1
SPŠ a VOŠ Písek, Karla Čapka 402, 397 01 Písek
Průvodní zpráva k projektu 0862P2006 Implementace e-learningu do výuky automatizační techniky část II Učební texty - snímače
autoři: Ing. Miroslav Paul Ing. Michal Burger V Písku dne 30.11.2006
2
Snímače polohy Úvod Pokud budeme řešit regulační obvod RO, tak spojovacími prvky mezi technickým procesem tj. regulovanou soustavou RS a řídícím programem v PLC tj. regulátorem R, jsou snímače a akční členy. Snímače mají za úkol měřit a vyhodnocovat fyzikální veličinu – regulovanou veličinu y. Akční členy slouží pro vykonání zpracované úlohy, nastavení, řízení – akční veličiny u. w
e=w-y
y
RS
u
R
Byly vyvinuty různé typy snímačů - spojité, nespojité, diskrétní. Jednotlivé typy snímačů používají různé fyzikální principy, v závislosti na tom, jakou fyzikální veličinu snímají, na jakou výstupní veličinu ji převádějí a jaký fyzikální princip využívají při tomto převodu. Pro použití v pneumatických obvodech budou zapotřebí zejména následující typy snímačů: ✗
snímače polohy nespojité: jazýčková relé, magnetické snímače
✗
snímače polohy inkrementální
✗
snímače polohy absolutní
✗
snímače tlaku/podtlaku/vakua
snímače průtoku. Postupně se zvyšuje obsah inteligence snímačů, která se implementuje do snímačů – vznikají tzv. SMART snímače, které v sobě obsahují řídící mikropočítač, nastavovací obvody a rozhraní, umožnující komunikovat analogovými unifikovanými signály nebo číslicově. ✗
snímač
zesilovač
A/D
µP
Převod na unifikovaný signál 4-20mA
Komunikační rozhraní RS 232 (RS485)
Také roste podíl snímačů, které jsou schopné měřit speciální fyzikální veličiny, jako např. vlhkost, náklon nebo i vážit. Klasické snímače jsou zapojované přímo na digitální nebo analogové vstupy PLC. Nové generace snímačů je možné zapojit na sériová komunikační rozhraní PLC.
Analogové snímače Digitální snímače jsou vyhotovené tak, že na jejich výstupu jsou stavy „zap“ (1) anebo „vyp“ (0), tyto jsou potom připojeny na binární vstupy PLC. Snímače dokáží i více jako spínat ve dvou stavech. Některé snímače umožňují i měření spojité, na jejich analogovém výstupu dostáváme napětí nebo proud, které se dají zpracovat na analogovém vstupu PLC a následně upravit na číslicový signál apod.
3
Aby se předešlo problémům a pro lepší spolupráci zařízení byly stanoveny normy na hodnoty výstupních napětí a proudů tzv. unifikované signály: ✔ ✔ ✔ ✔
Unipolární napětí: 0 - 10 V Bipolární napětí: -10 až +10 V Proud: 0 - 20 mA Proud: 4 - 20 mA
Bezdotykové snímače polohy Při bezdotykovém snímání polohy nedochází k přímému styku snímače s měřeným objektem. Využívá se působení elektromagnetického, magnetického, elektrostatického nebo elektrického pole objektu nebo změny uvedených polí při vzájemném pohybu snímače a měřené součásti a tím sledovaného parametru snímače. Tak lze rozlišit více druhů bezdotykových snímačů, jako snímače s jazýčkovým relé, elektronické, indukční, indukčnostní, kapacitní, magnetické, optické a další. S těmito snímači je možné detekovat kovové, nekovové a plastové materiály a nebo snímat jen magnetické pole. Pro náročné aplikace lze použít ultrazvukový snímač, který pracuje na principu vysílání ultrazvukových signálů do okolí, při jeho zachycení předmětem, se aktivuje spínač. Příklady použití snímačů: Snímání polohy válců, dveří, pák apod. Snímání předmětů, čtení, snímání koncových poloh, hlídání dveří apod.
