulu pružnosti, dobrou teplotní vodivost, malou hysterezi, jemnozrnou homogenní strukturu, malé účinky tečení (relaxační jevy) a odolnost vůči korozi. Typickým materiálem pro pružné členy je pružinová antikorozní ocel X5CrNiCuNb 1744. Geometrie pružných
členů je podřízena následujícím
a) směrovost, tj. co největší poměr poddajnosti ve rušivých sil, příp. momentů, b)
převod měřené
opačných
síly na deformace aktivních tenzometrů,
c) transformace
zásadám: směru měřené
síly k poddajnosti ve
směru
znamének tak, aby bylo možné použít
čtyř
měřené
deformace na hodnoty v rozsahu linearity použitych tenzometrú a ochrana proti přetížení; nejvyšší hodnota deformace nemá přesahovat o 10 % až 30 % meze pružnosti použitého materiálu.
Nyní si popišme vlastnosti jednotlivých
A'--t
měřicích členů.
b
Pružné deformační členy typu vetknut}' nosník se používají pro malé síly, zpravidla do desítek kN. Principiální schéma ukazuje obr. 6.8, jeho skutečné provedení pak obr. 6.9. Deformace E, způsobená silou F ve vzdálenosti L od středu nalepených tenzornetrů, je určena ohybovým momentem Ma průřezovým modulem v ohybu Wo a roste lineárně od místa působení síly k místu vetknutí nosníku, dle vztahů: (J
u,
E
WoE
8=--=
Obr. 6.8
Deformační člen
ve tvaru vetknutého nosníku
FL
=--
WoE
2
(6.10)
hb Wo = - 6 kde o c
mechanické deformace
E
Youngův
napětí
modul pružnosti
M ohybový moment W o modul v ohybu. "
Ctveřice
aktivních tenzometrů se umísťuje
Obr. 6.9 Skutečné provedení
ve vzdálenosti asi 117 L od místa vetknutí, aby se vyloučily parazitní deformace vyvolané na spoji nosník - základna. Místo působení síly musí být fixováno a přesnost měření je i pak ovlivněna posouváním efektivní vzdálenosti L při průhybu nosníku. Např. vychýlení nosníku z hodnoty I ° při poloviční zátěži na 2° při plné zátěži způsobí chybu nelinearitou asi 0,023 %.
108
2
1
F ----~-----------------
Tenzornetry, 1 2
osy,
měří
ve
umístěné
skutečnosti
poblíž neutrální superpozici ohybového
a smykového napětí. Na obr 6.10 je znázorněn nosník ve tvaru I, který se používá pro měření smykového napětí 1:, které má maximum _. v neutrální ose nosníku (zde je ohybové napětí (JH nulové) a je nezávislé na místě působení síly. Tento nosník minimalizuje příspěvek (JH' takže tenzometry, umístěné pod úhlem 45° k ose, měří Obr. 6.1 () Deformačni den s nosníkem ve tvaru [ jen smykové napětí 1:. Obr. 6.11 znázorňuje pružný člen typu S, který je v praxi značně rozšířený. Tlaková nebo tahová síla je měřena uprostřed vnčjších ramen písmene S. Tenzometry jsou umístěny uvnitř prostoru. který' lze hermeticky uzavřít jednoduchým plochým víkem. Tenzometry jsou tak bezpečně chráněny před vlivy okolí. Rozměry snímače < rozsahem do 50 kN nepřekračují 100 mm. Skutečné provedení snímačeje na obr. 6.12. -==t~ .-
F R
3
F Obr. 6.11
Deformační člen
F
R.
R1
Obr. 6.13 Deformačni člen se dvěma o/vory
větší
nelinearitu. Alternativně lze umístit čtyři tenzometry na
u tlakového členu povrchu jeho horní části. Dalším deformačním členem je člen se smykovým namáháním, vhodný pro síly od
10 kN až do 1 MN. Jej ich směrovost,
provedení
Na obr. 6.13 je znázorněn deformační člen se dvěma otvory, který je vhodný pro větší síly. Stejně jako u deformačního členu ve tvaru S jde o princip dvojitého nosníku namáhaného na ohyb. Pružný člen s kruhovým i otvory je snáze vyrobitelný, má však
F
Skutečné
Obr. 6.12
tvaru S
kompaktní konstrukce, vysoká tuhost a snadná ochrana proti
předností
přetížení.
je velm i dobrá Na obr. 6.14 je
znázorněna
typická konstrukce, která převádí měřenou sílu na smykové napětí, měřené čtveřicí fóliových tenzometrů, umístěných v otvorech pod úhlem 45° (na obr. 6.14 jsou znázorněny pouze
dva). Ochrana proti přetížení je řešena poměrně jednoduše dorazem. Obr. 6.15 ukazuje skutečné provedení.
109
Obr. 6.14
Deformační člen
se smykovým
Obr. 6.15
Skutečné provedení
namáháním
Sloupcové
(tyčové) deformační členy
s namáháním na tlak jsou vhodné pro síly nad 10 kN, patří k nejrozšířenějším a jsou odvozeny ze základního uspořádání na obr. 6.16. Tenzometry tvoří plný můstek, avšak dvojice Rl a R3 měří příčnou deformaci (viz třetí řádek tab. 6.1) cp = -us, která je v poměru Poissonovy konstanty menší, takže se nedosahuje citlivosti ideálního plného můstku, a pro jeho výstupní
napětí
/),U
.6.U platí: =
U.K 5(1 + J.1)
(6.11)
2
Kompenzace teplotní dilatace je velmi dobrá, teplotní koeficient Youngova modulu pružnosti E se kompenzuje teplotně závislým odporem v sérii se zdrojem U (nutné pro přesnosti lepší než 0,3 %). Skutečné provedení ukazuje obr. 6.17.
F
Obr. 6.17 Skutečné provedení
Obr. 6.16 Sloupcovy deformační člen
110
Obr. 6.18
Snímač
Snímač
síly s dutým válcem
Obr. 6.19 Paralelogram
síly s dutým válcem (obr. 6.18) má velký ohybový moment,
uvnitř
nalepené
tcnzornetry, snímající sp a E, jsou opět dobře chráněny. Není tedy nutné použít vnější kryt, který může působit rušivě jako "bočník" pro měřenou sílu. Mohou být navrženy pro měření sil v rozmezí od 50 N do 5.10 9 N a jsou užívány v zařízeních pro vážení velkých objektů (vagóny, vážící plošiny, sila, zásobníky, jeřáby apod.). Patrně
nejlepší
směrovost
mají pružné
na obr. 6.19 se blíží paralelogram u,
členy
typu pružný rám - paralelogram. Chování
tvořeném u čtyřrn
i
tyčov itým i
spoj kam i s pružným i
členu
závěsy
v bodech a, b, c, d. Tuhost členu je ve všech směrech kromě vyznačeného šipkou velmi značná a m úže být proto použit jako element vícesložkových snímačů síly. Všechny výše uvedené snímače lze použít k vážení. V podstatě jde o zjištění síly G
=
rn.g, kde
g je gravitační zrychlení. Pro přesné vážení je však třeba použít snímače se zpětnou vazbou. Princip snímače s
elektromechanickou
zpětnou vazbou
ukazuje obr. 6.20.
Výchylka vahadla, zpúdIferenční
KapaCitO;
-
předmětem
sobená váženým
senzor
na misce, je snímána polohovým diferenčním kapacitním
vahadlo silový 1 člen, .---
1
střídavé
čidlem.
napájeni mostu
len a
Signál z něho je zesí-
působí
na silový
člen,
který vyrovnává polohu vahadla. Signál (proud I) pro silový výkonový zesilovač
Obr. 6.20
,
Snímač s
v
~
Integrační zesilovač
člen
ťované
rozdilový d modulátor zesňovač e
elektromechanickou zpětnou vazbou
a
je pak
úměrný
hmotnosti
zjiš-
předmětu
představuje měronosnou
ve-
ličinu.
v
6.1.3 SNIMACE SILY S PREVODEM DEFORMACE NA POLOHU Tyto snímače používají rovněž pružných deformačních členů, avšak navržených tak, aby síla vyvolala co největší změnu polohy některéhojeho význačného bodu. Poloha je pak snímána nejčastěji
111
kapacitními nebo induktančními snímači, případně optoelektronickými. Nejčastěji se používá pružný člen ve tvaru šroubovice (viz obr. 6.21) nebo prstencový pružný člen (viz obr. 6.22).
~r----- .
F
,..
W-~
-..,
I
jádrO~~~~
I
III
I
I I
I
-.-
..,J.
-----
I
-
.
I I
III
III
1 I
I
.
člen
-l. I I I I I
Ul
---L .. ..
I-
pružný
LVDT
•
spirála Deformační člen
Obr. 6.21
Obr. 6.22 Prstencový deformační člen
ve tvaru šroubovice
Pružné deformační členy ve tvaru šroubovice se vyrábějí z jednoho kusu kvalitní pružinové oceli. Dosahují zdvih až I mm při rozsazích 100 N až 5 kN s nelinearitou lepší než 0,2 %. U prstencového deformačního členu se jeho deformace obvykle měří diferenciálním transformátorovým snímačem LVDT. Jako deformační člen lze použít též vetknutý nosník. Jeho průhyb lze snímat opět snímačem LVDT. r
y
6.1.4 SNIMAC NA PRINCIPU MAGNETOSTRIKCE Ke konstrukci snímačů síly lze využít i změn magnetických vlastností feromagnetik. Často se používá jejich magnetoelastických (magetostrikčních) vlastností. Je to fyzikální jev, kdy při změně mechanického napětí ve feromagnetickém materiálu (jeho rozměrů) se mění jeho permeabilita. Daný Jev Je popsan rOVnICI • •
f
•
~fl J.L
,
2A. s fl
2
B 2 .'!
(J
= K. M
(6.12)
I
kde činitel magnetostrikce při nasycení (T-2)
magnetická indukce při nasycení (T) permeabilita (Hm-I) mechanické napětí (Nm- 2) konstanta. Principiální schéma tohoto čidla znázorňuje obr. 6.23. Snímač je tvořen uzavřeným magnetickým obvodem alespoň s jedním vinutím. Vlivem působení síly F se bude měnit permeabilita IJ. feromagnetika, tím se bude měnit reluktance magnetického obvodu Rm a následně indukčnost L měřicí cívky, a tedy i její impedance, viz vztahy 6.13.
112
, (6.13 )
,-
-"\
l-f(FJ
-
kde
Magnetostrikční snímač
Obr. 6.23
Rm fl
reluktance (H-l) permeabilita (Hm-I)
SFe ls L N
průřez feromagnetika (m 2) délka siločáry (m) indukčnost měřicí cívky (H) počet závitů cívky.
Pro tyto snímače je vhodné využít materiály s vysokou hodnotou permeability a malou hodnotou magnetické indukce Bs při sycení (viz vztah (6.12)). Proto se nejčastěji používá permalloy (slitina niklu, železa a molybdenu). Lze též použít i měkké oceli. Snímače jsou vhodné pro velké síly, řádově MN. ,
v
6,1.5 SNIMAC NA PRINCIPU MAGNETOANIZOTROPIE U těchto snímačů se využívá magnetoanizotropie, tj. deformace magnetického pole při deformaci feromagnetika. Provedení snímače a princip jeho funkce je patrná z obr. 6.24.
F F- O
F,.O
Obr. 6.24 Magnetoanizotropni snímač Ve feromagnetiku jsou čtyři otvory, jim iž je prov lečeno primární v I a sekundární V 2 vinutí. 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 v I zasáhne sekundární vinutí v 2, v němž se bude indukovat napětí u.; jehož velikost je úměrná působící síle.
Daný jev je popsán vztahem (6.14):
di,- = k' u 2 = - M 12 .sma dt
(6.14)
113
kde u, M 12 i,
výstupní napětí (V) vzájemná indukčnost mezi vinutími VI a V 2 (H) proud primární budicím vinutím (A).
Tyto snímače jsou opět vhodné pro velké síly, řádově MN.
K anizotropnímu rozložení permeability dochází také při zkrutu feromagnetické tyče, kterou prochází proud. Tento jev se nazývá Wiedemannovým jevem. V cívce nasunuté na tyč se indukuje napětí, úměrné krouticímu momentu. Toto provedení čidla se často nazývá indukční tenzometr. Používá se pro měření síly, častěji však pro měření momentu. ,
,
v
,
6.1.6 PIEZOELEKTRICKE SNIMACE SILY Pro
převod
síly na elektrický signál lze použít také piezoelektrického jevu. Je to fyzikální jev, při němž deformace krystalu některých dielektrických látek způsobí dipólový elektrický moment objemového elementu. 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. .'
I
optická oso . Z
':(!Ji. I •,
I.
I
•I" l_~)"'!.
_. )(
a
I
I
I
I
,~-1r. -~\ ~.
"-''Ť'
\
elektrická
'-
oso
.o
mechanIcká l
osa I.
i
y
ELEKTRODY
aj
b)
Obr. 6.25 Piezoelement aj krystal křemene, b) výbrus Vyřízněme např.
s elektrickou. Působí-li náboj o velikosti:
z křemene krystal, jehož podélná osa souhlasí s mechanickou a příčná síla Fx ve směru elektrické osy (viz obr. 6.25), pak se na elektrodách objeví (6.15)
kde Q
d Fx
náboj na elektrodách výbrusu (C) piezoelektrická konstanta (CN- I), pro Si02 je d = 2,3 . 10- 12 C.N- I síla působící na výbrus krystalu (N).
114
Působí-li
naopak síla Fy ve směru mechanické osy krystalu, pak pro velikost náboje Q platí
vztah:
b Q =d.Fy . a
(6.16)
Oproti předcházejícímu případu zde záleží na rozměrech výbrusu. Jako piezoelektrického materiálu se používalo křemene, nověji dalších materiálů podobných vlastností - piezoelektrická keramika (titaničitan barnatý BaTi03, titaničitan olovnatý PbTi03, zirkonát olova PbZr03 a niobáty) nebo polyvinylidentluorid (PVDF2) apod. Tato čidla jsou konstrukčně velmi jednoduchá. Výhodou je malý rozměr čidla, nevýhodou velký vnitřní odpor, který vyžaduje vstupní odpor vyhodnocovacích obvodů řádově 10 12 n. Piezoelektrické snímače jsou vhodné pro snímání dynamických sil nebo vibrací. Při snímání , statických sil musí být použito nábojového zesilovače, což velmi často přináší velké potíže. V Ustavu přístrojové a řídicí techniky, Odboru elektrotechniky na FS ČVUT, se podařilo vyvinout snímače, které jsou schopny snímat statickou sílu bez nábojového zesilovače. ,
,
v
,
6.1.7 KAPACITNI SNIMACE SILY Princip těchto snímačů závisí na změně kapacity a byl podrobně popsán v kap. 5.1.3. Jejich kapacita se mění podle vztahu (5.34), zde si hojen připomeňme:
S C =ed
(6.17)
Z něho vyplývá, že kapacitu můžeme měnit změnou dielektrika nebo plochou elektrod přímo úměrně, jejich vzdáleností nepřímo úměrně. Obecně kapacitní snímače síly využívají všech tří možností. Rovněž způsob vyhodnocení je shodný jako u snímačů polohy.
,
V"
,
,
6.1.8 SNIMACE SILY NA BAZI VODIVEHO ELASTOMERU Základem snímače je vodivý elastomer (většinou silikonová pryž sycená grafitem nebo železným prachem), jehož odpor se mění s působící silou. Na obr. 6.26 jsou znázorněna dvě provedení těchto senzorů. 1
5
1
6
5 2
2 3 4
aj
Obr. 6.26
b) Snímač
síly na bázi vodivého elastomeru
Na obr. 6.26 a) je ukázáno provedení senzoru se snímacími elektrodami 4, umístěnými na základní desce 3. Tyto elektrody snímají změnu odporu vodivého elastomeru 5, způsobenou silou, půso bící přes pružnou krycí vrstvu 1. Pružná nevodivá vrstva 2 slouží k nastavení citlivosti senzoru, popř.
115
k omezení síly. Obr. 6.26 b) popisuje druhou variantu, kdy je vodivý elastomer 6 stlačován mezi párem elektrod 4 a 5. Základní deska 4 může být pevná, vrchní I musí být elastická. Význam vložek je shodný s variantou a). Cidla mohou pracovat v rozsazích od několika N až po kN. Změna odporu se zatížením je nepřímo úměrná síle, pohybuje se od jednotek Mn až po stovky n a je v celém rozsahu nelineární. Vzhledem k rozsahu změny odporu jej lze vyhodnocovat přímo bez můstkového zapojení. v
'"
,
6.2 SNlMACE MOMENTU Tyto snímače využívají Newtonova zákonu o rovnosti kroutícího momentu rotačních strojů
kryt motoru
L .-..!--...
páka ._~-~-
_. F
.I
akčních
a
reakčních
sil a slouží k
měření
Na obr. 6.27 je znázorněn princip měření kroutícího momentu. Tohoto způsobu se používá u stacionárních dynamometrů. Skříň měřeného stroje (motor, pumpa, kompresor, turbína, generátor) je otočně uložena v kuličkových ložiscích na zkušebním stojanu a spojena pákou o délce L se snímačem síly (u dynamometrů s váhou, jejíž stupnice je cejchována v Nm). Snímač je ukotven a měří reakční sílu F, odpovídající momentu reakce statorových částí stroje dle známého vztahu:
M=F.L
(6.18)
I
kde M F L
měřený
moment (Nm) reakční síla (N) délka páky (m) Při provozních měřeních se používá častěji rotačních snímačů momentu, které se montují na společnou hřídel mezi poháněnou a poháněcí soustavou.
Obr. 6.27 Usporádáni měření momentu
,
,
v
TENZOMETRICKY SNIMAC MOMENTU
6.2.1
Příklad uspořádání
tenzometrického hřídelového snímače kroutícího momentu a přenášeného výkonu ukazuje obr. 6.28, skutečné provedení obr. 6.29. Pro měření kroutícího momentu Mk je na měřicí část speciálně upravené hřídele nalepena čtveřice tenzometrů, zapojených do můstku. Jsou-li tenzometry nalepeny pod úhlem 45° k ose hřídele, nebude se uplatňovat vliv tahu, ohybu a teploty (viz poslední řádek tab. 6.1). Mezi relativním
prodloužením
E jednoho
Mř, =
+&
tenzometru a kroutícím momentem Mk platí vztah:
2GJ p
(6.19)
r
kde Mk G
kroutící moment modul pružnosti ve smyku
Jp
polární moment setrvačnosti
r
poloměr hřídele.
116
Pro přenášený výkon P pak platí:
P = M Jr.n k
(6.20)
30
kde n
otáčky (m in- 1).
• • • • • indukěri
,nóuktonční snímač.
~...., kapacitní snímoě
f--..... vstup
>
otáček
.....
'--,-
\výstup I
Obr. 6.29
VYHODNDCOVACI OSVOD
p
Skutečné
provedení snímače momentu
.
n
Napájení tenzometrického můstku je bezkontaktní na principu transObr. 6.28 Tenzometricky snímač momentu formátoru se vzduchovou mezerou na stejnosměrné napětí. Výstupní napětí z měřicí diagonály tenzometrického a převodníkem můstku je převedeno v převodníku Uff na impulsní signál, který se z hřídele snímá kapacitním
nu
snímačem.
,
"
,
6.2.2 KAPACITNI SNIMAC MOMENTU c..L-;::'::::~::"-"1I1l1ktrody 110lační
vložko
._-_._-_ .. _.
- ...
_...
_-
_ _-..
-- ----
Využití k
kapacitního
snímače
měření
kroutícího momentu znázorňuje obr. 6.30. Kondenzátor snímače je tvořen dvěma elektrodam i zubového tvaru. Jedna z nich je izolována od hří dele. Zkroucení torzní tyče vlivem pře nášeného momentu způsobí změnu vzájemné polohy ozubení na elektrodách, a tím také změnu kapacity takto
/
vytvořeného kondenzátoru.
Obr. 6.30 Kapacitní snimač momentu
117
7 MĚŘENÍ TLAKU A VÝŠKY HLADINY 7.1 MĚŘENÍ TLAKU ,
,
7.1.1 ZAKLADNI POJMY Tlak je veličina odvozená a
pří
jeho
měření lze
vyjít ze základních definic:
a) síla Fpůsobící kolmo na jednotku plochy S
F m.g =P S = S
k
_J
J
(7.1 )
(Pa' g m.s - m") " ,
b) hydrostatický tlak sloupce tlakoměrové kapaliny o výšce h a hustotě p
p = p . g . h (Pa; kg.mm)
(7.2)
Jednotkou tlaku je pascal (1 Pa = 1 kg.ml.s"), v příloze jsou uvedeny převodni koeficienty některých u
nás nepovolených jednotek, se kterými se lze setkat v literatuře. Absolutní tlak Pa se měří od absolutní nuly, přetlak a podtlak se měří od okamžitého baro-
metrického (atmosférického) tlaku Pb' Vakuem nazýváme velký podtlak, když se absolutní tlak blíží nule. V proudící tekutině je celkový tlak pc roven součtu tlaku statického p, a dynamického P«
pc = ps + Pd Statický tlak ps je v celém tekutiny s a je roven
(7.3)
průtočném průřezu stejný,
dynamický tlak Pd zahrnuje vliv
stlačitelnosti
Pd=Pk.S Kinetický tlak Pk je funkcí rychlosti
proudění w
(7.4)
a hustoty proudící tekutiny p podle vztahu
Pk = P . li!2
(7.5)
U nestlačitelných tekutin (kapalin) je kinetický tlak roven dynamickému, neboť s = 1. Při měřeni
rychle proměnných tlaků je maximální frekvence změn měřeného tlakufmax závislá
na délce L impulsního potrubí
(přívod
tlaku k tlakoměru) podle vztahu
c fmax .:.. 0,141.L
(7.6)
c (m.s') - rychlost šíření zvuku v měřeném prostředí (resp. prostředí v impulsním potrubí). 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:
118
a) zvonové a pístové - etalonové přístroje podle (7.1), měřítkem tlaku je zdvih zvonu (zvonové) nebo hmotnost závaží na pístu známého průřezu (pístové); b) kapalinové - etalonové přístroje podle (7.2), měřítkem tlaku je výška kapalinového sloupce (U-trubicové, nádobkové, mikromanometry se sklonným ramenem a kompresní vakuometry); c) deformační - měřítkem tlaku je velikost deformace pružného prvku (trubicové - bourdonské, membránové, krabicové a vlnovcově); d) elektrické - měřítkem tlaku je změna elektrické veličiny tlakově závislé (odporové, bolometrické a ionizační vakuometry).
7.1.2 ZVONOVÉ TLAKOMĚRY Základní součástí zvonového tlakoměru je zvon řcný tlak. Měřítkem tlaku je zdvih zvonu. Podle s účinkem vztlaku využitým a nevyužitým.
ponořený'
do kapaliny, pod nějž se zavádí mě funkčního principu jsou zvonové tlakoměry
7.1.2.1 ZVONOVÝ TLAKOMĚRS ÚČ:INKEM VZTLAKU
. b)
80
"
__
~
100
~
1(%) - __. · 0 . -
-
.,;
!
1
.,;
.,;
.,;
60 40
--- - - - -- - - - - -- - - - ---
-
20 .,;
.,;
.,;
.,;
"
4
.1
.,;
.,;
O
p
tlakoměr
s
50
O
~==:::- (:-~-
Obr. 7.1 Zvon0':'l'
.,;
.,;
100
150
200
P (Pa)
účinkem
vztlaku: a) funkčni schéma, b) statická charakteristika
Schéma je na obr. 7.1 a. V klidovém stavu pod zvon není zaveden přetlak, zvon v kapalině plove 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 - SI).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 P=
S2 - SI
SI
-Pz .g.l = e.p , .g.1 = k.1
-
-
SI (m') - vnitřní plocha dna zvonu, S2 (m'') - vnější plocha dna zvonu, P2 (kg.m") - hustota kapaliny v nádobě, I (m) - zdvih zvonu, e (1) - převodní číslo (převod) tlakoměru, k (Pa.m") - konstanta tlakoměru.
119
(7.7)
Zvonový tlakoměr se používá k měření statických tlaků do 500 Pa. Nádobka tlakoměru se plní vodou, petrolejem, toluenem, olejem apod. Poměrně malý měřicí rozsah přístroje lze zvětšit, a
to dvojím způsobem (viz obr. 7.1 b):
a) Zvětšení měřicího rozsahu se zachovanou citlivostí se docílí tak, že při maximální výchylce zvonu se na zvon vloží takové závaží, aby se zvon
ponořil
do výchozí polohy. Lze
měřit
znovu
stejný rozsah tlaku jako předtím, tj. dosáhne se dvojnásobného rozsahu. Tímto způsobem lze rozsah měnit, dokud
b)
to dovolí pokles kapaliny v
Zvětšení měřicího
nádobě
pro
měřený tlak.
rozsahu se sníženou citlivostí znamená
rozšíření měřicího
rozsahu
při
jednom zdvihu zvonu. Do zvonu se vloží vztlakové přídavné těleso o průřezu 8 3 a (7.7) se změní na tvar
(7.8) Zvonový tlakoměr s účinkem vztlaku se používá pro laboratorní měření a k ověřování (kalibraci) jiných tlakoměrů.
7.1.2.2 ZVONOVÝ TLAKOMĚR BEZ ÚČINKU VZTLAKU b) a)
p. +
Obr. 7.2 ZvonO\ý
tlakoměr provozní:
a) zavěšený na váze, b) s pružinou
Je vybaven zdrojem kompenzační síly, která vyrovnává sílu Fl a udržuje zvon prakticky ve stejné poloze. Kompenzační sílu vyvozuje závaží nebo pružina. Tento typ zvonových tlakoměrů se používá převážně pro provozní měření. Na obr. 7.2 a je schematicky uveden zvonový tlakoměr, kde měřítkem tlaku je sice vynoření zvonu, ale ten je zavěšen na sklonné váze, která je zdrojem kompenzační síly. Zdvih zvonu (jeho po• otočení) je ozubeným převodem přenesen na otočný ukazatel se stupnicí kalibrovanou v hodnotách měřeného tlaku.
Na obr. 7.2 b je schéma provedení zvonového tlakoměru k měření tlakového rozdílu. Tlakoměr je vybaven dálkovým elektrickým přenosem signálu - indukčním vysílačem. Kompenzační sílu vyvozuje pružina. Měřicí rozsah lze měnit výměnou této pružiny.
7.1.3 KAPALINOVÉ TLAKOMĚRY Jsou to většinou jednoduché, spolehlivé a přesné přístroje, používané především v laboratořích. Velikost tlaku je dána výškou sloupce kapaliny podle (7.2). Rozsah měřeného tlaku a přesnost měření závisí na tlakoměrovékapalině a na přesnosti čtení výšky sloupce kapaliny. Jako náplně tlakoměrů se
120
používá destilovaná voda, rtuť nebo líh (alkohol), hustota se mění s teplotou (viz tab. .1.1), líh je navíc hygroskopický (pojímá vlhkost ze vzduchu) a jeho hustota se mění s časem.
Tab. 7.1 Hustota vybraných
tlakoměrových kapalin
hustota P (kg.m j) při teplotě: Kapalina: destilovaná voda rtuť
O -c
10 -c
999,84 13 595,1
999,70 13 570,4
1 633,9
1614,3
20
-c
30
995,65 13521,2
998,20 13545,7 791 864 1 594,7
ethylalkohol (etanol) toluol tetrachlor
-c
1 575,1
7.1.3.1 U-TRUBICOVÉ TLAKOMĚRY Je to skleněná trubice tvaru U podle obr. 7.3, popř. dvě přímé trubice dole spolu spojené (např. gumovou hadicí) a zpola naplněné tlakoměrnou kapalinou. Měřený tlak PI, resp. tlakový rozdíl Sp = PI - Pl vychýlí kapalinu o míru h = hl + hl a platí, že
Sp = PI - Pl = (Pr Pl) . g. (hl + hl) = (Pr PI) . g. h = k . h
(7.9)
30
.. v9,
f--
-
/
-
20
Pl (kg.m") - hustota tlakoměrové kapaliny (náplně tlakoměru),
hodnotu zanedbat (Pc » Pl)' Rovnici statické charakteristiky lze přepsat z uživatelské rovnice
,
,
O -'
I
~
- N ..c -
-
O
I
-
-
10
PI (kg.m") - hustota měřeného prostředí; při měřeni tlaku plynu lze
-
-
..c
I
- 10 - x:
~
(7.9)
,
.
(7.10)
20 -
,
-
.
.
II
-30
.
-
,-.- --,-'l ~ 92 Délka trubice nepřekračuje 1,5 m (max. 2 m), a tím je určen mě řicí rozsah tlakoměru podle použité kapaliny. Výška kapaliny se určuje Obr. 7.3 U-trubicový jako součet výchylek v obou trubicích (ramenech), proto trubice nemusí tlakoměr mít stálý průřez (nemusí být kalibrovány). U-trubicové tlakoměry jsou vyráběny jako velmi jednoduché s milimetrovým měřítkem, nebo jako velmi přesné s optickým čtenim výchylky kapaliny. Při rtuťové náplni se používá promítání menisku na matnici, čímž se současně odstraní chyba z paralaxy čtení. Přesnost čtení výchylky lze zajistit až na 0,05 mm. Nevýhodou U-trubíCOV)fch tlakoměrů je to, že se musí číst výchylka sloupce
v obou ramenech. 7.1.3.2 NÁDOBKOVÉ TLAKOMĚRY Odstraňují
nedostatek U-trubicových tlakoměrů, tj. čteni výchylky sloupce v obou ramenech tlakoměru. Jedno rameno tlakoměru je rozšířeno do nádobky a čte se výchylka pouze v trubici (hl), která musí mít stálý průřez (musí být kalibrována), víz obr. 7.4. Pokles hladiny kapaliny v nádobce tlakoměru musí
být zahrnut do stupníce tlakoměru. Měřený tlakový rozdíl je možno vyjádřit z (7.9) za pomocí rovnosti
tJ.p = (Pl - PI ).g.(h1 + hJ = (Pl - Pl ).g.hl.(
S
1) = s 1
1
= (Pl - PI ).g.e.hl = k.h,
121
+
objemů SI
. hl = Sl' hl (7.11)
Sl (nr') - průřez nádobky,
2 S2 (m ) - průřez trubice, e = S2/S1 + 1 (1) - převodní
číslo (převod) tlakoměru.
Z rovnice uživatelské (7.11) lze psát rovnici statické charakteristiky nádobkového
h,
= (p 2
~d2
~1/
Průmyslové
~
r:-
~
I"
b -b-
J:-
t >P, I I
N
-~..c ~
.c
!:"p
(7.12 )
k
přístup
nahoře uzavřenou a
vakuovanou. Do nádob-
K přesnému čtení sloupce rtuti v trubici slouží nonius. Protože jak hustota rtuti, tak i trubice a kovové součástky barometru mění své velikosti s teplotou, je nutno údaj barometru Pb korigovat podle jeho teploty (bývá standardně vybaven skleněným teploměrem) ky má
okolní barometrický tlak. Náplní je
--
/~
-
provedení nádobkového tlakoměru je např. staniční ba-
rometr, který má trubici I
-
!:"p Pl)' g. e
tlakoměru
rtuť.
PbO = - fJ.pb
(7.13)
--
PbO - skutečný barometrický tlak redukovaný na O"C, O Pb - údaj barometru, ----- - Sp; - hodnota korekce údaje závislá na teplotě a na okamžitém - - 92 -=..== .J:: -- ;.J -měřeném barometrickém tlaku (zjistí se z tabulky nebo grafu). Obr. 7.4 Nádobkovy tlakoměr Druhým provedením nádobkového tlakoměru je Betzův nádobkový tlakoměr (obr. 7.5). Vyznačuje se velmi přesným čtením výšky hladiny tlakoměrové kapaliny v trubici tlakoměru. Hladina kapaliny se snímá pomocí skleněného plováčku se zavěšeným skleněným měřítkem. Měřítko se promítá na matnici, kde lze číst s přesností 0,05 mm. Rozsah měření je (O -i- 2000) Pa, popř. (O -s- 5000) Pa. Dalším provedením laboratorního nádobkového tlakoměru je /
o ti 1
.-
,
~
kompenzační tlakoměr diferenční,
viz obr. 7.6.
Princip měření spočívá v tom, že nádobku, do níž je zaváděn menší tlak zvedáme tak dlouho, až •
se
hladina
Obr. 7.5
kapaliny
Betzův tlakoměr
v druhé nádobce vrátí do původní polohy. Toto nastavení se provádí mikrometrickým šroubem s přesností 0,01 mm. Poloha hladiny v pohyblivé nádobce se zjišťuje
-- -
-
hrotovým stavoznakem. Tlakoměr se plní desti-
lovanou vodou, rozsah je (O
-ě-
1500) Pa.
7.1.3.3 MIKROMANOMETR TRUBICÍ Je to nádobkový
SE
SKLOPNOU
tlakoměr,
jehož trubici lze . sklápět, a tím zvětšovat jeho citlivost, schéma VIZ
Obr. 7.6 Kompenzační tlakoměr nádobkový
obr. 7.7. Měřený tlakový rozdíl je dán vztahem
122
s,
.
I
-- +sma . = SI
(7.14)
Měřicí
rozsah je dán délkou trubice. Běžně se vyrábějí mikromanometry s trubicemi délky 200 a 600 mm. Náplni je téměř výhradně ethylalkohol, aby se vytvořil dobře čitelný meniskus i při malém
p,
1
úhlu sklonu trubice. Trubice je vedena segmentem, na
('ol
s: s: -
-
-
-
němž
lze polohu trubice zajistit kolíkem a kde jsou
uvedeny
-
k.
příslušné
Převody tvoří
popř.
hodnoty převodu e nebo konstanty řadu: 1 - 0,5 - 0,2 - 0,1 - 0,05 - 0,02,
1: 1 - 1:2 - 1:4 - 1:8 - I: 16.
Obr. 7.7 Mikromanometr se sklopnou trubicí p
7.1.3.4 KOMPRESNÍ MAC LEODŮV VAKUOMETR Princip funkce
spočívá
uzavření určitého
v
Před měřením
-
objemu vzduchu
-
I
;j;'
I
aby rtuť opustila prostor vakuometru a byla shromážděna v této nádobce. Měřený absolutni tlak bude v tomto případě v prostoru nejdříve
vakuometru. Pomalým zdvíháním nádobky se
"
stlačuje
až na objem v
určen)!
-
uzavře
- --
--
Při
ryskou
pomalé
kompresi platí P . V = konst., tedy
il
-
f-
.
f-
-
I
určení tlaku
Pa = Aby mohl a vybavena
přístroj měřit
několika ryskami
z výchylky
V
V -v
-
I
fo-
-
I-
-
I I
-7
J
I
L
Obr. 7.8 Mac Leodův kompresní vakuometr (7.15)
rtuťového sloupce
(7.16 )
.p.g.h = e.p.g.h = k.h
ve více rozsazích, je kompresní nádobka
s udanými
I I I
~Hg
Pa. V=(p,,+p.g.h).v a odtud pak rovnice pro
I
o
-
-
II
na kompresní nádobce. Ve volné trubici, která je spojená s měřeným prostorem komprese nenastává a sloupec rtuti vystoupí do výšky h nad hladinu rtuti v kompresním prostoru.
-
f-
- fo-
- - - -- - - _..-- - -
>
kompresní prostor o objemu V; dalším zdvíhánim nádobky se ob-
.
.c:
>1
je hladinová nádobka se rtutí
spojená s prostory vakuometru gumovou hadicí v takové výšce,
jem v kompresním prostoru
~
e-
o měřeném absolutním tlaku pa a jeho stlačení tlakem rtuťového sloupce výšky h, viz obr. 7.8. Pro ovládání rtuťové náplně slouží hladinová nádobka.
