Technické prostředky

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Hornicko-geologická fakulta

Technické prostředky

Zdeněk Neustupa

Ostrava, 2014

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Hornicko-geologická fakulta

Technické prostředky

Zdeněk Neustupa

Ostrava, 2014

Obsah Seznam zkratek ......................................................................................................................... vi Seznam obrázků ...................................................................................................................... viii 1

Úvod. ................................................................................................................................... 1

2

Základy elektrických a elektronických obvodů .................................................................. 3 2.1

Základní elektrické veličiny. ....................................................................................... 3

2.2

Rozdělení elektrických obvodů ................................................................................... 4

2.2.1

Obvody se soustředěnými prvky .......................................................................... 4

2.2.2

Obvody s rozloženými prvky ............................................................................... 4

2.3

Rozdělení elektrických signálů. ................................................................................... 5

2.3.1

Periodický signál, harmonická analýza ................................................................ 6

2.3.2

Charakteristické hodnoty střídavých proudů a napětí .......................................... 7

2.4

Základní zákony elektrotechniky................................................................................. 8

2.4.1

Ohmův zákon ....................................................................................................... 8

2.4.2

Kirchhoffovy zákony............................................................................................ 8

2.5

Lineární obvody......................................................................................................... 10

2.5.1

Dvojpóly admitance a impedance ...................................................................... 10

2.5.2

Čtyřpóly.............................................................................................................. 12

2.6

Realizace elektrických obvodů .................................................................................. 13

2.6.1

Reálné zdroje elektrického proudu a napětí ....................................................... 13

2.6.2

Rezistor............................................................................................................... 15

2.6.3

Kondenzátor ....................................................................................................... 19

2.6.4

Cívka .................................................................................................................. 24

2.7

Elektromagnetická indukce ....................................................................................... 30

2.8

Výkon stejnosměrného a střídavého proudu ............................................................. 31

2.9

Přechodové děje ......................................................................................................... 32

2.9.1

Obvody prvního řádu RC a RL .......................................................................... 33

2.9.2

Obvod druhého řádu - RLC ................................................................................ 36 Frekvenční vlastnosti dynamických pasivních obvodů ......................................... 39

2.10 2.10.1 3

Sériový RLC rezonanční obvod ......................................................................... 39

Polovodičová technika ...................................................................................................... 41 3.1

Vlastní polovodiče ..................................................................................................... 41

3.2

Nevlastní polovodiče ................................................................................................. 42 i

3.3

3.3.1

Teplotní vlivy na PN přechodu .......................................................................... 47

3.3.2

Závěrně polarizovaný PN přechod ..................................................................... 47

3.3.3

Kapacita PN přechodu ........................................................................................ 49

3.4

Polovodičové diody ................................................................................................... 49

3.4.1

Usměrňovací diody ............................................................................................ 49

3.4.2

Stabilizační diody ............................................................................................... 50

3.4.3

Schottkyho diody................................................................................................ 50

3.4.4

Tunelové diody ................................................................................................... 51

3.4.5

Kapacitní diody .................................................................................................. 52

3.4.6

Vysokofrekvenční a spínací diody ..................................................................... 53

3.4.7

Lavinové diody ................................................................................................... 53

3.4.8

Světlo emitující diody a fotodiody ..................................................................... 53

3.5

4

Polovodičový PN přechod ......................................................................................... 44

Tranzistory ................................................................................................................. 54

3.5.1

Bipolární tranzistory ........................................................................................... 54

3.5.2

Stejnosměrné charakteristiky tranzistoru ........................................................... 56

3.5.3

Střídavé parametry tranzistoru ........................................................................... 57

3.5.4

Mezní kmitočet tranzistoru? ............................................................................... 59

3.5.5

Unipolární tranzistory ........................................................................................ 60

Vyhodnocovací obvody, zesilovače, převodníky. ............................................................ 62 4.1

Zesilovače .................................................................................................................. 62

4.1.1

Pneumatické a hydraulické zesilovače ............................................................... 63

4.1.2

Elektrické zesilovače .......................................................................................... 63

4.1.3

Rotační elektrické zesilovače ............................................................................. 63

4.1.4

Elektronické zesilovače ...................................................................................... 64

4.1.5

Operační zesilovače............................................................................................ 66

4.2

Převodníky ................................................................................................................. 68

4.2.1

Mechanické převodníky ..................................................................................... 68

4.2.2

Elektromechanické převodníky .......................................................................... 69

4.2.3

Elektrické převodníky ........................................................................................ 69

4.2.4

Elektronické převodníky technických veličin .................................................... 69

4.2.5

Převodníky napětí na délku impulsu .................................................................. 71

4.2.6

Převodníky napětí na kmitočet ........................................................................... 72 ii

5

4.2.7

Převodníky odporu ............................................................................................. 73

4.2.8

Převodník kapacity a indukčnosti ...................................................................... 74

4.2.9

Převod kmitočet napětí ....................................................................................... 75

4.2.10

Řízení zdroje konstantní veličiny ....................................................................... 76

4.2.11

Převodníky číslicových signálů .......................................................................... 77

Měřící obvod ..................................................................................................................... 83 5.1

Rozdělení měřících obvodů ....................................................................................... 83

5.2

Chyby měření ............................................................................................................ 84

5.2.1

Opakovatelnost a reprodukovatelnost metody ................................................... 84

5.2.2

Přesnost přístrojů ................................................................................................ 85

5.2.3

Chyby systematické............................................................................................ 86

5.2.4

Chyby náhodné ................................................................................................... 86

5.2.5

Základní pojmy z pravděpodobnosti .................................................................. 86

5.3

Měření elektrických veličin ....................................................................................... 88

5.3.1

Popis měření základních veličin ......................................................................... 88

5.3.2

Měřicí přístroje ................................................................................................... 88

5.3.3

Provedení měřicích přístrojů .............................................................................. 90

5.3.4

Měření elektrického napětí ................................................................................. 90

5.3.5

Měření elektrického proudu ............................................................................... 91

5.3.6

Analogové měření napětí a proudu .................................................................... 91

5.3.7

Elektronické měřicí přístroje .............................................................................. 95

5.3.8

Měření výkonu stejnosměrného a střídavého proudu....................................... 100

5.3.9

Měření kmitočtu ............................................................................................... 101

5.3.10

Měření impedance ............................................................................................ 103

5.4

Měření neelektrických veličin ................................................................................. 106

5.4.1

Požadavky ........................................................................................................ 106

5.4.2

Snímače neelektrických veličin ........................................................................ 106

5.4.3

Principy snímačů používaných k měření neelektrických veličin. .................... 107

5.4.4

Generátorové snímače světelného záření ......................................................... 124

5.5

Měření neelektrických veličin, metody ................................................................... 127

5.5.1

Měření polohy, výchylky. ................................................................................ 127

5.5.2

Měření rychlosti ............................................................................................... 133

5.5.3

Měření deformace ............................................................................................ 139 iii

6

5.5.4

Měření síly........................................................................................................ 146

5.5.5

Měření kroutícího momentu ............................................................................. 154

5.5.6

Měření zrychlení .............................................................................................. 160

5.5.7

Měření vibrací .................................................................................................. 163

5.5.8

Měření tlaku ..................................................................................................... 167

5.5.9

Měření průtoku, množství. ............................................................................... 173

5.5.10

Měření stavu hladiny. ....................................................................................... 183

5.5.11

Snímače pro analýzu plynů .............................................................................. 187

5.5.12

Snímače pro analýzu kapalin............................................................................ 189

5.5.13

Snímače pro analýzu pevných látek ................................................................. 190

5.5.14

Měření teploty .................................................................................................. 191

5.5.15

Odporové snímače ............................................................................................ 195

5.5.16

Piezoelektrický snímač teploty......................................................................... 199

5.5.17

Pyrometry ......................................................................................................... 200

5.5.18

Snímače množství tepla .................................................................................... 200

5.5.19

Snímače hustoty tepelného toku ....................................................................... 201

5.5.20

Snímače vakua.................................................................................................. 202

5.5.21

Měření vlhkosti ................................................................................................ 205

5.5.22

Měření záření .................................................................................................... 207

Obvody přenosu signálů ................................................................................................. 214 6.1

Rozděleni obvodů přenosu ...................................................................................... 214

6.1.1

Druh signálu ..................................................................................................... 215

6.1.2

Tvar signálu ...................................................................................................... 215

6.1.3

Způsoby přenosu .............................................................................................. 215

6.1.4

Analogový přenos ............................................................................................ 216

6.1.5

Diskrétní přenos ............................................................................................... 217

6.2

Vícenásobné přenosové obvody • ............................................................................ 223

6.2.1 7

Časové obvody vícenásobného přenosu ........................................................... 224

Obvody signalizace ......................................................................................................... 228 7.1

Signalizační prvky ................................................................................................... 228

7.2

Ukazovací přístroje .................................................................................................. 228

7.2.1

Analogové ukazovací přístroje ......................................................................... 228

7.2.2

Číslicové ukazovací přístroje ........................................................................... 228 iv

8

7.2.3

Zobrazovací prvky............................................................................................ 228

7.2.4

Registrační přístroje ......................................................................................... 228

Ovládací obvod, akční členy ........................................................................................... 230 8.1

8.1.1

Mechanicko - elektrické ovládací členy ........................................................... 230

8.1.2

Vačkové spínače ............................................................................................... 230

8.1.3

Elektrické spínací prvky ................................................................................... 231

8.1.4

Elektronické prvky ........................................................................................... 231

8.2

9

Ovládací obvody ...................................................................................................... 230

Akční členy .............................................................................................................. 232

8.2.1

Točivé ovládací zařízení................................................................................... 233

8.2.2

Servomotory ..................................................................................................... 234

8.2.3

Akční členy ...................................................................................................... 236

Řídící obvody .................................................................................................................. 237 9.1

Analogové regulátory .............................................................................................. 237

9.1.1

Proporcionální regulátor ................................................................................... 237

9.1.2

Derivační regulátor ........................................................................................... 238

9.1.3

Integrační regulátor .......................................................................................... 238

9.1.4

Proporcionálně Derivační regulátor ................................................................. 238

9.1.5

Proporcionálně Integrační regulátor ................................................................. 239

9.1.6

Proporcionálně Integračně Derivační regulátor ............................................... 239

9.2

Řídící počítače ......................................................................................................... 240

9.3

Programovatelné logické automaty (PLC) .............................................................. 240

9.4

Číslicové regulátory................................................................................................. 241

10 Závěr ............................................................................................................................... 242 Seznam literatury.................................................................................................................... 243

v

Seznam zkratek ϑ

teplota

A

práce

b

bit

B

Byte

BKO

bistabilní klopný obvod

C

kapacita

D

derivační čen

I

integrátor

I

elektrický proud

L

indukčnost

LSB

nejnižší bit slova (digitálního)

MKO monostabilní klopný obvod P

výkon

P

výkon

P

proporcionální člen

PC

personální počítač

PC

přenosová cesta

PD

proporcionálně derivační člen

PI

proporcionálně integrační člen

PID

proporcionálně integračně derivační člen

Q

množství tepla

Q

hustota tepelného toku

R

odpor

R

odpor

Sx

x tý signál

U

elektrické napětí vi

U

elektrické napětí

X

reaktance

Z

impedance

ZLRN zdroj lineárně rostoucího napětí Δ

absolutní chyba

δ

relativní chyba

vii

Seznam obrázků Obrázek 1-1 Řídicí systém ......................................................................................................... 1 Obrázek 1-2 Technické prostředky v řídicím systému.............................................................. 2 Obrázek 2-1 Časový průběh nahodile proměnného napětí ........................................................ 5 Obrázek 2-2 Periodický průběh napětí ....................................................................................... 6 Obrázek 2-3 Sinusový průběh napětí ......................................................................................... 6 Obrázek 2-4 Fázově posunutý proud s harmonickým průběhem ............................................... 7 Obrázek 2-5 Zapojení základního elektrického obvodu............................................................. 8 Obrázek 2-6 První Kirchhoffův zákon ....................................................................................... 9 Obrázek 2-7 Druhý Kirchhoffův zákon...................................................................................... 9 Obrázek 2-8 Kmitavý obvod LC se ztrátovými odpory R1 a R2 spojený se zdrojem napětí u . 9 Obrázek 2-9 Dvojpóly .............................................................................................................. 10 Obrázek 2-10 Obecný čtyřpól s vyznačenou orientací napětí a proudů ................................... 12 Obrázek 2-11 Zapojení obvodu pro měření zatěžovací charakteristiky zdroje ........................ 14 Obrázek 2-12 Typický průběh zatěžovací charakteristiky zdroje ............................................ 14 Obrázek 2-13 Přibližný přímkový průběh zatěžovací charakteristiky zdroje .......................... 14 Obrázek 2-14 Náhradní schéma lineárního zdroje elektrického proudu .................................. 15 Obrázek 2-15 Náhradní schéma rezistoru ................................................................................ 16 Obrázek 2-16 Odpor vodiče při změně délky .......................................................................... 17 Obrázek 2-17 Sériové spojené rezistory................................................................................... 17 Obrázek 2-18 Paralelně spojené rezistory ................................................................................ 18 Obrázek 2-19 Základní uspořádání deskového kondenzátoru ................................................. 19 Obrázek 2-20 Náhradní schéma kondenzátoru ........................................................................ 21 Obrázek 2-21 Zjednodušené náhradní schéma kondenzátoru .................................................. 21 Obrázek 2-22 Vektorový diagram obvodových veličin vyznačených ve zjednodušeném náhradním schématu kondenzátoru .......................................................................................... 22 Obrázek 2-23 Sériově spojené kondenzátory ........................................................................... 23 Obrázek 2-24 Paralelně spojené kondenzátory ........................................................................ 23 Obrázek 2-25 Náhradní schéma cívky ..................................................................................... 26 Obrázek 2-26 Zjednodušené náhradní schéma cívky ............................................................... 26 Obrázek 2-27 Vektorový diagram obvodových veličin vyznačených ve zjednodušeném náhradním schématu cívky ....................................................................................................... 26 Obrázek 2-28 Typický průběh závislosti činitele jakosti cívky na kmitočtu ........................... 27 Obrázek 2-29 Princip transformátoru ....................................................................................... 28 Obrázek 2-30 Zapojení transformátoru .................................................................................... 29 Obrázek 2-31 Sériově spojená dvojice induktivně vázaných cívek ......................................... 29 Obrázek 2-32 Paralelně spojená dvojice induktivně vázaných cívek ...................................... 29 Obrázek 2-33 Princip elektromagnetické indukce ................................................................... 30 Obrázek 2-34 Zdroj stejnosměrného proudu zatížený spotřebičem ......................................... 31 Obrázek 2-35 Zdroj střídavého proudu zatížený spotřebičem ................................................. 31 Obrázek 2-36 Vektorové diagramy proudu a napětí na spotřebiči ........................................... 32 Obrázek 2-37 Zapojení obvodu pro nabíjení a vybíjení kondenzátoru .................................... 33 viii

Obrázek 2-38 Časový průběh nabíjecího proudu kondenzátoru .............................................. 34 Obrázek 2-39 Časový průběh vybíjecího proudu kondenzátoru .............................................. 34 Obrázek 2-40 Zapojení obvodu pro demonstraci narůstání a zániku proudu v obvodu cívky. 35 Obrázek 2-41 Časový průběh narůstání a zániku proudu v obvodu cívky............................... 36 Obrázek 2-42 Přechodový děj v sériovém obvodu RLC.......................................................... 36 Obrázek 2-43 Přechodový děj na RLC obvodu ....................................................................... 37 Obrázek 2-44 Sériový rezonanční obvod a rezonanční kmitočet ............................................. 39 Obrázek 3-1 Rovinný model krystalové mřížky Si a Ge.......................................................... 41 Obrázek 3-2 Vedení proudu ve vlastním polovodiči ............................................................... 42 Obrázek 3-3 Rovinný model krystalové mřížky náhrady atomů příměsi pětimocného a třímocného prvku ..................................................................................................................... 43 Obrázek 3-4 Vedení v nevlastních polovodičích N a P............................................................ 43 Obrázek 3-5 Rozložení potenciálu na PN přechodu ................................................................ 44 Obrázek 3-6 PN přechod v propustném a závěrném zapojení ................................................. 45 Obrázek 3-7 V-A charakteristika PN přechodu ....................................................................... 46 Obrázek 3-8 Volt-ampérová charakteristika ............................................................................ 46 Obrázek 3-9 Tepelnému průraz ................................................................................................ 47 Obrázek 3-10 Lavinový průraz................................................................................................. 48 Obrázek 3-11 Zenerův průraz .................................................................................................. 48 Obrázek 3-12 Charakteristika Zenerovy diody ........................................................................ 50 Obrázek 3-13 VA charakteristika Schottkyho diody ............................................................... 51 Obrázek 3-14 VA charakteristika tunelové diody .................................................................... 52 Obrázek 3-15 Napěťová závislost kapacity varikapu............................................................... 52 Obrázek 3-16 Uspořádáni a schematické značky bipolárních tranzistorů ............................... 54 Obrázek 3-17 Princip tranzistorového zesilovacího stupně ..................................................... 54 Obrázek 3-18 tejnosměrné charakteristiky tranzistoru............................................................. 56 Obrázek 3-19 Tranzistorový stupeň jako lineární čtyřpól ....................................................... 57 Obrázek 3-20 Polem řízený tranzistor jako zesilovač .............................................................. 60 Obrázek 3-21 Schématické značky tranzistorů FET s přechodem PN..................................... 60 Obrázek 3-22 Schématické značky tranzistorů MOSFET - ..................................................... 61 Obrázek 4-1 Blokvé schema zesilovače ................................................................................... 62 Obrázek 4-2 Rotační elektrické zesilovače .............................................................................. 64 Obrázek 4-3 Elektronkový zesilovač ....................................................................................... 64 Obrázek 4-4 Zapojení bipolárních trsnzistorů .......................................................................... 65 Obrázek 4-5 Vazby tranzistorových zesilovačů ....................................................................... 66 Obrázek 4-6 Zapojení operačního zesilovače .......................................................................... 66 Obrázek 4-7 Invertující zesilovač ............................................................................................ 67 Obrázek 4-8 Neinertující zesilovač .......................................................................................... 67 Obrázek 4-9 Diferenční zesilovač ............................................................................................ 68 Obrázek 4-10 (a, b) Jednočinný převodník napětí na délku impulsu ....................................... 71 Obrázek 4-11 (a, b) Dvojčinný převodník napětí na délku impulsu ........................................ 72 Obrázek 4-12 Jednočinný převodník napětí na délku impulsu ................................................ 73 Obrázek 4-13 Převodník odpor napětí ..................................................................................... 74 Obrázek 4-14 Jednoduchý převodník napětí kmitočet ............................................................. 75 ix

Obrázek 4-15 Dvojtaktní převodník napětí kmitočet ............................................................... 76 Obrázek 4-16 Zdroj konstantního napětí .................................................................................. 77 Obrázek 4-17 Zdroj konstantního proudu ................................................................................ 77 Obrázek 4-18 Princip D/A převodníku .................................................................................... 78 Obrázek 4-19 D/A převodník s proudovými spínači ............................................................... 79 Obrázek 4-20 A/D čítací převodník ......................................................................................... 80 Obrázek 4-21 Kompenzační převodník.................................................................................... 82 Obrázek 5-1 Měřící obvod ....................................................................................................... 83 Obrázek 5-2 Měření napětí ....................................................................................................... 91 Obrázek 5-3 Měření proudu ..................................................................................................... 91 Obrázek 5-4 Přístroj s otočnou cívkou ..................................................................................... 92 Obrázek 5-5 Bočník ampérmetru ............................................................................................. 93 Obrázek 5-6 Bočník ampérmetru, změna rozasahu.................................................................. 94 Obrázek 5-7 Odpory v obvodu při měření proudu ................................................................... 94 Obrázek 5-8 Odpory v obvodu při měření napětí .................................................................... 95 Obrázek 5-9 Schéma čítače kmitočtu ..................................................................................... 102 Obrázek 5-10 Měření malých odporů .................................................................................... 103 Obrázek 5-11 Měření velkých odporů ................................................................................... 104 Obrázek 5-12 Měření odporu voltmetrem .............................................................................. 104 Obrázek 5-13 Měření malých odporů porovnáním ................................................................ 105 Obrázek 5-14 Měření velkých odporů porovnáním ............................................................... 105 Obrázek 5-15 Ohmův zákon schéma ..................................................................................... 107 Obrázek 5-16 Kontaktní odporové snímače ........................................................................... 108 Obrázek 5-17 Proměnný odpor .............................................................................................. 109 Obrázek 5-18 Typy indukčnostních snímačů ......................................................................... 112 Obrázek 5-19 Principy kapacitních snímačů .......................................................................... 113 Obrázek 5-20 Závislost magnetické indukce na síle .............................................................. 114 Obrázek 5-21 Magnetoanizotropní snímač ............................................................................ 115 Obrázek 5-22 Inverze Wiedemannova jevu ........................................................................... 116 Obrázek 5-23 Elektromagnetický snímač .............................................................................. 117 Obrázek 5-24 Elektrodynamický snímač ............................................................................... 117 Obrázek 5-25 Princip piezokeramického snímače ................................................................. 118 Obrázek 5-26 Termoelektrický článek ................................................................................... 119 Obrázek 5-27 Hallův jev ........................................................................................................ 120 Obrázek 5-28 Obvod emisního snímače ................................................................................ 121 Obrázek 5-29 Voltampérová světelná charakteristika............................................................ 122 Obrázek 5-30 Světelné charakteristiky .................................................................................. 122 Obrázek 5-31 Fotonásobič ..................................................................................................... 123 Obrázek 5-32 Elektrokinetický snímač .................................................................................. 123 Obrázek 5-33 Generátorový snímač světelného záření .......................................................... 124 Obrázek 5-34 snímač zvonového typu ................................................................................... 126 Obrázek 5-35 Kontaktní snímač ............................................................................................. 127 Obrázek 5-36 Jazýčkové relé ................................................................................................. 127 Obrázek 5-37 Potenciometry .................................................................................................. 128 x

Obrázek 5-38 Indukčností snímače ........................................................................................ 129 Obrázek 5-39 Snímače se změnou polohy vzduchové mezery .............................................. 129 Obrázek 5-40 Snímač s konstantním magnetickým obvodem ............................................... 130 Obrázek 5-41 Snímač s proměnným magnetickým obvodem ............................................... 130 Obrázek 5-42 Měření výchylky.............................................................................................. 130 Obrázek 5-43 Měření velkých výchylek ................................................................................ 131 Obrázek 5-44 Selsyn .............................................................................................................. 132 Obrázek 5-45 Optoelektronický snímač polohy..................................................................... 132 Obrázek 5-46 Hallův snímač polohy ...................................................................................... 133 Obrázek 5-47 Mechanické otáčkoměry.................................................................................. 134 Obrázek 5-48 Otáčkoměr pracující na základě vířivých proudů ............................................ 134 Obrázek 5-49 Impulsní snímače otáček ................................................................................. 135 Obrázek 5-50 Optoelektronický snímač otáček ..................................................................... 136 Obrázek 5-51 Elektromagnetický snímač .............................................................................. 137 Obrázek 5-52 Elektromagnetický generátorový snímač ....................................................... 137 Obrázek 5-53 Tachodynamo .................................................................................................. 138 Obrázek 5-54 Uspořádání kovového tenzometru ................................................................... 141 Obrázek 5-55 Provedení tenzometrů ...................................................................................... 141 Obrázek 5-56 Měření poměrné prodloužení ve více směrech ................................................ 142 Obrázek 5-57 Fóliové tenzometry .......................................................................................... 142 Obrázek 5-58 Polovodičové tenzometry ................................................................................ 143 Obrázek 5-59 Magnetoelastické tenzometry .......................................................................... 144 Obrázek 5-60 Tenzometr využívající inverze Wiedemannova jevu ...................................... 144 Obrázek 5-61 Tenzometr využívající inverze Wiedemannova jevu konstrukční řešení ........ 145 Obrázek 5-62 Elektromagnetický snímač, vibrační ............................................................... 146 Obrázek 5-63 Odporový snímač se stykovým odporem ........................................................ 147 Obrázek 5-64 Tenzometrické snímače síly ............................................................................ 148 Obrázek 5-65 Indukčnostní snímač síly (Zehnula) ................................................................ 149 Obrázek 5-66 Magnetoelastický snímač ................................................................................ 150 Obrázek 5-67 Magnetoanizotropní snímač, vícenásobný ...................................................... 151 Obrázek 5-68 Snímač využívající inverze Wiedemannova jevu, princip .............................. 151 Obrázek 5-69 Snímač využívající inverze Wiedemannova jevu, konstrukce ........................ 152 Obrázek 5-70 Kapacitní snímač ............................................................................................. 153 Obrázek 5-71 Piezoelektrický snímač, přímý ........................................................................ 153 Obrázek 5-72 Piezoelektrický snímač, zprostředkovaný ....................................................... 154 Obrázek 5-73 Konstrukce snímače s tenzometry ................................................................... 156 Obrázek 5-74 Snímač s tenzometrickým můstkem ................................................................ 156 Obrázek 5-75 Způsoby přenosu signálů z hřídele .................................................................. 157 Obrázek 5-76 Magnetoelastický snímač ................................................................................ 158 Obrázek 5-77 Magnetoanizotropní snímač ............................................................................ 158 Obrázek 5-78 Odporový snímač se stykovým odporem ........................................................ 161 Obrázek 5-79 Indukčnostní snímače ...................................................................................... 161 Obrázek 5-80 Magnetostrikční snímač .................................................................................. 162 Obrázek 5-81 Piezoelektrický snímač .................................................................................... 162 xi

Obrázek 5-82 Indukční snímač............................................................................................... 164 Obrázek 5-83 Relativní indukčnostní snímač ........................................................................ 164 Obrázek 5-84 Absolutní indukčnostní snímač ...................................................................... 165 Obrázek 5-85 Princip fotometrického snímače ...................................................................... 166 Obrázek 5-86 Nádobkový tlakoměr ....................................................................................... 167 Obrázek 5-87 Trubicový tlakoměr ......................................................................................... 168 Obrázek 5-88 Zvonový tlakoměr ........................................................................................... 169 Obrázek 5-89 Princip funkce prstencového tlakoměru .......................................................... 169 Obrázek 5-90 Pístový tlakoměr .............................................................................................. 170 Obrázek 5-91 Membránový tlakoměr .................................................................................... 170 Obrázek 5-92 Tlakoměr s Bourdonovou trubici .................................................................... 171 Obrázek 5-93 Kapacitní tlakoměr .......................................................................................... 172 Obrázek 5-94 Kontaktní snímače ........................................................................................... 172 Obrázek 5-95 Rotační objemový průtokoměr ........................................................................ 174 Obrázek 5-96 Radiální rychlostní průtokoměr ....................................................................... 175 Obrázek 5-97 Dynamický průtokoměr princip ...................................................................... 175 Obrázek 5-98 Dynamický průtokoměr tryska ........................................................................ 176 Obrázek 5-99 Dynamický průtokoměr clona ......................................................................... 176 Obrázek 5-100 Rotametr ........................................................................................................ 177 Obrázek 5-101 Přebad ............................................................................................................ 177 Obrázek 5-102 Danaida .......................................................................................................... 177 Obrázek 5-103 Princip značkovacího průtokoměru ............................................................... 178 Obrázek 5-104 Princip tepelného průtokoměru ..................................................................... 179 Obrázek 5-105 Indukční průtokoměr ..................................................................................... 179 Obrázek 5-106 Princip ultrazvukového průtokoměru ............................................................ 180 Obrázek 5-107 Vírový průtokoměr ........................................................................................ 181 Obrázek 5-108 Pásové váhy ................................................................................................... 182 Obrázek 5-109 Odstředivá metoda měření množství ............................................................. 183 Obrázek 5-110 Radioizotopové přístroje ............................................................................... 183 Obrázek 5-111 Plovákový snímač.......................................................................................... 184 Obrázek 5-112 Snímač hladiny založený na hydrostatickém tlaku ....................................... 184 Obrázek 5-113 Elektrolytický hladinoměr ............................................................................. 184 Obrázek 5-114 Kapacitní snímače hladinoměr ...................................................................... 185 Obrázek 5-115 Ultrazvukový hladinoměr .............................................................................. 185 Obrázek 5-116 Analogový snímač ......................................................................................... 186 Obrázek 5-117 Bodový snímač .............................................................................................. 186 Obrázek 5-118 Tepelný hladinoměr ....................................................................................... 186 Obrázek 5-119 Membránový hladinoměr .............................................................................. 187 Obrázek 5-120 Vodivostní snímač ......................................................................................... 188 Obrázek 5-121 Termomagnetický snímač ............................................................................. 189 Obrázek 5-122 Kontaktový rtuťový teploměr ........................................................................ 193 Obrázek 5-123 Kapalinový analogový snímač ...................................................................... 194 Obrázek 5-124 Provedení dvojkovu ....................................................................................... 195 Obrázek 5-125 Schéma měření termočlánkem ...................................................................... 198 xii

Obrázek 5-126 Náhradní schéma piezoelektrického článku .................................................. 199 Obrázek 5-127 Princip snímače tepeného toku ...................................................................... 202 Obrázek 5-128 Termomolekulární vakuometr ....................................................................... 205 Obrázek 6-1 Přenosový obvod ............................................................................................... 214 Obrázek 6-2 Multiplexní přenos ............................................................................................ 216 Obrázek 6-3 Vzorkování signálu............................................................................................ 217 Obrázek 6-4 Vzorkovač ......................................................................................................... 218 Obrázek 6-5 (a,b) Fázový impulsní přenos ............................................................................ 219 Obrázek 6-6 Časově sdílená přenosová cest .......................................................................... 224 Obrázek 6-7 Řízení časového sdílení multiplexory ............................................................... 225 Obrázek 6-8 Centralizované řízení sdílení ............................................................................. 225 Obrázek 6-9 Decentralizované řízení sdílení ......................................................................... 226 Obrázek 6-10 Sdílení frekvenčního pásma ............................................................................ 226 Obrázek 6-11 Obvod frekvenčního vícenásobného přenosu .................................................. 227 Obrázek 7-1 Měřící ústředna .................................................................................................. 229 Obrázek 8-1 Tyratron, zapojení ............................................................................................. 231 Obrázek 8-2 Tyristor .............................................................................................................. 232 Obrázek 8-3 Triak .................................................................................................................. 232 Obrázek 8-4 Ward-Leonardovo soustrojí ............................................................................... 233 Obrázek 8-5 Dynamo s cizím buzením .................................................................................. 233 Obrázek 8-6 Přímočarý servomotor ....................................................................................... 234 Obrázek 8-7Solenoidový ventil .............................................................................................. 234 Obrázek 8-8 Krokový motor .................................................................................................. 235 Obrázek 8-9 Hydraulický motor ............................................................................................ 235 Obrázek 8-10 Pneumatické akční členy ................................................................................. 236 Obrázek 8-11 Akční členy posouvače .................................................................................... 236 Obrázek 8-12 Akční členy dávkovače ................................................................................... 236 Obrázek 8-13 Akční členy přestavníky .................................................................................. 237 Obrázek 9-1 Proporcionální regulátor .................................................................................... 237 Obrázek 9-2 Derivační regulátor ............................................................................................ 238 Obrázek 9-3 Integrační regulátor ........................................................................................... 238 Obrázek 9-4 Proporcionálně Derivační regulátor .................................................................. 238 Obrázek 9-5 Proporcionálně Integrační regulátor .................................................................. 239 Obrázek 9-6 Proporcionálně Integračně Derivační regulátor, blokové schéma..................... 239 Obrázek 9-7 Proporcionálně Integračně Derivační regulátor................................................. 240

xiii

1

Úvod.

Tyto učební texty jsou určeny pro studenty oborů Systémové inženýrství v průmyslu a to jak bakalářského tak na magisterská studia. Poskytují přehled o technických prostředcích měření, regulace, ovládání, řízení a automatizace. Jsou podkladem pro studium předmětů v oblasti automatického řízení. Měření, ovládání, regulace, řízení, automatické řízení, jsou nezbytnou součástí většiny technologických procesů, zařízení i spotřební techniky. V podstatě si neumíme bez této techniky přestavit žádné současné zařízení. Teorie řízení a další předměty nás učí návrhu systémů z teoretického hlediska. Při zvládnutí jsme schopni provést návrh, vytvořit matematický model, blokové schéma. Je ale potřeba provést realizaci systému, vytvořit vlastní zařízení. Bez znalostí technického řešení a vlastností jednotlivých částí řídicích systémů, není možné uskutečnit praktický návrh a realizaci zařízení regulace, řízení, ovládání. Tyto texty nám poskytnou dostatečnou sumu znalostí pro návrh, projekt i realizaci. Řídící technika je zařízení, které umožňuje ovládání, automatické ovládání, automatické měření, regulaci, automatickou regulaci a kombinaci těchto procesů. Základními procesy jsou měření, ovládání, regulace, řízení a přenos dat. Řídící technika se skládá z prostředků řídicí techniky, které umožňují realizaci jednotlivých procesů. Celek pak nazýváme řídicím systémem.

Obrázek 1-1 Řídicí systém

Řídící člen kontroluje stav soustavy a porovnává ho s cílem řízení. Je-li shodný, nepodniká řídící člen žádné zásahy do soustavy. Nastane-li odchylka, působí zpětně na vstup do soustavy tak, aby na výstupu odstranil odchylku.

1

Teorie automatického řízení řečí problematiku návrhu jednotlivých částí, pro vlastní realizaci je nutné znát i technické řešení jednotlivých částí, obvodů, řídicích systémů a jejich návrh.

Obrázek 1-2 Technické prostředky v řídicím systému

Řídicí systém si můžeme představit jako soubor jednotlivých částí, obvodů. Jeden z pohledů na tuto problematiku, tak jak jej budeme používat je na obr. 1-2. Sestava a řídicího systému se skládá z těchto základních obvodů: • • • • • • •

obvodu měřícího obvodu vyhodnocování a zpracování informací obvodu přenosu informací obvodu ovládacího obvodu akčního obvodu signalizace obvodu řízení a regulace

Tento předmět v několika základních krocích seznámí studenty s technickými prostředky pro realizaci řídicích systémů. Seznámíme se základním pohledem na signál, elektrické a elektronické součástky a obvody, dále seznámíme se základy měření elektrických a neelektrických veličin, přenosem signálů v řídicím systému, vyhodnocením úpravou signálů. Ovládacími prvky, akčními členy a řídícími obvody.

2

2

Základy elektrických a elektronických obvodů

Většina dnešních automatizačních systémů je tvořena z elektrických, elektronických obvodů, proto úvodu této části se seznámíme se základními pojmy, veličinami a zákony. Následně probereme základní prvky elektronických obvodů a řešení některých úloh. Tato část je důležitá pro další pochopení jednotlivých obvodů a technických prostředků automatizace, jejich vlastností a funkce. Elektronické obvody jsou útvary vzniklé spojením pasivní a aktivních elektronických součástek (rezistorů, kondenzátorů, cívek, tranzistorů, zdrojů atd.). Veškeré děje v elektrických a magnetických obvodech popsat Maxwellovými rovnicemi. Z řešení a zjednodušením tohoto úplného popisu dostáváme jednodušší zákony a vztahy, kterými můžeme v dostatečné míře popsat dění v elektrických obvodech. Součástku zpravidla nahrazujeme prvkem, tzv. ideální součástkou, mající jen požadovanou vlastnost (např. ideální kondenzátor má jen kapacitu, ideální cívka jen indukčnost atd.). Elektrický obvod je soustava alespoň dvou elektrických prvků spojených navzájem tak, že vznikne alespoň jedna uzavřená dráha pro tok elektrického proudu. Pro danou uspořádání obvodu se pak prvek stává parametrem obvodu. 2.1

Základní elektrické veličiny.

Vlastnosti elektrických obvodů a jejich pracovní režim vyjadřujeme číselnými hodnotami elektrických veličin. Mezi základní veličiny, kterými popisujeme vlastnosti elektrických obvodů a jejich součástí, patří především činný odpor (rezistance), jalový odpor (reaktance), komplexní odpor (impedance), indukčnost a kapacita. Tyto veličiny nazýváme také pasívními veličinami. Pracovní režim elektrických obvodů vyjadřujeme elektrickými veličinami, kterým říkáme aktivní nebo obvodové hlavními veličinami je proud, napětí, frekvence, výkon atd. Velikost jednotlivých elektrických veličin udáváme v jednotkách soustavy fyzikálních jednotek SI. Základní jednotkou elektrických veličin je elektrický proud. Nejdůležitější elektrické veličiny a jejich základní jednotky jsou v uvedeny v tabulce 1. V závorce jsou vždy uvedeny symboly, kterými se veličiny a jejich jednotky označují. Tabulka 1 Nejdůležitější elektrické veličiny a základní jednotky

název napětí proud výkon práce rezistance vodivost

značka (U (I) (P) (A) R G

jednotka volt ampér watt watthodina ohm simens

zkratka (V) (A) (W) (Wh) (Ω) S

název reaktance impedance indukčnost kapacita kmitočet

značka (X) (Z) (L) (C) (f)

jednotka ohm ohm henry farad hertz

zkratka (Ω) (Ω) (H) (F) (Hz)

3

Základní jednotky nemají vždy prakticky vhodnou velikost. Proto užíváme často jejich dekadických násobků nebo podílů. Pro tyto násobky jsou normalizovány odpovídající předpony a jejich označení jsou uvedeny v tabulce 2. Tabulka 2 Násobky a díly jednotek

p n µ m k M G T

piko nano mikro mili kilo mega giga tera

10-12 10-9 10-6 10-3 103 106 109 1012

bilióntina miliardina milióntina tisícina tisíc milión miliarda bilión

2.2 Rozdělení elektrických obvodů Již v úvodu jsem provedl základní rozdělení obvodů dle vlastností. Elektronické obvody můžeme rozdělit obdobně: 2.2.1 Obvody se soustředěnými prvky jsou obvody složené z prvků, jejichž geometrické rozměry jsou zanedbatelné ve srovnání s délkou vln zpracovávaných elektrických signálů. Za takové prvky lze považovat zejména běžné elektronické součástky, používané pro nízké kmitočty (kondenzátory, rezistory, tranzistory atd.). Obecný matematický popis těchto obvodů vede na obyčejné diferenciální rovnice. 2.2.2 Obvody s rozloženými prvky jsou obvody složené z prvků, jejichž rozměry jsou srovnatelné s délkou vln zpracovávaných signálů. Jsou to především vedení, vlnovody a antény. Matematický popis vede na parciální diferenciální rovnice. Těmito obvody se příručka nezabývá. Oba uvedené druhy obvodů mohou být lineární a nelineární. Toto rozdělení je důležité z hlediska návrhu a výpočtu obvodů. Lineární obvody jsou takové, ve kterých lze prvky považovat za nezávislé na přiloženém napětí a procházejícím proudu. Jsou-li tyto prvky navíc nezávislé na čase, jde o lineární obvody se stálými parametry. Vlastnosti lineárních obvodů se stálými parametry jsou pevně vázány zvláštními pravidly a jejich matematický popis je důkladně propracován, neboť tvoří ucelenou soustavu pouček a vztahů. Jsou popsány soustavami lineárních diferenciálních rovnic s konstantními koeficienty. Zvláštní třídu lineárních obvodů tvoří obvody parametrické, jejichž parametry jsou proměnné v závislosti na čase. Jejich řešení je obtížné, jsou popsány lineárními diferenciálními rovnicemi s časově proměnnými koeficienty. Praktickým příkladem jsou parametrické zesilovače. 4

Nelineární obvody jsou takové, ve kterých je alespoň jeden parametr (např. vodivost, indukčnost) závislý na přiloženém napětí nebo procházejícím proudu. Jejich matematický popis vede na nelineární diferenciální rovnice a je velmi obtížný a různorodý. Často se proto při řešení těchto obvodů používají grafické metody. Nelineární obvody jsou všechny obvody vyskytující se v praxi, neboť lineární obvod je idealizace, i když často dobře vystihující chování obvodu. Z teorie vyplývá, že pouze nelineární obvody umožňují generování kmitů se stálou amplitudou, násobení a dělení kmitočtu, usměrňování, směšování a jiné důležité elektrické děje. Příkladem nelineárního prvku je dioda, tranzistor při velkých signálech, varikap a cívka s feromagnetickým jádrem v oblasti nasycení. Další rozdělní je možné především na analogové, diskrétní a digitální elektronické obvody. Další pohled je možný podle určení, především provozní frekvence signálu.

2.3 Rozdělení elektrických signálů. Základní rozdělení signálů jsme si uvedli v úvodu skript u analogových signálů a to především u elektrických veličin rozeznáváme ještě následující pohled na časový průběh. Budeme-li například na stínítku osciloskopu sledovat časový průběh elektrického napětí nebo proudu v různých částech radioelektrických přístrojů, můžeme se setkat s těmito případy: Signály s náhodným průběhem (nezaměňovat se šumy), jedná se o signály stochastické. Nejobecnější časový průběh má napětí, jehož velikost i polarita se neustále nahodile mění (obr. 2-1). Nahodile proměnný časový průběh má např. šumové napětí.

Obrázek 2-1 Časový průběh nahodile proměnného napětí

V případě, že se časový průběh napětí vždy po jistém časovém intervalu, době periody T znovu opakuje, mluvíme o periodickém průběhu napětí (obr. 2-2). Napětí s takovým průběhem můžeme charakterizovat dobou periody T, popřípadě kmitočtem f = 1/T, dále kladnou špičkovou hodnotou Uš+, zápornou špičkovou hodnotou Uš- a kmitočtem napětí mezi špičkami Ušš. Charakteristický je také tvar křivky, podle které se napětí mění. Často se vyskytují periodická napětí s obdélníkovým nebo pilovitým průběhem.

5

Obrázek 2-2 Periodický průběh napětí

c) Nejjednodušší periodický průběh napětí je průběh harmonický. Napětí se mění podle sinusovky (obr. 2-3) a říkáme mu jednoduše střídavé napětí. Mezi střídavá napětí patří například napětí v elektrovodné síti.

Obrázek 2-3 Sinusový průběh napětí

2.3.1 Periodický signál, harmonická analýza Signál, tedy i elektrický s prakticky libovolným, periodickým, nesinusovým průběhem si můžeme představit jako součet dílčích harmonických složek napětí se sinusovým průběhem. Přitom harmonickou složku s kmitočtem f1, rovným kmitočtu odpovídajícího periodického průběhu, nazýváme základní nebo také první harmonická složka. Kmitočet ostatních, tzv. vyšších harmonických složek je vždy celistvým násobkem kmitočtu základní harmonické složky. Složku s kmitočtem 2 f1 označujeme jako druhou harmonickou, složce s kmitočtem 3 f1 říkáme třetí harmonická atd. Rozbor daného periodického průběhu na soubor odpovídajících harmonických složek nazýváme Fourierův rozvoj nebo harmonická analýza. Provádí se početně, graficky,

6

mechanickými nebo elektrickými analyzátory. Souboru harmonických složek říkáme kmitočtové centrum odpovídajícího nesinusového průběhu napětí nebo proudu. 2.3.2 Charakteristické hodnoty střídavých proudů a napětí Za střídavé považujeme proudy (resp. napětí) s harmonickým, sinusovým průběhem (obr. 24). Pro libovolný okamžik můžeme určit odpovídající okamžitou hodnotu proudu, dosadíme-li do následujícího vzorce příslušný čas t, jaký uplynul od okamžiku, pro který jsme položili t=0

Obrázek 2-4 Fázově posunutý proud s harmonickým průběhem

Musíme ovšem znát amplitudu střídavého proudu Imax, dobu jeho periody T a fázový posuv ϕ vzhledem k základnímu sinusovému průběhu, jehož graf prochází počátkem. Místo dobou periody T charakterizujeme střídavé napětí často kmitočtem f, nebo kruhovým kmitočtem ω. Platí zde vztah T=

1 2π = f ω

Spotřebič s odporem R, do něhož přitéká střídavý proud, odebírá elektrický výkon P, který je úměrný druhé mocnině efektivní hodnoty proudu P = Ief2 R . Efektivní hodnota střídavého proudu Ief souvisí s jeho amplitudou Imax podle vztahu I ef =

I max 2

= 0,707I max

U proudů s periodickým průběhem nás zajímá také střední hodnota Ist, které odpovídá elektrický náboj Qτ, dodaný během jedné periody průběhu, např. do akumulátoru. 7

Qτ = Ist T.

Každý periodický průběh proudu, nebo napětí, jehož graf spolu s osou času omezuje plochu tak, že během každé periody je obsah plochy nad osou času roven obsahu plochy pod osou, má střední hodnotu rovnou nule. Podle toho je střední hodnota střídavého proudu se sinusovým průběhem nulová, poněvadž obsah kladné půlperiody A je zde zjevně stejný jako obsah půlperiody záporné B (obr. 2-4).

2.4 Základní zákony elektrotechniky Nejzákladnějšími zákony používanými při návrhu elektronických obvodů jsou Kirchhofovy zákony a Ohmův zákon. 2.4.1 Ohmův zákon Ohmův zákon je nejjednodušší příklad lineární závislosti. Platí jen pro lineární obvody. Ohmův zákon vyjadřuje vztah mezi dvěma základními obvodovými veličinami, tj. elektrickým napětím a proudem. Zdroj elektrického proudu (obr. 2-5) dodává do spotřebiče proud I, který je přímo úměrný napětí zdroje U a nepřímo úměrný odporu spotřebiče R. Převrácená hodnota odporu je vodivost. Podle Ohmova zákona tedy platí:

R=

U I

[Ω; V; A]

Obrázek 2-5 Zapojení základního elektrického obvodu

Jednoduchou početní úpravou získáme z tohoto základního vzorce výrazy vhodné pro výpočet napětí zdroje nebo odporu spotřebiče. U = RI I=

U R

[V; Ω; A] [A; V; Ω]

Ohmův zákon platí i pro časově proměnný proud i(t) a napětí u(t) u(t) =Ri(t) i(t) = Gu(t) 2.4.2 Kirchhoffovy zákony Elektrické obvody (se soustředěnými parametry) tvoří soustavy složené z větví a uzlů. Uzel je místo spojení dvou nebo více prvků. Větev je sériové zapojení prvků. 8

Kirchhoffovy zákony formulují dvě základní, zcela samozřejmé, ale důležité poučky, kterých používáme při řešení elektrických obvodů. První Kirchhoffův zákon říká, že z uzlu elektrického obvodu odtéká v daném okamžiku právě tolik proudu, kolik ho přitéká. Budeme-li přitékající proudy brát jako kladné a odtékající záporné, můžeme první Kirchhoffrův zákon vyjádřit větou: součet proudů přicházejících do uzlu se rovná nule obr.2-6.

�𝑖 = 0 Obrázek 2-6 První Kirchhoffův zákon

Druhý Kirchhoffův zákon udává, že součet napětí v uzavřeném obvodu se rovná nule obr.2-7.

�𝑢 = 0

Obrázek 2-7 Druhý Kirchhoffův zákon

Obrázek 2-8 Kmitavý obvod LC se ztrátovými odpory R1 a R2 spojený se zdrojem napětí u

9

Na obr. 2-8 je příklad využití Kirchhoffových zákonů pro výpočet na dynamickém obvodu. Pro horní uzel platí i1+(-i2)+ (-i2) + (-i1 +i2) = 0 kde i1 a i2 nazveme smyčkovými proudy. Při sestavování rovnic pro uzly je třeba dbát na správnou orientaci proudů. Pro první smyčku platí podle 2. Kirchhoffova zákona 𝑑𝑖

1

𝐿 𝑑𝑡1 + 𝑅1 𝑖1 + 𝐶 ∫(𝑖1 − 𝑖2 ) 𝑑𝑡 − 𝑢 = 0 Pro druhou smyčku platí 1 �(i1 − i2 ) dt = 0 C Opět je nutné dbát na orientaci proudů a napětí. R 2 i2 +

Kirchhofifovy zákony platí pro lineární a nelineární obvody, zatímco např. Ohmův zákon a pojem impedance lze uplatnit pouze u lineárních obvodů.

2.5 Lineární obvody V lineárních obvodech platí přímá lineární úměrnost mezi velikostí vstupního a výstupního signálu. Jak již bylo zmíněno jedním ze základních vztahů je Ohmův zákon. V podstatě se dá aplikovat na každý lineární dvojpól. 2.5.1 Dvojpóly admitance a impedance Dvojpóly jsou obvody se dvěma uzly, ke kterým vztahujeme zkoumání stavů obvodu. Vnitřní konstrukce dvojpólu není důležitá, mohou to být i složité soustavy obvodů, u kterých vyčleníme dva uzly. Následně ho zkoumáme jako dvojpól. Na obr.2-9 vidíme čtyři různé zobrazení dvojpólů a) nejobvyklejší schematické znázornění dvojpólu; b) dvojpól vytvořený ze soustavy obvodů; c) ideální zdroj napětí; d) ideální zdroj proudu

Obrázek 2-9 Dvojpóly

Zvláštními dvojpóly jsou zdroj napětí a zdroj proudu. Pro mnohé úlohy a výpočty potřebujeme ideální zdroje napětí a proudu Ideální zdroj napětí dává napětí nezávislé na velikosti odebíraného proudu, jeho vnitřní odpor se rovná nule. 10

Ideální zdroj proudu dodává proud nezávislý na napětí na jeho svorkách, jeho vnitřní vodivost se rovná nule, vnitřní odpor je nekonečně veliký. Obvod, který neobsahuje zdroje, se nazývá pasivní, bez připojení vnějších zdrojů jsou napětí a proudy v soustavě v ustáleném stavu nulové. Obvody obsahující zdroje se nazývá aktivní. Podle tohoto kritéria se dělí i dvojpóly na aktivní a pasívní. Ohmův zákon lze rozšířit na lineární obvody obsahující kapacity a indukčnosti a napájené střídavými proudy se řeší jako komplexní impedance Z. Pro obecný dvojpól je tedy impedance Z na určitém úhlovém kmitočtu ω co = 2πf [rad . s-1; Hz] poměr amplitud sinusového průběhu napětí U a proudu I 𝑢 𝑖 převrácená hodnota se nazývá admitance a označuje se Y 𝑍=

Při výpočtech obvodů se často vyskytují formálně shodné početní vztahy vzniklé použitím impedancí a admitancí. V literatuře je používán pojem imitance, ze spřažení slov impedance a admitance, kterým se v konkrétním případě míní buď impedance, nebo admitance. Použití imitance souvisí s dualitou obvodů. Imitance je obecně závislá na úhlovém kmitočtu co. V symbolickém vyjádření střídavých napětí a proudů 𝑼 = 𝑈𝑒 𝑗(𝜔𝑡+𝛼) = 𝑈[cos(𝜔𝑡 + 𝛼) + 𝑗𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡 + 𝛼)] 𝑰 = 𝐼𝑒 𝑗(𝜔𝑡+𝛽) = 𝐼[cos(𝜔𝑡 + 𝛽) + 𝑗𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡 + 𝛽)]

je imitance představována jako komplexní číslo, např. impedance 𝒁=

𝑼 𝑈 𝑗(𝛼−𝛽) = 𝑒 = 𝑍𝑒 𝑗𝜑 = 𝑅 + 𝑗𝑋 𝑰 𝐼

kde Z je poměr amplitud napětí U a proudu I a φ je fázový úhel mezi napětím a proudem. Obdobně 𝒀=

𝑰 𝐼 = 𝑒 𝑗(𝛽−𝛼) = 𝑌𝑒 𝑗ψ = 𝐺 + 𝑗𝐵 𝑼 𝑈

kde Y je poměr amplitud proudu I a napětí U a ψ je fázový úhel mezi napětím a proudem. Reálná složka impedance Z představuje činný odpor R, imaginární složka X se nazývá jalový odpor nebo reaktance. Reálná složka admitance Y je činná vodivost G, imaginární složka B je jalová vodivost neboli susceptance. Fázové úhly jsou

11

𝜑 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔

𝜓 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔

𝑋 𝑅

𝐵 𝐺

Je patrné, že jde-li o impedanci a admitanci téhož dvojpólu, je úhel ϕ = −ψ. Základními dvojpóly jsou ideální cívka, která má při indukčnosti L impedanci 𝒁𝑳 = 𝑗𝜔𝐿

a ideální kondenzátor s kapacitou C, který má impedanci 𝒁𝐶 =

1 𝑗𝜔𝐶

Admitance jsou převrácenou hodnotou. Ideální kapacita a indukčnost jako základní dvojpóly s frekvenčně závislou impedancí, umožňují spolu s ideálním odporem vytvořit náhradní schéma lineárního pasivního dvojpólu. 2.5.2 Čtyřpóly V obecné soustavě obvodů, která má mnoho uzlů a větví, můžeme vybrat dvě dvojice uzlů a zkoumat přenos napětí a proudů mezi nimi. Takto vznikne nejčastěji používaný elektrický obvod - čtyřpól. V teoretické literatuře se rovněž používá název dvojbran. Na obr. 2-10 je znázorněn čtyřpól se vstupními uzly 1-1', výstupními uzly 2-2' a šipkami vyznačenou orientací napětí u1, u2 a proudů i1, i2. Tuto orientaci je třeba při výpočtech důsledně dodržovat (i když je teoreticky možné vyjít i z jiné orientace), aby výsledky jednotlivých výpočtů na sebe správně navazovaly a byly správně používány.

