SNÍMAČE -
čidla, senzory – snímají – měří skutečnou hodnotu regulované veličiny (dávají informace o stavu technického zařízení).
Rozdělení snímačů – přímé- snímaná veličina je i na výstupu snímače – nepřímé - výstupní signál ze snímače ( obvykle elektrický) je úměrný snímané – měřené veličině. Výhody nepřímých snímačů s převodem na elektrickou veličinu: - snadné zpracování elektrického signálu v analogové i digitální formě - možnost dálkového přenosu - převod na unifikovaný signál - vysoká citlivost a rychlost elektrických snímačů Rozdělení podle měřených veličin: - snímače kinematických veličin (snímače polohy, rychlosti, zrychlení) - snímače síly, tlaku - snímače průtoku - snímače hladiny - snímače teploty - snímače fyzikálních a chemických vlastností kapalin a plynů - snímače optických veličin - snímače magnetických veličin Konstrukční rozdělení: - aktivní – snímače se chovají jako zdroje elektrické energie - pasivní – snímače mění některý ze svých parametrů (kapacitu, indukčnost, elektrický odpor , tlak) v závislosti na měřené veličině. Požadavky na snímače: 1) jednoznačná závislost výstupní veličiny na vstupní veličině, nejlépe lineární 2) přesnost snímače 3) vhodné dynamické vlastnosti (rychlost, frekvenční charakteristika) 4) minimální vnější vlivy (teplota, tlak, vlhkost) 5) minimální zatěžování měřeného objektu 6) jednoduché konstrukce, snadná údržba, cenová dostupnost 1.1. Snímače polohy - odporové - spojité - například potenciometry – předmět, jehož polohu měříme, je spojen s běžcem potenciometru. Podle polohy předmětu = běžce se mění elektrický odpor. Posuvné potenciometry – měří délkový přírůstek Otočné potenciometry – měří úhlový přírůstek
- odporové – nespojité například rtuťový otočný snímač (obr.)
- kapacitní změna polohy se u kapacitních snímačů projeví změnou kapacity vlivem změny vzdálenosti elektrod d nebo změnou plochy elektrod S nebo změnou permitivity dielektrika např. měření tloušťky laku obr. - indukčnostní snímače polohy o změna polohy se projeví změnou vlastní indukčnosti L nebo vzájemné M. například: obr. změnou polohy jádra se změní indukčnost cívky M .S 2 LN - optické snímače polohy - spojité - nespojité – průchozí(obr.)
-
používají se pro počítání předmětů, zavírání dveří výtahů reflexní -
použití: snímače čárového kódu, plnění nádob - ultrazvukový snímač polohy - měří se doba, mezi vysláním ultrazvukového signálu a přijetí signálu odraženého od zaměřovaného objektu. 1.2. Snímače rychlosti -
elektrodynamické otáčkoměry tachodynama (ss generátory) tachoelternátory (střídavé generátory) Obr.
indukční zákon u = B.l.v
2. Snímače síly, tlaky 2.1. Snímače síly – piezoelektrický snímač Působí-li tlaková síla na piezoelektrický materiál, vzniká elektrické napětí úměrné deformaci piezoelektrického materiálu. obr.
tenzometry – používají se k měření mechanického napětí l R S
jsou vyrobeny z odporového drátku, který je připevněn na plastovou podložku. Napíná-li se tenzometr v podélném směru, odporové drátky se natahují – zvětšením jejich délky a zmenšením průřezu se mění (zvětšuje) odpor tenzometru. 2.2.Snímače tlaku Tlakoměry – rozdělení: 1) z hlediska jejich určení - barometr - tlakoměr pro měření atmosférického tlaku - vakuometr - tlakoměr pro měření velkých podtlaků - manovakuometr - tlakoměr pro měření podtlaků a přetlaků 2) podle principu činnosti - kapalinové - deformační - elektrické Kapalinové tlakoměry „U“ trubice - tlak je určen z rozdílu výšek sloupců kapaliny v trubici tvaru „U“ obr.
Deformační - membránový Podle měřeného tlaku se používá membrána z- pryže – pro nízké tlaky – slitiny mědi – pro střední tlaky – nerezové oceli - pro nejvyšší tlaky Průhyb membrány vyvolaný měřeným tlakem je přenášen například táhlem na ukazatel. - Bourdonova trubice - kovová trubice ( podle měřeného tlaku buď ze slitiny Cu nebo pro vysoké tlaky z oceli) na jednom konci uzavřená je stočená do oblouku. Působením tlaku se trubice napřimuje a měří se pohyb konce trubice. obr.