-
-
o
převody
e nebo konstantami k.
výšku rtuťového sloupce od hladiny v kompresni nádobce. Rozsah (10-.1 -ě- 10.1) Pa.
stupňovitě
Při měřeni měření
zužována
je nutno vždy
číst
absolutniho tlaku je
7.1.4 PÍSTOVÉ TLAKOMĚRY Jsou to etalonové koměry
se používají
tlakoměry vycházející
téměř výhradně ke
z(7.1), tj. podílu síly na jednotku plochy. Pístové tla-
kalibraci
deformačních tlakoměru v
pro vysoké tlaky jsou obvykle vybaveny multiplikátorem pro vyvození tlaku.
123
rozsahu 40 kPa
-i-
2 GPa,
Kalibrační zařízení
spístovým tlakoměrem (obr. 7.9) obsahuje kromě pístového tlakoměru čerpadlo pro vyvození tlaku, ventily a zásobník oleje, kterým je celé zařízení vyplněno. Při kalibraci se ověřovaný tlakoměr zašroubuje do objímky. Otevře se ventil pod zásobníkem oleje a ten se nasaje čerpadlem do systému. Po uzavření ventilu pod zásobníkem se otevře ventil pod zkoušeným manometrem. Na talíř pístu tlakoměru se vloží takové závaží, které odpovídá požadovanému tlaku. Čerpadlem se olej vytlačuje do válce tlakoměru, až se píst zvedne do (30 -:- 60) ot/min a čte se údaj na manometru. Po přidání dalšího závaží píst poklesne, opět se dočerpá olej čerpadlem, píst se roztočí, čte se údaj manometru atd. Při kalibraci se čtou jednotlivé údaje manometru při zatěžování a při odlehčování, vypočtou se odchylky a sestrojí se graf odchylek nebo graf korekcí (podle poža-
předepsané
výše. Píst se
ručně roztočí
max.
davků).
Protože celková hmotnost závaží nemá překročit (30
50) kg, je nutno pro zařízení na vysoké tlaky zařadit mezi píst a závaží pákový převod a k vyvození tlaku použít multiplikátor. Aby bylo možno použít zařízení Obr. 7.9 Kontrolni pistový tlakoměr s pístovým tlakoměrem od nulového tlaku, vyrábí se tzv. kompenzační pístový tlakoměr (fa Maihak, Hamburg, SRN), obr. 7.10. Je určen k měření a kalibraci tlakoměru v rozsahu (O -r- 2,5) MPa s přesností 0,1 % okamžité hodnoty. Zařízení se skládá z pístového tlakoměru k přesnému nastavení kompenzačního tlaku p, a z U-trubicového rtuťového tlakoměru určujícího tlakový rozdíl Sp mezi měřeným tlakem pm a tlakem Pk. Měřený tlak se přivádí k ventilu 1, který je uzavřen, a kontrolní tlakoměr M udává orientační hodnotu tlaku. Zkratovací ventil u U-trubicového tlakoměru je otevřen. Na talíř pístového tlakoměru se vloží takové závaží, aby vyvozený tlak p, byl menší než tlak měřený pm tak, aby platilo Pm - p, < pmax, Pmax - rozsah rtuťového tlakoměru. Otevře se ventil 1 a tlak P« se přivede pod píst, který se zdvihne až na doraz 4, protože p, < Pill' Uzavře se ventil 2 a jemným pootevřením ventilu 3 se píst pístového tlakoměru vrátí do střední polohy a ve rtuťovém tlakoměru se objeví výchylka hladiny h. Po roztočení
-i-
pístu se
přečte
údaj na
rtuťovém tlakoměru. Měřený
pístového tlakoměru Pk a rtuťového
tlakoměru
tlak Pill je potom roven
součtu
údaje
tJ.p
m Pill =Pk +!:lp=-·g+P2·g· h S resp. vzhledem k vysoké přesnosti přístroje (nutno brát ohled i na vztlakovou sílu a na teplotní roztažnost rtuti ve skle, včetně měřítka)
1 + a.t
m
r; =-.g-V,PI·g+P2·g·h.-S 1 + 13. t m (kg) - hmotnost pístu a závaží,
S (nr') - účinná plocha pístu tlakoměru, V (nr') - objem talíře pístu a závaží, PI (kg.m") - hustota okolního vzduchu, P2 (kg.m") - hustota rtuti v U-trubici při ooe, h (m) - výchylka rtuti v U-trubici,
124
(7.17) působící
na závaží
(7.18)
a (Kl) - teplotní součinitel délkové roztažnosti měřítka U-trubice, J3 (Kl) - teplotní součinítel objemové roztažnosti rtuti, t (0C) - teplota okolí při měření.
;' M
~3
-
-'
2 Obr. 7.10 Vysoká
přesnost
pístových
1
Kompenzační pístový tlakoměr
tlakoměrů
si vyžádala i jejich aplikaci pro
průmyslové účely
jako
tzv. tendenčních tlakoměrů (použití především v kotelnách k měření i velmi malých změn tlaku páI)',
které provozní
a)
deformační tlakoměr nezaznamená),
p
viz obr. 7.1 I. Jedná se o pístový
tlakoměr, kte-
b) 100
I I I I I I I I
1(%)
I
I
I I I
oO
Po
Pmax
pePa)
Obr. 7.11
Tendenční pístový tlakoměr:
a) schéma, b) statická charakteristika
rý je zatížen konstantním závažím, které potlačuje rozsah měření podle požadavku provozu až do hodnoty Po (viz obr. 7.11 b). Teprve při tomto tlaku se začne píst zdvíhat a stlačuje pružiny, které udávají vlastní měřicí rozsah od po do pmax. Pístem stále otáčí elektromotorek. Zdvih pístu je převáděn mechanickým převodem na ukazatel, kde na stupnici udává přímo měřený tlak. Potlačení rozsahu mů že být (0,5 -i- 10) MPa, měřicí rozsah (0,1 -i- 5) MPa.
7.1.5 DEFORMAČNÍ TLAKOMĚRY Funkčním
principem deformačníchtlakoměrůje využití pružné deformace, a tím změny geome-
trického tvaru vhodných tlakoměrnýchprvků při působení měřeného tlaku.
125
Mezi výhody deformačních tlakoměrů patří: - 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 vnítřního pnutí a pružné vlastnosti se pak nemění, Vzhledem k poměrně malé deformaci měřicího prvku je nutno mezi něj a ukazatel zařadit mechanický převod, popř. snímat deformaci elektricky (indukčně, kapacitně, piezoelektricky ap.). Teplota ovlivňuje modul pružnosti materiálu deformačního prvku a teplotní roztažnost převo dového ústrojí pozměňuje mechanícký převod. Proto je třeba při měření zajistit, aby teplota měřicího prvku a převodů nepřekročila hodnotu 80 "C. 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: a) trubicové - k měření podtlaků, vakua a přetlaků, b) membránové - k měření podtlaků, vakua, přetlaků a tlakových rozdílů, c) vlnovcové - k měření podtlaků, přetlaků a tlakových rozdílů, d) krabicové - k měření podtlaků, přetlaků a tlakových rozdílů.
7.1.5.1 TRUBICOVÉ TLAKOMĚRY (BOURDONSKÉ) U tohoto asi oválného profilu,
nejpoužívanějšího typu deformačních tlakoměrů je deformačním prvkem
trubice
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 (obr. 7.12 a). Působící měřený tlak p deformuje sploštělou trubici kruhovitě zakřivenou o středovém úhlu q>
tak (viz obr. 7.12 b), že poloměr zakřivení r se zvětší o /lr a středový úhel q> se současně zmenší o ~q>, zároveň se šířka a profilu trubice zvětší o Sa, délka b profilu zmenší o Sb a celkově se obsah trubice zvětší (toho se využívá při aplikaci tlakových teploměrů). Výchylka volného uzavřeného konce trubice y je velmi malá a lze ji popsat vztahem
y = J(/lr)2 + (r.~q»2 Vyjádřením
výchylky y jako funkce charakteristiky mít tvar
měřeného
(7.19)
tlaku a
y= r.S .p. ~ 1+q>~~ =k.p
a
s - vnitřní povrch trubice. 126
rozměrů
trubice bude rovnice statické
(7.20)
a)
Trubice je pro
b)
nízké
a .D
,
.
.D-r--.:.', ~ ,
I
y
,
.D.L-t.oo;#
O+AO
Obr. 7.12 Trubicovv
tlakoměr:
a)
uspořádání
řicí
piistroie, b) deformace trubice
rozsah, velikosti kruhových pouzder i třídy 10 - ...).
tlaky velmi sploštělá, z mosazi, bronzu apod., pro vysoké tlaky méně zploštělá, z oceli. Měřicí rozsahy trubicových tlakomě rů jsou až 200 MPa, výjimečně 2 GPa. Vyráběji se jako kontrolní s třídou přesnosti menší než I nebo jako provozní s libovolnou třídou přesnosti. Mě
přesnosti
odpovídaj í řadě R5 (... - I - 1,6 - 2,5 - 4 - 6 -
Kontrolní manometry mají jednoduchý nebo zdvojen)' měřicí systém s jedním nebo dvěma ukazateli s nožovou ručkou. K vůli možnosti kontroly není u nulové hodnoty kolíková zarážka. Provozní tlakoměry s kruhovým pouzdrem mají u nulové hodnoty kolíkovou zarážku. o kterou se ukazatel s kopinatou ručkou opírá při transportu. Nula se u nich nekontroluje. Provozní tlakoměry určené pro těžké provozy, např. chemické s korozivním prostředím, je nutno chránit tím, že jsou jejich pouzdra uzavřena a naplněna např. glycerinem, který chrání mechanismus i trubici proti korozi a navíc plní funkci tlumení při rychlých změnách tlaku a chvění. 7.1.5.2 MEMBRÁNOVÉ TLAKOMĚRY Tlakoměrným prvkem
je membrána kruhového tvaru uložená mezi příruby komory, kam se přivádí z jedné nebo z obou stran měřen)' tlak. Membrána s kruhovými vlisy má průměr (60 -7- 250) mm, je vesměs kovová s vlastní tuhostí (tzn. není vybavena pružinou, která by její tuhost určovala). 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 m07.J10st použití v provozech s chvěním a otřesy. Klasické provedení membránového tlakoměru (obr. 7.13) má koObr. 7.13 Membránový moru tlakoměru s membránou umístěnu pod mechanismem ukazatele tlakoměr tlakoměru. Speciální použití membránových tlakoměrů je konstrukce snímačů tlakových rozdílů (diferenčních tlakoměrů), a to v rozsahu do 0,5 MPa, při měření statického tlaku až 50 MPa. V těchto případech jsou membrány chráněny před jednostranným přetížením, a tím poškozením. Membrány jsou kovové a komora je vyplněna tlumicí kapalinou (destilovaná voda, olej apod.).
127
Membrány tvoří v mnoha případech měřicí prvky inteligentních snímačů tlaku a tlakového rozdílu. V posledních letech se využívá mikroelektronických obvodů a moderni výrobní technologie membrán včetně využití piezorezistivního jevu v polovodičích. Měřicí část je ve formě dotovaného planárniho rezistoru uspořádaného na nízkodotovaném základním polovodičovém materiálu, především křemíku. Výhodou uspořádání je především: - zanedbatelná hystereze křemíku, - integrace měřicí části (planárni rezistor) s mechanickým deformačním členem (křemíková destička) a tím odstranění spojovacích vrstev,
I
li,8
•
I
a)
-I1
~_~_10
~..
b) /
/.
.
I
• dli
b
c) ///////1
- použití moderni polovodičové technologie a tím cenově výhodného čidla,
I i
- možnost hromadné výroby, - miniaturizace čidla (miniaturní lékařské snímače), Obr. 7.14 Křemíková membrána: a) hrničkovitá, b) prstencovitá, - možnost uspořádání vyrovnávacích rezistorů s částí c) desková elektroniky přímo na čipu čidla, ~<:, :% I v .. , -- " " • , " " ." /" - realizace čidel ke '. -//h, P, ... " k •• •1'/ [,/ / , v , - . ....,/-: " snímání vice veličin '" v~/ / soucasne (tlak Cf , . aj l/ / / a teplota). , • t , / l// J. , . , '/ Integrované piezo"• . l/' '/ . / rezistivní měřicí členy maV di jí deformační membránový bl člen ve tvaru destičky z kře míku: nejpoužívanější tvar Obr. 7.15 Kapacitní snímač tlaku s elektrodou: a) kruhovou. je hrníčkový (obr.7.14a), b) prstencovou, c) vydutou, d) kruhovou pro vyšší tlaky prstencovitý (obr. 7.14 b), popř. deskový (obr. 7.14 c). Na destičku je planárni technologií difundována nebo implantována odporová vrstva měřicího rezistoru. Kapacitní měřicí členy (obr. 7.15) musí být vybaveny linearizačním členem, protože statická charakteristika není lineárni. Tento obvod rovněž kompenzuje parazitní kapacity. k
v
.
N
I,
.. N
.
U #'
f'
""
~
k
A
~
~
v
/.
V>
".
/
".
..
I,
~
~
/
./
Kapacitní měřicí členy diferenční jsou uvedeny na obr. 7.16. K měření tlakového rozdílu úplně čistých a suchých plynů lze použít uspořádání podle obr. 7.16 a. Uvedené omezení odstraňuje uspořádání s oddělovacími membránami a olejovou náplní (obr. 7.16 b). Ochrana proti poškození při jednostranném přetížení je realizována tvarovým sedlem, kam membrána při přetížení dosedne. Nevýhodou je velký teplotní součinitel dielektrika a vlastní chyba oddělovacích membrán. U jednokomorového uspořádání (obr. 7.16 c) je odstraněn vliv vlastních chyb oddělovacích membrán, protože místo nich je použito rovných desek. Vnitřek je opět naplněn olejem. U jednokomorového uspořádání s olejovou náplní (obr. 7.16 d) se tlaky na měřicí membránu přenáší jednak olejem, jednak tyčí spojenou s oddělovacími membránami. Teplotní roztažnost oleje je kompenzována další (vnitřní) membránou.
128
s,
Rozsah diferenčních kapacitních snímačů je 70 Pa -7- 350 kPa, výstupní signál je ±2,5 V, nelinearita O, I %, hystereze 0,1 %, reprodukovatelnost teplotní součinitel nulového bodu 0,03 %,
°oe
0,2 %/1 v rozsahu (O -7- 65) -c. Tenzometrické měřicí členy obsahují fóliové tenzometry nejrůznějších tvarů rozet, miniaturních 00 (5 -7- 30) mm a obdélníkových kruhových 2 x 2,5 mm. Měřicí rozsah je 10 kPa -7- 50 MPa, vlastní frekvence (60 -7- 130) kHz, chyba linearity a hystereze 0,3 %, citlivost 2 mV .v', teplotní souči nitel nulového bodu 2.10-4 Kl v rozsahu (-10
-7-
70) "C,
přetížitelnost
175 %,
deformační
ob-
no rl
'.'
''','
:'"
.' ;
Cl
C2
:
,#.;
:.'.... . ... 44 .
.
•"
h
."
.....-
-
P2
... " ,#;/
:
-4---1»
1
tl~:~J>~
--.
,','
r ' ~ ., ",
P2
C,
1 1
;
7.1.5.3 KRABICOVÉ TLAKOMĚRY
.
--.,.. •. . .'-:-:- . '
,
jem (0,60,3) mm'.
,
-
-
I
•
,l/','
•
-
Tlakoměrným
prvkem je plochá krabice obvykle kruhového tvaru, jejíž dna jsou tvořena mernci ;
c,
-
í
c..,
l'
Obr. 7.16 Kapacitní snímač tlakového rozdílu: a), b) dvoukomorový, c), d) jednokomorový bránami (obr. 7.17). Používají se k mě ření velmi malých tlaků, podtlaků, popř. tlakovvch rozdílů v rozsahu řádově • ( 1O -7- 103 ) Pa. Deformace krabice se pře-
Obr, 7.17 Krabicový tlakoměr
vádí na ukazatel mechaníckým 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. Dalším použitím jsou velmi přesné + .----o,/'771---r- __vysílače tlakového rozdílu, tzv. Barto@ nova komora, řez viz obr. 7.18. Měří cími členy jsou dvě navzájem propojené membránové krabice 1 a 2 vyplněné tlumicí kapalinou. Krabice jsou umístěny v komorách, kam se zavádějí měřené tla-
-
3
1
4
5
2
6
Obr. 7.18 Bartonova komora
ky Pl a P2. Působením tlakového rozdílu Pl - P2 na membránový systém se membrány deformují a tlumicí kapalina přeté ká z krabice, na niž působí vyšší tlak (+)
do krabice, na niž působí nižší tlak (-). Dna membránových krabic jsou pevně spojena tyčí 4 s kuželkami ventilů 5, které při přetížení uzavřou průtok tlumící kapaliny a zamezí porušení membrán. Měřítkem tlakového rozdílu je tedy posuv tyče 4, který je vyveden vně tlakového prostoru torzní trubkou, která zároveň plní účel ucpávky. Po-
129
suv tyče se převádí na signál elektrický proudový nebo napěťový, popř. pnewnatický. Statická charakteristika je lineární nebo kvadratická, popř. odmocnínová. Měřicí rozsah je dán velikostí pružin 6 v rozmezí 1,5 kPa
-i-
3 MPa při statickém tlaku až 70 MPa. •
y
7.1.5.4 VLNOVCOVE TLAKOMERY Tlakoměrným
komoře. Měřený vně
prvkem je kovový
měch
- vlnovec -
umístěný
měřicí
v
tlak působí vně vlnovce, při měření tlakového rozdílu působí
vlnovce větší tlak. Měřicí rozsah je do 0,4 MPa tlaku nebo tlakového rozdí-
lu při statickém tlaku max. 2,5 MPa. Statickou charakteristiku určuje pružina uvnitř vlnovce
(obr. 7.19). Hlavním polem použití je oblast
regulační
techniky,
kde je hlavním prvkem v pneumatických regulačních systémech. Všech tů,
typů deformačních tlakoměrů se
používá
při
konstrukci manosta-
které při dosažení požadovaného nebo nastaveného tlaku spínají nebo ro-
zepínají ovládací kontakty regulačního obvodu (obvykle dvoupolohová regulace). Jedná se např. o ovládání kompresoroven, domácích vodáren apod. Kontakty jsou buď mechanícké nebo
rtuťové. Na
manostatu lze
kromě
Obr. 7.19 Vlnovcový tlakoměr
maximálního
tlaku nastavit také spínací hysterezi.
7.1.5.5 INTELIGENTNÍ VYSÍLAČE TLAKU A TLAKOVÉ DIFERENCE Inteligentní vysílače tlaku rozdílu
a tlakového
využívají
jako měřicích prvků především deformační
prvky. Jako příklad
byly vybrány tyto
přístroje:
r,.
- -
-'._._-- -
~'íM:":L...L, .1 ~
-
~
ST
typ
-
--
',----,
I
Sf>too1
(SIGN.AL NI PUc.:>NI MOUJ LA"DH}
I
I
I
t
volbo sicnolu
z
. .
- vysílač tlakového rozdílu a tlaku,
-
_.,.,.,
ze srumoc e
3000
!Olkro-
~----,--,f
!
poč(bče
'---------
(výrobek fy Honeywell), -
vysílač
tlakového rozdílu
a tlaku, typ 3051 (výrobek
fy Rosemount). Inteligentní
I I
vysílač tlaku
ST 3000 (Honeywell) měřicí ,..
grovanymi
membrána s inte-
.
..,..
piezorezisnvnínu
snímači.
Na zeslabené kruhovité
destičce
z
křemíku
jsou
umístě
ny měřicí rezistory R I až R4 k měření tlakové diference tip a na
nezeslabené
wnístěny
snímání
části
{;
l
rezistory R s až R g ke statického tlaku pst
Jednotlivé odpory jsou zapojeny Wheatstonově můstku.
!
R8l1 :'ť
I
r
~'---+---U
I
I
Rg
~
V
\.
/
R98
Elek-
k
I,-----+--+--;
L...+- - - - -
. : -- -
V/lIU
4--'
1
U ref
;/;VJ
R7
R3
\
--
\
i R~ \
b)
/IdA
RB ~~
jsou
a teplotně závislý rezistor R 9 ke snímání teploty destičky t a následné korekci vlivu teploty. ve
I
.L
!
Měřicím členem je křemí
ková
I
I II?/ Ró
"
R2
/
\ '. Rl 10'$ / -'J), ,((/"
_
/'
,
ÚZz, R5
a) Obr. 7.20 Zapojení inteligentního vysílače tlakového rozdílu s piezorezistivnimi prvky: a) snimač, b) měřicí část
130
trické zapojení měřicího členu vysílače je na obr. 7.20, celkové zapojení vysílače na
obr.
7.21.
Funkce všech sním-
.
•
PAME TOVA DESKA
ačů
DESKA Cl: NTR AL NIH O PROGS()'
ku a teploty) je řízena signály z mikropočítače, který pomocí multiplexem testuje
•• p o rnet
I
EEPROM
signály ze
25 K
• • pomel
pomět
ROM
RAt~
6K
lK
(tlakového rozdílu, tla-
signál 6x/1 s, statický tlak
1l\02
2x/l s, teplotu lx/20 s). Na-
MIKRO .' .
EEPROI-1
snímačů (měřicí
PO:j1r,c
pětí úměrná měřeným činám
INTERFACE
velijsou v komparátoru
srovnávána • • VNl Tf
r, ME-Řícť
I, /0 OE
\CA5T
5K-A-+----
~
vými pulsy. Analogové sig-
5 BE RNICE
nály
.
I .
256
P utsru'
snímače převádí
signál-
ní pulzní modulátor (SPM,
PROM
5lqnal.
\
s trojúhelníko-
coodulélor
zesílení
nastavitelné
až
400) na
pulzně šířkově
mo-
dulované signály, které jsou vedeny do Lp
mikropočítače.
Mikropočítač
1
pst
velikosti
I
L.-----t
.
.
logový'
" SlTOVA C€>KA
SITOVA
..
CAST
převádí
vodník
.
,
(4
SVORKOVNICE
-i-
proudový
20) mA.
výpočtů
Obr. 7.21 Celkové zapojení inteligentního
kterou pře
/
PREPETI
,
formě,
číslicově-analogový
PROTl
.
měřených veličin
v číslicové
OCHRANA
vypočítává
vysilače
členy.
anasignál
K urychlení
jsou použity dva
hardwarové
tlakového rozdllu
na
násobící/dělicí
Mikropočítačem
se
vyhodnocuje výstup 6x/l s. Komunikaci obsluhy s vysílačem zajišťuje ovladač SCF (Smart Field Comunicator). Ovladač se připojuje
ke dvouvodičovému vedení výstupního signálu (4
munikační vedení. Při
komunikaci
ovladače
s
vysílačem
20) mA, není tedy třeba přídavné ko-
-é-
(trvá
řádově
milisekundy) je
úroveň výstup-
ního signálu 4 mA. Komunikaci s větším počtem vysílačů a zpracování naměřených dat lze uskutečnít systémem DIALOG 3000 využívajícím libovolný počítač kompatibilní s IBM-PC. Ovladačem SCF
- identifikaci
lze zajistit následující funkce vysílače:
vysílače v měřicích řetězcích,
- volbu druhu výstupního signálu (líneární nebo odmocninový), - tlumení (O - 0,16 - 0,32 - 0,48 - I - 2 - 4 - 8 -16 -32 s), - volbu měřicí jednotky (in H 20 , in Hg, PSI, kPa, MPa, mbar, bar, g.cm", kg.cm", mm H 20 , popř.
- volbu
jiná uživatelsky definovaná), měřicího rozsahu
(250 Pa
-é-
21 MPa),
- invertování výstupního signálu «20
-r-
4) mA),
- uložení všech parametrů do konfigurační (energeticky nezávislé) nebo uchovávací paměti, - zobrazení všech provozních dat a - využití
vysílače jako
konfiguračních parametrů,
zdroje stabilizovaného proudu (20
131
-i-
4) mA.
Technická data snímačů a vysílače (např. teplotní závislost, statická charakteristika, vliv statického tlaku) jsou individuální ajsou obsaženy v paměti typu EEPROM. Korekčním algoritmem lze realizovat úplnou kompenzaci systematických chyb (chyba linearity, teplotní chyba, chyba vyvolaná statickým tlakem apod.). Převod na analogový proudový unifikovaný signál může odpadnout tehdy, když se využije unifikovaného sběrnícového zapojení k výměně informací mezi vysílači a automatizačním systémem. Měřicí rozsahy vysílače ST 3000: Tlakový rozdíl: (O -7- (0,25 -7- 100» kPa (zvětšení rozsahu až 400x), (O -7- (35 -7- 700» kPa (zvětšení rozsahu až 20x), (O -7- (0,7 -7- 21» MPa (zvětšení rozsahu až 30x), Přetlak: (O -7- (0,035 -7- 3,5» MPa (zvětšení rozsahu až 100x), (O -7- (0,7 -i- 10,5» MPa (zvětšení rozsahu až 15x), (O -7- (0,7 -7- 70» MPa (zvětšení rozsahu až 100x), Absolutní tlak: (O -r- (1,3 -7- 100» kPa (zvětšení rozsahu až 75x), (O -7- (0,035 -7- 3,5» MPa (zvětšení rozsahu až 100x). Inteligentní vysílač tlakové diference 3051 (Rosemount) Měřicím členem je membrána, jejíž deformace je snímána kapacitním snimačem. Dálkové ovládání vysílače se uskutečňuje ovladačem 268 RTI (Remote Transmitter Interface). Během komunikace ovladače s vysílačem si výstupní signál zachovává provozní hodnotu. Jinak jsou parametry tohoto vysílače srovnatelné s vysílačem ST 3000.
7.1.6 ELEKTRICKÉ TLAKOMĚRY 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.
7.1.6.1 ELEKTRICKÉ VAKUOMETRY Podle funkčního principu se dělí vakuometry na ionizační a bolometrické. Ionizační vakuometr je v principu otevřená trioda (obr. 7.22), do jejíhož prostoru se přivádí měřený absolutní tlak. Elektrony emitované z katody a přitahované anodou při srážce s molekulami zbytkového vzduchu z ních vyráží elektrony. Takto ionizované molekuly vzduchu jsou přitahovány záporným předpětím na mřížku a generují mřížkový proud 19, jehož závislost na měřeném tlaku udává vztah
19 = k.Ia·Pa
(7.21)
PQ,
-.
Ia. ~
.... ••••••
'"
/9 /
:\
//
E'I
_.•
)
A '
..,..
+ El.
EQ, : ."",
-
I Bude-li udržován konstantní anodový proud, lze stupnici mili_I + + ampérmetru měřícího mřížkový (ionizační) proud vyznačit Obr. 7.22 Ionizační vakuov jednotkách tlaku. Měřicí rozsah je (10'8-;.- 10,1) Pa absolutního tlaku. metr Bolometrický vakuometr využívá tlakové závislosti tepelné vodivosti plynu (obr. 7.23). Ve skleněné nádobce, kam je přiváděn měřený tlak pa, je zatavena platinová spirálka vyhřívaná konstantním elektrickým proudem. Spirálka je zapojena do ramene Wheatstonova můstku, do druhého ramene je zapojena podobná spirálka umístěná v uzavřené komoře. Tato kompenzační spirálka kompenzuje teplotní vliv při měření. Měřítkem absolutního tlaku je teplota spirálky v měřicí komůrce. Měřicí rozsah je (10-4 -7- 100) Pa.
132
Oba typy vakuometru se obvykle používají v jednom měřicím zařízení nazývaném kombinovaný vakuometr.
Pi Pi
7.1.6.2 ODPOROVÝ TLAKOMĚR Měřicím
principem je tlakové závislosti
využití
odporu. Protože tento jev se
---
/
uplatňuje
-
.---+--- --~s,'-:'::::-"::_::-:_=
pouze
při
vyso-
kých tlacích, jsou tyto tla-
u
koměry
použitelné v rozsahu 80 MPa .;- 3 GPa. Principiální schéma je
na obr. 7.24. V
Obr. 7.23 Bolometrický vakuometr
komoře vyplněné
silnostěnné
olejem je
uložena cívka s navinutým odporovým drátem (manganin, nikelin, konstantan), aby se
vyloučil
tlak, který
vliv teploty na
stlačuje průřez r
změnu
odporu drátu. Do komory se
drátu, a tak se
r
mění
přivádí měřený'
jeho odpor.
Obr. 7.24 Odporový tlakoměr
o
v
7.1.7 ZABUDOVANI TLAKOMERU Při měření
tlaku, podtlaku nebo tlakového rozdílu zejména v proudící
vhodná volba místa okrajovými vlivy.
odběru
a jeho správné provedení, aby
měřený
tekutině je
velmi
tlak nebyl zkreslen
důležitá
některými
Statický tlak v potrubí, kterým protéká tekutina, se snímá 1 mm (pro i (2
-i-
6) mm
poměrně
čisté
malým otvorem o
průměru
plyny), pro specifické
případy
(obr. 7.25).
Měřicí
místo musí být
vzdáleno od rušivého vlivu armatur a ovládacích prvků
postačí
(ventily, šoupátka), obvykle
vzdálenost
rovná desetinásobku průměru potrubí. Stěna potrubí musí být v místě odběru hladká. Při
lost
dálkovém
nejméně
měření je tlakoměr spojen
(6 +10) mm a
určitý
spád
s
Obr. 7.25 Odběry statického tlaku
odběrem
(minimálně
impulsním potrubím, které musí mít
1:20) k
zabránění
svět
vzniku parních nebo vzducho-
vých bublin v kapalinách, nebo usazováni kondenzátu v plynech. Na nejnižších místech musí být odkalovací a na nejvyšších místech Při měření
odvzdušňovací ventily.
tlaku vodní páry
při
vysokých teplotách se musí zajistit, aby se pára nedostala do
tlakoměru.
Obvykle se použije tzv. kondenzačních smyček (pro svislé a vodorovné potrubí viz obr. 7.26), takže se do tlakoměru
dostane pouze chladný kondenzát.
Při měření
prostředí je
tlaku agresivního
nutno
mě
řicí
systém tlakoměru chránit proti korozi. Nejspolehlivější ochranou je vyrobení měřicího systému z nekorozivního materiálu (nejde
např.
u trubicových
noduchá je úprava membránových
tlakoměru). Velmi
tlakoměrů,
jed-
u kterých se
pokryje membrána tenkou kovovou fólií z nekorozivního materiálu. V ostatních
případech je
nutno použít
oddělova-
133
Obr. 7.26 Kondenzačnísmyčky
cích nádobek,
oddělovacích membrán
nebo
oddělovací
kapaliny.
Oddělovací
nádobky jsou naplněny oddělovací kapalinou (voda, olej, toluol apod.): lehčí než měřené prostředí viz obr. 7.27 a, těžší než měřené prostředí viz k měřenému obr. 7.27 b. Oddělovací nádobky mají skleněné stavoznaky (pro k Itokoméru m ist u nižší tlaky) nebo zkoušecí ventily (pro vyšší tlaky). Oddělovací nádobky vyžadují stálou obsluhu. Nehodí se při měření tlaku menším než 5 kPa. -Oddělovací membrány (obr. 7.28) ---r--......... - -- -jsou z nekorodujícího materiálu a jsou - -- - - ............., - -velmi poddajné. Prostor pod membránou je zaplněn agresivním prostředím, nad membránou je olej, popř. vzduch. - -------Ochrana je jednoduchá a spolehlivá, ale -- - - ---k měřenému ke t tckorněru musí být zamčena dokonalá těsnost pro-
místu
a)
b)
Obr. 7.27 Oddělovací nádobky s oddělovací kapalinou: a) lehčí než měřená, b) těžší než měřená
storu nad membránou, aby se membrána nepoškodila. Membrány se nehodí pro tlakoměry deformační, které stlačením příliš zvětšují svůj objem a pro tlaky menší než 10 kPa.
Ochranná kapalina (většinou voda) chrání impulsní potrubí před korozí a zanášením (obr. 7.29 a). Podmínkou správné funkce je dostatečný' průměr impulsního potrubí a zaručeně stálý zdroj tlakové vody s tlakem větším než maximálně měře ný. Voda protéká impulsním potrubím až do měřené ho prostředí, což omezuje použití této metody. Používá se především při měření tlaku hustých a viskózních kapalin, které by ucpávaly impulsní potrubí.
Obr. 7.28 Oddělo vací membrána
vzdUCh voda
Ochranný plyn (většinou vzduch, v nutných případech inertní plyn) chrání impulsní potrubí před korozí (obr. 7.29 b). Princip je stejný jako u ochranné a) b) vody. Tlak vzduchu je řízen redukčním ventilem, Obr. 7.29 Oddělovací tekutina: a) voda, konstantní průtok je udržován regulátorem průtoku, b) vzduch nebo je indikován probublávací nádobkou. Správná funkce je podmíněna dostatečným průměrem impulsního P2 r---------------------, potrubí a malým průtokem plynu. Tento způsob ochrany je I I I I I I použitelný především při měření velmi malých tlaků. I I I 5 :I 2 3 4 I Diferenční tlakoměry se připojují na měřicí místa I
impulsním potrubím a tzv. pětiventilovou soupravou před tlakoměrem (obr. 7.30). Ventilová souprava slouží ke spouštění a odstavování tlakoměru, k profuk:ování, odkalování a odvzdušňování ímpulsního potrubí a k ochraně tlakoměru před jednostranným přetížením (u kapalinových zabránční vniku tlakoměrné kapaliny do impulsního potrubí). Při spouštění tlakoměru jsou
všechny ventily uzavře ny. Nejprve se krátce otevřou a postupně uzavřou ventily I
134
I I I
L
I I I
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ JI
_
+ /' -
y Obr. 7.30 Pětiventilová souprava
k odkalení, profouknutí nebo odvzdušnění impulsního potrubí. Pak se otevře zkratovací ventil 3. Pomalu se otevírá ventil 2 (větší tlak) a potom ventil 4 (menší tlak). Nakonec se uzavře ventil 3 a na manometru se objeví údaj měřeného tlakového rozdílu. Při odstavování tlakoměru je postup opačný.
7.1.8 OVĚŘOVÁNÍ TLAKOMĚRŮ Ověřováním přístrojů je obecně myšlena
kontrola jejich statických charakteristik. Ověřujeme je bud' absolutní nebo srovnávací metodou. Absolutní metodou (použitím etalonů) se ověřují (zkoušejí) tlakoměry kontrolní. Nejpoužívanější typy tlakoměrů pro absolutní metodu ověřování kontrolních tlakoměrů: - Mac Leodův kompresní vakuometr pa = (10' 3 -7- 103) Pa - zvonový tlakoměr (O -7- 1,5) kPa (O -7- 1,5) kPa - kompenzační mikromanometr (O -'- 5) kPa - Betzův mikromanometr (O -7- 15) kPa - U-trubicový tlakoměr s vodní náplní - U-trubicový tlakoměr se rtutí (O -'- 200) kPa (O -7- 2,5) MPa - kompenzační pístový tlakoměr s U-trubicovým 40 kPa -7- 2 GPa - pístový tlakoměr Vyhodnocení ověření kontrolního tlakoměru absolutní metodou spočívá v grafickém zobrazení závislosti odchylek na měřeném tlaku (tzv. graf odchylek) nebo závislosti korekcí na údaji ověřova ného tlakoměru (tzv. graf korekcí). Přitom platí, že korekce je záporně vzatá odchylka, tj. rozdíl mě řené hodnoty a údaje přístroje. Tlakoměry pro srovnávací měření jsou vesměs kontrolní tlakoměry stejného provedení jako tlakoměry ověřované, ale s větším rozsahem a vyšší přesností. Zásadou je volba rozsahu kontrolního tlakoměru o jeden stupeň větší a třídy přesnosti o dva stupně lepší než ověřovaného přístroje. Kontrolními tlakoměry se ověřují provozní přístroje. Vyhodnocení ověření provozního přístroje spočívá v určení maximální chyby (odchylky) ově řovaného provozního tlakoměru ajejí srovnání s maximální odchylkou vypočtenou z třídy přesnosti. Je-li naměřená odchylka menší než předepsaná, je tlakoměr v pořádku. V opačném případě je třeba rozhodnout, zda postačí přístroj najustovat, a tím zmenšit jeho chyby (odchylky stejného znaménka), nebo je nutno přeřadit přístroj do horší třídy přesnosti (naměřené odchylky různých znamének, nelze provést justaci). Postup při ověřování tlakoměrů se řídí použitou metodou. Tlakoměr postupně zatěžujeme až na maximální hodnotu ověřovaného tlakoměru, čteme naměřené hodnoty a zapisujeme do tabulky. Totéž provedeme při odlehčování. Nula se kontroluje pouze u kontrolních tlakoměrů. Počet měřicích bodů je u absolutní metody deset a u srovnávací metody pět, není-li požadováno jinak. Tlak nastavujeme podle etalonu (např. u pístových tlakoměrů) nebo podle údaje ověřovaného tlakoměru (u kapalinových tlakoměrů). Zkušební protokol (ověřovací protokol) obsahuje přesnou specifikaci ověřovaného i ověřovacího přístroje, způsob ověřování, naměřené hodnoty a vypočtené odchylky. Vyhodnocení ověřování se provede výše uvedeným způsobem.