Obrázek 2-10 Obecný čtyřpól s vyznačenou orientací napětí a proudů

Vztahy mezi napětími a proudy čtyřpólu na obr. 2-10 jsou dány dvěma nezávislými impedančními rovnicemi. Koeficienty z11 až z22 mají rozměr impedance a nazývají se impedanční čtyřpólové parametry. 𝑢1 = 𝑧11 𝑖1 + 𝑧12 𝑖1

12

𝑢2 = 𝑧21 𝑖1 + 𝑧22 𝑖2

Podobně lze tentýž vztah psát pro proudy i1 a i2 pomocí admitančních parametrů y11 až y22 𝑖1 = 𝑦11 𝑢1 + 𝑦12 𝑢2

𝑖2 = 𝑦21 𝑢1 + 𝑦22 𝑢2

Tentýž čtyřpól lze popsat i dalšími parametry, z nichž se často vyskytují tzv. smíšené parametry h (např. u tranzistorů) 𝑢1 = ℎ11 𝑖1 + ℎ12 𝑢2 𝑖2 = ℎ21 𝑖1 + ℎ22 𝑢2

Výjimkou mezi čtyřpólovými rovnicemi jsou rovnice kaskádní, které se píší ve tvaru 𝑢1 = 𝑎11 𝑢2 − 𝑎12 𝑖2 𝑖1 = 𝑎12 𝑢2 − 𝑎22 𝑖2

V posledních rovnicích byla zavedená záporná znaménka, aby ve většině praktických případů byly parametry a11 až a22kladné. Všechny druhy čtyřpólových parametrů popisují vztahy mezi týmiž napětími u1, u2 a proudy i1, i2, takže lze jednotlivé druhy parametrů převádět navzájem mezi sebou. Při výpočtech soustav obvodů se čtyřpóly je nutné mít na paměti, že napětí u1, u2 a proudy i1, i2 jsou veličiny závislé na zdrojích napětí nebo proudu a vnějších impedancích (admitancích) připojených ke vstupním a výstupním svorkám, zatímco čtyřpólové parametry jsou určeny výhradně vnitřní strukturou čtyřpólu a nejsou na obvodech připojených zvnějšku nijak závislé. Další výpočty nad čtyřpóly, zvláště pro zvláštní přídech umožňují stanovit parametry jako je zesílení, impedanci naprázdno, nakrátko, strmost.

2.6 Realizace elektrických obvodů Pro praktické řešení elektronických obvodů je možné zjednodušení výše uvedených zákonů a vztahů do řešení jednotlivých částí obvodů a jednotlivých součástek. Úplné řešení je pak možné najít v literatuře popisující elektrické a elektronické obvody. V této části se seznámíme se základními pojmy z problematiky reálných zdrojů napětí a proudu, realizace rezistence, kapacity a indukčnosti. 2.6.1 Reálné zdroje elektrického proudu a napětí Základní vlastnosti libovolného zdroje elektrického proudu, napětí vyplývá z průběhu jeho zatěžovací charakteristiky. Zatěžovací charakteristika zdroje udává závislost svorkového napětí U na odebíraném proudu I. Můžeme ji získat měřením, připojíme-li na svorky zdroje voltmetr V a přes ampérmetr A proměnný odpor R (obr. 13). 13

Typický průběh zatěžovací charakteristiky zdroje vidíme na obr. 2-11. Ke každé hodnotě odebíraného proudu zde můžeme odečíst odpovídající svorkové napětí.

Obrázek 2-11 Zapojení obvodu pro měření zatěžovací charakteristiky zdroje

Obrázek 2-12 Typický průběh zatěžovací charakteristiky zdroje

S rostoucím proudem svorkové napětí klesá. Důležité je napětí zdroje naprázdno U0, které bude na svorkách nezatíženého zdroje, tj. při nulové hodnotě odebíraného proudu. Dále proud nakrátko Tk, který by protékal mezi zkratovanými svorkami zdroje. Většina zdrojů však nemůže být mnohdy ani krátkodobě zkratována. Potom je důležitý údaj maximálního proudu Imax, který je možno ze zdroje trvale odebírat. Průběh zatěžovacích charakteristik zdrojů je obvykle alespoň v pracovní oblasti (na obr. 2-12 je vyznačena plně) téměř přímkový.

Obrázek 2-13 Přibližný přímkový průběh zatěžovací charakteristiky zdroje

14

Obrázek 2-14 Náhradní schéma lineárního zdroje elektrického proudu

Můžeme proto přibližný přímkový průběh zatěžovací charakteristiky zdroje (obr. 2-13) získat už na základě dvojího měření. Nejprve změříme napětí na svorkách nezatíženého zdroje U0. Potom zatížíme zdroj vhodným proudem I1 a odečteme odpovídající svorkové napětí U1. Touto dvojicí změřených pracovních bodů (0 a 1) prochází přímková zatěžovací charakteristika zdroje. Pro lineární zdroj elektrického proudu, tj. pro zdroj s přímkovým průběhem zatěžovací charakteristiky, můžeme nakreslit náhradní schéma podle obr. 2-14. Je dáno sériovým spojením bezodporového zdroje napětí a vnitřního odporu. Bezodporový zdroj vyjadřuje vnitřní (nebo také říkáme elektromotorické) napětí zdroje. Rovná se svorkovému napětí zdroje při chodu naprázdno U0. Vnitřní odpor zdroje Ri závisí na spádu přímkové zatěžovací charakteristiky zdroje. Čím rychleji klesá napětí zdroje při rostoucím zatížení, tím větší je jeho vnitřní odpor. Z hodnot vyznačených na obr. 14 vypočítáme vnitřní odpor zdroje podle vztahu

Ri =

U 0 − U1 I1

(Ω, V, A)

Zdrojům s malým vnitřním odporem (a tedy s pozvolna klesající zatěžovací charakteristikou) říkáme zdroje tvrdého napětí. Takové zdroje jsou zpravidla nejvýhodnější. Známe-li vnitřní napětí a vnitřní odpor lineárního zdroje, můžeme pro zvolenou hodnotu odebíraného proudu vypočítat odpovídající napětí. Platí zde jednoduchý vzorec U = U0 - I Ri. 2.6.2 Rezistor Rezistory, kterým také nepřesně říkáme odpory, jsou vhodně upravené hmoty s požadovanou elektrickou vodivostí. Rezistory zapojujeme do elektrických obvodů dvěma vývody. Patří proto mezi elektrické součástky, kterým říkáme odporové dvojpóly. Charakteristické vlastnosti rezistorů vyjadřujeme těmito základními údaji: a) Jmenovitá hodnota odporu udává nejpravděpodobnější poměr mezi úbytkem napětí na rezistoru a odpovídajícím proudem, který jím protéká. Měří se v ohmech, kiloohmech nebo megaohmech. 15

b) Tolerance odporu je největší možná odchylka skutečné hodnoty odporu od hodnoty jmenovité. Udává se v procentech jmenovité hodnoty. c) Zatížitelnost rezistoru se udává největší přípustnou hodnotou elektrického výkonu, který může rezistor v normálních provozních podmínkách rozptýlit do okolí ve formě tepla, aniž se ohřeje nad přípustnou teplotu. Udává se ve wattech.

Obrázek 2-15 Náhradní schéma rezistoru

d) Náhradní schéma rezistoru (obr. 2-15) vystihuje chování rezistoru v obvodu střídavého proudu. Rezistor není totiž pouze nositelem elektrického odporu R, ale vykazuje i jistou nežádoucí parazitní indukčnost L a kapacitu C. Malá indukčnost a kapacita se požaduje především u rezistorů používaných ve vysokofrekvenčních obvodech. Hodnoty parazitních veličin L a C závisí na provedení rezistoru. Nejmenší jsou u tzv. hmotových odporů, největší u odporů drátových. V obvodu stejnosměrného proudu představuje rezistor činný odpor R, jehož velikost určuje podle Ohmova zákona poměr mezi napětím na rezistoru U a proudem I, který jím protéká. Konstručne je odpor dán technologickým vzorecem, pro který má následující tvar

kde: R … elektrický odpor 𝜌 … měrný odpor materiálu [Ω] l … délka vodiče [m] S … průřez vodiče¨[m2]

𝑅= 𝜌

𝑙 𝑆

Na obrázku 2-16 je pak znázorněn vztah mezi délkou vodiče a odporem při témže materiálu a průřezu, takováto konstrukce proměnného odporu se nazývá potenciometr.

16

Obrázek 2-16 Odpor vodiče při změně délky

Na hodnotu odporu daného rezistoru má především vliv jeho provozní teplota. Známe-li odpor rezistoru (nebo vodiče) Rυ1 při teplotě υ1, můžeme vypočítat odpor tohoto rezistoru Rυ1 při teplotě υ2 ze vztahu Rϑ2 = Rϑ1 [1 + α R (ϑ2 − ϑ1 )] .

Musíme ovšem znát hodnotu teplotního součinitele odporu αR materiálu, z něhož je rezistor vyroben. Teplotní součinitel odporu αR udává poměrnou změnu odporu daného materiálu, která nastane při změně teploty o 10 C. Materiály, jejichž odpor se s rostoucí teplotou zvětšuje (vodiče), mají kladný teplotní součinitel odporu. Naopak materiály, jejichž odpor se s rostoucí teplotou zmenšuje (polovodiče), mají teplotní součinitel odporu záporný. Měď má například αR = 0,004 (1/0 C). Pro přesné teplotně nezávislé rezistory, používané např. v měřících přístrojích, se hodí materiály s co nejmenší velikostí teplotního součinitele odporu. Velmi stabilní jsou např. rezistory z manganových bronzů (tzn. manganinů), jejichž teplotní součinitel odporu je téměř tisíckrát menší než u mědi. Chování rezistorů v obvodu střídavého proudu závisí především na kmitočtu procházejícího proudu. Při nízkých kmitočtech se rezistory obvykle chovají stejně jako v obvodu stejnosměrného proudu. Při vysokých kmitočtech se však v důsledku povrchového jevu (neboli skinefektu) odporu rezistoru zvětšuje. Dále se při vysokých kmitočtech může uplatnit reaktance vlastní indukčnosti a kapacity rezistoru. V takovém případě rezistor vykazuje obecnou, kmitočtově závislou impedanci. Nejvyšší pracovní kmitočet, při němž se rezistor ještě chová jako čistý ohmický odpor vyznačené velikosti, závisí na provedení rezistoru. Podrobněji popisuji v následujících částech.

Obrázek 2-17 Sériové spojené rezistory

17

Odpory můžeme řadit buď sériově (za sebou), nebo paralelně (vedle sebe). Můžeme také sestavit skupinu odporů ve které je použito jak sériového, tak i paralelního seskupení. V takovém případě mluvíme o sérioparalelním zapojení odporů.

Obrázek 2-18 Paralelně spojené rezistory

Výsledný odpor n rezistorů spojených sériově (obr. 2-17) získáme jednoduše jako součet jednotlivých odporů Rv = R1 + R2 + R3 + ... + Rn. Výsledná vodivost n rezistorů spojených paralelně (obr. 2-18) je dána součtem vodivostí jednotlivých rezistorů Gv = G1 + G2 + G3 + ... + Gn. Jestliže budeme rezistory místo vodivostí charakterizovat příslušnou hodnotou, bude výsledný odpor n paralelně spojených rezistorů

Rv =

1 1 1 1 1 + + +...+ R1 R 2 R 3 Rn

.

Pro dvojici paralelně spojených odporů se rovnice zjednoduší na tvar

Rv =

R1R 2 R1 + R 2

a pro trojici paralelních odporů

Rv =

R1R 2 R 3 . R1R 2 + R1R 3 + R 2 R 3

18

2.6.3 Kondenzátor Základní vlastností kondenzátorů je jejich kapacita, tj. schopnost přijmout na své elektrody určitý náboj, připojíme-li je na zdroj stejnosměrného napětí. Každá dvě navzájem izolovaná vodivá tělesa mají vůči sobě určitou kapacitu. Ta je tím větší, čím větší jsou rozměry těchto těles a čím jsou navzájem v menší vzdálenosti. Dále závisí hodnota kapacity na dielektrické konstantě prostředí mezi vodivými tělesy (tj. elektrodami). Součástky elektrických obvodů, sestavené ze dvou soustav navzájem odizolovaných elektrod tak, aby se mezi nimi dosáhlo žádané kapacity, nazýváme kondenzátory. Kapacitu kondenzátorů udáváme ve faradech (F). Poněvadž je tato základní jednotka značně velká, používáme jejich desetinných zlomků.

Obrázek 2-19 Základní uspořádání deskového kondenzátoru

Kondenzátory se vyrábějí v nejrůznějších provedeních, která však většinou vycházejí ze základního uspořádání deskového kondenzátoru (obr. 2-19). Známe-li účinný obsah plochy elektrod S, tj. zhruba velikost plochy, ve které se rovnoběžné deskové elektrody kondenzátoru překrývají, vzdálenost vnitřních stran elektrod d a poměrnou dielektrickou konstantu nevodivého prostředí mezi elektrodami ε, můžeme vypočítat kapacitu deskového kondenzátoru přibližně ze vzorce

C = ε 0ε r

S d

(F, Fm, m2, m).

C kapacita S plocha desek d vzdálenost desek

ε 0 permitivita vakua Pro jiné tvary kondenzátorů je třeba modifikace vzorce, ale základní vztahy jsou stejné. Budeli dielektrikem mezi elektrodami vzduch, dosadíme ε ≈ 1, pro tvrzený papír ε ≈ 5, pro slídu ε ≈ 7 atd. Podle druhu dielektrika rozdělujeme kondenzátory na vzduchové, papírové, slídové, keramické, elektrolytické atd.

19

Kapacita kondenzátoru závisí na jeho provozní teplotě. Známe-li kapacitu kondenzátoru Cυ1 při teplotě υ1, můžeme vypočítat kapacitu tohoto kondenzátoru Cυ2 při teplotě υ2 pomocí vztahu Cϑ 2 = Cϑ1 [1 + α C (ϑ 2 − ϑ1 )] .

Je ovšem zapotřebí znát hodnotu teplotního součinitele kapacity αC. Udává poměrnou změnu kapacity daného kondenzátoru, která nastane při změně teploty o 1 0C. Hodnota teplotního součinitele kapacity závisí především na druhu dielektrika. Může být kladná nebo záporná. Pro kondenzátory s keramickým calitovým dielektrikem je např. αC = 1,4.10-4 (0C-1). Záporný teplotní součinitel kapacity αC = -0,7.10-4 (0C-1) mají například kondenzátory s keramickým dielektrikem typu tempra T. Definujeme základní vztahy pro kapacitu. Náboj uložený na kondenzátoru Q = CU

[C;F;V]

Q = It

[C;A;s]

Energie nabitého kondenzátoru 𝑊 =

1 2

𝐶𝑈 2

[J;F;V]

Okamžitý proud na kondenzátoru 𝑖𝐶 (𝑡) = 𝐶

𝑑𝑈𝐶 𝑑𝑡

[A;F;V]

Napětí na kondenzátoru 𝑢𝐶 (𝑡) =

1 � 𝑢𝑖𝐶 (𝜏)𝑑𝑡 𝐶

V obvodech se stejnosměrným napětí a proudem se ideální kondenzátor v ustáleném stavu chová jako izolátor, neprotéká žádný proud. U reálného kondenzátoru prochází pouze zbytkový proud izolantem. Při změně napětí vzniká přechodový děj. V obvodu střídavého proudu vedle své základní vlastnosti - kapacity vykazují kondenzátory také další, nežádoucí (parazitní) vlastnosti, které se projevují především v obvodech střídavého proudu s vysokým kmitočtem. Vlastnosti kondenzátoru zapojeného do vysokofrekvenčního obvodu vyjadřuje obecné náhradní schéma z obr. 2-20. Zde C značí kapacitu kondenzátoru, L indukčnost přívodů a elektrod (fólií) kondenzátoru, Riz izolační odpor dielektrika a Rd ztrátový odpor, vyjadřující především dielektrické ztráty. Kondenzátor se tedy přísně vzato chová jako sériový rezonanční obvod, rezonující na kmitočtu f0 =

1 2 π LC

(Hz, H, F). 20

Má-li kondenzátor vykazovat kapacitní reaktanci, je zapotřebí, aby jeho rezonanční kmitočet byl vyšší, než jsou kmitočty proudů v obvodu kondenzátoru. Při dané kapacitě je rezonanční kmitočet kondenzátoru tím větší, čím menší je jeho indukčnost. Malou indukčnost mají např. malé kondenzátory se slídovým nebo keramickým dielektrikem. Velkou indukčnost mají svitkové kondenzátory, které mnohdy rezonují na kmitočtu nižším než 1 Mhz. Takové kondenzátory se pro vf obvody nehodí. V náhradním schématu kondenzátoru, který pracuje na kmitočtech mnohem nižších, než je kmitočet jeho rezonance (f
Obrázek 2-20 Náhradní schéma kondenzátoru

Pro kondenzátor můžeme nakreslit vektorový diagram, obsahující časové vektory obvodových veličin vyznačených ve zjednodušeném náhradním schématu kondenzátoru (obr. 2-22). Kapacitní proud Icp předbíhá napětí na obvodu o 900, proud ve ztrátovém odporu Irp je ve fázi s napětím. Vektorovým součtem obou dílčích proudů získáme celkový proud I protékající kondenzátorem. Kondenzátor je tím kvalitnější, čím více se úhel ϕ mezi vektorem napětí a celkového proudu blíží hodnotě 900.

Obrázek 2-21 Zjednodušené náhradní schéma kondenzátoru

21

Obrázek 2-22 Vektorový diagram obvodových veličin vyznačených ve zjednodušeném náhradním schématu kondenzátoru

Kvalitu kondenzátoru vyjadřujeme činitelem jakosti QC, který se rovná tangentě fázového posuvu ϕ. S pracovním kmitočtem kondenzátoru a s veličinami ve zjednodušeném náhradním schématu souvisí podle vztahu

Q C = tgϕ =

I Cp I Rp

=

ωC p U = ωC p R p . U Rp

Místo činitelem jakosti se kvalita kondenzátorů často vyjadřuje tangentou ztrátového úhlu δ, který je doplňkovým úhlem fázového posuvu ϕ (obr. 26). Tangenta ztrátového úhlu je převrácenou hodnotou odpovídající hodnoty činitele jakosti U Rp I Rp 1 1 = = = tgδ = . I Cp ωC p U ωC p R p Q C Kondenzátor je tím jakostnější, čím větší má hodnotu činitele jakosti, tj. čím menší je jeho ztrátový úhel. Činitel jakosti, resp. ztrátový úhel kondenzátoru, závisí na jeho pracovním kmitočtu. Zpravidla s rostoucím kmitočtem nejprve činitel jakosti roste, ale při vysokých kmitočtech následkem rostoucích ztrát opět poměrně rychle klesá. Jakých hodnot činitel jakosti kondenzátoru při jednotlivých kmitočtech dosahuje, to závisí především na druhu dielektrika. Nejkvalitnější jsou kondenzátory vakuové, u nichž je běžně QC ≈ 105. Kvalitní jsou také kondenzátory vzduchové, slídové a některé keramické. Méně kvalitní, zejména při vysokých kmitočtech, jsou např. kondenzátory papírové. Kondenzátor, pro nějž platí zjednodušené náhradní schéma, představuje v obvodu střídavého proudu impedanci kapacitního charakteru. Absolutní hodnota (velikost) této impedance se zmenšuje s rostoucím kmitočtem proudu

Z=

Rp 1 + (ωC p R p ) 2

.

Kondenzátory s vysokým činitelem jakostí (QC > 1000) můžeme prakticky považovat za ideální bezeztrátové kondenzátory s čistě reaktační (jalovou) impedancí velikosti 1/ωCp. 22

Také kondenzátory můžeme řadit buď sériově (za sebou), nebo paralelně (vedle sebe). Můžeme také sestavit skupinu kondenzátorů, ve které je použito jak sériového, tak i paralelního seskupení. V takovém případě mluvíme o sérioparalelním zapojení kondenzátorů. Výsledná kapacita n sériově zapojených kvalitních kondenzátorů (obr. 2-23) se získá ze vzorce

Cv =

1 . 1 1 1 1 + + +...+ C1 C 2 C 3 Cn

Tato rovnice, která je formálně shodná s rovnicí pro výpočet výsledného odporu paralelně zapojené skupiny rezistorů, může být upravena pro případ, že hledáme výslednou kapacitu dvou či tří kondenzátorů zapojených sériově

Cv =

C 1C 2 , C1 + C 2

Cv =

C 1C 2 C 3 . C 1C 2 + C 1C 3 + C 2 C 3

Výsledná kapacita n paralelně spojených kondenzátorů (obr. 2-24) je dána jednoduše součtem kapacit jednotlivých kondenzátorů Cv = C1 + C2 + C3 + ... + Cn. Výsledné hodnoty sérioparalelních zapojení odporů nebo kondenzátorů určíme tak, že postupně skupiny sériově nebo paralelně seskupených prvků obvodu nahrazujeme jediným prvkem s odpovídající hodnotou.

Obrázek 2-23 Sériově spojené kondenzátory

Obrázek 2-24 Paralelně spojené kondenzátory

23

2.6.4 Cívka Cívky patří mezi základní součástky elektrických obvodů. Jejich provedení závisí především na požadované indukčnosti a na pracovním kmitočtu. Rozměry cívky a průřez, resp. obvod vodiče cívky musí být tím větší, čím větší je napětí a proud, jimiž je cívka v provozu namáhána. Hlavním charakteristickým rysem cívek je druh magnetického obvodu. Rozlišujeme cívky se vzduchovým magnetickým obvodem, cívky s otevřeným feromagnetickým obvodem a cívky s uzavřeným feromagnetickým obvodem. Cívky se vzduchovým magnetickým obvodem (tzv. cívky vzduchové) jsou buď samonosné, nebo jsou navinuty na tělísko z izolačního materiálu. Vinutí má zpravidla tvar šroubovice. Může být jednovrstvové nebo vícevrstvové. Těchto cívek se používá především ve vysokofrekvenčních rezonančních obvodech vysílaček a přijímačů, pro kmitočty od několika Mhz do několika desítek Mhz. Cívky s otevřeným feromagnetickým obvodem mají jádro z vhodného feromagnetického materiálu. Feromagnetické jádro není však zcela uzavřeno, takže celý magnetický tok cívky musí projít také vzduchem. Cívky, u nichž prochází hlavní magnetický tok stále jen feromagnetickým jádrem, patří do skupiny cívek s uzavřeným feromagnetickým obvodem. Feritová jádra s velkou permeabilitou používáme proto, abychom požadovanou indukčnost cívky získali při menším počtu závitů a menších rozměrech cívky. Při vhodné volbě jádra dostaneme kvalitní cívku s podstatně menšími ztrátami, než by měla vzduchová cívka o stejné indukčnosti. Použití cívek s feromagnetickými jádry, jakož i jejich vlastnosti závisejí na materiálu, z něhož je jádro vyrobeno. Jádra cívek se provádějí jako železová, feritová nebo železná, tj. složena z transformátorových plechů. Železová jádra se získají ze železného prášku slepeného zpravidla polystyrenem a vstříknutého do formy. Tím se dosáhne rozdělení jádra cívky na drobné vzájemně odizolované částečky, takže ztráty způsobené vířivými proudy v jádře jsou i při vysokých kmitočtech malé. Proto se cívky se železovým jádrem hodí pro vf obvody. Feritová jádra jsou složena z kysličníků železa a některých jiných kovů. Protože tyto kysličníky mají malou elektrickou vodivost, jsou ztráty ve feritových jádrech i při vysokých kmitočtech magnetického toku malé. Feritová jádra nemají na rozdíl od železových jader izolační pojidlo. Jsou proto výrobně jednodušší a volbou přídavných kysličníků lze získat různé ferity potřebných vlastností. Dnes se vyrábí řada kvalitních feritových jader pro cívky vysokofrekvenčních i nízkofrekvenčních obvodů. Magnetické obvody složené z transformátorových plechů mohou, dosáhnou značné magnetické vodivosti, takže umožňují výrobu cívek s velkou indukčností. Používáme především jádra složená z elektricky navzájem odizolovaných železných plechů, u nichž se přísadou křemíku způsobí snížení elektrické vodivosti, což je předpoklad malých ztrát v jádře. 24

Kromě těchto klasických transformátorových plechů se jádra cívek skládají také z plechů vyrobených z výhodnějších materiálů, jako je Ortoperm, Sonaperm, Permaloy, Mumetal apod. Tyto materiály umožňují vyrobit cívky s větší indukčností a menšími ztrátami v oboru nízkých kmitočtů. Cívky s jádrem složeným z plechů (tzv. tlumivky) se používají především v rezonančních obvodech a filtrech pro nízké kmitočty. Podobně jako transformátory mají obvykle jádro uzavřené. Pouze filtrační tlumivky napájecích zdrojů mají feromagnetické jádro přerušené vzduchovou mezerou, která omezuje přesycení jádra stejnosměrnou složkou proudu v obvodu tlumivky. Indukčnost cívky Dynamicky definovaná indukčnost cívky L udává poměr mezi napětím indukovaným v cívce u a odpovídající rychlostí změny proudu protékajícího cívkou ∆i / ∆t L=

u ∆i / ∆t

(H, V, A, s).

Obecně je indukčnost cívky dána součinem magnetické vodivosti magnetického obvodu cívky a čtverce počtu závitů cívky L = GmN2

(H, H, -).

Magnetická vodivost Gm závisí na provedení magnetického obvodu cívky. Čím je obvod kratší, čím větší má průřez a čím větší je permeabilita materiálu, ze kterého je vyroben, tím větší je jeho magnetická vodivost. Některé cívky, zejména vysokofrekvenční, mají např. dolaďovací šroub, kterým lze magnetickou vodivost obvodu, a tedy indukčnost cívky, v určitém rozmezí přesně nastavit. Převrácenou hodnotou magnetické vodivosti je magnetický odpor. 𝑅𝑚 =

1 𝐺𝑚

Konstrukční vyjádření činného magnetického odporu: 𝑛

𝑅𝑚 = � 𝑖=1

𝑙𝑖 𝜇𝑖 𝑆𝑖

kde: li, Si, µi ... délka, průřez a magnetická permeabilita i-tého úseku magnetického obvodu Základní jednotkou indukčnosti je jeden henry (H). Proud cívkou 𝑖𝐿 (𝑡) =

1 � 𝑢𝐿 (𝜏)𝑑𝑡 𝐿

25

Napětí na cívce 𝑢𝐿 (𝑡) = 𝐿

𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡

V obvodech se stejnosměrným napětí a proudem se ideální cívka v ustáleném stavu chová jako zkrat, nevzniká na ní úbytek napětí. U reálné cívky vzniká úbytek napětí odpovídající odporu vinutí cívky. Při změně proudu vzniká přechodový děj. Vlastnosti cívky zapojené do obvodu střídavého proudu vystihuje nejlépe obecné náhradní schéma, patrné z obr. 2-25. Kromě indukčnosti obsahuje činný odpor a kapacitu. Odporem jsou zde vyjádřeny ztráty v cívce, kapacita vyplývá z elektrického pole mezi přívody k cívce a jednotlivými závity. Z náhradního schématu cívky je patrné, že cívka vlastně představuje paralelní rezonanční obvod. Má-li cívka vykazovat induktivní reaktanci, je zapotřebí, aby její rezonanční kmitočet byl vyšší, než jsou kmitočty proudů v obvodu cívky. Je-li tato podmínka dobře splněna, můžeme obvykle vlastní kapacitu cívky zanedbat, popřípadě zahrnou do obvodu, ve kterém je cívka zapojena. Náhradní schéma cívky se tak zjednoduší na seriové spojení indukčnosti a odporu (obr. 2-26).

Obrázek 2-25 Náhradní schéma cívky

Obrázek 2-26 Zjednodušené náhradní schéma cívky

Obrázek 2-27 Vektorový diagram obvodových veličin vyznačených ve zjednodušeném náhradním schématu cívky

26

Chování cívky v obvodu střídavého proudu vystihuje nejlépe vektorový diagram (obr. 2-27), obsahující časové vektory obvodových veličin vyznačených ve zjednodušeném náhradním schématu cívky. Úbytek napětí na indukčnosti Uls předbíhá proud cívky o 900. Napětí na ztrátovém odporu Urs je ve fázi s proudem. Z vektorového součtu obou dílčích napětí vyplývá celkové napětí U na svorkách cívky. Cívka je tím kvalitnější, čím více se úhel ϕ mezi vektory proudu a celkového napětí blíží hodnotě 900. Kvalitu cívky vyjadřujeme činitelem jakosti QL, který se rovná tangentě fázového posuvu ϕ. S pracovním kruhovým kmitočtem ω = 2πf a s veličinami ve zjednodušeném náhradním schématu souvisí podle vztahu

Q L = tgϕ =

U Ls IωL s ωL s = = . U Rs IR s Rs

Ztrátový odpor Rs je úměrný činnému výkonu ztracenému ve vinutí cívky a ve vodivých i nevodivých materiálech na cívce a v jejím okolí. Všechny tyto ztrátové výkony, tedy i odpovídající odpor Rs, se s pracovním kmitočtem cívky zvětšují, takže kmitočtová závislost činitele jakosti cívek není lineární, nýbrž probíhá zpravidla podle obr. 2-29. Nejprve se činitel jakosti cívky zvětšuje, poněvadž reaktance indukčnosti cívky ωLs roste s kmitočtem rychleji než ztrátový odpor. Počínaje kmitočtem f narůstá ztrátový odpor rychleji než reaktance, takže činitel jakosti cívky se s rostoucím kmitočtem opět zmenšuje.

Obrázek 2-28 Typický průběh závislosti činitele jakosti cívky na kmitočtu

Cívku se snažíme vždy vyrobit tak, aby co největších hodnot činitele jakosti dosahovala právě v oblasti pracovních kmitočtů. K tomu je zapotřebí navinout cívku vodičem s co nejmenším odporem (u vf cívek nutno vzít v úvahu povrchový jev) a na případnou kostru nebo jádro cívky použít vhodných dielektrických či feromagnetických materiálů s malými ztrátami. Cívka, pro kterou platí zjednodušené náhradní schéma, představuje v obvodu střídavého proudu impedanci induktivního charakteru. Absolutní hodnota (velikost) této impedance se zvětšuje s rostoucím kmitočtem proudu Z = R 2s + (ωL s ) 2 .

Cívky s velkým činitelem jakosti můžeme alespoň zhruba považovat za ideální bezeztrátové cívky s čistě reaktanční (jalovou) impedancí o velikosti ωLs.

27

Střídavý proud protékající cívkou 1 o indukčnosti L1 (obr. 2-29) vytváří střídavý magnetický tok, který na základě elektromagnetické indukce indukuje v závitech cívky 1 elektromotorické napětí. Prochází-li alespoň část tohoto magnetického toku také závity cívky 2, indukuje se v ní rovněž elektromotorické napětí. V takovém případě jsou obě cívky spolu induktivně vázány a mají vzájemnou indukčnost, kterou označujeme M. Cívce 1, do které přivádíme střídavý proud, říkáme cívka primární. Druhou cívku nazýváme sekundární.

Obrázek 2-29 Princip transformátoru

Dvojice cívek má tím větší vzájemnou indukčnost, čím větší napětí se indukuje v sekundární cívce při dané velikosti a kmitočtu proudu v cívce primární

M=

U2 2πfI 1

(H, V, Hz, A).

Stupeň induktivní vazby mezi dvojicí cívek vyjadřujeme také činitelem vazby k, který udává poměr mezi vazebním magnetickým tokem Φv, který prochází sekundární cívkou, a celkovým tokem Φ, který vytváří cívka primární,

k=

Φv . Φ

Vazební tok je o tzv. rozptylový tok Φr menší než magnetický tok celkový. Pro činitele vazby platí proto také tyto následující vztahy

k=

Φv Φ − Φr Φv = = . Φ Φ Φv + Φr

Pro hodně vzdálené nebo dokonale magneticky odstíněné cívky, pro které Φv = 0 a Φ = Φr, bude činitel vazby k = 0. Je-li vazební magnetický tok proti toku rozptylovému malý, je mezi cívkami volná vazba (k << 1). Čím je vazební magnetický tok větší, tím je vazba těsnější a činitel vazby má větší hodnotu. Kdyby nebyl žádný rozptyl (Φr = 0), potom by vazba byla dokonale těsná a činitel vazby by dosáhl mezní hodnoty k = 1. Dokonale těsné vazbě se mohou cívky velmi přiblížit, avšak prakticky jí nikdy zcela nedosáhnou. 28

Známe-li činitele vazby a indukčnosti obou cívek, můžeme vypočítat jejich vzájemnou indukčnost

M = k L1 L 2 . Na principu dvojice cívek s induktivní vazbou jsou založeny především transformátory. Obě cívky transformátoru jsou navinuty na společný magnetický obvod. Podle druhu magnetického obvodu rozdělujeme transformátory stejně jako cívky. Vzduchové vf transformátory mají často velkou vzdálenost mezi cívkami, aby činitel vazby měl hodnotu pouze několik setin. U nízkofrekvenčních transformátorů s železným nebo feritovým jádrem obvykle požadujeme vazbu co možná nejtěsnější.

Obrázek 2-30 Zapojení transformátoru

Pro výpočet výsledné indukčnosti cívek spojených do série nebo paralelně musíme vždy kromě vlastní indukčnosti jednotlivých cívek znát také vzájemnou indukčnost mezi jednotlivými cívkami.

Obrázek 2-31 Sériově spojená dvojice induktivně vázaných cívek

Obrázek 2-32 Paralelně spojená dvojice induktivně vázaných cívek

Výsledná indukčnost dvou cívek zapojených do série (obr. 2-31) je dána součtem vlastních indukčností cívek a dvojnásobku jejich vzájemné indukčnosti 29

Lv = L1 + L2 + 2M. Pro paralelně spojenou dvojici cívek (obr. 2-32) se výsledná indukčnost získá dosazením do vzorce

Lv =

L1 L 2 − M 2 . L1 + L 2 − 2 M

Vzájemná indukčnost cívek M je kladná tehdy, jestliže se magnetické toky obou cívek navzájem podporují. Záporná je v tom případě, působí-li proti sobě. Změnou vzájemné polohy cívek se mění vzájemná indukčnost, a tedy i výsledná indukčnost celého seskupení. Na tomto principu jsou založeny variometry, kde se jedna ze dvou sériově zapojených cívek může otáčet v dutině cívky druhé. Variometry používáme jako cívky se spojitě proměnnou indukčností v laděných rezonančních obvodech. Mezi hodně vzdálenými nebo dokonale magneticky odstíněnými cívkami je vzájemná indukčnost nulová. Pro takový případ vypočítáme výslednou indukčnost cívek spojených sériově nebo paralelně, když do příslušného vzorce dosadíme M = 0.

2.7 Elektromagnetická indukce Voltmetr, připojený na vývody cívky vložené do magnetického pole (obr. 2-33), ukazuje nulové napětí, pokud se magnetický tok procházející cívkou nemění. Mění-li se však magnetický tok uvnitř cívky, zjistíme z údaje voltmetru, že mezi vývody cívky je elektrické napětí. Magnetický tok v cívce můžeme měnit tím, že měníme budící proud elektromagnetu ib nebo polohu cívky ve vzduchové mezeře magnetického obvodu. Napětí na svorkách cívky vzniká následkem fyzikálního jevu, říkáme mu elektromagnetická indukce.

Obrázek 2-33 Princip elektromagnetické indukce

Velikost indukovaného napětí u mezi vývody cívky je tím větší, čím má cívka větší počet závitů N a čím je větší rychlost změny magnetického toku v cívce ∆Φ/∆t. Tento poznatek je obsahem Faradayova zákona elektromagnetické indukce a lze jej vyjádřit vzorcem

u = −N

∆Φ ∆t

(V, Wb, s)

30

Na elektromagnetické indukci jsou založeny cívky, transformátory, dynama a mnoho dalších elektrotechnických zařízení.

2.8 Výkon stejnosměrného a střídavého proudu Výkon P, který dodává stejnosměrný zdroj do spotřebiče s odporem R (obr. 2-34), vypočítáme dosazením dané dvojice veličin do některého z následujících vzorců P = UI P = RI2 P=

U2 R

(W, V, A) (W, Ω, A) (W, V, Ω)

Obrázek 2-34 Zdroj stejnosměrného proudu zatížený spotřebičem

V obvodech střídavého proudu se zpravidla místo čistých odporů (rezistancí) uplatňují obecné impedance. Vlastnosti spotřebiče jsou dány impedancí Z = R + jX. Zdroj má obecně vnitřní impedanci Zi = Ri + jXi (obr. 2-36). Napětí na spotřebiči není ve fázi s proudem. Je-li reaktance spotřebiče induktivního charakteru, probíhá napětí před proudem. Fázový úhel ϕ, měřený od vektoru proudu k vektoru napětí, je kladný (obr. 2-368a). V případě, že spotřebič vykazuje kapacitní reaktanci, probíhá napětí za proudem, takže fázový úhel je v tomto případě záporný (obr. 2-36b).

Obrázek 2-35 Zdroj střídavého proudu zatížený spotřebičem

31

Obrázek 2-36 Vektorové diagramy proudu a napětí na spotřebiči a - reaktance spotřebiče má induktivní charakter

b - reaktance spotřebiče má kapacitní charakter

V obvodech střídavého proudu rozlišujeme tři druhy výkonů: zdánlivý, činný a jalový. Zdánlivý výkon dodávaný do spotřebiče je dán součinem efektivních hodnot odebíraného proudu a napětí na svorkách spotřebiče. Udává se ve voltampérech (VA). Pz = UI

(VA, A, A)

Činný výkon tvoří tu část zdánlivého výkonu, která koná užitečnou práci. Jeho hodnotu ve wattech (W) získáme, vynásobíme-li odpovídající zdánlivý výkon účinkem, tj. kosinem fázového úhlu mezi napětím a proudem. Pč = UIcosϕ (W, V, A). Jalový výkon představuje výkon uložený v magnetickém nebo elektrickém poli spotřebiče. Udává se ve voltampérech reaktačních (VAr) a získá se jako součin zdánlivého výkonu a sinu fázového úhlu ϕ. Pj = UIsinϕ

(VAr, V, A).

Mezi dílčími výkony střídavého proudu platí jednoduchý vztah Pz2 = Pč2 + Pj2.

2.9 Přechodové děje Přechodové děje v obvodech vznikají při změně velikosti veličiny z jednoho ustáleného stavu do jiného, jeli součástí obvodu prvek s dynamickými vlastnostmi. Většinou uvažujeme změnu aktivní veličiny, napětí nebo proudu, ale obecně jde o jakoukoliv změnu. Obecně se děje projevují v pasívních i aktivních obvodech, lineárních i nelineárních. Pro vysvětlení řešení postačí popis chování pasivních obvodů. Základní přechodové děje definujeme na obvodech RC, RL, RLC. Teoreticky by se dal definovat děj i na ideálním odporu nebo indukčnosti. Takové obvody však neexistují. Přinejmenším je zde vnitřní odpor zdroj a u cívky i odpor vinutí.

32

2.9.1 Obvody prvního řádu RC a RL Připojím-li vybitý kvalitní kondenzátor o kapacitě C na stejnosměrný zdroj s vnitřním napětím U0 a vnitřním odporem R1 , obr. 2-37, bude se kondenzátor nabíjet proudem, jehož velikost probíhá podle obr. 2-38. V okamžiku připojení kondenzátoru (t = 0) je nabíjecí proud omezen pouze vnitřním odporem zdroje, takže platí

I1 =

U0 R1

(A, V, Ω).

Obrázek 2-37 Zapojení obvodu pro nabíjení a vybíjení kondenzátoru

Pro okamžité napětí při nulových počátečních podmínkách na jednotlivých prvcích platí U = uR1 (t ) + uC (t ) 1 𝑡 𝑈 = 𝑅 𝑖(𝑡) + � 𝑖(𝜏)𝑑𝜏 𝐶 0 𝑖(𝑡) = 𝑅𝐶

𝑑𝑈 𝑑𝑡

Analytickým řešením dostáváme pro nabíjení:

A pro vybíjení:

33

Obrázek 2-38 Časový průběh nabíjecího proudu kondenzátoru

S časem pak nabíjecí proud klesá podle exponenciály, určené časovou konstantou obvodu τ1 = R1C a teoreticky nikdy nezanikne. Prakticky však považujeme nabíjení kondenzátoru za skončené v čase rovném pětinásobku časové konstanty nabíjecího obvodu. Za dobu 5 τ = 5 R1C poklesne totiž nabíjecí proud asi na 1 % počáteční hodnoty I1. Za tutéž dobu vystoupí napětí na kondenzátoru téměř na 99 % teoreticky dosažitelné hodnoty napětí zdroje U0. Nabíjení kondenzátoru je tedy přechodný jev. Po nabití se kondenzátor v obvodu chová jako velký odpor daný izolačním odporem dielektrika kondenzátoru. Kvalitní kondenzátory mají izolační, resp. svodový odpor alespoň několik stovek MΩ, takže proud, který jimi po nabití protéká, je zpravidla zanedbatelně malý. Jestliže nabitý kondenzátor s napětím U odpojíme od zdroje a překleneme odporem R2 (obr. 38, přepínač je v poloze 2), začne vybíjení kondenzátoru. Vybíjecí proud dosáhne v okamžiku připnutí vybíjecího odporu špičkové hodnoty

I2 = −

U R2

(A, V, Ω).

Záporné znaménko ve vzorci říká, že vybíjecí proud má opačný směr než proud nabíjecí. Velikost vybíjecího proudu se opět zmenšuje podle expociály (obr. 2-39), až prakticky za dobu rovnou asi pěti časovým konstantám vybíjecího obvodu 5 τ2 = 5 R2C zanikne. Vybitý kondenzátor má mezi elektrodami prakticky nulové napětí.

Obrázek 2-39 Časový průběh vybíjecího proudu kondenzátoru

34

Nabíjení, resp. vybíjení kondenzátoru trvá zřejmě tím déle, čím větší má kondenzátor kapacitu a čím větší je odpor, přes který se kondenzátor nabíjí, resp. vybíjí. V druhém příkladu připojíme cívku o indukčnosti L a sériovém ztrátovém odporu R na stejnosměrný zdroj s vnitřním napětím U0 a vnitřním odporem R1 (obr. 2-40, při rozpojeném snímači 2 sepneme snímač 1), bude proud v obvodu cívky probíhat podle obr. 2-41. V okamžiku připojení zdroje (t = t1) je proud nulový. S časem pak proud narůstá podle exponenciály, určené časovou konstantou obvodu τ1 = L / (R1 + R). Teoreticky po nekonečné době a prakticky po době pěti časových konstant 5τ1 dosáhne proud ustálené nejvyšší hodnoty plynoucí z Ohmova zákona

I max =

U0 . R1 + R

Jestliže nyní po ustálení proudu v obvodu cívky v okamžiku t = t2 odpojíme zdroj a současně na cívku připojíme odpor R2, bude vlivem indukovaného napětí v cívce protékat proud obvodem L - R - R2. Jeho velikost se bude zmenšovat podle exponenciály určené časovou konstantou τ2 = L / (R2 + R), až teoreticky za nekonečnou dobu, prakticky po době pěti časových konstant 5 τ2, proud zanikne.

Obrázek 2-40 Zapojení obvodu pro demonstraci narůstání a zániku proudu v obvodu cívky

Pro okamžité napětí při nulových počátečních podmínkách na jednotlivých prvcích platí U = uR ( t )+ u L ( t ) 𝑈 = 𝑅𝑖(𝑡) + 𝐿

𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡

Analytickým řešením dostáváme pro připojení ke zdroji

Pro vybíjení

35

Obrázek 2-41 Časový průběh narůstání a zániku proudu v obvodu cívky

Narůstání a zánik proudu v obvodu cívky jsou jevy, které následují po příslušné změně v obvodu. Jejich trvání je tím kratší, čím menší je indukčnost cívky a čím větší je odpor proudového obvodu. Pro ustálený stejnosměrný proud představuje cívka činný odpor, rovný odporu vinutí cívky. Z uvedeného vyplývá další poznatek, LC a RC články mohou sloužit jako dvojhrany s derivačním a integračním charakterem. 2.9.2 Obvod druhého řádu - RLC Složitější průběh mají přechodné děje v sériovém obvodu RLC, vzniklé připojováním obvodu ke zdroji stejnosměrného napětí a následným zkratováním obvodu - obr. 2-42.

Obrázek 2-42 Přechodový děj v sériovém obvodu RLC

Pro okamžité hodnoty napětí na jednotlivých prvcích sériového obvodu RLC (s nulovými počátečními podmínkami) během přechodného děje vzniklého připojením stejnosměrného zdroje můžeme psát

Analytickým řešením získáme časové závislosti napětí a proudu v obvodu. Vztahy předpokládají ideální obvodové prvky. Při experimentálním zkoumání přechodných dějů v reálných obvodech nemůžeme zanedbat především parazitní 36

odpor reálné cívky, ve všech vztazích proto budeme uvažovat za odpor R celkový odpor obvodu, se započítaným parazitním odporem cívky RL a reálně bychom měli přičíst i vnitřním odporem zdroje). Kondenzátor můžeme pro naše účely považovat za ideální. Úpravou rovnice dostaneme lineární diferenciální rovnici druhého řádu. Kořeny její charakteristické rovnice jsou

Z hlediska řešení je významný diskriminant 82 -®02 charakteristické rovnice (110); položíme-li tento výraz roven nule, dostaneme vztah pro kritický odpor obvodu

Podle kořenů charakteristické rovnice lze usuzovat na charakter přechodného děje v obvodu, viz obr. 2-43.

Obrázek 2-43 Přechodový děj na RLC obvodu

Aperiodický děj Platí při něm R > Rk, diskriminant rovnice je kladný a její kořeny jsou reálné různé záporné. Hodnoty všech obvodových veličin se blíží ke svým ustáleným hodnotám asymptoticky, bez oscilací. Stav nazýváme přetlumeným obvodem a má okamžité hodnoty obvodových veličin

37

Děj na mezi aperiodicity V tomto případě je R = Rk, diskriminant rovnice je roven nule a existuje jediný dvojnásobný kořen 2, pro který platí

Všechny veličiny obvodu se opět bez oscilací asymptoticky blíží ke svým ustáleným hodnotám. Ustálení veličin trvá na rozdíl od předešlého případu nejkratší možnou dobu, čehož se v praxi velmi často využívá. Jedná se o kritické kritickém tlumení obvodu pro obvodové veličiny obvodu RLC (děj na mezi aperiodicity) platí

Periodický děj Podkritickém tlumení obvodu vznine tehdy pokud je Diskriminant rovnice pro R < Rk záporný a rovnice má komplexně sdružené kořeny k\, Á2. Průběhy veličin lze popsat pomocí harmonických funkcí času. Veličiny oscilují kolem své ustálené hodnoty s úhlovým kmitočtem w o něco menším než je rezonanční kmitočet (o0; amplituda kmitů exponenciálně klesá s časem. Pro obvodové veličiny obvodu RLC při podkritickém tlumení (periodický děj) platí

38

Kde rads-1 Je úhlový kmitočet vlastních kmitů obvodu

2.10 Frekvenční vlastnosti dynamických pasivních obvodů U dynamických obvodů kromě přechodových jevů řešíme také problematiku závislosti vlastností na frekvenci. 2.10.1 Sériový RLC rezonanční obvod Obvod na obrázku 2-44 sestává z kapacity indukčnosti a rezistance, Impedance obvodu je dána vztahem:

Rezonance nastane při kmitočtu, kdy impedance Z má nulovou fázi φ = 0. Impedance v rezonanci je reálná, minimální, rovna pouze ztrátovému odporu Z0 = R. Imaginární část impedance se rovná nule.

Obrázek 2-44 Sériový rezonanční obvod a rezonanční kmitočet

Činitel jakosti Průchodem proudu I vzniká na impedanci rezonančního obvodu napětí U. Je to součet fázorů UR + UL + UC. V rezonanci je napětí na sériovém rezonančním obvodu minimální, je to napětí UR na reálné části impedance R. Napětí UL na indukčnosti a UC na kapacitě jsou stejně velká, ale opačná, takže se navzájem ruší a v součtu se neprojeví. Samostatně ale mohou být mnohonásobně vyšší než součet napětí na vnějších svorkách obvodu. Nastává napěťová rezonance a její kvalita se hodnotí činitelem jakosti Q jako poměr samostatného napětí na některé reaktanci k celkovému napětí ve stavu rezonance. Napětí jsou úměrná impedancím, proto 39

40

3

Polovodičová technika

Obvody automatizační techniky jako jsou, usměrňovače, zesilovače, převodníky, číslicové a další, vyžadují nelineární prvky s definovanou převodní a dynamickou charakteristikou a prvky aktivní. Tyto prvky mou být mohou být vytvořeny různými technologiemi. Elektrickými, vakuovými, magnetickými a v současnosti je nejpoužívanější technologií v pevné fázi. Tyto jsou vytvořeny materiály označovanými jako polovodiče. Polovodiče tvoří skupinu tuhých látek, jejichž elektrická vodivost je větší než vodivost izolantů a menší než vodivost vodičů. Pro polovodiče stejně jako izolanty je charakteristické, že na rozdíl od vodičů se jejich měrná vodivost s rostoucí teplotou zvětšuje, protože počet volných nosičů elektrického náboje v krystalové mřížce polovodičů se s rostoucí teplotou zvětšuje.

3.1 Vlastní polovodiče Čtyřmocný křemík a germanium jsou monokrystalické elementární polovodiče. Směs tvořená prvky třetí a páté skupiny nebo prvky 2 a 6 skupinami Mendělejevovy periodické tabulky prvků může vytvořit také polovodič. Příkladem složených z polovodičů jsou galium-arzenit nebo síran kadmia. Vnější (tzv. vazební nebo valenční) elektrony atomů polovodiče tvoří spolu s vazebními elektrony sousedních atomů vazby mezi atomy v krystalové mřížce. Zjednodušené rovinné znázornění pěti atomů krystalové mřížky čistého křemíku (Si) nebo germania (Ge)je patrné z obr. 3-1. Toto bezporuchové uspořádání je možné pouze při velmi nízkých teplotách blízko absolutní nuly -273° C. Při vyšších teplotách narůstá kmitání atomů, které může způsobit vytržení některého elektronu z vazby. Tím vznikne volný elektron a zároveň volné místo ve vazbě, kterou elektron opustil. Prázdné místo, vzniklé ve vazbě vytržením elektronu, nazýváme elektronová díra. Je to místo s nedostatkem záporného náboje, takže elektronové díře můžeme přisoudit vlastnosti kladného elektrického náboje.

