plocha, hlavní jednotka tlaku je Pa

Měřicí a řídicí technika pro 1. roč. magisterského studia FPBT

Měření tlaku

Měření technologických veličin • Měření tlaku • Měření teploty • Měření průtoku a proteklého množství • Měření stavu hladiny • Měření koncentračních veličin

1

MĚŘENÍ TLAKU p=

F S

tlak = síla/plocha, hlavní jednotka tlaku je Pa

Základní pojmy: diference tlaku Δp = p1 – p2

přetlak

dynamický tlak - pd

celkový tlak - pc

statický tlak - ps

podtlak barometrický tlak - pb

absolutní tlak - pabs absolutní nulový tlak absolutní vakuum p = 0

normální barometrický tlak: pbn = 101 325 Pa

2

Přístroje pro měření tlaku • tlakoměr

souhrnný název pro všechny přístroje na měření tlaku

• manometr

tlakoměr pro měření přetlaku

• vakuometr

tlakoměr pro měření absolutního tlaku, který je menší než barometrický

• diferenční tlakoměr

tlakoměr pro měření rozdílu tlaků

Rozdělení technických tlakoměrů: ¾ hydrostatické ¾ deformační ¾ tlakoměry pístové ¾ snímače tlaku s elektrickým výstupem 3

2-FPBT09-Tlak.doc

1

K. Kadlec, 12.2.2009

Měřicí a řídicí technika pro 1. roč. magisterského studia FPBT

Měření tlaku

Hydrostatické tlakoměry •

využívá se účinku hydrostatického tlaku p = h.ρ.g

•

mírou tlaku je výška kapalinového sloupce h

•

měření tlaku se převádí na měření délky

•

údaj hydrostatických tlakoměrů je závislý na hustotě manometrické kapaliny a na teplotě

•

spolehlivé a přesné přístroje, využívané hlavně k laboratorním účelům

•

nevýhodou je, že neposkytují signál vhodný pro dálkový přenos a pro další zpracování

ρ1

ρ1 h

ρ2

p = h(ρ2 - ρ1)g pro

ρ2 >>ρ1 p = hρ2g 4

Typy hydrostatických tlakoměrů p = hρg

• U - tlakoměr

h2

h1 ¾ nejčastěji skleněná U-trubice ¾ manometrické kapaliny: rtuť, voda, alkohol, tetrachlor

• nádobkový tlakoměr ¾ modifikace U-tlakoměru s jedním rozšířeným ramenem (odečítá se výška hladiny v jednom rameni)

p = h2 ρ g (

h2

S1,2 jsou průřezy ramen

• plovákový tlakoměr

h1

¾ nádobkový tlakoměr s plovákem

p = ρ gl (

• mikromanometr

S2 + 1) S1

¾ nádobkový tlakoměr se šikmou trubicí ¾ nakloněním ramene se zvýší citlivost

S2 + sin α ) S1 l α 5

Deformační tlakoměry • princip je založen na pružné deformaci, a tím i na změně tvaru tlakoměrného prvku vlivem působení měřeného tlaku • oblast použití je vymezena platností Hookeova zákona • nejčastěji používané tlakoměry v průmyslu

Nejčastěji používané tlakoměrné prvky jsou: Bourdonova trubice

membrána

tlakoměrná krabice

vlnovec ΔI

ΔI

ΔI

ΔI

Δp

Δp

Δp

vlnovec

Δp

pružina

6

2-FPBT09-Tlak.doc

2

K. Kadlec, 12.2.2009

Měřicí a řídicí technika pro 1. roč. magisterského studia FPBT

Měření tlaku

Trubicový (Bourdonův) tlakoměr • Bourdonova trubice – trubice eliptického průřezu stočená do kruhového oblouku – jedním koncem pevně spojená s přívodním šroubením – volný konec trubice je uzavřen a spojen přes převod s ukazovatelem