135
7.2 MĚŘENÍ VÝŠKY HLADINY
v průmyslových technologiích se vyskytuje měření výšky hladiny kapalin a stanovení úrovně sypkých hmot v zásobnících velice často. Mnohdy stačí pouze informace o vybraných úrovních hladiny, tzv. limitních stavech - limitní (bodové, diskrétní, nespojité) měření. Chceme-li mát průběh změn výšky hladiny nepřetržitě, použijeme kontinuální (spojité) měření, které má univerzální použití, ale je složitější. Principiálně lze každý senzor pro spojité měření použít pro bodové měření, opač ně to neplatí. Vývoj směřuje k univerzálnějším bezdotykovým metodám využívajícím mechanické, elektromagnetické, světelné a jaderné vlnění oproti spolehlivějším a jednodušším, ale ne vždy použitelným dotykovým metodám. 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 hladínoměry.
7.2.1 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 (pricnip spojených nádob), u nichž dochází k chybě vlivem rozdílné teploty, tj. hustoty kapaliny v nádrži a ve vodoznaku, která roste s výškou hladiny (proto se u vysokých nádrží vodoznak rozděluje na několík částí).
7.2.2 PLOVÁKOVÉ STAVOZNAKY Podle funkce plováku se tato zařízení dělí na dvě skupiny: a) plováky s proměnným zdvihem (plováky), b) plováky s proměnným vztlakem (vztlaková tělesa).
'jl
- -
--.91 -
fp - - - 4>0 -
.L:.
-
-
- I -- - - .L:. -- -- -
a)
-
-
--
ťp
~
---
--
___ť.1
-
-
4'0 b)
Plováky plovou na hladině měřené kapaliny (obr. 7.31 a) a jejich pohyb lze velmi jednoduše převést prakticky na jakýkoliv výstupní signál. Přesnost měření je ovlivněna volbou tvaru plováku a jeho průřezem S, pasivními odpory v mechanizmu převádějícím zdvih plováku na užitečný vý-
Obr. 7.31 Plovákové stavoznaky: a) plovák, b) vztlakové těleso konává plovák silou F, jejíž velikost se řídí
změnou
F = S.!'1h. PI' g
stupní signál a změnami hustoty kapaliny PI' Pasivní odpory pře ponoru plováku !'1h (7.22)
Pohyb plováku je přenášen lankem nebo páskem přímo na ukazatel, elektrický spínač (limitní měření) nebo elektrický odporový vysílač (kontinuální měření s elektrickým výstupem), jehož signál je využíván přímo nebo se převádí na aktivní proudový či napěťový pro regulaci. Pro měření stavu hladiny v uzavřených nádobách s vnitřním přetlakem jsou plováky kulové nebo válcové, spojené s odporovým vysílačem. U větších nádob je plovák umístěn ve zvláštní nádobě,
136
spojené s nádrží a jeho pohyb se vyvádí z tlakového prostoru přes magnetickou spojku. Plováky bývají vedeny, aby se při neklidné hladině nekývaly v závěsech. jsou vždy částečně ponořena do měřené kapaliny (mají větší hustotu než má měřená tekutina) - obr. 7.31 b. Na vztlakové těleso působí síla
Vztlaková
tělesa
F = S. H. Pp' g - S.h. PI' g - S. (H - h). P2' g = =S.H.g.(p p -P2)-S·h.g,(PI -P2)=k 1 -k 2·h
(7.23 )
s - průřez vztlakového tělesa, H - délka vztlakového
tčlesa,
h - ponor vztlakového tělesa, Pp - hustota materiálu vztlakového
tělesa,
PI - hustota měřené kapaliny,
P2 - hustota
prostředí nad
kapalinou. Zdvih vztlakového tělesa je i při maximální změně výšky hladiny poměrně malý, neboť stavoznaky pracují s vyrovnáváním sil. Z tlakových prostorů se pohyb vyvádí zkrutnou trubicí, která tvoří i ucpávku, a pohyb konce trubice se převádí na elektrický' signál vhodný' pro další zpracování.
7.2.3 HYDROSTATICKt STAVOZNAKY Výška hladiny se v tomto případě případě převádí na měření hydrostatického tlaku. Působí-li na kapalinu atmosférický tlak
-..c:
(nádoba je otevřená), můžeme výšku hladiny měřit připojením kapalinového nebo deformačního tlakoměru ve výšce dna nádoby nebo ve výšce výtokového potrubí
-- - -- - --
------
o
(obr. 7.32 a). Je-li tlakoměr umístěn v jiné výšce, je třeba jeho údaj
o b)
a)
Obr. 7.32 Hydrostatické stavoznaky: a) pro b) pro tlakovou nádobu
otevřenou nádrž,
opravit o tlakový rozdíl odpovídající výšce ha. o kterou je tlakoměr "posunut". Tlakoměr může být cejchován přímo v jednotkách výšky hladiny, která se určuje z velikosti hydrostatického tlaku p
(7.24) Na obr. 7.32 a je vyznačen posunut)' počátek stupnice ("O") kapalinového nádobkového tlakoměru z důvodu zahrnutí výšky zaplnění tlakoměru měřenou kapalinou při nulové výšce hladiny kapaliny v nádrži a
měřená
výška h se
určí
z údaje
tlakoměru h:
1[5,
h = _ . P 2 + ~ . (p 2 PI SI
-
]
PI) . hl
(7.25)
Je-li nádoba uzavřená, je na jeden vstup diferenčního tlakoměru přiveden tlak z prostoru nad hladinou kapaliny v nádobě a druhý vstup umístěn u dna nádoby nebo výtokového otvoru. Někdy je nutné při měření v uzavřené nádobě umístit na vnější stranu vyrovnávací (kondenzační) nádržku, ve
137
které se udržuje stálý sloupec měřené kapaliny - kondenzátu (obr. 7.32 b). Tlakoměr může být cejchován přímo v jednotkách výšky hladiny, která je odvozena z rozdílu výšky hladiny ve vyrovnávací nádržce ho a ve vlastní nádobě h = ho _ I1p
(7.26)
p(.g
V případě použití kapalinového U-trubicového tlakoměru s posunutou stupnicí ("0") zahrnující vliv výšky ho při nulové výšce hladiny kapaliny v nádrži (obr. 7.32 b) se měřená výška h určí z údaje tlakoměru h2
(7.27)
r '\
7.2.4 PNEUMATICKÉ
..
P ,/.1
-
STAVOZNAKY Princip funkce je patrný z obr. 7.33. Trubkou přivedenou ke dnu nádrže proudí časově stálé malé množství vzduchu, popř. jiného s kapalinou nereagujícího plynu. Trvalým průchodem vzduchu je zaručen v trubce tlak, odpovídající hydrostatickému tlaku kapaliny Ph u ústí trubky, a tedy výšce h měřené kapaliny
Qv
v
-
-
-
-
-
-
-
-
-
~
-
-
-
(1
-
00
.·
• • -e •• •--
o
•- • • 4 o • - • •- •
-
4
•• ." -•
-
-
-•
v
Ph = Pl .g.h
00
a tlakové ztrátě I1p= závislé na průtoku vzduchu. Celkový tlak bude roven
Obr. 7.33 Pneumatický stavoznak Pc =Ph + Sp,
= PI
(7.28)
. g . h + Sp,
(7.29)
Velikost průtoku vzduchu Qv se nastavuje ventilem Va kontroluje průtokoměrem (rotametrem), resp. zajišťuje konstantni regulátorem malých množství (průtoků). Pneumatické stavoznaky se používají především pro měření agresivních a velmi viskózních kapalin. Při zařazení regulátoru do měřicího obvodu je stavoznak velmi přesný.
7.2.5 ELEKTRICKÉ STAVOZNAKY 7.2.5.1 VODIVOSTNÍ SNÍMAČE Snimače
využívají elektrické vodivosti kapalin, resp. kapalných plynů (např. hélia) - při zvyšování hladiny kapalný plyn zmenšuje odpor ponořeného odporového drátu. Konstantanový drát zavě šený v nádrži s kapalným héliem se v ponořené části stává supravodivým, obdobně se chová vrstva niobia na křemíkovém podkladu. Limitní měření (pro účely signalizace jedné nebo několika úrovní hladiny) se realizuje rozmístěním dvojic elektrod v požadovaných kritických místech. Pracuje se s bezpečným napětím 24 V nebo 48 V.
138
7.2.5.2 TERMISTOROVÉ SNÍMAČE Používají se jako kontinuálni i limitní (k signalizaci několika stavů a dvoupolohové regulaci výšky hladiny). Při ponoru do kapaliny vzroste odvod tepla z termistoru, jehož teplota poklesne. Termistory jsou umístěny bud' v plášti nádoby nebo na tyči zasunuté v nádobě. Proud, kterým jsou napájeny, musí mít takovou velikost, aby se termistory na vzduchu prohřály.
7.2.5.3 KAPACITNÍ SNÍMAČE Jsou kontinuálními měřidly výšky hladiny kapalin nebo sypkých materiálů jemného zrněni. Pro válcovou nádobu s kapalinou (Cl> 1) a tyčovou elektrodou soustředně umístěnou (obr. 7.35) bude celková kapacita C mezi elektrodou a nádobou -r
C=CO + C j + C 2 = CO +
2.7t.c o.t j
2.7t.E o·E 2
(D) .h « (D)
ln d V
případě Cj
= konst. a h=
t2
ln
.(H-h)=k l + k 2
·h
(7.30)
d
= konst. lze napsat rovnici statické charakteristiky stavoznaku
~n( §) 2.7t.to
C - C" tl-E 2
H= EI-E e
Co - stálá kapacita v místě upevnění elektrody, CI - proměnná kapacita ponořené části elektrody, C2 - proměnná kapacita vynořené části elektrody, to - permitivita vakua, tl - poměrná permitivita měřené látky, C2 - poměrná
permitivita prostředí nad hladinou látky, d - průměr vnitřní elektrody, D - průměr nádoby (vnější elektrody),
~_-_k_l
(7.31 )
k,
/ / /
'2 V'
V
c
v Co
CD
V / /
V V
/
V
V
v 1/ v
--- v (,1
c
v
C2
E2
C2
- -
--
,
~
-
.e,
-
C1
-
h - měřená výška, C1 ..c:' -- - -e -- V H - celková výška nádoby. f-7 - I- Pro vodivé kapaliny (p> 10 O.m) je vnitřní .;.d -í'D tyčová elektroda v izolačním obalu, druhou elektrodu tvoří vodivá kapalina (obr. 7.34 a). Kapacita elektrob) a) dy vzhledem ke stěnám nádoby je zanedbatelná ve Obr. 7.34 Kapacitní stavoznak: a) pro vosrovnání s kapacitou mezi elektrodou a kapalinou, divé kapaliny. b) pro nevodivé kapaliny takže změna kapacity snímače se změnou výšky hladiny je značná. V nevodivé kapalině nebo sypké hmotě lze použít elektrody holé. Jednou elektrodou je holá tyč nebo lano (u vysokých a rozměrných nádob), druhou kovový nebo vodivý plášť nádoby, v níž je tyč upevněna (obr. 7.34 b). Látka mezi elektrodami mění kapacitu snímače, protože její permitivita je ně kolikrát větší než permitivita vzduchu. Přesnost měření je v obou případech výrazně ovlivněna vodivou vrstvou nánosů nebo kalů ulpívajících na povrchu elektrody. /
I
139
-
7.2.6 RADIOIZOTOPOVÉ HLADINOMĚRY Radioizotopový hladinoměr využívá skutečnosti, že intenzita radioaktivního záření klesá: a) kvadraticky se vzdáleností mezi zářičem a detektorem, b) exponenciálně s tloušťkou materiálu mezi zářičem a detektorem. Zářič je možno instalovat tak, že: a) se pohybuje s výškou hladiny měřeného média a vzdaluje nebo přibližuje k přijímači, b) je umístěn pevně a sypká látka nebo kapalina tvoří proměnnou překážku jeho záření. Radioaktivní paprsky pronikají materiálem, aniž by jej aktivovaly (nevyvolávají jeho radioaktivitu). Proto lze použít tento způsob měřeni i v potravinářském průmyslu. Výhodou je možnost montáže zářiče i přijímače gama paprsků na vnější stěnu nádoby, ve které měříme výšku hladiny kapaliny nebo sypké látky. Používá se zářič s kobaltovou hlavou Co 60 o poločasu rozpadu přes 5 let, který lze používat až 10 let.
7.2.7 ULTRAZVUKOVÉ HLADINOMĚRY Snímače měří přijímacího měniče
výšku hladiny kapalin i pevných sypkých látek. Skládají se z vysílače ultrazvuku, vysokofrekvenčních paprsků a vyhodnocovací elektroníky vesměs na úrovni inte-
ligentních snímačů. Odrazový ultrazvukový hladino měr měřící kontinuálním způsobem je založen na měření ča sového intervalu mezi vysláním impulzu ultrazvukového vlnění a přijetím tzv. odraženého echa, tj. impulzu po odrazu od hladiny. Vysílač s úzkou vyzařovací charakteristikou i přijímač jsou umístěny buď nad hladinou nebo na dně nádoby. Vzdálenost 1 měřené hladiny od snímače (vysílač i přijímač v jednom pouzdře) lze určit z doby průchodu t ultrazvukové vlny při známé rychlosti šíření ultrazvuku c vrstvou měřené kapaliny, popř. prostředím nad hladinou kapaliny nebo sypké látky o výšce 1 1= Měřená
výška hladiny je pro
c~t
snímač umístěný
na
(7.32) dně
nádoby rovna vzdálenosti I, pro
snímač umístě
ný nad hladinou se získá jako rozdíl vzdálenosti snímače ode dna nádoby a vzdálenosti I. Při aplikaci je nutné respektovat závislost rychlosti šíření ultrazvukové vlny na teplotě a složení prostředí. Moderní vyhodnocovací systémy na digitální bázi provádějí teplotní kompenzaci automaticky, navíc dokáží rozlišit skutečné echo od parazitních zvuků akustického a elektrického rušení. Zvýšením výkonu vysílače lze docílit tzv. samočištění - vlnění na povrchu vysílače způsobí atomizaci kondenzátů, kapaliny či prachu na povrchu snímače. Používané frekvence jsou desítky kHz, měřicí rozsah «0,001 -7- 0,01) -7- (l0 -7- 15» m, výjimečně až 60 m s přesností řádově jednotky mm, pro větší rozsahy několik cm, při kompenzaci vlivu teploty kapaliny až 0,1 mm. U útlumových ultrazvukových hladinoměrůjde o bodové (v úzkém rozmezí i spojité) měření dotykovou metodou. Vysílač a přijímač (piezoelektrické nebo magnetostrikční generátory) tvoří spolu se zesilovačem obvod s kladnou zpětnou vazbou. Obvod kmitá svou vlastní, tzv. pracovní frekvencí (je vysílána vysílačem jako budící v určitých vlnách). Dostane-li se mezi vysílač a přijímač překážka kapalina nebo sypká látka (i pevný předmět), která odrazí nebo utlumí podstatnou část vlnění přená šeného do prostoru vysílačem, obvod přestává kmitat (celkové zesílení klesne pod hodnotu 1). Pro měření hladiny sypkých látek se používají snímače s oddělenými měniči, pro kapaliny jsou přijímač i vysílač spojeny společnou membránou, která kmitá a při styku s kapalinou se kmity utlumí.
140
,
y
7.2.8 RADAROVE HLADINOMERY Snímače
jsou založeny na principu odrazu mikrovlnného záření (elektromagnetické vlnění o frekvenci vyšší než asi 2 GHz) od překážky, tj. rozhraní dvou prostředí (např. kapalina - vzduch). Radar jako měřicí systém se skládá z vysílače s anténou, z prostředí, kterým prochází vyslané a odražené vlnění a z přijímače s anténou (pro vysílání i příjem se většinou používá tatáž anténa). Výška hladiny snímačem umístěným výhradně nad hladinou se určuje: a) pulzní metodou (TF - Time of Flight) založenou na vysílání radarových pulzů k hladině a vyhodnocování časového zpoždění mezi vysláním pulzu a zachycením jeho odrazu; zpoždění velikosti pikosekund je obtížně měřitelné, proto je metoda vhodná pouze pro přístroje nižší třídy přes nosti, b) metodou FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave), také označovanou SPR (Synthesized Pulse Radar) založenou na vysílání spojitého mikrovlnného signálu plynule přelaďova ného v určitém pásmu frekvencí - pro stanovení výšky hladiny se přitom využívá rozdílu frekvence nebo fáze vyslaného a odraženého signálu, který lze měřit velmi přesně. Vlivem odrazů vlnění od stěn nádrže, míchadel a jiných překážek zachycuje anténa radaru i nežádoucí rušivé signály. Proto je nutné pro zpracování a vyhodnocení užitečného signálu použít speciální postupy a metody jako např. rychlou metodu Fourierovy transformace signálu (FFT) s podporou výkonného mikroprocesoru nebo signálového procesoru DSP (Digital Signal Processing). Anténa vysílající a přijímající radarový signál, nejčastěji tyčová (prutová), kuželová (trychtýřovitá, kónická), parabolická nebo planární, popř. lanový, tyčový nebo koaxiální vlnovod, je jedinou součástí, která je vystavena bezprostřednímu působení atmosféry v nádrži, proto musí být vyrobena z velmi jakostního materiálu. Rozměrnější anténa má lepší smě rov}' účinek a zisk, ale obtížněji se umísťuje do uzavřené nádrže. Vlastnosti antény úzce souvisejí s použitou frekvencí radarového signálu - vyšší frekvence při menší anténě zaručuje menší rozptylový úhel a lepší poměr signál/šum. Běžně se používají frekvence kolem 10 GHz, výjimkou nejsou frekvence okolo 24 GHz. Měřicí rozsahje běžně okolo (O -7- 20) m, výjimečně až 60 m, přesnost řádově jednotky až desítky mm. Hmotnost snímače včetně antény a příruby se pohybuje kolem 10 kg, u některých výrobců až 30 kg.
7.2.9 VIBRAČNÍ SNÍMAČE A ELEKTROMECHANICKÉ SYSTÉMY Zpravidla se používají jako limitní spínače pro kapaliny a sypké materiály (pro spínání, dvoupolohovou regulaci či signalizaci). Vibrační sondy s piezoelektricky buzenými, symetricky umístěnými snímači v trubicích pracují vždy v páru. Měřicí část může být v provedení kompaktním, tyčovém, nebo zavěšena na laně. Princip činnosti spočívá v trvalém rozkmitání piezoelektrického elementu, popř. jiného mechanického kmitadla v měřicích trubicích. Jakmile kapalina nebo práškový či jemnozrnný sypký materiál dosáhne výšky, ve které je umístěn snímač, vybuzená frekvence kmitání piezoelektrických rezonátoru se utlumí nebo změní, čímž
piezoelektrické napětí jako signál snímače. Snímače jsou určeny zejména pro měření hladiny agresivních kapalin, tekutých potravin, v prostředí s nebezpečím výbuchu (obvody jiskrově bezpečné) a jako pojistka proti přeplnění nehořla vých i hořlavých, vodu znehodnocujících sypkých látek a kapalin. Existuje celá řada dalších principů: např. membránové hladinoměry, spínané tlakem sypkého se
změní
materiálu, vrtulový hladinoměr s otočnou s možností svislého pohybu vrtulky atd.
částí brzděnou
141
sypkým materiálem na dosažené
hladině,
7.2.10 PROVEDENÍ HLADINOMĚRŮ Všechny snímače výšky hladiny s elektrickým výstupem se většinou vyrábějí s místním ukazováním na LCD displeji a současně s dálkovým přenosem signálu. Dodávají se téměř výhradně s vyhodnocovacími elektronickými obvody a převodníky signálu, často jako inteligentní snímače (unifikovaný proudový výstup (0/4 -;- 20) mA, digitalizace, filtrace, linearizace signálu, kompenzace vnějších vlivů, autokalibrace, komunikace s nadřazeným PC nebo řídicím systémem, vyhodnocení a signalizace alarmových stavů ap.). Měřené údaje se někdy ukládají do energeticky nezávislé paměti EEPROM. Kompaktní elektronika je integrovanou součástí hladinoměru nebo je řešena jako samostatná jednotka s odděleným senzorem nebo anténou. Protože snímače často měří hladiny agresivních, jedovatých či výbušných kapalin a sypkých látek, jsou vyrobeny z ušlechtilých materiálů, popř. opatřeny dokonalou povrchovou úpravou (ochrana proti korozi) a vyznačují se vysokým stupněm krytí, velkým rozsahem provozních teplot média v nádrži i okolniho prostředí, odolností proti chvění a vibracím, některé i jiskrově bezpečným provcdenim. Samozřejmostí je splnění požadavků elektromagnetické kompatibility podle evropských norem (EN).
142
8 MĚŘENÍ PRŮTOKU A MNOŽSTVÍ TEKUTIN ,
,
8.1 ZAKLADNI POJMY Objemový', resp. hmotnostní průtok tekutin (jedna z nejčastěji měřených veličin) je definován: a) množstvím tekutiny proteklým za jednotku času, tj. ustáleným objemem, resp. hmotností vztaženým na čas
V
m
resp. Qm = - = - . P t t
(kg.s')
(8.1 )
Jedná se o tzv. objemové měření průtoku, které je přesné a používá se při kalibračních a ově řovacich měřeních a v provozu u tzv. bilančních měření (ekonomické zhodnocení naměřené hodnoty). b)
součinem střední rychlosti proudění
Qr=lI'·S,
a
resp,
průřezu,
kterým tekutina protéká
Qm=S,w.p.
(8.2)
Jedná se o tzv. rychlostní měření průtoku, které se používá u provozních přístrojů, které ba) střední rychlost proudění jako funkci průtoku a průtočný průřez se nemčni, bb) změnu průtočného průřezu a střední rychlost proudění zůstává konstantní.
měří:
Množství tekutiny je také velice často měřenou veličinou, která nabyla v současné době na významu zejména se zvyšujícími se cenami tepelné energie. Protekl)' objem V, resp. hmotnost m tekutiny se určuje stejným způsobem jako při měření průtoku objemovou metodou, nebo se používá integrace
naměřeného průtoku v čase:
V= fQ,.dt, resp. M
fQm.dt
111=
(8.3)
M
Řada měřidel proteklého množství je těmito integrátory průtoku vybavena (vodoměry, plynoměry) a
hodnotu proteklého množství je možno na jejich zobrazovacích prvcích zjistit
okamžitě.
Podle měřicích principů lze průtokoměry rozdělit na: I. Objemové: s přerušovanou nebo s cyklickou činností 2. Rychlostní: rychlostní sondy, škrticí orgány, kolenové, plováčkové, ultrazvukové, vírové, vířivé, indukční, hmotnostní Coriolisovy, optické vláknové a speciální.
8.2 OBJEMOVÁ MĚŘIDLA PRŮTOKU A PROTEKLÉHO MNOŽSTVÍ Objemové měření průtoku patří mezi absolutní měřicí metody, proto se měřidla pracující na tomto principu používají jako etalony pro ověřování jiných měřidel průtoku a proteklého množství a pro všechna
přesná měření.
Měřidla s přerušovanou činností
se používají v
laboratořích
pro kalibrace a
ověřování. Měření
probíhá ve 2 fázích - měřicí a vyprazdňovací: vymezený měřicí prostor se zcela zaplní tekutinou a po odměření objemu tekutiny se měření přeruší, zjistí se doba plnění odměrného prostoru a měřicí prostor se vyprázdní. Pak následuje další měření. Měřidla s nepřerušovanou činností se používají především jako provozní, méně často jako laboratorní přístroje. Měřidlo má několik odměrných prostorů, které se postupně plní a postupně vy-
143
prazdňují.
Proteklé množství je dáno počtem cyklů naplnění a vyprázdnění odměrných tok je stanoven vztažením počtu měřicích cyklů na jednotku času, tj. frekvencí cyklů.
-..,.
8.2.1 ZVONOVÝ KRYCHLOMĚR
/"
-I
,
'-1/
/J'f",I' - ,- f-e "
./
I
T
prostorů, prů
/" \,
,../
Velmi přesný měřicí přistroj se používá , . výhradně k měření objemu plynu (často vzdu. chu) v laboratorních podmínkách a při ověřo vacích měřeních. ~ ~ Měřicí část přístroje - zvon zavěšený na r:5 laně nebo řetězu - zasahuje do nádoby naplněné vodou, přičemž do prostoru pod zvon se přivádí -- I- --plyn, jehož objem chceme měřit (obr. 8.1). Ob--. jem plynu je úměrný zdvihu zvonu h a jeho - průřezu S, který musí být konstantní (V = 5.h). Hmotnost protizávaží je úměrná přetlaku měře - --- ~ ného plynu. Pro zjištění hodnoty průtoku musíme měřit čas t, za který se objem krychloměru - V naplní. Obr. 8.1 Zvonový krvchloměr Při vynořování zvonu z kapaliny se snižuje vztlaková síla kapaliny a hmotnost zvonu roste. Stoupá tlak plynu pod zvonem, tím i jeho hustota (plyny jsou stlačitelné). Pro zachování stejných podmínek na počátku a na konci plnění odměrného prostoru, je nutno kompenzovat úbytek vztlaku, tj. vliv změny hustoty. Přiklady způsobů kompenzace změny vztlaku: I) přídavné závaží zavěšené na kladce ve tvaru Archimedovy spirály. Přírůstek hmotnosti 11m zvonu na kladce o průměru d vyvolá při vynoření o I1h točivý moment 11M = Sm.r, který musí být vykompenzován momentem přídavného závaží ml působícího na proměnném rameni b: ťsm.r = mv.b, 2) přídavný řetěz, co do hmotnostních parametrů dimenzovaný tak, že při odvíjení přes řetězové kolo narůstá protizávaží shodně s úbytkem vztlaku. 3) nádobka zavěšená na lanku, jejíž prostor je spojen hadičkou s vodní náplní nádrže kry chl 0měru. V nádobce je hladina ve stejné výši jako v nádrži. Průřez nádobky je nutno navrhnout takový, aby přírůstek hmotnosti vody v nádobce byl při vyvažování zvonu stejný jako nárůst hmotnosti zvonu vlivem poklesu vztlaku. Nádobka bývá často součástí tělesa zvonu. ~
-
-
-
-
8.2.2 VODOMĚR S KROUŽIVÝM PÍSTEM Měřidlo
slouží pro přesná měření objemového množství proteklé kapaliny. Základní částí je odměrná komora, která je rozdělena přepážkou na dvě části (obr. 8.2). V jejím dně jsou vyvrtány vstupní otvory, v horní části výtokové otvory. Prstenec pístu, který se pohybuje v odměrné komoře, je přerušen výřezem, do kterého zapadá přepážka komory, umožňující pístu konat smýkavý pohyb. Od pohybu středu pístu je odvozen pohyb počitadla otáček, jehož údaj je úměrný proteklému objemovému množství kapaliny přístrojem.
144
Tekutina prochází při činnosti přístroje vstupními otvory ve spodní části odměrné komory a její tlak otáčí pístem. Zaplněním vnějšího odměrného prostoru VJ (viz obr. 8.2) dojde k odměření přesné-
d)
v{
I
b)
a)
Obr. 8.2 Kroužkovy
vodoměr:
c)
a) odměrovaci komora, b) prstencový píst konající krouživý pohyb, c) pist v komole, d) řez vodoměrem
ho objemu. Dalším otáčením se odkryjí výtlačné otvory, odměřená kapalina odchází do prostoru vně pístu a zároveň vstupními otvory do odměrného prostoru proudí nová odměřovaná tekutina. Celý mě řicí cyklus se neustále opakuje. Otáčivý pohyb středu pístu je mechanícky převáděn na převodové ústrojí počitadla, nebo elektricky snímán a dále zpracováván ve formě normalizovaného proudového či napěťového výstupního signálu. 3.h Vodoměry se vyrábějí pro jmenovité průtoky (3 - 5 - 7) m '1, lze je použít i k měření objemového množství plynů nebo kapalin o různé viskozitě. Měřidla vyrobená ve vyšší třídě přesnosti se používají jako bilanční.
r> .~
8.2.3 OVÁLOVÉ MĚŘIDLO
o
( o
...
,.
~::
.-
V průmyslu je to velmi po/ užívaný' a rozšířený' způsob měření . _. průtoku, zejména velmi viskózních tekutin - obr. 8.3. V precizně vyroObr. 8.3 Oválové měřidlo - princip činnosti bené komoře se pohybují dvě oválná I tělesa opatřená ozubením po obvodu každé\ ho z nich. Ozubení je vyrobeno velmi přesně \ s minimální vůlí a tolerance jednotlivých .-rozměrových řetězcú na sebe úzce navazují. o~ \ Ó Odměrné komory oválového měřidla průto t.<) \ ~ ku se střídavě plní a vyprazdňují a počet "..-/ otáček oválových těles je úměrný proteklé~ a mu množství, pokud známe přesný objem "..-/ Qv odměrného prostoru v tělese. • Otáčky oválových těles jsou snímány elektricky a výstupní signál je dálkově pře Obr. 8.4 Průběh relativní chyby oválového měridla nášen jako unifikovaný proudový analogový signál (příp. jako napěťové pulsy, jejichž frekvence vztažená na jednotku průtoku je informací o okamžitém průtoku). Přístroje se často používají v ropném průmyslu a rafinériích jako měřidla bilanční k měření proteklého nmožství mazutu, topných olejů a tekutin o viskozitě výrazně závislé na teplotě. o
o
o
o
'---./
\
-,
,
" '><
--- -
145
Relativní chybu měřidla je možno
-o =-cr .( ~
určit
A + D. Qv ) -
Qv
ze vztahu
f3 = a + b. Qv
(8.4)
(%)
Qv
Oválová měřidla mají zpravidla nezanedbatelnou tlakovou ztrátu, která na velikosti tření v ložiskách, dynamické viskozitě hustotě měřeného média: Sp, = A + B.~. Qv + D. p. Q~
(Pa)
silně
závisí
především
(8.5)
«, f3 - jsou konstanty závislé na tvaru ozubení, p - hustota měřené tekutiny, ~ - dynamická viskozita, A - součinitel tření v ložiskách, B, D - součinitelé zahrnující vliv vlastností
měřené
kapaliny a průtoku.
8.2.4 BUBNOVÉ MĚŘIDLO Měřidlo
se používá jako měřidlo kondenzátu v elektrárnách a výtopnách, nebo tam, kde je potřeba měřit průtok zkondenzované páry a Bl (obr. 8.5). Odměřovaná kapalina přitéká potrubím uprostřed bubnu měřidla ---~-~ - - ---:"--'1-- _ a zaplňuje odměrný prostor A I, Po jeho naplnění vniká kapalina do prostoru A 2 , tím se poruší rovnováha a buben se začne otáčet. Postupně zac Al čne kapalina zaplňovat odměrný prostor BI> dalším otáčením další z odměrných prostorů atd. Kapalina, která již byla odměřena odtéká Obr. 8.5 Měřidlo z útrob měřidla otvory a, bac. Otáčky bubnu jsou elektricky snímány, kondenzátu výsledný signál převeden na unifikovaný a dále zpracováván. Trvalé zatížení při provozu nesmí u bubnového měřidla překročit 50 % výrobcem stanoveného jmenovitého průtoku. Teplota kondenzátu nesmí přesáhnout 90°C a tlak 2 kPa. ,
vv
v
,
'tlI',.
8.3 RYCHLOSTNI MERlDLA PRUTOKU A PROTEKLEHO MNOZSTVI Základním měřicím principem je zjišťování rychlosti proudění měřené tekutiny v měřicím místě nebo střední rychlosti proudění v měřicím profilu. Průtok se určuje z naměřené rychlosti proudění dodatečně, zpravidla početně, popř. graficky, nebo měřidlo průtok udává v číslicové formě, případně analogově jako výstupní unifikovaný elektrický signál. Rychlostní měřidla můžeme rozdělit na: a) měřidla rychlosti - rychlostní sondy (Prandtlova a Pitotova trubice, válcová a kulová sonda a víceotvorové typy sond), anemometry (mechanické, žhavené, laserové), vodní křídla. b) měřidla průtoku, resp. proteklého množství - vodoměry (lopatkové, šroubové, turbinové), vírové a vířivé, tepelné průtokoměry, průřezová měřidla průtoku (škrticí orgány), kolenové průtokoměry, plováčkové, indukční, ultrazvukové, optické vláknové průtokoměry.
146
8.3.1 RYCHLOSTNÍ SONDY
ření.
Rychlostní sondy se používají pro laboratorní účely nebo pro přesná zpravidla jednorázová mě Rychlost proudění tekutin je dána 2. Pd =
)1.-'=
2. q.s
P
(8.6)
P
Pd = q.s - dynamický tlak, q = P . li!" - kinetický tlak, 2 s - stlačitelnost (kapaliny: s = 1, plyny proudící většími rychlostmi: s =t 1). Měření rychlosti proudění lze nahradit měřením dynamického tlaku Pd a hustoty kapaliny p. Velmi jednoduchou rychlostní sondou je Pito.""1
tova trubice, která využívá platnosti vztahu pro dynamický tlak proudící tekutiny v uzavřeném kanále (potrubí): Pd = p, - [J,. Na obr. 8.6 je znázorněno kon-
lel
strukční uspořádání
~ I
•
~
'\IV
Poprvé
-
-
..
rychlosti
~ ....
--'
.
,
proudění
otevřeném
vody v
trubici ve spodní
proti
směru proudění
čemž
platilo: pc = Pd = P .g. h.
části
ohnuté do pravého úhlu
vystoupila voda do výše h,
přičemž dělicí
pevnou
měří
stěnou je
--+. - 8 -
rovina obou
~
.... o
-.Jo.
'tJ'
-1
\
rozložení tlaku na této .~-(±)
_.
\
/'
\
,_/ '"
./
--
/
Y
----
...
oll3d
Obr. 8.7 Prandtlova trubice: a) superpozice proudění, b)
147
vychází ze
typů proudění
aj
\
při
oba tlaky pc a ps
... 1
o,Y!eh
měřidlo
kanále - ve skle-
místě. Konstrukční uspořádání
ze zdroje (obr. 8.7),
Při náhradě rotačního paraboloidu
-- r~ t -
místy tlaku celko-
použita jako
sonda
něné
v jednom
proudění: rovnoběžného a
je rotační paraboloid.
byla
Prandtlova trubice
Obr. 8.6 Pitotova trubice superpozice
odběrovými
vého pc a statického PS' Přesnost měření rychlosti je ovlivněna především tím, že se cel kový a statický tlak neměří v jednom místě.
cť
cť
s
konstrukční provedení
stěně
takové, že dynamický tlak je roven nule jednak blízko vrcholu, jednak v jisté vzdálenosti y od vrcholu. Z
důvodu
s kulovým
obtížné výroby je
při
praktické realizaci tvar
rotačního
zakončením.