Snímání polohy válce. . Snímač s jazýčkovým relé Jazýčkové relé je nejčastěji používané na snímání polohy pneumatických válců. Konstrukčně se jedná o dva tenké dráty, které jsou zatavené ve skleněné trubičce, která je naplněná inertním plynem. Po přiblížení pístu válce s permanentním magnetem, magnetické pole, které se vytváří kolem permanentního magnetu drátky jazýčkového relé zmagnetuje a ty se přitáhnou - kontakty se spojí a tím se sepne signalizační obvod. Obvody pro ochranu kontaktů se používají v případě: ✔ spínání induktivní zátěže ✔ vodiče připojující snímač do obvodu jsou delší než 5 m ✔ spínané napětí je větší než 100 V
Optický snímač.
4
Elektronický snímač Signál ze snímače (elektronického obvodu), který je citlivý na magnetické pole magnetu ( Hallova sonda, magnetoodpor,..) je zesílen obvykle tranzistorem a upraven Schmitovým klopným obvodem na logický signál. Logický stav je obvykle signalizován pomocí LED. Přednosti elektronických snímačů: • Odolnost proti vibracím • Vyšší životnost • Menší rozsah spínání (hystereze) Nevýhody: • Vyšší cena (cca o 30%) oproti jazýčkovému relé
Indukční snímač Jedná se o bezdotykový snímač. Je možné jej rozdělit do tří stupňů: −
− −
oscilátor vytvářející v cívce elektromagnetické pole, které je vyzařované ze snímače. Po přiblížení magneticky vodivého materiálu, se změní úroveň výstupního signálu snímače. hradlovací stupeň reaguje na změny výstupního signálu oscilátoru a převádí jej pomocí klopného obvodu na dvoustavový signál spínací stupeň upravuje výstupní výkon snímače
Kapacitní snímač I tento snímač pracuje bezdotykovým způsobem. RC-oscilátor kmitá na základní frekvenci. Působením vnějšího vlivu (přiblížením předmětu) dojde ke změně kapacity kondenzátoru a tím ke změně kmitočtu oscilátoru. Tato změna frekvence se vyhodnotí a sepne spínací stupeň. Protože mají materiály různou dielektrickou vodivost, vznikají velké rozdíly kmitočtů při změně vzdálenosti předmětu od snímače.
Ultrazvukový přibližovací snímač V ultrazvukovém přibližovacím snímači dochází k použití speciálního akustického měniče, který dovoluje vysílání a přijímání zvukových vln. Měnič vysílá určitý počet zvukových vln, které jsou předmětem odraženy. Po vyslání pulzů se ultrazvukový senzor přepne na přijímací režim. Čas mezi vysláním a příjmem zvukové vlny je úměrný vzdálenosti objektu od snímače. Pokud je výstup senzoru vybaven hradlovacím stupněm a spínacím výstupem, sepne se výstupní kontakt při přiblížení předmětu.
5
Optoelektronické senzory (světelné závory) Optoelektronické senzory jsou důležité komponenty automatizované výroby. Používají se pro rozpoznávání předmětů na větší vzdálenosti. Na trhu jsou dva různé fyzikální principy: −
Jednocestné světelné závory obsahují jeden vysílač a jeden přijímač, které jsou montovány proti sobě. Pro zjednodušení montáže je možné vysílač a přijímač umístit vedle sebe, paprsek se v tomto případě odráží od reflexní plochy umístěné proti vysílači-přijímači. K vyhodnocení přítomnosti předmětu dochází v obou případech při přerušení světelného paprsku.
−
U reflexních světelných závor se nachází vysílač a přijímač ve stejné schránce. Tyto mohou rozeznávat mezi objekty s různými vlastnostmi odrazu. Tak mohou reagovat na nějaký reflektor (zrcadlo) anebo jen na odraz objektu. V případě nepřítomnosti předmětu nebo přitomnosti v jiné, než sledované pozici, se paprsek odráží mimo identifikační zónu přijímače.
Tlakové snímače / senzory U tlakových snímačů se jedná o senzory: nespojité - spínají při určitém tlaku ✗ spojité – na výstupu je spojitá změna Mimo základních, mechanicky spínaných senzorů, existují dnes funkční principy, které využívají fyzikální vlastnosti piezokrystalů (piezoelektrický jev) anebo odporových tenzometrů . ✗
Piezoelektrická siloměrná technika Piezoelektrický element získáme z krystalu křemene tak, že vyřízneme destičku, jejíž hrany budou rovnoběžné s jednotlivými osami krystalu (X osa elektrická, Y - osa mechanická, Z - osa optická). Působí-li síla kolmo na optickou osu, krystal se zelektrizuje a na plochách kolmých na elektrickou osu se objeví elektrický náboj.