Obrázek 3-1 Rovinný model krystalové mřížky Si a Ge

Elektronové díry (stejně jako elektrony) se mohou krystalovou mřížkou pohybovat. K pohybu dochází tak, že některý elektron ze sousední meziatomové vazby přeskočí na místo díry. Tím se díra posune do jiného místa krystalové mřížky. Následkem tepelného pohybu atomů polovodiče se tedy v jeho krystalové mříži uvolňují nositelé náboje. Jejich množství je tím větší, čím větší je teplota polovodiče. Jednu polovinu nositelů náboje tvoří volné elektrony, druhou polovinu elektronové díry. Současně s 41

uvolňováním dochází také ke spojování, tzv. rekombinaci volných elektronů a děr. Přitom zmizí jeden volný elektron a jedna díra, takže jedna neúplná vazba v krystalové mříži se doplní. Při běžné teplotě dochází v polovodičích ke stálému uvolňování malého počtu nositelů náboje a jejich opětné rekombinaci. +

+ +

-

-

-

+

U

-

+ +

-

-

I

Obrázek 3-2 Vedení proudu ve vlastním polovodiči

Přiložíme-li na polovodičový krystal elektrody, připojené na zdroj stejnosměrného napětí, nastane následkem silového účinku elektrického pole pohyb volných elektronů a děr krystalovou mřížkou polovodiče. Elektrony mají záporný elektrický náboj a budou se proto pohybovat směrem ke kladné elektrodě. Kladné elektronové díry budou naopak postupovat směrem k záporné elektrodě. Obvodem polovodiče pak bude protékat stejnosměrný proud (obr. 3-2). Při daném napětí zdroje bude proud tím větší, čím větší bude teplota polovodiče. Na volbě polarity napětí velikost proudu nezáleží. Zatím jsme uvažovali vlastní polovodiče tedy chemicky čisté, bez cizích atomů v krystalové mřížce. Jejich elektrickou vodivost způsobují nositelé proudu, kteří pocházejí z vlastní krystalové mřížky. Ve vlastních polovodičích je vždy počet kladných nositelů náboje (elektronových děr) stejný, jako je počet záporných nositelů náboje (elektronů).

3.2 Nevlastní polovodiče I při vysoké teplotě je elektrická vodivost vlastních polovodičů poměrně malá. Přidáním malého množství příměsí do vlastního polovodiče ji můžeme podstatně zvýšit. Takto upravené polovodiče nazýváme nevlastní. Atomy příměsí nahradí v krystalové mříži některé atomy vlastního polovodiče. Tyto příměsi se vyznačují tím, že na valenční dráze mají o jeden elektron více nebo méně než atomy vlastního polovodiče. Jako základního (vlastního) polovodiče pro výrobu nevlastních polovodičů se používá již zmíněné čtyřmocné germanium nebo křemík. Jako příměsi pro získání nevlastních polovodičů typu N se zde používají prvky z pátého sloupce periodické soustavy například fosfor, antimon. Nevlastní polovodič typu P se získá, dotací prvky z třetího sloupce periodické soustavy, se třemi vazebními elektrony, například indiu, bor, hliník. Mají-li atomy příměsi více vazebních elektronů, než je třeba pro vytvoření valenční vazby se sousedními atomy polovodiče, potom se přebytečné elektrony atomů příměsi už při normální teplotě uvolní a působí v krystalové mřížce jako pohybliví nositelé elektrického náboje. Tyto nevlastní polovodiče, v nichž je zavedením příměsi vytvořen výrazný přebytek volných 42

elektronů nad elektronovými děrami, nazýváme polovodiče typu N nebo také polovodiče s elektronovou (negativní) vodivostí. Jestliže se do vlastního polovodiče vpraví atomy příměsi, které mají ve vnější sféře menší počet vazebních elektronů, než je zapotřebí k vytvoření vazeb s okolními atomy polovodiče, nebudou některé vazby zcela zaplněny, takže v místech, kde budou chybět vazební elektrony, vzniknou pohyblivé elektronové díry. Tyto nevlastní polovodiče, v nichž vedení proudu zprostředkují převážně kladné (pozitivní) elektronové díry, nazýváme polovodiče typu P nebo také polovodiče s děrovou vodivostí, obr 3-3.

Obrázek 3-3 Rovinný model krystalové mřížky náhrady atomů příměsi pětimocného a třímocného prvku

Vložíme-li nevlastní polovodič mezi elektrody připojené na zdroj napětí, bude obvodem protékat proud tvořený především majoritními nosiči. U polovodičů typu N elektrony a u polovodičů typu P elektronové díry (obr. 3-4). Proud v obvodu bude při daném napětí tím větší, čím větší je koncentrace příměsi v polovodiči. -

-

-

-

-

U

N

+

-

-

-

-

-

-

-

U

I

+

-

I

P Obrázek 3-4 Vedení v nevlastních polovodičích N a P

S rostoucí teplotou nevlastního polovodiče se proud v obvodu zvětšuje, ale ne tak výrazně jako u vlastních polovodičů. Na volbě polarity napětí proud v obvodu nezávisí.

43

3.3 Polovodičový PN přechod Základní částí mnohých polovodičových prvků je PN přechod. Tvoří polovodičovou diodu, která slouží především jako usměrňovač, PN přechod je součástí například bipolárních tranzistorů, polem řízených tranzistorů JFET, tyristorů a dalších. Vytvoříme-li v polovodiči oblast, ve které se mění jeden typ vodivosti na druhý, vznikne PN přechod. Existuje několik technologických postupů a také druhů přechodu. Ve stručnosti popíšeme základní fyzikální mechanismy na PN přechodu, jako je nelineární voltampérová charakteristika, její matematická interpretace, kapacita, teplotní závislost, vlastnosti v závěrném zapojení. Různé technické modifikace tohoto přechodu umožnují vytvářet různé typy diod s odlišným tvarem převodové charakteristiky v závěrném směru (Zenerovy diody, lavinové diody, Transil), diody s krátkou dobou rekombinace (Schottkyho diody) nebo diody s oblastí se záporným diferenciálním odporem (tunelové, Esakiho diody). Pro naše šetření chování PN přechodu budeme pracovat přechodem, u kterého se mění oblast vodivosti P na N skokem, tedy nespojitě. Dále budeme přepokládat, že koncentrace majoritních nosičů je stejná v části P i N, je také konstantní a o mnoho řádů větší než koncentrace minoritních.

+ + +

+ +

+ + +

+

-

+

-

-

-

-

Obrázek 3-5 Rozložení potenciálu na PN přechodu

S vytvoření PN přechodu nastane redistribuce náboje. Některé elektrony z materiálu N přejdou do části P, kde vyplní díry. Jelikož neprocházejí jen volné elektrony, ale jsou vytrhávány i vázané elektrony, přechází díry z části P do N. Výsledkem nábojové redistribuce je, že materiál P získává čistý záporný náboj a N materiál čistý kladný náboj. Tyto náboje vytvářejí elektrické pole a rozdíl potenciálů těchto materiálů zabrání dalšímu pohybu nábojů. Výsledkem je snížení počtu skutečných nosičů v blízkosti přechodu a tím vznikne oblast - , ochuzená vrstva (oblast). Výsledné elektrické pole vytváří potenciálovou bariéru s orientací, která zabraňuje pohybu nosičů přes přechod obr. 48. V ustáleném stavu rozdíl potenciálů, který vznikne v ochuzené vrstvě vytváří difúzní napětí UD, jehož velikost je závislá na teplotě a koncentraci nosičů a tím i na materiálu. Difúzní napětí je někdy také nazýváno bariérovým, při 300K je jeho hodnota pro křemík 0,5-0,7 V pro germanium 0,2-0,4 V Stavy na přechodu PN můžeme popsat následujícím způsobem. Na obr. 3-5 je znázorněn přechod bez vnějšího napětí. V tomto případě je v oblasti typu P nadbytek elektronových děr a v oblasti typu N nadbytek elektronů, vznikne, jak bylo uvedeno ochuzená oblast a potenciálová bariera, přechodem protékají stejné proudy, opačného směru, difúzní a driftový, které se vyruší. 44

Rovnováha na PN přechodu může být porušena přiložením vnějšího napětí. Na obr. 3-6 jsou znázorněny poměry po připojení stejnosměrného napětí tak, že kladný pól zdroje je připojen na oblast typu P, záporný pól na oblast typu N, ochuzená oblast se zúží. Působením elektrostatických sil proudí elektronové díry i elektrony směrem k přechodu P-N a dále přes přechod, neboť kladné díry jsou přitahovány zápornou elektrodou a záporné elektrony zase elektrodou kladnou. Přechodem protéká elektrický proud, odpor přechodu je malý. V tomto případě říkáme, že je usměrňovací přechod polarizován v propustném nebo také v přímém směru. Na obr. 3-7 je znázorněn případ, při němž je připojen kladný pól zdroje na oblast polovodiče s vodivostí typu N a záporný pól na oblast typu P to má za následek, že ochuzená oblast se rozšíří, zvětší se potenciálová bariéra. Elektrostatické síly zde působí tak, že jak elektrony v oblasti typu N, tak díry v oblasti typu P se od přechodu vzdalují. Proud přechodem téměř vůbec neprotéká, odpor přechodu je velký. V tomto tzv. závěrném směru teče pouze velmi malý proud, který přenášejí menšinoví nositelé proudu. Vytvářejí je nežádoucí nečistoty v polovodiči.

Obrázek 3-6 PN přechod v propustném a závěrném zapojení

Připojení vnějšího napětí má za následek vznik proudu tento je dán následujícím vztahem

UT U I Is

𝐼 = 𝐼𝑠

tepelné napětí, které je rovno kT/q, napětí na přechodu PN proud procházející přechodem saturační (závěrný) proud

𝑈 𝑈 �𝑒 𝑇

− 1�

Tepelné napětí UT

k

Boltzmanova konstanta

𝑈𝑇 =

𝑘𝑇 𝑞 45

q

náboj elektronu,

T

absolutní teplota

Pokud je přechod polarizován v závěrném směru hodnota procházejícího proudu se rovná saturačnímu proudu IS, protože první člen (exponenciální) v hranatých závorkách bude zanedbatelný. Velikost závěrného proudu tvořeného driftem minoritních nosičů při závěrné polarizaci, závisí na několika faktorech zahrnujících vlastnosti polovodiče jeho šířku bariérového pásma, difúzní konstanty, hustotu dotujících příměsí a geometrické rozměry přechodu

Obrázek 3-7 V-A charakteristika PN přechodu

Volt-ampérová charakteristika obr. 3-8 je grafickým zobrazením uvedené závislosti, je z ní zřejmé, že v závěrném směru proud roste v závislosti na napětí velmi pomalu, podstatě stálý až do hodnoty, kdy dojde k dalším dějům.

Obrázek 3-8 Volt-ampérová charakteristika

46

3.3.1 Teplotní vlivy na PN přechodu Teplota hraje důležitou roli při určování pracovních charakteristik diod. Jak vyplývá ze vztahu je proud diodou závislý na teplotním napětí UT a tím i na teplotě. Změny charakteristik PN přechodu způsobených změnami teplot, vyžadují úpravy při návrhu obvodů. Závěrný saturační proud Is je také závislý na teplotě. U křemíkových a germaniových PN přechodů se zvětšuje přibližně o 7,2% na oC tedy každých 10 ° C se Is přibližně zdvojnásobuje. Pro závěrný saturační proud jako funkci teploty platí:

3.3.2 Závěrně polarizovaný PN přechod Jak již jsem uvedl, závěrně polarizovaný PN přechod vykazuje malý zbytkový proud, který může být zanedbaný, dokud závěrné napětí nedosáhne hodnoty průrazného napětí. Do jeho dosažení převládá driftový proud nad difúzním. Minoritní nosiče tohoto proudu jsou tvořeny elektron děrovými páry generovanými teplotou PN přechodu na hranici ochuzené oblasti (vrsrvy) a difúzí nábojů mimo ochuzenou oblast. Výsledkem je malý, od závěrně polarizovaného napětí nezávislý proud. Na reálném PN přechodu ale dochází k dalším dějům, které nazýváme průrazy. Například je pozorovatelný nárůst závěrného proudu způsoben tím, že při nárůstu závěrného napětí se generuje tepelný výkon rovný součinu závěrného proudu a závěrného napětí. Generovaný tepelný výkon způsobuje nárůst teploty PN přechodu a tím i generování dalších elektron děrových párů a nárůstu závěrném proudu. To následně vede k nárůstu generovaného tepelného výkonu. Tento jev nazýváme tepelný průraz, Jestliže se nestačí teplo vzniklé průchodem proudu přechodem PN odvést, dojde k narůstání teploty přechodu i polovodiče, a tím ke zvýšení vodivosti, to má za následek další vzrůst ztrátového výkonu a tím i teploty přechodu, aţ dojde k tepelnému průrazu, který způsobí destrukci přechodu obr. 3-9

Obrázek 3-9 Tepelnému průraz

47

Dalším jevem je lavinový průraz, který je způsoben lavinovou generací párů elektron-díra v důsledku působení vnějšího elektrického pole s velkou intenzitou. Energie potřebná na vyvolání nárazové ionizace vzniká v podobě pohybové energie elektronů při jejich urychlení v silném elektrickém poli (obr.3-10).

Obrázek 3-10 Lavinový průraz

V definovaných podmínkách konstrukce přechodu PN dochází k Zenerůvě průrazu, který je způsoben tunelováním elektronů z valenčního pásma oblasti P do vodivostního pásma oblasti N. Podmínky pro vznik tunelového jevu jsou následující. Velmi úzká ochuzená vrstva u polovodičů se se zvýšenou koncentrace příměsí, kritická hodnota intenzity v ochuzené vrstvě (Ge - 2,2 ÷ 3.105 Vcm-1, Si - 1,2 ÷ 1,4.106 Vcm-1) a existence volné hladiny za přechodem, na kterou by elektrony mohly přejít. VA charakteristika při Zenerově průrazu se vyznačuje pomalým narůstáním závěrného proudu v okolí napětí Uz (obr. 3-11). Napětí Uz nazýváme Zenerovo napětí, jeho hodnoty jsou pro Ge -4,5 ÷ 7 V a Si - 5,5 ÷ 20 V.

Obrázek 3-11 Zenerův průraz

48

3.3.3 Kapacita PN přechodu Závěrně polarizovanou diodu si lze představit i jako kondenzátor kde ochuzená oblast představuje dielektrikum. Šířka ochuzené oblasti, a tím tedy i oblast prostorového náboje, se mění s rostoucím závěrným napětím. Je-li kapacita na jednotku plochy PN přechodu při nulovém polarizačním napětí je C0, je kapacita přechodu v závislosti na napětí definována vztahem

Kde U0 je vlastní napěťová konstanta ujít je závěr polarizované řídící napětí a konstanta n1 je mezi hodnotami 2 a 3. Typická hodnota C0 je mezi 200 a 1000 pF mm-2.

3.4 Polovodičové diody Diody jsou v principu nejjednodušší elektronické součástky. Mají pouze dvě elektrody anodu a katodu. Slouží především k usměrňování střídavých napětí. Většími diodami se usměrňují napájecí napětí pro různá elektrotechnická a elektronická zařízení. Vedle těchto silových usměrňovacích diod existuje celá řada dalších typ diod pro definované účela jako jsou spínací diody, diody pro usměrňování vf signálů a podobně. Podle funkčního principu rozdělujeme diody na vakuové, polovodičové a plynové. V tomto textu se zaměříme na polovodičové diody, které jsou tvořeny již popsaným PN přechodem. Jeho vlastnosti jsou popsány v předchozím textu, závislost proudu na napětí je popsána vztahem a VA charakteristikou, stejně tak jsme popsali závislost na teplotě a kapacitní vlastnosti přechodu. Podle použití se jednotlivé vlastnosti diod odlišují. V dalším textu popíšeme některé zakládní typy diod. 3.4.1 Usměrňovací diody Diody používané pro usměrnění střídavého proudu nízkých kmitočtu (20Hz až desítky kHz), především pak průmyslového kmitočtu. Vlastnosti jsou udávány charakteristickými údaji, kterými je definován průběh VA charakteristiky a mezní hodnoty napětí a proudu usměrňovací diody. Mezní hodnoty nesmí být při použití překročeny. IFAV ………. procházet

maximální přípustná střední hodnota usměrněného proudu, který smí diodou trvale

IFSM ……….

neopakovatelný špičkový propustný proud

URRM ….…..

závěrné špičkové opakovatelné napětí

URSM …..….

závěrné špičkové neopakovatelné napětí

Pracovní oblast VA charakteristiky je popsána dvěma údaji. V propustné části se uvádí hodnota proudu IF, při kterém napětí UFmax nepřekročí hodnotu udanou výrobcem. Pro závěrnou část charakteristiky je uvedena hodnota závěrného napětí URmin, při němž proud IR nepřekročí hodnotu udanou výrobcem. 49

3.4.2 Stabilizační diody Stabilizační (Zenerovy) diody jsou křemíkové plošné diody, které využívají nedestruktivní průraz při polarizaci diody v závěrném směru. Typická charakteristika Zenerovy diody je znázorněna na obr. 3-12. Stabilizační diody obvykle využívají kombinací nedestruktivních průrazů přechodu PN, Zenerova a lavinového průrazu. Diody, které využívají pouze Zenerůn efekt nevykazují lavinový průraz při nízkých napětích do 4 V, kdy nárůst teploty je malý a nezpůsobuje tepelnou generaci elektron - děrových párů. Jestliže průraz nastává při napětích větších než 7 V dominantním mechanismem který se na něm podílí je lavinový efekt. V diodách s průrazem mezi 4 V a 7 V se použijí oba mechanismy. Tepelný koeficient průrazného napětí při jednom mechanismu má opačné znaménko než u druhého.

Obrázek 3-12 Charakteristika Zenerovy diody

Všechny diody, u kterých se využívají oba efekty při přesné hodnotě závěrného napětí, vhodného na konstrukci stabilizátorů napětí se označují Zenerovými diodami. Zmíněné mechanismy průrazu mohou vést ke zničení diody. Určujícím znakem je tepelný výkon, který se generuje na závěrně polarizované diodě. Jak vyplývá z charakteristiky a uvedeného vodivost diody se prudce změní, jakmile napětí v závěrném směru dosáhne průrazné hodnoty. Proud v závěrném směru narůstá, proto musí být omezen vnějšími prvky obvodu, například rezistorem, aby nebyl překročen mezní ztrátový výkon PZmax = UZ IZmax. Zvyšováním koncentrace příměsí se zmenšuje šířka ochuzené vrstvy a tím se snižuje hodnota průrazného napětí potřebná k vytvoření potřebné intenzity elektrického pole. V propustném směru se Zenerova dioda chová jako usměrňovací dioda. 3.4.3

Schottkyho diody Schottkyho dioda je tvořena spojením kovu hliníku nebo platiny a křemíku typu N. Často se využívá v integrovaných obvodech pro aplikace velmi rychlých spínačů. Symbol a charakteristika na obr. 3-13 50

Volt-ampérová charakteristiku je podobná charakteristice křemíkové diody s výjimkou prahového napětí UF = 0,3 V (oproti 0, 7V pro křemíkové diody). Když Schottkyho dioda pracuje v přímém směru, proud je vyvolán pohybem elektronů z křemíku typu N přes přechod a přes kov. Elektrony v kovu pohybují relativně volně, rekombinační čas je malý, řádově 10 ps. Což podstatně méně než u ostatních diod, proto je Schottkyho dioda vhodná pro aplikace velmi rychlého spínání. Tato dioda má velmi malou parazitní kapacitu.

Obrázek 3-13 VA charakteristika Schottkyho diody

Závěrný proud Is Schottkyho diod je větší než u diod s PN přechodem z téhož polovodiče. Větší hodnota zbytkového proudu způsobí, že v propustném směru je napětí menší pro tutéž hodnotu proudu. Výhodou použití diod s oběma mechanismy je, že zatímco polovodičové diody mají časové zpoždění způsobené odstraněním nadbytečného náboje, doba rekombinace v Schottkyho diodách je se blíží nule. Proto se využívají v číslicových obvodech ke zkrácení přechodových jevů. 3.4.4 Tunelové diody Tunelová dioda je podstatně více dotována ještě více než Zenerova dioda, což způsobuje, že ochuzená vrstva je extrémně tenká, tento stan se nazývá degenerovaný PN přechod. To zvýší rychlost činnosti, takže tunelová dioda je vhodná pro velmi rychlé aplikace. Závěrné průrazné napětí je redukováno k nule, proto se tunelová dioda používá v určité oblasti napětí v propustném směru.. Když se předpětí v přímém směru zvyšuje, proud rychle roste (tunelový efekt) až do

průrazu. Potom proud rychle klesá (oblast záporného odporu). Charakteristika tunelové diody je uvedena na obr. 3-14. Tunelová dioda je zajímavá právě z hlediska o zmíněné oblasti záporného diferenciálního odporu. Můžeme ji použít jako aktivního prvku například ve spojení s laděným obvodem jako oscilátor vysokých frekvencí ( desítky GHz) s vysokým Q koeficientem.

51

Obrázek 3-14 VA charakteristika tunelové diody

Záporný diferenciální odpor tunelové diody je v oblasti od 50 mV do 250 mV. Tyto poměrně malé napěťové hranice omezují její aplikace. 3.4.5 Kapacitní diody Jak vyplývá z uvedeného popisu v části 3.3.3 a ze vztahu vyplývá, že šířka ochuzené vrstvy, a tím tedy i oblast prostorového náboje, se mění s rostoucím závěrným napětím. A tím se mění i kapacita diody.

Obrázek 3-15 Napěťová závislost kapacity varikapu

Kapacita přechodu v závěrném směru klesá s rostoucím napětím (obr. 3-15.). V propustném směru naopak zpočátku vzrůstá, pokud hodnota vnějšího napětí nezpůsobí dostatečně vysokou proudovou hustotu v propustném směru (tzv. difúzní kapacita). Napětím řízená změna kapacity diod se využívá v napětím laděných rezonančních obvodech. Diody produkované speciálně pro tyto účely se nazývají varikap.

52

3.4.6 Vysokofrekvenční a spínací diody Vysokofrekvenční diody a spínací diody se používají v obvodech, které pracují při vysokých frekvencích nebo v impulsním provozu. Důležitým parametrem spínacích diod je zotavovací doba trr (doba, za kterou závěrný proud diody poklesne na desetinu maximální hodnoty), která má být co nejmenší. Z vysokofrekvenčních parametrů výrobce udává kapacitu v závěrném směru CD, usměrňovací účinnost (poměr střední hodnoty jednocestně usměrněného vf napětí a špičkové hodnoty vf napětí daného kmitočtu) a tlumicí odpor rD (vf vstupní odpor diody v zatíženém vf usměrňovači). Velmi dobré spínací a vysokofrekvenční vlastnosti vykazují tzv. Schottkyho diody, které vyuţívají vlastností přechodu kov-polovodič (např. Si nebo GaAs - zlato). Proti diodám s přechodem PN mají malou zotavovací dobu (trr = 0,01 ^ 10 ns) a malý zotavovací náboj, které umoţňují činnost Schottkyho diod při vysokých mezních kmitočtech (Si - 18 Ghz, GaAs - 300 Ghz), např. Schotkyho dioda SD103B (30 V, 200 mA, 10 ns). 3.4.7 Lavinové diody Jsou to křemíkové polovodičové diody využívající při své činnosti lavinového průrazu, přičemž jsou konstruovány tak, aby jejich výkonová přetížitelnost v závěrném směru byla přibližně stejná jako v propustném směru. Dioda se tedy nezničí průchodem většího závěrného proudu, pokud není překročena mezní hodnota ztrátového výkonu, z toho vyplývá, že lavinové diody mohou být více napěťově namáhány než bědné usměrňovací diody. Ve větší míře se využívají u vysokonapěťových sloupců. Dále mohou být použity jako stabilizátory pro vyšší napětí (stovky voltů) a tvoří základ tzv. lavinových průletových diod, které slouží ke generaci kmitů v mikrovlnné oblasti (řádově 10 GHz). 3.4.8 Světlo emitující diody a fotodiody Určité typy diod jsou schopny přeměnit elektrickou energii na světelnou energii. Světlo emitující diody (LED) transformují elektrický proud na světlo. Je to užitečné v různých typech displejů a někdy mohou být využity i jako zdroj světla pro aplikace s optickými vlákny. Elektron může projít z vodivostního do valenčního pásma a uvolnit energii ve formě fotonu. Energetické vztahy v křemíku a germaniu jsou takové, že elektron uvolní svou energii ve formě tepla, když se vrací z vodivostního do valenčního pásma. Když se vrací elektron v krystalu Galium arsenidu z vodivostního do valenčního pásma, vytvoří foton. Přestože ve vlastním krystalu není dost elektronů k vytvoření viditelného světla, po připojení napětí v přímém směru se injektuje velký počet elektronů z materiálu typu N do materiálu typu P .Tyto i elektrony rekombinují s dírami v materiálu typu P na energetické úrovni i ve valenčních pásmu a výsledkem jsou uvolněné fotony .Intenzita světla je úměrná rychlosti rekombinace elektronů, tedy úměrná proudu protékajícího diodou.

53

3.5 Tranzistory 3.5.1

Bipolární tranzistory

Bipolární tranzistory jsou v podstatě krystaly nevlastního polovodiče, které mají tři části s různým typem vodivosti. Podle uspořádání těchto částí rozeznáváme dva druhy bipolárních tranzistorů. Uspořádání těchto tranzistorů a jejich schematické značky jsou patrné z obr. 3-16. Označení tranzistorů ( PNP nebo NPN ) udává pořadí, v jakém se v polovodiči střídají jednotlivé typy vodivosti. Každá z vrstev polovodiče představuje jeden vývod tranzistoru. Střední vrstva bipolárního tranzistoru se nazývá báze (B), jedna krajní vrstva emitor (E) a druhá kolektor (C).

Obrázek 3-16 Uspořádáni a schematické značky bipolárních tranzistorů

Pro bipolární tranzistory jsou typické dva usměrňovací přechody PN : přechod mezi emitorem a bází a přechod mezi kolektorem a bází. Činnost bipolárního tranzistoru jako zesilovacího prvku je podmíněna správnou polaritou napětí na těchto přechodech. Emitorový přechod musí být polarizován v propustném směru, kdežto kolektorový přechod ve směru nepropustném. Toho se dosáhne tehdy, jestliže napájecí zdroje tranzistoru budou mít polaritu vyznačenu podle obr. 3-16.

Obrázek 3-17 Princip tranzistorového zesilovacího stupně

Tranzistorový zesilovací stupeň v základním zapojení má vstupní zdroj signálového napětí zapojen do emitorového obvodu a výstupní zatěžovací odpor do kolektorového obvodu. 54

S tranzistorem typu PNP získáme např. zesilovací stupeň zapojený podle obr. 3-17. Patří do skupiny zesilovacích stupňů v zapojení se společnou (uzemněnou) bází, poněvadž báze tranzistoru je zde společná pro vstupní i výstupní obvod zesilovacího stupně. Popíšeme si zjednodušené jeho funkci: Představme si, že obvod emitoru je rozpojen. Za této situace by tekl obvodem kolektoru jen nepatrný (tzv. zbytkový) proud, poněvadž kolektorový přechod je vnějším napětím polarizován ve zpětném směru. Emitorový obvod zesilovacího stupně však rozpojen není. Mezi emitor a bázi je připojen zdroj signálového napětí, zapojený do série se zdrojem stejnosměrného napětí. Polarita napětí stejnosměrného zdroje je volena tak, i PN přechod mezi emitorem a bází je polarizován v propustném směru. Z emitoru pronikají tedy do báze elektronové díry s kladným nábojem a současně přecházejí záporné elektrony z báze do emitoru. Poněvadž je tranzistor vždy vyroben tak, aby hustota děr v emitoru byla mnohem větší než hustota elektronů v bázi, je tok elektronů z báze do emitoru zanedbatelně malý ve srovnání s tokem děr z emitoru do báze. Jistá část těchto kladných děr se neutralizuje (rekombinuje) se zápornými elektrony báze. Vrstva báze je velmi tenká, takže zde rekombinuje pouze malá část děr. Většina elektronových děr se pohybuje dále napříč bází směrem ke kolektorovému přechodu PN . Kolektorový přechod není pro tyto díry překážkou. Naopak napětí na tomto přechodu zrychluje kladné elektronové díry směrem ke kolektoru. To znamená, že podstatná část emitorového proudu Ie se projeví v kolektorovém obvodu jako proud Ic. Kolektorový proud je všem menší než emitorový, poněvadž všechny elektronové díry neprojdou z emitoru na kolektor. Určitý počet děr rekombinuje s elektrony báze. Těmto děrám odpovídá proud v obvodu báze Ib. Podle prvního Kirchhoffova zákona zřejmě platí mezi proudy v obvodu jednotlivých elektrod tranzistoru vztah Ie = Ic + Ib. Tranzistory charakterizujeme stejnosměrným proudovým zesilovacím činitelem a. Udává poměr mezi stejnosměrným proudem ve výstupním a vstupním obvodu tranzistoru

Poněvadž výstupní (kolektorový) proud je vždy o proud báze menší než vstupní (emitorový) proud tranzistoru (Ic == Ie— Ib), je činitel a vždy menší než jedna. Tranzistor je tím dokonalejší, čím se jeho proudový zesilovací činitel a více blíží jedné. Má-li např. běžný tranzistor činitele a = 0,99, přechází 99 % emitorového proudu do obvodu kolektoru a zbytek, tj. 1 %, do obvodu báze. Stejnosměrné proudy Ie, Ic, Ib odpovídají nulovému napětí signálu na vstupu a určují tzv. klidový pracovní bod tranzistoru. Při provozu vyvolává signálové napětí změny proudu v obvodu emitoru. Tyto změny se projeví jako a krát menší změny proudu v obvodu kolektoru, a tedy v zatěžovacím odporu zesilovacího stupně. Tranzistorový zesilovací stupeň v zapojení se společnou bází má proudový přenos (definovaný jako poměr změny proudu ve výstupním 55

obvodu a odpovídající změny proudu ve vstupním obvodu) vždy menší než jedna. Třebaže tento stupeň signálový proud nikdy nezesiluje, může velmi podstatně zesílit napětí a především výkon přivedeného signálu. Vstupní impedance tranzistoru je totiž malá (emitorový přechod je polarizován v propustném směru), kdežto výstupní impedance tranzistoru je velká (kolektorový přechod je polarizován v nepropustném směru). Malým změnám vstupního napětí mohou tedy odpovídat velké změny napětí na zatěžovacím odporu. Tranzistorový stupeň s tranzistorem typu NPN pracuje obdobně. Z emitoru se zde do báze a především kolektoru dodávají elektrony. Konvenční elektrický proud, který má opačný směr než proud elektronů, tedy u tranzistoru NPN z emitoru vytéká. To je v souladu s orientací šipky, která označuje emitor na schematické značce bipolárního tranzistoru NPN . Tranzistorový zesilovací stupeň lze zapojit také tak, že společnou elektrodou pro vstupní a výstupní obvod není báze, nýbrž emitor nebo kolektor. I v těchto případech pracuje tranzistor na stejném principu. Záměnou elektrod tranzistoru se však výrazně změní většina přenosových vlastností zesilovacího stupně. 3.5.2 Stejnosměrné charakteristiky tranzistoru Stejnosměrné (statické) charakteristiky tranzistoru graficky znázorňují závislost stejnosměrných proudů a napětí jednotlivých elektrod tranzistoru. Podle sledovaných proudů nebo napětí rozlišujeme charakteristiky vstupní, výstupní, převodní a zpětné. Podle veličiny, která se během měření charakteristik udržuje stálá, rozlišujeme stejnosměrné charakteristiky tranzistoru naprázdno (stálý proud) a nakrátko (stálé napětí).

Obrázek 3-18 tejnosměrné charakteristiky tranzistoru

56

Pro tranzistor lze pořídit různé soubory stejnosměrných charakteristik, bud pro zapojení tranzistoru se společnou bází, společným emitorem nebo společným kolektorem. Nejčastěji se udávají charakteristiky pro zapojení se společným emitorem. V takovém případě je vstupní dvojicí elektrod tranzistoru báze a emitor, výstupní dvojicí kolektor a emitor. Obvykle se stejnosměrné charakteristiky tranzistoru kreslí kolem společného osového kříže (obr. 3-18). V prvním kvadrantu jsou zobrazeny výstupní charakteristiky naprázdno. Udávají závislost kolektorového proudu Ic na napětí £/ce mezi kolektorem a emitorem při různých proudech báze Ib. Do druhého kvadrantu se kreslí převodní charakteristiky nakrátko, které znázorňují závislost proudu kolektoru na proudu báze při určitých stálých hodnotách napětí kolektoru Uce. Protože proud kolektoru jen málo závisí na jeho napětí, udává se zpravidla jen jedna křivka, použitelná pro širší rozsah kolektorového napětí. Vstupní charakteristiky nakrátko se kreslí do třetího kvadrantu a udávají závislost vstupního proudu báze Ib na napětí mezi bází a emitorem Ube při stálém napětí kolektoru Uce. Také zde se udává obvykle jediná křivka, platná pro široký rozsah napětí Uce Do čtvrtého kvadrantu se někdy zakreslují zpětné napěťové charakteristiky naprázdno, znázorňující závislost napětí báze Ube na napětí kolektoru Uce při určitém stálém proudu báze. Této soustavě charakteristik říkáme charakteristiky typu h, poněvadž v nich lze pro zvolený klidový pracovní bod odečíst hybridní (smíšené) střídavé parametry tranzistoru. Jednotlivé druhy stejnosměrných charakteristik tranzistoru spolu ovšem souvisí, takže můžeme grafickou konstrukcí odvodit např. ze souboru výstupních charakteristik naprázdno převodní proudové charakteristiky nakrátko apod. 3.5.3 Střídavé parametry tranzistoru Střídavé parametry tranzistoru udávají vztah mezi malými změnami napětí a proudů na jeho elektrodách. Používají se pro výpočet přenosových vlastností tranzistorových stupňů. Hodí se však pouze za předpokladu, že se přenáší tak malý signál, že se obvodové veličiny tranzistoru (napětí a proudy) mění jen v těsném okolí klidových hodnot.

Obrázek 3-19 Tranzistorový stupeň jako lineární čtyřpól

57

Za těchto podmínek má tranzistor vlastnosti lineárního čtyřpólu a vztah mezi střídavými (signálovými) složkami obvodových veličin (obr. 3-19) lze vyjádřit dvojicí lineárních (tzv. čtyřpólových) rovnic. V rovnicích figurují čtyři konstanty, jejichž číselné hodnoty jsou dány vlastnostmi použitého tranzistoru. Těmto čtyřem navzájem nezávislým konstantám říkáme střídavé (diferenciální) parametry tranzistoru. Lze napsat čtyřpólové rovnice několika typů. Záleží na tom, které z obvodových veličin tranzistoru zvolíme pro levé strany rovnic. V různých typech čtyřpólových rovnic jsou ovšem i střídavé parametry různého typu. Často se používají tzv. vodivostní neboli admitanční čtyřpólové rovnice

Vztah mezi signálovými složkami obvodových veličin zde určují čtyři střídavé parametry tranzistoru, kterými podle jejich fyzikálního rozměru říkáme admitanční. Fyzikální význam parametrů snadno odvodíme, jestliže pro každý případ budeme předpokládat nulovou hodnotu střídavé složky obvodové veličiny u druhého parametru téže rovnice. Tak např. při vyšetřování významu yn předpokládáme výstup pro signál nakrátko, tj. tu — 0. Tím se první rovnice zjednoduší na tvar neboli

což je vstupní vodivost tranzistoru při výstupu nakrátko, neboť předpokládáme, že u2 = 0. Obdobně

je střídavý parametr tranzistoru, kterému říkáme zpétná vodivost při vstupu nakrátko. Dále parametr

udává přenosovou vodivost při výstupu nakrátko a odpovídá strmosti zavedené u elektronek. Konečně čtvrtý parametr y22 má fyzikální význam výstupní vodivosti při vstupu nakrátko

58

Místo vodivostních čtyřpólových rovnic a parametrů se často používají také rovnice a parametry smíšené neboli hybridní, označované h Fyzikální rozměry h parametrů nejsou stejné. Nejdůležitější je parametr což je proudový zesilovací činitel tranzistoru při výstupu nakrátko. Číselné hodnoty střídavých parametrů závisí na zapojení tranzistoru. Týž parametr má v zapojení se společným emitorem jinou hodnotu než v zapojení se společnou bází nebo kolektorem. Proto se tam, kde by mohlo dojít k nejasnostem, rozlišují střídavé parametry indexy e (společný emitor), b (společná báze), c (společný kolektor). Nejpoužívanější je zapojení tranzistorů se společným emitorem. Proto se také nejčastěji udávají parametry tranzistorů, platné pro toto zapojení. Zajímá nás především proudový zesilovací činitel h21e, označovaný také často β,

Údaje o hodnotách parametrů jsou však úplné pouze tehdy, víme-li, pro jaký pracovní bod a jaký pracovní kmitočet tranzistoru platí. 3.5.4 Mezní kmitočet tranzistoru? Mezním kmitočtem tranzistoru se vyjadřují zesilovací schopnosti tranzistoru při vysokých kmitočtech. Definuje se několika způsoby. Mezní kmitočet tranzistoru označovaný fa je kmitočet přenášeného signálu, při němž je absolutní hodnota proudového zesilovacího činitele tranzistoru v zapojení se společnou bází (a = h21 b) o 30 % (tj. o 3 dB) menší než hodnota proudového zesilovacího činitele, zjištěná při nízkých kmitočtech signálu, při nichž se ještě pokles proudového zesilovacího činitele neprojevuje . Často se udává také mezní kmitočet tranzistoru v zapojení se společným emitorem/g. Je definován podobně jako kmitočet fa, avšak s tím rozdílem, že vyjadřuje pokles proudového zesilovacího činitele /? = h21c. Mezní kmitočet tranzistoruje vždy menší než jeho mezní kmitočet fa. Mezi oběma mezními kmitočty platí přibližný vztah

59

3.5.5 Unipolární tranzistory Jinak též tranzistory řízené polem. Jak vyplývá z označení, je u těchto tranzistorů elektrický proud v nevlastním polovodiči řízen podobně jako u vakuových elektronek pouze elektrickým polem. Podle druhu základního polovodiče, kterým řízený proud prochází, rozlišujeme FET tranzistory s vodivým kanálem n nebo p. Tento základní polovodič (obr. 3-20) je zakončen elektrodami S (source - zřídlo) a D (drain - nora). Změnou napětí řídicí elektrody G (gate hradlo) se odpovídajícími změnami elektrického pole mění průřez vodivého kanálu v polovodiči, a tím i proud v zatěžovacím odporu Rz. Často má FET ještě druhou řídicí elektrodu G'. Poněvadž v těchto tranzistorech prochází elektrický proud stále jen polovodičem jednoho typu, označujeme je proto jako tranzistory unipolární.

Obrázek 3-20 Polem řízený tranzistor jako zesilovač

Podle způsobu, jakým je řídicí elektroda elektricky oddělena (izolována) od základního polovodiče, rozlišujeme dva druhy tranzistorů řízených elektrickým polem. Tranzistory, u nichž je v základním polovodiči pod řídicí elektrodou vytvořen při provozu zpětně pólovaný (a tedy nevodivý) přechod PN, nazýváme tranzistory FET s přechodem PN, nebo jednoduše FET. Jejich schematické značky (obr. 3-21) se liší orientací šipky podle toho, jde-li o FET s vodivým kanálem N nebo P.

Obrázek 3-21 Schématické značky tranzistorů FET s přechodem PN

60

Později byly vyvinuty tranzistory řízené polem, u nichž je kovová řídicí elektroda elektricky oddělena od základního polovodiče izolační vrstvičkou kysličníku. Tyto tranzistory označujeme MOSFET (Metal - Oxide - Se- miconductor (Silicium) - Field - Effect Transistor) podle posloupnosti vrstev mezi řídicí elektrodou a základním polovodičem. Ve schématech se MOSFET obvykle značí podle obr. 3-22.

Obrázek 3-22 Schématické značky tranzistorů MOSFET -

Tranzistory řízené polem mají podobné vlastnosti a použití jako malé pentody. Mají ovšem menší rozměry a také menší nežádoucí kapacity. FET může mít vysoké mezní kmitočty i řádu GHz. Velkou předností tranzistorů řízených polem je mimořádně velký vstupní odpor asi 1013Ω. Nedostatkem tranzistorů MOSFET je nebezpečí elektrického průrazu kysličníkové izolační vrstvy mezi kontaktem řídicí elektrody G a vodivým kanálem. Toto nebezpečí se odstraňuje tím, že se mezi vstupní elektrody připojí např. ochranné diody, které omezí vstupní napětí na přijatelnou mez. U novějších tranzistorů MOSFET se tyto ochranné diody vytvářejí už při výrobě přímo mezi základním polovodičem a elektrodou G. Ochranné diody současně zmenší vstupní odpor tranzistoru na hodnotu asi 1010 Ω odpovídající vstupnímu odporu FET s přechodem PN. Ostatní vlastnosti tranzistoru MOSFET zůstávají však ochrannou diodou téměř nedotčeny, takže lze říci, že MOSFET s ochrannou diodou v sobě do jisté míry spojuje specifické přednosti obou alternativ tranzistorů řízených polem: značnou odolnost proti průrazu - typickou pro FET s přechodem PN a malé kapacity, a tedy i lepší vlastnosti při vysokých kmitočtech - charakteristické pro MOSFET.

61

4

Vyhodnocovací obvody, zesilovače, převodníky.

Obvody vyhodnocovací mají za úkol zpracovat signál dodaný přenosovými obvody tak, aby mohl být využit řídícími, regulačními nebo signalizačními obvody. Analogové obvody, jsou tvořeny převážně zesilovači a to jak lineární tak nelineární. V současné době se používá elektrický signál, kdy vyhodnocovací zařízení nepožaduje výstupní výkon větší než několik wattů, užívají se elektronické zesilovače. Používají se také různé zapojení s operačními zesilovači nebo výkonové zesilovače Číslicové obvody, jsou tvořeny logickými obvody, zpracovávající informaci ve tvaru kódu. Používají se kombinační a sekvenční obvody. Číslicové obvody zpracování informace plní následující úkoly: • • • •

práce s kódy (kodéry a dekodéry ) aritmetické a logické krátkodobé zachování signálu dávkové předzpracování a sběr dat

Diskrétní systémy ,sou tvořeny většinou elektromechanickými nebo elektronickými spínači, které umožňují úpravu signálu na úrovně, vhodné pro signalizaci nebo následné zpracování. Převodníky upravují signál k dalšímu zpracování, jsou součástí jak měřících, tak vyhodnocovacích obvodů, na druhé straně pak obvodů ovládacícch, například při číslicovém výstupu z řídícího obvodu a analogového akčního členu.

4.1 Zesilovače Používají se v přenosových, převodnících, vyhodnocovacích i ovládacích obvodech řídící techniky atd..

Obrázek 4-1 Blokvé schema zesilovače

Zesilovače jsou zařízení, do kterých obecně vstupuje pomocná, napájecí energie a energie vstupní, řídící nebo vstupní signál. Výstupem je energie, signál, který vzniká řízením napájecí 62

energie. Rozhodujícími vlastnostmi pro použití zesilovače jsou vstupní výkon (vstupní odpor, proud ap.), zesílení účinnosti, výstupní výkon (napětí, proud, odpor). Zesilovače dělíme na: a) podle zpracování veličiny: • hydraulické a pneumatické • mechanické (jsou tvořeny většinou spojkami nebo převody) • elektrické b) podle použití • měřící : • operační • výkonové c) podle vlastnosti signálu: • stejnosměrné • nízkofrekvenční • vysokofrekvenční d) podle průběhu přenosové charakteristiky: • lineární • nelineární, funkční 4.1.1 Pneumatické a hydraulické zesilovače Pneumatické zesilovače jsou většinou založeny na škrcení průtoku hl. energie škrtícím členem, který je ovládán malým množstvím energie. Hydraulické zesilovače se vyskytují ve trojím provedení: • ventil nebo šoupátko ovládané tlakem působícím na membránu • zesilovač tvořený šoupátkem nebo válcem • tryskový zesilovač ( ovládaná tryska pomocí ladičky) 4.1.2 Elektrické zesilovače Rozdělení podle základních druhů: a) s pohyblivými částmi: • elektromechanické (rotační) b) bez pohyblivých částí: • magnetické • elektronické 4.1.3 Rotační elektrické zesilovače Jsou to rotační zdroje elektrického napětí s cizím buzením, u kterých je výstupní napětí úměrné otáčkám a budící veličině. Otáčky jsou udržovány na konstantní velikosti, proto je výstupní napětí úměrné budícímu. Typickými představiteli jsou amplidyn, rototrl a regulex.

63

amplidyn

rototrol

regulex

Obrázek 4-2 Rotační elektrické zesilovače

4.1.4

Elektronické zesilovače

dělíme, na elektronkové a polovodičové. • Zesilovače dále dělíme na: • Měřící - k zesílení a úpravě sig. ze snímačů • kompenzační - zesílení energeticky nejslabších sig. Jejich princip je založen na porovnání měřené energie s pomocnou operační zesilovač 4.1.4.1 Elektronkové zesilovače Aktívním prvkem je elektronka. Princip spočívá v tom, že ze společné rozžhavené katody jsou emitovány elektrony, jejichž množství odpadlé na anodu je závislé na velikosti záporného napětí na mřížce elektronky

Obrázek 4-3 Elektronkový zesilovač

Napětí Up je vhodné konstantní předpětí, které společně se vstupním napětím U1 tvoří řídící sig. zesílení. C2 slouží k odfiltrování stejnosměrné složky a U2 představuje výstupní napětí. Pro posouzení se počítá strmost (S) což je přírůstek anodového proudu k přírůstku nap na mřížce za konstantního anodového proudu, vnitřní odpor a zesilovací činitel. 64

S=

∆I a ∆U g

Ri =

∆U a ∆I a

µ=

∆U a ∆U g

4.1.4.2 Polovodičové zesilovače Jako aktívních prvků užívají tranzistory. 4.1.4.2.1 Bipolární tranzistory Zesilovače z bipolárních tranzistorů mohou mít tranzistor zapojený se společnou bází, společným emitorem a společným kolektorem. Parametry zapojení: SB: Rv = 100 - 1000Ω Rvý= 1MΩ zesílení: I<1 U = 1000 P = 200

SE: Rv = 100 - 10000Ω Rvý = 10kΩ

SC: Rv = 1MΩ Rvý = 10 - 100 Ω

I = 1000

I = 1000 U <1 P = 500

P = 20000

Obrázek 4-4 Zapojení bipolárních trsnzistorů

4.1.4.2.2 Unipolární tranzistory Tranzistory řízené polem (FET). Proud tekoucí polovodičem je řízen elektrostatickým polem.). Tranzistorové zesilovače Zesilovač tvoří nejčastěji více stupňů (tranzistorů) a podle vazeb mezi tranzistory jsou vazby přímé a nepřímé a vazby s galvanickým oddělením - kapacitní, optoelektronická a transformátorová.

65

vazba přímá

vazba kapacitní

vazba odporová

vazba optoelektronická

vazba transformátorová

Obrázek 4-5 Vazby tranzistorových zesilovačů

4.1.5 Operační zesilovače Operační zesilovač (dále jen OZ), Je uspořádán tak, že následuje více stupňů za sebou s přímou vazbou. Zpravidla za dvěma stupni rozdílového zesilovače následuje slučovací a koncový stupeň. Ideální OZ má nekonečně velké zesílení v celém rozsahu zesilovaných frekvencí, nekonečně velký vstupní odpor a nulový výstupní odpor a žádnou závislost parametrů v čase na teplotě. Skutečný OZ se těmto parametrům blíží. Podle náhradního schématu mají diferenční vstupní odpor R, vstupní odpory Ri1, Ri2 a výstupní odpor Ro

Obrázek 4-6 Zapojení operačního zesilovače

66

Pro skutečné OZ se určují tyto hlavní parametry: • napěťové zesílení bez zpětné vazby • teplotní a časový drift • potlačení soufázového signálu • citlivost vlastností na změnu napájecího napětí • mezní frekvence, kdy má OZ zp. vazby zes. = 1 ztrátovým výkonem • velikost vstupního a výstupního výkonu Podle použití rozdělujeme na: • OZ s malým driftem pro zesilování malých vstupních signálů • OZ s velkým vstupním odporem Základní zapojení: 4.1.5.1 Invertující zesilovač Vstupní napětí je oproti výstupnímu posunuto o 180o. Pro zesílení platí vztah:

Au =

u2 R =− 2 u1 R1

Obrázek 4-7 Invertující zesilovač

4.1.5.2 Neinvertující zapojení u R1 + R2 R2 Pro nap. zes. platí: = 1+ Au = 2 = u1 R1 R1

Obrázek 4-8 Neinertující zesilovač

67

Diferenční zapojení Pro výstupní napětí platí vztah: u2 = (u1 / − u1 ) ⋅

R2 R1

Obrázek 4-9 Diferenční zesilovač

4.2 Převodníky Převodníky jsou zařízení, které provádí převod signálu, veličiny na jiný, vhodný k dalšímu zpracování řídicím systémem. Můžeme je rozdělit na: • • • • • •

analogové nelineární analogové lineární analogové impulsní impulsně analogové analogové číslicové číslicově analogové

Podle konstrukce pak na: • mechanické (u hydraulických nebo pneumatických systém) • elektromechanické (využívají převodu natočení nebo otočení na impulsy) • elektrické (převádí měřené vstupní napětí na odpovídající rozsah - transformátor) • elektronické Zvláštním typem jsou převodníky vytvářející normalizovaný signál, který je funkcí vstupní veličiny (většinou lineární). Další dělení je možné podle převáděných veličin. 4.2.1 Mechanické převodníky Mechanické převodníky se většinou pro automatizační techniku nevyužívají. Použití mají pouze u čistě pneumatického nebo hydraulického řídicího systému, kde mechanicky převádějí jednu měronosnou úroveň tlaku na jinou.

68

4.2.2 Elektromechanické převodníky Elektromechanické převodníky využívají převodu otáčení nebo natočení na impulzy. Na otáčení nebo natočení se dají převést všechny mechanické veličiny. Podle způsobu namodulování měronosné veličiny dělíme na převodníky s nosným: • • •

počtem impulzů, charakteristickým zástupcem je limigraf pro dálkové měření stavu hladiny. Natočení je pomocí ozubené clony a oscilačního snímače na pulzy; délkou pulzů; hustotou pulzů.

4.2.3 Elektrické převodníky Měřicí transformátor napětí mění rozsah střídavého napětí a odděluje obvody měřicí od obvodů měřeného napětí. Zapojují se primárními svorkami paralelně k měřenému napětí. Udává se jmenovitý převod, to je poměr vstupního a výstupního napětí. Jmenovité sekundární napětí je většinou 100 V. Měřicí transformátor proudu používá ke změně rozsahu střídavých proudů a k oddělení měřicích obvodů od obvodů měřeného proudu. Jmenovitý sekundární prou má většinou hodnotu 5A, výjimečně 1A. Transduktor je tvořen dvěma přesytkami zapojenými do série. Jejich jádry je provlečen vodič, jimiž prochází měřený proud IX. Vinutí přesytek zapojené do série jsou napájena střídavým napětím. Jádra se tak dostávají periodicky do nasycení. Magnetický tok v jádrech je buzen jednak měřeným stejnosměrným proudem, jednal pomocným střídavým proudem, přičemž oba dílčí magnetické toky se v jednom jádře sčítají a v druhém odečítají. Výhodou tohoto způsobu měření velkých stejnosměrných proudů je dobrá spolehlivost, přesnost, galvanické oddělení a zanedbatelné ztráty. 4.2.4

Elektronické převodníky technických veličin

4.2.4.1 Převodník střídavého napětí Převodník střídavého napětí převádí střídavé napětí (nejčastěji jeho efektivní hodnotu) na stejnosměrné napětí nebo proud. Používá se zejména v zařízeních dálkového centralizovaného měření a řízení. Pro harmonický průběh měřeného napětí se používají jednoduché usměrňovací převodníky, které zpravidla udávají střední hodnotu, ale mohou být cejchovny pro efektivní hodnotu. V takovém případě převodník obsahuje pomocný transformátor napětí, usměrňovač a vyhlazovací filtr. Někdy bývá doplněn nelineárními obvody pro potlačení začátku nebo konce měřicího rozsahu.