Rozdělení - rychlostní - objemové - hmotnostní 3.1. Rychlostní - turbínkový proudící kapalina otáčí rotorem. Otáčky rotoru jsou buď převáděny mechanicky na otáčkoměr nebo snímány indukčním snímačem ( tachodynamo) Nevýhody: jsou nevhodné pro obvody s častým přerušováním průtoku - ultrazvukový rychlost proudění kapaliny je úměrná rozdílu rychlosti šíření ultrazvukových vlna při jejich pohybu ve směru a proti směru proudění kapaliny. obr.
- vírový vyhodnocuje rychlost proudění kapaliny na základě vzniku vírů na překážce vložené do proudu kapaliny. Frekvence vírů a s nimi spojené tlakové změny se snímají tenzometrickými nebo piezoelektrickými snímači, které jsou umístěné po obvodu trubky. 3.2. Objemové - dávkovací průtokoměr pracuje na principu plnění a vyprazdňování komor 4.
Snímače hladiny
a) pro nespojité měření b) pro spojité měření 4.1. Snímače pro nespojité měření hladiny - plovákový Poloha plováku je indikována přímo přes mechanický převod na ukazatel nebo protizávaží na laně spíná kontakty nastavené na krajní polohy hladiny (minimum a maximum úrovně hladiny). 4.2. Snímače pro spojité měření hladiny - ultrazvukový Výška hladiny je určována z časového intervalu ?t mezi vysláním a přijetím ultrazvukového signálu po průchodu kapalinou nebo sypkou látkou. - kapacitní snímač hladiny
- ionizační snímač hladiny K měření výšky hladin a sypkých materiálů se používá jaderné záření: V závislosti na výšce hladiny se snižuje intenzita záření, která je snímána Geiger – Müllerovou trubicí ( v baňce naplněné plynem jsou dvě elektrody napájené stejnosměrným napětím. Vlivem záření plyn ionizuje a dochází k výboji mezi elektrodami. Čítač vyhodnocuje počet výbojů, který je úměrný intenzitě jaderného záření) 5. Snímače teploty K měření teploty byly stanoveny stupnice: - Kelvinova – je určena dvěma body: nulový bod této stupnice – OK – absolutní nulová teplota, při které ustal termický pohyb elementárních částic. Druhý bod stupnice je takzvaný trojný bod vody – což je rovnovážný stav všech tří skupenství vody (led, voda, sytá vodní pára) T = 273,16 K - Celsiova – je určena 17 pevnými body, které odpovídají rovnovážným stavům mezi fázemi (trojné body, body tání, popřípadě tuhnutí při definovaném tlaku) vybraných látek (He, H 2 O, Hg, Ga, In, Ag, Au, Cu) Velikost jednotek obou stupnic je shodná. Souvislost obou stupnic je dána vztahem T = ? + 273,15 (K, °C, °C) - Fahrenheitova O°C = 32° F ; 100°C = 212 F Rozdělení snímačů teploty a) dotykové (elektrické, dilatační, tlakové, speciální) b) bezdotykové - pyrometry 5.1. Snímače pro dotykové měření teploty - odporové – kovové snímače teploty Využívají teplotní závislosti odporu kovů. Například: platinový teploměr – tenký drátek z čisté platiny je svinut do spirály a uložen v keramickém tělísku. Vrstvové snímače jsou povrchově chráněny speciálním lakem. Obvykle je základní odpor teploměru 100 Snímače se vyrábí ve dvou tolerančních třídách: Třída A – třída přesnosti 1 – pro rozsahy -200°C + 650°C Třída B – třída přesnosti 2 – pro rozsahy -200°C + 800°C Pro rozsahy -60°C + 200°C se používá nikl. Výhoda niklových čidel, je vyšší citlivost, malá časová konstanta a nižší cena. Nevýhodou je menší linearita charakteristiky. odporové – polovodičové snímače teploty Rozdělení: a) termistory (NTC – záporný teplotní součinitel odporu) posistory (PTC – kladný teplotní souničitel odporu) b)monokrystalické snímače bez PN přechodu Polovodičové snímače teploty využívají závislost odporu na teplotě.