Celkový tlak se snímá otvorem v čele sondy a statický tlak viz obr. 8.7. Pro sondu
paraboloidu nahrazen válcem
přesné měření
přesně do směru proudění
je nutné
správně
štěrbinami ve
dodržet uvedené
(odchylka nesmí být
větší
válcovité
poměrné rozměry
části
sondy,
sondy a umístit
než +5°).
Spodní mez měřené rychlosti je dána měřitelností dynamického tlaku (plyny 6 m.s', voda 0,2 m.s'). Nejvyšší měřitelná rychlost je prakticky omezena jen tuhostí sondy a schopností materiálu, ze kterého je vyrobena, odolat náporu proudu. Pro správné
určení průtoku v
kanále nebo
uzavřeném profilu je
nutno zjistit tzv.
střední
rychlost
proudění w
z naměřeného rychlostního profilu (rozložení rychlosti v průtočném průřezu) - rychlostní sondy měří okamžitou hodnotu rychlosti. Pro potrubí kruhového průřezu (nejčastější případ) lze použít tzv. graficko-početní metodu. Střední
rychlost
proudění je
dána:
(8.7)
dQ" - elementární objemový průtok mezikružím o
šířce
dr (obr. 8.8)
dQv = 2, «r. .drx ' w, Dosazením dQv do (8.7) a zavedením poměrných veličin r~R počet střední rychlosti proudění
(8.8) E
(O; 1) získáme rovnici pro vý-
(8.9) Rovnice popisuje křivku na obr. 8.9 - průběh rychlosti d!k. R W x v závislosti na poměrné odlehlosti rx/R. Plocha pod čarou wx.rjR vyjadřuje tzv. hutnost proudu, střední výška plochy odpovídá polovině střední rychlosti proudu. Je-li rychlostní profil souměrný, N <, stačí sestrojit křivku jen v jedné polovině, není-li soul~ měrný, pak sestrojujeme křiv ')0 0)8 0)6 0)4 0,2 O R ky wx.rx/R v obou polovinách, .. _. Ds. fx __ sestrojíme střední výšky obou R R ploch a určíme w /2 jako aritObr. 8.8 Průběh Obr. 8.9 Pn/běh rychlosti proudění metický průměr z obou hodrychlosti proudění v závislosti na odlehlosti not. Rychlostní sondy lze použít, pokud známe směr proudění, ten lze zjistit např. válcovou nebo kulovou sondou.
I
Válcová
čtyřotvorová sonda (obr. 8.10) snímá otvorem nastaveným proti směru proudění cel-
kový tlak pn otvorem v úplavu sondy tlak pÚ' Dva otvory, které jsou vyrobeny souměrně k otvoru pro snímání tlaku pc, slouží pro určení směru proudění.
148
Při
se na odběry PI a P2 připojí diferenční tlakoměr (SMART, mikromanometr), který musí při správném nastavení sondy do směru proudění ukazovat nulový rozdíl tlaků. Pro známý součinivlastním
měření
tel válcové sondy 13 = Pc - P ú je možné určit sondou Pd také rychlost proudění připojením dalšího diferenční ho tlakoměru na výstupní otvory pc a pÚ' Válcové sondy pouze s otvory pro snímání tla-
zviTII/'IÝ ŘU
ků
A-A
Pl a P2 nelze použít pro stanovení velikosti A rychlosti proudění v potrubí. Kromě válcových sond existují tzv. kulové sondy, které umožňují zjistit prostorové rozložení proudění měřením ve dvou na sebe kolmých směrech. Víceotvorové válcové sondy měří přímo • střední rychlost proudění (obr. 8.11). Sonda zasahuje Obr. 8.10 Ctyrotvorová válcová sonda přes celý průměr potrubí kolmo na směr proudění. Na náběhové straně sondy se čtyřmi (šesti, osmi, deseti) otvory snímá střední hodnota celkového tlaku
--
Pc' v úplavu sondy tlak pú tp, < po,). Rozdíl !!.P = Pc - Pii je
úměrný' střednímu dynamickému
tlaku
Pd Pd k-
= k 2 ·(Pc -
2
Pii) = k ·!!.P
(8.10)
= k.
(8.11 )
kalibrační
konstanta sondy. Střední rychlost proudění je rovna -
w=
2. Pd p
2. !!.P P Pro
správnost údajů je nutné přesně dodržet
p,
u
rozdělení
pro
otvorů , , ,
srumaru střední hodnoty celkového tlaku
Pc a
umístění
odběrové trubice v tělese sondv. • Důležité je rozdělení
/
b)
a)
Obr. 8.11 Víceotvorová válcová sonda: a) rozložení odběrových otvorů, b) umístění sondy v pro.filu Průtok
se z
naměřeného
tlakového spádu určuje následujícím 149
způsobem
otvorů
pro odběr celkového tlaku na náporové straně válcové sondy - provedení určuje přes nost určení střední hodnoty celkového tlaku.
!J.P Qv = S.k. 2.-
(8.12)
P k=
~~
- konstanta sondy.
K výhodám víceotvorových sond patří, že: - přesnost měření střední rychlosti proudění a průtoku prakticky nezávisí na počtu a velikosti odběrových otvorů na náběhové straně sondy,
ale pouze na jejich rozložení, - velikost odběrového otvoru v úplavu sondy neovlivňuje konstantu sondy, ale nost měření (sondy s malými otvory mají nižší
přesnost, než
nepřímo přes-
sondy s velkými otvory),
- deformace rychlostního profilu nemá vliv na konstantu sondy, ale posouvá její charakteristiku, - mají nízkou trvalou tlakovou ztrátu, pro velké promy zanedbatelnou, - malé vychýlení sondy (do +7°) vyvolá velmi malou změnu tlakového rozdílu !1p (cca I %), - sonda měří s rovnoměrnou přesností v širokém rozsahu rychlostí
proudění,
- maximální chybu lze snížit kalibrací, - výroba sondy je jednoduchá, montáž i demontáž a
čištění
nejsou pracné,
- použití sondy je možné i ve velmi rozměrných potrubích, kde by jiné metody měření rychlosti nebo průtoku vyžadovaly velmi vysoké pořizovací a provozní náklady, - pro zabudování válcové sondy nemusí navazovat dlouhé rovná
přímé
úseky potrubí,
postačí
délka
pětinásobku světlosti potrubí.
8.3.2 ANEMOMETRY Anemometry pracují na principu ochlazovacího nebo silového účinku proudu měřené tekutiny. a) Pro velmi přesná měření malých průtoků se používají laserové anemometry, jejichž konstrukční uspořádání
a
funkční
princip je založen na využití interference laserového paprsku
v proudícím médiu. Elektrické anemometry neboli žhavené anemometry se používají pro plynů
ve velmi vysokém rozsahu.
teplotu proudem vlastním
měřeného plynu.
principem je ochlazování drátku žhaveného na
Odvod tepla z drátku je funkcí rychlosti
měření jsou důležité geometrické rozměry
vení a druh měřeného plynu. Pro výchozí rovnovážný a
Funkčním
měření rychlosti průtoku určitou
proudění, resp. průtoku. Při
a materiál drátku. Velkou roli hraje i teplota žha-
stav platí rovnost mezi teplem přiváděným Qp = O,24.R.l
odváděným
Qo
2. n.p.c p ' w.d
= A.. 1 +
A.
.!1t
(8.13)
~
tj. platí
R.I- = f(w).
(8.14)
M
V praxi se použíají následující typy žhavených
anemometrů:
a) teplota drátu je konstantní (!1t = konst.), měřítkem rychlosti je velikost topného proudu (I = f(w»; rozsah rychlostí (I .;- 300) m.s", b) topný proud je konstantní (I = konst.), měřítkem rychlosti je teplota drátku vyjádřená jako změna odporu (R = f(w»; rozsah rychlostí (1 -i- 300) m.s'.
150
c) topný příkon je konstantní (R.P =
konst.), měřítkem rychlosti je teplota drátku měřená ter-
moelektrickým článkem (t = f(w»; rozsah rychlostí od minimálních do 1 m.s". Pro typy průtokoměrů a) a b) se používají platinové drátky o průměru (0,01 •
-7-
0, I) mm a délce
(I -7- 5) mm, které jsou žhaveny na teplotu (200 -7- 500) DC nebo termistory. Odporový můstek potom měří velikost topného proudu I nebo zrněnu
odporu žhaveného drátku R (obr. 8.12 a). Pro
I •
mě-
ření
velmi vysokých rychlostí proudění plynů nebo rychlostí proudění kapalin je nutné použít tzv. foliová
čidla
(obr. 8.12 b). průtokoměrů c)
čidlem
odporový drátek NiCr o průměru (0,05 -'- 0,1) mm žhavený na a) b) c) teplotu 350 "C. Drátek je spojen s termoelektrickým Obr. 8.12 Žhavený anemometr: a) drátkové článkem NiCr-ko, na který je připojen milivoltmetr čidlo, b) fóliové čidlo, c) anemometr nebo kompenzátor (obr. 8.12 c). Žhavené anemometry se používají především pro přesná laboratorní měření ve výzkumu v oblasti proudění, pro čisté plyny (hrozí přetržení drátku). Anemometry je nutné přesně kalibrovat (poměrně náročné u přístrojů pro měření velmi malých rychlostí). Mechanické anemometry jsou převážně provozní nebo orientační měřidla rychlosti proudění, využívající silového účinku proudění měřeného média. Měřidlo je opatřeno lopatkovým rotorem, který se proudícím médiem uvádí do rotačního pohybu. Rychlost otáčení rotoru je úměrná rychlosti proudění měřeného média. celkový počet otáček rotoru měřítkem proteklého množství. Podle směru proudění vzhledem k ose rotoru se vyrábějí měřidla radiální nebo axiální. Měřidla pro plyny se nazývají anemometry. pro kapaliny vodní křídla nebo lopatkové vodoměry. Miskový anemometr (obr. 8.13) je radiální anemometr pro provozní • měření rychlosti vzduchu. Casto slouží na exponovaných místech meteorologických stanovišť k orientačnímu určování rychlosti větru. Otáčení miskového rotoru je mechanicky převedeno na ukazatel nebo elektricky snímáno (mag. indukce) a převáděno na unifikovaný výstupní signál. Rychlost proudění je možno určit Obr. 8.13 Miskový z celkové délky dané počtem otoanemometr čení rotoru I a doby snímání počtu otáček rotoru t: w = II t. Údaj nezávisí na směru proudění, ale je nutno zachovat kolmost vektoru rychlosti k ose rotoru. Rozsahje (5 -7- 20) m.s· 1• Pro měření nižších rychlostí proudění (I -7- 10) m.s' se používá axiální anemometr s lopatkovým rotorem (obr. 8.14). Anemometry měří rychlost v místě průřezu, pro určo vání průtoku musíme stanovit střední průtočnou rychlost prakticky stejným způsobem jako při měření rychlostními sondami (proměřit profil a graficko početní metodou stanovit střední rychlost). Obr. 8.14 Lopatkovy anemometr Pro typy
151
je
,
v
,
v
8.3.3 LOPATKOVE A SROUBOVE VODOMERY Pro provozní měření odebraného množství užitkové a pitné vody se používají nejčastěji jednovtokové nebo vícevtokové lopatkové a šroubové vodoměry. Jejich použití je výhodné zejména z ekonomického hlediska, přesnost zpravidla plně dostačuje předepsaným požadavkům. Jednovtokový lopatkový vodoměr (obr. 8.15) se používá pro jednoduchou konstrukci. Průtok studené vody (do 35 "C) lze měřit do tlaku 1 MPa ve jmenovitých rozsazích Obr. 8.15 Jednovtokový lopatkový (3 - 5 - 7) m3.h- l . Používají se i pro měření teplé vody (do vodoměr 95°C). Vícevtokový vodoměr (obr. 8.16) má větší citlivost a přesnost měření při malých průtocích. Používá se pro mě ření studené i teplé vody ve jmenovitých rozsazích (3 - 5 7 - 10 - 20) m3.h- 1 pro studenou nebo teplou vodu.
o Obr. 8.16 Vicevtokový lopatkový
5
10
JK)
.0
_ .. Ql' ( "ft I
Obr. 8.17 Charakteristika lopatkových
vodoměr
vodoměrů
Šroubový vodoměr (obr. 8.18) pro větší průtoky má na rotoru rozmístěno několik šroubových lopatek. Vodoměry mohou pracovat jako horizontální do průtoku 3000 nr'Ji', jako vertikální do průtoku asi (150 -i- 200) m.h'. Otáčky rotoru jsou ozubenými převody přenášeny na ukazatele, které udávají zlomky a násobky jednotek • průtoku. Casto je možno vyvést i unifikovaný signálový výstup pro dálkový záznam a zpracování dat.
+5 +2 O
-2
-5
-
o~
I
- I ~
t
J
O •
Obr. 8.18 Sroubový vodoměr
5
- Qy (%)
100
Obr. 8.19 Charakteristika šroubového vodoměru
152
Všechny typy vodoměrů jsou při nízkých průtocích málo přesné, proto bývá u každého typu uveden rozsah průtoků, kdy chyba nepřekročí 5 % jmenovitého průtoku vodoměrem. Prakticky všechny typy vodoměrů lze používat pro měření studené i teplé vody. Vodoměry pro měření studené vody (do 30°C) jsou provedeny jako mokré - tzn. že prostory pro zobrazování údajů o průtoku nejsou odděleny od měřicí komory s rotorem a ukazatel je zatopen vodou. U vodoměrů používaných pro teplou vodu (do 100°C) by takovéto konstrukční provedení zkreslovalo měření a mohlo by vést k poruše vodoměru, proto se vyrábějí jako suché s oddělenou měřicí a ukazovací čás tí. Suché vodoměry bývají označeny červenou značkou na víku. V domovních vodovodních řadech a všude tam, kde je potřeba měřit v poměrně velkém měři cím rozsahu se sestavuje tzv. sdružený vodoměr - kombinace hlavního a vedlejšího vodoměru v paralelním nebo sériovém zapojení (obr. 8.20). U paralelního zapojení je klapka K při malém průto-
,.
--
Vy
I
oJ
I
oJ
Vv :"'\
fo-
,/
.
"
J o
L "
/"-.
"
K
a) měřicí rozsah
,
rozm Zl
~
,
~
""'-/ l/'.-. K
-
c)
preprnanl
!O
"
b)
>
+5 -rr-i-,....,......,..,..Ih--r-r-.,., + 2 -I.',~~~=-M~~h.4-,...,.....,.-h--r..,.-:.,-,,-,.i
Vv
± Oh~+i*'1 ~h-L~~~4~7'?~y::"'"
- 21'Ah":..r7f-ř - 5 ~","",,"""'-.JI
~ •
I
'-;'1
rozsah bez zarufen"ch mezních o de hy Cek
---<.....
tf
-j--
-
K
- '---U-"'-1~
-1+---
f
~..l.-._--+-----4------::'
o
- - - Qv
Obr. 8.20 Sdružené
l"le l
vodoměry:
d)
100
a) paralelní zapojeni, b) sériové zapojeni, c) provedení paralelního zapojeni. d) charakteristika
a všechna voda protéká vedlejším vodoměrem V v , při překročení nominální hodnoty průtoku vedlejšího vodoměru vzniká tlakový spád, který otevře klapku K a vysoký průtok měří hlavní vodoměr Hy, část vody přitom protéká také vedlejším vodoměrem. Celkové protékající množství je součtem údajů obou vodoměrů. Nevýhodou zapojení je, že hlavní vodoměr je v klidu až do okamžiku otevření klapky, pak se teprve rozbíhá a měří s velkou chybou. U sériového zapojení měří současně průtokoměr hlavní Hv i vedlejší Vy. Při malém průtoku (klapka K zavřená) je směrodatný údaj malého průtokoměru Vv, při zvýšení průtoku nad nominální hodnotu malého průtokoměru se klapka K otevře a údaj se odečítá jen z velkého hlavního vodoměru Hv. Sériové zapojení částečně odstraňuje vliv velkých rozběhových chyb. Sdružené vodoměry se sestavují pro jmenovité průtoky (38 - 100 - 350) m3.h (hlavní vodoměr) ol a (5 - 7 - 10 - 20) m 3.h (vedlejší vodoměr). ku
uzavřena
o
]
153
8.3.4 TURBÍNOVÉ PRŮTOKOMĚRY Základem +0,5
přesného
s
-o 5
patkový rotor
.
I
~,,~,
)~'J'\i-
-
t
•
a poměrně měřidla je lo-
bustního
o
.....
o
50
/
40
20
80
60
-
uváděný
do pohybu měřenou tekutinou. Otáčky roto-
-
/' 300..o 20
-a.
ru jsou v oblasti (10 -7- 100) % rozsahu
10
t
jmenovitého
.x
~ ~ ....",..
ro-
N
přímo
o
100
průtoku
úměrné
ob-
jemovému průtoku procházejícímu mě
OJoloJ
řidlem.
Obr. 8.21 Řez turbínkovým průtokoměrem a jeho charakteristika
Otáčky
jsou
indukčně
snímány
(u kovových turbínek) nebo opticky (u plastových turbínek). výstupním signálem jsou napěťové pulsy zpracovávané v elektronické části, hodnota průtoku je zobrazena na displeji, nebo je použita jako elektrická výstupní veličina pro regulaci, řízení apod. Turbínové průtokoměry se používají i pro měření (32 MPa, 200°C) pro světlosti (5 palina obsahuje erozivní tlakovou ztrátu Sp, na podmínek
-7-
přesnost dosahuje
než 1 mm, je nutno
kapalině
V
0,5 % v celém
bočním
předřadit
se také nesmí vyskytovat
tlaků
a teplot
100 m.h". Pokud ka-
-7-
filtr, který však zvyšuje trvalou kavitační
bubliny. Za ideálních
měřicím rozsahu.
Ve velkých potrubích se používá zásuvný turbínový na v ložiscích a zasouvá se
kapalin za vysokých
70) mm ajmenovité průtoky 1,5I.min'\
částice větší
měřidle.
průtoku
průtokoměr, jehož
turbinka je
hrdlem do potrubí. Rotor je spojen zasouvací
tyčí
volně
ulože-
s vyhodnocovací
elektronikou a s indukčním snímačem otáček. Jedná se o měření bodové, proto neznáme-li rychlostní profil, je nutno bud' provést několik měření a určit střední rychlost proudění, nebo údaj průtokoměru korigovat.
8.3.5 VÍROVÉ A VÍŘIVÉ PRUTOKOMĚRY Snímače
s pohyblivými částmi jsou náročné na provedení a je u nich zvýšena pravděpodobnost poruchy závislá na počtu pohyblivých částí. Proto byla vyvinuta celá řada snímačů a měřidel průtoku s nepohyblivými
částmi,
stupními signály,
měřící průtok ve
Vírové
zpravidla s velmi malou tlakovou ztrátou a unifikovanými elektrickými vý-
průtokoměry jsou
frekvence tzv. Karmánových obtékaným Frekvence
velmi širokém rozsahu s založeny na
vírů,
dostatečnou přesností.
měření
které vznikají za
»'})
»»)
»»
) }»
)»
») \ )
» \
>
tělesem vírů
f
v proudovém poli (obr. 8.22). za tělesem vkládaným kolmo na
směr proudění je přímo úměrná rychlosti proudění w.
Vložené těleso musí mít tvar zaručující stabilitu pravidelného snímání frekvence víru, což splňují např. prizmatická tělesa s rovnou náběhovou čelní stěnou uspořádání
se
'<
,'< \ \:""'\ (.. .
t
*' "t,"\
\ \ '( "('(dI'('
Obr. 8.22 Princip funkce vírového
a definovanou rovinou snímání vírů. Konstrukční
« '( '< '( " '\ '< \ '( '( '< < '(
liší
tvarem
154
průtokoměru
a velikostí vložených prizmatických těles. místem a způsobem snímání frekvence vzniklých VÍTŮ (ultrazvukem, kapacitními, tenzometrickými snímači, termistory), Konkrétní typ snímače se volí podle typu unifikovaného výstupního signálu (ultrazvuk - frekvenční výstup atp.). Místem snímání frekvence je vložené těleso nebo stěna potrubí. Podle teorie podobnosti platí pro geometricky podobná tělesa vztah mezi objemovým průtokem Qf', průměrem potrubí D a základní frekvencí.fo vloženého tělesa s náběhovou plochou šiřky b
Q).
!o.D Sr
= b.f -
3
podobnostní Strouhalovo
w
n.b
_
(8.15)
4.D,Sr
číslo vyjadřující podobnost
rychlosti
změny rychlostního
pole na čase; závisí především na tvaru a rozměrech vloženého tělesa - u prizmatických těles má na stabilitu vírů vliv poměr výšky b ku hloubce h tělesa (pro h/b = I A lze očekávat stabilní víry). Měřidlo má velmi malou trvalou tlakovou ztrátu Sp.
,
I
= -
2
,
.p. )1'-
(8.16)
Před
a za vloženým tělesem je nutno dodržet přímé úseky v délce IO.D a 5.D. Rozsah měřeného průtoku je u kapalin asi (14 -:-- 8 700) mh' (horní hranice omezena vznikem kavitace), u plynů asi do 10000 m 3.h'l (horní hranice omezena nadměrným rozpínáním). Vyrábějí se pro teplotu média do 200 "C a tlak do 10 MPa, s třídou přesnosti Tr = I -r- 2,5 . . Používají se pro měření průtoku páry o nižší teplotě. spalovacích a teplotně stálou viskozitou (benzíny a chladiva). Základními charakteristikami vírových průtokoměrů jsou:
plynů,
kapalin s nízkou
- jednoduchá instalace, - vysoká přesnost, - velký dynamický rozsah měření průtoků. - dlouhá životnost a stabilita měření. je vložené vírové těleso hranolovité s obdélníkovou základnou a stěnami tvořenými na čelní a úplavové straně tenkou kovovou membránou (obr. 8.25). Prostor uvnitř je naplněn olejem, do kterého jsou zasunuty elektrody. Cel)! systém tvoří kapacitní snímač frekvence vírů. V připojené snímací hlavici je předzesilovač a vyhodnocovací obvod. vý/// ///////1 //// stupním signálem je frekvence nebo unifiI, , ._.-. - ckovaný proudový signál (4 -:-- 20) mA. U vírového
průtokoměru VORTEX
.,
o
I
Variantou je ultrazvukové snímání frekvence vírů - vírové těleso je stejné, jen ultrazvukový snímač frekvence není umístěn Obr. 8.23 Vírové tě/eso průtokoměru VORTEX v tělese, ale v plášti potrubí (na stejné straně je umístěn vysílač i přijímač). Z vysílače vychází proti směru proudění ultrazvukový paprsek, který se v případě, že narazí na vír, od něho odráží a je přijmut přijímačem a nosný signál se moduluje - vzniká tzv. echo. Velikost echa je po zesílení přímo úměrná rychlosti proudění. Vírové průtokoměry jsou citlivé na změnu viskozity. Vířivé průtokoměry měří na principu uměle vyvolaného víření neboli zkrutu, který vytváří tzv. precesní pohyb jádra proudu. Je snímána frekvence precesního pohybu úměrná rychlosti proudě//////
•
111.
155
Princip spočívá v tom, že konstantní rychlostí protékající tekutina je vloženými zakřivenými lopatkami (obr. 8.24) uvedena do rotačního pohybu (zakřivení lopatek má vliv na polohu osy otáčení a úhlovou rychlost proudu). Kromě konstantní složky rychlosti vzniká ještě složka tangenciální a radiálni tlakový spád závislý na tvaru profilu způsobí spirálovitý precesní pohyb jádra. Frekvence spirálovité rotace se snímá tenzometrem nebo se registrují změny teploty termistorem. Zařízení zpravidla měří ve velkém rozsahu průtoků s chybou menší než 1 %, s výstupním signálem frekvenčním, pulsním nebo normalizovaným proudovým (0/4 -i- 20) mA. Základní vlastnosti jsou prakticky shodné s vírovými průtokoměry.
Obr. 8.24 Princip funkce vířivého průtokoměru
8.3.6 TEPELNÉ PRŮTOKOMĚRY Měřicí
princip spočívá v ohřevu měřené tekutiny konstantním tepelným tokem Pq a měření jejího oteplení, tj. rozdílu teplot M za ohřívaným tělesem t: a před ním tj. Pro hmotnostní průtok platí
Pq
Qm = cp'
(8.17)
(t 2 - tJ)
cp - měrná
tepelná kapacita tekutiny, ti - teplota tekutiny za topným vinutím, tl - teplota tekutiny před topným vinutím, Pq - konstantní tepelný tok topného vinutí. Průtokoměry
se používají pře vážně pro měření hmotnostního prů toku plynů, neboť pro používané roz---'....... sahy teplot a tlaků lze měrnou tepel~ -;.....-~ ~--------, ,----"" nou kapacitu považovat za konstantní. průtokoměrů jsou Rozsahy (3 -;. 30 000) ml.s' (objemový průtok pro vztažné podmínky po, to). Průtok může být vyhodnocen z oteplení proudící tekutiny (obr. 8.25). Tekutina je vedena tenkostěnnou tepelně dobře vodivou kovovou trubicí. Na středu trubice je Obr. 8.25 Tepelny snímač hmotnostního průtoku umístěno topné vinutí a po obou stra.s vyhodnocením oteplení proudicí tekutiny (SI, S2 - odporonách j sou symetricky navinuty odpové snímače teploty, T - topné vinutí) rové senzory teploty. Celá měřicí část je důkladně tepelně izolována. Pokud tekutina neproudí, dochází k obousměrnému ohřevu tekutiny a můstek je vyvážený. Při průtoku tekutiny se symetrické rozdělení teploty v trubici poruší a můstek vyhodnotí teplotní rozdíl ti - tl' Mezi hmotnostním průtokem a měřeným teplotním rozdílem platí (8.17). Měřidlo hmotnostního průtoku, u něhož je průtok vyhodnocován z ochlazování topného tělesa (obr. 8.26) pracuje tak, že měřená tekutina obtéká dva snímače teploty R M a R r zapojené v můstku.
f
...
156
t
uy(V] 4.0 3,5
Rt.4
Qm
RT I,f....
3,0
Qm
.t
r
t
2,5 uy=f(Qm)
2,0 1,5 O
R,
100
200
300
>400 Qm[kg.h-']
R2
b)
a)
Obr. 8.26 Snímač hmotnostního průtoku s vyhodnocováním ochlazování topného tělesa: a) uspořádání zapojení snímače, b) statická charakteristika snímače pro hmotnostní průtok vzduchu (RM - odporový snímač teploty. R, - elektricky vyhřívaný odporový snímač teploty) Snímače
vou.
se
vyrábějí
Při splnění
tenkovrstvou technologií z platiny, povrch je
chráněn
tenkou keramickou vrst-
RT « RM protéká proud I pouze senzorem RT a pro energeticky vyvážený stav platí RT·J
l
=S.CL.(t T -t M
(8.18)
)
Ct - součinitel přestupu
tepla, S - sdílená plocha topného senzoru. Protože součinitel přestupu tepla CL je funkcí mnoha fyzikálních vlastností tekutiny (hustoty, viskozity, tepelné vodivosti, rychlosti proudění atd.), používá se empirický vztah RT·I
l
= (t T -
t H ).( A
+ B)Qm)
(8.19)
A, B - konstanty zahrnující vliv sdílení tepla.
Za předpokladu platnosti lineárních závislostí platinových
senzorů na teplotě, tj.
RT -R M
t T - tAl = .........:._......c.::....
(8.20)
a Pt • R o lze odvodit výraz
(8.21 ) Při
zapojení můstku do
zpětné
vazby
zesilovače je můstek stále
Rl ---:- = konst.::::::> t T
vyvážen, tj.
.
-
t s = konst.
RIf
Teplotní rozdíl mezi oběma senzory teplot, tj. mezi topným tělesem a proudící tekutinou je konstantní. Tato skutečnost zajišťuje neměnné podmínky při sdílení tepla. (8.21) lze upravit do tvaru (8.22) CI, Cl - teplotně nezávislé konstanty. Nelineární závislost topného proudu, tím i výstupního napětí na měřeném hmotnostním průtoku se většinou číslicově linearizuje použitím jednočipového mikroprocesoru. Přesnost měření se pohybuje okolo 1 % z rozsahu.
157
8.3.7 ULTRAZVUKOVÉ PRUTOKOMĚRY Ultrazvukové průtokoměry jsou měřidla bez pohyblivých částí. Hodí se pro měření objemového průtoku kapalin silně znečistěných, agresivních nebo i pro roztavené kovy. Princip měřicí metody spočívá v tom, že rychlost proudící tekutiny způsobuje přírůstek nebo úbytek rychlosti šíření ultrazvukových vln v daném prostředí podle toho, šíří-li se ultrazvuková vlna ve směru nebo proti směru
l"
2.t
li,.
-w
0t-
!a,.
-w
~
1:1.2
to
Obr. 8.27 Ultrazvukovy snímačprůtoku (; Leading-edge-detection "I proudění. Uspořádání
elektroakustických měničů a metody vyhodnocení rychlosti proudící kapaliny
jsou různé, ale všechny mají společnou vlastnost: vyloučení vlivu teploty a tlaku na měronosnou výstupní veličinu přesto, že rychlost šíření ultrazvuku v kapalinách je funkcí teploty a tlaku (měření je uspořádáno tak, aby objemový průtok, přesněji měřená rychlost proudící kapaliny nebyl funkcí rychlosti šíření ultrazvuku). Na obr. 8.27 je měřicí princip obvykle označovaný jako .Leading-edge-detection", kdy elektroakustické měniče MI a M 2 umístěné proti sobě pracují každý jako vysílač i přijímač ultrazvukových vln. Z obou měničů je ve stejný okamžik vysílán přesně definovaný impuls. Pro dobu tu, resp. tll prů chodu impulsu od měniče M" resp. M 2 k měniči M 2, resp. MI platí
t]2 =
L t"t = - - - - C+w.cosa
L _ , C - w.cosa
ultrazvuku v daném prostředí, w - střední rychlost proudění kapaliny v průtočném Pro rozdíl časových intervalů lze odvodit rovnici
c - rychlost
šíření
A
_
_
ut - t l 2
t 21
průřezu.
_
2. L. w. cosa
-
.,
_
J
(8.23)
.,
c- -w- .cos a
a z (8.23) vzhledem k platnosti w 2 « c2 :
.,
w
Pro rychlost
šíření ultrazvuku
=
c-
2. L.cosa
.~t
(8.24 )
platí
2.L
c=--t 21 + t 12
(8.25)
Po dosazení (8.25) do (8.24) dostaneme výsledný vztah w =
M
(t 21 + t]2)
2 .
2. L _ cosa
158
~'t
(t 2l + t12 )
2 .
k
k - konstanta snímače. Měřený objemový průtok je pak dán: ~
Qv = n. D- . L .
Ll.)
2.cosa (/ 21 + 112
(8.26)
t
Další možností je využití tzv. Dopplerova principu (obr. 8.28), kdy je vysílaný zvukový paprsek o určité frekvenci přijímačem přijímán zpět s frekvencí
..J ;; JI.....-_......l, ,v , I -,
-, '\...
'\
"
'\
" "
-,
,
f f
...
-,
I
/
II \
,.,/ ....,
....
změněnou prouděním.
J
f
I I
I
---------()~~-~-------~~-j)-------"...
II
',<>" J../" ,',O\/V / \\ -,
-,
I
);,1 V
I
Obr. 8.28
Zdroj s
I
I
''v/'/
"""t
Princip lze použít i pro znečistěné kapaliny a kapaliny obsahující plyny, jejichž měření není běžnými průtokoměry zvládnutelné. měřenou
může
ultrazvuku
kapalinou - dotykové
trukce potrubí nasazen z
v,
Uspořádání
ultrazvukového snimače průtoku (Dopplerův princip)
být měření,
vnějšku
v
těsném
styku
nebo je bez des-
- bezdotykové
měření
..CLAMP-ON". Bezdotykové
měření
proměřování tloušťky stěn
potrubí a korekci na tuto
vyžaduje
dodatečné
tloušťku počítaný průtok
gramové jednotky a
se
softwarově
a materiál potrubí (hodnoty se ukládají do prokoriguje).
Ultrazvukové průtokoměry jsou náročné na technické provedení a jejich kalibrace je poměrně obtížná. Mají ale nulovou tlakovou ztrátu, měří v rozsahu (2 -r- 400 000) mJ.h'l do tlaku 4 MPa při teplotách (-200
-i-
250) "C.
Přesnost
je lepší než I % z
Oblasti použití: petrochemický a chemický
měřené
hodnoty.
průmysl,
kých světlostech), měření všech nevodivých médií, ních vod, parního kondenzátu. .
rozvody vody
měření průtoku
(především měření
na vel-
vzduchu. zemního plynu, odpad-
8.3.8 MAGNETICKÉ INDUKČNÍ PRŮTOKOMĚRY Indukční snímač řenějšího
v současné době nejrozšítypu rychlostního průtokoměrů využívá
Faradayova zákona. Proudicí kapalinu s
vodivostí cr větší než I IlS.cm·\ sí lze představít
I
I I
), , r•
a magnetickým tokem
'VB
\ \
jako paralelně řazená vodivá vlákna, která procházejí rychlostí )i' magnetickým polem s indukcí B
~ D
\
w
měrnou
k vektoru rychlosti (obr. 8.29). Senzor
... '-
žívá
..
-
indukčního průtokoměru
vyu-
buzení. které eliminuje polarizaci
elektrod a z hlediska vyhodnocování magnetické indukce a výstupního část,
Obr. 8.29 Princip
střídavého
často
ve
napětí je vhodnější. Potrubní
které je vsazen
snímač,
musí být
z magneticky nevodivého materiálu. Pro jednotlivá vodivá vlákna lze nainduko-
vané
napětí vyjádřit pomocí
V
II. Maxwellova zákona
0<1>,f a
c
Uspořádáním přívodů
Ol
c
ot
+ U",
ke snímacím elektrodám lze dosáhnout toho, aby platilo
159
(8.27)
<1>= JB.dŠ=O,
(8.28)
tj. Ue=O
s
s - plocha uzavřené smyčky. Snímané napětí na elektrodách bude
U=U w
w.B.D= 4.B .Qv =k.Qv
=
rt.
(8.29)
D
k - konstanta; reflektuje nehomogennost pole, vliv vodivého
prostředí
kolem teoreticky uvažova-
ného vlákna atd. Za určitých zjednodušujících předpokladů údaj přístroje nezávisí na tvaru rychlostního profilu. Při měření je nutno zajistit indukci B konstantní nebo kompenzovat vliv proměnné. Pro měření kapalin velmi málo vodivých musí mít vstupní zesilovač velmi vysoký vstupní odpor. Magnetické indukční průtokoměry se používají pro měření prakticky všech druhů kapalin s nízkou i velmi vysokou viskozitou. Pracují s nulovou tlakovou ztrátou v měřicím rozsahu (0,005 -i- 12 000) m 3.h,1 při teplotách (-20 200) "C. Přesnost se pohybuje okolo 0,25 % z měřené -é-
hodnoty. Na obr. 8.30 je schéma snímače magnetického indukčního průtokoměru MAGFLO firmy Danfoss včetně vyhodnocovacího převodníku s jednočipovým mikroprocesorem a pamětí, kde jsou uloženy všechny hodnoty pro správnou, přesnou a stálou funkci měřidla. Průtokoměr pracuje tak, že vysílací elektroda vysílá do vodivého média napěťové pulsy, které indukují elektromagnetickou indukci na snímací elektrodě. Velikost této pulsující indukce je úměrná objemovému průtoku podle (8.29). Převodníky signálu bývají dodávány jako oddělitelné - mohou být připojeny na vzdáleném místě. Kromě přímého zobrazování údaje mají průtokoměry zpravidla několik nezávislých elektrických v)'stupů pro dálkový přenos a další zpracování údaje (proudová smyčka (0/4 -i- 20) mA napětí (O 5/10) V, pulzní, frekvenční výstup). Převodníky signálu bývají programovatelné a lze nastavit rozsah měření průtoku, jednotky, typ
,
PR" EVODNIK MAG 3000
DiaJogový modul T
.L
PROM
0/4 • 20 mA
RAM MlkroprDCe$or ..