U = k⋅

1

T

u dt T∫ 2

0

Je-li průběh měřeného napětí nesinusový, musí se použít takový typ převodníku, jehož převod vyhovuje definici efektivní hodnoty. Tyto převodníky obsahují obvody s kvadratickou charakteristikou nebo analogové součinové obvody. 69

Jmenovité hodnoty vstupního napětí odpovídají obvykle jmenovitým hodnotám sekundární strany měřicích transformátorů napětí, tj. například 100V 4.2.4.2 Převodníky střídavého proudu Převodník střídavého proudu převádí měřený proud (nejčastěji jeho efektivní hodnotu) na stejnosměrné napětí nebo proud k jeho dalšímu zpracování. Používá se při dálkovém a centralizovaném měření a řízení. Má-li měřený proud harmonický průběh, mohou se použít jednoduché usměrňovací převodníky, u kterých je výstupní stejnosměrný proud úměrný střední hodnotě měřeného střídavého proudu, ale poměr mezi středí a efektivní hodnotou je konstantní. Rozsah a odpor vstupu převodníku obvykle dává možnost připojení na sekundární stranu měřicího transformátoru proudu (5A; 1A). 4.2.4.3 Převodník střídavého výkonu Převodník střídavého výkonu převádí měřený střídavý výkon (činný nebo jalový) na úměrné stejnosměrné napětí nebo proud. Převodník má napěťový a proudový vstup, které se připojují k měřenému objektu prostřednictvím vhodných měřicích transformátorů napětí a proudu. K převodu střídavého výkonu na stejnosměrné napětí se využívají různé principy. Nejjednodušší převodníky určené pro obvody s konstantním jmenovitým napětím pracují na principu fázově řízeného usměrňovače. Častěji se používají převodníky s kvadrátory, jejich je založena na využití vztahu 3.108. ( u + i )2 - ( u - i )2 = 4 ui Na obdobném principu je založena funkce termoelektrických převodník, které pracují s mezi převodem na elektrické teplo a používají termoelektrické články. V poslední době se výrazně prosazují impulsové převodníky pracující na principu měření střední hodnoty impulsového signálu, u kterého je současně modulována amplituda i šířka impulsu úměrně okamžitým hodnotám napětí a proudu měřeného střídavého výkonu. Poslední dva typy lze použít i k měření stejnosměrného výkonu 4.2.4.4 Převodník technického kmitočtu Převodník technického kmitočtu převádí technický kmitočet na stejnosměrné napětí nebo proud. Převodník pracuje obvykle na stejném principu jako úzkopásmové analogové měřiče kmitočtu. Rozsah měřeného kmitočtu bývá zpravidla ± 5% jmenovité hodnoty (47,5 až 52,5 Hz). Pro běžné průmyslové aplikace jsou vhodné převodníky rezonančního typu, například s dvojicí sériových rezonančních obvodů. Kromě nich se používají také převodníky záznějové a v poslední době se prosazují převodníky impulsové, v nichž se porovnávají periody známého a měřeného kmitočtu. 4.2.4.5 Převodník fázového posunu Převodník fázového posunu je zařízením fázového posunu mezi střídavým napětím snímače a referenčním střídavým napětím stejné frekvence na stejnosměrné napětí úměrné fázovému 70

posunu. Funkce je založena na ovládání analogového spínače pravoúhlými pulsy, jejichž délka odpovídá fázovému posunutí. Napětí z analogového spínače je vedeno na integrační článek, který vytváří stejnosměrné napětí odpovídající délce pulsu. Vlastní impulz je vytvořen pomocí dvou komparátorů, z nichž každý vyhodnocuje průchod nulou střídavého napětí ze snímače a referenčního zdroje. Jejich výstupy ovládají klopný obvod. 4.2.5 Převodníky napětí na délku impulsu Tyto převodníky jsou zařízením pro převod stejnosměrného napětí na úměrně dlouhý časový interval. Blokové schéma jednoduchého převodníku je na obr. 4.10a. Interval Ta, na který je převedeno napětí UX se odvozuje pomocí lineárně proměnného napětí UO (obr 4-10b) určením času startovacího ts a rovností napětí tr. Čas rovnosti napětí je určen komparátorem K. Startovacím impulzem SI je setován klopný obvod KO (výstup v logické 1) a spuštěn zdroj lineárně rostoucího napětí ZLRN. V okamžiku rovnosti napětí UX a UO vyšle komparátor K impulz, kterým resetuje klopný obvod KO, na jehož výstupu tak vznikne o délce odpovídající napětí UX. Uk

Ux

Ust

U0 Ux U0

Uk

Ust

Uv tS

tR

Obrázek 4-10 (a, b) Jednočinný převodník napětí na délku impulsu

Integrační převodníky se ale používají většinou dvoutaktní (metoda růstu a poklesu). Zjednodušené blokové schéma je na obr. 4-11a. Před začátkem měřicího cyklu je integrátor (I) vynulován. Bistabilní klopný obvod KO a monostabilní klopné obvody MKO I, II resetovány (výstupy jsou v logické nule). S příchodem startovacího impulzu SI vytvoří MKO I impulz i definované délce Ti, tento impulz je veden na přepínač P a po dobu jeho trvání se připojí na vstup integrátoru I měřené napětí UX. Je-li měřené napětí konstantní, mění se výstupní napětí integrátoru Ui v čase lineárně s rychlostí přímo úměrnou velikostí měřeného napětí. 71

Obrázek 4-11 (a, b) Dvojčinný převodník napětí na délku impulsu

Po skončení impulzu Ti je s jeho sestupnou hranou na MKO II vytvořen impulz, který setuje KO a zároveň je přiveden na P. Přepínač pak připojí na vstup integrátoru normálové napětí Un, které je opačné polarity než UX. Výstupní napětí I se proto mění v opačném stylu konstantní rychlostí přímo úměrnou Un. Za dobu TX dosáhne napětí na výstupu integrátoru nuly. Tento stav je indikován komparátorem, který provede resetování KO. Na výstupu KO se tedy vytvoří impulz o délce TX (obr. 4-11b). T Pro délku tohoto impulzu platí Tx = i ⋅ U x Tx Časový interval TX je tedy přímo úměrný měřenému napětí UX. Tento cyklus můžeme opakovat, když předtím provedeme počáteční nastavení všech obvodů 4.2.6 Převodníky napětí na kmitočet Zařízením převádějící analogové napětí U na kmitočet f střídavého nebo pravoúhlého signálu (tedy frekvenční modulace) je realizován pomocí napětí řízeného astabilního multivibrátoru, různých zpětnovazebních obvodů s integračním zesilovačem, generátory pily, relaxační oscilátory ap. Většinou však nedosahují vhodné přesnosti. Nejvíce se užívá zapojení s integrátorem (obr. 412), které dává pravoúhlý signál. Měřené napětí UX se integruje integrátorem a komparátorem se hlídá okamžitá hodnota výstupního napětí integrátoru ui. Jakmile dosáhne kritické hodnoty Ukr, výstupním napětím komparátoru uX se odblokuje vstup klopného obvodu D. Nejbližší 72

následující impulz z řady up překlopí klopný obvod a výstupním napětím uS se vyvolá sepnutí spínače, který na vstup integrátoru připojí etalonové napětí Un opačné polarity než UX. Sepnutí spínače trvá jednu periodu taktovacích impulzů uP a po tu dobu se výstupní napětí integrátoru ui mění v opačném smyslu než v době, kdy je na vstupu integrátoru jen měřené napětí UX. Naznačený děj se stále opakuje. Kmitočet impulzů uS je přímo úměrný měřenému napětí UX. Pro převod na sinusový střídavý signál se většinou užívá oscilátoru s Wienovým členem, který je RC článkem. Odpory jsou v článku nahrazeny napětím řízenými odpory, např. tranzistory MOS ap. Dá se dosáhnout velmi dobré přesnosti a stability převodu. Nejnovější je možnost převodu pomocí napětím řízených kapacitních diod (varikapů).

UX

UN UN UKR

UK

UI

UP

UK US UKR UP Obrázek 4-12 Jednočinný převodník napětí na délku impulsu

4.2.7 Převodníky odporu Změna odporu je častou výstupní veličinou snímačů. Pro dálkový přenos není vhodná zejména k parazitním odporům vedení. Proto je vždy převáděna na jiný měronosný signál, např. napětí, kmitočet, délka pulzu ap.

73

Obrázek 4-13 Převodník odpor napětí

Převodníky odporu na napětí jsou realizovány mnoha způsoby. Nejjednodušším je zapojení měřeného odporu do děliče napětí spolu se známým odporem RN. Změnou měřeného odporu RX dochází ke změně dělicího poměru a tím i napětí na normálovém odporu. Výstupní napětí bývá upraveno zesilovači s vysokým vstupním odporem. Obdobný výsledek můžeme dosáhnout připojením odporu snímače do obvodu se zdrojem konstantního proudu. Napětí na odporu je pak přímo úměrné odporu. Obdobně můžeme převést odpor na proud zapojením do obvodu se zdrojem konstantního napětí. Další možnosti je využití zapojení neznámého odporu do Wheastnova mostu. Všechny tyto metody mají základní nevýhodu v proudovém zatížení měřeného odporu. Tento problém odstraňuje zapojení na obr. 4-13, kde je odpor RX zapojen ve zpětné vazbě operačního zesilovače, výstupní napětí je pak přímo úměrné měřenému odporu. Použitím operačního zesilovače s vysokým vstupním odporem je měřený odpor minimálně zatěžován. Převod odporu na kmitočet se děje většinou pomocí astabilních klopných obvodů (pravoúhlý signál) nebo RC oscilátorů (harmonický signál). Převod na délku impulzu se provádí rozpojením měřeného odporu do RC členu monostabilních klopných obvodů. 4.2.8 Převodník kapacity a indukčnosti Pro kapacitu se využívá převod na frekvenci, délku impulzu a méně na napětí. Převodník kapacity-napětí je tvořen většinou střídavým mostem. Pro převod na kmitočet se užívají RC a LC oscilátory (harmonický signál) nebo astabilní klopné obvody. Pro převod na délku impulzu pak monostabilních klopných obvodů. Pro indukčnost se využívá převodu na frekvenci nebo napětí. Převod napětí se děje pomocí střídavých mostů. Pro převod na frekvenci se užívá LC generátorů. 74

Pro obě veličiny lze použít též převodu na posun fáze. Sestavíme-li LC článek kde jedna veličina bude pevná a druhou bude tvořit proměnná (měřená veličina) a napájíme jej napětím o konstantní frekvenci, bude mít výstupní napětí fázový posun proti vstupnímu. Změna fázového posunu je úměrná změně měřené veličiny. 4.2.9 Převod kmitočet napětí Je zařízení, které převádí kmitočet vstupního napětí na napětí stejnosměrné, úměrné kmitočtu. Výstupní napětí nesmí záviset na jiných parametrech vstupního napětí než na jeho kmitočtu. Proto se u převodníků odvozuje ze vstupního napětí jiné impulzní napětí nebo proud stejného kmitočtu, ale konstantní amplitudou a šířkou impulzu. Odvozené napětí nebo proud má tedy tvar krátkých pulzů jedné polarity. Jejich střední hodnota (stejnosměrná složka) je přímo úměrná opakovacímu kmitočtu. Na tomto principu pracuje převodník na obr. 4-14. Vstupní napětí u1 se zesílí v zesilovači z. Za oboustranným omezovačem OO získáme napětí u2 přibližně obdélníkového průběhu. V derivačním členu DČ se vytvoří impulzy u3, jejichž polarita se střídá. Za jednostranným omezovačem JO vzniknou impulzy u4 jedné polarity a za integračním zesilovačem získáme stejnosměrné napětí U úměrné kmitočtu vstupního signálu. Takto zapojené jednoduché převodníky nemají vysokou přesnost. Proto se častěji používají převodníky s důkladnějším zpracováním vstupního signálu (obr.4-15).

derivační člen

Obrázek 4-14 Jednoduchý převodník napětí kmitočet

Dolní propustí DP se potlačují u vstupního napětí složky vyšší, než je přiváděný kmitočet. Tím se zabrání možnosti nesprávného údaje u signálu, který během jedné periody prochází vícekrát nulovou hodnotou. Dalším obvodem je Schmittův klopný obvod SKO, který tvaruje signál na obdélníkové pulzy, tento signál je zpracován derivačním členem DČ a výsledné pulzy jednostranným omezovačem JO zpracovány tak, že mají pouze jednu polaritu. Těmito impulzy je ovládán monostabilní klopný obvod MKO, který vytvoří obdélníkový signál o 75

stálé amplitudě a šířce impulzu, jehož kmitočet odpovídá vstupnímu signálu. Integrátorem I je z těchto pulzů vytvořeno stejnosměrné napětí úměrné kmitočtu vstupního signálu.

dolnopásmová propusť

der. člen

jednost. omez.

Obrázek 4-15 Dvojtaktní převodník napětí kmitočet

4.2.10 Řízení zdroje konstantní veličiny Jde především o řízené zdroje konstantního proudu nebo napětí. Řízení je prováděno většinou stejnosměrným napětím, méně už proudem. Umožňují vytvoření normalizovaného výstupního signálu. Pro konstrukci se většinou používají operační zesilovače a tranzistory. Na obr. 4-16 je jednoduchý řízený zdroj konstantního napětí, pro který platí U R = f (U x ) . Je nutný zdroj vnějšího stejnosměrného napětí UN, pro který musí platit U N ≥ U R max Na obr. 4-17 je jednoduchý napětím řízený zdroj proudu, výstupní proud je úměrný velikosti řídicího napětí. Platí I R = f (U X ) . Pomocný zdroj stejnosměrného napětí musí být schopen dodávat proud větší než maximální výstupní proud. Pro napětí pomocného zdroje musí platit U N ≥ I R max ⋅ ( RS + RZ ) . 76

Obrázek 4-16 Zdroj konstantního napětí

Obrázek 4-17 Zdroj konstantního proudu

4.2.11 Převodníky číslicových signálů Používají se pro převod analogových veličin na číselný signál a naopak. Bývají součástí snímačů s číselným výstupem, číslicových měřicích přístrojů, přenosových datových systémů. Můžeme je podle konstrukce rozdělit na: • elektromechanické • elektronické Elektromechanické se v současné době používají málo. Především pak převodníky číslo – natočení – krokové motory. Elektromechanické analogově číslicové převodníky využívaly převodu rychlosti pohybu perforované clony a fotoelektrických snímačů. Otvory ve cloně odpovídaly časovému rozložení jednotlivých váh číselného kódu. Dnes se užívají pouze převodníky elektronické, které se skládají z integrovaných částí nebo jsou vyráběny jako jeden integrovaný obvod. jelikož číslicově – analogové převodníky jsou používány jako součást převodníků analogově – číslicových, jsou v následujících částech nejdříve popsány číslicově analogové a pak analogovo – číslicové. 4.2.11.1 Převodník D / A Jinak též mezinárodně značen D/A převodník (digital -analog) je zařízením k převodu číselného signálu vyjádřeného v číslicovém kódu na úměrně velký analogový signál, obvykle stejnosměrný proud nebo napětí. Metody D/A převodu lze rozdělit na dvě hlavní skupiny: Přímé D/A převodníky, které převádějí číslicový signál přímo na analogový, a nepřímé D/A 77

převodníky, které převádějí číslicovou veličinu nejdříve na pomocnou veličinu (např. šířku nebo hustotu impulzů) a ta se potom převádí na analogový signál. Přímé převodníky D/A se dále dělí na sériové a paralelní. Dominantní jsou však paralelní převodníky, vzhledem k jejich funkční rychlosti. Na obr. 4-18 je nakresleno blokové schéma, které vysvětluje princip činnosti paralelního převodníku D/A. Princip činnosti spočívá v tom, že jednotlivé bity vstupního digitálního signálu B1 až Bn (n je počet bitů převáděného čísla) ovládají spínače S1 až Sn, které připojují jednotlivé zdroje konstantního proudu I1 až In do společného sčítacího bodu N podle toho, zda příslušný bit má logickou úroveň jedna (spínač je sepnut), nebo logickou úroveň nula (spínač je rozpojen). Velikosti proudu I1 až In jsou při tom úměrné váze příslušného bitu vstupního číslicového signálu, o kterém předpokládáme, že je dán ve váhovém (přirozeném) binárním kódu. Jednotlivé váhové proudy tedy budou mít v převodníku hodnoty podle vztahu:

I2 =

I

λi

(i = 1....n)

Podle způsobu realizace zdrojů konstantního proudu I1 až In a spínačů S1 až Sn lze paralelní převodníky D/A rozdělit na: • • •

Převodníky s napěťovými spínači Převodníky s proudovými spínači Převodníky se spínanými proudovými zdroji

Obrázek 4-18 Princip D/A převodníku

Na obr. 4-19 je blokové schéma převodníku D/A se sérioparalelními spínači a žebříčkovou odporovou sítí. Za předpokladu, že je vnitřní odpor zdroje referenčního napětí U1 zanedbatelný ve srovnání s odpory sítě, je impedance tří větví kteréhokoli uzlu odporové sítě (například v bodě A) stejná a má velikost 2R. Z toho vyplývá, že proud I, tekoucí do uzlu 78

i z jedné větve se rozděluje na dva proudy 2 , tekoucí do zbývajících větví. Každým průchodem uzlovým bodem se tedy zmenší proud tekoucí ze zdroje referenčního napětí na polovinu. Na obr. 4-19 je nakreslen případ, kdy je k referenčnímu napětí připojena větev, 1 I odpovídající váze a velikosti 4 rozsahu sítě. Do nulového bodu N zesilovače Z teče proud 2 , odpovídající této váze. Pro zachování stále impedance odporové sítě musí spínače S1 až Sn připojovat váhové odpory buď na referenční napětí (při logické 1) nebo na zem (při logické úrovni 0). Výhodou sítě je, že vyžaduje odpor pouze dvou hodnot, R a 2R. Další možností je paralelní převodník D/A s proudovými spínači. Výše popsaný převodník používal napěťové snímače, kterými se na odporovou síť připojovalo referenční napětí, nebo zemní potenciál. Výstup odporové sítě byl při tom spojen s nulovým bodem zesilovače Z. Vzájemnou změnou umístění spínačů a odporové sítě v takovém převodníku vznikne paralelní převodník D/A s proudovými spínači. Uzlový bod sítě je nyní připojen na zdroj referenčního napětí Ur. Hlavní změna však spočívá ve funkci spínačů S1 až Sn. Spínače v tomto zapojení I n připojují výstupní váhové proudy odporové sítě 2 , buď do sčítacího bodu N nebo na zem, podle toho, zda příslušný číslicový vstup B1 až Bn má logickou úroveň 1 nebo 0. Váhové proudy připojené do bodu N se opět převádějí na výstupní napětí Ua pomocí operačního zesilovače Z se zpětnovazebním odporem Rzv.

Obrázek 4-19 D/A převodník s proudovými spínači

Převodníky s proudovými spínači mají některé výhody proti převodníkům s napěťovými spínači. Důležitou podmínkou správné činnosti převodníků s proudovými spínači je, že spínač 79

nesmí do sčítacího bodu N na vstupu zesilovače Z zavádět budící proud z ovládacího vstupu. Tuto podmínku splňují nejlépe tranzistory řízené polem MOSFET a JFET. 4.2.11.2 Převodník analogově - číslicový Mezinárodně značen A/D (analog digital) je zařízením k převodu analogové vstupní veličiny, obvykle stejnosměrné napětí nebo proud na výstupní číslicovou informaci. Celkově je můžeme rozdělit na přímé a nepřímé. Nepřímé převodníky se skládají z dříve popsaných převodníků napětí – kmitočet napětí – délka impulzu nebo napětí – počet impulzů. Výstupní veličiny se pak měří elektronickými čítači s číslicovým vstupem (popsáno dříve). Přímé převodníky se používají čítacího a kompenzačního typu. Kompenzační metoda se nazývá též metodou postupní aproximace. Dále jsou popsány principy činností těchto převodníků v zjednodušeném zapojení.

Obrázek 4-20 A/D čítací převodník

Převodník A/D čítacího typu je na obr. 4-20. Jeho hlavní částí jsou komparátor KO, převodník D/A, dvojkový čítač DČ, řídicí logika ŘL a generátor taktových impulzů GT. Vstupní převáděné napětí UX je srovnáváno se stupňovitým napětím Up na výstupu převodníku D/A, které se vytváří tím, že číslicové vstupy převodníku D/A jsou připojeny k výstupu čítače, který se lineárně plní čítáním impulzů z generátoru taktu GT. Jakmile napětí Up dosáhne velikosti napětí Uxi, vstup čítače se zablokuje a číslicový údaj na výstupu čítače je úměrný velikosti UX. Když se stav čítače sejme nebo zapíše do výstupního registru, může být zahájen další převod. Signálem startu převodu se čítač vynuluje a obnoví se přístup impulzů 80

z generátoru GT do čítače. Takto pracuje převodník pouze unipolárně, tj. UX může mít pouze jednu polaritu. Bipolární funkci lze zajistit bipolárním převodníkem D/A a čítačem který pracuje v doplňkovém kódu. Proti dále popsanému kompenzačnímu převodníku je čítací převodník jednodušší a snadno realizovatelný, neboť je u něj nahrazen složitý registr postupných aproximací jednoduchým čítačem. Podstatný rozdíl mezi oběma převodníky je v jejich rychlosti, jak uvedeme u popisu kompenzačního převodníku. Kompenzační převodník je, jak bylo naznačeno, funkčně mnohem rychlejší. Pro převod vyžaduje tento typ pouze n+1 časových cyklů. Některé konstrukce umožňují i zkrácení této doby, jestliže konečná hodnota převodu je nalezen dříve než za n+1 cyklu. Převodník s postupnou aproximací provádí několik zkoušek, v kterých se srovnává vstupní analogové napětí s etalonovým napětím, vytvářeným převodníkem D/A (viz obr. 4-21). Převodník se skládá z komparátoru KO, řídící logiky ŘL, posuvného registru PR, paměťových klopných obvodů KOP a převodníku D/A. Postup činnosti převodníku je následující: Po příchodu impulzu start ST se do nejvyššího řádu posuvného registru PR zapíše logická jednička, v důsledku toho se na výstupu nejvyššího řádu obvodu KOP objeví vysoký potenciál. Tato jednotka nastaví výstupní napětí D/A na 1 E et = 2 celkového rozsahu převodníku. Jestliže vstupní napětí Evst je etalonovou hodnotu větší než Eet, zůstává potenciál na výstupu komparátoru KO na vysoké úrovni. Při příchodu následujícího taktového impulzu zůstává potenciál na výstupu KOP na vysoké úrovni a jednotka v nejvyšším řádu se přesune vpravo do dalšího nižšího řádu. Po tomto přesunu srovnává komparátor opět Evst a Eet. Zůstane-li opět Eet menší než Evst, proces pokračuje s postupným přesunem k nižším řádům na výstupu převodníku D/A. Při dosažení rovnosti Evst = Eet klesne potenciál na výstupu komparátoru KO. Jestliže však již první zkouška ukáže, že 1 E vst 〈 E et 2 napětí ,budou v obvodu prováděny zkoušky napětí menších, než je polovina rozsahu. V tom případě se výstup nejvyššího řádu KOP vynuluje a jednička se přesune vpravo do nejbližšího nižšího řádu. Zde se zkouška opakuje. Tento postup pokračuje, dokud nebude nalezena správná úroveň napětí, nebo dokud nedojde k přeplnění registru. Na konci poslední zkoušky (posledního srovnání) se posuvný registr přeplní a vydá signál "konec převodu" KP. Jak již bylo naznačeno, je kompenzační převodník A/D mnohem rychlejší než čítací převodník. U kompenzačního převodníku je doba převodu určena násobkem periody taktových impulzů a počtem bitů číslicového výstupu, například pro taktový kmitočet 1 MHz a 12 bitový převodník D/A je doba převodu rovna 12.

81

Obrázek 4-21 Kompenzační převodník

U čítacího převodníku je doba převodu určena kmitočtem taktovacích impulzů, děleným maximálním počtem načítaných impulzů. Pro výše uvedený případ, tj. taktový kmitočet 1 MHz a 12 bitů, což odpovídá 212 = 4096 čítaných impulzů, je maximální doba převodu delší než 4 ms. I při maximálním kmitočtu, který je čítač schopen zpracovat, dosahuje doba převodu stovek mikrosekund při současně vysokých nárocích na rychlost komparátoru. Dalším typem pro extrémně rychlé převody je paralelní A/D převodník. Analogový signál se vede paralelně do řady komparátorů. V každém komparátoru se měřené napětí porovnává s jednotlivým referenčním napětím. Komparátory dávají na svých výstupech logické signály: signál 0, je-li měření menší než referenční úroveň a signál I, je-li měřené napětí větší než referenční úroveň. Je-li to zapotřebí, převedou se signály z komparátorů do jiného kódu. Výhodou naznačeného způsobu číslicového měření napětí je poměrná jednoduchost a hlavně rychlost, nevýhodou je malá přesnost. 4.2.11.3 Převodníky číslo – číslo Jinak též převodníky kódu jsou kombinační nebo sekvenční logické obvody, určené k převádění dat zobrazených v jednom kódu na stejná data, zobrazená v kódu jiném (kodéry, dekodéry, multiplexory ap.). Dnes se využívají především hotové obvody, určené pro určitý druh převodu nebo pevně programovatelné paměti. 82

5

Měřící obvod

Měřící obvod zajišťuje sledování, měření potřebných veličin technologického procesu. Tuto funkci musí provádět co nejpřesněji. Jeho výstupem je veličina zpracovatelná následujícími obvody řídicího systému. Takto definovaný obvod se skládá ze snímače sledované veličiny a převodníku. Jestliže snímač je schopen dodávat veličinu zpracovatelnou následujícími obvody řídicího systému, pak převodník odpadá. Obecné schéma měřícího obvodu je na obr. 5-1..

Obrázek 5-1 Měřící obvod

Do měřícího obvodu vstupuje fyzikální veličina, elektrická nebo neelektrická, jež je obvodem převáděna na veličinu vhodnou k zpracováni následujícími obvody řídicího systému. Současné sestavy vzhledem k elektronickému zpracování informací požadují jako výstupní veličinu elektrické napětí, proud, kmitočet nebo přímo číselný kód. Avšak doposud používané pneumatické nebo hydraulické řídicí systémy vyžadují výstupní veličinu tlak vzduchu nebo kapaliny. Tyto poznatky můžeme popsat touto definicí: „Měřící obvod provádí přeměnu vstupní fyzikální veličiny na veličinu jinou, vhodnou k zpracování obvody přenosového a řídicího systému.“ Jelikož je nutné vyjít vzhledem k rozčlenění jednotlivých obvodů z nějakého základu, při současné úrovni a způsobu řízení bereme jako veličinu zpracovatelnou řídicím systémem aktivní elektrickou veličinu (U, I, f).

5.1 Rozdělení měřících obvodů Měřící obvody můžeme dělit mnoha způsoby. Jako základní dělení se jeví rozdělení podle charakteru měřené veličiny: a) Měření elektrických veličin b) Měření neelektrických veličin Z tohoto pohledu je měření elektrických veličin většinou funkcí převodníků, které převádí jednu elektrickou veličinu na jinou nebo stejnou jiné úrovně. 83

Výjimkou je několik praktických využití, kdy je nutné u pneumatických nebo hydraulických systému převést elektrickou veličinu na neelektrickou. Převodníky elektrických veličin se však zároveň používají jako signalizační vyhodnocovací prvky. Měření neelektrických veličin se děje pomocí snímačů neelektrických veličin a převodníku. Jde většinou o převod neelektrické veličiny na veličinu elektrickou. V některých případech může jít o převod neelektrické veličiny na jinou, většinou na tlak vzduchu nebo kapaliny u pneumatické a hydraulické regulace. Některé neelektrické veličiny jsou však měřeny tak, že je proveden převod měřené veličiny na jinou neelektrickou veličinu, kterou můžeme pak lehce a přesně měřit jednoduchým snímačem. Tento způsob se často využívá.

5.2 Chyby měření Opakujeme-li měření několikrát, dostaneme zpravidla různé hodnoty. Výsledek měření je tedy částečně náhodná veličina. Absolutní chybou měření ∆X budeme rozumět rozdíl mezi správnou hodnotou X a naměřenou hodnotou X´: ∆X = X - X´ . Absolutní chyba má rozměr dané veličiny. Relativní chybou ∂ rozumíme poměr absolutní chyby ku správné hodnotě X měřené veličiny: 𝜕=

∆𝑋 𝑋

.

Relativní chyba je bezrozměrná ale obvykle se udává v procentech, násobíme 100.. Základní chyba měření, přístroj je provozován v předepsaných referenčních podmínkách. To znamená, že veškeré veličiny, které mohou nepříznivě ovlivnit přesnost měření, musí mít předepsanou konstantní velikost, popř. je povolen rozptyl jen ve velmi úzkých mezích. Mezi hlavní ovlivňující veličiny obvykle patří okolní teplota, kolísání napájecího napětí přístroje atd. Zjednodušeně lze říci, že základní chyby měření daným přístrojem je dosahováno v laboratorních, přesně definovaných podmínkách. Pracovní chyba měření platí pro měření prováděná v pracovních podmínkách, oproti základní chybě dosahováno v širším rozsahu pracovních teplot, při větším kolísání napájecího napětí apod. Proto pracovní chyba bývá vyšší než chyba základní. Podle ČSN 61557 může být relativní pracovní chyba měření maximálně 30%. Podle původu lze chyby rozdělit na dva druhy: chyby systematické a chyby náhodné. 5.2.1 Opakovatelnost a reprodukovatelnost metody Jsou pojmy, kterými vyjadřujeme přesnost měření za přesně daných podmínek. 84

Opakovatelnost – těsnost souhlasu mezi výsledky nejméně 8 nezávislých měření stejného analytu provedených stejnou metodou, stejným experimentátorem, na stejném přístroji, na stejném místě a za stejných podmínek v krátkém časovém intervalu. Reprodukovatelnost – těsnost shody mezi výsledky měření stejného analytu ve vzorcích stejného materiálu, kdy jsou jednotlivá měření prováděna stejnou metodou za různých podmínek (experimentátor, přístroj, místo, podmínky, čas). Přitom ne všechny podmínky musí lišit. 5.2.1.1 Korektnost Pojem, který se používá jako souhrnný termín pro přesnost a správnost, vymezuje chybu jednotlivých měření. Správnost se vztahuje na odchylku mezi výsledkem a skutečnou hodnotou. Správnost kombinuje přesnost a pravdivost (tj. vlivy náhodných a systematických faktorů). Přesnost se vztahuje na rozdíly mezi hodnotami proměnných – rozptýlení hodnot proměnných okolo jeho střední hodnoty. Mírou přesnosti je standardní odchylka. 5.2.2 Přesnost přístrojů Třída přesnosti určuje maximální relativní chybu přístroje v % nejvyšší hodnoty měřicího rozsahu. U analogových přístrojů je udávána třída přesnosti T v hodnotách (0,05 - 0,1 - 0,2 - 1 - 1,5 - 2,5 - 5). Absolutní chyba (při referenčních hodnotách, zanedbáváme např. vliv oteplení) se vypočítá podle vztahu ∆𝑢 =

𝑇 𝑀 100

kde T je třída přesnosti, M je hodnota nejvyššího měřicího rozsahu. Chyba relativní je dána potom vztahem 𝛿𝑢 =

∆𝑥 𝑀 100 = 𝑇 𝑋 𝑋𝑚

kde mimo již uvedené je Xm je naměřená hodnota.

[%]

Základní chyba digitálního měření je udávaná většinou vztahem +/- (% čtení + % rozsahu) to je ekvivalentní vztahu +/- (% čtení + LSB číslice). V anglických návodech je udáván vztah +/- (% rdg + digit). Číslicového multimetr s rozsahem 10.000, představuje změna +/-1 číslice velikost napětí 0,001V (poslední číslice - LSB -nejméně význačný bit). 85

5.2.3 Chyby systematické Tyto chyby zkreslují výsledek měření zcela určitým způsobem a jsou s jistou pravidelností. Obvykle se projevují tak, že vedou k hodnotám, které jsou trvale vyšší nebo nižší než je správná hodnota. Dělí se dále na chyby metody, které jsou dané nedokonalostí či nepřesností použité metody, chyby přístrojů, které jsou zaviněné nepřesností či nedokonalostí přístrojů a chyby osobní, které jsou dané subjektivními vlastnostmi pozorovatele (např. způsob odečítání desetin dílků stupnice). 5.2.4 Chyby náhodné Tyto chyby nejsou pravidelné a nedokážeme určit jejich přesnou příčinu. Mohou to být např. neměřitelné změny uvnitř přístrojů, fluktuace teploty či tlaku, jemné otřesy aparatury apod. Chyby zaviněné jednotlivými vlivy nazýváme elementárními chybami a výsledná náhodná chyba je pak dána součtem elementárních chyb. Náhodné chyby jsou řešeny na základě teorie pravděpodobnost. 5.2.5 Základní pojmy z pravděpodobnosti Zákonem rozdělení (nebo jen rozdělením) náhodné veličiny X rozumíme předpis, určující pravděpodobnost p (x), že náhodná veličina má hodnotu x, nebo P(a, b), že její hodnota padne do intervalu (a, b). Pro spojité veličiny se zavádí tzv. hustota pravděpodobnosti p(x) a pro pravděpodobnost P(a, b) pak platí: b

P ( a , b) = ∫ p( x)dx a

Hustota pravděpodobnosti p(x), jednoznačně určuje zákon rozdělení veličiny X. Normální rozdělení je dáno hustotou pravděpodobnosti ( x − s) 2 1 − p( x) = e 2σ 2 σ 2π Veličina s se nazývá střední hodnota, veličina σ je střední kvadratická odchylka a její druhá mocnina se nazývá disperze. Důležitou vlastností normálního rozdělení je, že s pravděpodobností blízkou jedné nalezneme hodnotu x v intervalu (s - 3σ, s + 3σ), nebo přesněji, že P (s-3σ, s+3σ) = 0,9973 . Podobně také P (s-2σ, s+2σ) = 0,9545 P (s-σ, s+σ) = 0,6827 .

86

Dá se dokázat, že součet velkého počtu nezávislých veličin s libovolným rozdělením má normální rozdělení. Pokud je tedy chyba měření dána součtem mnoha elementárních chyb, jak bylo předpokládáno výše, bude mít přibližně normální rozdělení. Střední hodnota s tohoto rozdělení představuje správnou hodnotu měřené veličiny. Provedeme-li n měření veličiny X, dostaneme n hodnot xk, kde k nabývá hodnot k = 1, 2, …, n. Dá se dokázat, že střední hodnotu lze nejlépe aproximovat aritmetickým průměrem naměřených hodnot:

x=

1

n

( x1 + x2 + … +xn) =

1

n

n

xk ∑ k =1

Přesnost měření bychom mohli hodnotit podle střední kvadratické odchylky σ normálního rozdělení veličiny X. Ve fyzikálním měření ji nazýváme střední kvadratickou chybou jednoho měření (směrodatnou odchylkou výběru nebo také standardní odchylkou SD "standard deviation"). Její hodnotu přesně neznáme. Nejpravděpodobnější odhad je dán následujícím vztahem (odhady parametrů rozdělení budeme pro jednoduchost značit stejně jako jejich teoretické hodnoty, i když tyto veličiny nejsou totožné) n

σ=

( x − xk ) ∑ k

2

=1

( n − 1)

Dále zavádíme pravděpodobnou chybu jednoho měření θ, definovanou vztahem P (s - θ, s + θ) = 0,5 Její význam je v tom, že při velkém počtu měření polovina měření bude mít absolutní hodnotu chyby menší než θ a polovina větší než θ. Mezi pravděpodobnou chybou jednoho měření a střední kvadratickou chybou jednoho měření platí vztah θ ≅ 0,674 σ ≅ 2/3 σ Podobně jako pro jedno měření můžeme definovat střední hodnotu, střední kvadratickou chybu aritmetického průměru (standardní chyba SE - "standard error") a pravděpodobnou chybu aritmetického průměru naměřených hodnot (obyčejně je značíme pruhem nad symbolem). Dostaneme postupně následující vztahy: n

SE = σ =

σ = n

( x − xk ) ∑ k

2

=1

n( n − 1)

θ = 2/3 σ

87

5.3 Měření elektrických veličin Měření elektrických veličin je oblast velmi důležitá pro řešení řízení technologického procesu, protože jako vstupní informace z technologickém procesu je nutné zjistit hodnoty napětí, proudu, výkonu účiníků ap. Ale také jako součást informační, indikační, protože většina veličin je převedena na elektrický signál (napětí, proud, kmitočet). 5.3.1 Popis měření základních veličin Základní elektrickou veličinou v soustavě Si je elektrický proud. Od ní je odvozeno elektrické napětí a pomocí základních vztahů ostatní elektrické veličiny. Elektrickým měřením se určují velikosti elektrických veličin a veličin na nich závislých. Máli se měření provádět, nutno znát jeho účel. Podle účelu může být měření: Zkušební ve výrobě elektrických strojů a přístrojů • zkoušení součástí, z nichž se sestavuje hotový výrobek • zkoušení hotových výrobků • zkoušení při přejímacích zkouškách. • Provozní, zejména ve výrobě rozvodu. • Vývojové a výzkumné. • Vědecké. • Naučné ve školních laboratořích 5.3.2 Měřicí přístroje Elektrickými měřicími přístroji a měřidly se nazývají přístroje, jimiž se měří elektrické veličiny, např. napětí, proud, výkon atd., nebo neelektrické veličiny související s elektrickými, např. magnetické veličiny, výkon a moment elektrických motorů a také jiné veličiny, které mohou způsobit takové změny elektrických veličin, že se jimi mohou měřit elektricky. Měřicí přístroj, jehož mechanický celek má zpravidla jen jedno měřicí ústrojí v krytu, má podle uvedené normy název měřidlo. Tedy voltmetr, ampérmetr, wattmetr jsou měřidla. Tento název se však dosud nevžil ani u výrobců. •

Podle veličiny, kterou měřicí přístroj nebo měřidlo měříme, rozeznáváme: voltmetry a milivoltmetry, jimiž se měří napětí; ampérmetry, miliampérmetry a mikroampérmetry k měření proudu; galvanometry k měření velmi malých proudů, velmi malých napětí, popřípadě malých nábojů, proudových impulsů; • wattmetry k měření výkonu elektrického proudu; • elektroměry k měření elektrické práce (energie); • kmitoměry k měřeni kmitočtu střídavého proudu v oboru technických kmitočtů • fázoměry k měření účiníku, tj. kosinu úhlu fázového posuvu střídavého proudu vzhledem k napětí; Měřicí přístroje a měřidla mohou měřit buď hodnoty, které jsou právě v určitém stavu v elektrickém obvodu, např. napětí, nebo měří součet malých hodnot veličiny, která vzrůstá s • • •

88

časem, např. elektroměry nebo měří poměr dvou veličin. Eletrické měřicí přístroje mají dvě hlavní části: • •

měřicí ústrojí, ukazovatele výchylky.

Měřicí ústrojí je hlavní část měřidla, v níž měřená veličina vyvolává pohyb. Na pohyblivou část měřicího ústrojí, která nese ukazovatele výchylky, působí dva momenty. Moment vyvozovaný měřenou veličinou, zvaný moment soustavy, jež způsobuje pohyb měřicího ústrojí. Proti tomuto momentu působí řídicí (direkční) moment, vyvozovaný nejčastěji spirálovými pružinami. Řídicí moment vzrůstá s výchylkou měřicího ústrojí, a proto se otočná část měřicího ústrojí zastaví v takové poloze, v níž jsou oba momenty stejné. Měřicí soustavou se rozumí fyzikální princip převodu měřené elektrické veličiny na mechanický pohyb. Podle tohoto principu, na němž je založeno působení měřidla, rozeznáváme tyto měřicí soustavy: a) s otočnou cívkou neboli magnetoelektrickou, zvanou též Deprézova, která je založena na působení magnetického pole trvalého magnetu na vodič, kterým protéká elektrický proud; b) s otočným magnetem, založenou na působení vodiče, Jimž protéká proud na magnetku; c) feromagnetickou, založenou na vtahování feromagnetického tělíska do cívky nebo na odpuzování dvou souhlasně zmagnetovaných feromagnetických plíšků, d) elektrodynamickou, jejíž působení Je založeno na dynamických účincích elektrického proudu; e) indukční neboli Ferrarisovu, založenou na vzniku vířivých proudů v otočné části měřicího ústrojí, které s magnetickým polem budícím způsobí točivý moment; f) tepelnou, založenou na tepelných účincích elektrického proudu; g) elektrostatickou, zakládající se na silových účincích elektrických nábojů, h) rezonanční, založenou na mechanické rezonanci s kmity proudu. Má-li se měřicím přístrojem změřit velikost měřené veličiny, musí se jeho stupnice ocejchovat, tj. stupnice musí mít dělení v jednotkách měřené veličiny. Hodnota veličiny pro plnou výchylku určuje měřicí rozsah. Přesné měřicí přístroje mívají několik měřicích rozsahů, aby se jich lépe využilo a aby se jimi pohodlně měřilo. Takové přístroje nemají stupnici dělenou v jednotkách měřené veličiny, nýbrž stupnice je rozdělena na určitý počet dílků. Proto se musí pro každý měřicí rozsah určit konstanta přístroje. Konstantou přístroje rozumíme číslo, jimž je nutno násobit výchylku na přístroji v dílcích stupnice, abychom dostali hodnotu výchylky v jednotkách měřené veličiny. Jinými slovy, konstanta přístroje pro 89

určitý měřicí rozsah je hodnota jednoho dílku stupnice pro tento rozsah v jednotkách měřené veličiny. 5.3.3 Provedení měřicích přístrojů Provedení měřicích přístrojů se řídí účelem, k němuž se jich používá. Podle účelu rozeznáváme: a) Normály elektrických jednotek. Jsou to základní měřidla zvláště přesná, vyžadující zvláštní podmínky měřeni. Používá se jich hlavně k cejchováni laboratorních měřicích přístrojů a pro velmi přesná laboratorní měřeni. b) Laboratorní přístroje, jimiž se provádějí přesná měřeni v laboratoři a kontrolují se provozní měřicí přístroje. Bývají zpravidla třídy přesnosti 0,2 popřípadě 0,1. c) Provozní měřicí přístroje, které mohou být: Montážní, jež mají menší váhu než laboratorní, aby byly snadné přenosné. Bývají také upraveny Jako měřici soupravy do kufru. Měřicí ústrojí musí být robustní a mechanicky jakostní . • Rozvaděčové, jež se vestavují do rozvaděčů. Tyto přístroje jsou vystaveny otřesům a chvění, a proto se u nich klade větší důraz na provozní spolehlivost než na přesnost. Jsou tedy robustního provedení s velkým řídicím momentem, a tím mají i velkou vlastní spotřebu a třídu přesnosti nižší než 1 až 2,5 d) Univerzální přístroje jsou měřicí přístroje provedené jako voltmetry a ampérmetry s mnoha rozsahy na stejnosměrný i střídavý proud do kmitočtu 10000 Hz. •

Měřicí přístroje můžeme rozdělit do dvou základních skupin: a) elektromechanické měřicí přístroje; b) elektronické měřicí přístroje 5.3.4 Měření elektrického napětí Přístroje, jež slouží k měření elektrické napětí, se nazývají voltmetry. Připojují se vždy paralelně k prvku, na němž napětí měříme. Voltmetr má mít co nejmenší vliv na velikost proudu obvodem. Proto by měl mít co nejvyšší vnitřní odpor. Je třeba dávat pozor, aby přístroj nebyl přetížen, tedy aby na jeho svorkách nebylo napětí vyšší, než může na určitém rozsahu měřit (přetížení). Proto před měřením vždy nastavíme nejvyšší rozsah a poté jej snižujeme pro dosažení optimální výchylky.

90

I U

V

R

Obrázek 5-2 Měření napětí

5.3.5 Měření elektrického proudu Přístroje, jež slouží k měření elektrického proudu, se nazývají ampérmetry. Připojují se vždy do série s prvkem, jímž proud měříme. Ampérmetr by měl mít sám co nejmenší úbytek napětí (vliv na obvod). Proto by měl mít co nejmenší vnitřní odpor. Ampérmetr se z tohoto důvodu nesmí zapojovat paralelně, hrozí zničení přístroje (velký proud). Před měření opět nastavíme nejvyšší rozsah a poté jej snižujeme pro dosažení optimální výchylky.

I A

U

R

Obrázek 5-3 Měření proudu

5.3.6 Analogové měření napětí a proudu Jedním ze základních elektrických měřicích přístrojů jsou a asi ještě nějakou dobu zůstanou deprézské měřicí přístroje, tj. přístroje s otočnou cívkou. Před všemi digitálními multimetry mají totiž jednu velikou přednost - nepotřebují ke svým základním činnostem, tj. k měření napětí nebo proudu baterie nebo připojení na rozvodnou síť (přívlastek ”rozvodnou” nesmíme dnes, v době počítačových sítí, již opomínat). Navíc si v současné době i výrobci číslicových ručních přístrojů uvědomují přednosti analogové indikace a vybavují své číslicové multimetry navíc analogovým sloupcovým displejem.

91

Obrázek 5-4 Přístroj s otočnou cívkou

Výchylka ručičky deprézského přístroje je úměrná proudu, který protéká otočnou cívkou, a sice první mocnině tohoto proudu. Je tedy třeba si uvědomit, že i při měření napětí musí měřený zdroj dodat do otočné cívky proud, aby způsobil její vychýlení. Proud protékající otočnou cívkou na plnou výchylku přístroje je jednou ze základních charakteristik deprézského přístroje. Tento proud zjistíme nejsnáze tak, že se podíváme na nejcitlivější stejnosměrný proudový rozsah přístroje (pokud se jedná o universální, tedy vícerozsahový přístroj). U běžných přístrojů bývá 1 mA, u citlivých systémů 20 nebo dokonce jen 10 μA. Vyjadřuje se v kΩ/V. 1 kΩ/V znamená tedy přístroj s proudem 1mA na plnou výchylku, 50 kΩ/V přístroj se spotřebou 20 μA a 100kΩ/V přístroj se spotřebou 10 μA (údaj v kΩ/V má tedy rozměr A-1 a znamená vlastně počet výchylek na 1 A, například 100kΩ/V znamená 105 výchylek na 1A, tj. na jednu výchylku 10-5A). Uvědomme si, že údaj např. 50kΩ/V nám nic neříká o vlastním vnitřním odporu měřicího systému, ten bývá v řádu jednotek kΩ, to znamená, že na plnou výchylku na přístroji se spotřebou 20 μA na plnou výchylku zůstává napětí řekněme okolo 0,1 V. Z údaje v kΩ/V však můžeme spočítat vnitřní odpor deprézského přístroje jako celku (tj. i se sériovými odpory), je-li použit jako voltmetr. Je-li například údaj 50kΩ/V a měříme na rozsahu 10V, pak sériový odpor k otočné cívce přístroje je spočítán tak, aby celkový odpor měřicího přístroje byl 500 kΩ a obdobně na jiných rozsazích. Předpokládám, že by pro nikoho nebyl problém spočítat tento sériový odpor, když by byl znám proud na plnou výchylku IP a vnitřní odpor měřicího systému RM. Zkusme si to: Mějme určit sériový odpor RS pro deprézský systém na rozsahu UR a známe IP a RM. Znamená to, že při přiložení napětí UR musí přístroj ukázat plnou výchylku, tj. systémem musí protékat proud IP. Z Ohmova zákona tedy RS = - RM+(UR/IP).

92

Obrázek 5-5 Bočník ampérmetru

Při použití deprézského systému jako ampérmetru musíme pro měření proudů větších než je proud na plnou výchylku Ip použít bočníku, tj. odporu zapojeného paralelně s měřicím systémem. Existuje i tzv. Ayrtonův bočník, který si můžeme představit jako potenciometr připojený paralelně k měřicímu systému, oba typy bočníků představuje obrázek 5-6. Zde předvedeme výpočet odporu RB pouze jednoduchého bočníku, Ayrtonův si můžete spočítat jako domácí cvičení. Předpokládáme parametry systému dané stejnými symboly jako nahoře, proudový rozsah, pro který bočník počítáme, označme IR. Proud I tekoucí do uzlu bočník, měřicí systém, se bude větvit na dvě části, které dohromady podle 1. Kirchhoffova zákona musí dát celkový měřený proud. Část protékající měřicím systémem bude rovna pro plnou výchylku IP, tedy IP=IRRB/RM=I.RB/(RM+RB). IP,IR a RM známe, jedinou neznámou v této rovnici je odpor bočníku RB. Všimněte si, že v případě tohoto jednoduchého bočníku bude spád napětí na přístroji s bočníkem stejný jako na samotném měřicím systému, tj. RM.IP. To u Ayrtonova bočníku nebude platit, tam bude pro vyšší proudové rozsahy spád napětí na kombinaci vyšší, než je na systému. Pro vysoké proudové rozsahy vycházejí odpory bočníků velmi malé a má-li mít přístroj přepínané rozsahy, vzniká problém s přechodovým odporem přepínače, který může být srovnatelný s odporem bočníku. Proto řada univerzálních měřicích přístrojů má pro vyšší proudový rozsah, např. 10 A, zvláštní připojovací zdířku, aby se tomuto problému předešlo.

93

Obrázek 5-6 Bočník ampérmetru, změna rozasahu

Zatím jsme se zabývali konstrukcí měřicího přístroje s deprézským systémem. Předpokládejme nyní, že máme k dispozici buď deprézský nebo jakýkoli jiný měřicí přístroj, známe jeho vnitřní odpory pro měření proudu a pro měření napětí a chceme určité měření provést. Je třeba si uvědomit, že každým měřením ovlivňujeme měřený obvod, že měřením vlastně měníme měřený obvod na obvod obsahující původní obvod a měřicí přístroj. Tato změna může v řadě případů způsobit jen malou chybu, ale v některých případech je třeba analýzu ovlivňování měřeného obvodu měřicím přístrojem provést. Předpokládejme nejprve měření proudu ampérmetrem s vnitřním odporem RA v jednoduchém obvodu složeném ze zdroje napětí E s vnitřním odporem Ri a jednoho rezistoru s odporem RL, viz obrázek 5-7.

Obrázek 5-7 Odpory v obvodu při měření proudu

94

Podle Ohmova zákona je zřejmé, že proud protékající obvodem bude dán podílem napětí E a součtu všech tří odporů, I=E/(Ri+RL+RA). Nebude-li tedy RA « Ri + RL, naměříme jiný proud, než ten, který by protékal rezistorem s odporem RL bez připojeného ampérmetru. Mějme na paměti, že moderní digitální multimetry nejsou v tomto směru žádnou výjimkou, mají též svůj vnitřní odpor a též ovlivňují měřený obvod. Obdobně je tomu při měření napětí. Předpokládejme stejný měřený obvod, složený ze zdroje o napětí E a vnitřním odporu Ri, zapojeného na rezistor s odporem RL a předpokládejme nyní, že chceme změřit napětí na rezistoru RL voltmetrem s vnitřním odporem RV, viz obrázek 5-8.