Krystal křemene
Výbrus snímače
Piezoelektrický jev
Působí-li na křemennou destičku rovnoměrně rozložená síla Fx podél elektrické osy X, hovoříme o tzv. podélném piezoelektrickém jevu a náboj Q, vznikající na každé stěně, kolmé k elektrické ose, bude Q = Kp . Fx , kde Kp je piezoelektrická konstanta (piezoelektrický modul). Z rovnice je vidět, že velikost nábojů, vznikajících při působení síly podél elektrické osy X, nezávisí na rozměrech krystalů.
6
Působí-li na krystal síla Fy ve směru mechanické osy Y, vznikají náboje opět na plochách kolmých na elektrickou osu, avšak směr polarizačního vektoru je záporný a velikost náboje závisí na geometrických rozměrech krystalu. Hovoříme o tzv. příčném piezoelektrickém jevu. Velikost náboje Q je dána vztahem kde b, a jsou rozměry destičky Piezoelektrický modul Kp křemene má poměrně malou hodnotu (10-7 V/Pa), avšak předností křemene je lineární statická charakteristika, nepatrná závislost piezoelektrické konstanty na teplotě, velký měřicí rozsah, který je dán mechanickou pevností krystalu a široké rozmezí teplot (maximálně do 550 ˚C). Působením síly F (= tlak × plocha) na piezokrystal (např. Quarz, Turmalin, BariumTitanat atd.) dojde k jeho deformaci. Přitom se posune v krystalové mřížce negativní bod mřížky proti pozitivnímu, takže na povrchu krystalu nastanou nábojové rozdíly jako funkce síly F. Při použití piezokrystalu je vrch a spodek zasazen do kovové fólie, která vede nábojové rozdíly k zesilovači náboje, který realizuje spínací výstup senzoru. Piezoelektrické snímače se používají především pro měření dynamických tlaků od frekvencí např. 3 až 5 Hz. Generují měřicí signál s chybou kolem 1 %. Je nutno dbát na to, aby hmotnosti částí, které přenášejí sílu na výbrus byly co nejmenší a aby měly také vlastnosti pružiny s lineární charakteristikou. Pokud se snímají průběhy tlaku tekutin s vysokou teplotou, je nezbytné chlazení snímače. Jejich výhodou jsou miniaturní rozměry, jednoduchost a umožňují měřit v nejširším frekvenčním rozsahu, např. do 100 kHz. Používají se zejména k měření tlaku, tlakové síly, zrychlení, výchylky a mechanického napětí. Odporový snímač / tenzometer Na tenké plastové fólii je nanesená několik pm tenká vrstva slitiny. Potom se procesem leptání vyrobí vinuté cesty. Odporové snímače se mohou nalepit např. na ocelový nosník. Natahováním anebo stláčením ocelového nosníku se odpor zvětšuje anebo zmenšuje. Vložením do můstkového zapojení mohou být tyto odporové změny zachycené a vyhodnocené. Odporový snímač se používá nejenom na měření roztažnosti v důsledku elastických napětí na povrchu materiálu, ale i k měření všech mechanicky měrných jednotek, které se dají vztahovat na proporcionální roztažnost elastických pružných těles. To jsou např. dráha, zrychlení, síly, ohybové momenty, kroutící momenty, tlaky plynů a tekutin. R = ρR . l / S
ρR . . . rezistivita materiálu l . . . délka vodiče S . . . průřez vodiče ΔR, Δρ, Δl, ΔS . . . diference jednotlivých veličin
7