Δl

Δp

• nejpoužívanější typ deformačních tlakoměrů • možno použít pro měření přetlaku i podtlaku • měřicí rozsahy:

p

– od (0 do 0,5) MPa až do 2 000 MPa

8

Membránový tlakoměr • tlakoměrným elementem je kovová membrána ¾ membrána je sevřena mezi dvěma přírubami ¾ tlak je možno přivádět z jedné strany nebo z obou stran ¾ průhyb membrány se přenáší na ukazovatel • zvýšená odolnost manometru před nepříznivými vlivy ¾ pokrytí membrány lakem, gumou, teflonem ¾ odolnější proti otřesům a vibracím

p

• vhodné pro měření přetlaku, podtlaku a diferencí tlaku • měřicí rozsahy: ¾ do 4 MPa

9

Vlnovcový tlakoměr • tlakoměrným elementem je vlnovec ¾ tenkostěnný kovový měch umístěný v pouzdře ¾ tlak je možno přivádět z jedné strany nebo z obou stran ¾ tuhost vlnovce, a tím průběh charakteristiky lze upravit vložením pružiny ¾ deformace vlnovce se přenáší na ukazovatel • vlnovec má dobrou linearitu a značnou přestavující sílu

Δl

vlnovec

pružina

Δp

• často používaný prvek u pneumatických regulačních systémů • měřicí rozsahy: ¾ do 0,4 MPa

2-FPBT09-Tlak.doc

10

3

K. Kadlec, 12.2.2009

Měřicí a řídicí technika pro 1. roč. magisterského studia FPBT

Měření tlaku

Vlastnosti deformačních tlakoměrů: • hlavní přednosti: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾

velká přestavující síla robustní měřicí systém velký měřicí rozsah jednoduchost, spolehlivost v provozu jednoduchá obsluha a údržba, nízká cena

• nevýhody: ¾ ¾ ¾ ¾

elastické dopružování případně trvalá deformace během provozu statická charakteristika vykazuje hysterezi vyžadují pravidelnou kalibrační kontrolu neposkytují elektrický výstupní signál 9 je nutno použít přídavný převodník na elektrický signál (odporový, kapacitní či indukčnostní) 11

Tlakoměry pístové GZ + GP

• podstatnou součástí tlakoměru je píst přesného průřezu umístěný ve válci • jako tlakové médium se používá vzduch, voda nebo olej • tlaková síla na píst je kompenzována tíhou pístu a závaží

p=

závaží průřez S

GZ + GP S

GZ, GP S

píst

- tíha závaží a pístu - plocha pístu

• měří na základě definice tlaku • měření tlaku se převádí na měření síly

válec

• silový účinek je kompenzován například závažím nebo pružinou

olej

měřený tlak

• používají se zejména ke kalibračním účelům

12

Pístový tlakoměr • přístroj vykazuje vysokou přesnost • používá se pro ověřování a kalibraci deformačních manometrů • aby se vyloučilo tření pístu o pouzdro, je nutné pístem otáčet

závaží ověřovaný manometr

závaží

pístový tlakoměr nastavení tlaku 2-FPBT09-Tlak.doc

4

13

K. Kadlec, 12.2.2009

Měřicí a řídicí technika pro 1. roč. magisterského studia FPBT

Měření tlaku

Snímače tlaku s elektrickým výstupem • Základem je deformační tlakoměrný prvek: membrána, trubice, vlnovec, krabice, nosník • Na deformační prvek (primární senzor) navazuje vhodný senzor s elektrickým výstupem (sekundární senzor), který vyhodnocuje deformaci způsobenou změnou měřeného tlaku. tlak

deformační prvek (primární senzor)

elektrická veličina

převod na elektrický signál (sekundární senzor)

poloha mechnanické napěti

• Výsledkem působení síly při deformaci měřicího prvku je buď změna polohy nebo změna mechanického napětí. • K převodu na elektrický signál se využívají: • senzory polohy potenciometrické, indukčnostní, kapacitní, optické • senzory mechanického napětí tenzometrické, piezoelektrické, rezonanční

14

Tlakoměry s potenciometrickým a indukčnostním senzorem polohy • Jezdec potenciometru je mechanicky spojen s deformačním prvkem, jehož deformace vyvolává změnu polohy jezdce (Δx), která se vyhodnocuje jako změna odporu (ΔR). • U indukčnostního senzoru vyvolá změna tlaku změnu polohy (Δx) feromagnetického jádra diferenčního transformátoru, což způsobí změnu vzájemné indukčnosti (ΔM) mezi primárním a sekundárním vinutím transformátoru. diferenční transformátor