Obrázek 5-8 Odpory v obvodu při měření napětí

K tomu, abychom vypočítali, jaké napětí vlastně naměříme (v tomto a v předchozím příkladu se nezabýváme vůbec přesností měření, tedy odečtu na měřicím přístroji, předpokládáme prostě, že jsme z výchylky nebo údaje na displeji schopni přesně stanovit napětí, jaké je na voltmetr přiloženo, nebo proud, který ampérmetrem protéká), nahraďme obvod se zdrojem E, vnitřním odporem Ri a rezistorem RL Théveninovým ekvivalentem se zdrojem E’=E.RL/(Ri+RL) a vnitřním odporem Ri’ = RiRL/(Ri+RL). Tento zdroj bude tedy napájet náš voltmetr s vnitřním odporem RV a tedy na voltmetru bude napětí UV=E’. RV/(Ri’+RV). Přitom napětí E’ je to napětí, které chceme měřit, tedy napětí na rezistoru RL bez připojeného voltmetru. Jedině tedy v případě, že odpor voltmetru Rv » Ri’ můžeme očekávat, že naměřené napětí bude rovné předpokládanému, jinak bude relativní chyba δE’/E’ vzniklá připojením voltmetru zhruba rovna δE’/E’ ≈ -Ri’/RV, tj. naměříme napětí menší než je skutečné. Uvedený jednoduchý vzorec pro chybu měření platí jen pro poměr Ri’/RV << 1, jinak je nutné použít přesný vzorec uvedený výše. Jednoduchou úvahou s využitím vnitřního odporu voltmetru můžeme rozšířit i měřicí rozsah voltmetru, např. je-li měřicí rozsah voltmetru VR voltů a vnitřní odpor 10 MΩ, pak připojením rezistoru o odporu 40 MΩ do série s voltmetrem získáme voltmetr s rozsahem 5.VR. 5.3.7 Elektronické měřicí přístroje Pro získání lepších vlastností a všestrannější použití byly zkonstruovány elektronické měřicí přístroje. Obecně sestávají z části vstupní, která přizpůsobuje měřenou veličinu, tedy 95

převodníku, který má obvykle vyveden výstup pro možnost přenosu signálu. Části indikační, která měřenou veličinu opticky signalizuje. Součástí některých elektronických přístrojů jsou obvody pro řízení automatického měření, spolupráce s jinými přístroji a přenos dat. Elektronické přístroje rozdělíme podle měřené veličiny, např.: • voltmetry, • ampérmetry • měřiče odporu • měřiče impedancí, kapacity, indukčnosti • měřiče kmitočtu, délky impulsu a času a další Rozdělit je můžeme také podle způsobu výstupního signálu a indikace na: • •

analogové, číslicové

5.3.7.1 Voltmetry Voltmetry náleží mezi nejrozšířenější a nejčastěji používané elektronické měřicí přístroje. Uplatňují se často i v neelektronických oborech. Bývají součástí různých přístrojů a zařízení k měřeni elektrických i neelektrických veličin. V porovnání s klasickými neelektronickými voltmetry mají elektronické voltmetry řadu výhod: větší citlivost, vysoký vstupní odpor, popř. impedanci, širší kmitočtový rozsah a jiné. Tím je ovšem také dána jejich všestrannější použití. Podle toho jaké napětí měří, rozlišujeme voltmetry stejnosměrné střídavé, impulsové atd. Střídavé voltmetry bývají konstruovány pro určitou kmitočtovou oblast, podle toho se mluví o voltmetrech nízkofrekvenčních a vysokofrekvenčních. Voltmetry měřicí v širší kmitočtové oblasti se označují jako širokopásmová, opakem jsou voltmetry úzkopásmové neboli selektivní. Různé voltmetry se liší svou citlivostí: může jít o kilovoltmetry, voltmetry, milivoltmetry, mikrovoltmetry popř. i nanovoltmetry. 5.3.7.1.1 Stejnosměrný analogový voltmetr Je voltmetr určený k měření stejnosměrného napětí, který se skládá z elektronického stejnosměrného zesilovače a ručkového měřicího přístroje s magnetoelektrickým ústrojím. Jeho vlastnosti závisejí především na elektronické části. Oproti elektromechanickým měřicím přístrojům se vyznačují především vyšším vstupním odporem. Pro jeho dosažení se užívalo na vstupu zesilovače, tzv. měřicích elektronek, dnes už zcela nahrazeny tranzistory a obvody řízenými polem. Vstupní elektronický zesilovač mívá vyveden výstup, tím je umožněn dálkový přenos měřeného napětí. V podstatě se užívají tři principy zapojení. Jednoduchý analogový elektronický stejnosměrný voltmetr má jednoduchý tranzistorový zesilovač. Osadí-li se tranzistory řízeným elektrickým polem, je jeho vstupní odpor vysoký. Na základním (nejcitlivějším) rozsahu dosahuje ručka měřicího přístroje plné výchylky při vstupním (měřeném) napětí kolem 1 V. Chyba celého přístroje bývá přibližně ± 2 %. Dílčí

96

měřicí rozsahy se mění přepínáním odporového děliče na vstupu nebo přepínáním předřadných rezistorů ručkového přístroje. Větší citlivost má analogový elektronický stejnosměrný zesilovač, ve kterém je použit zesilovač s větším napěťovým zesílením. Např. se zesilovačem s napěťovým zesílením 1000 lze vytvořit milivoltmetr, u něhož se plné výchylky ručky dosáhne při vstupním napětí 1 mV; zesilovač je většinou integrovaný. Dílčí měřicí rozsahy se mění přepínáním odporového děliče na vstupu. Aby se dosáhlo dobré stálosti, mívají jednoduché stejnosměrné analogové voltmetry zpravidla zapojení souměrného můstku: dvě ramena můstku tvoří elektronické zesilovací součástky stejného typu, další dvě ramena tvoří rezistory. V jedné diagonále je můstek napájen, v druhé diagonále je ručkový měřicí přístroj s magnetoelektrickým ústrojím. Používáme-li přímo vázaný stejnosměrný zesilovač, zpravidla nelze dosáhnout citlivostí lepší než 1 mV (vlivem driftu). Stejnosměrné mikrovoltmetry proto obsahují stejnosměrný zesilovač modulačního typu. Měřené napětí se v nízkofrekvenčním modulátoru pomoci střídavého signálu mění na střídavé napětí, to se zesiluje ve střídavém zesilovači a po zesílení se usměrněním převede opět na stejnosměrný signál. Pro vlastnosti celého mikrovoltmetru je především rozhodující jakost modulátoru. 5.3.7.1.2 Střídavý analogový voltmetr Použitelnost klasických měřicích přístrojů k měření střídavých napětí je značně omezená pro nevyhovující kmitočtový rozsah, citlivost nebo vstupní impedanci. Výrazně lepších vlastností se dosáhne, vytvoří-li se střídavý analogový voltmetr tím, že se k ručkovému měř. přístroji magnetoelektrické soustavy přidá elektronická část, která zpracuje měřené střídavé napětí tak, aby měřenou hodnotu mohl ukazovat ručkový přístroj. To je podstata elektronických střídavých analogových voltmetrů. Vysokofrekvenční voltmetry. Nejjednodušší střídavý analogový elektrický voltmetr vznikne spojením elektronického měřicího usměrňovače a magnetoelektrického měřidla. Takové střídavé voltmetry mají však malý vstupní odpor nebo malou citlivost. Lepších vlastností se dosáhne, zapojí-li se za měřicí usměrňovač elektronický stejnosměrný voltmetr. Citlivost takového střídavého voltmetru je dána citlivostí stejnosměrné části. Stejnosměrné střídavé voltmetry jsou velmi rozšířené. V praxi se však můžeme někdy setkat i s jinými druhy voltmetrů, popř. se zvláštními úpravami stejnosměrných a střídavých voltmetrů. Impulzové voltmetry. Impulzové voltmetry jsou určeny k měření impulsových napětí. Přitom může jít o impulzy video frekvenční nebo radiofrekvenční, Jejich tvar nebo obálkou jsou v ideálním případě obdélníkové. Logaritmické voltmetry – v některých případech jsou u analogových voltmetrů žádoucí stupnice s přibližně logaritmickým průběhem. Protože stupnice samotného běžného ručkového magnetoelektrického měřidla, která je koncovou částí celého elektronického analogového voltmetru, je lineární, dosáhne se požadovaného přibližně logaritmického průběhu stupnice celého přístroje tak, že se před měřidlo zapojí elektronický funkční měnič s přibližně logaritmickou převodní charakteristikou. 5.3.7.1.3 Číslicové stejnosměrné voltmetry Číslicové voltmetry jsou v podstatě převodníky napětí – číslo doplněné číslicovou zobrazovací jednotkou, která udává měřené napětí. Před převodem se ještě upravuje velikost 97

měřeného napětí přepínatelným děličem, popř. zesilovačem. Podle způsobu, jakým se převádí měřené napětí na číslo, rozlišujeme jednotlivé druhy číslicových voltmetrů. Číslicový voltmetr s paralelním porovnávacím převodníkem. K číslicovému měření napětí lze využít analogového číslicového převodu založeného na přímém porovnání měřeného napětí s referenčním napětím odstupňované velikosti. Kompenzační voltmetr s postupnou aproximací. Kompenzační metoda umožňuje měření stejnosměrného napětí s velkou přesností. Při ní se kompenzační napětí nastavuje takovým způsobem, aby se postupně kompenzovalo měřené napětí tak, aby rozdíl byl co nejmenší. Integrační voltmetry. Četné integrační voltmetry Jsou založeny na dvoutaktní integrační metodě – na metodě růstu a poklesu. Uvedenému integračnímu voltmetru v dvoutaktním mezi převodem na časový interval se podobá integrační voltmetr se sumačním integrátorem. Jeho výhodou je, že v obvodu měřeného napětí není žádný přepínač nebo spínač. Kombinované stejnosměrné číslicové voltmetry. Kompenzační číslicové voltmetry a integrační číslicově voltmetry mají rozdílné přednosti. Díky tomu číslicový voltmetr vytvořený s využitím vhodné kombinace obou principů může mít zvláště příznivé vlastnosti. Měření probíhá ve dvou etapách podle povelů řídicí jednotky. Nejprve je měřené napětí připojeno přes přepínač na převodník, kterým se převede na odpovídající počet impulzů. Tyto impulzy se přes první součinový logický člen a součtový logický člen dostávají do vyšších řádů čítače. Někdy je využíván též převodník napětí – kmitočet, měří se pak číslicovými měřiči frekvence (čítači). Všechny typy převodů jsou blíže popsány v kapitole o převodnících. 5.3.7.1.4 Střídavé číslicové voltmetry Střídavé napětí se může číslicově měřit tak, že se nejprve usměrní a získané stejnosměrné napětí se měří stejnosměrným číslicovým voltmetrem. Aby se dosáhlo dobré přesnosti, jsou příslušné měřicí usměrňovače řešeny zpravidla jako zpětnovazební. Podle zapojení usměrňovače lze měřit různé charakteristické hodnoty vstupního střídavého napětí. K měření střední absolutní hodnoty se používá zapojení s operačními zesilovači. Špičková hodnota se dá měřit pomocí špičkového usměrňovače. K měření efektivní hodnoty poslouží termoelektrické měniče nebo termistory. Měřící usměrňovače naznačených principů jsou vhodné zejména pro oblast nízkých kmitočtů a dosahují přesnosti i lepší než 0,1 %. 5.3.7.2 Ampérmetry V mnoha případech se při měření proudu vystačí s klasickými elektromechanickými ampérmetry. Elektronické ampérmetry se uplatňují zejména při analogovém měření proudu extrémních hodnot a při číslicovém měření proudu. Podle druhu proudu, k jehož měřením jsou určeny, dělíme ampérmetry na stejnosměrné a střídavé. Střídavé ampérmetry se však dají použít k měření střídavého proudu jen v určité kmitočtové oblasti, proto rozlišujeme nízkofrekvenční ampérmetry a vysokofrekvenční ampérmetry. Má-li se zdůraznit citlivost, používá se kromě názvu ampérmetr také kiloampérmetr, miliampérmetr, mikroampérmetr, pikoampérmetr apod. Podle charakteristických údajů dělíme ampérmetry na analogové a 98

číslicové. U analogových ampérmetrů se hodnota měřeného proudu čte ze stupnice podle výchylky ručky, číslicové ampérmetry udávají hodnotu měřeného proudu v číslicové formě. 5.3.7.2.1 Stejnosměrné ampérmetry K analogovému měření stejnosměrného proudu nejčastěji slouží ampérmetry s magnetoelektrickým ústrojím. Nevystačí si však s nimi při měření velmi malých proudů a rovněž při měření velkých proudů se naráží na potíže. V takových případech jsou nenahraditelné elektronické stejnosměrné ampérmetry. Jsou většinou založeny na měřeni úbytku napětí na rezistoru, kterým prochází měřený proud. Napětí se měří analogovým nebo číslicovým stejnosměrným voltmetrem. Tím se rozšiřuje použitelnost voltmetru i na měření proudu, takže jde vlastně o voltampérmetr. Ideální ampérmetr by měl mít nulový vstupní odpor R, např. 0,1 T . To ovšem -15 velký, ještě značně větší než R. Tímto způsobem se dají měřit stejnosměrné proudy i 10 A. K měřeni velkých proudů(stejnosměrných) jsou výhodné transduktory. V některých případech může měření proudu dělat potíže potřeba přerušit obvod s měřeným proudem, aby se do něj mohl zapojit ampérmetr. Bez přerušení obvodu se dá proud měřit pomocí klešťové stejnosměrné proudové sondy. Jeden druh těchto sond využívá právě naznačeného principu kombinace stejnosměrného a střídavého magnetického toku v magnetickém obvodu. Vodič, ve kterém se má měřit proud, se obemkne feritovým jádrem sondy, které je k tomu účelu rozděleno na dvě pohyblivé části. Měření proudu může být založeno také na Hallově jevu. Vodič s měřeným proudem prochází feritovým jádrem sondy, v něž se tak budí magnetický tok úměrný proudu. Součástí jádra je Hallův generátor, do kterého se zavádí pomocný stejnosměrný proud. 5.3.7.2.2 Střídavé ampérmetry Možnosti použiti klasické elektrické přístroje k měření střídavých proudu jsou značně omezené. Přístroje s magnetoelektrickým ústrojím, které jsou z ručkových elektrických měřicích přístrojů nejrozšířenější, se střídavé proudy vůbec přímo měřit nedají. Tyto přístroje však při měření střídavých proudů dobře poslouží, jestliže se před ně předřadí měřicí převodník střídavého proudu na stejnosměrný signál. Takové uspořádání je u střídavých ampérmetrů běžné. Měření proudů nízkých kmitočtů nejčastěji zprostředkovávají měřicí usměrňovače s polovodičovými diodami. Zásadně se zapojují jako celovlné, aby měřený střídavý proud mohl jimi procházet po celou periodu. Konkrétně se používá můstkové zapojení se čtyřmi germaniovými diodami. Proudy vysokých kmitočtů se nejčastěji měří pomocí termoelektrických měničů, které dávají stejnosměrné napětí úměrné efektivní hodnotě proudu jimi procházejícího. Termoelektrické měniče existují v různých provedeních. Nejjednodušším druhem je samotná termoelektrická dvojice. Tento tzv. bočníkový typ termoelektrického měniče má vlak některé nevýhody. Vhodným zapojením je se postarat o oddělení obvodu měřeného proudu a obvodu pro měření termoelektrického napětí. Jednoduché je rovněž uspořádání tzv. termokřížů; termoelektrická dvojice má tvar kříže s dvěma samostatnými pásy svorek pro zapojení do obvodu měřeného 99

proudu a do obvodu pro měření stejnosměrného termoelektrického napětí. Oba uvedené typy termoelektrických měničů se označují jako přímo zahřívané, protože k přeměně elektrické energie měřeného proudu na teplo dochází v samostatné termoelektrické dvojici. Další druh ampérmetrů pro měření střídavých proudů vychází z fotoelektrického principu. Měřeným proudem se žhaví žárovka a její svítivost se měří elektronicky. Protože výstupní proud fotonky závisí na osvětlení a protože svítivost žárovky závisí na elektrickém výkonu měřeného proudu, je výstupní stejnosměrný proud IO dán efektivní hodnotou vstupního proudu IX. Závislost IO na IX je značně nelineární, což způsobuje, že měřicí rozsah je úzký. 5.3.8 Měření výkonu stejnosměrného a střídavého proudu Problematika výkonu jejího měření je popsána v úvodní části těchto skript. Důležitým ukazatelem pro posouzení funkce zdroje a zátěže je výkon. Okamžitá hodnota tohoto výkonu p je dána součinem okamžité hodnoty napětí u(t) na zátěži a okamžité hodnoty proudu i(t) zátěže. Nejčastěji se měří střední hodnota okamžitého výkonu za dobu T. 5.3.8.1 Průchozí wattmetry Wattmetry, které se zapojují mezi zdroj a zátěž, se nazývají průchozí. Wattmetry s řízeným činitelem přenosu – dva analogové elektrické signály se mohou násobit tak, že se jeden přivádí na vstup obvodu, jehož činitel přenosu je úměrný druhému signálu. Výstupní signál obvodu je pak přímo úměrný součinu obou vstupních signálů. Činitel přenosu se řídí pomoci řízeného rezistoru. Řízených rezistorů vhodných k použití v násobičkách je několik druhů. Z nich se však fotorezistory a magnetorezistory uplatňují ve wattmetrech výjimečně. Wattmetry s modulační násobičkou. Některé analogové násobičky využívají modulace. Nejdůležitější z nich jsou násobičky impulzové, které pracují s šířkovou a amplitudovou modulací obdélníkových impulzů. Tyto násobičky našly uplatnění i ve wattmetrech. Číslicové wattmetry. V nejjednodušších případech lze k číslicovému wattmetru dospět tak, že se číslicovým wattmetrem nahradí ručkový měřicí přístroj v kterémkoli dosud uvedeném analogovém wattmetru. Před číslicový wattmetr je zapotřebí zapojit dolní propust k odstranění střídavých složek. Zpravidla se však číslicové wattmetry liší od analogových wattmetrů principiálně. 5.3.8.2 Pohlcovací wattmetry Pohlcovací wattmetry se měří výkon, který daný zdroj odevzdává do čistě odporové zátěže. Zatěžovací rezistor je přímo součástí pohlcovacího wattmetru. Wattmetry reagující na napětí na zátěži. Poměrně jednoduchý princip pohlcovacího wattmetru nabízí známý vztah mezi napětím na zátěži U, odporem zátěže RZ a výkonem P. P =

U2 . Příslušný polohovací wattmetr se skládá RZ 100

z odporové zátěže a paralelně připojeného voltmetru. Voltmetr má stupnici kalibrovanou v jednotkách výkonu. Kalorimetrické wattmetry. V kalorimetrickém wattmetru se měřený výkon převádí na odporovou zátěž, kterou tím zahřívá. Vyvinuté teplo se předává proudící kapalině a určuje se měřením jeho průtoku a oteplení. Wattmetr s tepelně závislými rezistory. K měřeni malých výkonů jsou vhodné rovněž tepelně závislé rezistory zahřívané měřeným výkonem. Zvýšeni teploty způsobí změnu odporu, která se vyhodnocuje odporovým můstkem. Fotometrické wattmetry. Zatěžovacím rezistorem ve fotometrickém wattmetru je žárovka, v které se elektrická energie mění na světelnou energii. Svítivost žárovky se měří fotoelektricky; světlo žárovky dopadá na fotoelektrický článek a jeho proud se mění magnetoelektrickým přístrojem. Wattmetr s termoelektrickým článkem. Nejnovějším druhem pohlcovacího wattmetru pro měření malých výkonů na vysokých a velmi vysokých kmitočtech jsou wattmetry s termoelektrickým článkem. Čidlem výkonu je speciální termoelektrický článek tvořený spojením nitridu tantalu a křemíku. Tento článek je jako zátěž zamontován do držáku zakončující koaxiální vedení. Měřeným výkonem se měřicí spoj termoelektrického článku vyhřívá a zvýšení jeho teploty vyvolá termoelektrické napětí. Výstupní napětí termoelektrického článku se zesiluje stejnosměrným zesilovačem modulačního typu a indikuje ručkovým měřicím přístrojem. Speciálním případem číslicového wattmetru je přístroj s číslicovým násobením. Změřený proud a napětí je v číslicové formě přiveden na násobící číslicový člen, který v číselné formě dává velikost výkonu. 5.3.9 Měření kmitočtu Z elektromechanických přístrojů se užívají především rezonanční, mají však malou citlivost a úzký rozsah. Analogové elektronické měřiče kmitočtu pracují s převodem frekvence na napětí, které se měří voltmetry. Jejich nevýhodou je nižší přesnost a malý frekvenční rozsah pro lineární převodní charakteristiku (viz převodníky). Číslicové měření kmitočtu se provádí pomocí čítačů. Vlastní pojem čítače má v řízení dva významy – jako obvod a jako měřicí přístroj kmitočtu, počtu impulzů a časových intervalů. Čítač je sekvenční logický obvod, jehož stavy se ve známé posloupnosti mění, zavádí-li se na jeho vstup sériový sled impulzů. Po určitém počtu vstupních impulzů se dostane do výchozího stavu, tento počet vstupních impulzů určuje modul čítače. Podle momentálního stavu je možné stanovit počet vstupních impulzů (menší než modul), které byly na vstup přivedeny od výchozího stavu. Čítač vzniká zpravidla vhodným spojením bistabilních klopných obvodů, většinou jako integrovaný obvod. Podle zapojení a činnosti se rozlišují čítače synchronní a 101

asynchronní. Rovněž pracovní kódy jsou různé. Čítače používané pro měřicí účely pracují někdy v přirozeném dvojkovém kódu, nejčastěji však v dvojkově desítkovém kódu. V druhém případě je základní funkční jednotkou čítací dekáda, tj. čítač s modulem 10. Posloupností stavů může procházet v jednom nebo druhém směru. Podle toho mluvíme o čítání vpřed (nahoru) nebo vzad (dolů). Čítač, u kterého lze směr čítání měnit, se nazývá vratný (obousměrný). Elektronický přístroj určený k čítání impulzů elektrického napětí, kromě čítač ve smyslu obvodu obsahuje další jednotky, které usnadňují jeho používání a rozšiřují možnosti jeho uplatnění. Jsou to jednotky, které upravují vstupní napětí, vymezují dobu čítání, indikují stav, vytvářejí impulzy s přesným kmitočtem (přesným časovým odstupem) aj.. V měřicí technice se používají zejména dekadické čítače. Čítání obstarávají čítací dekády. Uspořádání jednoduchého čítače je na obr. 8-1. Jednotlivé obvody na obr. 8-1 jsou označeny: Z – zesilovač, TO – tvarovací obvod, & součinný logický člen AND, OO – ovládací obvod, ČD - čítací dekády, MK – měnič kódu, ČI – číslicový indikátor

Obrázek 5-9 Schéma čítače kmitočtu

Vstupní napětí se zesiluje a tvaruje na úzké impulzy. Čítací dekády se před čítáním uvedou do výchozího stavu. Ze vstupních impulzů se čítají ty, které projdou součinovým logickým členem; jsou to ty, které se vyskytnou v časovém intervalu vymezeném startovacím a stop signálem. Měničem kódu se kód čítacích dekád převádí na kód číslicového indikátoru. Měřené kapacity a indukčnosti se většinou provádí převodem na kmitočet LC oscilátorů. Málo se užívá měření impedance a zpětného výpočtu indukčnosti nebo kapacity při známé frekvenci měřicího proudu.

102

5.3.10 Měření impedance El. odpor je jednou ze základních el. veličin. Patří k základním vlastnostem všech pasivních i aktivních prvků, el. spotřebičů. Měřící metody rozdělujeme na – a) výchylkové – hodnota odporu se určuje z výchylky MP b) nulové – hodnota odporu se odečte z nastavovacích prvků (odpor dekád ) v okamžiku, kdy je výchylka indikátoru rovna nule ( nulový indikátor ), k nulový metodám patří metody můstkové. 5.3.10.1 Chyby při měření odporu rezistoru a) změnou teploty měřeného rezistoru b) vlivem přechodových odporů a odporů měřících přívodů c) vlivem termoelektrického napětí 5.3.10.2 Ohmová metoda měření odporů Patří mezi nepřímé metody, tj. hodnotu odporu vypočítáme z Ohmova zákona a) Měření malých odporů

Obrázek 5-10 Měření malých odporů

V tomto případě měříme přesně voltmetrem úbytek napětí na rezistoru RX ale s určitou chybou měříme proud rezistorem neboť ampérmetr ukazuje součet proudů neznámého rezistoru a voltmetru IV. c) Měření velkých odporů, větších než 100Ω V tomto zapojíme přesně proud tekoucí rezistorem RX ale s určitou chybou měříme napětí na rezistoru, neboť V měří součet úbytků napětí na A a na rezistoru.

103

Obrázek 5-11 Měření velkých odporů

Chybu měření odporu RX lze zanedbat v případě, že hodnota neznámého odporu RX je značně větší než RA. 5.3.10.3 Měření odporu voltmetrem Tato metoda využívá rozdělení napětí na odporech řazených v sérii. Pro měření se používá V s magnetoelektrickým systémem. Jehož vnitřní odpor je uveden na číselníku. Nejprve změříme napětí zdroje při sepnutém spínači S, dále změříme napětí U2 při rozpojeném spínači S. Dosazením obou hodnot napětí do předchozího vzorce vypočítáme hodnotu odporů neznámého X. tato metoda je vhodná pro měření odporů jejiž hodnoty jsou srovnatelné s vnitřním odporem RX.

Obrázek 5-12 Měření odporu voltmetrem

5.3.10.4 Měření odporů rezistorů porovnávací metodou a) Pro měření malých odporů R << RV

RN – Normálový rezistor se známou hodnotou odporu RX – Neznámí měřený rezistor

104

Hodnoty napětí UX a UN změříme postupně jedním V jehož měřící hrot připojíme nejprve k rezistoru RX a potom k RN. Napětí na obou rezistorech zapojených v sérii se rozdělí v poměru hodnot jejich odporů.

Obrázek 5-13 Měření malých odporů porovnáním

Měříme-li obě napětí na stejném rozsahu V, tj. se stejnou konstantou, potom platí – Tato metoda je vhodná pro měření odporů, jejichž hodnota je značně menší než vnitřní odpor V RV, neboť v opačném případě dojde při zapojení V k jednotlivým rezistorům a porušení hodnot rozděleného napětí U na UX a UN.

b) Pro měření velkých odporů RX >> RA Neznámí rezistor RX a normálový odpor RN jsou postupně připojeny přes ampármetr na totéž napětí U.

Obrázek 5-14 Měření velkých odporů porovnáním

Tato metoda je vhodná pro měření odporů, jejichž hodnota je značně větší než hodnota vnitřního odporu A RA, jinak dojde ke zkreslení hodnot měřících proudů RX a RN.

105

5.4 Měření neelektrických veličin Měření neelektrických veličin se děje většinou převodem neelektrické veličiny na veličinu elektrickou. Některé neelektrické veličiny jsou měřeny tak, že je proveden převod měřené veličiny na jinou neelektrickou veličinu, kterou můžeme pak lehce a přesně měřit jednoduchým snímačem. Snímač je takový prvek, který je schopen sledovat měřenou neelektrickou a v závislosti na ní dodávat na výstupu veličinu jinou. funkcí převodníků, které převádí jednu elektrickou veličinu na jinou nebo jiné úrovně. Měření neelektrických veličin se děje většinou převodem neelektrické veličiny na veličinu elektrickou. Některé neelektrické veličiny jsou měřeny tak, že je proveden převod měřené veličiny na jinou neelektrickou veličinu, kterou můžeme pak lehce a přesně měřit jednoduchým snímačem. 5.4.1 • • • • • • • •

Požadavky co největší přesnost vhodný průběh převodní charakteristiky časová stálost vlastností vhodná časová konstanta malá závislost na okolních parazitních vlivech co nejmenší vliv na měřený obvod spolehlivost jednoduchost konstrukce

5.4.2 Snímače neelektrických veličin Snímač je takový prvek, který je schopen sledovat měřenou neelektrickou a v závislosti na ní dodávat na výstupu veličinu jinou. Rozdělení snímačů podle potřeby převodníku. A) Snímače aktivní ( generátory, vysílače ), které působením měřené neelektrické veličiny se chovají jako zdroje signálu. B) Snímače pasivní, které působením měřené neelektrické veličiny mění některý ze svých parametrů, který je dále sledován převodníkem a měněn na signál. Rozdělení snímačů z hlediska snímané veličiny na snímače. • • • • • •

mechanických veličin tepelných veličin chemických veličin a vakua záření magnetických veličin speciální

106

Rozdělení podle způsobu měření na snímače. • •

dotykové bezdotykové

Rozdělení podle principu konstrukce. • • • • • • • • • • • • • • • •

5.4.3

odporové indukční kapacitní magnetické indukčnostní piezoelektrické termoelektrické optoelektronické světelného záření - generátorové halovy emisní ionizační polarografické pyroelektrické elektrokinetické potenciometrické Principy snímačů používaných k měření neelektrických veličin.

5.4.3.1 Odporové snímače Odporové snímače se vyskytují jak pasívní tak aktivní (tzv. odporové vysílače). Snímače jsou založeny na změně odporu v obvodu elektrického proudu. Změna odporu může být skoková (kontaktové snímače), nebo plynulá. Odporové snímače jsou často používané, protože jsou laciné a jednoduše se měří jejich výsledný odpor. Odpor odporového snímače u méně přesných měření se měří nepřímo, u měření přesných a při malé změně odporu musíme použít zapojení v můstku. Nepřímé měření odporu vyplývá z Ohmová zákona, s tím, že je-li napětí konstantní, tak proud je úměrný odporu snímače.

Obrázek 5-15 Ohmův zákon schéma

107

Chování napětí a odporu v obvodu elektrického proudu je znázorněno na obr. 5-15. Je popsáno Ohmovým zákonem - v. Při konstantním proudu I nebo napětí U se změnou odporu R mění zbývající veličina. I=

U R

U kontaktních snímačů (obr. 5-16) dochází ke změně odporu skokem z hodnoty přechodového odporu kontaktů na hodnotu blížící se nekonečnu. Dojde tedy k přerušení toku elektrického proudu obvodem snímače. Snímač je tedy dvoupolohový.

Obrázek 5-16 Kontaktní odporové snímače

Ostatní odporové snímače jsou založeny na závislosti odporu vodiče na délce, měrném odporu a průřezu ( R = ρ⋅

l S

kde:

R

…

elektrický odpor

ρ

…

měrný odpor materiálu

l

…

délka vodiče

S

…

průřez vodiče

Změnou kterékoliv z vlastností vodiče dochází ke změně odporu. Změna délky vodiče je využívána v potenciometrických snímačích, ve kterých se pohyblivý jezdec posouvá působením vnější veličiny po odporové dráze (vodiči) a tím mění její délku (obr. 5-17). Odporová dráha může býti uhlíková nebo vinutá z odporového drátu, nebo přímý drát se rtuťovým kontaktem. Odporová dráha uhlíková má zcela lineární charakteristiku, zatím co dráha vinutá má stupňovitý průběh, kde „stupně“ jsou dány velikostí odporu jednoho závitu. Potenciometrické snímače s třecím kontaktem vyžadují k natočení určitý moment, zatímco snímače se rtuťovým kontaktem nemají prakticky žádný odpor.

108

Obrázek 5-17 Proměnný odpor

Ke změně průřezu i délky dochází při deformaci vodiče vnějšími veličinami (tenzometry). Měrný odpor materiálu se mění v závislosti na teplotě materiálu:

ρτ = ρ0 ⋅ (1 + A ⋅ τ + B ⋅ τ 2 ) kde:

ρτ

…

měrný odpor materiálu při teplotě τ

ρ0

…

měrný odpor materiálu při teplotě 0°C

τ

…

teplota materiálu v °C

A, B

…

konstanty dané materiálem

Zvláštním případem jsou odporové snímače z polovodičových materiálů. Dělíme je na: • polykrystalické; • monokrystalické (jednoduché, s přechody PN). Odpor snímačů vyrobených z polovodičových materiálů lze ovlivnit teplotou, zářením a magnetickým polem. Pro závislost odporu na teplotě u polykrystalických snímačů, termistorů je dán: R = R0 ⋅ e kde:

 1 1 − B⋅ −   T0 T 

R0

…

odpor termistoru při teplotě T0

R

…

odpor termistoru při teplotě T

B

…

materiálová konstanta

Velikost materiálové konstanty B závisí na složení a zpracování materiálu. Je též závislá na teplotě. U monokrystalických materiálů je závislost na teplotě užívána především u diod a tranzistorů. Jde tedy o součástky s přechody PN. Využívá se tím vlastně parazitní vlastnost elektrických součástek.

109

Další používaná vlastnost polovodičů, jak polykrystalických tak monokrystalických je změna elektrické vodivosti vlivem dopadajícího záření. Vlivem energie dopadajících fotonů nebo jiných částic jsou ve struktuře polovodiče vytvořeny volné elektrony a tzv. díry. Odpor polovodičů se pak snižuje. Používají se snímače bez přechodu PN - fotorezistory, tok snímače s přechodem PN fotodiody, fototranzistory. Obdobně se polovodičové materiály chovají pod vlivem magnetické indukce. Opět jsou užívány snímače z polykrystalických i monokrystalických materiálů, s přechodem PN i bez. Užívanými součástkami jsou magnetorezistor, magnetodioda a magnetotranzistor. 5.4.3.2 Indukčnostní snímače Indukčnostní snímače patří k nejrozšířenějším snímačům neelektrických veličin. Vlivem měření neelektrické veličiny se mění indukčnost nebo vzájemná indukčnost snímačů. Funkci snímače si vysvětlíme na základním vztahu pro impedanci cívky : Z L = R + jωL

kde:

ZL

...

impedance cívky

R

...

stejnosměrný odpor cívky

ω

...

úhlová frekvence napájecího napětí

L

...

indukčnost cívky

Stejnosměrný odpor cívky a uhlová frekvence je brána jako konstantní, je dána konstrukcí snímače a měřícího obvodu. Případná změna těchto vlastností je parazitním jevem (vlivem teploty apod.). Proto se zaměříme na indukčnost cívky, pro kterou platí :

L= kde:

N Z2 Zm NZ

...

počet závitů

Zm

...

magnetická impedance

Počet závitů cívky je dán konstrukcí snímače, je tedy konstantní; hledáme tedy vztah pro magnetickou impedanci cívky: Zm = Rm + jX m

kde:

Rm

...

činná složka magnetického odporu

Xm

...

jalová složka magnetického odporu 110

Pro výpočet Xm a Rm platí vztahy:. n

Rm = ∑ i =1

li µi ⋅ Si

kde: li, Si, µi obvodu Xm =

kde:

délka, průřez a magnetická permeabilita i-tého úseku magnetického

Po ω ⋅φ

φ

...

efektivní hodnota magnetického toku

ω

...

úhlový kmitočet napájecího napětí

Po

...

hysterézní ztráty a ztráty vířivými proudy

Ve výše uvedených vztazích jsou některé veličiny dány přímo konstrukcí obvodu a jejich změna měřenou veličinou není možná. U většiny snímačů je konstantní též magnetická permeabilita. Její změna nastává pouze u snímačů využívajících pro měření pohyb jádra cívky z feromagnetika. Pro měření se většinou využívá změna délky či průřezu části magnetického obvodu.. Podle uspořádání cívky nebo magnetického obvodu dělíme indukční snímače na tyto základní skupiny: • • • • • •

s malou vzduchovou mezerou (obr. 5-18a) s otevřeným magnet. obvodem (obr. 5-18b) s konstantním magnet. obvodem (obr. 5-18c) s proměnnou délkou magnet. obvodu (obr. 5-18d) bez feromagnetika (obr. 5-18e) s využitím vířivých proudů (obr. 5-18f)

U snímače s malou vzduchovou mezerou se mění vlivem měřené veličiny poloha kotvy a tím velikost vzduchové mezery, tomu odpovídá změna indukčnosti cívky. Závislost indukčnosti na délce mezery L = f(l) je značně nelineární, rovnoosá hyperbola a tedy nevhodná pro většinu aplikaci. Proto se často užívá diferenční zapojení. Tento snímač má velmi dobrou citlivost. Snímač s otevřeným magnetickým obvodem (obr. 5-18b). Působením měřené neelektrické veličiny se jádro posouvá v naznačeném směru. Tím se mění indukčnost cívky. Charakteristika je nelineární, užívá se diferenční zapojení.

111

a)

d) b)

c)

e)

f)

Obrázek 5-18 Typy indukčnostních snímačů

Snímač s konstantním magnetickým obvodem je tvořen magnetickým obvodem 1, na který je nasunuta budící cívka 3. Magnetický obvod má tvar dvou ramen, mezi nimiž je stálá vzduchová mezera. Na jednom rameni je nasunuta měřící cívka 2, která se může pohybovat ve směru délky ramena. Indukované napětí v měřicí cívce závisí na její poloze a má určitou minimální hodnotu. Základní charakteristika je lineární. Snímač s proměnnou délkou magnetického obvodu je tvořen jako předchozí pevnou cívkou a magnetickým obvodem (obr. 5-18d). Měřená veličina se však přivádí na pohyblivou feromagnetickou vložku, která se nachází ve vzduchové mezeře mezi rameny magnetického obvodu. Pohybem se mění délka magnetického obvodu a tím indukčnost snímače. Základní charakteristika je lineární. Snímač bez feromagnetika se skládá alespoň ze dvou cívek (obr. 5-18e). Jedna cívka je pohyblivá. Jejím pohybem dochází ke změně vzájemné indukčnosti cívek. Jde o snímač transformátorový, charakteristika je nelineární - zvonovitá. Užívá se většinou v diferenční uspořádání. Indukčnostní snímač využívající vířivých proudů, jinak též snímač s vnesenou impedancí nebo s potlačeným polem. Indukované vířivé proudy vznikající ve vodivé desce 1 (obr. 518f), působí proti poli cívky. Charakteristika nelineární, užívá se diferenční zapojení. 5.4.3.3 Kapacitní snímače Kapacitní snímače převádějí měřenou veličinu na změnu kapacity. Snímač tvoří jeden nebo více kondenzátorů s proměnnými parametry. Pro kapacitu kondenzátorů platí vztah.

112

C = εo ⋅ εr ⋅

kde:

S d

C

kapacita kondenzátoru

d

vzdálenost elektrod

S

plocha elektrod

εo

permitivita vakua

εr

permitivita materiálu

Ve vztahu je neměnnou veličinou permitivita vakua. Působením neelektrické veličiny na snímač se může měnit plocha a vzdálenost elektrod a poměrná permitivita dielektrika a tím kapacita snímače. Z toho vyplývá i rozdělení kapacitních snímačů a to na snímače se změnou: • • •

vzdálenosti mezi deskami (obr. 5-19a) plochy desek (obr. 5-19b) dielektrika (obr. 5-19c)

Obrázek 5-19 Principy kapacitních snímačů

Princip funkce vyplývá z názvů snímačů. U snímačů se změnou vzdálenosti mezi deskami neelektrická veličina působí na jednu nebo obě desky tak, že se jejich posunutím mění jejich vzdálenost. U snímačů se změnou plochy desek, měřená neelektrická veličina způsobí vzájemný posun desek tak, že se změní jejich vzájemně působící plocha. Snímače se změnou dielektrika jsou provedeny tak, že neelektrická veličina svým působením zasouvá mezi desky kondenzátoru dielektrikum jiné permitivity. Zvláštním druhem jsou snímače, kde dochází ke změně permitivity dielektrika stlačením, zvlhnutím, ohřátím (obr. 519d). 113

5.4.3.4 Magnetické snímače Magnetické snímače jsou tvořeny uzavřeným magnetickým obvodem z feromagnetického materiálu. Měření neelektrické veličiny je založeno na změně permeability feromagnetika magnetického obvodu působením této veličiny. V důsledku této změny se mění impedance magnetického obvodu a indukčnost nebo vzájemná indukčnost jedné nebo několika cívek. Využívají se dva vlivy na magnetický obvod: • •

deformace změny teploty.

Snímače založené na vlivu deformace se dělí na: 1. magnetoelastické, 2. magnetoanizotropní, 3. s inverzí Wiedemannova jevu. Magnetoelastické snímače využívají změny magnetických vlastností feromagnetických materiálů při jejich deformaci.

Obrázek 5-20 Závislost magnetické indukce na síle

Na obr. 5-20 (Zehnula) je uvedena závislost magnetické indukce B na síle F působící na feromagnetické těleso při různých hodnotách intenzity magnetického pole. Charakter křivek B = f(F) je závislý na materiálu, tepelném zpracování a teplotě magnetického obvodu snímače. Při změně mechanického napětí ve feromagnetickém materiálu se mění jeho permeabilita. Předpokládáme-li uzavřený magnetický obvod alespoň s jedním vinutím, bude se měnit indukčnost, a tedy impedance cívky. Základní vztah mezi relativní změnou permeability a mechanickým napětím ve feromagnetickém tělese lze napsat: 114

εn = kde:

∆µ

µ

=

2 ⋅ λms

BS2

⋅ n ⋅σ

λms

...

magnetostrikce při nasycení

Bs

...

magnetická indukce při nasycení

σ

...

mechanické napětí

Z tohoto výrazu vyplývá, že pro magnetoelastické snímače je výhodné použít materiály, které mají velkou magnetostrikci a permeabilitu a malou indukcí při nasycení.

Obrázek 5-21 Magnetoanizotropní snímač

Magnetoanizotropní snímač (obr. 3.8) je založen na změně magnetické vodivosti vlivem deformace feromagnetického jádra. U nezatíženého snímače nedochází k indukci napětí U2. Po zatížení, vlivem změny magnetické vodivosti, přestává být magnetické pole buzené napětím U1 kolmé k cívce 2 a indukuje se napětí U2 jak uvádí vztah 3.12.

U 2 = k1 ⋅ k 2 ⋅ f ⋅ B ⋅ S ⋅ N 2 ⋅ sin α kde:

k1

...

součinitel konstrukce magnetického obvodu

k2

...

součinitel materiálu magnetického obvodu

f

...

kmitočet napájecího proudu

B

...

magnetická indukce

S

...

průřez magnetického obvodu

N2

...

počet sekundárních závitů

α

...

úhel mezi vektorem intenzity magnetického pole a osou budící cívky

Při vhodné konstrukci lze dosáhnout lineární závislosti mezi napětím U2 a měřenou veličinou. Snímače využívající inverze Wiedemannova jevu. Tento jev spočívá v tom, že feromagnetická tyč nebo trubka kruhového průřezu, upnuta na jedné straně, se zkroutí kolem 115

osy, je-li magnetována současně podélným a kruhovým magnetickým polem. Princip inverze je uveden na obr. 5-22a, b.

Obrázek 5-22 Inverze Wiedemannova jevu

Při zkroucení feromagnetické trubky o úhel φ buzené kruhovým magnetickým polem o intenzitě Hc se natočí magnetizace Mm o určitý úhel oproti magnetizaci v klidovém stavu, způsobené kruhovým magnetickým polem. Magnetizace Mm vytváří magnetické pole o intenzitě Ha natočené o určitý úhel proti intenzitě kruhového magnetického pole Hc. Vzniká tedy podélná složka intenzity magnetického pole Hl, jejíž velikost je úměrná, při konstantním Hc velikosti natočení Mm a tedy i velikosti úhlu . Ve snímacím vinutí navinutém kolmo k ose trubky se indukuje elektromotorické napětí, vytvořené podélnou složkou magnetického pole (obr. 5-22b). Elektromotorické napětí je úměrné velikosti kruhového budícího pole, úhlu zkrutu tyče nebo trubky, součiniteli magnetostrikce materiálu z něhož je tyč. Pro optimální účinnost snímače je výhodné, aby magnetický obvod snímače byl v nasyceném stavu. Dosáhne se tím nezávislosti snímače na kolísání napájecího napětí. 5.4.3.5 Indukční snímače Indukční snímače jsou založeny na indukčním zákoně: u = − Nz ⋅

kde:

dφ dt

Nz

...

počet závitů cívky

dφ dt

...

časová změna magnetického toku

Jde tedy o aktivní snímač, který se chová jako zdroj napětí. Rozeznáváme tyto základní typy: • • •

elektromagnetický, elektrodynamický, magnetostrikční. 116

Obrázek 5-23 Elektromagnetický snímač

Elektromagnetické snímače používají změnu impedance magnetického obvodu. Princip snímače je na obr. 5-23. Na jádru z permanentního magnetu je cívka. Ve vzdálenosti d od pólových nástavců magnetu je feromagnetická část, jejíž pohyb mění magnetický tok v obvodu, indukuje se v cívce napětí.

Obrázek 5-24 Elektrodynamický snímač

Elektrodynamické snímače (obr. 5-24) jsou založeny na využití Farradayova zákona vztah:

U = B ⋅ la ⋅ v kde:

B

...

indukce magnetického pole

la

...

aktivní délka vodiče

v

...

rychlost vodiče ve směru kolmém na magnetické siločáry

Pohybem vodiče (na obr. 3.11 vodivého pásu) v magnetickém poli permanentního magnetu se indukuje mezi body 1 a 2 napětí U . Magnetostrikční snímač využívá změny remanentního magnetického obvodu.

magnetismu

při

deformaci

117

5.4.3.6 Piezoelektrické snímače Konstrukce piezoelektrických snímačů využívá piezoelektrického jevu. Ten spočívá v tom, že uvnitř některých dielektrik vzniká vlivem mechanických deformací elektrická polarizace, čímž na povrchu vznikají zdánlivé náboje, které mohou v přiložených elektrodách vázat nebo uvolňovat náboje skutečné. Jakmile mechanické napětí zmizí, dostává se dielektrikum do původního stavu. V měřící technice se nejčastěji užívá křemen, který má velmi dobré vlastnosti. Krystalizuje v šesterečné soustavě, elementárním strukturním prvkem je hranol (obr. 5-25a). Dále se používají keramické a polykrystalické materiály, např. titaničitan barnatý apod. (piezokeramické snímače). Podélná osa z se nazývá optická, osy x, y kolmé k optické ose se nazývají elektrické. Osy kolmé k hranám se nazývají mechanické. Uvažujme případ, že síly působí na křemen ve směru osy x (elektrická osa) a osy y (mechanická osa), (obr. 5-25b)

Obrázek 5-25 Princip piezokeramického snímače

Působí-li síla podél osy x, bude vektor elektrické polarizace Pe směřovat rovnoběžně s osou x (podélný piezoelektrický jev). Náboj Qe vznikající na každé stěně kolmé k elektrické ose x:

Qe = Pe ⋅ Sx = k p ⋅ Fx kde:

Qe

elektrický náboj

Pe

vektor elektrické polarizace

Sx

plocha stěny b/c

kp

piezoelektrická konstanta (modul)

Fx

síla působící na stěnu b/c 118

Působí-li síla ve směru mechanické osy y, vznikají opět náboje jen na plochách bc, kolmých na elektrickou osu, avšak směr polarizačního vektoru je záporný. 5.4.3.7 Termoelektrické snímače Termoelektrický jev je založen na vzniku rozdílu potenciálů v místě vodivého styku dvou kovů, jestliže výstupní práce obou kovů jsou rozdílné. Pro technické teploty je odvozen empirický, který udává výstupní termoelektrické napětí Ut v závislosti na rozdílu teplot styků dvou kovů: U t = a + b ⋅ ∆τ + c ⋅ ∆τ 2 kde:

a, b, c jsou konstanty stanovené empiricky pro určitou dvojici kovů, ∆τ

τ2 - τ1

rozdíl teploty dvou vodivě spojených styků dvou kovů podle obr. 5-26a, ∆τ =

Obrázek 5-26 Termoelektrický článek

Aby vznikl měřící obvod, musíme zapojit měřící přístroj. Spoj, který se přímo zúčastňuje měření, nazýváme měřící spoj, druhý pak spoj srovnávací. Měřící přístroj je pak zapojen do obvodu podle obr. 5-26b, c. Důležitá je stabilita teploty srovnávacího konce. Buď se zajistí jeho konstantní teplota termostatem, nebo zakopáním 3m do země, kde je stabilní teplota. Jinak je nutné vyloučit chybu termoelektrického napětí srovnávacího konce. V požadovaném rozsahu měřených teplot vybíráme materiály na termočlánky tak, aby měly vhodnou, nejlépe lineární závislost Ut = f(τ), odolnost a stabilitu, dostatečné výstupní napětí. Jednotlivé dvojice kovů jsou definovány ČSN 356710.

119

Pro jednotlivé rozsahy teplot se užívají tyto materiály: a) Nízké teploty 250 ÷ 500°C: • • •

měď - konstantan Cu - ko železo - konstantan Fe - ko niklchrom - nikl NiCr - Ni

b) Vyšší teploty do 1600°C: •

platina rhodium - platina PtRh - Pt

c) Vysoké teploty nad 1600°C: • • •

iridium rhodium - iridium do 2000°C IrRh - Ir wolfram - iridium do 2500°C W - Ir wolfram - wolfram rhenium do 2800°C W - Wre

Při vysokých teplotách musí být snímač v ochranné atmosféře. 5.4.3.8 Hallovy snímače Snímač tohoto typu využívá Hallova jevu. První technická aplikace byla pro měření magnetické indukce.

Obrázek 5-27 Hallův jev

Hallův jev - příčné magnetické pole s indukcí B působí na polovodič, jímž prochází elektrický proud, napětí UH indukované na protějších stranách hranolku nazýváme Hallovo napětí (obr. 5-27). Pro měření neelektrických veličin je aplikace Hallova jevu výhodná pro svoji jednoduchost. Pohybujeme-li mechanický Hallovým článkem v nehomogenním magnetickém poli, Hallovo napětí se mění v závislosti na změně polohy tohoto článku. Jestliže proud Ip = konst., pak: 120

U H = k1 ⋅ f1 ( B) k1 =

RH ⋅ I p d

Přičemž Hallova konstanta: RH = kde:

3 8 ⋅ nq ⋅ q a

...

hustota nosičů náboje

q

...

elementární náboj

d

...

tloušťka polovodiče

Jestliže se v polovodičích nacházejí jak díry, tak elektrony, je výraz pro RH mnohem složitější. 5.4.3.9 Emisní snímače Emisní snímače využívají fotoelektrické a tepelné emise elektronů a fotonů. Základem fotoelektrického snímače je fotokatoda. Jsou vyráběny z alkalických antimoidů kombinací jednoho nebo více alkalických prvků s antimonem. Nejobvyklejší jsou fotokatody Sb - Cs. Použití více alkalických kovů ve spojení s antimonem umožnilo výrobu velmi citlivých fotokatod.

Obrázek 5-28 Obvod emisního snímače

Emisní snímače se skládají z fotokatody a anody. Obě elektrody jsou umístěny ve skleněné baňce, ve které je vysoké vakuum (obr. 5-28). Absorpční vlastnosti skla ovlivňuji výrazně spektrální charakteristiku snímače, užívá se speciální křemenné sklo. Fotokatody se užívají nejvíce Sb-Cs a Ag-O-Cs. Izolační odpor mezi elektrodami RIZ > 1012Ω. Na elektrody je připojeno stejnosměrné napětí (kladný pól na anodu, záporný na fotokatodu). Proud procházející obvodem se skládá z proudu, který vzniká dopadem fotonů na fotokatodu a proudu vzniklého tepelnou emisí. Uvolněné elektrony jsou strhávány k anodě a tím vzniká proud. Uvolněné elektrony jsou doplňovány ze zdroje. Proud ve vnějším obvodu je úměrný světelnému toku. Základní vlastnosti popisuje voltampérová světelná charakteristika (obr. 529). 121

Obrázek 5-29 Voltampérová světelná charakteristika

Světelné charakteristiky (obr. 5-30) mají parametr napětí na elektrodách pro 1 U = 50V, pro 2 U = 100V. Charakteristiky jsou pro snímače s fotokatodou Cs-Sb. Pro zvětšení fotoelektrického proudu se plní snímače vzácným plynem. Emitované elektrony se sráží s atomy plynu a vzniká nárazová ionizace. Jako náplň se většinou používá argon a směs neónu s héliem. Nedostatkem těchto snímačů je tepelná závislost, setrvačnost a závislost na napájecím napětí.