Polovodičový tenzometr Tenzometrický rezistor (tenzometr) je odporový senzor, u něhož je změna elektrického odporu závislá na změně deformací tenzometru (tj. změny geometrických rozměrů, případně změna krystalografické orientace tenzometru) a na změně teploty prostředí. Základním měřeným parametrem je elektrický odpor R homogenního tělesa (vodič nebo polovodič), který je přímo úměrný změně délky vodiče a jeho průřezu. Například protahujeme-li odporový drátek v rozmezí pružné deformace silou F, zvětší se jeho odpor úměrně jeho prodloužení. Aby změna odporu byla co největší, je nutné aby i délka drátu byla co největší. Protože se změnou délky se mění i průřez vodiče a jeho měrný odpor, je skutečná změna odporu větší, než odpovídá prodloužení odporového drátku. Zvětšení odporu se vyjadřuje jako deformační citlivost, která je závislá na materiálu snímače (závislost poměrné změny odporu na poměrné deformaci ukazuje obrázek). Odporové tenzometry se vyrábějí z materiálu, který je málo citlivý na teplotě. Nejčastěji z konstantanu. Nyní se však v běžných aplikacích a hlavně v integrovaných senzorech používají polovodičové tenzometry s podstatně větší poměrnou deformační citlivostí. Jejich nevýhodou je však velká teplotní závislost a citlivost na světlo. Vlastnosti polovodičových tenzometrů • • • • •
60x vyšší deformační citlivost dovoluje měřit bez zesilovačů s běžnými ohmmetry, voltmetry a osciloskopy 60x vyšší prahová citlivost umožňuje změřit deformaci kovů již od miliontiny milimetru na délkovém metru malá šířka tenzometru dovoluje vytvářet malé a lehké snímače křemík se do 300°C deformuje bez měřitelné hystereze tenzometry z křemíku a zlata mají vynikající korozní odolnost
Při aplikaci polovodičových tenzometrů je nutno vždy teplotní závislost kompenzovat vhodným zapojením měřicího můstku nebo pomocným obvodem. Vhodným umístěním tenzometrů na zařízení jakož i vhodným uspořádáním tenzometrů do měřicího můstku je možno zvýšit citlivost měření a potlačit nelinearitu snímače a vliv ostatních ovlivňujících veličin. Přednosti snímačů s křemíkovými tenzometry • • • •
velký výstupní signál - desítky až stovky mV využitelnost i v prostředí s rušivými elektromagnetickými vlivy vysoká životnost - někdy až 109 cyklů plného pracovního zatížení odolnost proti soustavnému přetěžování do 200% jmenovitého rozsahu
8
Provedení polovodičových tenzometrů Deformací takto vytvořených rezistorů se mění výrazně pohyblivost nosičů nábojů a tím i vodivost. Tento jev se nazývá piezo-odporový efekt. Polovodičové tenzometry jsou malé a citlivé, ale silně teplotně závislé. Polovodičové tenzometry se vyrábí z křemíkového materiálu z důvodu zanedbatelné mechanické a krystalografické hystereze a použitelnosti pro širší rozsah teplot. Vyrábí se buď řezáním, broušením či leptáním monokrystalu nebo planárně difúzní technologií na křemíkový substrát. Tři nejběžnější tvarová provedení polovodičových tenzometrů Tenzometrický rezistor se obvykle skládá z vlastního snímače a podložky, která zajišťuje přenos deformace z povrchu měřeného objektu na vlastní čidlo. Současně tvoří podložka elektrickou izolaci.
Zapojení a umístění tenzometrů Tenzometry se téměř vždy zapojují do Wheatstonova můstku, buď plného, tj. všechny rezistory můstku jsou aktivní měřící tenzometry, nebo polovičního můstku, tzn. že dva rezistory jsou pevné hodnoty a co nejméně citlivé na okolní podmínky. Polovodičové tenzometry se velmi často používají v senzorech tlaku. Zde jsou často vyráběny již jako napevno integrované na membráně nebo nosníku. Následující obrázek ukazuje umístění tenzometrů na nosníku.