S1 P

jezdec potenciometru deformační prvek

S2

' X ' X

'R

jádro

deformační prvek ' X

p

'M

' X

p

15

Kapacitní snímače tlaku Princip: • jedna elektroda kondenzátoru je tvořena membránou, jejíž poloha se mění při působení tlaku • změna vzdálenosti elektrod kondenzátoru se projeví změnou jeho kapacity

S C = ε oε r d

p C

C

C=

ε0 - permitivita vakua εr - relativní permitivita

S - plocha elektrod d - vzdálenost elektrod

k d

d

nelineární statická charakteristika 16

2-FPBT09-Tlak.doc

5

K. Kadlec, 12.2.2009

Měřicí a řídicí technika pro 1. roč. magisterského studia FPBT

Měření tlaku

Kapacitní snímač rozdílu tlaků • •

membrána tvoří střední pohyblivou elektrodu pevné elektrody jsou umístěny na izolantu (sklo)

•

vnitřní prostor senzoru je vyplněn silikonovým olejem a od vnějšího prostředí jej oddělují kovové oddělovací membrány tlak působící na oddělovací membrány se prostřednictvím oddělovací membrána kapalné náplně přenáší na p1 měřicí membránu

•

Aplikace: • měření diference tlaku, často ve spojení s průřezovým měřidlem • měřicí rozsah: silikonový 100 Pa až 40 MPa olej

C1

C2

p2

měřicí membrána

skleněná izolace

17

Provedení kapacitního snímače tlaku • kapacitní senzory tlaku jsou vyráběné mikroelektromechanickými postupy a jsou charakterizovány miniaturizací a vysokou kvalitou čidel • snímač Rosemount 3051S s koplanárním (rovinným) připojením: • řez snímačem:

• snímač s ventilovou soupravou a převodníkem:

převodník ventilová souprava

19

Snímače s odporovými tenzometry Princip odporového tenzometru: ¾ odporový tenzometr je senzor, u něhož se mění elektrický odpor při mechanickém namáhání (zpravidla tahem nebo tlakem) v oblasti pružných deformací

Odporové tenzometry: • kovové

Δl F

d

¾ při deformaci kovových vodičů se mění jejich rozměry, což vede ke změně jejich elektrického odporu

l

R=ρ • polovodičové

l S

¾ vyrábějí se z monokrystalu křemíku ¾ působením mechanického namáhání dochází v polovodiči ke změně pohyblivosti nábojů, a tím se mění elektrická vodivost a odpor senzoru (piezorezistivní jev) 2-FPBT09-Tlak.doc

6

20

K. Kadlec, 12.2.2009

Měřicí a řídicí technika pro 1. roč. magisterského studia FPBT

Měření tlaku

Provedení odporového tenzometru Kovové tenzometry:

ΔR = k ⋅ε R Δl ε= l

k - koeficient deformační citlivosti ε - poměrná deformace R - odpor tenzometru

křemík

Polovodičové tenzometry:

ΔR = k1 ⋅ ε + k 2 ⋅ ε 2 R

• tenké odporové drátky ve tvaru vlásenky • foliové - vytvořené odleptáním kovové vrstvy

přívody

• řezáním, broušením či leptáním z monokrystalu křemíku • citlivější než kovové, závislost na teplotě 21

Snímače tlaku s odporovými tenzometry F

Siloměrný měřicí člen

TAH A

• pružný vetknutý nosník s nalepenými tenzometry • povrchová vlákna nosníku jsou namáhána tahem i tlakem • 4 tenzometry zapojené do můstku • zvýšení citlivosti měření • potlačení nelinearity • potlačení vlivu teploty

B TLAK

F

R2

R3

R4

siloměrný člen

vlnovec

Snímač tlaku se siloměrným členem:

R1

p

tenzometry

měřicí Wheatstoneův můstek s tenzometry

zesilovač

22

Snímače tlaku s difundovanými tenzometry • na povrchu křemíkové membrány jsou difúzní technologií vytvořeny piezorezistivní elementy (polovodičové tenzometry) • membrána je současně pružným elementem pro snímání tlaku • mechanické napětí povrchových vláken membrány se měří tenzometricky Provedení měřicí cely: kontakt

Schéma:

p

p

tlak

piezorezistivní elementy

tah

h průměr membrány: 0,8 až 6 mm

skleněná nosná vrstva

2-FPBT09-Tlak.doc

křemíková membrána referenční tlak

7

23

K. Kadlec, 12.2.2009

Měřicí a řídicí technika pro 1. roč. magisterského studia FPBT

Měření tlaku

Snímače tlaku s difundovanými tenzometry • mezi hlavní přednosti křemíkové membrány jako deformačního prvku patří platnost Hookova zákona v širokém rozsahu deformací a zanedbatelná hystereze • křemíkové čidlo chrání silikonová náplň s oddělovací membránou oddělovací membrána

p

tenzometrická membrána

absolutní tlak

rozdíl tlaků

přetlak

silikonový olej

vakuum

atmosféra

referenční tlak

24

Piezoelektrické snímače Princip: piezoelektrický jev

• při mechanické deformaci některých krystalů (např. křemene, BaTiO3) dochází uvnitř dielektrika k polarizaci a na plochách k vyvolání elektrického náboje

Piezoelektrický senzor: • • • •

výbrus z krystalu, který má piezoelektrické vlastnosti x - elektrická osa, y - mechanická osa na plochách kolmých k elektrické ose jsou naneseny elektrody velikost náboje Q je úměrná působící síle F

Podélný piezoelektrický jev: –

+

Příčný piezoelektrický jev:

Q = k Fx

– Fy

+

Q = −k Fy

b a

x Fx

Fx y

Fy

b, a - rozměry výbrusu k - konstanta [C.N-1] 25

Piezoelektrický snímač tlaku • při silovém působení na výbrus dochází k vyvolání náboje • piezoelektrický snímač je generátorem elektrického signálu • snímač představuje zdroj napětí s vysokým vnitřním odporem

U=

Q k ⋅ Fx = C C

Schéma snímače:

U - výstupní napětí snímače

piezoelektrické výbrusy

• při měření je nutno použít zesilovač s vysokým vstupním odporem • • • • •

zesilovač tvoří součást snímače snímač má velmi rychlou odezvu snímač má malé rozměry vhodný pro měření rychlých dějů vhodný pro měření za vysokých teplot

centrální elektroda

p

• měřicí rozsah až do 100 MPa

2-FPBT09-Tlak.doc

8

26

K. Kadlec, 12.2.2009

Měřicí a řídicí technika pro 1. roč. magisterského studia FPBT

Měření tlaku

Rezonanční snímače tlaku Princip: • využívá se závislosti rezonanční frekvence mechanického kmitání rezonančního elementu na jeho mechanickém napětí budicí a snímací cívka

p

membrána

rezonující struna

• pro kmitající strunu platí, že vlastní frekvence struny f0 závisí na síle F napínající strunu o délce l a hmotnosti m

f0 =

1 F 2 m⋅l

27

Princip rezonančního snímače tlaku Rezonanční element: ¾ struna ¾ membrána ¾ válec ¾ mikromechanický prvek

měřený tlak převodní mechanizmus mechanické napětí

mechanické kmitání buzené elektronickým zesilovačem

rezonanční element změna frekvence

Rezonanční frekvenci rezonátoru ovlivňuje: ¾ tvar, rozměr ¾ měrná hmotnost elementu ¾ modul pružnosti materiálu ¾ mechanické napětí

28

Mikromechanický snímač tlaku • mikromechanický křemíkový rezonanční element vytvořený litografickou technikou z monokrystalu křemíku • rezonátor je rozkmitáván elektromagneticky nebo elektrostaticky křemíkový mikrorezonátor

Křemíková membrána

Změna tlaku vyvolá změnu mechanického napětí v rezonančním elementu, a tím i změnu frekvence vlastních kmitů rezonátoru 2-FPBT09-Tlak.doc