• ~
r
AS IC
/V
I
<
Frekvencnl a pulsnl výstup
...n.n..
utO/Vypnuto..-
EEPROM
v
CasoV&Č
ve
,~ /V •
Ivarovae signálu
I
A ........
··••
••••
,
I
..
C .................SNIMA .... .......... ...........
:··............1..Elektroda Přijfmač ...... .. ............................................. ..
..
1. :'
Obr. 8.30 Schéma měřicí a vyhodnocovací části průtokoměru MAGFLO
160
o - 10 kHz
výstupu, kalibrační konstantu, monitorovat údaj o proteklém množství a mnoho dalších parametrů. Nevýhodou použití magneticko-indukčníchprůtokoměrů je nutnost trvalého zatopení snímacích elektrod průtokoměru, aby nedošlo k jejich destrukci. Výstelka měřicí části potrubí bývá keramická (Ab03), teflonová, případně neoprenová, ebonitová, pro přístroje méně přesné se povlaky vyrábějí z přírodní gumy a polyuretanu. Materiál elektrod bývá platina, Hastelloy C, Monel nebo titan. Přesnost přístroje se snižuje po jisté době provozu zanášením elektrod, proto je nutné elektrody pravidelně čistit a přístroj kalibrovat. Oblasti použití: chemie, potravinářský průmysl, výroba nápojů, rozvod a spotřeba vody, teplárenství.
8.3.9 CORIOLISOVY HMOTNOSTNÍ PRŮTOKOMĚRY Měřicí
princip snímače hmotnostního průtoku spočívá ve využití Coriolisovy síly. Na těleso hmotnosti m pohybujícího se rychlostí iv v soustavě, která se otáčí úhlovou rychlostí působí Coriolisovo zrychlení
ro ,
á;
(8.30) Na obr. 8.31 je aplikace tohoto jevu na proudící vůči
Silové
účinek
3. Newtonova zákona akce a reakce projeví tak, že
dm
tekutině.
účinky
zrychlení á, se podle
Coriolisova zrychlení elementu hmotnosti potrubi je v rovnováze s reakcí, tj. Coriolisovou silou dFe , kterou působí potrubí na hmot-
nost dm. Coriolisova síla je z hlediska pozorovatele v inerciální
Směr
vektorového
-
soustavě
dána vztahem
dFe = 2. dm. (co x }ll)
-
rovině vektorů
síly Fe je kolmý k součinu.
(8.31)
(ro, ll'). orientace vektoru síly Fe
je dána pravidly
Po dosazení do (8.2) za hustotu p=
obdržíme pro hmotnostní
průtok
dm
dF
= - - " ' c- - S. dl S. dl.2. 0). w
rovnici
dFe Qm = d 2. I. co Hmotnostní
průtok je
(8.32)
lineárni funkcí Coriolisovy síly, která
způsobuje
-
krouticí moment dM (8.33)
Integrací pro délku L dostaneme celkový krouticí moment t.
M
= fl.co.2Qmdl = L2.ro.Qm
(8.34)
o
-
z
....W
t:,t
y
S
t:,m
L
Při
w
....v
-
t:,Fc
,/
,/
/0_ - .-.,/
,/
/
,/
--
,/
,/
X
W
. --........::
r::
"Fc
praktickém využívání Coriolisovy síly pro měření průtoku nahradíme otáčivý pohyb harmonickým kmitáním, tj. vektor
ro,
a tím i vektor
budou mít periodicky nou orientaci. Uspořádání
Obr. 8.31 Princip Coriolisova snimače hmotnostniho průtoku
161
různé.
V
podstatě
Fe
proměn
snímače
je vždy se jedná
o silně redukovanou zakřivenou trubici nebo trubice, do kterých je přiváděna měřená kapalina. Časo vý posun vzniklých kmitů úměrný hmotnostnímu průtoku kapaliny silně redukovaným elementem průřezu je
registrován indukčním snímačem umístěným u trubic. Obr. 8.32 ukazuje uspořádání měřicí trubice ve tvaru "U". Trubice je vertikálně rozkmitávána silovým působením elektromagnetu. Působiště periodické budící síly je označeno F H • Budícím kmi-
--w
3
--
1
M
4
--
lil W <J
--
3 a)
4
w
F C
d
d
b)
3
.-
Obr, 8.32 Snímač typu" U": aj be: proudící tekutiny, b) maximální zkrouceni pN proudící tekutině a pohybu trubice směrem nahoru, 1 - základni deska, 2 - U trubice, 3 - snímací bod, 4 - snímač polohy toč tem
je obvykle
budou na
obě
rezonanční kmitočet
ramena U trubice
působit
trubice. V
případě,
harmonicky
že trubicí protéká tekutina rychlostí }V,
proměnné
-
Coriolisovy síly Fe
opačné
orientace
ve vtokové a ve výtokové části trubice. Důsledkem působení páru sil vznikne krouticí moment M, který způsobí zkroucení U trubice o úhel \jl:
- = 2.d. Fe-
(8.35)
M
Maximální úhel zkroucení nastává
při
maximální velikosti vektoru
'.
f~"
tedy
při
maximální
hodnotě
vektoru úhlové rychlosti éó při průchodu středu trubice klidovou polohou. Na obr. 8.32 b je zobrazen maximální zkrut při pohybu U trubice směrem nahoru. Vyhodnocení maxima periodicky proměnného krouticího momentu se provádí měřením časového intervalu M mezi následujícími prů chody levého a pravého snímacího bodu nulovou polohou (bod 3) prostřednictvím polohových snímačů umístěných ve vzdálenosti b od základní desky U trubice A
LJ.t=
2. L\s
2. L1s
(8.36 )
=--
b.ci
v
L\s - dráha snímaného bodu, v - obvodová rychlost, Pro malý úhel \jl (L\s .:.. d. \jl) lze (8.36)
přepsat na
tvar
2.d. \jl
L1! = - - - ' -
b. co
(8.37)
Tuhost trubice způsobí direktivní krouticí moment vůči ose symetrie obou půltrubic M D = k.\jl, k - tuhost. Při splnění podmínky MD = M nastane rovnovážný stav, tj. k.\jl = 2.Fc.d (Fe = 2.L.w.Qm)' Po dosazení do (8.37) dostaneme o
A
LJ.!
=
s.«, L . Qm b.k
účinná
délka jednoho ramene U trubice. Z (8.38) vyplývá, že měření Qm závisí na úhlové rychlosti co.
L-
162
(8.38)
Provedení měřicích trubic je celá řada, např. lyrovité jednoduché i vícenásobné, polouzavřené a uzavřené a mnoho dalších. Princip snímání průtoku na všech trubicích je však stejný. Coriolisovy průtokoměry s elektronickou vyhodnocovací částí pracují pro rozsahy průtoků (0,05 -i- 18000) kg.min s přesností 0,4 % (ve zvláštních případech i 0,2 %) z měřené hodnoty. Rozo
sah pracovních teplot je (-240 -i- 200) C při maximálním tlaku měřené tekutiny 30 MPa. Všechny lunotnostní Coriolisovy průtokoměry mají vysokou tlakovou ztrátu. Kromě systémů se zakřivenými trubicemi se používají i systémy s přímými měřicími trubicemi, především pro nižší tlaky kapaliny. Měřicí princip je obdobný - využívá síly, která vzniká při průcho du kapaliny z volného ustáleného průtoku do silně redukovaného uzavřeného průřezu. Průtokoměry s přímými trubicemi mají oproti zakřiveným menší tlakovou ztrátu a vyšší přesnost. Měření hmotnostním průtokoměrem není ovlivňováno změnami tlaku, teploty, viskozity, hustoty, vodivosti a typem proudění v měřeném médiu. Kromě hmotnostního průtoku může připojená elektronika vyhodnocovat také hustotu, teplotu média a proteklé množství. Elektrické výstupy průtokoměrů jsou zpravidla proudové (0/4 -;. 20) mA nebo pulzní. Použití průtokoměrů: potravinářský a petrochemický průmysl, chemický! průmysl, váhové dávkování a ekonomicky zhodnocované stáčeni, plnění nádob. řízení spotřeby paliva.
8.3.10 OPTICKÉ VLÁKNOVÉ PRŮTOKOMĚRY Optické vláknové průtokoměry pracují na principu modulace intenzity záření prostřednictvím změny koeficientu útlumu optického vlákna, do kterého je zdrojem záření (polovodičovými diodami, • laserem) vysílán optický signál a detekován detektorem záření (fotodiody typu PN, PIN). Utlum vlákna se mění mikrodeformacemi vlákna proudící kapalinou, čímž dochází k rozptylu vidů vyšších řádů do pláště vlákna. Kmitání optického vlákna (zpravidla volně vloženého do středu proudnic tekutiny) způsobené vířením měřené tekutiny při jeho obtékání mění světe ln)' odpor vlákna. Frekvence kmitání je závislá na velikosti Strouhalova podobnostního čísla a je úměrná změně optického odporu vlákna
Sr.h
= j.d
(8.39)
lV
Sr - Strouhalovo podobnostní číslo, h - světelný odpor vlákna, j - frekvence kmitání vlákna, d - průměr potrubí. Na obr. 8.33 je zobrazen princip optického vláknového
.'
,
w
,
,
•
·,
· , ,
·· ·, ·• •,··
Obr. 8.33 Princip optického vláknového snímače průtoku
zdroj díoda
průtokoměru,
filtr
, , , ,
,,
~komparátor
převodník
zesílovač
dioda
Obr. 8.34 Blokové schéma uspoiádánl optického vláknového průtokoměru
163
obr. 8.34
blokové
schéma přístroje a zpracování signálu získaného přij ímačem. Průtokoměry se používají jako přesné
.. , pnjunaci '" ,
na
laboratorní přístroje, které se vyrábějí na zakázku podle přesně stanovených požadavků odběratele. Přes nost se pohybuje okolo 0,2 % z měřené hodnoty. Nasazují se především při mě-
ření
velmi malých rychlostí proudění a průtoků v malých průtočných průřezech. Průmyslové nasazení
není zatím vhodné.
8.3.11 PRŮŘEZOVÁ MĚŘIDLA PRŮTOKU - ŠKRTICÍ ORGÁNY Existují škrticí orgány normalizované (clona, dýza, Venturiho dýza a mají
výpočtové rozměry podpořené
a
čtvrtkruhová
dýza), které
v
výslovně
uvedené v CSN, a nenormalizované (segmentová clona, dvojitá clona, válcová dýza ap.), které se používají především pro zvláštní účely, kdy je potřeba měřit ve ztížených podmínkách a při zvýšených nárocích na prostředí. K měření průtoku kapalin v otevřených korytech (kanálech) se používá Venturiho kanál. Měření průtoku je nepřímé, průtok se určuje z měřeného tlakového rozdílu Sp před a za škrticím orgánem. Rozložení tlaku na škrticím orgánu je charakteristické, viz obr. 8.35. Škrticí orgán způ sobuje trvalou tlakovou ztrátu b.pz, která je tím větší, čím více uzavřený průřez redukujeme a čím větší je průtok redukovaným průřezem. Průtok QJ' tekutiny se určí z rovnice
~P!
. 1t.d~ ') t:..p Qv - a. 0. 4 . _. p _
a ( 1) - průtokový
.P, w
...
lni
... ... ()
.
I
I
, I
,
\
~
ct
tJ:
-
škrticího orgánu; určuje se z tabulek a nomogramů pro určitý typ škrticího orgánu 1 rl. = ď7 /D 2 , zavisi '" a pomerne zuzern 1-'na Reyno Idsove čísle a rychlostním součiníteli kontrakce (u normalizovaných škrticích orgánů je konstantní od tzv. hraničního Reynoldsova čísla), E (1) - expanzní součinitel; u kapalin E = I, u plynů E < I, urv
.
~
I V
/
~
r
~ .q
Obr. 8.35 Tlakové poměry v okolí škrticího orgánu
(8.40) součinitel
•
•
v
•
v
čuje
se z nomogramu pro poměrný tlakový spád I1p/PI, daný škrticí orgán, izoentropický součinitel X a poměrné zúžení f3 2, d (m) - průměr otvoru škrticího orgánu, D (m) - průměr potrubí, 2 (3 (1) - poměrné zúžení (d/D)2, tj. poměr průřezu škrticího orgánu k průřezu potrubí, Sp (Pa) - tlakový rozdíl měřený na škrticím orgánu,
p (kg.m') - hustota měřené tekutiny. Pro praktické použití je nezbytná reprodukovatelnost tvaru škrticích orgánů (tj. geometrická přenosnost) na různé rozměry potrubí a tím použitelnost pro široké spektrum poměrného zúžení [3 2• Průtokový součinitel a musí být konstantní pro daný typ škrticího orgánu v celém měřicím rozsahu. 0.02D .:a '3D Normalizovaná clona (obr. 8.36) je deska s kruhovým otvocato rem uprostřed soustředně zabudovaná do potrubí. Odběry statických tlaků jsou provedeny těsně před a za škrticím místem. NáObr. 8.36 Normalizovaná clona běhová hrana otvoru clony musí být vždy ostrá. Clony mají poměrně velkou tlakovou ztrátu
(8.41 )
164
Pro potrubí do světlosti 300 mm se používají clony s tzv. komorovými odběry (obr. 8,36 velké
průměry
kotouč,
potrubí tzv. clonkový
odběry
kde se
vrtají a
navařují
pro
v blízkosti clony a musí
být vzdáleny od clony nejvíce o 0,03.D. průměry potrubí
Normalizované clony se používají pro
je v rozsahu [32 = 0,05
(50
-ě-
1000) mm.
Poměrné zúžení
clony
0,7. Pro výpočet a návrhy rozměrů clony lze po-
-i-
příloze.
užít nomogram v
Výroba normalizované dýzy (obr. 8.37) je náročnější, protože tvar vyrobené
dýzy
o DN = (50
-i-
musí
500) mm
být
velmi
přesný.
při poměrném
Používá
zúžení 0,05
-i-
se
v potrubích
0,64 tam, kde jsou
vyšší požadavky na přesnost měření. Trvalá tlaková ztráta je přibližně rovna
0,31);''''
(8.42)
Obr. 8.37 Normalizovana. d'y:a
7. ,&,42 by se mohlo zóát, ze trvalá tlaková ztráta je u uýzy menší nei u clony. Při stejném průtoku je ale !::"P: stejná u obou škrticích orgánů, protože pro stejnou hodnotu [32. a je
.aos«
u dýzy hodnota [32 menší než u clony.
J
r t-/~/
.....
~
-
\
rl
použít
<15 D
'JI
1,00, 13d ,
např.
s menší Sp, musíme
Venturiho dýzy.
je normalizovaná dýza, ke které je na-
~
o 2d
měřit
Normalizovaná Venturiho dýza
"l:s
~ ...,
0.00"4
Chceme-li
.
,
\
<15 0
~
Měří průtok
pojen difuzor (obr. 8.38). v potrubí o
průměru
poměrném
zúžení 0,05
(50 -:- 500) mm -i-
při
0,6. Má ne-
jmenší trvalou tlakovou ztrátu.
t
Normalizovaná Venturiho tru-
bice má místo dýzy rovnou Obr. 8.38 Normalizovaná Venturiho dyza
část.
náběhovou
tzv. konfuzor, ke kterému je
jen difuzor. Výroba je snazší,
_ _J
připo
přesnost
dostatečná. čtvrtkruhová
Normalizovaná
~-
k
I""+--+ '"(').
měření průtoku
dýza
(obr. 8.39)
velmi viskózních kapalin
při
je
určena
malých rychlostech
proudění.
Tvar vstupního otvoru je čtvrtkruhový. Pro širší spektrum , poměrného zúžení Wje nutno vhodně volit poloměr jeho zaoblení. Měřicí
Obr. 8.39 Čtvrtkruhová dyza
kapilára (obr. 8.40) je
průtoků. Měřicí
=
a. S.!::"p
Pro zcela vyvinut)' rychlostní profil (kapilára
a
I
pro měření velmi nízkých
princip je založen na odporu kapiláry proti
Tlakový rozdíl Sp na
Qj'
určena
proudění.
kapiláře je úměrný měřenému průtoku
(8.43) dostatečně dlouhá) je průtokový součinítel roven
d2
=- . -
(8.44)
resp.
(8.45)
32 11./
a objemový, resp. hmotnostní průtok 1t
d4
Q" = 128 'll,(~'
165
e
Pro praktické použití je potřeba kapiláru kalibrovat. Její délka musí být dostatečná pro úplné vyvinutí rychlost-
i/////////////
1////////////
.... .
!i.phr = 7,36.1
°.
,
rr
7
.
.
.
hodnota tlakového rozdílu pro laminární proudění /.
~
1
ního profilu, tj. zajištění laminárního proudění. Hraniční
4
~
(tal ~
tJ.,
- 3-
d .p
Obr. 8.40 Měřici kapilára
Pro větší počet měřicích kapilár, resp. úzkých štěrbin v jednom tělese a při zajištění pouze laminárního proudění ve všech štěrbinách lze měřit i poměrně vysoké průtoky s velkou přesností. Průtok je na tlakovém spádu naměřeném na laminární štěrbině závislý lineárně (8.46) n - počet štěrbin,
h - výška jedné štěrbiny, b-
funkční šířka
všech
s
štěrbin,
L - funkční délka průtokoměru, ks - konstanta tzv. laminárního průtokoměru. Průtokoměr je dostatečně robustní a přesný'.
I ....
podstatě
-
C)
'>
c:t
Segmentová clona (obr. 8.41) se používá pro měření průtoku znečistěných kapalin, mokré páry a vlhkých plynů. Průtočný průřez není dole seškrcen, takže vlhkost a nečistoty mohou volně procházet a nemění statické vlastnosti škrticího orgánu. Venturiho kanál je v přímo ve stěnách kanálu.
:1
I II
Obr. 8.41 Segmentová clona
difuzor podobný Venturiho dýze pro uzavřený profil, vytvořený
8.3.11.1 ZABUDOVÁNÍ ŠKRTICÍCH ORGÁNŮ Pro měření průtoku škrticími orgány s pokud možno co nejmenší chybou je nutné při jejich návrhu a instalaci splnit řadu požadavků. Mezi jeden z hlavních patří požadavek na urovnané proudění před
vstupem tekutiny do škrticího orgánu. Ten lze zajistit instalací potřebné délky přímého úseku
potrubí
před
škrticím orgánem. Délka je udávána jako násobek jmenovité
Tab. 8.1 udává násobky pro normalizovanou clonu a dýzu a pro daný rozsah
Tab. 8./
Náběhové délky přímého potrubí před škrticím
před clonou s
potrubí ON.
13 2•
orgánem
Náběhová délka
armatura
světlosti
(násobek D)
13 2
před dýzou s
13 2
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0, I
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
koleno 90°
5
10
15
22
30
38
47
4
7
12
20
30
42
47
2 kolena 90°
4
7
10
15
22
30
40
4
6
10
18
30
3 kolena 90°
33
34
35
36
37
39
42
35
36
37
38
40
ventil otev.
7
7
12
15
20
25
32
6
10
18
31
1/4
100
83
70
62
56
54
80
70
65
60
50
• pomerne
1/2
10
13
16
20
23
26
30
15
20
25
28
29
otevření
3/4
10
11
12
13
14
15
16
10
10
10
10
10
• • soupe
,
166
Impulsní potrubí přivádějící údaj o tlaku k diferenčnímu tlakoměru musí splňovat požadavky: I. Na odběrech musí být uzavírací ventily. Při měření průtoku
2.
-
plynu musí být odběry nahoře (obr. 8.42 a) a diferenč ní
tlakoměr
nebo
snímač
tla-
ku muže být připojen buď dole nebo nahoře. 3. Při měření průtoku kapalin musí být sadně
odběry
zá-
dole, aby impulsní
potrubí bylo stále zaplněno (obr. 8.42 b), 4. Při měření průtoku páry musí být u škrticího orgánu zabudovány kondenzační
a)
Obr. 8.42 Zabudování škrticích orgánů při měřeni pn/toku: a) plynů, b) kapalin, c) páry
nádoby, ze kterých je impulsní potrubí stále
škrticím orgánu musí být vodorovné (v jedné mální
změně
c)
b)
doplňováno
rovině)
kondenzátem (obr. 8.42 c).
a objemy nádobek
vypočteny
Odběry
při
tak, aby
na
maxi-
tlakového rozdílu byl pokles hladiny kondenzátu v nádobce zanedbatelný'.
Impulsní potrubí nesmí mít místa, kde by se mohly hromadit pustit, tj. musí mít spád do míst, kde jsou nejvýše umístěných místech potrubí.
umístěny
nečistoty
odkalovací ventily'. a
a nebylo je možno vy-
odvzdušňovací
ventily na
kapalinovými diferenčními manometry (zejména jednorázová a laboratorní měření) nebo inteligentními snímači tlakové diference SMART s elektronikou, která zabezpečuje výpočet hodnoty průtoku pro dané parametry škrticího orgánu. Tlakový rozdíl na škrticích orgánech se
měří buď
8.3.11.2 NÁVRH A VÝPOČET ŠKRTICÍHO ORGÁNU Každý škrticí orgán je třeba navrhnout pro dané parametry - hlavním počítaným rozměrem je průměr škrticího otvoru. Vychází se z technologických parametrů připojovacího místa a je nutné znát: a)
průměr
potrubí D (jmenovitou
světlost DN).
b) tlak měřené tekutiny Ph c) teplotu měřené tekutiny tl, d) dynamickou viskozitu 111
(popř.
kinematickou viskozitu
VI) měřené
tekutiny,
e) očekávaný objemový průtok Qv, nebo hmotnostní průtok Qm měřené tekutiny, f) typ připojovaného diferenčního tlakoměru a způsob záznamu či zobrazování údaje o Pro vlastní
výpočet je třeba
renčního tlakoměru
v závislosti na
znát maximální průtok Qma\ pro stanovení potřebného rozsahu difei minimální průtok QnHn pro kontrolu konstantnosti průtokového součinitele a
Reynoldsově čísle.
Měřený' průtok může
Platí, že Qmll1 = 0,2. Qma\' být zadán třemi způsoby:
a) jako rozmezí QIl1I1l a QIl1"X, b) je dán pouze maximální průtok Qll1a\, minimální
průtok
se
určí:
c) je zadána jen orientační hodnota průtoku Q, určuje se: Qma\ 1. fáze:
Předběžný
Pro
průtoku.
=
Qll1in > O,2.Qmax ,
1,4.Q a Qmin > O,2.Qma\'
návrh škrticího orgánu
předběžný návrh
se volí expanzní
součinitel E =
167
1 i u plynu, takže (8.40) bude mít tvar
2
D Qv = u.p . - (.t2
1t.
4
Vypočte
Re D mm
2. PI - P2 Pl
se minimální hodnota Reynoldsova
čísla
(8.47)
Re Dmin pro kapaliny, resp. plyny
273 Qvmm ,resp. Re __ D,Wmin'PI __ l,273.Qvnun,PI = D,w min =1,. D VI D. VI mm TJI D. TJI
Hodnoty dynamické
TJI,
resp. kinematické
VI
určit
viskozity lze
z
nomogramů
(8.48) v
příloze.
Aby hodnota průtokového součinitele a byla stálá i při minimálním průtoku Qmin, musí být hraniční hodnota Reynoldsova čísla menší než vypočtená minimální hodnota, tj. volí se Re D = Re Dnun • Z nomogramů v přílohách se pro zvolené hraniční Re Dhr zjistí hodnoty poměrného ~
zúžení ~2 a průtokového součinitele a, resp. součinu ~2.a. Pro zjištěné hodnoty ~2.a se vypočte maximální tlakový rozdíl (PI - P2) max na škrticím orgánu
ll:!. = 4.Qvn~.·.fP: = Qvmax·.fP: 2 'IJ P max (.t2 1111 (.t2 D 2 a. I-' • 1t. D . -vh2 L , . a.1-' .
(8.49)
Vypočtená
hodnota maximálního tlakového rozdílu se upraví podle standardního rozsahu snímače tlakové diference.
2. fáze:
Konečný
vyráběného
návrh škrticího orgánu
Pro upravený tlakový rozdíl PI - P2 se v případě měření průtoku plynů stanoví expanzní součini tel e (nomogram v přílohách). Velikost (Pl - P2)" pro stanovení hodnoty expanzního součinitele ~ se volí přibližně (PI - P2)" . 0,5·(PI - P2) Pl ve jmenovateli
poměru
(8.50)
I:!.%I je absolutní tlak, pro který platí Pl
= PSI + Pb'
Ps, - přetlak,
Pb - okamžitý barometrický tlak. Z grafů v přílohách se pro vypočtenou hodnotu součinu ~2.a ~
2
.a=
Qmax . .fP:
_ 0,004. D .e. ~(Pl - P2) 2
3
I
pro Qv(m .h ),D(mm)
(8.51)
určí poměrné zúžení ~2 a z něho přesný průměr vnitřního otvoru škrticího orgánu
d = ~.D ,.,
(1
(8.52)
VY,
..,,,
'"
vv,
8.3.11.3 VLIV ZMEN PARAMETRU MERENEHO PROSTREDI NA PRESNOST MERENI Pro správné určení průtoku je nutné brát v úvahu změny hustoty měřené tekutiny, neboť se měření prakticky vždy mění. Hustotu kapalin ovlivňuje jen teplota, hustotu plynů také tlak. U kapalin je závislost okamžité hustoty PI na teplotě PI =Po·(1+y·M)=Po.[I+y.(t l - t o ) ],
po (kg.m") - hustota kapaliny při teplotě to, y (Kl) - teplotní součinitel hustoty, tl (0C) - okamžitá teplota kapaliny. Za provozního stavu bude mít průtoková rovnice tvar
Qv = I
a.~2. 1t. D 4
2
2.
I:!.p
= A.
Po.(1+y.(t1 -to)]
168
při
(8.53 ) •
(8.54)
objemového průtoku kapalin - počítá se automaticky za současného měření teplot proudící kapaliny; korekci je nutno provádět vždy, když by chyba mě ření byla větší než 1 %. U plynů je závislost hustoty PI na teplotě tl a tlaku PI je dána stavovou rovnicí
kl -
korekční součinitel při měření
To PI
PI = P o ' - ' Po
(8.55)
r..
po (kg.m') - hustota kapaliny při teplotě to a tlaku po, tj. za vztažných podmínek, TI (K) - okamžitá termodynamická teplota plynu, TI = 273,15 + tI> (0C) - okamžitá teplota plynu, PI (Pa) - okamžitý absolutní (celkový) tlak plynu, PI = P, I + Pb' tl
Ps I (Pa) - okamžitý
přetlak (statický
tlak) v potrubí,
Pb (Pa) - okamžitý barometrický tlak. Pro měření průtoku vzduchu se používají tzv. normální podmínky:
- fyzikální: po = 1,293 kg.m' při po = 101325 Pa a To = 273 K, - technické: Po = 1,205 kg.m" při po = 101325 Pa a To = 293 K, - starší technické: Po = 1,166 kg.m' při po = 98066 Pa a 7;) = 293 K. Pro plyny lze
průtokovou rovnici
Q, =a.(3 1 .E:. n. D
1
.
4
I
n
upravit na tvar
t:: 2.-. Po' r.. = B. Po' r.. .'\jt1.p Po TO.PI To.PI
= B.k
o
-
.'\jrr: t1.p
k2 - korekční součinitel při měření objemového průtoku plynu. Jestliže se změny tlaku, resp. teploty pohybují v takových mezích, že než 1 %, stačí provádět korekci pouze na změnu teploty, resp. tlaku k1 • •
.:...
kl
= Jr.., To
resp. k 2
.:...
kp =
přídavná
(8.56 )
chyba je menší
JPo
(8.57)
PI
•
8.3.11.4 MERENI HUSTOTY TEKUTIN K
přesnému určení
objemového
průtoku
škrticím orgánem je
při předpokládanýchzměnách te-
ploty a tlaku (a ty předpokládáme u provozního měření prakticky vždy) nutné provádět korekci. Je možno měřit změnu teploty a tlaku a hustotu vypočítat, nebo měřit přímo hustotu. Hustotou označujeme hmotnost látky jednotkového objemu
m
p=V
(8.58)
m (kg) - celková hmotnost, V (nr') - celkový objem. Hustotu kapalin lze určovat metodou měření hydrostatického tlaku ve známé hloubce nebo vztlakovými metodami. Plovákové hustoměry s částečným ponorem nebo i s úplným ponorem pracují na principu Archimedova zákona a hodí se pro měření hustoty kapalin statických. Pro měření hustoty kapalin a plynů proudícího média byly vyvinuty snímače hustoty tekutin.
169
C>
.. ---_._-.. ___---=:a-_. --- ~
+t-
Obr. 8.43 Trubkový snímač hustoty
Jedním z principů je měření změny tlumení kmitající trubky (obr. 8.43), kterou protéká měřená tekutina. Trubka je uchycena letmo v tělese snímače, na jehož vnějším plášti jsou umístěny budící a snímací cívky. Signál ze snímací cívky je zesílen a dále zpracováván v elektrické části snímače. Vztah mezi hustotou protékající tekutiny p a dobou kmitu kmitající trubky T je následující
P=Po' T-T.o. ( 2+k. T-T.) o
To
To
Po, k - kalibrační konstanty zachycující tvar charakteristiky snímače, To - doba kmitu ve vakuu. Výstupní signál je proudový (0/4 -i- 20) mA, přesnost měření se pohybuje kolem 0,2 % z měřené hodnoty, provozní teplota je (-10 -r- 50) "C, J~--3 Snímač zabudovávaný do ochozu (obr. 8.44), nebo pro potrubí o větším průmě rujako zásuvný (obr. 8.45) musí být namon1 tován ve svislé poloze - plyn musí proudit směrem dolů (aby kondenzát odcházel dolů), Obr. 8.44 Zabudování do kapalina směrem nahoru (aby vzduchové ochozu bubliny odcházely nahoru). Ultrazvukový hustoměr obsahuje dvě souosé sondy v uzavřeném elektroakustickém obvodu s generátorem a zesilovačem. Opakovací frekvence impulsů ve smyčce je úmčrná době průchodu ultrazvukové vlny 1= d/
(8.59)
.
srnor <,--_._-
proudění
Obr. 8.45 Zásuvny snlmač hustoty
c. Za
zesilovačem je zařazen
klíčovacímu
bistabilní klopný obvod vytvářející obdélníkové impulsy vedené ke generátoru, v jehož obvodu je třetí sonda (elektroakustický měnič). Napětí na měniči je
úměrné akustickému
vlnovému odporu u zz: k.p.c.
Aby bylo měření nezávislé na rychlosti šíření ultrazvuku, je zařazen za generátorem detektor, v němž se získá obdélníková obálka impulsů o délce t, výšce u a ploše A úměrné měřené hustotě A = U.t = k.d.p
(8.60)
malá teplotni závislost měniče. Měřicí rozsah je (700 -;- 2500) kg.m", ultrazvuková frekvence (I -i- 2) MHz, přesnost do 3 %. Dalším
předpokladem je
8.3.12 PLOVÁČKOVÉ PRŮTOKOMĚRY Těleso plováčkového průtokoměru
(rotametru) tvoří svislá kuželovitá trubice, jejíž kruhový průřez se směrem nahoru zvětšuje. Uvnitř trubice je umístěn plovák, který tekutina nadnáší směrem vzhůru. Průtoč ný průřez S se mění, zatímco tlakový spád Pl - P2 na plováku zůstává prakticky stále stejný (obr. 8.46). Na plovák při jeho obtékání působí směrem vzhůru vnítřní řídicí síla F, daná součtem silových účinků proudu Fp, dynamického účinku proudu Fd a třecí síly Fl> směrem dolů vnější řídicí síla Fe vyvozená
170
Obr. 8.46 Princip čin nosti plováčkového průtokoměru
hmotností
plováčku.
Síla Fp je součinem průřezu plováku SI' a rozdílu statických tlaků I'!p pod a nad plováčkem Fp =Sp,(PI - P2)
Dynamický
účinek proudu vyjádřený silou
(8.61)
Fd je dán
s, = kd,Sp.Pd kd - součinitel v největší Pro třecí sílu F, platí
míře
závislý na tvaru
(8.62)
plováčku.
(8.63 ) k, - součinitel v největší míře závislý na viskozitě tekutiny, S( - třecí plocha plováčku v místě nejvyšší rychlosti, w - střední rychlost proudu; exponent 11 = 1 -7- 2 podle velikosti Vnější řídicí síla Fe vyvozená hmotností plováčku je dána
}ll
a druhu
proudění v
trubici.
(8.64 ) ~}
- objem plováku, Pp - hustota materiálu plováku, Pl - hustota měřené tekutiny. V rovnovážném stavu musí platit F, = Fe, tj. Fp + FJ + tedy
F; = Fe
Sp.(PI -P2)+k d,S p,PJ +k(.S(.>vn =Vp'(p p -PI).g
Z této rovnice pro rozdíl tlaků PI - P2 platí PI -P2
= Vp.g .(p p -PI ) -
k
J·PJ -
k
SI'
Průtokovou
rovnici plovákového
-n
(8.65)
SI'
průtokoměru lze
= k.a.t S,
Qr'
SI
(.-.W
-Sp)'
psát ve tvaru
Pl - Pl
(8.66)
s = Sl - SI' - průtočný průřez, SI - průřez trubice, SI' - průřez plováku. Po dosazení za PI - Pl z (8.65) a za určitých zjednodušujících
QI' = k I . ( S I
-
SI' ).
předpokladů dostaneme
Pp - Pl
vztah
(8.67)
PI
kl - konstanta zahrnující veličiny pro daný přístroj stálé, včetně průtokového součinitele, Změní-li se hustota měřené tekutiny z hodnoty Pl na hodnotu Pl, změní se i průtok z hodnoty QI na hodnotu Ql a pro stejnou polohu plováku platí
QI = kl' Pp Z (8.68) lze obdržet výraz pro
-Pl PI
a Q2
= k2.
Pp -Pl P2
(8.68)
přepočet průtoku pro změněné podmínky
Q2 =QI' (pp -P2),PI (pp -PI),P2
171
(8.69)
Pro průtok plynu můžeme zanedbat hustotu plynu vůči hustotě materiálu plováku (Ph P2 « pp) a (8.69) se zjednoduší na tvar (8.70) Průtočný průřez
bice DI v místě
plovákového průtokoměru závisí na poloze plováku a pro kuželovitý tvar truvrchní hrany plováku platí DI = DI' + 2.h.tg o a pro průtočný průřez 1t
2
2
1t
2
2
Sj-SP =-.(D j -DI' )=-.(4.h.Dp.tg8+4.h .tg o)=a.h+b.h
4
Průtoková
4
rovnice se
2
(8.71 )
změní
(8.72)
Mezi průtokem Qv a výškou plováku h není lineární závislost (jako u škrticích orgánů). Existuje řada konstrukcí a tvarů plováčků (obr. 8.47) podle druhu měřené tekutiny a velikosti průtoku. Aby na viskozity neovlivňovala údaj o průtoku, musí být
změ třecí
síla Fl co nejmenší, nejlépe nulová. Toho se dosahuje vhodnou konstrukcí plováku, zejména minimalizováním třecí plochy v místě nejvyššího zúžení průtočného průřezu. Ně
a)
b)
c)
které tvary a materiály plováků jsou vhodné při snímání polohy plováku bezdotykově nebo pro měření viskozních tekutin. Poloha plováku se zjišťuje buď přímým čtením na
nebo se snímá elektricky (indukčním vysílačem), pneumaticky (systémem tryska - klapka) nebo se mechanicky pomocí elektromagnetické spojky přenáší na ukazatel přístroje, zároveň je signál (elektrický (0/4 -i- 20) mA, (0.;- 10) V, pneumatický (20 -;- 100) kPa) vyveden pro dálkový přenos a další použití. Při snímání polohy plováku indukčně je instalován tzv. indukční vysílač. Napětí indukované průchodem plováku určitým místem je zesíleno a zpracováno elektronickými obvody. Pneumatický přenos signálu je realizován mechanicko-pneumatickým převodníkem tryska - klapka a v tělese plováku je vsazen permanentní magnet, od něhož se odvozuje signál pro další
Obr. 8.47 Tvary plováčků: a), b) vedené, c) rotujici
stupnici
přístroje,
přenos.