Obrázek 5-30 Světelné charakteristiky

Další možnosti zvětšení citlivosti snímačů je využití sekundární emise u fotoelektrického násobiče. Je to skleněná baňka, ve které je umístěna fotokatoda, anoda a pomocné elektrody D1 - Dn (obr. 5-31). Napětí je připojeno tak, že záporný pól je na fotokatodě, nejnižší kladné napětí na D1. Další pomocné elektrody mají vyšší kladné napětí než anoda nejvyšší. Elektrony emitované z fotokatody jsou elektrickým pólem přitahovány k pomocné elektrodě D1, po dopadu dojde k sekundární emisi elektronů, které dopadají na elektrodu D2 atd. Výsledný proud elektronů dopadá na anodu. Tento proud se dále zpracovává zesilovačem na výstupní signál.

122

Obrázek 5-31 Fotonásobič

5.4.3.10 Elektrokinetické snímače V nevodivé trubce (viz obr. 5-32) je polární kapalina (např. voda, metanol). Vnitřní prostor trubky je rozdělen kotoučem z nevodivého porézního materiálu na dvě části. Pomocí pístu je kapalina protlačována porézním kotoučem (membránou) zleva doprava. Po obou stranách kotouče jsou umístěny elektrody ve tvaru kovové mřížky.

Obrázek 5-32 Elektrokinetický snímač

Napětí na výstupu snímače je nulové, protože systém je v rovnováze . Pohybuje-li se píst rychlosti v doprava , protlačuje se tlakem p porézním kotoučem a dojde k porušení nábojové rovnováhy na dvojvrstvách a ke vzniku napětí na výstupu snímače. Při změně směru proudění kapaliny se změní polarita napětí na výstupu snímače. 5.4.3.11 Optoelektronické snímače Požadavek zajištění nerušeného výstupního signálu ze snímače a jeho přenosu až do místa jeho zpracování je možné realizovat novou generací snímačů, a to snímači optoelektronickými. Měřená neelektrická veličina (např. rychlost), je přivedena na vstup optoelektronického snímače, ve kterém je převedena na signál, který má charakter záření v ultrafialové, viditelné nebo infračervené oblasti spektra. Signál je veden z místa měření pomocí světlovodu až do místa zpracování signálu. Zde je převeden pomocí některého typu fotoelektrických snímačů (fotoodpor, fotodioda apod.) na elektrický signál, protože další zpracování signálu je v současné době nejvýhodnější elektrickou cestou.

123

Základním prvkem optoelektrického snímače je zdroj záření. Dále popíšeme v současnosti používané zdroje. Klasickými zdroji jsou žárovky a výbojky, které generují záření viditelné, infračervené a ultrafialové. Jejich podstatnou nevýhodou je malá mechanická odolnost, rozměry a nízký rezonanční kmitočet. Luminiscenční kondenzátory jsou založeny na vlastnosti luminoforů (ZnS, SnSe, ZnCdS), u kterých dochází vlivem vnějšího elektrického pole k vyzařování - luminiscenci. Nevýhodou je nízká účinnost asi 1 %, malá intenzita záření, životnost a nízkým rezonanční kmitočet. Elektroluminiscenční diody (LED) jsou dnes vlastně nejvýhodnějšími zdroji záření. Pracují ve viditelné a infračervené části spektra. K vzniku záření dochází při intenzívní rekombinaci nosičů náboje v oblasti přechodu PN diody. Používají se materiály GaAs, GaP, GaAsP. Mají vhodnou převodní charakteristiku napájecí proud - světelný tok, vysoký rezonanční kmitočet. Jejich nevýhodou je nízká účinnost. Nejnovějšími zdroji jsou polovodičové lasery. Polovodičový laser je tvořen přechodem PN vytvořeném v krystalickém polovodiči, jehož stěny jsou vybroušeny tak, že tvoří rezonátor. Impulsním provozem lze dosáhnout spínacích výkonů řádově 10 - 100 W. Pracují v viditelné a infračervené části spektra. Postupně jsou zdokonalovány a poslední typy už dosahují dostatečné životnosti. Přímé polovodičové zdroje záření využívají vzniku záření při přímém působení síly na krystalickou strukturu polovodiče. Lasery dělíme s plynnou a pevnou fází podle materiálu užitého na rezonátor. Buzení je prováděno vnějšími zdroji. Používají se lasery argonové, rubínové, CO atd. Dávají záření od infračerveného po ultrafialové. 5.4.4 Generátorové snímače světelného záření Jde o fotoelektrický snímač generátorového typu. Působením světelného toku na citlivou plochu snímače vzniká na jeho výstupu napětí, jehož hodnota je úměrná osvětlení. Citlivá vrstva snímače je tvořena několika vrstvami polovodiče, který je proložen vrstvičkami kovu.

Obrázek 5-33 Generátorový snímač světelného záření

124

Celá konstrukce je uspořádaná tak, že zvýšením přechodového odporu na jednom přechodu, kov - polovodič, dochází k podstatnému snížení přechodového odporu sousedního přechodu. Prostřednictvím tenké průsvitné kovové elektrody se umožňuje dopad světelného záření. Používáme materiály Si, Tl2S, Ag2S, Ge, selen a kuproxyd Cu2O. Uspořádání Si snímače je na obrázku obr. 3.19. Základním materiálem je destička křemíku (3) s vodivostí P, na které je difůzí vytvořen rovnoměrný přechod PN (2). Naletováním kontaktního materiálu vzniknou kontakty (1), (4), tak aby měly co nejmenší přechodový odpor. Princip fotovoltaniky. 5.4.4.1 Snímače ionizační Snímače jsou tvořeny elektrodami, které se nacházejí v plynném prostředí. Na elektrody je přiloženo elektrické napětí. Dojde - li v plynném prostředí k ionizaci, dochází vlivem elektrostatického pole k pohybu iontů a elektronů a obvodem snímače prochází proud. Tento proud označený jako ionizační je úměrný úrovni ionizace plynu. Užívají se snímače pro měření polohy a jaderného záření. U snímačů polohy je využíváno k ionizaci střídavé elektrické pole. Mezi elektrodami, které toto pole vytváří se nachází ionizační snímač. Snímače jaderného záření využívají k ionizaci přímo měřenou veličinu. Popíšeme základní typy snímačů. Ionizační komora je dvouelektrodový systém vytvářející kondenzátor. Mezi elektrodami nabité částice, vzniklé působením ionizujícího záření, vytvářejí proud, který je mírou intenzity záření. Pracovní bod je nastaven v oblasti nasycení. Podle způsobu zpracování se dělí na: • • • • •

integrační - měří střední hodnotu ionizujícího proudu vytvořeného velkým počtem částic impulsové - měří impulsy vyvolané jednotlivými částicemi. Podle způsobu plnění se dělí na: nízkotlaké pro měření záření velmi silné intenzity vysokotlaké pro měření kosmického záření

Konstrukce se liší podle druhu měřeného záření. Měříme záření α, β, γ a Roentgenovo záření. Pro měření neutronového záření je nutné vytvořit prostředí, ve kterém neutrony vyvolají reakci, při níž vznikne ionizace, například náplň BF3+Ar, pokrytí elektrod uranem 235 nebo práškovým bórem. Geigerův - Müllerův čítač je impulsní ionizační snímač. Skládá se ze dvou elektrod, umístěných v baňce naplněné plynem, obvykle o tlaku p < 0,1 MPa. Elektrody se připojují k stejnosměrnému zdroji přes odpor, na němž vznikají impulsy napětí, vyvolané průletem ionizující částice snímače. Tyto napěťové impulsy se většinou přivádějí do elektronického čítače nebo integrátoru impulsů. Snímač pracuje v oblasti ionizace, vyvolané nárazem iontů 125

na molekuly plynu. Připojené napětí musí být větší, než Geigerův práh, při kterém ionizace závisí na náboji a váže částice. Po vniknutí částice do snímače nastává lavinový nárůst počtu iontů, což se projeví exponenciálním nárůstem proudu. Po tuto dobu nemůže snímač indikovat další částice - mrtvá doba snímače. Pro další měření je nutné výboj zhasnout. To se děje u snímačů s čistým plynem vnějším zhášením, poklesem napětí na snímači. Je možné též vnitřní zhášení vhodnou náplní s příměsí organických látek. Konstrukce G-M snímače je dána typem měřeného jaderného záření (α, β, γ nebo neutronového).

Obrázek 5-34 snímač zvonového typu

Na obr. 5-34 je nakreslen snímač zvonového typu. Skládá se ze skleněné baňky 1, v níž je válcová katoda 2 a tyčinková anoda 3. Anoda bývá z tenkého wolframového, platinového nebo ocelového drátu. Čítač je uzavřen slídovým okénkem 4. Tento snímač měří záření α od energie 0,6 MeV a záření β od 0,02 MeV. 5.4.4.2 Pyroelektrické snímače Změní-li se teplota materiálu, který má pyroelektrické vlastnosti, změní se orientace molekul a tedy i polarizace krystalů. Je-li krystal opatřen elektrodami, vytvoří se na nich elektrické náboje. Snímače se užívají k měření infračerveného záření (teploty).

126

5.5 Měření neelektrických veličin, metody 5.5.1 Měření polohy, výchylky. Snímače mechanických veličin jsou často založeny na převodu měřené veličiny, na posunutí, natočení nebo pohybu, který je pak měřen snímači pro tyto veličiny. Rozlišujeme základní typy snímačů: • Mechanické - nejznámější jsou koncové vypínače • Pneumatické a hydraulické - rozlišujeme je na snímače s tryskou nebo s ladičkou • Elektrické - dělí se na kontaktní a bezkontaktní 5.5.1.1 Elektrické snímače Užívají se tyto principy: • odporové • indukčnostní • kapacitní • fotoelektrické • Hallův • emisní • ionizační • kontaktní

Obrázek 5-35 Kontaktní snímač

Kontaktní snímače se užívají pro indikaci koncových a mezních stavů, k třídicím účelům. Na obr. 5-35 je princip třídicího snímače. Zvláštním případem jsou jazýčkové kontakty. Ve skleněné trubičce s ochrannou atmosférou jsou zavařeny kontakty Jejich spínání je prováděno vnějším magnetickým polem pevného magnetu (obr. 5-36). Vyrábějí se v nevýbušné úpravě.

Obrázek 5-36 Jazýčkové relé

127

Odporové snímače polohy se nazývají měřící potenciometry. Působením měřené neelektrické veličiny se mění poloha kontaktů, které se posouvají po odporové dráze a tím mění odpor mezi sběračem a začátkem nebo koncem odporové dráhy. Požaduje se různý funkční průběh mezi lineární nebo úhlovou změnou polohy sběrače a změnou odporu. Snímače tohoto typu se vyznačují jednoduchostí a spolehlivostí. Musí být mechanicky dobře provedeny, aby měly co nejdelší životnost, malý třecí moment apod. Většinou se konstruují snímače vinuté z odporového drátu. Potenciometr má dělící poměr od 0 do 1.

Obrázek 5-37 Potenciometry

Princip dle obr. 5-37 a) potenciometr s jedním vodičem b) odporová dráha je tvořena elektrolytem c) odporový vodič je navinut na nosné podložce d) odporová dráha je tvořena odpory e) sběrač je vytvořen rtuťovým zkratem části odporového vodiče Odporové snímače se užívají k měření úhlové výchylky, s převodem též přímočaré. Nejčastější využití je při stanovení poloh výkonných členů, spojením hřídele sběrače s měřeným objektem. Použitelný úhel natočení 90, 180, 270. Často používaným typem jsou indukčnostní snímače. Podle veličiny rozdělíme na měření posunutí a natočení. Při měření posunutí geometrických rozměrů mohou indukčnostní snímače (s malou vzduchovou mezerou) pracovat v těchto režimech: a) pohyblivá část feromagnetika • změna velikosti vzduchové mezery • změna plochy vzduchové mezery 128

b) pohyblivá cívka Snímače se změnou velikosti mezery se používají většinou jen v diferenciálním uspořádání pro měření malých změn polohy. Základní typy snímačů využívají změny délky vzduchové mezery (viz obr. 5-38). Užívají se pro měření malých posunutí 3 až 25 µm.

Obrázek 5-38 Indukčností snímače

Základní typy snímačů, které využívají změny polohy vzduchové mezery, jsou na obr. 5-39. a) Transformátorový snímač - pohyblivá jádra jsou spojena a opatřena vinutím. Při jejich posunutí dochází ke změně dílčích magnetických toků, vyvolaných změnou dílčích ploch vzduchových mezer. Tím se mění hodnota napětí indukovaných ve vinutích pohyblivých jader. Nedostatkem jsou pohyblivé přívody. b) Tento snímač nemá pohyblivé přívody a měří posunutí 5 až 20 mm. c) Hřebenový tvar nástavců u jádra umožňuje strmější charakteristiku, měří do 5 mm.

Obrázek 5-39 Snímače se změnou polohy vzduchové mezery

Pro měření velkých posunutí do 100 mm se užívají snímače s konstantním magnetickým obvodem, pohyblivou cívkou snímačů s proměnnou délkou magnetického obvodu a snímačů s otevřeným magnetickým obvodem), které v diferenčním zapojení umožňují měřit v rozsahu ±100 až ±300 mm Snímače s potlačeným polem se používají v rozsahu 3 µm až 5 mm. Umožňují měřit tloušťku a posunutí vodivého materiálu, pevného i kapalného. Užívají se pro bezdotyková měření. Snímače bez feromagnetika se užívají pro měření malých posunutí 3 µm až 5 mm. Protože neobsahují feromagnetický materiál, odpadají parazitní vlivy způsobené feromagnety.

129

Obrázek 5-40 Snímač s konstantním magnetickým obvodem

Obrázek 5-41 Snímač s proměnným magnetickým obvodem

Indukčnostní snímače pro měření úhlové výchylky lze rozdělit na snímače pro: a) malé výchylky b) velké výchylky

Obrázek 5-42 Měření výchylky

Snímače pro malé výchylky, řádově stupně, jsou uloženy ve spojce dvou částí (průřezů) hřídele. Podle obr. 5-42 je můžeme rozdělit na dva typy: a) s jednoduchým magnetickým obvodem, b) se složitým magnetickým obvodem transformátorového typu. V obou případech při natočení dvou částí spojky se změní vzduchová mezera mezi kotvou 2 a statorem 1. Tím se mění přenos mezi budícím vinutím 3 na měřící vinutí 4. Snímače pro velké úhlové výchylky jsou na obr. 5-43. Funkce jednotlivých konstrukcí snímačů: a) Pro měření výchylky do 180°. Pohyblivé jádro ve tvaru disku je excentricky otočně upevněno nad střední částí R jádra. Pootočením pohyblivého jádra dochází ke změně vzduchových mezer d1, d2 a tím magnetického toku pevným jádrem a změnu indukovaného napětí U2 úměrnou výchylce. b) Pro výchylku o 270° jsou na prstenci 1 umístěna 2 vinutí se stejným počtem závitů. Obě vinutí tvoří ramena můstkového obvodu. Při pootočení jádra 3 se mění velikost magnetických impedancí a tedy impedance obou cívek. 130

c) Rozsah je ± 90°. Jádro srpovitého tvaru je otočné kolem své osy. Snímač je možno lehce přeměnit na transformátorové zapojení. Polohový transformátor s pohyblivou cívkou a pevnou cívkou bez feromagnetika. Vzájemná indukčnost cívek závisí na sin α. Změna indukčnosti na napětí, nutná k dalšímu zpracování se provádí běžnými měřiči indukčnosti, většinou můstkovými. Užívají se též rezonanční metody, kde je indukčnost součástí LC obvodu oscilátoru a výstupem je frekvence oscilátoru. Pro transformátorové snímače se užívá střídavé napětí o kmitočtu 100 Hz ÷ 200 Hz.

Obrázek 5-43 Měření velkých výchylek

Spojením rezonanční metody s indukčním snímačem vznikne oscilační snímač. S použitím moderních elektronických součástek se dosáhne možnosti umístit celé zařízení v nevelkém prostoru. Většinou je ovlivňována zpětná vazba LC oscilátoru. Typy oscilátorových snímačů: • Mezerový: mezi vazebními cívkami oscilátoru je mezera, do které se zasouvá elektricky vodivá clona, která mění ind. zpětnou vazbu (největší citlivost). • Průchozí: při průchodu kovového tělesa otvorem ve vazebních cívkách bez feritového jádra se mění indukčnostní zpětná vazba. • Přibližovací: zpětnovazební cívky jsou vestavěny v jednom feritovém jádru a jsou upraveny tak, že při přiblížení elektricky vodivého tělesa z otevřené strany jádra se mění indukčnostní zpětná vazba. Pro přímý přenos úhlové výchylky se používají selsyny. Snímač se skládá ze dvou základních částí - statoru a rotoru. Na rotoru je umístěno jednofázové budící vinutí - sloužící k vybuzení magnetického obvodu selsynu. Ve statorových drážkách je uloženo vinutí synchronizační. 131

Dojde-li k pootočení hřídele A poruší se vzájemná rovnováha tak, že magnetické osy obou vinutí nebudou vzájemně kolmé a vybudí napětí, které pootočí hřídel B o stejný úhel. Systém se tak uvede do rovnováhy.

Obrázek 5-44 Selsyn

Kapacitní Posunutí nebo natočení se přímo přenáší na jednu z desek kondenzátoru nebo dielektrika. Fotoelektrické a optoelektronické Jsou bezkontaktní snímače polohy. Snímač je tvořen fotocitlivým prvkem a zdrojem světla. Snímače lze rozdělit : • snímače bez pomocného zdroje • snímače s pomocným zdrojem - pracující s proměnnou propustností - pracující s proměnným odrazem - pracující s proměnným cloněním

Obrázek 5-45 Optoelektronický snímač polohy

Jako fotocitlivý prvek se používá fotoodpor, fotodioda, fototranzistor. Pomocné zdroje mohou být žárovka, výbojka, LED dioda apod. Ionizační Pracují na stejném principu, jako fotoelektrické snímače, zdroj světla je nahrazen jaderným zářičem. Jejich předností je možnost použití v obtížných pracovních podmínkách v dole, kde by se fotonky zašpinily a vrstva prachu by znemožnila průchod světla . 132

Hallovy Využívají Hallova jevů a pro měření polohy se používají ve spojení s permanentním magnetem . V závislosti na vzdálenosti magnetu se mění na výstupu Hallova snímače napětí .

Obrázek 5-46 Hallův snímač polohy

5.5.2 Měření rychlosti Rychlost je důležitou veličinou pro řízení. Rozeznáváme rychlost přímočarou a úhlovou. Úhlovou rychlost měříme nepřímo. Měří se většinou rychlost otáčení, která je jako informace dostačující. Snímače rychlosti rozdělíme na snímače: a) mechanické b) elektrické: • impulsní • generátorové Měření přímočaré rychlosti se většinou mechanicky převádí na měření otáček. Přímé měření se provádí pomocí snímačů posunutí. Za definovaný časový úsek se změří posunutí a rychlost se vypočítá. Rychlost otáčení důležitých částí strojů je jedním z hlavních technických parametrů. Obvykle se měří počtem otáček za minutu. Úhlové rychlosti můžeme měřit buď absolutní metodou, založenou na zjištění počtu otáček hřídele během daného časového intervalu, nebo nepřímou metodou - srovnáním počtu otáček proměřovaného hřídele se známým kmitočtem libovolného nezávislého periodického děje. Většina otáčkoměrů (mimo rezonanční a stroboskopické) má vstupní hřídel, na který se přenáší otáčivý pohyb proměřované součásti, nebo obsahuje bezdotykový elektrický snímač. Jak vyplývá z funkce obvyklých otáčkoměrů, udávají vždy střední hodnotu rychlosti otáčení v daném časovém úseku. Některé elektrické aparatury jsou však schopné určit i rychlost otáčení v daném okamžiku.

133

5.5.2.1 Mechanické snímače Odstředivý otáčkoměr (obr. 9-11a, b) se skládá ze závaží, umístěných v určité vzdálenosti od osy otáčení. Zvětšují - li se otáčky, vzdalují se působením odstředivých sil závaží od osy otáčení, překonávají sílu pružiny a jejich pohyb je vyveden na posuv objímky. Tohoto posuvu lze pak využít k vyhodnocení.

Obrázek 5-47 Mechanické otáčkoměry

Kapalinové třecí otáčkoměry (9-11c) jsou založeny na přímo úměrné závislosti mezi silou, kterou působí pohybující se kapalina na obtékané těleso, a rychlostí této kapaliny. Otáčkoměry pracující na základě vířivých proudů (obr. 9-12), se skládají z rotoru, tvořeného stálým magnetem, který je upevněn na hřídeli, spojeném s prověřovaným strojem, a ze statoru. Stálý magnet je spojen s hřídelem, jehož otáčky se měří. Otáčením magnetu se ve statoru tvaru kotouče indukují vířivé proudy. Vzájemným působením těchto proudů a magnetického pole vzniká moment, který natáčí stator ve směru otáček. Proti tomuto momentu pak působí moment pružiny tak, že natočení hřídele je úměrné velikosti otáček. Konstrukce tohoto typu otáčkoměru je velice jednoduchá a stupnice je lineární. Přístroje dobře pracují v širokém rozsahu rychlostí.

Obrázek 5-48 Otáčkoměr pracující na základě vířivých proudů

134

5.5.2.2 Elektrické snímače otáček 5.5.2.2.1 Impulsní snímače Rychlost otáčení můžeme měřit pomocí elektrických impulsů odvozených z otáček hřídele pomocí snímačů polohy. Dělíme je na:

Obrázek 5-49 Impulsní snímače otáček

• Kontaktové, impulsy jsou vytvářeny vačkou mechanicky ovládanými kontakty (obr. 913a). • Indukčnostní, impulsy vytváří indukčnostní snímač, cívka, jehož indukčnost se mění přiblížením výstupu na hřídeli (obr. 9-13b). • Oscilátorový, na hřídeli je clonka s jedním nebo více zuby, která prochází štěrbinou snímače. Tím se na výstupku snímače vytváří impulsy (obr. 9-13c). • Fotoelektrický snímač (obr. 9.13d), vytváří impulsy odcloněním světla dopadajícího na snímač zuby clonky. • Hallův snímač, impulsy se vytváří přiblížením permanentního magnetu připevněného na hřídeli k snímači (obr. 9-13e). • Kapacitní, na hřídeli je připevněno pohyblivé dielektrikum. • Optoelektronické, tyto snímače jsou využívány v extrémních provozních podmínkách (vysoká úroveň rušení, vysoká teplota apod.). Je možné je konstruovat především pro měření mechanických veličin, jako např. polohy, rychlosti, otáček, vibrací, průtoků aj.

135

Obrázek 5-50 Optoelektronický snímač otáček

Uspořádání snímače pro měření úhlové rychlosti (otáček) je patrno z obr. 9-14. Na rotujícím hřídeli H je značka, která dobře odráží zářivý tok. V části snímací je dále světlovod, který je spojen konektorem K s přenosovou částí světlovodu. Ve vyhodnocovací části je zdroj záření Z (žárovka) a fotoelektrické čidlo Č. Oba tyto členy jsou opticky připojeny ke sdružovači V, který je svým sdruženým koncem připojen ke konektoru K. Zářivý tok ze žárovky prochází přes sdružovač světlovodem do snímače, kde se odráží od značky na hřídeli a vrací se zpět světlovodem do elektrického čidla, ve kterém se převede na elektrický signál. Výhodou tohoto řešení je, že světlovodem je možno dosáhnout hřídele i v místě, kde je velmi málo prostor. • Elektromagnetické snímače, změna magnetického toku je vytvářena ozubeným kolečkem z magneticky měkkého materiálu. Pro konstantní úhlovou rychlost platí rovnice:

ω=r.ϕ

ϕ = 2πf ⋅

t z

přičemž

f =

z dϕ ⋅ 2π dt

kde:

r

...

poloměr ozubeného kolečka

ϕ

...

úhel natočení

z

...

je počet zubů kolečka

f

...

kmitočet

Kmitočet je dán počtem zubů a je úměrný úhlové rychlosti, Konstrukce je znázorněna na obr. 3.42 136

Obrázek 5-51 Elektromagnetický snímač

5.5.2.2.2 Generátorové snímače Generátorové snímače jsou snímače, u kterých je otáčkám úměrné výstupní napětí, které generují. Tyto snímače dělíme: • Elektromagnetické, jsou stejné konstrukce jako v předcházející kapitole. Poměrně časté je řešení podle obr. 9-16. Snímač se skládá z vinutého statoru a rotoru tvořeného několika pólovými dvojicemi stálých magnetů. Počet pólových dvojic rotoru je určován rozsahem úhlové rychlosti a bývá až 12 pro stroje s malou rychlostí otáčení, aby nedocházelo ke kolísání údajů. Nejnižší kmitočet je přibližně 4 - 10 Hz. Stator je složen z plechů s drážkami pro vinutí. Vzduchová mezera je poměrně velká, aby se při zkratu nezeslabily magnety rotoru.

Obrázek 5-52 Elektromagnetický generátorový snímač

Výstupní napětí je 10 až 100 V. Charakteristika snímače je lineární jenom v nezatíženém stavu. Výkon snímače závisí na konstrukci a je v rozsahu 10 až 100 V. Horní hranice 137

otáček se pohybuje v tisících ot/min, u speciálních provedení až 50 tis. ot/min. Tvar výstupního napětí se poněkud liší od harmonického průběhu. Obsah vyšších harmonických je 10 až 30 %. Můžeme ho zmenšit vhodnou volbou tvaru pólových nástavců, aby tvar magnetického pole byl co nejvíce harmonický. Pokud je snímač cejchován přímo s měřičem, není tato chyba podstatná. Aby bylo možno použít snímače k měření velmi nízkých otáček, má stator trojfázové nebo mnohofázové vinutí. Mnohofázové snímače jsou též vhodné pro rozlišení směru otáčení. Elektromagnetické snímače pro měření úhlových rychlostí jsou velmi jednoduché, robustní a nepotřebují žádný zdroj napětí. Jejich použití především pro měření otáček je velmi výhodné. • Elektrodynamické snímače. Snímače úhlové rychlosti jsou založeny na principu magnetické indukce (Faradayův zákon). Z hlediska funkce snímače můžeme uvažovat následující typy elektrodynamických snímačů úhlové rychlosti: • • • •

tachodynamo tachogenerátor unipolární dynamo snímače využívající vířivých proudů

Obrázek 5-53 Tachodynamo

Na obr. 9-17. je nejznámější snímač - stejnosměrné dynamo. V magnetickém poli trvalého magnetu nebo el. magnetu se otáčí kotva s vinutím. Může být buď z feromagnetika nebo bez něj. Konce vinutí kotvy jsou vyvedeny na komutátor, odkud odebíráme pomocí sběračů stejnosměrného napětí U snímače, které je úměrné otáčkám. Podle provedení je výstupní napětí při jmenovitých otáčkách v rozsahu desítek až stovek voltů. Linearita základní charakteristiky je lepší než 1 %. Jmenovité výkony těchto snímačů jsou od 0,1 W až po desítky wattů. Teplotní chyba je dána především vlivem trvalých magnetů a je asi 0,1 %/10°C. Střední doba života sběrače se udává přibližně 20 tis. hodin. Výhodou tachodynam je jejich velký výstupní signál, možnost indikace směru otáčení. Nedostatkem je poměrně velké zvlnění výstupního napětí.

138

5.5.3 Měření deformace K měření deformace těles se užívá tenzometrů. Měření můžeme rozdělit na: • statická • dynamická Měření deformací představuje jednu z nejrozsáhlejších oblastí z oboru měření neelektrických veličin. V automatizační technice poskytují měřiče deformací informace o práci jednotlivých strojů a o jejich funkčním stavu. Členy pro měření deformací se běžně používají i u snímačů pro měření jiných veličin, jako např. síly, tlaku, torze, chvění, zrychlení apod. 5.5.3.1 Základní fyzikální vztahy Poměrnou deformaci ε měřeného tělesa definujeme jako podíl deformace a jednoho z původních rozměrů tělesa,

ε=

∆l l

kde l nazýváme odměrná délka snímače, která může mít dosti rozdílnou velikost, např. 1 až 500 mm, a omezuje kmitočtový rozsah snímače při dynamických měřeních. Pro oblast pružné deformace nám platí Hookeův zákon, který říká, že poměrná deformace je úměrná mechanickému napětí materiálu,

σ=E.ε kde:

σ

...

mechanické napětí

E

...

modul pružnosti v tahu měřeného tělesa

Pružná deformace je taková deformace kdy po namáhání materiálu se materiál vrátí do původního tvaru Předpokládáme-li platnost Hookeova zákona, můžeme změřením poměrného posunutí určit velikost mechanického napětí. Vzhledem k tomu, že jde o velmi malé posunutí, je nutné použít velmi citlivých měřidel. Využívá se u nich změny odporu, indukčnosti, kapacity apod. 5.5.3.2 Tenzometrické snímače odporové Vychází z popsané závislosti odporu na délce a průřezu a tím na deformaci. Pro odpor válcového vodiče platí vztah 3.24. Diferenciací tohoto vztahu pro malé změny odporu dostaneme

∆R R

=

∆ρ ∆l ∆S + − ρ l S 139

protože

∆S ∆d =2 S d dostaneme

∆R R

=

∆ρ ∆l ∆d + −2 l ρ d

odvozením dostaneme

(

∆R ∆l = 1 + βρ + µ p R l kde:

)

βρ

...

součinitel úměrnosti

µp

...

součinitel příčného stlačení (Poissonovo číslo)

kde pak součinitel deformační citlivosti K = 1 + βρ + 2 µ p Jeho velikost je závislá na materiálu. Pro nejvíce používaný konstantan je pak K přibližně rovno 2. Z těchto vztahu vyplývá, že určující je objemová (délková) změna vodiče, kdežto změna vodivosti βρ se uplatňuje u kovů málo. 5.5.3.2.1 Kovové tenzometry a) příložné - s volným odporovým článkem. Lze je konstruovat jako příložné a po ukončení měření je můžeme znovu použít. Vlastní odporový drátek je napjat mezi izolačními nosníky, na které se mechanicky přenáší posunutí měřené části. Výhodou je i možnost použití při vyšších teplotách (až 310°C). Nevýhodou je omezený měřící rozsah. Snímače s větší odměrnou délkou se používají k trvalému zabudování do měřeného místa (měření deformací přehrad). b) lepené s kruhovým průřezem odporového drátku. Odporový drát má tvar mnohonásobné vlásenky a je nalepen na tenký podklad z papíru, plastické hmoty, azbestu. Konce aktivního odporového drátku jsou přiletovány na tlustší vývody. Nevýhodou je parazitní vliv teploty. Uspořádání snímače je patrné z obr. 10-1. V dolní části obrázku je průběh smykového a tahového napětí podél snímače.

140

Obrázek 5-54 Uspořádání kovového tenzometru

Na obr. 10-2 je zobrazeno několik provedení tenzometrů.

Obrázek 5-55 Provedení tenzometrů

a) Konce drátu mají kruhové zaoblení. a) Typ s vinutým drátem na válcové podložce, která je pak zmáčknuta, konce drátu mají ostrý ohyb a podložka má trojnásobnou tloušťku a tedy větší hmotnost. b) Dělený typ tenzometru - mřížka je tvořena tak, že příčné drátky mají větší průřez. Příčná citlivost je menší. c) Typ tkaný. Odporový drátek tvoří útek např. umělé hedvábí (skleněné vlákno), tvoří osnovu tkaniny tkané tak, že se drátek neobjeví na povrchu. Tabulka 5-1 Vlastností tenzometrů

Rozsah základních vlastností tenzometrů Celková hodnota odporu 50 - 2500 Ω Délka 3 - 35 mm Šířka 0,8 - 12 mm Max.hodnota zrychlení 50 kHz Hmotnost 100 mg - 1 g Tloušťka 0,1 - 1 mm i víc Průměr aktivního drátu okolo 25 µ m Nejvyšší pracovní 50, popř. 200°C V případě, že chceme měřit poměrné prodloužení ve více směrech, používáme sdružené tenzometry. Na jedné podložce je umístěno několik vhodně orientovaných vinutí, která jsou umístěna nejen vedle sebe, ale i na sobě. (viz obr. 10-3). 141

Obrázek 5-56 Měření poměrné prodloužení ve více směrech

Snímače s obdélníkovým průřezem odporového drátku - fóliové. Jde o další vývojový stupeň předchozího typu. Jsou zhotoveny z fólie tloušťky 1 až 10 µm, uložené na podložce z umělé hmoty. Různé tvary jsou uvedeny na obr. 10-4. Při vhodné tloušťce fólie lze připustit podstatně větší proud snímačem, protože je mnohem lepší odvod tepla než u snímače s kruhovým průřezem drátku. Proud se pohybuje v rozsahu 100 - 650 mA. Výhodou jsou taky pevnostní poměry na stykových plochách kovové fólie a izolační podložky. Je lepší styk vlastního odporového prvku s podložkou a taky rozložení a hodnoty smykových napětí jsou výhodnější.

Obrázek 5-57 Fóliové tenzometry

5.5.3.2.2 Polovodičové tenzometry Podle předchozího závisí součinitel deformační citlivosti polovodičového tenzometru na krystalografické orientaci, druhu vodivosti (typu P nebo N) a na měrném odporu. Nejčastěji používaná hodnota jmenovitého odporu je 60, 120 a 350 Ω. Používané základní materiály křemík a germanium jsou tvrdé a křehké. Působením tlaku dochází k elastické deformaci až k mezi pevnosti. Mezní deformace, při níž dochází k nevratným změnám tenzometrů, závisí na průřezu a povrchu polovodičového článku. Výhodou je vysoká citlivost v obou směrech (zvětšení, zmenšení). Nevýhodou je vyšší citlivost na změnu teploty.

Konstrukce polovodičových tenzometrů je na obr. 10-5. Polovodičové články lepíme buď přímo na měřený materiál, nebo jsou na vhodné podložce. Rozměry článku:

délka 3,0 - 30,0 mm 142

šířka

0,5 - 12,0 mm

tloušťka

0,02 - 0,1 mm

Obrázek 5-58 Polovodičové tenzometry

Na obr. 10- 5 je znázorněno několik základních typů: a) jednoduchý - na podložce i bez podložky b) tvaru U - nevýhodou je poměrně velká příčná deformační citlivost c) dvojitý (polomůstek) - dva tenzometry obdélníkového tvaru z polovodičů s opačnými znaménky součinitele deformační citlivosti, ale stejné velikosti. Oba články mají stejnou jmenovitou hodnotu odporu a stejný teplotní součinitel odporu. d) tenzometrický můstek - složen ze čtyř odporových prvků e) křížový - pro zjišťování směru hlavního napětí f) terčový - kruhový nebo čtvercový tvar g) sdružené - vhodné pro zjišťování směru mechanického namáhání. Mimo základní použití pro měření deformací na různých konstrukcích, setkáme se i s požadavkem měření velkých hodnot deformací,

∆l l

= 0,5

i více, při měření na pryži, umělých hmotách apod. 5.5.3.3 Indukčnostní snímače Popsané principy snímačů pro posunutí se dají využít i pro měření deformace. Indukčnostní snímače deformací se v porovnání s odporovými tenzometry nehodí pro dynamická měření, jsou však vhodné pro těžké provozy. Snímače tohoto typu sovětské konstrukce se běžně vyrábějí jako příložné nebo pro první uchycení na měřené části. 143

5.5.3.4 Magnetoelastické snímače Pro měření deformace se užívají magnetoelastické tenzometry, na obr. 10-6 je provedení tzv. lístkových snímačů. Jejich tloušťka je 0,1 až 0,3 mm; šířka a délka 10 až 15 mm. Snímač je přilepen nebo přivařen na měřenou část. Jsou vhodné pro dynamický provoz, od několika Hz do 10 kHz, a do obtížných podmínek, ve kterých se nedají použít odporové tenzometry.

Obrázek 5-59 Magnetoelastické tenzometry

5.5.3.5 Tenzometry využívající inverze Wiedemannova jevu Deformace v povrchu měřené části je většinou přímočará a musíme ji tedy vhodným způsobem převést na torzní namáhání trubky. Nejčastěji používané řešení je na obr. 10-7.Na koncích torzní trubky 1 jsou upevněna kruhová čela 2 a 4, na jejichž obvodu v tečně jsou bodově přivařeny planžety 3 a 5. Při posunutí pásů v naznačeném směru dojde ke kroucení trubky 1.

Obrázek 5-60 Tenzometr využívající inverze Wiedemannova jevu

Na obr. 10- 8 je konstrukční řešení. Snímač je upraven tak, aby bylo možno torzní trubku 4 vkládat do pouzdra i po připojení snímače na měřenou část. Torzní trubka má dvě větve budícího vinutí 5. Pouzdro snímače 2 se skládá ze dvou částí s dvěma víky 1, kterými se vždy dvěma šrouby svírá každé čelo torzní trubky. Pouzdra mají planžety a patky 3. Na trubce je dále nasazeno měřící vinutí 6. Snímač lze dobře připevnit na měřenou část, aniž se poškodí vlastní torzní prvek. Charakteristika snímače je lineární v rozsahu poměrné deformace do ε1 = 0,4%. Citlivost je asi 2V/%. Jsou vhodné pro statická měření. Vyznačují se jednoduchostí a poměrně velkým výstupním napětím. 144

Obrázek 5-61 Tenzometr využívající inverze Wiedemannova jevu konstrukční řešení

5.5.3.6 Elektromagnetické snímače Měřenou neelektrickou veličinou se mění rezonanční kmitočet mechanického článku, který je elektromagneticky snímán. Na výstupu dostáváme napětí, jehož kmitočet je úměrný měřené veličině. Nejčastěji používaným vibračním článkem bývá ocelová struna. Pro rezonanci platí vztah:

f = kde:

E ∆l ⋅ s l

1 2l l

...

délka struny

E

...

modul pružnosti

s

...

hustota materiálu struny

∆l l

...

relativní prodloužení struny

Snímače tohoto typu jsou vhodné k měření deformací ocelových konstrukcí. Na obr. 10-8 je konstrukční uspořádání dotykového snímače tohoto typu. Břity 3 a 7 se snímač dotýká měřeného tělesa. Struna 4 je buzena pomocí elektromagnetu 5. Dlouhodobá stálost tohoto snímače je velmi dobrá. (v podstatě jako snímač elektrické kytary, zajímavé, že)

145

Obrázek 5-62 Elektromagnetický snímač, vibrační

5.5.4 Měření síly Měření síly je většinou založeno na využití deformačních členů, pomocí nichž se převádí síla na deformaci nebo výchylku. Rozlišíme snímače podle fyzikální veličiny, na kterou převádí sílu. 5.5.4.1 Rozdělení snímačů síly Mechanické, především dva typy: pružinové - síla působí na jeden konec pružiny, druhý je pevně uchycen. Prodloužení nebo stlačení pružiny je úměrné síle. Příkladem jsou pružinové siloměry a váhy. • pákové - jde především o váhy s protizávažím. • hydraulické - pracují na principu působení síly na píst, který stlačuje kapalinu. Tlak v kapalině se měří a je úměrný síle. Elektrické dále rozdělíme na: •

•

• • • •

•

odporové o snímače polohy k mechanickým snímačům síly o se stykovým odporem o tenzometrické indukčnostní magnetické magnetoelastické magnetoanizotropní o s inverzí Wiedemannova jevu o kapacitní piezoelektrické

146

5.5.4.2 Odporové snímače 5.5.4.2.1 Odporové potenciometry Měřící potenciometry se užívají k přeměně výchylky, vznikající u mechanických snímačů síly na elektrický signál. Mohou být využity i jiné principy snímání polohy. 5.5.4.2.2 Odporové snímače se stykovým odporem Pro aplikaci tohoto fyzikálního jevu se používá většinou uhlíku, popřípadě jiného polovodiče. Na obr. 10-10 je naznačeno jednoduché uspořádání uhlíkových desek. Desky jsou vyrobeny z elektrodových uhlíků, jejichž měrný odpor je (3 až 10)⋅10-5 ohmmetrů. Průměr destiček je 5 až 10 mm, tloušťka 0,5 až 3,5 mm. Používá se obvykle sloupců s 10 až 15 destičkami. Povrch desek je broušen a chráněn před znečištěním. Pro správnou činnost snímače je nezbytné, aby desky byly stlačeny určitou počáteční silou, jinak by byl odpor desek neurčitý. Pracovní bod je třeba volit tak, aby snímač pracoval v oblasti s malou nelinearitou. Lepší vlastnosti, pokud jde o průběh R = f (F), lze dosáhnout diferenciálním uspořádáním snímače. Rozsah měření (3 kN - 500 kN) je dán tloušťkou pružné stěny, jejíž průhyb při maximální hodnotě síly, by neměl být větší než 20µm.

Obrázek 5-63 Odporový snímač se stykovým odporem

Snímače mají vysokou mez odolnosti proti přetížení - až 200%. Chyba snímače tohoto typu je určena především teplotou a hysterezí. Teplota se projeví změnou odporu a geometrických rozměrů uhlíkových destiček. Teplotní součinitel odporu uhlíku je záporný. Částečná kompenzace tohoto vlivu může nastat, jestliže součinitel roztažnosti pouzdra snímače je volen tak, aby došlo k roztažnosti s jeho teplotou a tím k poklesu počátečního předpětí u snímače. U diferenciálního snímače je vliv teploty téměř kompenzován. Hysterezní chyba může být při 147

statickém zatěžování až ±7%. Umělým stárnutím lze snížit chybu až na ±2%. Proud prochází snímačem a způsobuje jeho oteplení, které je omezujícím faktorem pro největší dovolený proud. 5.5.4.2.3 Odporové tenzometry Odporové a jiné tenzometry se používají k měření deformace. Převod tlakové a tahové síly na deformaci se provádí pomocí pružných prvků, na jejichž povrch jsou nalepeny tenzometry. Má- li pružný prvek plnit svou funkci, musí mít tyto vlastnosti: • • • • • •

dostatečnou pevnost a odolnost proti porušení vysokou mez pružnosti minimální hysterezi a dopružování materiálu dlouhodobou stabilitu mechanických veličin lineární průběh pružné deformace v měřeném rozsahu minimální vnitřní pnutí

Obrázek 5-64 Tenzometrické snímače síly

Požadavky lze plnit především správným výběrem materiálu, jeho tepelným zpracováním a vhodným tvarem pružného prvku. Na obr. 3.55 jsou uvedeny základní tvary pružných prvků. Pro menší tlakové síly (do 2 kN) jsou vhodné ohybové prvky. Konstrukční uspořádání snímače tohoto typu je naznačeno na obrázku 2 (pro menší a větší tlakové síly). Maximální hodnota měřeného napětí nemá přesahovat 10 - 30 % meze pružnosti materiálu. Pro pružné prvky se doporučují materiály s vysokou mezí pružnosti. Pro normální teploty, např. ocel 16 148

640 (pevnost 1,6 - 1,8 1000 MPa) 450°C) je vhodná ocel 19 552. Její pevnost je kolem 2000 MPa. Pro korozní prostředí je vhodná ocel AKVH - 3, která má pevnost kolem 1,3 í teplotěMPa 1000 do př i provozn 400°C. Relativní chyba u některých konstrukcí je až 0,04 %. Rozsah měření podle konstrukce 10 kN až 20 MN. 5.5.4.3 Indukčnostní snímače Pro měření tlakových a tahových sil se používají jak snímače s malou vzduchovou mezerou, tak s otevřeným magnetickým obvodem. Na obr. 3.56 naznačen příklad provedení snímače tlakových sil s malou vzduchovou mezerou. Mezi jádry 1 a 2 z měkkého železa je kotva 3, jejíž dřík 4 se dotýká dna tělesa 5, které se stlačuje. Působením tlakové síly se těleso deformuje a kotva snímače 3 se posouvá spolu se dnem, s nímž je pevně spojena. Snímačem lze měřit v dynamickém provozu tlakové síly o kmitočtu 5 až 7 Hz. Snímač pro rozsah 2,5 MN má průměr 114 mm, výšku 115 mm. Při největší hodnotě síly je posunutí 20 až 60 mikrometrů. Charakteristika je lineární. Základní chyba je ±2%.

Obrázek 5-65 Indukčnostní snímač síly (Zehnula)

5.5.4.4 Magnetoelastické snímače Popis principu je v kap. 3.4.4. Magnetické snímače tohoto typu dosáhli největšího rozšíření. Jsou jednoduché a spolehlivé. Pro svou robustnost jsou vhodné pro těžké provozy. Pro snímače se často používá permalloyová slitina (78,5% Ni), někdy se též používá obyčejná měkká ocel. Změna teploty vyvolává změnu indukčnosti dosahující -2% na každých 10°C. 149

tyto chyby je možno kompenzovat například měděným odporem. Chyba trvalou deformací a mechanickou hysterezí dosahuje ± 2% i více. Rozsah měření 10 kN až 10 MN. Na obr. 10-13 je znázorněna typická konstrukce magnetoelastického snímače. V magnetickém obvodu 1 je uloženo vinutí snímače 2. Kroužky 3 uzavírají magnetický obvod. Horní kryt 4 je nalisovaným kroužkem 5 spojen s magnetickým obvodem snímače. Kompenzační vinutí 6 vyrovnává vliv teploty na snímač. Maximální dovolené přetížení bývá 100%.

Obrázek 5-66 Magnetoelastický snímač

5.5.4.5 Magnetoanizotropní snímače Pro malé síly se používá jednoduché uspořádání (obr. 10-14). Snímače velkých tlakových sil jsou pak většinou realizovány jako mnohočlánkové. Na obrázku je naznačeno uspořádání jednočlánkového a dvouřadého snímače. V tomto uspořádání se vyznačují větší citlivostí a linearitou. Rozsah měření až 5 MN, přesnost 0,5%, přetížitelnost 200%.

150

Obrázek 5-67 Magnetoanizotropní snímač, vícenásobný

5.5.4.6 Snímače využívající inverze Wiedemannova jevu Tento princip můžeme použít k měření tlakové nebo tahové síly, převedeme-li ji na zkrut tyče. Způsob převodu je naznačen na obr. 10-15. Pomocí tahové a tlakové síly jsou vytvořeny silové dvojice, jejichž krouticím momentem je namáhána měřící torzní trubka. Stranové tlaky rovnoběžné s osami měřících článků nevytvářejí kroutící moment a nemají vliv na přesnost měření. Stranové tlaky kolmé ke směru os měřících článků vytvářejí teoreticky krouticí momenty stejně velké, avšak opačného smyslu (vzhledem k zapojení cívek), takže výsledný signál by měl být nulový.

Obrázek 5-68 Snímač využívající inverze Wiedemannova jevu, princip

Vlivem výrobních tolerancí nejsou ohybové tuhosti jednotlivých částí převodového systému stejné. Vzniká parazitní signál. Rovněž z pevnostních důvodů jsou stranové tlaky v tomto směru nepřípustné. Proto je konstrukční uspořádání takové, aby byl plášť snímače dostatečně tuhý a měřená síla působila v ose snímače. Deformace snímače bývá nejvýše 100 mikrometrů. 151

Byly vyrobeny snímače tohoto typu pro síly do 0,1 MN. Přesnost je ± 0,5%. Pro měření sil je možné použít též snímače deformací 1, který je upevněn na stěně siloměrového článku 2 (hranol, válec apod.). Uspořádání je na obr. 10-19

Obrázek 5-69 Snímač využívající inverze Wiedemannova jevu, konstrukce

5.5.4.7 Kapacitní snímače Na obr. 10-17 je příklad konstrukce. Tyto snímače využívají změnu vzdálenosti elektrod. K tělesu 1 je přišroubována membrána 3. Uvnitř snímače mezi izolačními deskami jsou elektrody kondenzátoru 2 a 3. Tlaková síla je přenášena horní podložkou 5 na membránu v tělese 4, které se deformuje tak, že se změní vzdálenost mezi elektrodami 2 a 3. Snímače tohoto typu byly vypracovány pro rozsah 7,5 až 350 kN.

152

Obrázek 5-70 Kapacitní snímač

5.5.4.8 Piezoelektrické snímače Používají se především pro měření dynamických sil. Při použití křemenného krystalu se mohou používat do 500o C. Dalšími přednostmi jsou: malé rozměry, konstrukční jednoduchost, lineární charakteristika Q = f (F). Na obr. 10-17 je konstrukce snímače. Obsahuje dva piezoelektrické krystaly, 3 orientované tak, aby se náboje sčítaly při působení síly na přítlačný článek 1 prostřednictvím membrány 2.

Obrázek 5-71 Piezoelektrický snímač, přímý

Výstup snímače je z elektrody 4 s izolační průchodkou 5. Celý systém je uzavřen v pouzdru 6. Snímače se vyrábějí v nejrůznějších konstrukčních obměnách pro tlakové a tahové síly pro rozsahy od 10 kN do 1 GN. 153

Obrázek 5-72 Piezoelektrický snímač, zprostředkovaný

Pro měření velkých tlakových sil (nad 1000 MN), není možno působit celkovou silou přímo na křemenný krystal (dovolený měrný tlak je asi 8.104 MPa). Proto se velikost tlakové síly těchto hodnot může stanovit například měřením příčné síly obr. 10-18, při různé deformaci měrného deformačního článku 1. Příčná tlaková síla je snímána krystaly 3, izolovanými od prstence 2, který zajišťuje uchycení vlastního snímače. 5.5.5 Měření kroutícího momentu Měření momentu síly, někdy též označeného jako momentu kroucení, je většinou založeno na deformaci hřídele, na který působíme momentem síly. Deformaci hřídele měříme pomocí tenzometrů nebo snímačem výchylky. Jsou však známy měřiče, u nichž se využívá změny magnetických vlastností hřídele. Jelikož mechanické měřící přístroje nemají žádné uplatnění (kromě převodu odporovým potenciometrem na elektrický signál), rozdělíme si snímače podle fyzikálního principu: • odporový potenciometr, • odporový tenzometr, • indukčnostní snímač, • kapacitní snímač, • magnetoanizotropní snímač, • magnetoelastický snímač, • magnetický snímač s inverzí Wiedemannova jevu, • fotoelektrický, • optoelektrický. Úvodem si vysvětlíme princip deformace hřídele. Namáháme-li tyč o kruhovém průřezu krutem, zjistíme různé úhlové natočení dvou uvažovaných průřezů. Při podrobnějším rozboru 154

dostaneme vztah 3.29 mezi úhlem vyvolal. M =G

πr 4 4L

- rozdílem natočení a momentem, který toto natočení 

α

vztah 3.1 kde:

G

...

modul pružnosti ve smyku

L

...

vzdálenost mezi uvažovanými průřezy

r

...

poloměr tyče

M

...

moment síly

5.5.5.1 Snímače s odporovým potenciometrem Málo využívaný typ snímače. Používá se jako převodník k mechanickým snímačům momentu síly. Vytváří pak výstupní elektrický signál. 5.5.5.2 Odporový snímač s tenzometry Tento typ snímače je v současné době nejpoužívanější. Rozsah měřených hodnot 50 Nm až 50 kNm, vyrábějí se s přesností až 0,2 %. Jako deformačního prvku se užívá většinou hřídel. Na jejím povrch jsou pod úhlem 45° nalepeny odporové tenzometry, které vytvářejí celý můstek. Můžeme je rozdělit do dvou základních skupin podle způsobu vedení napájecího napětí a výstupního signálu můstku na otočnou hřídel. Kontaktní odporové snímače s tenzometry mají signál veden pomocí kroužků a sběrných kartáčů. Aby nedocházelo k opotřebení sběračů, jsou od kroužků v době mimo měření odkloněny pákovým mechanismem. Příklad konstrukce je na obr. 10-20. Na obr. 10-21 je schéma elektrického zapojení snímače. Bezkontaktní snímače rozdělíme podle způsobu přenosu signálu na: • • • •

indukční kapacitní vysokofrekvenční kombinované

155

Obrázek 5-73 Konstrukce snímače s tenzometry

kde: 1. 2. 3. 4. 5.

měřená hřídel kryt snímače kroužky sběrače svorkovnice

Obrázek 5-74 Snímač s tenzometrickým můstkem

156

Obrázek 5-75 Způsoby přenosu signálů z hřídele

Na obr. 10-22 je snímač s kombinovaným přenosem. Jde o kombinaci indukčního vstupu a kapacitního výstupu. V průmyslu se všechny tyto přenosy používají. 5.5.5.3 Indukčnostní snímače Jako snímačů momentu síly se používají především typy s malou vzduchovou mezerou. Popis konstrukce: na hřídeli jsou v určitém rozestupu umístěny tři prstence z nemagnetického materiálu. Na dvou krajních jsou pak umístěny ploché prstence z feromagnetického materiálu, opatřené zuby, které jsou na straně ke středu. Mezi těmito prstenci je umístěn třetí prstenec, také z feromagnetického materiálu, se zuby na obou stranách. Zuby krajních a středního prstence do sebe zapadají s vůlí, která je v celém obvodu konstantní a tvoří vzduchové mezery δ1, δ2. Okolo tohoto systému je umístěna cívka nebo systém cívek. Zkroucením hřídele dojde ke změně vzduchových mezer δ1, δ2 a tím ke změně indukčnosti nebo vzájemné indukčnosti snímače. Tato změna odpovídá momentu síly. Takovéto snímače se vyrábějí pro použití do 4000 ot/min. Jejich hlavní nevýhodou je, že mají vývody pouze ve statorové části. 5.5.5.4 Magnetoelastický snímač Měření je možné dvěma způsoby. Na obr. 10-23b se měří změna permeability mezi body 1-2 nebo 3-4 pomocí přiloženého indukčnostního snímače tvaru U. Druhá možnost je na obr. 1023a, kdy celkovou změnu permeability hřídele měříme pomocí cívky, která je na hřídel nasunuta.