9
Použití polovodičových tenzometrů • • • • • • • • •
Měření deformací objektů Měření síly, tlaku, krouticího momentu, momentu síly, mechanického napětí spojů (např. svařovaných nebo lepených) Přesné váhy využívané například v automobilovém průmyslu Nedílná součást některých integrovaných senzorů tlaku, síly, váhy Měření vibrací a deformací apod. Měření a detekce pnutí vlivem teploty, externího zatížení apod. Měření rozsáhlých deformačních polí složitě namáhaných mechanických konstrukcí Váhy pro měření v aerodynamickém tunelu Přesné snímače zatížení
Přednosti snímačů s křemíkovými tenzometry • • • •
velký výstupní signál - desítky až stovky mV využitelnost i v prostředí s rušivými elektromagnetickými vlivy vysoká životnost - někdy až 109 cyklů plného pracovního zatížení odolnost proti soustavnému přetěžování do 200% jmenovitého rozsahu
Anemometry Anemometry jsou obecně měřidla či senzory hmotnostního průtoku, senzory množství proudících plynů nebo kapalin. Existuje mnoho fyzikálních principů používaných pro tyto účely. Základní vlastnosti • • • • • •
Obecně měření rychlosti proudění vzduchu už od cca 0.1 m/s (obecně je problém měřit pomalá proudění) až do cca 130 m/s s přesností od 0.1 m/s Měření průtoků v rozsahu 0 až 1000 m3/h někdy i více Reakční doba 500 ms až 3 s Teplota měřeného média může být -20 až 80°C Nízká citlivost na viskozitu, hustotu, teplotu a tlak měřeného média Velká citlivost
Použití: • • • • • • • • • •
pro měření čistých plynů - vzduch, nitrogen, hydrogen, helium, amoniak, argon a další průmyslové plyny nevhodný pro měřené směsí, zvláště těch s neznámým složením v zdravotnictví ve výrobě integrovaných obvodů v automobilovém průmyslu – sání a plnění válců spal. motorů v leteckém průmyslu – simulace, testování, regulace chemický a petrolejářský průmysl v elektrárnách a teplárnách v klimatizacích řízení kompresorů
10
Principy funkce Tepelné průtokoměry jsou založeny na závislosti výměny tepla mezi zdrojem a okolím na hmotnostním průtoku. Lze přitom použít dva přístupy: • •
měřit ochlazení žhaveného drátku - termoanemometry měřit oteplení tekutiny - Kalorimetrický snímače průtoku = diferenční termoanemometry
Termoanemometry Tento typ je průtokoměrů obsahuje pouze jeden aktivní/měřící prvek. Ten je vytvořen z tenkého platinového drátku nebo napařené vrstvičky na skleněné nebo křemenné trubičce nebo miniaturním perličkovým termistorem, který je neustále elektricky zahříván na konstantní teplotu. Snímač je pak umístění v měřící trubce. Proudící plyn procházející trubkou tento drátek ochlazuje a k zajištění jeho stejné konstantní teploty je tedy zapotřebí více energie, tj. vyšší protékající proud. Zvýšení nebo snížení odběru výkonu, resp. jeho absolutní hodnota, je úměrný zvýšení nebo snížení průtoku, resp. hodnotě průtoku nebo rychlosti proudění.
Měřící obvod termoanemometru s konstantní teplotou drátku
Dokonalejší je provedení se dvěmi snímači, kdy je tak možné zjišťovat i směr proudění, podle toho, který se ochlazován dříve.
Kalorimetrický snímač průtoku = Diferenční termoanemometr Kalorimetrický snímač, pracující na jako diferenční termoanemometr, pracuje na mírně odlišném principu. Zde již nepracuje jeden snímač zároveň jako zdroj tepla a snímač. K měření jsou použity pouze dva teplotní snímače (např. typu Pt100) a jedno topné tělísko. Jeden snímač (např. Pt100) měří aktuální teplotu okolního plynu (tlakového vzduchu), druhý je vyhříván topným tělískem na konstantní teplotní rozdíl vůči prvnímu. Čím vyšší je proudění plynu, tím více tepla je odváděno a tím více je ochlazován druhý Pt100. Aby se udržela konstantní teplotní diference, vyhřívací proud topného tělíska musí adekvátně vzrůst. Velikost vyhřívacího proudu je digitalizována a přivedena jako vstup do vyhodnocovací jednotky. Zde se jeho průběh linearizuje a na základě známých vnitřních rozměrů měřicího potrubí se vypočte aktuální průtok.