V provedení klapka - tryska vnější podkovovitý magnet na páce sleduje polohu plováku a páka pak ovládá proporcionální pneumatický vysílač s výkonovým zesilovačem. Velkou výhodou plováčkových průtokoměrů je jejich nasazení i pro měření velmi malých a středních průtoků a malá náběhová délka. Vhodné jsou tam, kde potřebujeme orientačně vizuálně sledovat stav průtoku nebo pro informativní měření na ucelených průmyslových technologiích. Plovákové průtokoměry pracují v rozsahu (IO -i- 100) % jmenovitého průtoku pro velmi rozlič né jmenovité průtoky (O, I l.h- I -i- 50 m 3.h- 1 vody, I l.h- l -i- 630 m'.h' vzduchu). V případě zařízení s dálkovým přenosem údaje mají i lineární charakteristiku. Přesnost měření je lepší něž 2 %. Rozsah teplot pro použití plovákových průtokoměrů se pohybuje (-80 -r- 500) "C v závislosti na materiálu částí přicházejících do styku s měřeným médiem. Provozní tlaky se pohybují v rozsahu (1,6 -;- 10) MPa. Přístroje se používají prakticky ve všech oblastech průmyslu, často pro velmi malé průtoky technických plynů a kapalin nebo velmi agresivních kapalin a plynů v chemickém průmyslu i při
172
značně
vysokých teplotách (provedení keramika). tápění pro měření za nízkých teplot.
Některé průtokoměry jsou
vybaveny systémem vy-
8.4 VOLBA TYPU PRUTOKOMĚRU Pro návrh vhodného typu průtokoměru pro danou aplikaci s ohledem na podmínky měření, požadovanou přesnost, dostupnost měřicích míst a mnoho dalších provozních faktorů je nutné znát výhody a nevýhody nejpoužívanějšíchprůtokoměrů (alespoň informativně). Základní předpoklady při volbě typu průtokoměru: 1. Je nutno uvážit, pro jaký typ měření bude průtokoměr používán. V případě jednorázového měření (nanejvýš méně časté opakování) zvolíme typ, který je lehce demontovatelný, má stavebnicové uspořádání a není náročný na obsluhu. V případě trvalého měření musí být přístroj dostatečně robustní a odolávat vnějším vlivům. Pro laboratorní měření budou hlavními nároky přesnost a opakovatelnost měření. Provozní měřidlo musí být vysoce spolehlivé. 2. Způsob indikace signálu o průtoku je důležitý z hlediska posouzení typu převodníku. Je nutné rozhodnout, zda požadujeme zobrazování údaje na místě, chceme-li zápis či tisk údaje, analogové ukazování nebo digitální údaj. , 3. Casto je třeba údaj vyhodnocovat. Proto je nutné rozvážit. zda přístroj pouze informuje o okamžité hodnotě průtoku, nebo jeho výstup slouží pro další zpracování údaje o proteklém množství, je-li použit pro dávkování komponent. popř. hlídá limitní množství (alarmy a signalizace). 4. V případě ekonomického zhodnocování proteklého množství při měření průřezovými nebo rychlostními měřidly je třeba navrhnout přístroj, který je schopen provádět korekci na změny hustoty a tlaku. 5. Pro materiálové parametry vlastního snímače průtokoměru je nutné znát vlastnosti měřené tekutiny. Pokud měříme kapaliny s viskozitou a hustotou výrazně teplotně závislými, použijeme jiný druh snímače a jiný materiál snímacích částí, než by tomu bylo u neagresivních a málo viskozních médií. Do prostředí silně agresivního a do prostředí, kde měřené médium slouží pro potravinářské účely, budou snímače vždy z velmi kvalitních materiálů (tudíž drahé). 6. Pro prostředí s nebezpečím výbuchu volíme přístroje bez elektrického výstupu nebo s příslušným stupněm ochrany IP. Do nepřístupných míst a tam, kde není možno přístroj často demontovat, volíme typ snímače, který se nezanáší a netrpí tím kvalita a přesnost výstupního údaje. 7. Je nutné vždy přesně znát parametry měřicího místa a jen pro ně přístroj navrhovat.
173
9 MĚŘENÍ VLASTNOSTÍ KAPALIN A PLYNŮ Při zjišťování
vlastností plynů jde především o zjišťování jejich vlhkosti. Při analýze kapalin se nejčastěji zjišťuje jejich viskozita, elektrická vodivost a koncentrace vodíkových iontů (pH).
9.1 MĚŘENÍ VLHKOSTI PLYNŮ Absolutní vlhkost rjJ' (kg.m') je určena hmotností vodní páry m (kg) v objemové jednotce vlhkého plynu V (m 3), tedy
v
rjJ' = m/V,
(9.1)
Maximální množství vodní páry ve vzduchu obsažené rjJlI (kg.m") je závislý pouze na teplotě a plynje v tomto stavu parou nasycen (nasycený plyn). Relativní vlhkost plynu
(9.3)
v"
•
Hodnoty absolutních vlhkostí rjJ nasyceného vzduchu a tlaků P syté vodní páry v závislosti na teplotě jsou uvedeny v příloze. K měření absolutní i relativní vlhkosti plynů se používají vlhkoměry, založené na těchto principech a využívající tyto metody: a) psychrometrická metoda - vlhkoměry se nazývají psychrometry a určují hlavně relativní vlhkost, b) hygrometrická metoda - vlhkoměry se nazývají hygrometry a určují absolutní i relativní vlhkost, c) kondenzační metoda - vlhkoměry se nazývajf rosné a měří absolutní i relativní vlhkost. II
fl
9.1.1 PSYCHROMETRY Psychrometrická metoda měření vlhkosti plynů je založena na adiabatickém sycení plynu. Základem jsou dva teploměry - suchý a mokrý. Suchý teploměr udává teplotu tj měřeného vlhkého plynu, mokrý teploměr je navlhčován vodou vzlínající tkaninou, kterou je teploměrové čidlo obaleno. Odpařováním vody z mokrého teploměru se odebírá z něho potřebné výparné teplo a teplota mokrého teploměru klesá, až se ustálí na hodnotě t . Psychrometrický rozdíl (tj - tm ) je přímo úměrný tzv. m nedosycenosti plynu (p~ - pn a nepřímo úměrný statickému tlaku plynu (tj. barometrickému tlaku plus přetlaku) p s a psychrometrickému součiniteli A, tedy II
fl -
kde je
P~
P;
I
t = Pm - Pl m A.ps
(9.4)
(Pa) - tlak syté páry nasyceného plynu při teplotě tm , (Pa) - parciální tlak vodní páry vlhkého plynu
Z rovnice lze
určit
při teplotě tl'
parciální tlak vodní páry vlhkého vzduchu
P; (9.5)
P; = P; -Ps·A.(t l -tm) a relativní vlhkost plynu ze vztahu
,
"
=!2 = Pm _ "
PI
"
PI
Ps (t - t ) "A' I m Pl' 174
(9.6)
Psychrometrický součinitel A zahrnuje odchylky skutečného procesu sycení od sycení adiabatického. Jeho velikost je závislá především na rychlosti proudění plynu w I kolem mokrého teploměru. Při rychlosti - ( proudění menší než 2,5 m.s" se hodnota součinitele A značně mění: (pro w = O až 0,5 m.s'l je A = 0,0012 K,I, pro w = 1,0 až 1,5 m.s'] je A m = 0,008 Kl, pro t 1)1 rychlosti nad 2,5 m.s'l je hodnota součinitele prakticky stálá a je rovna 0,000656 K'I). Z uvedeného plyne, že psychrometrem lze t. m měřit relativní vlhkost plynu pouze v případě, že rychlost proudění kolem jeho mokrého teploměru je větší, než 2,5 m.s'. Proto tzv. nevětranýrn psychrometrem podle obr. 9.1 a) Q) nelze přesných výsledků dosáhnout, ale pouze uměle větraným (aspiračním), kde rychlost proudění je uměle vyvolána ventilátorkem podle obr. 9.1 b). Teploměrová čidla jsou chráněna kryty proti ztrátám tepla sáláním. Přesnost správně provedeného psychrometru aspiračního bývá lepší než 1,5 %. K určení relativní vlhkosti plynu se Obr. 9.1: Psychrometry: a) nevětrany, b) uměle obvykle užívá nomogramu (nebo tabulky), aby větraný (aspirační). nebylo nutno ji určovat z uvedené rovnice (9.6). Psychrometry jsou vhodné k měření relativní vlhkosti plynů při teplotách nad O "C a k měření nižších vlhkostí (do 90 %). Velkou nevýhodou psychrornetru je nasycování měřeného prostoru vlhkostí z mokrého teploměru a proto není vhodný' k měření v malých uzavřených prostorách. )
(
...
f
9.1.2 HYGROMETRY Měřicím principem hygrometrůje
schopnost některých látek udržovat svoji vlhkost s vlhkostí okolního plynu. Pro praktické použití se využívá jednak změny prodloužení odmaštěného lidského vlasu a jednak změny vodivosti tuhého nebo kapalného elektrolytu. Vlasový hygrometr používá jako funkční člen svazek odmaštěných lidských vlasů, který se při změně relativni vlhkosti okolního plynu o 100 % prodlouží o 2,5 % své délky. Závislost relativního prodloužení /.. vlasu na vlhkosti neni lineární, ale je vyjádřena vztahem (9.7) a graficky na obr. 9.2.
;t=k. T,.loglp
(9.7)
kde je k - konstanta závislá na konstrukci hygrometru. Pro správnou funkci vlasového hygrometru, zvláště při měření nižších vlhkostí, je nutno zajistit pravidelnou tzv. regeneraci vlasu. Regenerace vlasu spočívá v jeho uložení asi na 2 hodiny do prostředí se 100 % relativní vlhkostí. Po regeneraci se nastaví ukazatel hygrometru na 100 %. Nelineární závislost prodloužení vlasu na vlhkosti (obr.9.2) lze kompenzovat konstrukčním uspořádáním, včetně kompenzace vlivu změny teploty plynu na rozměry konstrukce hygrometru. Přesnost vlasových hygrometrůje asi 3 %. Hlavní pole použití vlasových hygrometrů byla meteorologie, protože se samy regenerovaly každou noc, kdy docházelo k 100 % vlhkosti vzduchu. Výhodou je možnost použití i při teplotách pod bodem mrazu (pod O 0C). Lze je použít i k regulaci a signalizaci. V poslední době jsou vytlačovány hygrometry elektrolytickými.
175
-
-
Au
t ~o
--(
2OH~f--I---+--+---J
o
20
40
GO
80
Ar
fOO
--. '11'-) Obr. 9.2 Statická charakteristika vlasu.
Obr. 9.3 Hygrometrická sonda.
Hygrometr s tuhým elektrolytem Ah03 podle obr. 9.3 je eloxovaná hliníková destičková elektroda s napařenou vrstvou Ah03' Druhou elektrodu tvoří pozlacená napařená tenká vrstva. Pozlaceným povrchem difunduje ze vzduchu do napařené vrstvy vodní pára, která po absorpci v pórech vrstvy mění elektrický odpor snímače v závislosti na parciálním tlaku vodní páry v měřeném okolním plynu. Měřicí rozsah je od -110°C do +60 C rosného bodu s přesností 0,5 °C při teplotách plynu od -110 °C do +85 "C. Velkou předností je velmi rychlá reakce na změnu vlhkosti (časová konstanta je menší než I sekunda). Hygrometr s kapalným elektrolytem LiCI je schematicky naznačen na obr. 9.4. Na tenkostěnné skleněné trubičce je skleněná tkanina, ve které je zatkána dvojice platinových drátkových elektrod ve tvaru bifilárních závitů. Tkanina je napuštěna nasyceným vodním roztokem chloridu lithnatého (LiCI). Elektrody jsou připojeny na zdroj střídavého proudu (aby nenastala elektrolýza). Teplota elektrolytu se ustálí na rovnovážné teplotě, která je pouze funkcí parciálního tlaku vodní páry obsažené v měřeném vlhkém plynu, tedy jeho absolutní vlhkosti. Rovnovážná teplota elektrolytu se měří odporovým snímačem teploty uvnitř trubičky. Stupnice přístroje je vynesena přímo v jednotkách absolutní vlhkosti. Je-li přístroj doplněn snímačem teploty plynu, udává hygrometr přímo relativní vlhkost v %.
'"' '->
~
!
roJ
60 1-4:~~~~~~
220V
Obr. 9.4 Hygrometr LiCl.
20
Obr. 9.5 Nomogram k
176
80
určení
100
vlhkostí z rosné teploty
9.1.3 ROSNÉ VLHKOMĚRY Rosné vlhkoměry využívají možnosti určení rosné teploty plynu Ir, tj. teploty, při které je plyn vodní parou nasycen. Měřicím elementem rosného vlhkoměru je ochlazovaná destička, na které se zjišťuje orosení při dosažení rosného bodu. Jednotlivé konstrukce rosných vlhkoměru se liší podle: a) způsobu ochlazování měřicí destičky (kompresorové, termoelektrické, éterové), b) způsobu zjišťování okamžiku dosažení rosného bodu (fotočlánek, elektrody), c) způsobu měření teploty rosného bodu (termoelektrický článek, termistor, bolometr). Velkou předností rosného vlhkoměru je to, že nenasycuje měřený prostor vlhkostí, a má velký měřicí rozsah vlhkosti i teploty. Nomogram pro zjištění relativní vlhkosti plynu z údaje rosné teploty Ir a teploty měřeného vlhkého plynu fl je na obr.9.5. ,
9.2 ANALYZA KAPALIN Nejdůležitějšími vlastnostmi průmyslových
vodíkových •
iontů
kapalin je jejich elektrická vodivost, koncentrace
a viskozita.
9.2.1 ELEKTRICKÁ VODIVOST KAPALIN Zjišťování
elektrické vodivosti je velmi důležité u napájecí kotelní vody, kde je její kvalita posuzována podle množství solí v ní rozpuštěné. Výsledek měření se obvykle vztahuje na vodní roztok chloridu sodného (NaCI), protože jeho vodivost odpovídá střední vodivosti běžných roztoků. Přitom roztok I mg NaCI v I litru vody o teplotě 20°C odpovídá vodivosti 1,9 ~S. Elektrická vodivost K je rovna převratné hodnotě elektrického odporu R , tedy K = liR (S). Podobně konduktivita K = lip (Sun"). Lze tedy příslušné vztahy psát ve tvarech I I L L K=-=-.-=K.-=K.C pRS S
(9.8)
kde je C=L/S - elektrodová konstanta. Elektrická vodivost se měří dvěma elektrodami o ploše S ve vzdálenosti L. Konduktivita 2 vyjadřuje elektrickou vodivost mezi dvěma elektrodami o ploše I m a vzdálenými od sebe I m. Elektrická vodivost se mění s teplotou a proto je nutno tento vliv kompenzovat. Aby nedocházelo k polarizaci elektrod, používá se napájecí střidavý proud o kmitočtu 50 Hz až I kHz. Měřiče vodivosti se vyrábějí podle koncentrace: a) pro nízké koncentrace (do 0,03 S.m· l ) - mají velkoplošné elektrody blízko u sebe, b) pro střední koncentrace (do 3 Sim") - mají středně velké elektrody, c) pro vysoké koncentrace (nad 3 S.m,l) - mají elektrody o malé ploše ve velké vzdálenosti.
9.2.2 KONCENTRACE VODÍKOVÝCH IONTŮ (pH) Koncentrace vodíkových iontů udává vlastnosti kapalin (vodních roztoků). Neutrální roztok obsahuje stejný počet vodíkových i hydroxylových iontů. Součin koncentrací obou druhů iontů je stálý a je roven Cll' . COI/' = 1,008 . 10. 14 = konst. (9.9) Pro udávání kyselosti nebo zásaditosti kapaliny bylo zavedeno označení vodíkového exponentu pH = -Iog Cll + = Oaž 14. Kyselý roztok má hodnotu pH menší než 7, neutrální roztok má pH = 7 a zásaditý roztok má pH větší než 7 (do 14). K provoznímu měření pH se použivají přístroje využívající potenciometrické metody. Ve snímači jsou elektrodové články, tj. měřicí a srovnávací elektroda. Potenciál měřicí elektrody je závislý na koncentraci vodíkových iontů, potenciál srovnávací elektrody je na pH nezávislý. Je nutno měřit teplotu roztoku, protože je pH na ní závislé.
177
Měřicí
elektrody jsou nejčastěji skleněné, nebo vizmutové, srovnávací elektrody jsou nejčastěji kalomelové a chloridostříbmé. Dosud se používaly obě elektrody odděleně. V poslední době se používají elektrody kombinované, kde měřicí a srovnávací elektrody tvoří konstrukční celek. Skleněná měřicí elektroda je uvedena v řazu na obr. 9.6 a). Je to silnostěnná skleněná trubička s komůrkou ve spodní části. Komůrka je naplněna ústojným roztokem a od měřeného roztoku je oddělena pouze tenkostěnnou skleněnou membránou. Do ústojného roztoku zasahuje chloridostříbrná elektroda a připojuje se k měřicímu obvodu. Skleněné elektrody jsou nízkoohmové (0,2 Mn až 5 Mn) - vhodné k měření laboratornímu Osou malého průměru a jsou tenkostěnné). Správné hodnoty pH ukazují v rozsahu od I do 9,5. Pro menší hodnoty pH vykazují kladné odchylky, při vyšších pH naopak záporné odchylky. Antimonová měřící elektroda je nejrozšířenější průmyslově používanou elektrodou. Má tvar prstence (obr. 9.6 b) a je obvykle vybavena automatickým čištěním (stěračem) v případech měření nečistých kapalin. Potenciál antimonové elektrody závisí nejen na pH, ale i na pohybu roztoku v její blízkosti a na obsahu vzduchu a kyslíku v roztoku. Kalomelová srovnávací elektroda je uvedena v řezu na obr. 9.6 c), Ve skleněné válcovité nádobce je nasycený vodní roztok KCl. Ten difunduje membránou ve dně nádobky do měřeného roztoku (proto musí být stále doplňován). Kalomelová elektroda je v trubičce dole uzavřené a uložené v nádobce. V trubičce je kapka rtuti, do které zasahuje platinový drátek. Povrch rtuti je pokryt vrstvou kalomelu - Hg 2Cb. Tuto elektrodu lze používat do teploty 70 "C, Platinový drát je připojen na měřicí přístroj.
C)
[>
b) (i. )
Obr. 9.6
Měření pH:
a) skleněná měiici elektroda, b) antimonová měřicí elektroda, c) kalomelová srovnávací elektroda, d) měřicí obvod pll-metru.
Elektrody jsou umístěny ve snímačích pH jako ponorné nebo průtočné. Při průmyslovém měření je třeba měřicí elektrody čistit, nejčastěji automaticky - ostřikem vodou, mechanicky ultrazvukem apod. Měření pH se provádí nejčastěji při úpravě napájecí vody pro kotle, při změkčování vody, koagulaci a při úpravě odpadních vod. K měření pH se používá potenciometrické metody, tj. měření potenciálu mezi měřicí a srovnávací elektrodou. Tento potenciál se měří především kompenzační metodou. Schéma zapojení pH-metru je na obr. 9.6 d). Kromě elektrod je v roztoku ponořen také snímač teploty k teplotní kompenzaci údaje pH.
9.2.3 VISKOZITA KAPALIN Dynamická viskozi4! 77 vyjadřuje míru vnitřního tření v tekutině velikostí odporu, který klade pohybu tělesa v ní. Podle Newtonova zákona je tečné napětí t úměrné rychlostnímu gradientu dwldx, tedy
178
t: = TJ.
dw/dx
(9.10)
Konstantnou úměrnosti je dynamická viskozita TJ. Hlavní jednotkou dynamické viskozity je pascalsekunda (Pa. s). Kapaliny, které se řídí Newtonovým zákonem, se nazývají newtonské kapaliny. Ostatní jsou nenewtonské kapaliny - ty nelze charakterizovat jedinou konstantou úměrnosti. Kinematická viskozita v je dána poměrem dynamické viskozity TJ a hustoty p, resp. součinu dynamické viskozity YJ a měrného objemu v, tedy v=TJlp=lJ.v
(9.11)
Hlavní jednotkou kinematické viskozity je metr čtverečný za sekundu (m 2.s· I ) . K měření viskozity se používají viskozimetry, které se liší principem činnosti a druhem měřené tekutiny. Lze je rozdělit na kapilární, rotační, plovákové a vibrační.
L
-
-
Q=k
, ~Io...
/"
~~
n
f11 -rrrt1"J
G.)
~
-
f-
... -
1-
. r-
b)
-
-
..
r-
l-
--
-
-
I
]
~(J:k
Obr. 9.7 Viskozimetry: a) kapilární, b) rotační, c) plováčkovy.
Kapilární viskozimetr (obr. 9.7 a) využívá Hagen-Poiseuillova zákona, který platí při průtoku tekutiny kapilárou světlosti d a délky L. V tomto případě platí lineární závislost prrůtoku Q" na tlakovém spádu Llp na kapiláře, tedy d4 QI' = . .Sp 128 L.r; 1í
Při
konstantním
průtoku
(9.12 )
kapilárou je dynamická viskozita dána vztahem
(9.13 )
179
Kapilární viskozimetr lze použít pro měření viskozity ve velkém rozsahu, jeho jednoduché a může pracovat i při velkých tlacích.
uspořádání je
Rotační
viskozimetr (obr. 9.7 b) využívá přímé úměrnosti dynamické viskozity a třecí síly, kapalina na pohybující se plochu - je tedy vhodný k měření viskozity newtonských
kterou působí kapalin. Laboratorní viskozimetr je uspořádán tak, že do válcovité nádoby otáčející se konstantní rychlostí a naplněné vyšetřovanou kapalinou, je ponořen soustředný dutý válec (zvon). Zvon je unášen rotující kapalinou, ale nemůže se otáčet, ale pouze natáčet. Toto natočení je pak funkcí dynamické viskozity kapaliny. Provozní viskozimetry jsou uspořádány opačně. Pohon otáčí zvonem, který se ponoří do nádoby, která je v klidu. Nutný krouticí moment k otáčení zvonu je měřítkem dynamické viskozity. Plováčkový
viskozimetr (obr. 9.7 c) je v podstatě plováčkový průtokoměr se dvěma plováčky. Poloha jednoho je pouze úměrna velikosti průtoku - jeho tvar je takový, aby neměla viskozita měřené tekutiny vliv na jeho polohu. Druhý plováček naopak je přímo viskozitou proudící tekutiny ovlivňován. Jeho zdvih je právě funkcí měřené viskozity, proto je v jeho rozsahu polohy stupnice přímo v jednotkách viskozity. Správně měří tento viskozimetr pouze tehdy, když je udržován konstantní průtok tekutiny viskozimetrem, tzn. když poloha prvního plováčku se nemění, Vibrační
viskozimetry (Iadičkové) se používají převážně k měření viskozity nenewtonských kapalin. Principem je buzení kmitů ladičky a následné zjišťování jejich útlumu vlivem viskozity kapaliny. Jedná se o složitější zařízeni, zvláště vyhodnocovací části. Jedná se ale o viskozimetry velmi často průmyslově používané.
180
,
v
,
v
10 SNIMACE OTACEK Podle použitého principu
můžeme dělit snímače
rychlosti na:
1. mechanické, využívají odstředivé síly 2. využívající elektromagnetickou indukci (tachodynama, asynchronní tachogenerátory ) 3. založené na optoelektronickém principu nebo s Hallovou sondou 4. založené na změně kapacity, indukčnosti apod. Dále je
můžeme dělit
na analogové,
číslicové, popř.
a
střídavé
absolutní nebo přírůstkové.
10.1 SNÍMAČE RYCHLOSTI ,
,
v
'otl
10.1.1 MECHANICKE OTACKOMERY Nejběžnějšírn
z nich je odstředivý otáčkoměr. Odstředivá síla je úměrná okamžité rychlosti, výchylka je vzhledem k setrvačné hmotě systému úměrná střední hodnotě rychlosti. Rozsahy se mění změnou převodů. V dobrém provedení mohou měřit s přesností + 1 % až + 0,5 %. Jiný druh mechanických otáčkoměrů měří počet otáček za určitou dobu, např. 3 s. Tato doba je stálá. Na stupnici tedy mohou být vyneseny přímo otáčky. Tyto otáčkoměry měří střední hodnotu otáček v příslušném časovém intervalu. Mohou měřit ustálené otáčky daleko přesněji než předchozí otáčkoměry. Jejich přesnost může být + 0, I % až + 0,03 %. Přesnost měření je značně závislá na správném spojení otáčkoměru se strojem. ,
,
v
'otl
10.1.2 ELEKTROMAGNETICKE OTACKOMERY Elektromagnetický otáčkoměr se skládá z permanentního magnetu I, který je uchycen na hřídeli 2, spojeným s mechanickou soustavou. Permanentní magnet se otáčí uvnitř kovového válcového hrníčku 3 (nejčastěji hliníkového) spojeného s ručkou 5. V hrníčku se indukují vířivé proudy, vyvolávající moment, kterým je hrníček natáčen. Ručka se ustálí v poloze, kde moment systému je v rovnováze s direktivním momentem spirálové pružiny 4, spojené s kovovým hrníčkem. Pro úhel u, o který se vychýlí ručka, platí: )
2
1 lH P;,rPm a=- 3 n
5 n
4
/
r:
J
5íT bh E
1
e.
(10.1)
kde I b h E H Pe Pm
n
2 Obr. 10.1 Elektromagnetický otáčkoměr
181
délka pružiny (m) šířka pružiny (m) tloušťka pružiny (m) modul pružnosti materiálu pružiny (Pa) tloušťka kotouče (m) rezistivita kotouče (Om) počet pólových dvojic perm. magnetu mag. tok, procházející kotoučem (Wb) otáčky (m in- I ).
Z rovnice (10.1) vyplývá, že úhlová výchylka ex je a že tato závislost je lineární. Tento snímač může být použit i pro vysoké
úměrná otáčkám
otáčky
a jeho
přesnost
vstupního
hřídele snímače
se pohybuje mezi I % až
2 %. Je znám především jako tachometr u dopravních prostředků.
10.1.3 TACHODYNAMO Tachodynamo je stejnosměrný stroj. Jeho konstrukci ukazuje obr. 10.2. Magnetický obvod je upraven tak, aby ve vzduchové mezeře bylo dosaženo homogenního magnetického toku $. Kotva je vyrobena jako samonosná bez feromagnetika z důvodů vyloučení hystereze a minimálního momentu setrvačnosti. Dalším důvodem tohoto provedení kotvy je její indukčnost, neboť při rychlých změnách otáček
by se projevila výrazněji indukčnost kotvy a způsobovala by zpoždění v narůstání napětí se
změnou otáček.
2
3
6
2
6
4
1
Obr. /0.2 Tachodynamo i-permanentní magnet, 2-feromagnetický prstenec s póly, š-vinuti, -t-elektricky a magneticky nevodivý hrníček, S-komuiátor, 6-drátkové sběrací ústrojí Výstupní napětí Uo tachodynama je úměrné úhlové rychlosti a vypočteme je ze vztahu:
Uo =
ev> r/J n
(l0.2)
kde C ss konstanta stroje $ magnetický tok (Wb) n. úhlová rychlost (s-I). Jeho velikost ovlivňuje zatěžovací odpor (vstupní odpor vyhodnocovacích obvodů), neboť odebíraný proud způsobuje úbytky napětí na odporu kotvy, dále proměnlivý odpor kartáčů a reakce kotvy, viz vztah (lOJ)
U=U o -RJa -I1U k
(IOJ)
kde
Ra
odpor kotvy tachodynama (Q)
la odebíraný proud z tachodynama (proud jeho kotvou) (A) I1Uk úbytek na kartáčích (V).
182
Z těchto důvodů je komutátor postříbřen a uhlíkové kartáčky jsou nahrazeny stříbrnými drátky. Tak se dosáhne úbytku na kartáčích jen 10 až 50 mV, místo 2 000 mV v případě uhlíkových kartáčů. Důležitou veličinou je i zvlnění výstupního napětí, způsobené vlastní konstrukcí tachodynama a použitým materiálem na magnetické obvody. Odstraňuje se konstrukčními úpravami a filtrací. výstup tachodynama je napěťový a z tohoto hlediska je třeba pohlížet na vstupní odpor měřicího přístroje, kterým tachodynamo zatěžujeme. Polarita výstupního napětí udává směr otáčení. Optimalizací konstrukce lze dosáhnout citlivosti lOVI(rad.min- I), nelinearity 0,07 %, zvlnění výstupního napětí 2 % při rychlosti 100 rad.mirr l , Výstupní impedance se pohybuje kolem 2,8 kn a moment setrvačnosti kotvy 7 g.cm-'. Maximální otáčky bývají 6000 min-I. Tachodynama patří k nejpoužívanějším analogovým snímačům otáček. ,
10.1.4 TACHOALTERNATOR Tachoalternátor je střídavým strojem, tudíž má střídavé výstupní napětí. Neobsahuje kom utátor. Stator je tvořen vícepólovým vinutím a rotor je tvořen několika pólovým i dvojicem i permanentních magnetů. U tachoalternátoru pro snímání malé úhlové rychlosti bývá až dvanáct pólových dvojic. Stator je složen z plechů s drážkam i pro vinutí. Vzduchová mezera je poměrně velká, aby se při zkratu nezeslabily magnety rotoru. Výstupní napětí se pohybuje v rozmezí 10 až 100 V. Pouze v nezatíženém stavu je závislost mezi výstupním napětím a úhlovou rychlostí lineární. Příčinou poklesu napětí při zatížení je zejména indukční složka impedance statoru. Dovolené zatížení bývá řádově 10-3 až I W. Tvar výstupního napětí je zkreslen a obsahuje 10 až 30 % vyšších harmonických. Zkreslení lze zmenšit vhodnou volbou tvaru pólových nástavců. Snaha je, aby se průběh magnetického pole blížil sinusovému průběhu. Typická citlivost tachoalternátorů bývá řádově I ol V/(rad.min- I). Při vyšších otáčkách (nad 10000 min-I) dochází k ohřátí statoru vířivými proudy. Oteplení stálého magnetu způsobuje teplotní chybu. Při měření nízkých otáček jsou potíže s filtrací usměrněného signálu. Výhodou tachoalternátorů je delší životnost a vyloučení rušivých vlivů kartáčků a kroužků. Nevýhodou pak nelinearity vlivem saturace při vyšších rychlostech.
10.2 IMPULSNÍ SNÍMAČE OTÁČEK Impulsní snímače otáček udávají počtem impulsů úhel natočení měřeného počet impulsů za jednotku času, získáme střední hodnotu úhlové rychlosti. Každý
snímač
hřídele.
Stanovíme-li
se skládá
ze snímacího kotouče s dělením (otvory, zuby apod.) z vlastního snímacího prvku, který snímá značky na kotouči s převádí je na elektrický signál z vyhodnocovacího zařízení, které impulsy tvaruje a zpracovává na výstupní signál, který může být analogový nebo číslicový.
-
,
v
,
v
10.2.1 SNIMAC RYCHLOSTI S FOTOELEKTRlCKYM CI DLEM Snímač
rychlosti s fotoelektrickým čidlem znázorňuje obr. IOJ. Snímací kotouč je opatřen otvory, které periodicky propouštějí světlo ze zdroje (žárovka, LED) na fotoelektrický prvek
183
(fotodioda, fototranzistor). Vzniklé elektrické impulsy jsou pak zesíleny a po tvarování čítány čítačem. Vhodnou volbou počtu otvorů (např. 60) můžeme získat v čítači přímo počet otáček za minutu. Jako tyto snímače lze v podstatě použít všechny kruhové inkrementální snímače polohy (viz kap.5.2.1). Takto lze sledovat frekvence impulsů až do 104 s-I. Maximální počet snímaných otáček je dán mezní frekvencí optoelektronického snímacího prvku při daném počtu otvorů.
/fotosnímač
~6
Obr. JO.3
,
Snímač otáček
s fotoelektrickym
čidlem
v,
v
v
10.2.2 SNIMAC RYCHLOSTI S INDUKTANCNIM CIDLEM Snímač otáček
s induktančním čidlem zobrazuje obr. 10.4. Snímací kotouč je na svém obvodu opatřen zuby, proti nimž je umístěn např. bezkontaktní induktanční snímač (viz odst. 5.3.3). Změna magnetického toku indukuje v cívkách střídavé napětí, jehož frekvence je úměrná rychlosti otáčení. Při použití bezkontaktn ího induktančního snímače je rychlost úměrná počtu sepnutí. Takto vzniklé impulsy jsou opět čítány v čítači. Maximální počet snímaných otáček je í zde dán mezní frekvencí induktančního snímacího prvku při daném počtu zubů. Místo induktančního snímače lze použít - -- _. --_.- -- -také kapacitního (viz kap. 5.3.4). Opatřime-Ii zuby reflexními ploškami, lze jako snímače Obr. JO.4 Snímač rychlosti s induktančnim čidlem použít optoelektronického proximitního snímače, viz kap. 5.3.1. ____
,
•
."_
__
0·0
."_._
~
v
10.2.3 SNIMAC S HALLOVOU SONDOU Nahradíme-Ii zuby snímacího kotouče permanentními magnety, lze jako snímače použít Hallovu sondu s dvoustavovým výstupem. Otáčením permanentních magnetů vznikne v Hallově sondě pulsující napětí. Zpracování impulsů je shodné jako u induktančního snímače. Tyto snímače otáček jsou v současnosti hojně používané jako digitální tachometry u jízdních koJ. Zde bývá Hallova sonda často nahrazena polarizovaným i spínacím i kontakty.
184
,
v ,
,
10.2.3 SNlMAC S OSCILATOREM A INDUKTIVNI VAZBOU Snímač
s oscilátorem a induktivní vazbou je znázorněn na obr. 10.5. Zde se využívá změny zpětné vazby oscilátoru, způsobené rotací ozubeného snímacího kotouče, jehož zuby zapadají mezi cívky oscilátoru. Oscilátor se pak podle vazby rozkmitá nebo oscilace vysadí. VF signál z oscilátoru (10 3 kHz) je impulsně amplitudově modulován zubovou frekvencí snímacího kotouče, přičemž frekvence oscilátoru musí být alespoň IOkrát větší než zubová frekvence. Zpracování signálu se provádí detekcí a filtrací.
a::
o....