Negastory – vyrábí se ze směsi oxidů kovů Teplotní součinitel odporu je záporný a asi o jeden řád vyšší než u kovů (-0,03 - 0,06 K 1 ), takže jsou pro větší citlivost vhodné k měření malých změn teploty. Jsou vyráběny v rozsahu odporových hodnot: 6 10° 10 pro teploty v rozmezí (-80 + 200°C). Nevýhodou je nelineární průběh charakteristicky (je přibližně exponenciální), menší časová stálost a poškození při přehrátí. Pozistory – teploměrní součinitel odporu je kladný vyrábí se z feroelektrické keramiky (BaTi O3 -titaničitan barnatý). Odpor pozistoru v závislosti na vzrůstající teplotě nejprve mírně klesá a pak v úzkém teplotním rozmezí prudce vzrůstá asi o tři řády. Oblast nárustu odporu lze chemickým složením ovlivňovat, takže lze vyrobit sadu teploměrů s navazujícími teplotními rozsahy v rozmezí 40 180°C odstupňovanými po 10°C. Proto se používají pro přesná měření v definovaných úzkých rozsazích například ve spínacích obvodech s polovodičovými součástkami v řídících systémech (vinutí elektrických motorů, transformátorů, ohřev výkonových součástek). Monokrystalické snímače teploty bez PN přechodu - pracují na principu kuželovitého rozptylu proudu mezi dvěma elektrodami. Odpor struktury závisí na pohyblivosti volných nosičů náboje a je tedy funkcí teploty. obr. + ? schéma
Monokrystalické snímače se vyrábí z křemíku, teplotní rozsah použití je v rozmezí -50 +150°C. Obvyklá základní hodnota - R25 2k Termoelektrické snímače teploty Termoelektrický článek je tvořen dvěma (A a B) kovovými dráty nebo tyčemi z odlišných materiálů, které jsou na obou koncích vodivě spojeny. Na spojích vzniká kontaktní potenciál. Velikost tohoto napětí závisí na rozdílu teplot měřícího a porovnávacího konce a na materiálech, ze kterých je článek zhotoven. Články se označují barevně podle druhu použitého materiálu. Polovodičové snímače teploty s přechodem PN Tyto snímače využívají teplotní závislost napětí přechodu PN pólovaného v propustném směru. obr.
Dilatační snímače teploty Rozdělení: - kovové (tyčový a bimetalový) - kapalinové Kovové snímače teploty Využívají dilataci (roztažnost) trubky v závislosti na teplotě
obr.
Bimetalový teploměr Bimetal – dva kovové pásky pevně spojené (svařením, válcováním), které se liší teplotní roztažností.Při změnách teploty se pásek deformuje (ohýbá). Teplotní rozsah – do 400°C. Použití: u jističů – nadproudová ochrana. Kapalinové snímače teploty Vlivem teplotních změn dochází k objemové roztažnosti kapalin. Skládají se z jímky, ve které je měrná kapalina a na ni navazující kalibrovaná kapilára, do které dilatuje zvětšený objem kapaliny. Volba kapaliny je podle měřeného rozsahu: rtuť (-38 + 365°C). etylalkohol (-100 + 60°C) pentan (-190 + 15°C) 5.2. Snímače pro bezdotykové měření teploty Bezdotykové měření teploty spočívá ve vyhodnocení energie elektromagnetického záření vysílaného povrchem zkoumaného tělesa. Při měření se využívá jak viditelná část spektra (400nm 760nm), tak i infračervená oblast (do 30?m). tomu odpovídá rozsah teplot v mezích: a) uhrnné (radiační) pyrometry celkového záření b) spektrální (pásmové, monochromatické) pyrometry 6. Snímače fyzikálních a chemických vlastností kapalin a plynů 6.1. Snímače fyzikálních vlastností látek například hustota, viskozita, vlhkost plynů, tepelná nebo elektrická vodivost. 6.2. Snímače chemických vlastností látek, které vyhodnocují jejich složení. Označují se jako analyzátory. Měření vlhkosti plynů Vlhkost je dána množstvím vodních par, které jsou v něm obsaženy. Množství vodní páry, které je suchý vzduch schopen pojmout, závisí na teplotě a tlaku. Obvykle se udává relativní vlhkost plynu (%) – kolik % vlhkosti obsahuje plyn z maxima, které je při dané teplotě schopen pojmout. 3 Absolutní vlhkost plynu – je hmotnost vodní páry obsažené v 1 m vlhkého plynu. Metody stanovení vlhkosti: - kondenzační metoda - hygrometrická metoda - psychrometrická metoda