9

mikrorezonátor deformovaný mechanickým napětím 29

K. Kadlec, 12.2.2009

Měřicí a řídicí technika pro 1. roč. magisterského studia FPBT

Měření tlaku

Vlastnosti rezonančních snímačů tlaku • • • • •

jeden z nejpřesnějších druhů snímačů tlaku výstupem je frekvence, jednoduchý převod na číslicový signál změna frekvence vlastních kmitů rezonátoru v rozmezí 35 až 45 kHz měřicí rozsahy: od 0 - 150 kPa do 0 - 50 MPa přesnost ve standardním provedení 0,04 % po zkorigování vlivu teploty dosažitelná přesnost až 0,01 %

Vliv teploty: • ovlivnění modulu pružnosti • ovlivnění rozměrů elementu vlivem roztažnosti • korekce v elektronické části

Snímač tlaku DPharp EJX YOKOGAVA

Výstupní signál: • elektronické zpracování signálu v číslicových obvodech s diagnostikou • měří současně statický tlak i rozdíl tlaků • 4 až 20 mA, HART

30

Ukázky provedení elektrických tlakoměrů: Příruční tlakoměr s tenzometrickým senzorem: přívody tlaku

Snímače tlaku s tenzometrickým nebo piezoelektrickým senzorem:

BD SENSORS

BHV SENSORY

membrána s difundovanými tenzometry EMERSON

CRESSTO

31

Inteligentní převodník tlaku • snímač je doplněn měřením a korekcí vlivu teploty • možnost volby režimu měření absolutního tlaku, přetlaku, diference tlaku • volba nastavení nuly a měřicího rozsahu • linearizace charakteristiky • analogový a číslicový výstupní signál

měřicí zesilovač

A/D převodník

t p1

MIKROPROCESOR • linearizace • změna rozsahu • jednotky • funkce regulátoru • tlumení • diagnostika • komunikace

D/A převodník číslicová komunikace

digitální komunikátor

p2 rozsah

kapacitní senzor tlaku 2-FPBT09-Tlak.doc

analogový signál 4-20 mA

nula

EEPROM konstanty linearizace konstanty rozsahu konfigurace snímače

10

HART-protokol 32

K. Kadlec, 12.2.2009

Měřicí a řídicí technika pro 1. roč. magisterského studia FPBT

Měření tlaku

Měření tlaku - souhrn Probrali jsme: • hydrostatické tlakoměry ¾ pro laboratorní měření

• deformační tlakoměry ¾ nejrozšířenější pro běžné provozní měření

• pístové tlakoměry ¾ pro kalibrační účely

• elektrické převodníky tlaku ¾ kapacitní, tenzometrické, piezoelektrické a rezonanční ¾ moderní snímače pro provozní aplikace v měřicích a řídicích obvodech 29

Odborná a firemní literatura Jenčík J., Volf J.: Technická měření. Vydavatelství ČVUT Praha, 2003 Chudý V., Palenčár R., Kureková E., Halaj M.: Meranie technických veličín, STU Bratislava 1999 Mikan J: Měření plynu. GAS s.r.o., Říčany u Prahy, 2003 Bentley J.P.: Principles of Measurement Systems. Pearson Education Limited, 2005 Dyer S.A.: Survey of Instrumentation and Measurement. John Wiley & Sons, 2001 Kadlec K.: Snímače tlaku – principy, vlastnosti, použití (část 1 až 4). AUTOMA č. 2, 7, 10, 11 (2007) 45

Odborná a firemní literatura Internetové odkazy: http://www.bdsensors.cz http://www.bhvsenzory.cz http://www.cressto.cz http://www.datacon.cz, http://www.datacon.cz/druck.html http://www.dex.cz http://www.emersonprocess.cz, http://www.emersonprocess.com http://www.endress.cz, http://www.endress.com http://www.jsp.cz http://www.jumo.cz http://www.kobold.com http://www.tectra.cz http://www.yokogawa.cz, http://www.yokogawa.com 46

2-FPBT09-Tlak.doc

11

K. Kadlec, 12.2.2009