157

Obrázek 5-76 Magnetoelastický snímač

Řešení kroutícího momentu těmito metodami je dosti výjimečné, protože je provázeno mnoha parazitními vlivy, jejichž kompenzace je obtížná. 5.5.5.5 Magnetoanizotropní snímač Snímač je složen ze dvou magnetických obvodů. Budící vinutí je napojeno na zdroj střídavého napětí. Jádra jsou umístěna otevřenou částí blízko hřídele tak, že budící magnetický obvod je rovnoběžný s osou hřídele (obr. 10-24). Budící magnetické pole je souměrné, proto neprochází sekundárním obvodem, umístěným kolmo k budícímu. Je-li však hřídel zatížen kroucením, deformuje se také magnetické pole obvodu a tak dojde k průchodu magnetického toku sekundárním magnetickým obvodem. Tím je na něm indukováno napětí, které je kromě jiného úměrné momentu síly. Takto konstruovaný snímač je velmi citlivý na nehomogenitu hřídele. Proto se běžně používá tzv. kruhový snímač.

Obrázek 5-77 Magnetoanizotropní snímač

158

Ten se skládá ze tří stejných prstenců, které mají vyčnívající póly a mohou být pro rychlou a snadnou montáž ze dvou polovin. Vinutí cívek na jednotlivých pólových nástavcích jsou zapojena tak, že mají střídavě opačný smysl vinutí. Střední prstenec je proti oběma vnějším prstencům posunut o polovinu pólové rozteče, přičemž vzdálenost mezi prstenci je rovněž rovna polovině pólové rozteče. Střední prstenec slouží jako budící magnetický obvod. Oba vnější prstence jako sekundární, jejich snímací cívky jsou zapojeny v sérii s opačným smyslem vinutí. Tento typ snímače se vyrábí pro rozsah 50 Nm až 1 kNm, pro rozsah otáček 0 až 100 000 ot/min. 5.5.5.6 Snímače s využitím inverze Wiedemannova jevu Sám princip tohoto snímače se nabízí pro měření kroutícího momentu, jelikož jeho výstupní napětí odpovídá úhlu zkroucení trubky snímače. Je tedy pouze nutné zařadit tuto trubku mezi hřídel hnací a hnanou. Konstrukce snímače kroutícího momentu má být taková, aby nemohlo dojít při montáži snímače k namáhání torzní trubky. Kryt snímače má ochránit magnetický obvod snímače před vnějším parazitním magnetickým polem a má přenést reakci upevnění torzní trubky. Kryt snímače má také ochránit torzní trubku před případným mechanickým poškozením a před deformací torzní trubky při upevňování na vnější plášť. Uvnitř pláště je pouzdro z nemagnetického materiálu, které zamezuje, aby se parazitní magnetický tok v plášti uzavřel přes torzní trubku. Při měření torze otáčející se měrné části (hřídele) vzniká problém přenosu budícího proudu do rotujícího vinutí. Vzhledem k tomu, že se jedná o přenos poměrně velkých proudů, je řešení velmi obtížné, proto se pro tuto aplikaci uvedený princip málo používá. 5.5.5.7 Indukční snímač Pro měření zkroucení hřídele se nejčastěji používají indukční snímače. Zajímavá je konstrukce, u které je přenos signálu z rotační části vyloučen. Snímač tohoto typu je tvořen dvěma synchronními jednofázovými generátory, jejichž rotory jsou nasazeny na hřídeli ve dvou průřezech. Statory obou generátorů jsou zapojeny proti sobě. Nepůsobí-li krouticí moment, jsou elektromotorická napětí, která se v nich indukují, fázově posunuta o 180°. Působí-li krouticí moment, natáčejí se rotory snímače, a tím se fázově posouvají elektromotorická napětí obou statorů. 5.5.5.8 Fotoelektrické snímače Tento snímač pracuje na principu dvou clon, které jsou uchyceny v určité vzdálenosti na kroucené hřídeli. Clony obsahují otvory, jimiž prochází světelný tok ze žárovky na fotoelektrický snímač. Zkroucením hřídele se posunou vzájemně otvory obou clon, což má za následek, že se bude měnit délka světelných pulsů a tedy i délka elektrických pulsů na výstupu snímače. 159

5.5.5.9 Optoelektronické snímače Jde o soustavu dvou snímačů úhlové rychlosti. Zkoumáme časový odstup světelných impulsů z jednotlivých snímačů, jejichž vstupy jsou umístěny u hřídele. 5.5.6 Měření zrychlení Snímače zrychlení jsou založeny na využití vztahu mezi zrychlením a silou : F = m⋅a kde:

F

...

síla působící v těžišti setrvačné hmotnosti

m

...

setrvačná hmotnost

a

...

zrychlení

Při konstantní setrvačné hmotnosti převádíme měření zrychlení na měření síly. Pro snímače zrychlení můžeme využít všechny fyzikální principy, které se používají k měření sily. V praxi se využívají snímače: a) odporové • s potenciometrem • se stykovým odporem • tenzometrické b) indukčnostní c) magnetostrikční d) piezoelektrické 5.5.6.1 Odporové snímače Odporové snímače s potenciometrem Tyto snímače využívají vliv setrvačné hmotnosti na pružný závěs. Definovaná setrvačná hmotnost upevněná na pružině nebo pružné tyči, způsobí vlivem zrychlení deformaci závěsu a tím i změnu polohy, tu pak potenciometrem převedeme na elektrický signál. 5.5.6.1.1 Odporový snímač se stykovým odporem Má dva uhlíkové sloupce (obr. 11-1). Tyto jsou pevně uchyceny mezi kryty. Uprostřed mezi nimi je na společné ose pohyblivě nasazena vložka na které je upevněna setrvačná hmotnost. Působením zrychlení dochází ke stlačování jednoho nebo druhého sloupce. Tímto je umožněno měření kladného i záporného zrychlení. Oba sloupce jsou zapojeny do Wheastnova můstku.

160

Obrázek 5-78 Odporový snímač se stykovým odporem

5.5.6.1.2 Odporový snímač s tenzometry U většiny snímačů se převádí zrychlení na deformaci nosníku vetknutého na jednom konci. Na volném konci nosníku je těleso uchyceno se setrvačnou hmotností m. Při působení zrychlení a je nosník ohýbán silou, která působí v těžišti tělesa se setrvačnou hmotností m. Jestliže má nosník tvar rovnoramenného trojúhelníku, bude po celé délce v povrchových vláknech nosníku konstantní deformace. Na povrchu nosníku jsou nalepeny většinou čtyři tenzometry, které vytvářejí úplný tenzometrický můstek. 5.5.6.1.3 Indukčnostní snímače Na obr. 11-2 je znázorněno různé uchycení setrvačné hmoty, přičemž na obr. 11-2 a, b vytváří setrvačnou hmotu přímo jádro snímače. Na 11-2c je setrvačná hmotnost samostatně. Toto uspořádání umožňuje změnu rozsahu měření výměnou setrvačné hmotnosti.

Obrázek 5-79 Indukčnostní snímače

161

5.5.6.2 Magnetostrikční snímače Na obr. 11-3 je princip magnetostrikčního snímače zrychlení. Působením zrychlení se vytváří silové působení setrvačné hmotnosti 1 na magnetický obvod 3. Ve vinutí 4 se pak indukuje napětí. Pomocí membrány 5 je vytvořeno potřebné napětí. Výhodou magnetostrikčních snímačů je jejich jednoduchost, robustnost, vysoký rezonanční kmitočet. Nedostatkem je obtížné cejchování, změna vlastností magnetického obvodu s časem, menší přesnost. Proto jsou vhodné především pro speciální aplikace.

Obrázek 5-80 Magnetostrikční snímač

5.5.6.3 Piezoelektrické snímače Jsou používány především pro dynamická měření a nejvíce pro měření vibrací. Jejich velkou výhodou je malá hmotnost a široký frekvenční rozsah.

Obrázek 5-81 Piezoelektrický snímač

162

Princip spočívá v tom, že na piezoelektrický krystal působí v podrezonanční oblasti síla od setrvačné hmotnosti. Deformace piezoelektrického článku od této síly je vyvolána tlakem, kombinací tlaku a tahu nebo ohybem. Tato deformace způsobí vznik náboje na krystalu, který je úměrný zrychlení. Na obr. 11-4 je konstrukční uspořádání piezoelektrického snímače zrychlení. Tvarované víko snímače tvoří podklad, na kterém je uchycen souose na tyčce piezoelektrický prvek. Na téže tyčce je nasazena setrvačná hmotnost, která je přes šroub přitlačována k piezoelektrickému prvku. Celý systém kryje základ snímače. 5.5.7 Měření vibrací K měření se používají snímače výchylky, rychlosti a zrychlení. Dělení snímačů vibrací je možné z několika pohledů. Jako základní vezmeme dynamické vlastnosti snímačů, další dělení je podle způsobu styku s měřeným objektem. Snímače vibrací rozdělíme na: • absolutní • relativní • dotykové • bezdotykové Podle fyzikálního principu dělíme snímače: a) indukční elektromagnetické b) piezoelektrické c) indukčnostní d) odporové • kontaktové • tenzometrické • elektrolytické • potenciometrické • se stykovým odporem e) fotoelektrické f) optoelektrické g) emisní h) kapacitní U absolutních snímačů se používá setrvačná hmotnost jako relativně klidné těleso, které je s kmitající měřenou částí spojeno článkem s malou tuhostí a malým tlumením. 163

Relativní snímače pracují tak, že hmotnost představující měřící systém je pevně spojen článkem s velkou tuhostí s měrným tělesem. Rozhodujícími parametry jsou: kmitočtový rozsah, amplitudový rozsah, hmotnost snímače, teplotní rozsah. 5.5.7.1 Piezoelektrické snímače Používají se pouze absolutní, konstrukce je zcela shodná se snímačem zrychlení. Mají v podstatě shodnou konstrukci jako u snímačů zrychlení. Jsou i pro mnohé úlohy záměnné. 5.5.7.2 Indukční snímače elektrodynamické Jsou jak absolutní tak relativní. Základní uspořádání je na obr. 11-5. Jde o souosé provedení se stálým magnetem 4 v ose snímače. Mezi pólovými nástavci 2, 3 je vzduchová mezera tvaru mezikruží, ve kterém je cívka 1 uchycena tak, aby mohla kmitat ve směru podélné osy systému. Setrvačnou hmotnost tvoří vlastní cívka.

Obrázek 5-82 Indukční snímač

5.5.7.3 Indukčnostní snímače Mohou být jak relativní, tak absolutní. Relativní snímače jsou snímače posunutí většinou s otevřeným magnetickým obvodem v diferenčním zapojení. Snímač (obr. 11-6) je upevněn krytem 1 k pevnému tělesu (rám stroje apod.). V krytu jsou upevněné cívky 2 v diferenčním zapojení. V dutině cívek 2 je pružně uloženo feromagnetické jádro 3 s měřící tyčí 4. Působením vibrací na měřící tyč dojde k posouvání jádra a tím ke změně indukčnosti snímače.

Obrázek 5-83 Relativní indukčnostní snímač

164

Absolutní snímač je na obr. 11-7. Jádro 1 snímače s otevřeným magnetickým obvodem je spojeno nosnou tyčí 2, která je uchycena na obou koncích do plochých pružin tak, aby se mohla posouvat ve směru osy snímače, tato tyč včetně jádra a kovového prstence 4 vytváří setrvačnou hmotnost snímače. Tlumení se děje magneticky permanentním magnetem 3 a kovovým prstencem 4. Snímač lze přišroubovat k měřené části pomocí pouzdra 5.

Obrázek 5-84 Absolutní indukčnostní snímač

5.5.7.4 Odporové snímače Vyskytují se ve všech provedeních od kontačních až po snímače se stykovým odporem. 5.5.7.4.1 Odporové snímače kontaktové používají se většinou jako relativní, měřící tyč ovládá kontakty na pevném tělese. Snímač ukazuje jen koncové polohy vibrací od určité úrovně. 5.5.7.4.2 Odporové snímače s potenciometrem Stejné použití a princip přenosu jako u předchozího. Dávají však spojitý signál, odpovídající vibracím. 5.5.7.4.3 Odporové snímače tenzometrické Používají se pouze absolutní, konstrukce je zcela shodná se snímačem zrychlení. Mají v podstatě shodnou konstrukci jako u snímačů zrychlení. Jsou i pro mnohé úlohy záměnné. 5.5.7.4.4 Odporové snímače se stykovým odporem Používají se pouze absolutní, konstrukce je zcela shodná se snímačem zrychlení. Mají v podstatě shodnou konstrukci jako u snímačů zrychlení. Jsou i pro mnohé úlohy záměnné. 5.5.7.4.5 Elektrolytické odporové snímače V uzavřené nádobce naplněné elektrolytem jsou dvě pevné a mezi nimi jedna pohyblivá elektroda. Při pohybu pohyblivé elektrody se mezi ní a pevnými elektrodami mění ohmický 165

odpor elektrolytu. Snímač je značně teplotně závislý a konstrukčně náročný a proto se téměř nepoužívá 5.5.7.5 Fotometrické snímače Podstatou fotometrických snímačů mechanických kmitů je, že pohybem kmitajícího předmětu se mění průměr světelného svazku dopadajícího na některý detektor záření. Schéma snímače ukazuje obr. 11-8

Obrázek 5-85 Princip fotometrického snímače

kde: 1) světelný zdroj 2) objektiv 3) štěrbina 4) fotodetektor 5) kmitající setrvačná hmota k) pružina b) tlumič 5.5.7.6 Emisní snímače Tento snímač je v podstatě dvojitou vakuovou diodou. Při změně polohy obou anod vůči nepohyblivé katodě se mění proudy protékající oběma větvemi diody. 5.5.7.7 Kapacitní snímače U pasívních kapacitních převodů způsobuje měřené mechanické kmitání kapacitní změny kondenzátoru, napájeného ze zdroje střídavého napětí. Měřící kondenzátor v tomto případě mění svou kapacitanci a tyto změny jeho odporu jsou buď přímo měřenou analogovou elektrickou veličinou, nebo mění některý parametr elektrického obvodu, jehož součástí je tento kondenzátor.

166

5.5.8 Měření tlaku Snímače tlaku jsou většinou založeny na přeměně tlaku deformaci změnu polohy deformačního členu. Podle výstupního signálu dělíme snímače : • • •

Hydrostatické Mechanické Elektrické

5.5.8.1 Hydrostatické tlakoměry 5.5.8.1.1 Nádobkový tlakoměr Nádobkový tlakoměr se skládá z nádobky a svislé trubice. Větší tlak připojíme na hrdlo nádobky, menší horní konec trubice. Působením obou tlaků se sníží hladina v nádobce a zvýší v trubici.

Obrázek 5-86 Nádobkový tlakoměr

p 1 = p 2 + ρ * g * ∆h ρ…měrná hmotnost kapaliny g…gravitační zrychlení ∆h…svislá měřená výška hladiny v trubici ∆p = p 1- p2 ∆p = ρ * g * ∆h Hodnota součinu ρ * g * ∆h představuje hydrostatický tlak sloupce, který je stejně velký jako rozdíl připojených tlaků.

167

5.5.8.1.2 Trubicový tlakoměr Jestliže je tlak p 1 > p 2 vychýlí se kapalina tak, že vytvoří sloupec, jehož hydrostatický tlak se vyrovná rozdílu připojených tlaků. p1 = p 2+ρ * g * h měřený rozdíl tlaků ∆p = p 1- p2 = ρ * g * h celková výška h je h = h1+ h2

Obrázek 5-87 Trubicový tlakoměr

Při stejných průřezech obou ramen lze odečítat rozdíl hladin v obou ramenech nebo ji brát jako dvojnásobek hodnoty odečtené na jednom rameni. Pro měření vyšších tlaku se užívají U tlakoměry uzavřené ( kompresní ) . Jedna trubice je uzavřená a nad hladinou kapaliny je vzduch. 5.5.8.2 Plovákové tlakoměry Bývají většinou provedeny z ocelové trubice U, jejíž jedno rameno má větší průřez. Na hladině ( většinou rtuti ) v širším rameni je umístěn plovák, jehož poloha je funkcí tlaku. 5.5.8.3 Zvonové tlakoměry Patří do skupiny tlakoměru se silovým účinkem. Výsledná síla vzniká působením připojeného tlaku na zvon plující v kapalině. Tyto snímače se používají pro měření malých přetlaků.

168

Obrázek 5-88 Zvonový tlakoměr

Prstencové tlakoměry Prstencový tlakoměr je tvořen kruhovou trubici, otočně uloženou ve svém středu. Trubice je částečně naplněná uzavírací kapalinou. Je opatřena závažím a na opačné straně souměrně umístěnými tlakovými přívody, mezi nimiž je přepažena. Působí-li v jedné části přetlak p, vychýlí se sloupec kapaliny tak, že vzniklý moment natáčí prstenec, až se vyrovná s momentem vyvolaným hmotností vychýleného závaží. Výchylka se pomocí snímačů úhlové výchylky převádí na elektrický signál.

Obrázek 5-89 Princip funkce prstencového tlakoměru

169

5.5.8.4 Pístové tlakoměry Z jedné strany působí přetlak kapaliny p, z druhé strany působí pístní síla F, určená buď závažím, nebo deformací pružiny. Převod na elektrický signál je možný libovolným snímačem síly nebo polohy.

Obrázek 5-90 Pístový tlakoměr

5.5.8.5 Mechanické tlakoměry Mechanické tlakoměry jsou založeny na změně geometrického nebo deformačního členu, který je namáhán měřeným tlakem. Toto namáhání musí být v rozsahu pružných deformací. 5.5.8.5.1 Tlakoměr membránový Pro měření nižších tlaků se požívají tenké pružné fólie, pro měření vyšších tlaků se používají tuhé membrány. Vlivem působení tlaku dochází k prohybu membrány a vnitřnímu pnutí, které je úměrné velikosti tlaku. Převod na elektrický signál se děje pomocí snímače výchylky. Nejčastěji se setkáváme s měřením mechanického napětí u membrány pomocí odporových tenzometrů. Membránu lze také vyrobit z monokrystalu, ve kterém jsou zároveň vytvořeny odporové tenzometry.

Obrázek 5-91 Membránový tlakoměr

170

5.5.8.5.2 Tlakoměry trubicové Tyto tlakoměry využívají podélné nebo tečné deformace stěny trubky. Převod na elektrický signál se děje pomocí odporových tenzometrů, které jsou nalepeny na stěně trubky. Největšího rozšíření dosáhl tlakoměr s Bourdonovou trubici. Trubice s nekruhovitým průřezem je na jednom konci uzavřena a je stočena do tvaru kružnice. Posunutí volného konce je úměrné měřenému tlaku.

Obrázek 5-92 Tlakoměr s Bourdonovou trubici

5.5.8.5.3 Tlakoměry krabicové a vlnovcové Jediná membrána dává při měření tlaku poměrně malý zdvih. Proto se skládají tlakoměry ze dvou stejných membrán a vytváří se tzv. tlakoměrné krabice. 5.5.8.6 Elektrické tlakoměry Rozdělení podle způsobu působení tlaku : • Přímé • Zprostředkované Rozdělení podle principu : •

odporové o potenciometrické o s využitím stykového odporu o tenzometrické - s měřením deformace - s přímou deformací • indukčnostní • kapacitní • piezoelektrické

171

5.5.8.6.1 Snímače s přímým působením tlaku Tlakoměry odporové Tyto snímače využívají změny odporu při všestranném působení tlaku. Jako odporový materiál se používá manganin. Kapacitní tlakoměry Jednou elektrodou kondenzátoru je přímo kovová membrána, druhá pevná elektroda je od ní vzdálena o d . Působením tlaku dojde k průhybu elektrody a tím se změní kapacita snímače.

Obrázek 5-93 Kapacitní tlakoměr

Snímače se zprostředkovaným působením tlaku Tyto snímače měří změnu polohy, silové působení nebo deformaci, které vzniknou působením tlaku na hydrostatické nebo mechanické tlakoměry. Kontaktní snímače Kontaktní snímače působí jako indikátor mezních nebo důležitých velikostí tlaků.

Obrázek 5-94 Kontaktní snímače

172

Odporové potenciometrické snímače Tyto snímače se užívají jako měřiče polohy u hydrostatických zvonových a plovákových tlakoměrů a u membránových, vlnovcových a krabicových tlakoměrů. Při použití Bourdonovy trubice měří úhlovou výchylku. Odporové snímače s využitím stykového odporu Pevná membrána působí na sloupec uhlíkových destiček předepjatých tlakovou silou. Vlivem silového působení se mění stykový odpor mezi destičkami a tím i celkový odpor. Odporové snímače tenzometrické Tyto snímače měří deformaci mechanických tlakoměrů membránových a trubkových. Většinou jsou přímo nalepeny na deformačním členu tlakoměru. Indukčnostní snímače Měří se změna polohy deformačního členu mechanických tlakoměrů. Kapacitní snímače Používají se výjimečně tam, kde není možné zhotovit elektrický vodivou membránu 5.5.9

Měření průtoku, množství.

5.5.9.1 Snímače průtoku Průtok se měří podle objemu nebo podle hmoty, které protekly průřezem za jednotku času. V prvním případě jde o objemový průtok, ve druhém případě o průtok hmotnostní. Objemový průtok : Q v = S * v

[ m3s-1 ]

Hmotnostní průtok : Q m = S * v * ρ

[ kg s-1 ]

Rozdělení snímačů podle druhu materiálu jehož průtok měříme : • Kapalné a plynné • Sypké hmoty Rozdělení podle principu snímače : •

•

•

objemové o bubnové ( rotační ) o zubové ( s oválnými rotory ) rychlostní o axiální o radiální dynamické o trysky 173

o clony o Pitotova trubice • odstředivé • plovákové o rotametr o přepad • danaida • značkovací • tepelné • indukční • ultrazvukové • vírové • speciální Rozdělení snímačů průtoku sypkých hmot : • • • •

pásové váhy odstředivé indukční radioizotopní

5.5.9.2 Snímače průtoku kapalin a plynů 5.5.9.2.1 Objemové průtokoměry Pracují na principu nespojitém nebo spojitém. Nespojité průtokoměry se používají k cejchování ostatních průtokoměru. Pracuji s definovaným objemem nádoby a přesným měřením času. V rotačních ( bubnových ) přístrojích se kapalina přivádí trubkou do měrného válce, který je rozdělen na tři části. Kapalina přepadává pouze do jedné komory. Po jejím naplnění přeteče kapalina do druhé komory, tím se poruší rovnováha a buben se pootočí tak, aby se naplnila druhá komora. Stačí měřit počet otáček nebo pootočení, protože známe objem komory.

174 Obrázek 5-95 Rotační objemový průtokoměr

5.5.9.2.2 Rychlostní průtokoměry Základem rychlostního průtokoměrů je lopatkové nebo šroubové kolo, které uvádí do otáčivého pohybu kinetická energie proudící kapaliny. Rychlost otáčení kola je úměrná střední rychlosti proudu, procházejícího příčným průřezem měřidla.

Obrázek 5-96 Radiální rychlostní průtokoměr

Axiální typ má osu rovnoběžnou se směrem proudění, je řešen jako turbína nebo jako šroubovice. 5.5.9.2.3 Dynamické průtokoměry Měření na základě diferenčního tlaku je nejrozšířenější metodou v průmyslové výrobě. Principem této metody je nepřímé měření pomocí diferenčního tlaku vznikajícího na zabudovaném škrticím orgánu. Jako škrtícího orgánu se užívají clonky, trysky, Venturiho dýza apod.

Obrázek 5-97 Dynamický průtokoměr princip

175

Obrázek 5-98 Dynamický průtokoměr tryska

Obrázek 5-99 Dynamický průtokoměr clona

Pitotova trubice slouží k určení celkového tlaku proudící kapaliny, který je úměrný rozdílu výšek sloupců v kapiláře. Nahradíme-li rtuťový sloupec membránou, lze měření mechanicky převést na stupnici nebo pomocí indukčního vysílače na elektrický signál. U přístrojů odstředivých měříme a porovnáváme tlak na vnější a vnitřní straně kolena, porovnání provádíme pomocí diferenčního manometru. 5.5.9.2.4 Plovákové průtokoměry Základem tohoto průtokoměru je plovák vystavený silovým účinkům proudící tekutiny. Poloha, kterou plovák zaujme, je snímána některým snímačem polohy. Hlavní součástí rotametru je svislá, nahoru se rozšiřující trubice. Měřená kapalina vtéká spodem, uvnitř trubky je plovák, který ve své spodní hranici uzavírá celý průřez. Protékajícím množstvím se plovák nadzvedne do potřebné výše, poloha plováku je pak přímo úměrná průtoku.

176

Obrázek 5-100 Rotametr

Přepad pracuje na principu zúžení průřezu, podobně jako clona. Změna průtoku se projeví změnou hladiny před přepadem, kterou lze měřit snímačem stavu hladiny.

Obrázek 5-101 Přebad

U danaidy kapalina přitéká volně do nádoby a z ní vytéká otvory ve dně. Podle výšky hladiny, lze při konstantním průřezu výtokového otvoru určit průtočné množství.

177 Obrázek 5-102 Danaida

5.5.9.2.5 Značkovací průtokoměry Pro vytvoření značek v toku kapaliny je možné využít přímo změněných vlastností kapalin ( teploty, ionizace ), nebo použít ke značkování cizí částice ( soli, radioizotopu, tělíska ). Měří se časový interval, ve kterém se daná značka přemístí s tokem kapaliny od místa jejího vzniku do místa snímače. Tento časový interval je úměrný rychlosti proudění.

Obrázek 5-103 Princip značkovacího průtokoměru

Značky měnící vlastností a stav toku kapaliny Buzení aktivovaných zón radioizotopem. Generátorem pulsního toku záření se budí v kapalině aktivované zóny. V určité vzdálenosti ve směru proudění se měří fázový posuv těchto zón detekční aparaturou. Tepelné značky. K trubici s měřeným tokem je připevněna nádobka s ohřevem jejího obsahu, jež se elektromagnetem zavádí do proudu. Tohoto způsobu značkování lze použít pro chladnější kapaliny se stálou teplotou. Značky zaváděné do toku ( směšovací metody ) Značkování radioizotopem umožňuje snímaní vně potrubí, ale nevýhodou je radioaktivita v kapalině. Hodí se pro jednorázové použití. Optické značky. Do kapaliny se zavádí barvivo. Snímání je fotoelektrické 5.5.9.2.6 Tepelné průtokoměry Funkce těchto přístrojů je založena na poznatku, že ohřáté tělísko vložené do proudící tekutiny se ochlazuje tím intenzivněji, čím rychleji kolem něho tekutina proudí, měří se tedy rychlost proudící tekutiny. Tělísko mívá obvykle podobu velmi tenkého elektricky vytápěného platinového drátku nebo perličkového termistoru.

178

Obrázek 5-104 Princip tepelného průtokoměru

5.5.9.2.7 Indukční průtokoměry U těchto průtokoměrů se využívá indukce elektrického napětí ve vodiči pohybujícím se v magnetickém poli. Pohyb pevného vodiče je nahrazen pohybem vodiče kapalného, při čemž všechny částice kapaliny se pohybují stejnou rychlostí. Za jistých předpokladů platí, že indukované napětí snímané na elektrodách je nezávislé na tvaru rychlostního profilu proudu kapaliny. Snímač se skládá z kovové nebo nekovové nemagnetické trubky, v níž jsou kolmo na směr sílové čáry zabudovány na vnitřním průměru dvě elektrody pro snímaní indukovaného napětí. Napájení magnetického obvodu může být stejnosměrné, střídavé nebo pulsní. Charakteristika je lineární.

Obrázek 5-105 Indukční průtokoměr

179

Pro velikost indukovaného napětí platí vztah: U = K * H * l * vs U… indukované napětí H… intenzita magnetického pole l… vzdálenost elektrod vs… střední rychlost kapaliny 5.5.9.2.8 Ultrazvukové průtokoměry Měrný signál se získává ze změn rychlosti šíření ultrazvukových vln, probíhajících po proudu a proti proudu kapaliny, obvykle ve dvou kanálech. U spojitě vysílaných ultrazvukových vln vznikají rozdíly fáze nebo rozdíly kmitočtů. U impulsově vysílaného ultrazvukového signálu se měří časové rozdíly při průchodu impulsů. Podle toho lze ultrazvukové průtokoměry rozdělit do těchto skupin: a) fázové b) impulsové • časové • kmitočtové c) Dopplerovy Další dělení ultrazvukových průtokoměrů je podle způsobu připojení zdroje ultrazvukových vln k měřenému prostředí: a) kontaktní - zdroj ve styku s kapalinou, b) bezkontaktní - zdroj ultrazvukových vln je oddělen od kapaliny stěnou, jejíž tloušťka je větší, než je délka ultrazvukové vlny. Princip bezkontaktního, ultrazvukového průtokoměru je na obr. 12-21, kde V1, V2 jsou vysílače ultrazvukových kanálů P1, P2 přijímače. se pohybují pod stejným úhlem α proti proudu.

Obrázek 5-106 Princip ultrazvukového průtokoměru

180

V prvním kanálu I se ultrazvukové vlny pohybují od vysílací sondy V1 k přijímací sondě P1 po proudu a v kanále II s vysílací sondou V2 a přijímací sondou P2 se pohybují pod stejným úhlem α proti proudu. Výsledná rychlost šíření ultrazvukové vlny vcr v určitém místě ve vzdálenosti r od osy potrubí je dána vektorovým součtem rychlostí šíření ultrazvuku c a rychlostí proudění kapaliny vr. Vírové a speciální průtokoměry U vírových průtokoměrů vzniká v průtokovém v průtokovém kanálu pevným lopatkovým kolem 1 rotace kapaliny, která vytváří v zúžené výstupní části tlakové pulsace. Tyto pulsace jsou snímány termistorem 2. Proud kapaliny je na výstupu uklidňován stabilizačním kolem 3. Termistor je zapojen do můstku, na jehož výstupu dostáváme střídavý signál, jehož kmitočet je úměrný rychlosti.

Obrázek 5-107 Vírový průtokoměr

Laserové průtokoměry Z množství různých optických metod měření průtoku průzračných kapalin, používajících převážně značek zaváděných do toku kapaliny, jsou laserové průtokoměry na předním místě pro charakteristické vlastnosti laserového paprsku. Používají převážně spojitých plynových laserů malého výkonu, dva základní principy. • Laserový průtokoměr používající značek v toku kapaliny • Laserový průtokoměr používající Dopplerova efektu U značkovacích průtokoměrů je paprsek světla ze spojitého He-Ne plynového laseru se optickým hranolem štěpí na dva paralelní paprsky stejné intenzity. Tyto paprsky jdou kolmo na směr kapaliny proudící rychlostí v. Každý s paprsků je zaostřen do osy trubky. Z druhé strany trubky jsou umístěny dva otvory s clonou, kterými paprsek projde na soustavu čoček, kterou se dva ohniska svazku paprsku zaostří na clony umístěné před fotonásobičem. Na 181

výstupu vznikají dva impulsy, měřením časového intervalu mezi nimi je možné určit rychlost pohybu částice. Dopplerovské průtokoměry existují v mnoho variantách, které jsou závislé na příslušném použití. Světelné záření vlnové délky 5328 A ze spojitého 15mW He-Ne plynového laseru je rozloženo na dva. Část paprsku pak je směrováno proti a část po směru proudění kapaliny. Zjišťujem rozdíl frekvencí. 5.5.9.3 Snímače průtoku sypkých hmot 5.5.9.3.1 Pásové váhy Vážení je nejstarší a nejjednodušší způsob měření množství sypkých hmot, je však přerušovaný a většinou nevyhovuje potřebám regulace. Používá se u skipové těžby, vozíkové dopravy apod.

Obrázek 5-108 Pásové váhy

Plynulý způsob měření spočívá v měření hmotnosti určitého úseku pásu a jeho rychlosti (obr. 12-23). Nosné válečky jsou upevněny na hydraulických válcích a tlak je měřen příslušnými čidly (zpravidla tenzometry). Tento typ snímačů má největší význam v hornictví. 5.5.9.3.2 Odstředivé přístroje Materiál se sype na rotující talíř, který odstředivou silou vynáší látku na obvod. Zatížení motoru pohánějícího talíř je závislé na množství látky na talíři , tj. na průtoku.

182

Obrázek 5-109 Odstředivá metoda měření množství

Radioizotopové přístroje Nad pásem jsou umístěny vysílače na detektory záření , množství materiálu je úměrné velikosti absorpce gama záření.

Obrázek 5-110 Radioizotopové přístroje

5.5.10 Měření stavu hladiny. Podle principu měření stavu hladiny můžeme hladinoměry rozdělit do těchto skupin : • •

• • • • •

Plovákový Tlakový o snímače hydrostatického tlaku o snímače tlakového rozdílu o snímače tlaku s provzdušňováním kapaliny Elektrolytický Kapacitní Ultrazvukový S jaderným zářením Tepelné 183

5.5.10.1 Měření hladiny kapalin Plovákové snímače Nejrozšířenějším snímačem krajních poloh hladiny je plovákový snímač, skládající se z plováku a libovolného snímače polohy.

Obrázek 5-111 Plovákový snímač

Snímač hladiny založený na hydrostatickém tlaku Hydrostatický tlak, který je úměrný výšce hladiny, můžeme měřit kterýmkoli tlakoměrným snímačem. Jednoduchým snímačem je trubka dole otevřená a nahoře ukončená v některém tlakoměrném snímači.

Obrázek 5-112 Snímač hladiny založený na hydrostatickém tlaku

Elektrolytický hladinoměr Tento typ snímače využívá elektrické vodivosti kapaliny. V nádrži jsou uloženy dvě elektrody tak, že při změně výšky hladiny se mění hloubka ponoření elektrod a tedy i velikost impedance, kterou vytváří kapalina mezi elektrodami.

Obrázek 5-113 Elektrolytický hladinoměr

184

Kapacitní snímače Na vnější stěně trubice jsou umístěny elektrody kapacitního snímače. Je-li kapalina vodivá, můžeme použít pouze jednu elektrodu, druhou tvoří měřená kapalina.

Obrázek 5-114 Kapacitní snímače hladinoměr

Ultrazvukový hladinoměr Měří vzdálenost, která je úměrná době průchodu ultrazvukového signálu materiálem při známé rychlosti šíření signálu. Nejjednodušší je měření v kapalném prostředí kontaktním způsobem, kdy jedna nebo dvě ultrazvukové sondy jsou umístěny na dně nádrže a vysílají ultrazvukové impulsy. l=(c*t)/2 t …doba průchodu signálu c …rychlost šíření ultrazvuku

Snímače využívající jaderného záření

Obrázek 5-115 Ultrazvukový hladinoměr

Pracují na principu pohlcování záření materiálem. Pohlcení je úměrné tloušťce materiálu. Analogový snímač pro kontinuální měření stavu hladiny se z hygienických důvodu nepoužívá.

185

Obrázek 5-116 Analogový snímač

Bodový snímač je určen pro měření mezních stavu hladin.

Obrázek 5-117 Bodový snímač

Tepelný hladinoměr Termistor je umístěn na měřeném místě a v sérii s ním je zapojena žárovka. Přežhavený termistor je na vzduchu nedokonale ochlazen, tím se ohřívá a jeho odpor klesá. Obvodem prochází značný proud a žárovka svítí. Signalizuje tedy nepřítomnost hladiny. Jakmile hladina kapaliny stoupne a termistor začne být účinně ochlazován, stoupne odpor termistoru.

Obrázek 5-118 Tepelný hladinoměr

186

5.5.10.2 Měření hladiny sypkých materiálů Membránový hladinoměr V žádané výšce je umístěna pružná membrána, kterou materiál při dostoupení určité výšky zasype. Tím se membrána vychýlí, sepne kontakt a signalizuje stav hladiny, popř. zastavuje pás apod..

Obrázek 5-119 Membránový hladinoměr

Vrtulkový hladinoměr Do nádobky zavěsíme malý motorek opatřený vrtulkou, která se stále otáčí. Dostoupí-li hladina materiálu do výše vrtulky, je vrtulka zabrzděna, čímž se motorek natočí proti odporu pružiny a spojí kontakty signálního zařízení nebo ovládacího relé. 5.5.11 Snímače pro analýzu plynů Můžeme je rozdělit podle toho, pro které plyny jsou určeny, podle konstrukce, principu atd. Podle konstrukce dělíme snímače na: • • • • • • •

vodivostní termochemické polovodičové termomagnetické polarografické ionizační infračervené

5.5.11.1 Vodivostní snímače Využívají rozdílné vodivosti plynů. Pro analýzu se používá měření nepřímé, kdy tepelnou vodivost porovnáváme s vodivostí plynu standartního. Používá se Schleiermacherova metoda. V ose válcové komory je napjat tenký drát, který je zahříván průchodem el. proudu na teplotu 100 až 150 0C. Pro množství tepla vystupujícího z plošky drátku platí vtah: 187

dQ = λH dS

dϑ dr

dQ množství tepla, které vychází z povrchu vodiče za jednotku času dϑ / dr změny teploty ve směru kolmém k ose vodiče dS boční plocha vodiče na délce dl vodiče a r poloměru λH výsledná tepelná vodivost plynné směsi Obrázek 5-120 Vodivostní snímač

Snímač tvoří kovový hranol se čtyřmi komorami a střední průtokový kanál pro měřený plyn. Dvě měřící komory jsou spojeny s průtočným kanálem. Zbývající dvě komory porovnávací jsou naplněny porovnávacím plynem a uzavřeny. V komorách jsou napnuty drátky spojené do Wheatstonova můstku.Obsah plynu v měřeném vzduchu se projeví zvýšenou teplotou a tím i rozvážením můstku. 5.5.11.2 Termochemický snímač Využívá reakci zjišťovaného materiálu s jiným. Reakcí uvolněné teplo zvyšuje teplotu odporového článku. Snímače využívají katalytické spalování proto jsou vhodné pro hořlavé plyny. Snímač tvoří dvě komory, jedna je porovnávací a druhá měřící. vkomorách jsou rdátky vyhřívané el. proudem. Povrch zahřátého drátku působí jako katalyzátor. Drátky jsou zapojeny do můstku napájeného stabilizovaným zdrojem. Měří se H2, CO, uhlovodíky. Pro dobrou funkci je nutné zajistit přívod vzduchu do analyzované směsi. V hornictví se používá pro analýzu metanu.

5.5.11.3 Polovodičové snímače Využívají změny el. vodivosti polykrystalického materiálu (slinutých oxidů cínu, zinku, železa). Jestli se dostane odporový článek do styku s redukovaným plynem, pak malé množství plynu pohlcuje dochází k chemickým reakcím a zvětšuje přitom el. vodivost. Čím je teplota odp. článku větší, tím rychleji probíhá děj. V obrázku je patrná topná spirála a polovodičový článek s odporem. Teploty jsou 60 až 340 0C. Negativní elektrostatické pole.

188

5.5.11.4 Termomagnetické snímače Termomagnetické snímače využívají silových účinků paramagnetických plynů v magnetickém poli. Jedno z konstrukcí je snímač s prstencovou komorou. Plyn se přivádí do komory, v níž je umístěna el. nevodivá trubice. Na trubici je navinutý platinový drátek s odbočkou uprostřed, tak že vytváří dva odpory zapojené do můstku a zahřívány na 100 0C. Má-li plyn paramagnetické vlastnosti je vtahován do trubice, kde je zahříván na teplotu tzv. Curiérova bodu a ztrácí tím své paramagnetické vlastnosti. Stává se diamagnetikem a je vytlačován z trubky viz šipky. Tím dochází k termomagnetickému proudění, čímž se nestejnoměrně ochlazují odpory.

odpor (v silném mag. poli)

ooop od

Obrázek 5-121 Termomagnetický snímač

5.5.11.5 Ionizační snímače Snímačem prochází zkoumaný plyn. Vnitřní stěna snímače je natřena tenkou vrstvou látky, která se chová jako zdroj jaderného záření. Elektrody jsou odizolovány od snímače, kde jednu elektrodu tvoří stěna snímače. Jaderné částice α záření ve snímače procházejí plynem a na změnu koncentrace reagují změnou ionizačního proudu na elektrodách. 5.5.11.6 Infračervený analyzátor Pomocí absorpce infračerveného záření určuje koncentraci jedné ze složek ve směsi plynů nebo par. Skládá se ze zdroje a snímače infračerveného záření.

5.5.12 Snímače pro analýzu kapalin 5.5.12.1 Elektrolytické snímače Měřením elektrické vodivosti roztoků se měří jejich iontová koncentrace. Hodnota el. vodivosti není přitom určena koncentraci určitého specifického iontu, nýbrž koncentrace iontů v roztoku přítomných.Výsledky měření převádíme na měrnou vodivost což je vodivost měrného roztoku mezi elektrodami a jednotkou objemové vodivosti. 189

Měrná el. vodivost je dána:

γ = fa Se αd (µ+ + µ-) Se koncentrace elektrolytu αd stupeň disociace µ+ µ- pohyblivost iontů fa činitel aktivity charakterizující elektrostat. přitažlivost mezi ionty Elektody požíváme z nerezavějící oceli, platinové nebo uhlíkové. Snímače jsou konstruovány jako průtočné nebo ponorné. Přesnost měření je 0,1 až 5 %. Odstranění vlivu plynů vyvařováním. U plynů se měří CO2, SO2, CO, O2. 5.5.12.2 Kapacitní snímače Kapacitní snímače využívají skutečnosti, že permitivita vody je mnohem větší než permitivita měrné látky. Snímač lze použít pouze pokud je poměrná permitivita funkcí složení látky. Při konstrukci je důležité dodržet mezi elektrodami co nejvíce homogenní pole. 5.5.13 Snímače pro analýzu pevných látek I. Analyzátory kapacitní - jde o stejný princip jak u předchozího snímače. V praxi se ovšem málo používá. II. Analyzátory využívající záření a) Spektrometry měřící spektrum záření materiálu inicializovaného záření, magnetickým polem. Pro vyhodnocení se požívají snímače všech typů. b) Průchozí, měřící útlum záření v sledovaném materiálu. Většinou se požívá záření jaderného α a β, pro vyhodnocení se používají všechny typy snímačů jaderného záření.

190

5.5.14 Měření teploty Měření teploty je jedno z nedůležitějších při automatické kontrole strojů a zařízení, a to proto, že jakákoliv porucha se projeví ve stoupnutí teploty v určitém místě; rovněž regulace teploty je jedna z nejrozšířenějších v průmyslu. Pro snímání teplot lze použít těchto principů: a) Využití roztažnosti látek: • plynů, • kapalin, • kovů. b) Využití změny odporu: • kovu, • polovodičů. c) Využití termoelektrického jevu. d) Změna kmitočtu rezonátoru s teplotou. Měřiče teploty využívající těchto základních principů se sériově vyrábějí a jsou doporučeny pro určitý rozsah teploty (viz např. ČSN). Podle způsobu použití snímače dělíme měřiče na: a) dotykové, b) bezdotykové. Dotykové teploměry se používají tak, že snímač je v dotyku s měřenou částí nebo prostředím. Bezdotykové teploměry využívají ke své funkci tepelné záření měřeného tělesa. Podle funkce je dělíme na: a) radiační - využívají celkové záření tělesa, b) spektrální - využívají záření určité vlnové délky (nebo úzkého pásma), c) barvové - využívají barvy měřeného tělesa. Výhodou bezdotykových teploměrů je možnost měřit teplotu těles s malou hmotností, teplotu těles s malou tepelnou kapacitou a teplotu pohybujících se těles. Kromě uvedených principů se pro speciální případy používají měřiče a systémy založené na jiných fyzikálních principech. Je to např. využití teplotní závislosti feromagnetika, dielektrika, pyroelektrického jevu apod. Vyrábějí se systémy pro zobrazení teplotního pole (termovize), které umožňují některá měření, jejichž realizace normálními měřiči teploty by byla obtížná. Další dělení můžeme provést podle výstupní veličiny na: • •

spojité, bodové (většinou kontaktní teploměry). 191

5.5.14.1 Dilatační snímače teploty Snímače tohoto typu využívají roztažnosti látek všech skupenství. Změnou teploty látky dochází ke změně rozměru, tedy k posunutí určitého bodu jedné části oproti určitému bodu druhé části. Měřítkem rozměrových změn, které vznikají zahřátím tělesa, je součinitel teplotní roztažnosti α. Součinitel je poměr relativního zvětšení dl/l0 délky l0 měřeného při 0 0C , ke změně teploty dϑ. Délková roztažnost se dá vyjádřit lineárním vztahem:

α=

dl dϑ

l = l0 ( 1 + αsϑ) l- konečná délka l0- délka při 0 0C αsϑ- průměrná roztažnost pro danou teplotu to samé platí pro objemovou roztažnost, ale βs ≈ 3αs Podle použité látky můžeme rozdělit dilatační snímače teploty do těchto skupin: • • •

snímače s plynovou náplní, snímače s kapalinovou náplní, snímače s pevnou látkou.

5.5.14.1.1 Snímače s plynnou náplní Tento typ snímačů můžeme rozdělit na snímače stejno objemové, u nichž měříme tlakové změny, a na stejnotlaké, u nichž měříme změnu objemovou (používají se velmi výjimečně). Pro praxi jsou nejdůležitější stejno objemové snímače, které obvykle sestávají z vlastní snímací části, která je plněna plynem a pomocí kapilární trubice je spojena s tlakoměrným ústrojím. Jímka je zhotovena z oceli apod. a naplněna plynem s co největším součinitelem teplotní objemové roztažnosti (neon, argon, dusík, kyslík apod.). Dusík lze použít až do teplot 1600°C. Plnící tlak záleží na rozsahu a teplotě, obvykle je 1 až 3,5 MPa. Jako tlakoměrné ústrojí se používá membrána, Bourdonova trubice, vlnovec apod. Pomocí tlakoměrného ústrojí se změna tlaku převádí na změnu polohy nebo mechanického napětí. Pro změnu tlaku při konstantním objemu platí vztah: p = po (1 + ßs⋅ϑ) kde:

βs

průměrná roztažnost 192

ϑ P p0

teplota snímaný tlak tlak při 0 0C

5.5.14.1.2 Snímače s kapalinovou náplní Patřily mezi nejrozšířenější snímače dilatačního typu (klasický rtuťový, lihový teploměr). Dělíme je na kontaktové a analogové.

Obrázek 5-122 Kontaktový rtuťový teploměr

Kontaktové snímače jsou konstruovány tak, že kapalina je součástí kontaktového systému (obr. 13-1). Nejvíce se používali rtuťové teploměry. Spodní mez je omezena tuhnutím rtuti 38,87 °C za tlaku 0,1 MPa. Horní mez je možno posunout až na 800°C při tlaku asi 8 MPa. Sloupec rtuti tvoří v kapiláře teploměru s další elektrodou kontakt. Obvykle bývá ve stěně kapiláry více kontaktů, které jsou tímto způsobem spojovány nebo rozpojovány. U některých typů je možné plynule nastavit posuvný kontakt uvnitř kapiláry pomocí speciální magnetické spojky vnějším permanentním magnetem. Pracovní rozsah bývá -30°C až 200°C a proudové zatížení řádově v jednotkách miliampérů. Se zákazem používání rtuti je využití kapalinových snímačů v automaizaci stále omezováno. U analogových snímačů tvoří použitá kapalina aktivní prvek v převodovém systému snímače. Změna jejího objemu s teplotou se měří s pomocí tlakoměrného ústrojí (obr. 13-2).

193

Obrázek 5-123 Kapalinový analogový snímač

5.5.14.1.3 Snímače s pevnou látkou Tyto snímače využívají rozdílné roztažnosti různých materiálů. Je vždy složen ze dvou částí, z nichž jedna má velkou délkovou roztažnost a druhá malou. Tyto části mohou být spolu spojeny: a) volně b) pevně (dvojkov) U snímače s volně spojenými částmi je využito rozdílné roztažnosti tyče a trubky s teplotou. Jedna část je vyrobena z materiálu s velkým součinitelem teplotní roztažnosti, druhá z materiálu s co nejmenším součinitelem teplotní roztažnosti. Aby bylo dosaženo co největšího relativního posunutí volného konce tyče a trubky, vychází celková délka snímače poměrně velká. Na krycí trubku se používá materiál s velkou teplotní roztažností, která zajišťuje poměrně malou časovou konstantu snímače. Snímač s pevně spojenými částmi převádí změnu teploty na změnu polohy volného konce dvojkovu (bimetalu). Dvojkov je pevné spojení dvou materiálů s různým teplotním součinitelem délkové roztažnosti. Většinou jsou oba materiály na sebe za tepla naplátovány. Pro aktivní složku (s velkým teplotním součinitelem délkové roztažnosti) se používají většinou slitiny Ni–Fe (22 až 27% Ni), dále se používá konstantan nebo monel. Pro pasivní složku se používají slitiny Ni–Fe (35 až 46% Ni). Pro dvojkov platí vztah: dy = (α1 - α2) * l 2 * dϑ / 2*h α1 , α2- teplotní součinitelé látek l - celková délka dvojkovu h - vzdálenost středu dvojkovu dϑ- změna teplot

194

Dvojkovy se vyrábějí jako plechy, ze kterých lze realizovat různé elementy. Provedení je patrné z obr. 13-3. V tomto uspořádání se pak používají pro realizaci u snímačů teploty, rozdílu teplot, tepla, tepelného záření apod. Velmi časté je použití jako snímače pro signalizaci dosažené teploty. Dvojkov používáme také pro kompenzaci teploty u měřících přístrojů a u snímačů. Používáme–li dvojkov pro spínání kontaktů, využíváme většinou mžikového jevu, který dovoluje spínání větších proudů.