....-
'oe(
u o
(I)
Obr. 10.5
Snímač
rychlosti s oscilátorem
,
vv
,
''V
10.3 STROBOSKOPICKE MERENI OTACEK K měření se používá přístroje, nazývaného stroboskop. Ten umožňuje vytvářet stroboskopickou lampou záblesky, jejichž km itočet lze libovolně nastavit. Podstatou měření je osvětlování krátkým i světelným i záblesky točící se části měřeného stroje, na které je um ístěna značka. Při shodném počtu záblesků s otáčkami je značka osvětlována na stále stejném místě a vzniká dojem, že stojí (viz obr. 10.6). Při polovičním počtu záblesku vidíme však také jen jednu stojící značku. Je-li počet záblesků dvojnásobný, je značka osvětlována při pootočení o každou půlotáčku, takže ji vidíme na obvodu dvakrát. Je tedy nutno začínat měřit od většího počtu záblesků, než je počet otáček. Kmitočet záblesků je řízen elektronicky. Na stroboskopu nastavujeme frekvenci podle ocejchované stupnice. Stroboskop může být také synchronizován s vnějším zdrojem, např. se sítí. stojící kotouč
f
=0,5 n
Obr. 10.6
Značka
f
=n
f=2n
na hřídeli při osvětlení záblesky () frekvenci f
185
f=3n
11 PRŮMYSLOVÉ MĚŘICí SYSTÉMY 11.1 ŘETĚZEC TOKU INFORMACí PRŮMYSLOVÉHOSYSTÉMU Měřící
systémy, principy a přístroje pracují zpravidla Většinou je třeba
dech nebo v laboratorním provozu.
z
samostatně pouze
několika
souvisejících
ve
výjimečných přípa
měřených veličin udě
lat závěr o chování technologického procesu, případně jej řídit, resp. regulovat nebo zovat stavy měřených veličin. To se ale neodehrává přímo v oblasti měřicích míst, přístupných,
alespoň
signali-
většinou špatně
ale v tzv. velínech. Velín není jediným místem, kam se informace o jednotlivých
měře
ných veličinách technologického procesu přenášejí a kde se zpracovávají (pro účely analýzy, řízení, regulace, optimalizace výrobního procesu atd.). Ve výrobních technologiích existuje celá hierarchie komunikačního řetězce,
chie neboli návaznost
která
začíná měřicími
komunikačního řetězce
místy a v
končí
vedením podniku. Struktura této hierar-
průmyslovém
procesu má symbolický tvar pyramidy
s jednotlivými jasně definovanými vrstvami celého systému a jejich komunikační návazností (obr. 11.1). Z hlediska technických měření jsou důležité zejména čtyři nejnižší stupně. Základní akční členy ADMINISTRATIVA ADMINISTRATIVNí ČAST
N
~
\ MANAGEMENT
I
'
~y
TECHNOLOG. ČAST
AUTOMATIZACE
MĚŘENI A ŘíZENí
SENZORY A AKtNltLENY
P R Ů M
S B
PROPOJOVACí POLE
Ě R N I
\ o
nutnou
I
VYVOJ A KONSTRUKCE
\
O o o O O O O
o o
a senzory, které
jsou nezbytnou
A
~t
pro
částí
hierarchie řízení
dokonalé
a monitorování celého technoL , A' N
logického procesu.
Propojovací pole propojuje každý
,
v
snímač
s jeho
řídi
cím obvodem - to znázorňují šikmé čáry mezi vrstvou snímačů
a vrstvou
měření
Může
jít o klasické fyzikálních veličin
a
řízení.
snímače
(propo-
jovací pole představuje dvouobvodové spojení s řídicím obvodem pro
Obr. JJ. J Komunikační řetězec
tvoří
vrstvu
přenos
analogové
elektrické, popř. i neelektrické veličiny) i o tzv. inteligentní snímače s komunikačním jednočipovým mikroprocesorem (přenos informace o měřené veličině se uskutečňuje číslicovým způsobem) nebo o kombinaci obou spojení. Vyhodnocovací obvody propojovacího pole jsou pomocí multiplexorů připojeny na několik snímačů. Propojovací pole bývá realizováno tzv. průmyslovou sběrnicí, která nutně nevyžaduje vzájemné přímé propojení snímačů - v poli na obrázku chybí vodorovné spoje. Vrstva
měření a řízení
vyhodnocuje
naměřené hodnoty
pro další vrstvu (automatizace) a zpra-
covává informace z vyšší vrstvy pro řízení inteligentních snímačů (změny rozsahu, korekce apod.). Výsledky získané ve vrstvě měření a řízení se využívají pro zabezpečení optimálního chodu celého technologického procesu. Jestliže se naměřená veličina dostane mimo tolerance a hrozí nebezpečí vzniku havarijního stavu, předává se tato naměřená hodnota přímo řídicím obvodům akčních orgánů (vodorovné spoje ve vrstvě měření a řízení), aby reakce změny řízení celého procesu byly co nejkratší.
186
Vrstva automatizace provádí automatické řízení procesu. Z vrstvy měření a řízení odebírá potřebné naměřené hodnoty a zpět předává údaje pro řízení akčních členů. Jednotlivé části mezi sebou velmi úzce spolupracují - vodorovná propojení. Z hlediska měření a automatického řízení tvoří vrstvy snímače a akční členy, měření a řízení a automatizace nezávislý celek. Management soustřeďuje důležité údaje o technologickém procesu a jejich vyhodnocováním se měřicí a řídicí proces optimalizuje z hlediska kvality výroby, ekonomické náročnosti provozu, úspor energií apod. Požadované změny se předávají vrstvě automatizace jako změny v nastavení nebo koeficienty pro výpočet parametrů. Z hlediska technického měření nemá však velký význam, Ostatní části hierarchické struktury dotvářejí její komplex a jsou rozhodující z hlediska návaznosti výroby. Z hlediska snímání a zpracování fyzikálních veličin mají však až podružný význam, který spočívá ve využití naměřených údajů pro konstrukci a vývoj i pro administrativu.
11.2 POUŽÍVANÉ DRUHY KOMUNIKAČNÍCH MÉDIÍ PRO PŘENOS INFORMACí O MĚŘENÝCH VELiČiNÁCH Komunikační řetězce
technologického sytému je rozdělen do několika částí, aby příslušné médium pro přenos aktivního signálu nebo informace splňovalo požadavky' aplikace, a použit)' typ pře nosu včetně použitého přenosového protokolu je volen tak, aby splňoval požadavky na daný' stupeň hierarchie řízení technologického procesu. Z hlediska technických měření je nejzajímavější oblast snímačů, včetně propojovacích polí a úrovně měření a řízeni. V současné době se prakticky bezvýhradně k řízení toku měřených dat v hierarchických systémech používají standardy průmyslových sběrnic, sítí LAN a WAN - pro nejnižší úrovně (až po management) se používají sítě lokální, sítě typu LAN a WAN se používají zpravidla až od úrovně management.
11.2.1 PRŮMYSLOVÉ SBĚRNICE TYPU FIELDBUS Cílem při návrhu a realizaci technických systémů měření je systém, který': - je alespoň částečným standardem, - řeší měření a monitorování fyzikálních veličin komplexně v celém rozsahu, o další prvky, pokud se projektovaný měřicí systém rozšiřuje, nebo se zvětšuje počet měřicích míst, - zohledňuje redundanci systému spojenou s požadovanou spolehlivostí měření a přenosu měře ných dat, použije-li se průmyslová sběrní ce - volbu typu je nutno podepřít finanční rozvahou, - co se týká programového vybavení počítačů ve velíně nebo operátorských PC vychází ze - je snadno
rozšiřitelný'
standardních struktur a ověřených SW prostředků. Pří měření na každém složitějším výrobním technologickém procesu je třeba získat informace z několika desítek až stovek senzorů. Vyhodnocením informací z těchto snímačů se specifikují požadavky pro dvoupolohové, diskrétní nebo spojité řízení akčních orgánů, nebo dávkování, signalizaci a jiné zásahy nezbytné pro optimální chod celé technologie. Současně obsluha vyžaduje předávání informací o stavu řízeného procesu do nadřazeného informačního systému. Pro rozmčrné systémy s velkým množstvím vstupních i výstupních veličin je řešení monitorování stavu měřených veličin poměrně
technícky náročné a vzájemné komunikace mezi snímači a dalšími prostředky v hierarchických úrovních se stávají jednou z nejdůležitějších částí, na něž se kladou oprávněně nejvyšší požadavky z hlediska spolehlivosti a bezporuchového provozu. Uvedenou problematiku měření lze řešit použitím měřicích a řídicích systémů FIELDBUS (FELDBUS), v češtině rozsáhlé průmyslové systémy. Výraz FIELDBUS zcela vymezuje technické
187
i programové vybavení pro komunikaci mezi snímači fyzikálních veličin, procesory zajišťujícími sběr dat a ostatními prvky (akčními členy, popř. regulátory). Výrazem průmyslová sběrnice se rozumí technická realizace sériové sběrnice k přenášení bloků dat mezi snímači fyzikálních veličin, jejich řídicími
moduly a vyhodnocovacími členy a nadřazeným počítačem, který vyhodnocuje naměřená data zpravidla pomocí software pro vizualizaci a monitorování či řízení technologických procesů.
11.2.2 FILOZOFIE ROZSÁHLÝCH MĚŘICíCH SYSTÉMŮ Pro distribuované
měřicí, řídicí
a
informační
systémy je nutnou podmínkou pro
splnění
poža-
dované funkce systému vhodné propojení všech prvků. Za prvky systému považujeme řídicí jednotky, periferie, akční členy a inteligentní snímače. Vzájemné fyzické propojení prvků systému
zajišťuje sběrnice (bus),
resp. rozhraní (interťace).
Rozhraní má dva možné významy: 1) společná hranice definovaná charakteristikami fyzického, signálového a procedurálního pro•
•
pojeni; 2) souhrn pravidel pro komunikaci mezi sousedními zařízeními. Rozhraní propojuje dvě jednotky, více jednotek vzájemně propojuje bor fyzických
spojů
spolu s
příslušnými
pravidly a protokoly pro
přenos
sběrnice. Sběrnice je
informace z
libovolně
ného souboru do jednoho nebo několika míst určení. Vnitřními sběrnicemi se rozumí např. sběrnice počítačů, které jsou pro funkci daného
sou-
zvole-
počítače
jako celku nezbytné. BěŽ11)! uživatel se s nimi nesetkává. Znalost funkce je nutná pro analýzu mezních stavů, využití maximální hranice rychlosti přenosu dat, zálohování dat, diagnostiku poruch ap. Vnější sběrnicí
nazýváme
komunikační cestu, přes
kterou spolu prvky
vzájemně spolupracují.
vývoj posledních několika let směřuje k rozdělení měřicích systémů určených pro laboratorní provoz nebo průmyslový provoz. Z průmyslových provozů JSOll vytlačovány klasické počítače IBM PC a jsou nahrazovány specializovanými procesorovými stanicemi. Rozdílný přístup k technickým prostředkům
pro
sběr
vaných podmínek
a zpracování dat pro
činnosti obou
skupin,
průmyslový
a laboratorní provoz vyplývá z jiných požado-
nejzákladnější rozdíly
v provozu viz tab. 11.1.
Tab. 11.1 Charakteristika měřicích systémů podle druhu provozu Průmyslový provoz
Laboratorní provoz krátká
připojovací vedení snímačů
dlouhá
připojovací vedení snímačů
centralizované měření
decentralizovaná
malá souhlasná napětí
velká souhlasná napětí
nízká nebo
vůbec
žádná rušivá
není nutné galvanické
napětí
oddělení výstupů
většinou vysoká potřeba
měření
rušivá
napětí
dokonalého
galvanického
(galvanické spojení je
příčinou poruch
oddělení
a havárií)
průměrné dotazovací cykly (50 min")
rychlé dotazovací cykly
mencr• pnstroje vetsinou v klasickém stolním mencr pnstroje umístěné v robustních skříních provedení zabezpečených proti vnikání prachu, vlhkosti a často v jiskrově bezpečném provedení v v'
v'
•
v
v'
častá změna provedení
.... " , . ,
a
uspořádání měření
.... I
•
projektovaná trvanlivost dlouhodobá, požadavek na velmi vysokou spolehlivost
V laboratorním prostředí se prosadila jako standard sběrnice IEEE 488 pro propojeni počítačů PC a laboratorních přístrojů, pro aplikace v průmyslovém prostředí však sběrnice IEEE 488 nesplňuje podmínky pro průmyslový provoz - nedovoluje přenos na větší vzdálenosti, realizace galvanického oddělení je náročná a systém při dlouhých propojovacích vedeních mezi měřicími místy a počítačem
188
vyžaduje vysoké pořizovací náklady. Další z rozšířených standardů RS 232C není určen pro přípojení vícebodové (více přístrojů). Jeho použití je možné jen pro
značně omezený počet stanic.
Skupinu výše uvedených požadavků na měřící systémy pro průmyslové použití nejlépe splňují systémy využívající pro přenos sběrnici RS-485, které se od r. 1988 značně rozšíříly, ale teprve po r. 1990 dochází mezi výrobci k dohodám a standardizují se některé systémy (vzájemná kompatibilita).
11.2.3 POŽADAVKY NA ŘÍZENÍ SBĚRNICE Z HLEDISKA MĚŘICÍHO SYSTÉMU Měřicí
systémy na bázi zásuvných karet do PC jsou zařízení s univerzálním technickým vyba-
vením, které v těsné blízkosti snímače nebo v místě měření většinou neprovádí předzpracování dat. Při volbě
nevhodného zapojení nebo topologie může nastat případ propojení snímače s A/D převodní
kem na zásuvné kartě v počítači příliš dlouhým vedením, což nepříjemně ovlivňuje elektromagnetickou slučitelnost užitečného signálu. Pří nasazení v průmyslových systémech je vhodné provádět
A/D
převod
co nejblíže snímači a získaný číslicový údaj přenášet k dalšímu zpracování sběrnicí. Při
tomto postupu musi:• a) přístup na jednotlivá periferní zařízení (snímače, akční členy) probíhat v časově ekvidistantních krocích,
b)
přenosová
rychlost sběrnice být co nejvyšší, zpoždění na sběrnici a čas připojení jednotli-
vých zařízení co nejkratší, aby dotazovací cyklus systému mohl probíhat v reálném čase.
11.2.4 PODMÍNKY KOMUNIKACE Z HLEDISKA VYUŽITÍ PŘENOSOVÉHO KANÁLU případě řízení
V důležité
a kontroly
průmyslové
výroby pracují
měřicí
systémy
samostatně
a
zjišťují
nutných pro optimální chod procesu. Předem určené naměřené hodnoty jsou centrální jednotkou zpracovány a výsledkem je korekce parametrů celého měřeného nebo řízeného systému. Přenos dat mezi počítačem a měřeným subsystémem podléhá příkazové struktu-
ře
hodnoty stavových
veličin
a je třeba: - zajistit
přenos
dat proti poruchám (v
případě
se
přenos
ve stanoveném
jednotky, jestliže
měřicí
moduly pracují
chybného
přenosu
okamžiku opakuje, nesmí dojít ke ztrátě žádných dat), - minimalizovat
přenos
průběžně a řídicí
- není
dat podle
požadavků řídicí
jednotka vyžaduje
třeba předem pevně
naměřené hodnoty
pouze v
určitých časových
stanovit okamžik, ve kterém je výsledek
intervalech,
měření připraven k
odeslání;
zpravidla existuje možnost zeptat se na skutečný stav (tzv. Status).
11.2.5 POUŽITÍ INTELIGENTNÍCH SNÍMAČŮ Přímé připojení snímačů
pro měření tlaku, teploty, průtoku atp. na průmyslovou sběrnici není
zpravidla v souladu s podmínkami práce
sběrnice.
Výstupní
veličinou snímačů je většinou normalizo-
vaný Měřená
Měřicí
Měřicí
Kódovaný
veličina
signál
signál
signál
Sensor
x- (I)
Vzorkovač
A/D
převod.
x (I)
,
t
t
Obr. 11.2 Schéma inteligentního snímače 189
(0/4
-i-
proudový 20 mA),
signál napětí
(O -r- 10 V), popř. jiný! unifikovaný výstupní signál. Jeho ovzorkováním a A/D převodem získáme číslico vou formu vhodnou pro další zpracování. Vzorkovací interval, doba převo-
du a rozlišení převodníku musí odpovídat frekvenčnímu pásmu, časové konstantě a přesnosti snímače. Naměřené hodnoty se v číslicové formě kódují, nebo se provádí jejich předzpracování (obr. 11.2). Vyhodnocovací jednotka systému vyhodnocuje aktuální a uložené naměřené hodnoty, porovnává je se zadanými parametry, sestavuje výsledky měření a v případě úlohy vázané na výsledky měření provádí změny v řízení procesu. Reakční doba řídicí jednotky by měla být zanedbatelná vzhledem k časovým konstantám jednotlivých snímačů (aby doba od získání informace do případného akčního zásahu byla efektivně použitelná pro řízení v reálném čase).
11.2.6 ZÁKLADNÍ TYPY PRŮMYSLOVÝCHMĚŘICÍCH SYSTÉMŮ Pro řízení technologických měřicích procesů vyhovují jen některé základní struktury, např. Token Ring, Token Passing. Nejužívanějši metoda komunikace v počítačových sítích CSMA/CO v průmyslových měřicích systémech a jejich sběrnicích nenašla velké uplatnění, protože není vhodná pro řízení v reálném čase, proto se spíše využívá řešení Master Slave. Norma lEEE 1118 průmyslové sběrnice BITBUS definuje tli vrstvy síťového protokolu - fyzickou, datovou a aplikační. Jako komunikační procesor se využívá typů I 8044 nebo 80C 152. Síťová struktura je sběrnicová typu Master Slave. K zabezpečení přenosu je využíváno cyklického redundantního kódu CRC. Rychlost přenosu je závislá na délce sběrnice (tab. 11.2). Určení
Tab. 11.2
délky sběrnic BITBUS a PROFfBUS
Rychlost přenosu (kb.s") Délka
sběrnice
Počet
Slave mezi
(m) opakovači
Počet opakovačů Počet
řadě
v
stanic
2400
375
62,5
30 28
900
13200
28
28
O
2
2
28
250
250
Průmyslová sběrnice
PROFIBUS (PROcess Fleld BUS) je standardizována od r. 1991 normou DIN 19245. Profibus patří mezi špičkové sběrnice s ohledem na možné průmyslové aplikace a do kategorie cenově náročnějších s ohledem na cenu jednotlivých modulů. Z hlediska požadavků na řízení systému a sběr dat je řídicí počítač sestaven z požadovaných modulů propojovaných vnitřní sběrnicí. Profibus má topologii sběrnicovou, jako fyzické přenosové médium využívá sběrnici RS-485. Přístupová Token : ·I,--------------------"t:· : metoda sítě může být Token Passing (obr. 11.3), Master Slave (obr. 1.4), kombino• • vaná (obr. 11.5). ... 2 n , 1 ~ Stanice jsou připojeny ke sběrnici RSsi předávají pověření 485 a postupně k přístupu. Přístup Master Slave spočívá v tom, Obr. 11.3 Token Passing že jediná měřicí stanice označená jako Master řídí činnost celého systému. Jestliže dvě • ·ov•• ov . v• ov stanice podřízené (Slave) potřebují mezi Slave Slave Master r; sebou komunikovat, musí informaci o tom •. • .. r: předat řídicí stanici a ta ji předá cílové • .. • . • . • • . ... Slave stanici. Přístupová metoda může mít • . • . ... :./ pouze jednu stanici Master, více řídicích Slave Slave stanic může mít kombinovaná přístupová metoda, která je složena z obou přístupů Obr. 11.4 Master Stave Token Ring a Master Slave. Každá stanice
.. ·1L....--....,---1.. :
'"
~
~
•
•
•
•
•
•
•
M
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
\
190
-
":
s jakoukoliv stanicí typu Master nebo Slave. Pořadí přístupu jed, notlivých stanic Master k přeno .... , > Master 3 ... Master 1 .... ) Master 2 sovému médiu určuje pověření (Token). Přenosové médium je dáno sběrnicí RS-485 (kroucený dvouSlave 5 stave 6 Slave 7 Slavc 4 drát, galvanické oddělení se stíObr. 11.5 Profibus něním). Délka sběrnice je max. I 200 m, s opakovači do 4 800 m, ol přenosová rychlost (9.6 -i- 500) kb.s • Maximální počet stanic je 127. Sběrnice používá asynchronní přenos, poloviční duplex, synchronizaci UART. Délka sběrnice pro jednotlivé přenosové rychlosti je v tab. 11.2. Profibus svými aplikačními možnostmi, variabilitou použití a komplexností řešení patří mezi špičkové průmyslové sběrnice. Sběrnice INTERBUS-S dostala název pro rychlé (S-schnell) řízení akčních členu. Pro požadovanou komunikaci mezi snímači a akčními členy (sběrnice je orientovaná na řízení v reálném čase) musí sběrnice splňovat dynamické podmínky přístupu k přenosovému médiu (1 -i- 5) ms. Pro řízení se zpětnou vazbou nebo i bez zpětné vazby je výhodné stanovit konstantní časový interval pro přenos datového souboru nebo instrukce. Pro splnění tohoto požadavku je nejvýhodnějši použít kruhového přenosu, kdy paket prochází všemi stanicemi připojenými ke sběrnici (obr. 11.6). Podporuje se připo jení max. 256 stanic, sběrnici tvoří dvojice vodičů procházející všemi stanicemi. Způsob řízení sběr nice je centrální Master Slave. Výhodou kruhového přenosu je velmi jednoduchá diagnostika funkč nosti systému, kterou provádí Master a která je při měření a řízení v reálném čase nezbytná. Z hlediska poruch jednotlivých stanic není kruhová struktura příliš výhodná, protože jediná porucha může zcela paralyzovat chod celého systému. Předpokládá se tedy velmi nízká poruchovost. V případě poruchy Master rychle identifikuje vadnou stanici a obsluha stanici vyřadí nebo vymění. Interbus-S je otevřenou sběrnicí, což , .... .... ","', ...., e znamena napr. moznost pnpojeru na Jme prupŘEPiNAC MULTIPLEX MASTER S PORUCHOU myslové systémy. Propojení má však značná , omezení, je možné předávat pouze data, která , II +JL do podoby transportního protokolu převádí LOKALNí S8ÉRNICE Jr 8 MODULlJ MAXI MALÉ programovatelné logické obvody. Pro zapojení ._,. I ... ,:: r: do lnterbus-S je možné použít snímače a měřicí II II II JL MULTIPLEX přístroje různých výrobců, které mají různé II ~J II ~__ li 400 m úrovně výstupních signálů i různé způsoby ří... ,.. 400 m MAXIMÁLNÉ ID1\ II II rř zem.• 13 km 11 rr4F=ll-=lL=n Průmyslová sběrnice DIN-Messbus (od ROZSÁHLÁ SBĚRNICE TJ] PT~ 11 400 m MAXIMÁLNĚ ,. r. 1990 jako standard DIN 66 384) se od osta'" j] II II tních typů sběrnic liší fyzickou vrstvou. Je urOl, II II II čena pro duplexní provoz mezi řídicí u. JI IL_-!! ~ a podřízenou stanicí - jako fyzické vrstvy se r:: cpoužívá čtyřvodičová varianta sběrnice RS-485 I OPAKOVAČ (dva páry krouceného dvoudrátu) se stíněním c; celého svazku. Pro omezení rušení a zvýšení spolehlivosti jsou jednotlivé stanice galvanicky Obr. 11.6 Interbus S :-
• • • • • • • •
)
0
• • • • • •
00
• • • •
i'---_~o Token
o
o
••
t
F
lc=rr
t
.J
~od
L.::
191
1
odděleny.
Schéma fyzíckého zapojení je na obr. 11.7. Sběrnice je řízena jednou řídicí stanicí dotazovacím způsobem. Rídicí stanice se dotazuje jednotlivých podřízených stanic Slaves. Každý účastník má svoji při jímací a vysílací adresu.
120
6[--~
J±= (
v
,>
_o1
8
0-1..
..
11
4
~~
. .
"
(
2
9
C?1
--"T---t,
I,
1
,
1
V
I -
~
.~
I 0- , ... t ," .. - - -
sběrnice Parametry DIN-Messbus: čtyřvodičový
• -- -1.
-
...
o-lv
přenos
s plným duplexem; řízení systémem Master Slave; délka přenosové cesty 500 m bez opakovače, s opakovačem libovolná; standardní počet účastníků 32, rozšířit lze na max. 961 účastníků; přenosová rychlost (300 ..;- 19 200) b.s', pro l rychlé přenosy až 1 Mb.s· . Sběrnice RS-485 je nejrozšířenější průmyslovou
1
5V=
o
-_..
-
I, .
"
,i ,
t--'
.
-_1.\
-- j-
__ o'
(J-
, I
,
,,~.,
,~
-t
I
0-) Ó
J[]y
I
1
(
8
l
o C
9
Obr. 11.7 DIN Messbus
-1--.-------
--+.--
r-,
R
R
,
sběrnicí.
Nonnou EIA RS-485 není defmován maximální počet vysílačů, ale
-- T r ,,
počet přijímačů
je omezen na 32 na jedné sběrnici. Signál se přenáší v binární formě
maximální modulační rychlostí (vzhledem k binární formě signálu je i rychlostí přenosovou)
tO Mb.s· 1 stejno-
Obr. 11.8 Schéma sběrnice RS-485 s předpokládanou směrnou složkou. Přenosovým médiem je dvoudrát, většinou kroucen)! (twist) s přídavným stíněním. Zapojení je patrné z obr. 11.8. Jeden vysílač je schopen budit 32 přijímačů, sběrnice musí být na obou koncích zakončena zakončovacími rezístory R, = 120 n. Zatěžovací charakteristiku sběrnice určují přijímače (Slave), neaktivní vysílače (Master) a zakončovací impedance. Zatěžovací charakteristika je syntézou stejnosměrné a střídavé složky.
192
11.3 SOFTWARE PRO OBSLUHU PRŮMYSLOVÝCH MĚŘICÍCH SYSTÉMŮ A VIZUALIZACI Data naměřená snímači a sběrnicí dopravená k dalšímu zpracování je potřeba rozdělit, vyhodnotit, matematicky zpracovat a učinit příslušné další kroky jako odezvu do procesu. K tomu účelu slouží speciálně navrhovaný SW pro monitorování, řízení a vizualizaci průmyslových systémů. Programové prostředky mají nesrovnatelně vyšší nároky na spolehlivost, jednoduchost obsluhy a rychlost práce (musí pracovat v reálném čase) nežje tomu u běžných, např. kancelářských aplikací. Požadavky na SW pro měření a správu dat a vizualizaci: - schopnost práce v reálném čase, - m07J10st přehledného grafického znázornění všech monitorovaných, popř. řízených veličin, - záznam tzv. událostí na datové médium a tiskárnu, - snadná realizace a přístupnost alarmových hlášení, - možnost ručního měření či řízení v případě poruchy, - zpracování dat během měření bez ovlivnění rychlosti odběru měřených dat ze sběrnice, - grafické panely a obrazovky s interaktivními prvky pomáhajícími usnadnit operátorovi obsluhu zařízení (kvalitní grafická schémata technologií s vestavěnými ovládacími prvky), - práce v nepřetržitém režimu, zálohování dat apod. Systémů pro vývoj aplikací pro průmyslové měřicí systémy je na trhu řada. Dodavatel technologie průmyslového měřicího systému většinou dodává i měřicí SW na klíč s celou technologií i se zaškolením obsluhy. Jako příklady SW pro vývoj průmyslových aplikací měřicích a řídicích systémů lze uvést např. ControlPanel, ControlWeb, LabView, LabWindows, InTouch, TestPoint.
193
12 ELEKTROMAGNETiCKÁ KOMPATIBILITA Pod pojmem elektromagnetická kompatibilita rozumíme - vyzařování elektromagnetické energie ze zařízení ven, - odolnost zařízení proti pronikání vnějšího elektromagnetického rušení. Údaje o povoleném elektromagnetickém vyzařovaní obsahuje norma ČSN EN 50081-1 . • Uroveň hladiny povoleného vyzařování závisí od druhu prostoru (bytové, obchodní, průmyslové... ) v něm je přístroj užíván a na druhu přístroje. Mezní povolená úroveň je udávána na krytech přístrojů a na jejich přívodních napájecích svorkách v IIV a je funkcí frekvence v pásmu 0,15 až 1000 MHz. V pásmu 0,15-30 MHz tyto meze omezují zároveň v přepočtu přípustný obsah harmonický frekvencí pulsních průběhů digitálních signálů, rozkladových kmitočtů monitorů a pracovních kmitočtů pulsních měničů ve zdrojích. Odolnost zařízení proti pronikání vnějšího elektromagnetického rušení je předepsána normou ČSN EN 50081-2. Odolnost je posuzována údajem intensity přípustných elektrických a magnetíckých intensit vnějších polí, kdy funkce zařízení ještě není narušena. Požadavek na odolnost závisí na typu zařízení. Testovaní probíhá signály přiváděnými na kryt přístroje, na vstupy, výstupy, zemnící svorky a jiná uzlová místa přístroje nebo soustavy. Podle charakteru zařízení jsou používány signály sinusové nebo pulsní, elektrické nebo magnetické. Sinusové mohou být modulovány amplitudově nebo frekvenčně, pulsní mohou být periodické, opakované nebo jednorázové. Významná a náročná na odolnost přístroje je zkouška impulsy z rázového jiskrového generátoru. Tato zkouška je předepsána u řady elektronických zařízení pro získání osvědčení CE. Mnohdy zkouška jiskrovým rázovým generátorem i poškodí zařízení. Průchod touto přísnou zkouškou je často důvodem použití isolačních DC/DC měničů s extrémně nízkými vazebními kapacitami v napájecím obvodu zařízení a důvodem použití optoelektrického oddělení vstupů a výstupů zařízení, případně až vedení vstupních a výstupních signálů optickými kabely. Problémem, který nezbytně musí řešit každý návrhář elektronických zařízení a kterou často musí řešit i uživatel, když z jednotlivých přístrojů sestavuje elektronický systém je vnitřní • kompatibilita přístrojů a obvodů uvnitř systému. Uvahy o vnitřní kompatibilitě v elektrickém a elektronickém systému vedou k propojení bloků systému takovým způsobem a takovými technickými prostředky, aby vzájemná rušení mezi jednotlivými jeho bloky byla minimální. Samozřejmým požadavkem je, aby úroveň bi vzájemného rušení mezi bloky byla pod limitní úrovní rušení bH, která ještě umožňuje správnou funkci systému.
Rozdíl mezi úrovní vnitřního vzájemného rušení a limitní úrovní rušení kdy zařízení ještě funguje je šumová odolnost zařízení, je to úroveň vnějšího rušení do vyčerpání odolnosti zařízení proti rušení o:
Používá se následující metodika pro
odstranění vnějšího i vnitřního
rušení:
Pro efektivní odstraňování rušení je třeba nejdříve identifikovat cestu jeho šíření, při návrhu nového zařízení je třeba možné cesty znát a předem je odstranit.
194
,
v
,
12.1 KAPACITNI RUSENI Kapacitní rušení je způsobeno průchodem kapacitního proudu přes parazitní kapacitu mezi vodičem nesoucím rušící signál a vodičem rušeným. Situaci znázorňuje obr. 12.1.
/
......
"
~
Uo 1
protože
U v1
,•
,. i
• Ir
I I I I
Cv
I
• !
t>
......
Šíření rušení kapacitní cestou je možno
U
g2 /
"-
"
uv2
uo2
zv2
,Ir
~
•~
Přenos
Obr. 12.1
rušení kapacitní cestou
snadno rozpoznat podle toho, že k potlačení rušivého efektu stačí vložit mezi zdroj rušení a rušený objekt stínící folii, stačí tenká aluminiová folie (Alobal) a pozorovat průběh napětí na rušeném vodiči např. osciloskopem. Jestli rušení vložením folie zcela zmizí, je to důkazem, že se
jenom kapacitní složkou. K jeho odstranění stačí vložit mezi objekty stínící přepážku nebo v případě rušení mezi vedeními použít stíněných vodičů. V případě, že stínění má odstranit jenom kapacitní cestu šíření rušivého signálu, postačí aby bylo spojeno se společným vodičem soustavy (zemněním) jen v jediném bodě. Kapacitní rušení je tedy jednoduše odstranitelné. Je ale často mylně považováno za jedinou složku rušení a to vede k tomu, že uživatelé někdy staví zbytečně okolo citlivých elektronických zařízení (např. EKG) nákladné Faradayovy klece (místnosti s vodivým povlakem stěn). Pokud neodstraní také ostatní cesty šíření rušení, které při neodborných instalacích často převládají, je odstranění pouze kapacitní cesty neúčinné. "",
šíří
v,
12.2 INDUKCNI RUSENI Indukční
rušení je způsobeno tím, že rušící proud indukuje přes parazitní vzájemnou indukčnost mezi rušícím a rušeným vodičem napětí na rušený vodič. Situaci znázorňuje obr 12.2.
er \.
'" ~
·-. • • ·• ·.. ••• • • • • • • •• • •
Uo1
,
.
• • • ,• ,• , • •
I
e-
Obr. 12.2
• • • '.
2 • • • • , • • • • • • ••
• • • • •• •
Ir
Přenos
Ir
, ,
• • •• •• ••.•
Uo2
Uv 1
•• • •• •• • •• •, • , •
• •• •• • ••
p
(\.
•
·..
~
,f •: , •• • • • • •• •• •• Uv2 ••
........ •
12 y
Síření
•
•
rušení indukční cestou
rušení indukční cestou je hůře rozpoznatelné a odstranitelné než rušení šířící se kapacitní cestou. Nereaguje na tenké stínící přepážky, ale na silnější magneticky vodivé přepážky reaguje. Matoucí je, že někdy se nevhodně vloženým magnetickým předmětem
195
úroveň
rušení zvýší. Reaguje na změnu polohy vodičů, ale to kapacitní rušení také. K rozpoznání a zároveň i odstranění indukčního rušení je nejúčinnější změna uspořádání obvodu podle pravidla: Aby nedocházelo ke vzájemnému ovlivňování obvodů je potřeba, aby netvořily indukční smyčky. To znamená, aby plocha obklopená vodiči obvodu byla co nejmenší, nejlépe nulová. Jinak receno: v
v
"V instalaci se mnsí proud vracet v prostoru stejnou cestou jako
přitekl".
Lze toho docílit
několika způsoby:
1. Použitím koaxiálního kabelu.
Nejúčinnější,
ale nejdražší, zabírá
hodně
místa.
2. Použitím krouceného vedení, zkroucených párů v kabelu. Twisted line, twisted pair. Poměrně účinné, efektivní, dlouho běžně používáno v telefonii, nyní v počítačové technice. 3. Použitím dvoulinky s blízko u sebe uloženými vodiči. Se vzdáleností vodičů magnetická vazba s okolím roste. V plochých několikažilových vodičích je třeba cesty stejných proudů vpřed a vzad umístit vedle sebe, ne vracet proud společnou zemí. 4. Použitím silového kabelu s paralelně propojenými žilami. Prostředek vhodný jako nouzový pro rušící silové kabely, nebo když jiný vhodný kabel není k dispozici. ,
v
,
12.3 GALVANICKE RUSENI Galvanické rušení je způsobené úbytky napětí na společných částech obvodu, vyvolanými proudy různých obvodů. Při realizaci elektrického obvodu mají společné části obvodů nežádoucí impedance společných referenčních vodičů (nesprávně řečeno zemních vodičů), společných napájecích vodičů a společných zdrojů. Situaci vykresluje obr. 12.3 pro vznik galvanického rušení na společném referenčním vodiči a 12.4. pro rušeni vznikající na společném napájecím zdroji . •
I
1
---t> •
, '-
"
~
u 2' 9 I
1
~2
""I
,
2
-t>
U o2
U v2
,•
zv2
, r <J--
i=i 1 +i 2 u= R.i + L di
dt
~r--------
Obr. 12.3
Přenos
rušeni galvanickou cestou
196
Velikost rušivé složky
napětí v.obvodu
2 v závislosti na proudu v obvodu I:
Typickým příkladem galvanického rušení je vznik napětí mezi kostrami - signálovými referenčním i vodiči přístrojů, které jsou napájeny z rozvodné sítě se společným pracovním a ochranným vodičem ( případ staré elektrovodné sítě dle staré normy), jak znázorňuje obr.12.4.
L1
PE +N
<] POJISTKA
~~
1=2 A x 1 n=
-c
POJISTKA
=2V
N
<{ N
-
-II
II
-
V
I ~ ~
1'\ I'--.
-'" ~ ._._..
E
-o
_._.- _._._.
I
iI
4..
t
i i
,
I
I
i
!I
!