Kondenzační metoda - je založena na měření rosného bodu plynu. Rosný bod je teplota, při které by vlhký plyn izobaricky ochlazený dosáhl stavu nasycení, takže dalším ochlazováním by přebytečná vodní pára začala kondenzovat. Hygrometrická metoda - využívá vlastnosti některých látek absorbovat vlhkost a měnit přitom určitý parametr (délku, vodivost, kapacitu). Například se využívá prodlužování odmaštěného lidského vlasu v závislosti na relativní vlhkosti. Psychrometrická metoda - stanovení relativní vlhkosti je založeno na měření rozdílu teplot dvou blízko sebe umístěných přesných teploměrů a to „sudého“ a „mokrého“, který má jímku obalenou zvlhčovanou tkaninou. Z tkaninového obalu se odpařuje voda tím více, čím je relativní vlhkost okolního plynu menší. Teplo potřebné k odpaření se odnímá prostřednictvím tkaniny „mokrému“ snímači teploty, takže ukazuje nižší teplotu Ts . Měření viskozity kapalin (používá se na například při výrobě laků) Měří se snímačem složeným z vrtulky ponořené do kapaliny a stejnosměrného motorku, který vrtulku pohání. Napájíme-li motorek ze zdroje konstantního napětí, je proud motorku úměrný viskozitě kapaliny. Analyzátory plynů - používají se například k měření spalin, tj. kouřových plynů. Měříme-li koncentraci oxidu uhelnatého CO nebo vodíku H 2 , používáme snímače s komůrkou, ve které je platinový drátek žhavený konstantním příkonem na konstantní teplotu. Má tedy konstantní odpor. Přivedeme-li na povrch drátku hořlavý plyn, drátek se ještě více zahřeje a odpor žhavého drátku stoupne. Měří se odpor drátku, který je tak úměrný koncentraci plynů. 7. Snímače optických veličin Fotoelektrické snímače využívají součástek, jejichž elektrické vlastnosti se mění s množstvím dopadajícího světla. Fotorezistor (obr.)
využívá změny elektrické vodivosti některých polovodičových materiálů CdS, CdSe, působením světelného toku. Za tmy vykazuje snímač velmi vysoký odpor – řádově M , osvětlením jeho hodnota hyperbolicky klesá. Fotodioda (obr.)
-je plošná dioda, na jejíž přechod působí světelný tok. Při nulovém osvětlení diody odpovídá charakteristika běžné diodě. Osvětlením přechodu se vytvoří páry elektron – díra, vyvolávající dodatečný proud I F diodou. Dioda vykazuje největší citlivost na světlo při zapojení v závěrečném směru.
Fotorezistor (obr.)
Kolektorový proud I C je místo bázovým proudem I B řízen osvětlením směrovaným do oblasti emiterového přechodu, v němž vznikají páry elektron-díra. Závěrně pólovaný přechod kolektor-báze pracuje obdobným způsobem jako u fotodiody. Výhody fotorezistoru: vyšší citlivost, asi o 1 řád vyšší proti fotodiodě, jednoduché zapojení a vyhovující dynamické vlastnosti (mezní kmitočet asi 10kHz). 8. Snímače magnetických veličin Snímače magnetických veličin se používají při snímání polohy, veličin na polohu převedených (např. plovákový průtokoměr, plovákový hladinoměr) a veličin magnetického pole (magnetické indukce). Magnetorezistor - je tvořen vrstvou polovodičového materiálu (InSb tloušťka asi 20nm) na keramické destičce. Změna odporu vzniká zakřivením – prodloužením dráhy nosičů náboje v polovodičovém materiálu vlivem vnějšího magnetického pole. Magnetodioda obr.
- při vložení diody do vnějšího magnetického pole a její polarizaci v propustném směru dochází vlivem magnetického pole k vychylování pohybujících se nosičů náboje do zóny rekombinace nebo opačným směrem od rekombinační zóny. V prvním případě to znamená pokles proudu, v druhém případě to znamená nárůst proudu. Magnetotranzistor obr.
- je planární tranzistor se dvěma kolektory pracující jako diferenciální zesilovač. Při nulové indukci magnetického pole jsou oba kolektorové proudy shodné ( (IC1 IC2) Působením magnetického pole vznikne mezi kolektorovými proudy rozdíl odpovídající indukci. Hallova sonda obr.
- protéká-li polovodičovou destičkou tloušťky d elektrický proud I, pak po jejím vložení do magnetického pole s indukcí B, jejíž směr je kolmý na směr proudu, vznikne na kontaktech K 1 K 2 ve směru kolmém na rovinu vektorů I, B takzvané Hallovo napětí U h .
RH - Hallova materiálová konstanta (m3 c1) R H U IB H d