11
Diferenční anemometr využívá dvou vrstvových odporů R1 a R2 umístěných spolu s vyhřívacím odporem RH na izolačním podkladu. Při nulové rychlosti proudění tekutiny jsou odpory R1 a R2 zahřívány na stejnou teplotu a měřící můstek je vyvážen. Při nenulové rychlosti proudění tekutina ochlazuje přední odpor a zvýšeným přenosem tepla od RH ohřívá odpor zadní. Toto zapojení je obecně doporučováno pro citlivá měření malých průtoků. Měřící obvod diferenčního termoanemometru Teorie hmotnostního měření: Princip tepelného hmotnostního průtokoměru využívá vlastnosti molekul plynů vázat tepelnou energii (kvantitativně vyjádřeno veličinou měrná tepelná kapacita c p nebo měrné teplo). Velikost měrné tepelné kapacity je přímo závislá na hmotnosti a fyzikální struktuře molekuly. Hodnoty měrných tepelných kapacit jsou téměř nezávislé na změnách teploty a tlaku a jsou velmi dobře známy pro mnoho plynů. Velmi malá část plynu protéká měřicí kapilárou senzoru a je ohřívána topným tělesem T (RH). Přenosem tepla do proudícího plynu vznikne teplotní rozdíl mezi teplotami měřenými teplotně závislými odpory S1 (RT1) a S1 (RT2) před a za topným tělesem T. Změna elektrického odporu čidel je elektronickým systémem převáděna na výstupní napěťový signál nebo proudový signál. Na obrázku jsou teplotní čidla S1 a S2 zapojena do Wheatstoneova můstku.
Tlakoměry Přístroje pro měření tlaku se nazývají tlakoměry. Tlakoměry na měření přetlaků se označují zpravidla jako manometry, na měření podtlaků jako vakuometry a na měření tlakových rozdílů jako diferenční tlakoměry. Přístroje určené pro měření barometrického tlaku se označují jako barometry. Pro měření tlaku se využívá různých fyzikálních principů, které se liší podle charakteru převodu tlaku na výstupní signál. Technické tlakoměry můžeme rozdělit podle principu na tlakoměry hydrostatické, deformační, pístové a elektrické.
12
Hydrostatické tlakoměry Princip činnosti je založen na účinku hydrostatického tlaku, který vyvozuje sloupec kapaliny o výšce h a hustotě ρ Mírou tlaku je výška kapalinového sloupce h a měření tlaku je tak převedeno na měření délek. Protože hustota kapaliny je funkcí teploty, je i údaj hydrostatického tlakoměru závislý na teplotě. Jako tlakoměrné kapaliny se používá nejčastěji rtuti, vody, příp. alkoholu či tetrachloru. Délka trubic bývá maximálně 1,5 m, a tím je dán i rozsah měření tj. Např. 0,2 MPa pro rtuť, nebo 15 kPa pro vodu. Hydrostatické tlakoměry jsou většinou jednoduché, spolehlivé a přesné přístroje, používané zejména k laboratorním účelům, jejich nevýhodou je skutečnost, že neposkytují signál vhodný pro dálkový přenos a pro další zpracování v řídicích obvodech.
Deformační tlakoměry Princip funkce deformačních tlakoměrů je založen na pružné deformaci, a tím i na změně geometrického tvaru vhodných tlakoměrných prvků, vlivem působení měřeného tlaku. Nejčastěji používanými deformačními prvky jsou Bourdonova trubice, membrána, krabice a vlnovec (obr. 4.6) Deformační prvky se zhotovují z uhlíkových a niklových ocelí, z mosazi, z fosforového a beryliového bronzu a dalších vhodných slitin.