,! i
y
,
y
•
RUSIVE NAPETI MEZI KOSTRAMI 2V
.-.-._._._._._._._._.~
1 • fázový
V
4t
t
-ii
! I ! I
i i
i i i
,
! iI L._._._._._._._._._._ 1 • fázový
spol/ebíč
Obr. 12.4
E
I
i
I
,i
./ ~
_._.- _._._. ._._.. -1
-1
i
ť\
I'--
-c
maxO,2 ohm
1i
I
V~
V
'<]
i
v
spottebič
Příklad galvanického
ru-šení v napájecí siti
Rušivý úbytek napětí vznikne na impedanci společného vodiče průtokem pracovního proudu spotřebiče. Tento rušivý úbytek napětí je v případě propojení spotřebičů signálním vodičem zavlečen na tento signální vodič, kde takto veliké rušivé napětí působí nemalé potíže. Řešení není ani v zesilování průřezů vodičů, protože pro vznik rušivého úbytku napětí je významná zejména indukční složka impedance, kterou takto nelze výrazně snížit. Navíc na indukčnosti společného vodiče vznikají velké a ostré napěťové impulsy při skokových změnách pracovního proudu např. při zapínání a vypínání přístroje. Mohou až způsobit destrukci vstupních elektronických obvodů. Správným řešením je pouze oddělení pracovního a ochranného obvodu, rozdělení pracovního nulového vodiče a ochranného vodiče, jak to předepisuje nová norma. Správné uspořádání sítových napájecích obvodů přístrojů třídy I okazuje obr. 12.5. Jiným řešením je použití přístrojů třídy II, tzn. provedení se dvojitou izolací, které nemají ochranný vodič.
197
II
N
A
PEN
... I = O, U = O
~ -II
POJISTKA
~
I
-II 1 7
~
(
\ ~
"- e
./
V
'\ '<,
'll
-o
r- -- _._- -I
I
"
T
./
'll '-'-'
V
nI
!
I
!
I I ..JI
L
_._._.e
~
U=o
I<J
!!
-,
/
\
<;)
I II
._.__ J
II :)
Obr. 12.5 Odrušení rozdělením pracovního a ochranného obvodu
Jiným často se vyskytujícím případem galvanického rušení je vzájemné ovlivňování integrovaných hradel na desce plošných spojů po společných referenčních (nesprávně "zemních") a napájecích vodičích. Situace je znázorněna na obr. 12.6.
1>*
ip
11
13
12
íp
<:I
.....
*
.....
Up
Up
Obr. 12.6 Galvanické rušení v napájecím obvodu elektronického
Při přepínání
řetězce
koncového stupně ITL hradla při přechodu výstupu ze stavu L do stavu H dochází nejdříve k sepnutí "horního" tranzistoru hradla. "Dolní" tranzistor rozepne se zpožděním, daným časem potřebným pro vyprázdnění báze od nosičů nábojů. Tento čas je pro běžná hradla ITL 5 - 40 ns. Po tuto dobu jsou otevřeny oba transistory, koncovým stupněm teče proud ip cc i = _U.:::::.. p R"
::::;
5 = 5O mA
100
198
Tento rychlý proudový impuls vyvolá na indukčnostech společných vodičů plošného spoje značné napěťové impulsy, které se různě sčítají s původními signály na vstupech a výstupech obvodů a nežádoucím způsobem ovlivňují funkci obvodu. Rešení spočívá v připojení blokovacích kondenzátorů mezi společný a napájecí vodič. Kondenzátor musí být připojen v bezprostřední blízkosti integrovaného obvodu a musí být bezindukčního provedení. Používají se vysoko kapacitní keramické kondenzátory nebo v případě výkonových obvodů i kvalitní, tantalové kondenzátory. Proudová spotřeba napájecího obvodu je po dobu odběrového impulsu hrazena z náboje napájecího kondenzátoru. v
~P I1
13
12 ,
C
C
C
Obr. 12.7 Odrušení napájecího obvodu blokovacími kondenzátory Napájecí obvody musí být blokovány v.bezprostřední blízkosti pouzder integrovaných obvodů blokovány kondenzátorem. Při poruše tohoto kondenzátoru, např. jeho odpojení v důsledku špatného pájení, dochází k nejrůznějším poruchám funkce zařízení často i k jeho náhodnému chování. Všechny cesty rušení indukují v rušeném objektu napětí, které má tvar blížící se derivaci rušícího signálu. Proto velikost tohoto rušivého napětí s frekvencí narůstá. Větší míru rušení proto způsobují rychlé průběhy. Z toho vychází jednoduchý' způsob odrušování: pokud celková funkce zařízení nevyžaduje využití plné rychlosti elektronických bloků, je výhodné zpomalit funkci elektronických bloků tak, aby byla jen o málo rychlejší než je nutné. Jednoduše toho dosáhneme např. řazením RC pasivních integračních členů - dolnofrekvenčních propustí na všechny exponované vstupy zařízení. Tam, kde důvodu požadavku vysoké rychlosti funkce elektroniky nelze takové řešení použít je nutné použít jiného zabezpečení, např. bezpečnostních kódů pro přenos. Nejvyšší funkční rychlosti a nejjistější funkce zařízení dosáhneme však při odstranění nebo alespoň potlačení všech cest odstranění rušení. Nebezpečné cesty šíření rušení je třeba zvážit již při návrhu zařízení, dodatečná rekonstrukce např. výměna kabeláže je pracná a nákladná.
199
LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31]
Bráza, A. - Jenčík, J.: Technická měření. Vydavatelství ČVUT Praha, 1996 Burger, I. - Hudec, L.: Elektronické prvky, Alfa. Bratislava, 1989 Buřič, Z.: Elektrotechnika výrobních strojů. Vydavatelství ČVUT Praha, 1989 Ďaďo, S. - Kreidl, M.: Měřicí převodníky fyzikálních veličin. Vydavatelství ČVUT Praha, 1984 Daďo, S. - Kreidl, M.: Měřicí převodníky fyzikálních veličin. Vydavatelství CVUT Praha, 1990 Ďaďo, S. - Kreidl, M.: Senzory a měřicí obvody. Vydavatelství ČVUT Praha, 1996 Fexa, J. - Siroký, K.: Měření vlhkosti. TP-60, SNTL Praha, 1983 Galaš, J.: Elektrotechnika pro přístrojovou techniku. Vydavatelství ČVUT Praha, 1987 Jakubcová, H.: Měření mechanických veličin. Vydavatelství ČVUT Praha, 1972 Jakubcová, H.: Měření mechanických veličin. Vydavatelství ČVUT Praha, 1983 Jenčík, 1. - Kuhn, L. a kol.: Technická měření ve strojnictví. TP-57, SNTL Praha, 1982 Jurík, M. - Hanajník, M. - Keszegh, L.: Měřicí a regulační přístroje A. SNTL Praha, 1988 Kocourek, P. a kol.: Číslicové měřicí systémy. Vydavatelství ČVUT, Praha 1994 Kocourek, P.: Přenos informace. Vydavatelství ČVUT Praha, 1994 Kreidl, M.: Senzory. Vydavatelství ČVUT Praha, 1992 Kříž, P - Vávra, P.: Srojírenská příručka, I. svazek. SCIENT1A, spol. s LO. a SNTL, Praha 1992 Kříž, P. - Vávra, P.: Srojírenská příručka, 2. svazek. SCIENT1A, spol. s LO., Praha 1993 Pfeifer, G. - Werthschi.itzky, R.: Drucksensoren. VEB Verlag Technik Berlin, 1989 Prchal, J.: Systémy přenosu dat. Vydavatelství ČVUT Praha, 1986 Reuber, c.: Handbuch der lnformationstechnik und Elektronik, Band 8, Senzoren und Wandlerbauelemente. Heidelberg, 1989, 383 stran Turán, 1. - Petrík, S.: Optické vláknové senzory. Alfa, Bratislava, 1990 Uhlíř, I. a kol.: Návody k laboratomím cvičením z elektrotechniky. Vydavatelství CVUT Praha, 1998 Valenta, F. a kol.: Pružnost a pevnost III. Vydavatelství ČVUT Praha, 1995 Vítovec, J.: Telemetrie. Vydavatelství CVUT Praha, 1982 Volf, J.: Elektronika pro robotizaci technologických procesů. Vydavatelství CVUT Praha, 1987 Volf, J.: Roboty vyšších generací I.díl. ČSVTS Praha, 1987 Volf, 1. a kol.: Sensorické systémy robotů. Stavba strojů. Vl. Dům techniky ČSVTS, Praha 1991 Volf, 1.: Elektronika ve strojírenství XllI. Dům techniky ČSVTS, Praha 1992 Zehnula K.: Čidla robotů. SNTL Praha 1990 Zehnula K.: Snímače neelektrických veličin. SNTL Praha 1977 Katalogy firem: Baumer elcctric, Bibus, Bopp-Reuter, Danfoss, Hottinger Baldwin Messetechnik, lfm Electronic, Iwka, Kri stal, Larm, Megatron, Micronix, Novotechnik, Omega lnstrumentations, Omegadyne, Pu1sotronic, Rosemount, Syrelec, Utilcell, Vishay Measurements Group, Zlatokov, ZPA v
v
v
v
v
v
200
PŘÍLOHA 1: PŘEVODY
JEDNOTEK DÉLKY,
PRÁCE A VÝKONU ,
DELKA
I m (metr)
lÁ
10- 10 m
I yd I ft I in I mile
0,9144 m (přesně) 0,3048 m (přesně) 0,0254 m (přesně) I 609,334 m (přesně)
HMOTNOST
I kg (kilogram)
I lb
0,45359237 kg ,
,
SILA
I N (newton) = I m.kg.s" 10. 5 N
I dvn • I kp
9,80665 N
TLAK
I Pa (pascal) = I m' .kg.s"
I bar , I kp.cm" (= I at = 10 m v.sl.) I atm I torr I PSI
10 5 Pa 98066,5 Pa 101 325Pa 133,3224 Pa 6,89476.10 3 Pa
PRACE
I J (joule)
I kWh I kh I kpm I kcal I MeV I erg
3,6.10 6 J 2,648.10 6 J 9,80665 J 4186,8 J 1,602.1 o" J 10. 7 J
,
VYKON
I W (watt)
I I I I I
735,499 745,7 9,807 1,163 4 186,8
k
HP kpm.s' kcal.h kcal.s
,
,
,
=
=
I m .kg.s"
1
I m.kg,
-1
S'
201
HMOTNOSTI, SÍLY, TLAKU,
.."
o.."
"
PRlLOHA 2: DULEZITE FYZIKALNI KONSTANTY Konstanta
Svmbol
Hodnota
elementární náboj e atomová jednotka hmoty u rychlost světla ve vakuu c ~I0= Eo-I .C permeabilita vakua permitivita vakua Eo = ~Io- I .C -2 plynová konstanta-molová R R. To molární objem dokonalého plynu Vm = při 101325 Pa a 273,15 K Po
1,6021892.10- 19 C 1,660 565 5.10-27 kg 2,99792459.10 8n1.S- 1 1,25663706.10-6 H.m-' 8,85418782.10- 12 F.m- I 8,31441 J.mOrl.K- 1
Avogadrova konstanta
6,0220439.10 21 mol'
~2
2,241383.10. 2 rrr'unol'
lV'A
R
1,380662.10- 23 lK-'
Boltzmannova konstanta
k=
Faradayova konstanta Planckova konstanta první radiační konstanta
F= NA.e h
druhá radiační konstanta
h.c c" - -
1,438 786.10- 2 m.K
b = ~'m' T
2,897 79. 10- 3 rn. K
j\i
A
,
9,648645 5.104 c.mor l 6,626 176.10- 34 J.s 3,741832.10- 16 W.m 2
c -- -. / Te . h .c' 1
-
Wienova konstanta
k
Te 1- • k
Stefan-Boltzmannova konstanta
(Jo
Maximální intenzita záření
oH ')'" max -JO'
při A,rnax
=
4
5,67032.10- 8 W.m- 2.K-4
,"
60.h .c:
b1'·T S
bl
=
1,281 64.IO- s W.m· 2.K- 5 ",
PŘÍLOHA 3: VYBRANÉ BEZROZMĚROVÉ VELiČiNY (PODOBNSTNÍ CfSLA) ,
v
r
,
CHARAKTERIZUJICI PROUDENI TEKUTIN Značka
Název Reynoldsovo Eulerovo Machovo
číslo
číslo
číslo
Strouhalovo číslo I - charakteristická délka /).P - tlakový rozdíl II - dynamická viskozita f - charakteristická frekvence
Definiční
vztah p.w.l w.! Re= v II
Re Eu lvfa
Sr
Eu =
/).P
p.w 2
w Ma=c lf Sr=w w - charakteristická rychlost p - hustota v - kinematická viskozita c - rychlost zvuku
202
v,
,
v,
r
o
'V,
PRlLOHA 4: TERMOELEKTRICKA NAPETI TERMOELEKTRlCKYCH CLANKU v
PODLE IEC-CSN 751 4.1 TERMOELEKTRICKÝ ČLÁNEK T (Cu-CuNi) - E (mY) t (0C)
O
+10
+20
+30
+40
+50
+60
±70
-200
-5,603
-5,753
-5,889
-6,007
-6, I05
-6,181
-6,232
-6,258
-100
-3,378
-3,656
-3,923
-4,177
-4,419
-4,648
-4,865
O
0,000
-0,383
-0,757
-1,475
-1,475
-1,819
O
0,000
0,391
0,789
1,196
1,611
100
4,277
4,749
5,227
5,712
200
9,286
9,820
10,360
300
14,860
15,443
16,030
400
20,869
+80
+90
-5,069
-5,261
-5,439
-2,152
-2,475
-2,788
-3,089
2,035
2,467
2,908
3,357
3,813
6,204
6,702
7,207
7,718
8,235
8,757
10,905
11,456
12,011
12,572
13,137
13,707
14,281
16,621
17,217
17,816
18,420
19,027
19,638
20,252
4.2 TERMOELEKTRICKÝ ČLÁNEK J (Fe-CuNi) - E (mY) t (0C)
O
+10
-200
-7,890
-8,096
-100
-4,632
O
+20
+"0 --'
+40
+50
+60
+70
+80
+90
-5,036
-5,426
-5,80 I
-6,159
-6,499
-6,821
-7,122
-7,402
-7,659
0,000
-0,501
-0,995
-1,481
-1,960
-2,431
-2,892
-3,344
-3,785
-4,215
O
0,000
0,507
1,019
1,536
2,058
2,585
3, I 15
3,649
4,186
4,725
100
5,268
5,812
6,359
6,907
7,457
8,008
8,560
9, I 13
9,667
10,222
200
10,777
11,322
11,887
12,442
12,998
13,533
14,108
14,663
15,217
15,771
300
16,325
16,879
17,432
17,984
18,537
19,089
19,640
20,192
20,743
21,295
400
21,846
22,397
22,949
23,501
24,054
24,607
25,161
25,716
26,272
26,829
500
27,388
27,949
28,511
29,075
29,642
30,210
30,782
31,356
31,933
32,513
600
33,096
33,683
34,273
34,867
35,464
36,066
36,671
37,280
37,893
38,510
700
39, \30
39,754
40,382
41,013
41,647
42,283
42,922
+80
+90
4.3 TERMOELEKTRICKÝ ČLÁNEK TYPU E (NiCr-CuNi) - E (mY) t (0C)
O
+10
±20
+30
+40
+50
+60
+70
-200
-8,824
-9,063
-9,274
-9,455
-9,604
-9,719
-9,797
-9,835
-100
-5,237
-5,680
-6, I07
-6,516
-6,907
-7,279
-7,631
-7,963
-8,273
-8,561
O
0,000
-0,581
-1,151
-1,709
-2,254
-2,787
-3,306
-3,811
-4,30 I
-4,777
O
0,000
0,591
1,192
1,80 I
2,419
3,047
3,683
4,329
4,983
5,646
100
6,317
6,996
7,683
8,377
9,078
9,787
10,50 I
11,222
11,949
12,681
200
13,419
14,161
14,909
15,661
16,417
17,178
17,942
18,710
19,481
20,256
300
21,033
21,814
22,597
23,383
24,171
24,961
25,754
26,549
27,345
28,143
400
28,943
29,744
30,546
31,350
32,155
32,960
33,767
34,574
35,382
36,190
500
36,999
37,808
38,617
39,426
40,236
41,045
41,853
42,662
43,470
44,278
600
45,085
45,891
46,697
46,502
48,306
49,109
49,911
50,713
51,513
52,312
700
53,110
53,907
54,703
55,498
56,291
57,083
57,873
58,663
59,451
60,237
800
61,022
61,806
62,588
63,368
64,147
64,924
65,700
66,473
67,245
68,015
900
68,783
69,549
70,313
71,075
71,835
72,593
73,350
74,104
74,857
75,608
1000
76,358
203
4.4TERMOELEKTRICKÝ ČLÁNEK TYPU K (NiCr-NiAI) - E (mV) t (0C)
O
+10
±20
+30
+40
+50
±60
-200
-5,891
-6,035
-6,158
-6,262
-6,344
-6,404
-6,458
-100
-3,553
-3,852
-4,138
-4,410
-4,669
-4,912
O
0,000
-0,392
-0,777
-1,156
-1,156
O
0,000
0,397
0,798
1,203
100
4,095
4,508
4,919
200
8,137
8,537
300
12,207
400
±70
±80
+90
-5,141
-5,354
-5,550
-5,730
-1,889
-2,243
-2,586
-2,920
-3,242
1,611
2,022
2,436
2,850
3,266
3,681
5,327
5,733
6,137
6,539
6,939
7,338
7,737
8,938
9,341
9,745
10,151
10,560
10,969
11,381
11,793
12,623
13,039
13,456
13,874
14,292
14,712
15,132
15,552
15,974
16,395
16,818
17,241
17,664
18,088
18,513
18,938
19,363
19,788
20,214
500
20,640
21,066
21,493
21,919
22,346
22,772
23,198
23,624
24,050
24,476
600
24,902
25,327
25,751
26,176
26,599
27,022
27,445
27,867
28,288
28,709
700
29,128
29,547
29,965
30,383
30,799
31,214
31,629
32,042
32,455
32,866
800
33,277
33,686
34,095
34,502
34,909
35,314
35,718
36,121
36,524
36,925
900
37,325
37,724
38,122
38,915
39,310
39,703
40,096
40,488
40,879
1000
41,269
41,657
42,045
38,519 4').. , 4 j ..... ')
42,817
43,202
43,585
43,968
44,349
44,729
1100
45,108
45,486
45,863
46,238
46,612
46,985
47,356
47,726
48,095
48,462
1200
48,828
49,192
49,555
49,916
50,276
50,633
50,990
51,344
51,697
52,049
1300
52,398
52,747
53,093
53,439
53,785
54,125
54,466
54,807
1
4.5 TERMOELEKTRICKÝ ČLÁNEK TYPU S (PtlORh-Pt) - E (mY) t (0C)
O
+10
±20
+30
+40
+50
+60
+70
+80
+90
O
0,000
0,055
0,113
0,173
0,235
0,299
0,365
0,432
0,502
0,573
100
0,645
0,719
0,795
0,872
0,950
1,029
1,109
1,190
1,273
1,356
200
1,440
1,525
1,611
1,698
1,785
1,873
1,962
2,051
2,141
2,232
300
2,323
2,414
2,506
2,599
2,692
2,786
2,880
2,974
3,069
3,164
400
3,260
3,356
3,452
3,549
3,645
3,743
3,840
3,938
4,036
4,135
500
4,234
4,333
4,432
4,532
4,632
4,732
4,832
4,933
5,034
5,136
600
5,237
5,339
5,442
5,544
5,648
5,751
5,855
5,960
6,064
6,169
700
6,274
6,380
6,486
6,592
6,699
6,805
6,913
7,020
7,128
7,236
800
7,345
7,454
7,563
7,672
7,782
7,892
8,003
8,114
8,225
8,336
900
8,448
8,560
8,673
8,786
8,899
9,012
9,126
9,240
9,355
9,470
1000
9,585
9,700
9,816
9,932
10,048
10,165
10,282
10,400
10,517
10,635
1100
10,754
10,872
10,991
11,110
11,229
11,348
11,467
11,587
11,707
11,827
1200
11,947
12,067
12,188
12,308
12,429
12,550
12,671
12,792
12,913
13,034
1300
13,155
13,276
13,397
13,519
13,640
13,761
13,883
14,004
14,125
14,247
1400
14,368
14,489
J4,61 O
J4,731
14,852
14,973
15,094
15,215
15,336
15,456
1500
15,576
15,697
15,817
15,937
16,057
16,176
16,296
16,415
16,534
16,653
1600
16,771
16,890
17,008
17,125
17,243
17,360
17,477
17,594
17,711
17,826
1700
17,942
18,056
18, \70
18,282
18,394
18,504
18,612
204
4.6 TERMOELEKTRICKÝ ČLÁNEK TYPU R (Pt13Rh-Pt) - E (mV)
t (DC)
O
10
20
30
40
50
60
70
80
90
°
0,000
0,054
0,111
0,171
0,232
0,296
0.363
0,431
0,501
0,573
100
0,647
0,723
0,800
0,879
0,959
1,041
1,124
1,208
1,294
1,380
200
1,468
1,557
1,647
1,738
1,830
1,923
2,017
2, I I I
2,207
2.303
300
2,400
2,498
2,596
2,695
2,795
2,896
2,997
3,099
3,201
3,304
400
3,407
3,511
3,616
3,721
3,826
3,933
4,039
4,146
4,254
4,362
500
4,471
4,580
4,689
4,799
4,910
5,021
5,132
5,244
5,356
5,469
600
5,582
5,696
5,810
5,925
6,040
6,155
6,272
6,388
6,505
6,623
700
6,741
6,860
6,979
7,098
7,218
7,339
7,460
7,582
7,703
7,826
800
7,949
8,072
8,196
8,320
8,445
8,570
8,696
8,822
8,949
9,076
900
9,203
9,331
9,460
9,589
9,718
9,848
9,978
] 0, I09
]0,240
10,371
]000
10,503
10,636
]0,768
10,902
11,035
11,170
I 1,304
11,439
11,574
11,710
1] 00
11,846
I] ,983
12,119
12,257
12,394
12,532
12,669
12,808
12,946
13,065
1200
13,224
13,363
13,502
13,642
13,782
13,922
14,062
]4;202
14,343
14,483
1300
14,624
14,765
]4,906
15,047
15, ] 88
15,329
15,470
15,61 1
15,752
15,983
1400
16,035
16,176
16,317
16,458
16,599
16,741
16,882
17,022
17,163
17,304
1500
17,445
17,585
17,726
] 7,866
18,006
18,146
18,286
18,425
] 8,564
18,703
1600
18,842
18,981
19,119
19,257
19,395
19,533
19,670
19,807
19,944
20,080
1700
20,215
20,350
20,483
20,615
20,748
20,878
21,006
4.7 TERMOELEKTRICKÝ ČLÁNEK TYPU B (Pt30Rh-Pt6Rh) - E (mY) , (DC)
20
30
40
50
60
70
80
90
°
°
10
0,000
-0,002
-0,003
-0,002
0,000
0,002
0,006
0,0 II
0,017
0,025
100
0,033
0,043
0,053
0,065
0,078
0,092
0, ID7
O, ]/3
0,140
0,] 59
200
0,178
0,199
0,220
0,243
0,266
0,291
0,317
0,344
0,372
0,40 ]
300
0,431
0,462
0,494
0,527
0,561
0,596
0,632
0,669
0,707
0,746
400
0,786
0,827
0,870
0,913
0,957
1,002
1,048
],095
],143
1, ]92
500
1,241
1,292
1,344
1,397
1,450
1,505
1,560
1,617
] ,674
1,732
600
1,79 ]
1,851
1,9] 2
1,974
2,036
2,100
2,] 64
2,/30
2,296
2,363
700
2,430
2,499
2,569
2,639
2,710
2,782
2,855
2,928
3,003
3,078
800
3,154
3,231
3,308
3,387
3,466
3,546
3,626
3,708
3,790
3,873
900
3,957
4,041
4,] 26
4,212
4,298
4,386
4,474
4,562
4,652
4,742
IDOO
4,833
4,924
5,016
5,109
5,202
5,297
5,391
5,487
5,583
5,680
1100
5,777
5,875
5,973
6,073
6,172
6,273
6,374
6,475
6,577
6,680
]200
6,783
6,887
6,991
7,096
7,202
7,308
7,4 ]4
7,521
7,628
7,736
1300
7,845
7,953
8,063
8,] 72
8,283
8,393
8,504
8,616
8,727
8,839
1400
8,952
9,065
9,178
9,29]
9,405
9,519
9,634
9,748
9,863
9,979
]500
10,094
10,210
10,325
10,441
10,558
10,674
10,790
10,907
] ] ,024
11,141
1600
11,257
11,374
11,49 ]
11,608
11,725
11,842
11,959
12,076
12,193
12,310
1700
12,426
12,543
12,659
12,776
12,892
13,008
13,124
13,239
13,354
13,470
1800
13,585
13,699
13,814
205
v,.
vv
v
,
PRlLOHA 5: HODNOTY MERICIHO ODPORU PtlOO PODLE IEC-CSN 751 R(D.)
t (0C)
O
JO
20
30
40
50
60
70
80
90
O 100
100,000
103,903
107,794
111,673
115,541
] 19,397
123,242
127,075
130,897
134,707
138,506
142,293
146,068
149,832
153,584
167,325
161,054
164,772
]68,478
]72,173
200
175,856
179,528
183,188
186,836
190,473
194,098
197,712
201,314
204,905
208,484
300
212,052
215,608
219,152
222,685
226,206
229,716
233,214
236,701
240,] 76
243,640
400
247,092
250,533
253,962
257,379
260,785
264,179
267,562
270,933
274,293
277,641
500
280,978
284,303
287,6]6
290,918
294,208
297,487
300,754
304,010
307,254
3] 0,487
600
313,708
316,918
320,116
323,302
326,477
329,640
332,792
335,932
339,061
342,178
700
345,248
348,378
351,460
354,531
357,590
360,638
363,674
366,699
369,712
372,714
800
375,704
378,683
381,650
384,605
387,549
390,481
v
r
v
r
v
PRlLOHA 6: HODNOTY MERICIHO ODPORU NilOO Rl (Q)
tCC)
O
+10
+20
+30
+40
+50
+60
+70
+80
+90
-O O
100,0 100,0 161,7
94,6 105,6 168,7
89,3 I 11,3 175,9
84, I I 17, I 183,3
79, I 123,0 190,9
74,2 129, I 198,7
69,5 153,3 205,6
-
-
-
141,6 214,6
148,2 223, I
154,9
100 v
,
v
,
o
PRlLOHA 7: NOMOGRAM PRO URCENI VISKOZITY VODY A PLYNU ~.
r: •
.
~) ....
I,tJ
30
('I1.rJ. ............ .-
Vl
~~ ..... "'í...
-
V .....
\.
~ l/
.......
~
V --::::: .......čO)
., "\J~"'"
,...".
. //t"f{COz)
.".... / ~ ~ ./ ... ... I\. . /I--""'" ,,/ ,;'
....
"'-I"""--.
20
~
"t (H1)
I'- ~o~
o o
V"
-.-
(00
-.. t (Oe ) 206
200
.
-
PŘÍLOHA 8: TABULKA A NOMOGRAM PRO VÝPOČET NORMALIZOVANÉ CLONY
f32
a
f32. a
ReOhr'k
ReOhr'IOI
0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70
0,598 0,602 0,608 0,615 0,624 0,634 0,645 0,660 0,676 0,695 0,716 0,740 0,768 0,802
0,0299 0,0602 0,0912 0,1230 0,1560 0,1902 0,2258 0,2640 0,3042 0,3475 0,3938 0,4440 0,4992 0,5614
24000 34000 50000 72 000 99000 137000 175 000 205000 265000 325000 420000 565000 780000 1 100000
24000 30000 41 000 56000 75000 94000 128000 142000 167000 186000 220000 245000 275000 305000
10
20
""o
JO
so
6'0
80
70
~
I 2
J
/
~
1/
- -
..
/
"
~
d
.l.
~I
'8
~-
~I
S·
~7
·
V·
~
·
I
/
V~ť" /V II'
I
12
· :1
,.,. .
.
;."
I
'8
J
/
/ 11
o
/
..j:- f
~/ 1/
J
/
1/'
V v
•
/
/
/
v
v'
)
V ,,' VI -I
.
./
. ......,
l!
I
vtl
/1 "
.'J
/1 /1 V
·e
/ 1/ J
/
I
Id-
/
/ 1/
'~f
'6
0,50
~10
V
V
/'
J ....V
()
207
PŘÍLOHA 9: NOMOGRAM PRO URČENÍ EXPANZNÍHO SOUČINITELE PRO Pl - P2 < 0,08 Pl
o
0,01
~02
0,05
0,06'
0;07
0,08
'I
, I I I
I
, 0/17
208
~oo
PŘÍLOHA 10: NOMOGRAM PRO URČENÍ EXPANZNÍHO SOUČINITELE PRO Pl - P2 > 0,08 PI
q50
o I
I I
t
I
+ I I
I
~78
~82
---i......
086 C 209
~qO
~q~
PŘÍLOHA ll: PSYCHROMETRICKÁ TABULKA PRO ASPIRAČNÍ PSYCHROMETR tl
eq -10 -8 -6 -4 -2 O
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
0,2 90 91 93 94 95 96 97 97 98 98 98 98 98 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99
0,4 84 85 87 90 92 92
94 94 95 95 95 96 96 97 97 97 97 97 97 97 97 97 97 97 98 98
0,6 79 80 82 85 88 89 91 92 92 92 92 93 94 95 95 95 95 95 95 96 96 96 96 96 96 97
0,8 1,0 73 67 75 70 77 73 81 77 84 80 85 82 86 84 88 85 89 86 89 87 90 88 91 89 92 90 93 91 93 91 93 91 93 91 93 92 93 93 94 93 94 93 94 93 94 93 95 93 95 94 95 94
1,2 61 64 68 73 76 78 80 83 83 84 85 87 88 89 89 90 90 90 90 91 91 91 92 92 93 93
1,4 1,6 54 48 59 54 64 59 69 65 72 69 74 71 77 75 80 77 80 78 81 79 83 80 85 82 86 84 87 85 87 85 88 86 88 86 88 86 88 87 89 88 89 88 90 89 90 89 91 90 91 90 92 91
1,8 43 49 55 61 65 68 72
74 75 77
78 80 82 83 83 84 85 85 85 86 87 87 88 88 89 89
= tj
- tm
2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 38 32 26 20 15 10 45 41 37 32 27 22 51 47 43 39 35 32 57 53 49 45 41 38 62 58 55 5 I 47 44 65 61 57 54 51 48 68 64 61 59 56 53 71 68 65 63 60 58 73 70 67 65 62 60 75 72 70 68 65 63 76 74 72 70 67 65 78 76 74 72 70 68 80 78 76 74 72 70 81 79 77 76 74 72 81 80 78 77 75 73 82 81 80 78 76 74 83 81 80 79 77 75 84 82 81 80 78 76 84 83 82 81 79 77 85 84 83 81 79 78 86 85 84 82 80 79 86 85 84 83 81 80 87 86 84 83 82 81 87 86 85 84 82 81 88 87 85 84 83 82 88 87 86 85 84 82
210
3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 18 28 34 41 45 49 54 57 60 64 66 68 70 71
14 24 30 37 42 47 52 54 58 61 64 66 68 70 72 70 74 72 75 73 76 74 76 75 77 76 78 77 80 78 80 79 81 80 81 80
21 27 34 39 44 48 52 55 59 62 64 66 68 69 71
18 24 31 36 41 46 50 53 57 60 62 64 66 68 69 72 70 72 71 73 72 74 73 76 75 77 76 78 77 79 77 79 78
15 22 29 33 39 43 47 51 54 57 60 62 64 66 68 69 70 71 72
74 75 75 76 77
PSYCHROMETRlCKÁ TABULKA - pokračování tl
ce)
pro t!t =
tl - t m
4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10 10,5 II 11,5 12 12,5 -10 -8 -6 -4 19 16 -2 26 24 o 30 27 2 36 33 4 41 39 6 45 42 8 48 46 10 52 50 12 , 55 53 14 58 56 16 60 58 18 62 60 20 64 63 22 66 65 24 67 66 26 68 67 28 70 68 30 71 70 32 72 71 34 73 72 36 74 73 38 75 74 40 76 75
13 21 25 31 36 40 44 48 51 54 57 59 61 63 65 66 67 69 70 71
II 19 22 28 33 38 42 46 50 53 55 58 60 62 63 65 66 67 69 70 72 71 73 72 74 72
9 17 20 25 31 36 40 44 48 51 54 55 57 60 62 64 65 66 68 69 69 70 71
18 25 30 35 39 43 47 49 51 54 57 59 61 62 63 65 65 66 67 68
12 18 25 30 34 38 42 46 48 51 54 56 58 59 61 62 63 64 65 66
12 19 25 29 33 38 42 45 47 50 52 54 56 58 60 61 62 63 64
7 14 20 20 29 34 38 41 44 46 49 51 53 55 57 58 59 60 61
9 15 19 24 30 34 37 40 43 46 48 51 53 55 56 57 58 59
211
4 10 15 20 26 30 34 36 40 43 45 47 50 52 53 54 55 56
5 9 15 22 26 31 33 37 40 43 45 47 49 51 52 53 54
5 II 18 23 27 30 34 37 40 42 44 46 48 50 51 51
8 14 19 24 27 31 34 37 40 42 44 46 48 49 50
4 10 16 20 24 28 31 34 37 40 42 44 45 46 47
6 12 16 20 25 28 31 34 37 39 41 42 44 45
2 6 13 17 22 26 29 32 35 37 39 40 42 43
5 10 15 19 23 26 29 32 34 36 38 40 42
1 6 I1 16 20 24 27 30 32 34 36 38 40
3 9 13
18 21 24 27
29 32 34 36 38
v
r
"
PRILOHA 12: TABULKA NASYCENEHO VLHKEHO VZDUCHU t
pIt
<1)"
t
pIt
(kPa)
<1)" (g.m')
(0C)
(kPa)
(g.m")
(0C)
(kPa)
<1)" (g.m")
0,1030 0,1134 0,1247 0,1370 0,1505 0,1651 0,1810 0,1982 0,2170 0,2374 0,2596 0,2834 0,3096 0,3377 0,3682 0,4012 0,4369 0,4756 0,5173 0,5624 0,6180 0,6565 0,7054 0,7574 0,8129 0,8718 0,9346 1,001 1,072
0,889 0,967 1,058 1,158 1,267 1,385 1,509 1,649 1,799 1,961 2,136 2,323 2,527 2,747 2,985 3,238 3,514 3,812 4,131 4,474 4,827 5,182 5,555 5,945 6,357 6,793 7,256 7,746 8,263
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37
1,142 1,227 1,3 12 1,401 1,497 1,597 1,704 1,817 1,936 2,062 2,196 2,337 2,485 2,642 2,808 2,982 3,167 3,360 3,564 3,778 4,008 4,241 4,491 4,753 5,029 5,318 5,622 5,950 6,274
8,815 9,308 10,01 10,66 11,34 12,06 12,82 13,63 14,47 15,36 16,30 17,29 18,33 19,42 20,57 21,77 23,04 24,37 25,76 27,26 28,75 30,36 32,05 33,81 35,65 37,38 39,60 41,72 43,92
38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80
6,624 6,991 7,375 7,777 7,918 8,639 9,100 9,582 10,09 10,61 11,16 I 1,74 12,33 13,61 15,00 16,51 18,15 19,92 21,86 23,91 26,14 28,56 31,16 33,96 36,96 40,19 43,65 47,36
46,23 48,64 51,15 53,76 56,49 63,55 62,34 65,45 68,68 72,05 75,57 79,23 83,02 91,07 99,80 109,2 119,3 130,2 142,0 156,6 168,2 182,7 198,2 214,8 223,6 251,4 271,7 293,3
t
pIt
(0C) -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -1 I -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1
° 1 2 3 4 5 6 7 8
212