a) Bourdonova trubice
a) schéma
b) membrána
c) krabice
d) vlnovec
Trubicové tlakoměry (tlakoměry Bourdonovy) jsou nejpoužívanějším typem deformačních tlakoměrů. Tlakoměrným prvkem je Bourdonova trubice , což je trubice eliptického průřezu stočená do kruhového oblouku, spirály nebo šroubovice. Jedním koncem je trubice pevně spojena s tělesem, opatřeným závitem pro připojení tlaku. Volný konec trubice je uzavřen a spojen přes převodové ústrojí s ukazovatelem na stupnici. Při působení tlaku se snaží eliptický průřez změnit v kruhový a zakřivení oblouku, do kterého je trubice stočena, se přitom zvětšuje. b) průřez trubice Uspořádání měřicího prvku trubicového tlakoměru je znázorněno na obrázku. Pro nízké tlaky je trubice mosazná a má plošší profil, pro vysoké tlaky je ocelová a blíží se
13
kruhovému profilu. Měřicí tlaky trubicových tlakoměrů bývají od 0 do 0,5 MPa až 2 000 MPa. Těmito přístroji lze měřit i podtlaky. Vyrábějí se ve třídách přesnosti 0,6 a 1 (kontrolní manometry) a dále ve třídách přesnosti 1,5; 2,5 a 4 (provozní přístroje). Membránové tlakoměry používají jako tlakoměrného elementu kovové membrány kruhového tvaru zvlněné soustředěnými kruhy. Membrána je sevřena mezi dvěma přírubami a z jedné strany je přiváděn měřený tlak. Ten vyvolá průhyb membrány, který se přenáší na ukazatel. Závislost zdvihu na tlaku je přibližně lineární. Membránové tlakoměry se vyrábějí pro tlaky do 4 MPa. Jejich výhodou je vyšší citlivost než tlakoměrů trubicových. Pro nízké tlaky se využívá pryžových membrán s textilní vložkou s kovovými příložkami, kde však deformačním prvkem je pružina z ocelového drátu. Je-li tlak přiveden na obě strany membrány, lze využít membránových tlakoměrů i pro měření tlakových diferencí. Proti korozi je možno membránu snadno chránit povlakem či fólií z vhodného materiálu. Výhodou membránových tlakoměrů jsou malé setrvačné hmoty systému. Takové snímače jsou vhodné pro měření velmi rychle pulsujících tlaků. Membrána snímače je velmi tenká, má malý průměr a její deformace jsou snímány elektricky (např. kapacitně, indukčně či piezoelektricky). Krabicové tlakoměry se používají pro měření malých přetlaků, podtlaků či tlakových diferencí. Měřicím prvkem je krabice tvořená dvěma zvlněnými membránami o průměru 50 až 100 mm Deformace se přenáší pákovým převodem na ukazovatel. Měřicí rozsah bývá 10 Pa až 1 000 Pa. Pro zvýšení citlivosti se spojuje několik krabic v jeden konstrukční celek. Tlakoměrné krabice se používá i v přístroji sloužícím pro měření barometrického tlaku, v tzv. aneroidu. V tomto případě je prostor krabice neprodyšně uzavřen, evakuován a měřený barometrický tlak působí na krabici zvnějšku. Vlnovcové tlakoměry se používají pro měření přetlaků a tlakových diferencí do 0,4 MPa. Schéma tlakoměru je na obr. 4.8. Tlakoměrným prvkem je tenkostěnný kovový měch - vlnovec, který je umístěn v pouzdře, do něhož je přiváděn měřený tlak. Deformace vlnovce se přenáší táhlem na ukazovatel. Odolnost proti deformaci (tuhost vlnovce) lze snadno zvětšit vložením pružiny. Dojde tak úpravě charakteristiky a měřicího rozsahu tlakoměru. V případě měření tlakové diference se větší tlak přivádí do pouzdra, menší do vlnovce. Někdy se místo kovového měchu používá měchu z umělé hmoty (např. teflonu); funkci deformačního prvku pak zcela přebírá pružina. Hlavní použití kovových vlnovců s pružinou je v regulační technice, kde se jich používá v pneumatických vysílačích, převodnících, přijímačích apod. Vlastnosti deformačních tlakoměrů: ● ● ● ● ● ● ● ● ●
velká přestavující síla robustnost malé rozměry, malá hmotnost, velký měřicí rozsah, dostatečná přesnost, jednoduchost a spolehlivost použití i v těžkých provozech. teplota ovlivňuje modul pružnosti materiálu deformačního prvku a teplotní roztažností převodového ústrojí pozměňuje mechanický převod. deformační tlakoměry vyžadují pravidelnou kalibrační kontrolu, zvláště při měření pulsujících tlaků.
14
Manostaty. jsou to přístroje vybavené jedním nebo více elektrickými kontakty a používají se pro dvoupolohovou regulaci tlaku.
Použitá literatura: SMC - Elektronická učebnice pneumatiky Odkazy na www stránkách: http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mrt/F4/F4k42-tlak.htm http://e-automatizace.vsb.cz/ebooks/mmv/tlak/tlak_tlakomery_elektricke.htm#obr.4.19 http://automatizace.hw.cz/view.php?cisloclanku=2006111601 http://www.mavis.cz/obr_hont/ta.htm#ta10
průtokoměry
http://automatizace.hw.cz/view.php?cisloclanku=2006082301
průtokoměry