Obrázek 5-124 Provedení dvojkovu

Změna polohy je buď přímo převedena přes vhodný mechanický převod na ukazatel, nebo je pomocí snímače polohy přeměněna na elektrický signál. Dvojkovové teploměry se vyrábějí pro rozsahy –30°C až +550°C. Přesnost měření je +2%. 5.5.14.2 Tavné snímače Pro indikaci teploty se někdy využívá tání látek (tzv. tavné pojistky). Zajímavá je konstrukce snímače, u kterého se využívá bodu tání některých nevodivých látek tak, že roztavením této látky se uvolní kapka rtuti a ta rozpojí nebo spojí kontakty. Vyrábějí se pro teploty od 34°C až 152°C. Většinou nahrazeny pozistory a elektronickým hlídáním teploty. 5.5.14.3 Odporové snímače Tyto snímače využívají závislosti odporu na teplotě. Jako materiál pro realizaci se používají: a) kovy - platina, nikl, paladium atd. b) polovodiče • monokrystalické (Si, Ge) • polykrystalické 5.5.14.3.1 Kovové odporové snímače teploty Měrný odpor vodivého materiálu (kovu) se mění v závislosti na teplotě podle obecného vztahu:

ρτ = ρ0 ⋅ (1 + A ⋅ τ + B ⋅ τ 2 ) kde:

ρτ

…

měrný odpor materiálu při teplotě τ 195

ρ0

…

měrný odpor materiálu při teplotě 0°C

τ

…

teplota materiálu v °C

A, B

…

konstanty dané materiálem

Fyzikálně čistá platina se používá pro etalonový teploměr v rozsahu teplot –259,34°C až +630,74°C. Závislost odporu na teplotě je dána upřesněným vztahem: R = Ro (1 + Aϑ + Bϑ2 + C (ϑ - 100)ϑ3) kde:

ϑ

…

teplota

Ro

…

odpor při 0°C

A, B, C

…

konstanty (definovány ČSN)

Odpor platinových snímačů (podle ČSN 25 8303) je při 0°C 100Ω. Nikl se používá pro rozsah teplot −60 až 150°C. 5.5.14.3.2 Polovodičové snímače teploty Jak již bylo uvedeno, dělíme je na: • monokrystalické (jednoduché, s přechody PN) • polykrystalické; U monokrystalických materiálů je závislost na teplotě užívána především u diod a tranzistorů. Jde tedy o součástky s přechody PN. Využívá se tím vlastně parazitní vlastnost elektrických součástek. Lze využít i teplotní závislosti nevlastních polovodičů. Polykrystalické snímače teploty dělíme na termistory a pozistory. Termistor je polovodičový snímač teploty s velkou zápornou závislostí elektrického odporu na teplotě. Teplotní součinitel odporu je nejméně pětkrát větší, v některých případech desetkrát větší než u kovů. Termistory jsou vyráběny spékáním kysličníků kovů. Pro závislost odporu na teplotě u polykrystalických snímačů, termistorů je dán vztah: R = R0 ⋅ e kde:

 1 1 − B⋅ −   T0 T 

R0

…

odpor termistoru při teplotě T0

R

…

odpor termistoru při teplotě T

B

…

materiálová konstanta

Termistory jsou běžně vyráběny v širokém rozsahu odporových hodnot Ro od 0,1Ω do jednotek MΩ i více. Vyznačují se možností dosáhnout velmi malých rozměrů (až 0,3 mm3 i menší). Jejich časová stálost je však horší než u kovových elementů. Zlepšení vlastností v tomto směru lze dosáhnout výběrem a umělým stárnutím (teplotním, proudovým). Pro 196

některé aplikace (např. bodové měření teplot, měření velmi malých teplotních změn) se jeví termistory jako velmi vhodné Termistory se používají do 200°C, výjimečně i pro vyšší teploty. Pozistory mají pozitivní nelineární charakteristiku závislosti odporu na teplotě, s velkou změnou při teplotě definované při výrobě (např. 90, 100, 110oC). Využívají se jako mezní snímače teploty, ochranné prvky vinutí motorů apod. Přesnost měření pomocí polovodičových snímačů je menší než u kovových. Stejně tak záměnnost u polovodičových snímačů je zatím obtížná. Využívají se však termistory s záměnností 1K až 0,1K. Zpracování signálů z obou typů odporových snímačů se děje pomocí převodníků odpor signál (napětí, proud, číslo atd.). Jako základní požadavek je kladena nepřípustnost většího proudového zatížení vlastního snímače. U termistorů se zhotovují též linearizační převodníky, které zajistí lineární závislost výstupního signálu na teplotě. Kovové odporové teploměry se sériově vyrábějí v různých velikostech a tvarech. Vlastní snímač je umístěn v ochranné jímce, která je ochrání před parazitním vlivem prostředí. Pro různé aplikace se vyrábí velké množství konstrukčních řešení odporových teploměrů. 5.5.14.4 Termoelektrické snímače Termoelektrický jev je založen na vzniku rozdílu potenciálů v místě vodivého styku dvou kovů, jestliže výstupní práce obou kovů jsou rozdílné. Pro technické teploty je odvozen empirický vztah , který udává výstupní termoelektrické napětí Ut v závislosti na rozdílu teplot styků dvou kovů: U t = a + b ⋅ ∆τ + c ⋅ ∆τ 2 kde:

a, b, c jsou konstanty stanovené empiricky pro určitou dvojici kovů, ∆τ...

rozdíl teploty dvou vodivě spojených styků dvou kovů, obr. 13-4

∆τ = τ - τk Spoj, který se přímo využívá pro měření teploty, nazýváme měřící spoj, druhý pak srovnávací spoj. Pro měření teploty se využívá měřící spoj termoelektrického článku. Pro správnou funkci termoelektrického snímače je nezbytné, aby zbývající spoj v termoelektrickém článku (tzv. srovnávací spoj) buď měl definovanou teplotu, nebo aby jeho termoelektrické napětí vznikající kolísáním jeho teploty bylo kompenzováno (obr. 13.4). Pro tento účel se používají termostaty pro srovnávací spoje termoelektrických článků a aktivní kompenzační obvody, které jsou zdrojem napětí závislého na teplotě.

197

Obrázek 5-125 Schéma měření termočlánkem

Termoelektrické snímače mají mít pokud možno největší termoelektrické napětí, časovou stálost, odolnost proti vlivu měřeného prostředí a malý měrný elektrický odpor. Tabulka 5-1 Termoelektrické články

Termoelektrický článek

Rozsah použití

Přípustná atmosféra

Název

Označení

trvale

krátkodobě

pracovního prostředí

železo-konstantan

Fe-ko

-200°C až +600°C

do 900°C

redukční nebo vakuum

chromel-kopel

ch-k

-50°C až +600°C

do +800°C

oxidační nebo vakuum

chromel-alumel

ch-a

-50°C až +1000°C do +1300°C

oxidační nebo vakuum

platinarhodium 10 - platina

PtRh10-Pt

0 až 1300°C

do +1600°C

platinarhodium PtRh30-PtRh6 1000°C až 1600°C do +1800°C 30 - platinarhodium 6 iridium rhodium iridium

IrRh - Ir

wolfram - wolfram rhenium

W-WRe

oxidační nebo vakuum

do +2500°C ochranná do +2800°C

Pro splnění těchto požadavků byla vyzkoušena řada různých kombinací čistých kovů, slitin, polovodičových i jiných materiálů (např. uhlík, karbid křemíku apod.). Vznikly tak kombinace s nejrůznějšími vlastnosti, které lze používat pro měření teploty v rozmezí −250 až +3000°C. Termoelektrický článek se tak stal nejuniverzálnějším teploměrem. Nasazení v technice měření neelektrických veličin je velmi rozsáhlé, jak počtem, tak způsobem využití. Termočlánky doporučené normou ČSN 35 6710 jsou uvedeny v tab. 3.1.

198

Konstrukce termoelektrických snímačů se liší podle toho k jakému účelu má teploměr sloužit. Obě větve termoelektrického článku jsou vzájemně elektricky izolovány po celé délce kromě místa, které tvoří měřící spoj. Termoelektrický článek je izolován buď keramickými korálky nebo krátkými dvoukapilárovými trubičkami. Tento způsob se používá u termočlánku Fe-ko a ch-a. Termočlánky PtRh-Pt se vkládají do další ochranné trubice, která pro nižší teploty bývá kovová, pro vyšší teploty keramická. Aby byl termoelektrický článek ochráněn před vlivy měřeného prostředí, bývá často používána i další vnitřní plynotěsná keramická trubka, a to ve spojení s vnější kovovou nebo i keramickou trubkou. Rozdvojený konec termoelektrického článku je upevněn ve svorkovnici, která je izolovaně upevněna v hlavici snímače. Podle různého použití a pracovních podmínek jsou nejčastější kovové hlavice, obvykle ze stříkaného lehkého kovu, které jsou vhodným způsobem připevněny na ochrannou trubku nebo nástavec jímky. 5.5.14.5 Piezoelektrický snímač teploty Piezoelektrickýjevu spočívá v tom, že uvnitř některých dielektrik vzniká vlivem mechanických deformací elektrická polarizace, čímž na povrchu vznikají zdánlivé náboje, které mohou v přiložených elektrodách vázat nebo uvolňovat náboje skutečné. Jakmile mechanické napětí zmizí, dostává se dielektrikum do původního stavu. Zde je využito inverzního piezoelektrického jevu. Nepatří tedy do skupiny snímačů generátorových. Uložíme-li destičku s piezoelektrickými vlastnostmi do elektrického pole, dojde k její deformaci. Je-li pole střídavé, pak dojde k mechanickému kmitání piezoelektrického článku. Rovná-li se kmitočet budícího střídavého elektrického pole některé vlastní mechanické rezonanční frekvenci piezoelektrického článku, je amplituda mechanických kmitů největší. Tyto články (rezonátory) se mimo jiné běžně používají u oscilátorů s lepší kmitočtovou stabilitou. Rezonátory bývají obvykle opatřeny elektrodami a vhodně upevněny v ochranném pouzdru.

Obrázek 5-126 Náhradní schéma piezoelektrického článku

199

Kmitající piezoelektrický článek se chová po elektrické stránce (v okolí rezonance) jako oscilační obvod podle obr. 13-5. Závislost rezonančního kmitočtu na teplotě je dána nejen použitým materiálem, ale mimo jiné též úhlem, pod kterým byla piezoelektrická destička vyříznuta z monokrystalu. Je třeba, aby teplotní součinitel kmitočtu αf byl v požadovaném rozsahu teploty co největší a pokud možno konstantní. Platí vztah : df

α f = 1f dϑ Chyba! Záložka není definována. kde df je změna kmitočtu rezonátoru při změně teploty dϑ. Rezonanční kmitočet se volí 5 až 20 MHz. 5.5.14.6 Pyrometry Slouží k bezdotykovému měření. Přístroje využívají měření tepelného záření měřeného tělesa. Podrobněji popsány v následující kapitole (měření infračerveného záření). Pyrometry podle využívaného spektra rozdělujeme na: • radiační • spektrální • barvové 5.5.14.6.1 Radiační pyrometr Rozsah použití je od 600 do 2000C.Těleso zahřáté na určitou teplotu vydává do okolí záření o krátké vlnové délce. Délka závisí na teplotě, přitom každé teplotě náleží určitá viditelná barva. Snímači, na které je soustředěna vyzař. energie jsou termoelektrické články, boleometry, pyroelektrické snímače atd. 5.5.14.6.2 Barvové pyrometry Barvové pyrometry využívají změny barvy měřeného tělesa s teplotou. Lze u nich dosáhnout přesnosti lepší než 0,5%. Všechny uvedené typy lze realizovat s elektrickým vstupním signálem v analogovém nebo číslicovém tvaru. U spektrálních a barvových pyrometrů se používají různé typy fotoelektrických snímačů. Přesnější pyrometry pracují s přerušovaným tepelným zářením, střídavým zesílením signálu, jedním fotoelektrickým snímačem a automatickou kompenzací 5.5.14.6.3 Spektrální pyrometry Využívá záření jedné vlnové délky. Zde se porovnává jas měřeného tělesa s jasem drátku, na který přivádíme napětí. Toto napětí je měněno potenciometrem tak dlouho, dokud není shodné s jasem měř. objektu. Stupnice potenciometru je na cejchována na teplotu.

200

5.5.15 Snímače množství tepla Tyto snímače jsou založeny na měření teplotního rozdílu a průtočného množství teplonosného média. Pro celkové množství tepla předaného médiem za čas t platí vztah : t

Q = ∫ c pVγ (ϑ1 - ϑ 2 )dt o

kde:

cp

…

měrné teplo teplonosného prostředí

V

…

průtočné množství teplonosného prostředí

γ

…

měrná hmotnost prostředí

ϑ1-ϑ2 …

teplotní rozdíl teplonosného prostředí

Podle konstrukčního řešení, způsobu měření a násobení charakteristických veličin, snímače rozdělíme na: • mechanické • elektromechanické • elektrické U elektrických se používají k měření teplotního rozdílu termoelektrické nebo odporové snímače. Pro měření průtoku se používají lopatkové snímače s impulsovým výstupem. Výhodné je, že pro integraci lze použít počítadlo impulsů. Zvláštním případem, u kterého není nutné měřit průtok je kalorimetr. Kontinuálně pracující kalorimetr je v podstatě výměník tepla, ve kterém se teplo z teplonosného prostředí přenáší bezztrátově mezi vstupem a výstupem. Kalorimetr je měřítkem přijatého množství tepla. Kalorimetrická metoda měření množství tepla se zatím nepoužívá v provozech, protože teplotní rozdíl teplonosného prostředí je velmi malý a tím je měření velmi ztíženo. Použitím termistorových čidel však může nabýt tato metoda na důležitosti. 5.5.16 Snímače hustoty tepelného toku Snímače hustoty tepelného toku jsou založeny a využívají vztah pro lineární stacionární průtok tepla rovnou deskou: q = λ grad ϑ kde:

q

…

hustota tepelného toku

λ

…

tepelná vodivost materiálu desky

grad ϑ …

teplotní spád v desce

Teplotní gradient lze získat měřením teplotního rozdílu mezi dvěma známými místy uvnitř desky. Tím se měření tepelného toku redukuje na měření teplotního rozdílu. 201

Obrázek 5-127 Princip snímače tepeného toku

K určení množství tepla procházejícího stěnou se používají měřící desky, které se přitlačí na povrch stěny, takže teplo procházející stěnou musí projít také měřící deskou. Tím vznikne v měřící desce teplotní spád, který se měří obvykle termoelektrickým snímačem. Měřící desky se sériově vyrábějí jako pryžové pásy (Schmidtův pás). Do pásu je vlisován vícenásobný termoelektrický teploměr. Na výstupních svorkách dostáváme napětí úměrné hustotě tepelného toku. Princip snímače tepelného toku je na obr. 13-6. 5.5.17 Snímače vakua Pro měření vakua si musíme objasnit, co je vakuum. Vakuum je obecně prostředí ve, kterém se nachází méně hmoty než obvykle. Vakuum v plynech bude znamenat menší hustotu částic, tedy menší hustotu plynu, než za atmosférických podmínek. Vakuum je tedy označení pro stav systému, který obsahuje plyny nebo páry, jejichž tlak je menší než tlak atmosférický. Tabulka . 5.2 Rozdělení vakua podle ČSN 10 7001

vakuum tlak (Pa) počet částic na cm3

hrubé 101325-100 1019-1016

jemné 100-0,1 1016-1013

vysoké 0,1-10-6 1013-108

ultravakuum méně než 10-6 méně než 108

Z výše uvedené tabulky vyplývá, že dnes dokážeme získat vakuum v intervalu od 105 Pa až do 10-13 Pa. Měřit hodnotu tlaku v tak širokém intervalu není možné jedním universálním vakuometrem. Proto existuje mnoho druhů vakuometrů, které na měření využívají různých fyzikálních principů. Každý vakuometr můžeme charakterizovat určitými parametry. Jsou to především rozsah měření tlaků, citlivost vakuometru, přesnost měření a závislost vakuometru na složení plynů v měřeném systému. Podle principu snímačů dělíme vakuometry na: • mechanické, kapalinové a kompresní 202

• • • •

tepelné termomolekulární viskózní ionizační

5.5.17.1 Mechanické vakuometry 5.5.17.1.1 Trubicový (U trubice) vakuometr Tento vakuometr se užívá v rozsahu 0,1 MPa až 0,1 Pa. Princip je popsán u tlakoměru v kapitole měření tlaku 5.5.17.1.2 Vakuometr kompresní Vakuometr kompresní zavedl v roce 1874 Mac Leod. Je možno jím dosáhnout mnohonásobného rozšíření rozsahu měření vakuometru trubicového. Princip Mac Leodova vakuometru spočívá v tom, že pomocí kapaliny (nejčastěji rtuti) se oddělí část vakuového prostředí, které se potom stlačuje tak, že tlak mnohonásobně vzroste. Tento tlak se pak měří pomocí trubicového vakuometru. Mac Leodův kompresní vakuometr sestává tedy ze rtuťové pumpy a U vakuometru. Na činnost pumpy a na měření vakua se používá stejná kapalina. Vlastní vakuometr se skládá z objemu zakončeného měřící kapilárou a z pozorovací kapiláry. Na začátku měření je vakuometr na straně pozorovací kapiláry připojen k vakuovému systému, ve kterém měříme tlak plynu. Hodnotu tlaku odečítáme tak, že vakuometr postupně plníme rtutí. Objem rtuti v baňce roste, ale v měřící kapiláře dochází k kompresi plynu. Tlak určíme z rozdílu hladin v měřící a pozorovací kapiláře. Využíváme vztahu: p0 V0 = p1 V1 Tyto vakuometry jsou po různých úpravách schopny měřit tlaky v rozsahu od 10 Pa do 10-4 Pa. Nevýhodou je nespojitý charakter měření, přítomnost rtuťových výparů a neschopnost měření tlaku kondenzovatelných plynů a par. 5.5.17.1.3 Vakuometry s deformačními členy Tyto vakuometry se používají v rozsahu 100 kPa až 10-2 Pa. Používají se membrány, Bourdonova trubice apod. Pro převod deformace na elektrický signál se používají stejné principy jako při měření tlaků. Jsou nezávislé na druhu plynu. Vzhledem k malé časové konstantě jsou vhodné pro dynamická měření. 5.5.17.2 Tepelné vakuometry Tepelné vakuometry využívají závislosti tepelné vodivosti plynu na jeho tlaku. Nejdůležitější součástí tepelného vakuometru je citlivý element (drát, kovová destička), umístěný v baňce vakuometru a zahřívaný na teplotu T (značně vyšší než teplota okolí T0) přiváděným elektrickým příkonem P. Tlak daného plynu tedy lze vyjádřit jako funkci příkonu a teploty: p = f(P(U, I), T) a) Měření při T = konst., platí p = f(P(U, I)) a tlak se měří odpory zapojenými do můstku. 203

b) Měření při I = konst., nebo U = konst., tehdy platí p = f(T) a tlak se určuje měřením teploty, kterou lze měřit: • z hodnoty odporu (odporové vakuometry) • z termoelektrické síly termoelementu (termočlánkové) • z deformace dvojkového elementu (dilatační vakuometry) Tepelné vakuometry umožňují měření tlaku v rozsahu 0,1Pa až 100 kPa. Pro převedení odečtené hodnoty tlaku na tlak skutečný se zhotovují kalibrační křivky tepelného vakuometru pro různé plyny. 5.5.17.3 Odporové vakuometry U tohoto typu vakuometru je odporový článek zahřátý nad teplotu okolí. Může být: • kovový - tenký drát z platiny, niklu, wolframu; • polovodičový - perličkové termistory Teplota odporového snímače je závislá na tepelné vodivosti okolního plynu a ta je dána tlakem plynu. Odporový článek válcového typu je umístěn uvnitř ochranné baňky a otvorem připojen na vakuovou soustavu. Teplota odporového článku závisí na dodávaném el. příkonu a na tepelných ztrátách. Ztráty jsou dány vedením v plynu Pv, zářením Pz, vedením v přívodech Pp. Ztráty tepla prouděním zanedbáváme. 5.5.17.4 Termočlánkové vakuometry Pracují na principu spojení dvou drátů z různých kovů a místo spojení takto vzniklého termočlánků zahříváme ve vakuu. Kombinací změny teploty drátu a příslušné změny termoelektrické síly můžeme měřit vakuum. 5.5.17.5 Dilatační vakuometr Ve vakuometrech s dilatačním citlivým elementem se teplota (a tím i tlak) měří z deformace elementu, jehož geometrické parametry (objem, délka, nebo úhel zkroucení) závisejí na teplotě. Nejčastěji se používá platinový drát, nebo bimetalový pásek, který se zahříváním protahuje. Výchylka drátu se měří mikroskopicky a převádí na hodnoty tlaku podle cejchovacích křivek. Příkon dilatačního vakuometru je asi 5W. Vakuometr měří tlaky v rozsahu 100 Pa až 0,1 Pa s poměrně malou přesností, jeho citlivost závisí na druhu plynu. Tepelné vakuometry nepatří k přesným přístrojům. Příčinou je závislost na stavu povrchu citlivého elementu. Proto se doporučuje před měřením očistit povrch citlivého elementu zahřátím na vysokou teplotu v dobrém vakuu. 5.5.17.6 Termomolekulární vakuometr Je založen na tepelné roztažnosti plynů, tedy na zvýšení bytnosti molekul vlivem tepla (obr. 3.92). Sestává ze dvou obdélníkových desek. Deska 1 má teplotu okolí T0, deska 2 je zahřátá na teplotu T1. Na stěnu studené desky, která je obrácena k desce teplé působí tlak úměrný teplotě teplé desky T1. V prostoru mezi deskami vzniká tedy vyšší tlak, než je tlak v okolí. Mezi deskami tedy působí síla.

204

Obrázek 5-128 Termomolekulární vakuometr

5.5.17.7 Ionizační vakuometry Ionizační vakuometry patří mezi nejpoužívanější vakuometry v širokém intervalu tlaků od 101 Pa až do 10-13 Pa. Tak široký rozsah tlaků si vyžaduje více typů těchto vakuometrů. Všechny však využívají ionizaci plynu nárazem elektronů na neutrální částice. Mírou tlaku je počet vzniklých nabitých částic, který závisí na druhu plynu, geometrii elektrod a intenzitě elektrických a magnetických polí. 5.5.18 Měření vlhkosti Měří se vlhkost plynů nebo pevných látek Při měření vlhkosti plynů se měří obsah vodní páry v suchém plynu. Používané metody: • psychometrická • hydrometrická • rosného bodu 5.5.18.1 Psychometrický snímač principem jsou dva teploměry. Jeden je suchý a měří teplotu vzduchu a druhý je stále navlhčován. Rozdíl udává nenasycenost vzduchu. Velikost relativní vlhkosti je dána rozdílem teploty suchého a vlhkého teploměru. Hydrometrická metoda -je založena na schopnosti některých látek udržet si svou vlhkost v rovnováze s vlhkostí okolního vzduchu. Při změně vlhkosti plynu se mění vlastnosti látek. Rosný bod -spočívá v určování teploty rosného bodu, tj. teploty, kdy je plyn vodní párou nasycen. Z teploty rosného bodu a teploty plynu se určuje relativní vlhkost plynu. Měření rosného bodu se určuje orosením ochlazované plošky. Pro měření vlhkosti tuhých látek se používají tyto metody: • • • •

měření elektrické vodivosti měření permitivity látek s vlhkostí měření absorpce elektromagnetického pole v závislosti na vlhkosti látek měření absorpce infračerveného záření v závislosti na vlhkosti látek 205

5.5.18.2 Vlasový vlhkoměr Měří se prodloužení vlasu. Při změně vlhkosti od 0 do 100% se vlas prodlouží o 2,5 %. Měření je nelineární. Použití do 80 0C. prodloužení vlasu: τ = kT log ϕ k konstanta, T absolutní teplota [K], ϕ relativní vlhkost % 5.5.18.3 Elektrolytický vlhkoměr využívá hydrometrické metody. Snímač tvoří skleněnou trubičkou, na které je navléknuta skleněná tkanina. Tkanina je nasycena vodním roztokem LiCl . Ve tkanině jsou platinové elektrody. Uvnitř trubičky je odporový teploměr. Elektrody jsou napájeny střídavým proudem. Elektrolyt se zahřívá průchodem proudu elektrodami a částečně se z něj odpařuje voda. Vlivem zvýšené vlhkosti okolo snímače se začne zvyšovat vodivost elektrod a elektrolyt se více zahřívá. Odporový teploměr je ocejchován na 0 0C rosné teploty. Pro měření relativní vlhkosti je důležité měřit kromě rovnovážné teploty ještě teplotu vzduchu. 5.5.18.4 Psychometrický vlhkoměr Skládá se ze dvou teploměrů a to suchého, měří teplotu vzduchu, a mokrého, měří teplotu vlhkého vzduchu ϑm. Vzduch proudí kolem mokrého teploměru a přijímá v mezní vrstvě nad hladinou vody její teplotu ϑm , která je menší než ϑ. Rozdíl teplot odpovídá spotřebované teplo. K tomuto platí vztah: ξ( ϑ - ϑm) = Lm • βm• ( Φϑm - Φm) ξ- součinitel přestupu tepla Lm- výparné teplo při teplotě ϑm βm - součinitel přestupu hmoty Φϑm- absolutní vlhkost vzduchu v mezní vrstvě při teplotě ϑm Φϑ- ab. vlhkost okolního vzduchu při teplotě ϑ Psychometrický rozdíl je přímo úměrný nedosycenosti vzduchu a nepřímo úměrný součinu barometrického tlaku s psychometrickým součinitelem. Tedy: ϑ - ϑm = (p m max - pc) / (Av •pb) Při měření se určí relativní vlhkost Φ: Φ= pc / pmax = pm max / pmax - pb / pmax • Av (ϑ - ϑm) kde pmax je tlak syté vodní páry. 206

5.5.18.5 Infračervený vlhkoměr Je snímač vlhkosti, využívající absorpce infračerveného záření v závislosti na obsahu vody v měřené látce. Jde o zdroj infračerveného záření s filtrem propouštějící určitou vlnovou délku záření. Záření prochází měřeným prostředím a dopadá na snímač, který je citlivý v této spektrální oblasti. Používá se pro měření materiálů všech skupenství. Přesnost je asi 0,1 až 1%. 5.5.18.6 Přímé odporové snímače vlhkosti Pro měření vlhkosti pevných a sypkých látek se používá přímé měření elektrické vodivosti mezi dvěma elektrodami. Pro závislost odporu tuhých látek na vlhkosti platí vztah: R = A / ϕn kde R odpor mezi elektrodami A konstanta ϕ relativní vlhkost materiálu Mocnitel n závisí na struktuře a druhu zkoumané látky. Nepříznivý vliv na měření má teplota. To se může odstranit teplotní kompenzací. Snímač tvoří dvě elektrody, vložené do měřeného materiálu, napájené střídavým proudem. Obdobného principu se využívá při použití nevodivých solí nebo kyselin, které mění při změně vlhkosti svou vodivost. Snímač tvoří podložka z umělé hmoty, na které jsou dvě elektrody. Na podložce je pak mezi elektrodami nosný materiál navlhčen hygroskopickou solí nebo kyselinou. Používá se chlorid lithia, bromid lithia, chlorid zinečnatý nebo kyselina sírová. Používá se teplotní kompenzace. Rozsah 5 až 95% relativní vlhkosti. 5.5.18.7 Kapacitní snímače vlhkosti Je definovaná poměrná permitivita suchého materiálu. Nasycení materiálu vodou se poměrná permitivita změní. Tato změna se vyhodnocuje. 5.5.19 Měření záření Snímače záření můžeme rozdělit v podstatě ze dvou hledisek. Jako obecnější použijeme rozdělení podle druhu záření na snímače záření: • světelného (fotoelektrické snímače), • ultrafialového, • infračerveného (tepelného), • ionizačního. Druhé hledisko je princip, na kterém je snímač založen. Některé principy, konstrukce snímačů se používají pro více druhů záření. 5.5.19.1 Snímače světelného záření Snímače světelného záření můžeme rozdělit na: 207

• fotochemické, • fotoelektrické. Fotochemické snímače využívají chemických změn v různých materiálech vlivem světla (fotografie apod.). Nemají pro automatizaci podstatný význam. Fotoelektrické snímače rozdělíme na: a) odporové, b) emisní, c) generátorové. Použití jednotlivých typů je dáno spektrálním rozsahem měřeného záření, teplotou a dalšími parazitními vlivy. 5.5.19.1.1 Odporové a polovodičové snímače Fotorezistory Činnost fotorezistorů je založena na změně elektrického odporu polovodiče působením elektromagnetického záření. Rozeznáváme kladný fotoelektrický vodivostní jev, který se projevuje zmenšením odporu vlivem světelného toku a záporný fotoelektrický vodivostní jev, vyznačující se zvětšením odporu. Pro polovodičové materiály, které se v současné době pro fotorezistory používají, je charakteristický kladný fotoelektrický vodivostní jev. Krystalické polovodičové materiály v čistém stavu (bez příměsí) nemají volné elektrony ve vodivostním energetickém pásmu. Působením různých vlivů (a tedy i osvětlením) může část elektronu získat energii potřebnou pro jejich přechod z valenčního pásu do pásu vodivostního. Takové elektrony se stávají volnými a mohou způsobit vznik elektrické vodivosti. Místo, které se uvolní vznikem volného elektronu ve valenčním pásu, je rovnocenné kladně nabité částici a označujeme je jako díru. Tyto kladně nabité částice (díry) se mohou také podílet na elektrické vodivosti. Počet volných párů elektron - díra, vzrůstá tedy při osvětlení (dopadu elektromagnetického záření) polovodivého materiálu, je-li energie fotonů dostatečná pro přechod elektronů do pásu vodivostního. Vodivost se zmenšuje intenzitou osvětlení přibližně podle exponenciální závislosti v rozsahu asi tří řádů. Fotorezistory se vyznačují dobrou citlivostí, jednoduchou konstrukcí a jednoduchým zpracováním výstupního signálu (měření odporu). Fotodioda Její funkce je založena na využití vnitřního fotoelektrického jevu v polovodiči na přechodu PN. Je to tedy polovodičová dioda, v níž pohlcované záření vyvolá změnu elektrických vlastností. Podle konstrukčního řešení rozlišujeme tyto základní druhy: • • •

fotodioda PN, fotodioda PIN, lavinová fotodioda, 208

• •

Schottkyho fotodioda, hrotová fotodioda

Kromě těchto základních typů se v měřicí technice (především v robotice) používají integrované systémy s větším počtem fotodiod, uspořádaných v řadě nebo v ploše (matice) na jedné podložce včetně pomocných obvodů. V podstatě známe dvojí možné řešení: • •

Světelný tok je rovnoběžný s přechodem PN. Světelný tok je kolmý na přechod PN.

Častější je uspořádání první. Pro optimální funkci je důležité záření dopadající do bezprostřední blízkosti přechodu. Ve vzdálenosti 1 až 2mm má záření již poloviční účinek. Z toho vyplývají velmi malé rozměry fotodiody. V porovnání s emisní fotonkou má fotodioda větší citlivost, mechanickou odolnost, dlouhou dobu života, malý šum a nízké provozní napětí. Nevýhodou je velký proud za tmy, vzrůst proudu za tmy i citlivost s teplotou, relativně malá časová stálost. Jako materiál se používá Si, Ge, As, Ga a další. Fototranzistor Je to v podstatě tranzistor s vývodem báze nebo bez něho, ve kterém lze průchod nosičů náboje řídit velikostí dopadajícího záření. Fototranzistory jsou většinou řešeny jako bipolární tranzistory typu PNP neb NPN. Konstrukčně jsou řešeny tak, aby záření dopadalo a bylo absorbováno v oblasti kolektorového přechodu PN. Generované páry volných nosičů (elektron - díra) v tomto místě jsou tranzistorem zesíleny a ve vnějším obvodu se projeví zvětšeným proudem kolektoru. Fototyristor Fototyristor je snímač světelného toku, který se vyznačuje tím, že dopadajícím zářením se přepne z blokovacího do propustného stavu. Základní typy jsou tyto: • závěrně blokující diodový, • závěrně blokující triodový, • závěrně blokující tyristorová fototetroda, • programovatelná fotodioda se dvěma bázemi. Konstrukčně i funkčně vycházejí všechny typy z diodového fototyristoru. Od něho se liší počtem a druhem vrstev křemíku vyvedených na svorky s hodnotou základních parametrů. 5.5.19.1.2 Generátorové snímače světelného záření Fotoelektrický snímač generátorového typu, je popsán v principech snímačů. 5.5.19.1.3 Emisní snímače Emisní snímač je popsán v principech snímačů 209

5.5.19.2 Snímače ultrafialového záření Používají se odporové a emisní, konstrukčně jsou shodné s obdobnými v předchozí kapitole. Odporové se odlišují materiálem a především ultrafialovým filtrem tvořeným sklem průzoru, kterým dopadá záření na vlastní aktivní plochu. 5.5.19.3 Snímače infračerveného záření Pro měření infračerveného (tepelného) záření se používají tyto typy snímačů: • odporové, • emisní, • generátorové, • pyroelektrické • bolometrické, 5.5.19.3.1 Odporové snímače Používané a vyráběné jsou infračervené fotorezistory a fototranzistory. Liší se především použitým materiálem, používá se většinou sirník olovnatý. Dále pak tím, že okénko, propouštějící záření na vlastní aktivní plochu snímače, je infračerveným filtrem. 5.5.19.3.2 Emisní snímače

Rozlišujeme dva typy: • fotoelektrickou emisí, • tepelnou emisí. Snímače s fotoelektrickou emisí jsou shodné se snímači předchozí kapitoly. Mají pouze předřazen infračervený filtr. Snímače s tepelnou emisí jsou vybaveny infračerveným filtrem a optikou, která soustředí záření na katodu. Vlivem tepelného záření dochází k ohřátí speciální katody a tepelné emisi. Tento způsob je málo využíván. 5.5.19.3.3 Generátorové snímače Opět se jedná o obdobu snímače s předřazeným infračerveným filtrem. Pyroelektrické snímače Tepelné záření se soustředí vhodnou optikou na pyroelektrický materiál, tím dochází ke změně jeho teploty a vzniku elektrického náboje. Tento snímač se užívá v aktivních bolometrech a pyrometrech. 5.5.19.3.4 Bolometry Jejich funkce spočívá ve využití absorpce zářivého toku, čímž se mění teplota aktivní činnosti bolometru. Bolometry dělíme podle výstupní veličiny na: • aktivní - využívající pyroelektrický jev nebo termoelektrický jev, aktivní částí je termočlánek, • pasivní - mění se s teplotou veličina, kterou můžeme dále měřit. 210

• • • •

Pasivní bolometry rozdělíme podle snímače teploty na: odporové, indukční, kapacitní, emisní

Nejvíce se využívají bolometry s odporovým snímačem. Snímače pracují obvykle ve spektrální oblasti 0,8 až 50 µm i více. Snímač je schopen indikovat zářivý tok 10-8 až 10-10W. Velkou předností odporových bolometrů je relativně malá časová konstanta. Podle materiálu je můžeme rozdělit na: a) kovové, b) polovodičové • polykrystalické, • monokrystalické. Podle pracovního režimu (teploty) jsou rozděleny obvykle takto: • při normální teplotě, • při nízké teplotě, • v supravodivém stavu. Tato skupina snímačů se považuje za snímače neselektivní. Je ovšem nutné počítat s tím, že žádný snímač nemá v celé infračervené oblasti přímkovou spektrální charakteristiku. Obecný požadavek je, aby snímač měl co největší citlivost a co nejmenší časovou konstantu, aby mohl pracovat se střídavým zářivým tokem. Kovové snímače Jako materiál se používá platina, nikl, vizmut, antimon apod. Malé tepelné kapacity je dosaženo pomocí velmi tenké vrstvy, v rozsahu 0,1 až 3µm. Délka pásku bývá jednotky milimetrů, šířka pásku desetiny milimetrů. Pásek je pokryt černí pro zajištění co nejlepší absorpce záření. Tímto uspořádáním se dosáhne časové konstanty jednotek milisekund při odporu odporových článků řádově desítky ohmů. Absorpční vrstva je většinou vytvořena zlatou nebo platinovou černí, která absorbuje ve spektrálním rozsahu od 1µm do 15µm vlnové délky zářivého toku. Jako čerň se též používá Aquadag (směs grafitu, taninu, destilované vody a některé organické látky). Citlivost snímače s těmito parametry bývá kolem 1 V/W. Pro kompenzaci teploty okolí se používá článek stejné konstrukce, na který ovšem nedopadá zářivý tok. Oba odporové články jsou zapojeny do můstku. Polovodičové snímače První konstrukce bolometrů s polovodičovými články měl materiál CuO2. Většinou se používají polykrystalické materiály. Geometrické rozměry polovodičových bolometrů jsou obdobné jako u kovových s tím, že polovodičové mají větší tloušťku (až 10µm). Hodnota 211

odporu bývá jednotky až desítky megaohmů. Snímače s pevnou podložkou jsou odolné proti poškození. Tepelná kapacita podložky je mnohem větší než tepelná kapacita polovodiče. Pro malou časovou konstantu (2 až 5ms) je možno použít např. křemen, který má dobrou tepelnou vodivost (při určité krystalografické orientaci) a velmi velký elektrický odpor. Pokud jsou snímače v přímém styku s atmosférou, vzniká šum, způsobený jejím prouděním, a tím se snímač ochlazuje. Proto musí být odporový článek umístěn v ochranném krytu. Pro realizaci bolometrů lze použít též některých monokrystalických materiálů s vhodným legováním. 5.5.19.3.5 Bolometry pracující při nízkých teplotách Teplotní součinitel odporu polovodiče se zvětšuje se snižující teplotou. Např. uhlík při teplotě 2K má teplotní součinitel asi kolem -0,02K-1. Citlivá povrchová vrstva pohlcuje převážnou část záření v dlouhovlnné oblasti. Této skutečnosti se využívá u některých typů polovodičových bolometrů. Další možnost zvětšení citlivosti odporového kovového bolometru je jeho činnost při supravodivém stavu. Je známo, že u mnohých kovů nebo slitin se odpor pomalu zmenšuje až do teploty Θo, od které dochází k rychlé změně odporu. Teplota Θo je velmi nízká, např. Pb Θo = 7,2K, Sn má Θo = 3,7K, pro nitrid niobu je Θo = 14K apod. Přesností supravodivých bolometrů je velmi malý tepelný šum a malá časová konstanta. Teplotní součinitel odporu je velký. V důsledku strmého přechodu do supravodivého stavu je důležitá stabilita teploty, např. pro supravodiče prvního druhu se požaduje stabilita až 10-4K. Hlavní složkou fluktuačního šumu je změna teploty chladicí kapaliny. Bolometry pracující při nízkých teplotách jsou vhodné pouze pro speciální aplikace. 5.5.19.4 Snímače ionizujícího záření Používají se k měření jaderného záření (α, β, γ), rentgenového záření a neutronového. Pracují jako sekundární. Používají se tyto principy snímačů: • ionizační, • emisní scintilační, • odporové. 5.5.19.4.1 Ionizační snímače Snímače jsou tvořeny elektrodami, které se nacházejí v plynném prostředí. Na elektrody je přiloženo elektrické napětí. Dojde - li v plynném prostředí k ionizaci, dochází vlivem elektrostatického pole k pohybu iontů a elektronů a obvodem snímače prochází proud. Tento proud označený jako ionizační je úměrný úrovni ionizace plynu. Užívají se snímače pro měření polohy a jaderného záření. Podrobnš jsou popsány v kapitole principy snímačů. 5.5.19.4.2 Scintilační snímače Využívá scintilací, které vyvolávají nabité částice v některých luminiscenčních látkách (tj. vysoké uvolnění fotonů - světelného záření). Tyto scintilace jsou pak zesíleny fotoelektrickými násobiči a vyhodnoceny jako impulsy fotoelektrického proudu násobiče. 212

Jako scintilační látky se používají anorganické i organické krystaly a krystalické látky. Z anorganických látek se používá jodid sodný, aktivovaný na 1 až 2 % thalia, z organických pak naften, stilben, antracén. Počet výstupních impulsů odpovídá počtu dopadlých částic, jejich amplitudy pak energii částic. 5.5.19.4.3 Odporové snímače jaderného a rentgenového záření U tohoto typu snímačů se využívá změna vodivosti některých polovodičových krystalů při působení jaderného záření. Podle uspořádání polovodiče můžeme tyto snímače rozdělit do dvou skupin: • Polovodičové snímače bez přechodu PN • Polovodičové snímače s přechodem PN Polovodičové snímače bez přechodu PN Používají se pro indikaci částic α, β, γ a rentgenového záření. Jejich velkou výhodou jsou malé rozměry a možnost indikace částic β s malou energií. Jejich citlivost je v porovnání s plynovými snímači podstatně větší. Na uvolnění jednoho aktivního elektronu, např. u CdS je zapotřebí energie 5 až 10eV, kdežto u plynu přibližně 34eV. Tloušťka destičky monokrystalu se pohybuje kolem 10µm, plocha v miniaturním provedení kolem 1mm2. Amplituda impulsů je závislá na intenzitě elektrického pole. Maximální amplituda impulsu může dosáhnout až 1 mV. Polovodičové snímače s přechodem PN Druhým typem jsou snímače s přechodem PN. Jde v podstatě o velkoplošné diody s povrchovou bariérou nebo kompenzované. U snímačů s povrchovou bariérou se vytváří závěrná dvojvrstva přechodu PN na samém povrchu monokrystalického výbrusu tak, že na základním materiálu (obvykle s vodivostí typu N) se vytváří velmi tenká vrstva opačného vodivostního typu. Citlivá plocha vstupního okénka je opatřena velmi tenkou zlatou elektrodou, takže neúčinná (tzv. mrtvá) vrstva se tu neuplatňuje. Snímače pracují při atmosférickém tlaku. Poměr signálu k šumu je větší než 100/1. Jako základní materiál se používají monokrystaly s velkým měrným odporem. Druhým typem jsou diody kompenzované lithiem v takovém množství, aby se přítomné nečistoty typu N vykompenzovaly lithiovými ionty. Mají velkou rozlišovací schopnost. Poměr signálu k šumu je poněkud menší než u předchozího typu. Jako materiál se většinou používá GeSi. Jsou vyráběny ve dvou typech:

213

6

Obvody přenosu signálů

Pro řízení technologického procesu je velmi důležitý přenos měřicích, ovládacích a informačních signálů, a to z důvodu nutnosti soustředit řídicí obvody v jednom místě, což není možné bez přenosu signálu z důvodu vzdálenosti mezi měřicími a akčním obvodům. Obvody přenosu jsou soustavou, částí, která umožňuje předávání signálů, získaných měřicím obvodem na místo, kde dojde k jejich vyhodnocení a zpracování, nebo v opačném směru předání signálů z ovládacích a řídicích k akčním obvodům. Jde většinou o značný počet signálů, předávaných mnohdy na velké vzdálenosti. Proto se provádí přenos většinou elektrickou nebo optoelektronickou přenosovou cestou. V místních pneumatických a hydraulických řídicích systémech, kde se nevyskytují velké vzdálenosti, se používají přenosy tlakem kapaliny nebo vzduchu, který je funkci signálu. Při větších vzdálenostech se tlak převádí na elektrický signál. Obecné schéma je na obr. 6.1. Skládá se z vysílače V, přijímače P a přenosové cesty PC. Do vysílače vstupují signály Svx, které jsou přenosovou cestou vedeny Scx k přijímači, ze kterého odcházejí jako signály Spx.

Obrázek 6-1 Přenosový obvod

K zajištění dobrého přenosu signálů je nutné splnit následující požadavky a podmínky: • • • • •

věrnost přenosu, výstupní veličina musí co nejvíce odpovídat vstupní, jinak vzniká chyba znehodnocující celý proces řízení propustnost obvodu přenosu, jde o možný počet současně přenášených signálů jedním obvodem, Je požadován o určitou zálohu vyšil než nezbytně nutný; rychlost přenosu; nákladnost obvodu přenosu odolnost proti rušení a náhodným chybám.

6.1 Rozděleni obvodů přenosu Obvody přenosu můžeme rozdělit z mnoha hledisek. Dále a v následujících kapitolách vysvětlíme jednotlivé pojmy.

214

6.1.1 Druh signálu Signály informační jsou většinou slaboproudé, malého výkonu, jsou to signály měřicí a řídicí. Ovládací signály slouží k přímému ovládáni akčních členů. Maji vyšší výkon a napětí. Většinou se přenášejí jednotlivě. Oba druhy mohou být analogové a diskrétní. 6.1.2 Tvar signálu Analogové signály jsou spojité, nabývají hodnot v čase plynule. Bývají stejnosměrné nebo střídavé. Diskrétní signály jsou nespojité, mění se v čase skokem a mohou nabývat jen konečného počtu hodnot v určitém konečném časovém intervalu. Dále se děli na: víceúrovňové - v určitém časovém okamžiku mohou nespojitě nabýt libovolné hodnoty • impulzní - v čase se zobrazí jako řada impulzů, u kterých se mění jedna z veličin amplituda, délka, frekvence a fáze; • datové, jinak též číslicové, binární. Jsou to signály nabývající pouze dvou hodnot, které odpovídají logickým stavům pravda, nepravda, False, True; L, H; (0,l). 6.1.3 Způsoby přenosu Toto rozděleni přenosových obvodů je členěno podle způsobu, jakým jsou signály vstupující do přenosového obvodu přenášeny. Vstupní signály mohou mít tvar analogový i diskrétní. Pro oba můžeme použít všechny způsoby přenosu. •

Způsoby přenosu rozdělíme podle tvaru přenášeného signálu na: •

analogový o stejnosměrný o střídavý • diskrétní o impulsový o datový o víceúrovňový Způsob, jakým je přenášeným signálem nesena informace vstupního signálu je dán modulaci. Jestliže přenášený signál odpovídá vstupnímu, je přenos bez modulace. Využiti přenosové cesty pro přenos signálů nám umožňuje následující dělení na přenos: simplexní (signál je přenášen v jednom směru) poloduplexní (signál je přenášen střídavé v obou směrech) duplexní (signál je přenášen najednou v obou směrech) multiplexní (po jedné přenosové cestě je přenášené více signálů v jednom nebo obou směrech) Je zřejmé, že pro poslední tři přenosy neplatí obr. 6.1, protože na obou koncích přenosové cesty PC musí být přijímač P i vysílač V (obr. 6.2). • • • •

215

Obrázek 6-2 Multiplexní přenos

Podle délky přenosové cesty se dělí přenosy na: • vnitřní (jednotky metrů) • místní (do 10 metrů) • dálkový 6.1.4 Analogový přenos Pracuje se spojitými signály, vstupní i výstupní veličina bývá analogová. Vstupní signál je zpracován zesilovači na potřebnou úroveň a vysílačem předán přenosovou cestou do přijímače, kde je opět zpracován tak, aby výstupní signál byl vhodný k dalšímu zpracování. Nebo se pro přenos užívají tři druhy modulace: • amplitudová, • kmitočtová, • fázová. Signál může být přenášen přímo, nosnou veličinou je pak amplitudu. Stejnosměrného nebo střídavého signálu, který odpovídá vstupnímu signálu. Nevýhodou je závislost nosné veličiny na útlumu přenosové cesty a jeho změnách. Výhodou je pak jednoduchost přijímačů i vysílačů. Jsou vhodné pro místní přenosy. Modulaci rozumíme ovládání některé veličiny nosného signálu signálem vstupním. Modulací se používá pro dálkový, bezdrátový, optoelektronický a vícenásobný přenos. Amplitudová modulace se vyznačuje tím, že u harmonického nosného signálu o frekvenci f0 a amplitudě Ao je působením vstupního signálu uskutečněna změna amplitudy. Tento přenos má obdobné nevýhody jako předchozí. Frekvenční modulace. Nosnou veličinou je kmitočet harmonického signálu o základní frekvenci f0 a amplitudě A0. Vlivem vstupního signálu se mění v modulátoru frekvence nosného signálu tak, že průběh změn kmitočtu odpovídá průběhu vstupního signálu. Modulátory jsou většinou tvořeny napětím řízenými oscilátory. Hlavní předmostí pak je nezávislost na útlumu přenosové cesty.

216

Fázová modulace se vyznačuje tím, že se vlivem vstupního signálu mění fáze nosného harmonického signálu. 6.1.5 Diskrétní přenos Vyznačuje se tím, že pracuje s nespojitými přenosovými signály. Vstupní signál může být analogový (je nutné ho převést na diskrétní) nebo diskrétní. Výstupní bývá většinou diskrétní, v některých případech se však požaduje analogový výstupní signál. Přenos diskrétních signálů se může dít přímo nebo modulovaně. Používají se tytéž druhy modulace, jako u předchozí kapitoly, jejich princip je stejný, jen modulovaná veličina nosného harmonického signál se mění skokem. Diskrétní signály dělíme podle tvaru a způsobu přenosu informace: • impulsní: - amplitudové • časové • kmitočtové • fázové • datové • víceúrovňové 6.1.5.1 Diskrétní přenos analogového signálu Vyznačuji se tím, že do přenosového obvodu vstupuje analogový signál, který Je zpracován převodníkem na diskrétní a ten je přenášen po přenosové cestě. Výstup z přijímače je diskrétní nebo analogový (nutný zpětný převod). Tento způsob přenosu můžeme rozdělit podle druhu diskrétního signálu na impulsový a datový. Základní podmínkou nahrazeni analogového signálu vzorky (impulzy, číslem) je vzorkovací teorém. Udává podmínky, za kterých lze spojitý časový průběh nahradit řadou diskrétních vzorků (obr. 6.3).

Obrázek 6-3 Vzorkování signálu

217

Spojitou funkci X(t), jejž kmitočtové spektrum je omezeno tak, že neobsahuje kmitočty vyšší než fm, lze plně nahradit řadou jejích diskrétních vzorků xi, jestliže časový interval -∆ t mezi dvěma odběry vzorků vyhovuje vztahu: ∆𝑡 =

1 𝑓𝑚

𝑓𝑉 =

1 ∆𝑡

Zavedeme -li pojem kmitočet vzorkováni, pro který platí vztah:

Můžeme podmínku vyjádřit vztahem: 𝑓𝑉 ≥ 2𝑓𝑚

Platí tedy, že kmitočet vzorkováni musí být větší nebo stejný, než je dvojnásobek šířky kmitočtového spektra spojité vzorkované veličiny, Shanon-Khotelnik teorem. 6.1.5.1.1 Impulsní přenosy Jejich společnou vlastností je převod analogového signálu na impulzy, u kterých nese informaci amplituda, šířka, fáze nebo četnost (kmitočet) impulzů. Rozeznáváme tedy tyto základní typy impulsních přenosů: • amplitudový, • kmitočtový, • časový, • fázový. 6.1.5.1.2 Amplitudový impulsní přenos. Nosnou veličinou je amplituda impulzů proudu nebo napětí. Tyto impulsy můžeme získat přímo z analogového signálu pomocí vzorkovače (obr. 6.4). Je to v podstatě spínač ovládaný vzorkovacími impulzy uti, připojuje analogovou veličinu X(t) na zatěžovací odpor Rz, na kterém vznikají napěťové pulsy o amplitudě vstupního signálu. Průběh odpovídá již uvedenému obr. 6-3.

Obrázek 6-4 Vzorkovač

Vzorkovač uvedený na obr. 6.4 je sériový, kromě toho se používají vzorkovače paralelní. Jako vzorkovacích spínačů se užívají relé, tranzistory většinou MOSFET. K dispozici jsou i 218

integrované vzorkovací zesilovače. Nevýhodou tohoto přenosu je velká závislost na útlumu přenosové cesty 6.1.5.1.3 Kmitočtový impulsní přenos. Nosnou veličinou je kmitočet (jinak též četnost) impulzů stejnosměrného nebo střídavého napětí. Pracují obvykle se signály o kmitočtu jednotky až stovky MHz. Ve velkém rozsahu se používají v energetice. K vzniku impulsů se užívají převodníky, které jsou popsány výše. Výhodou je malá závislost na útlumu přenosové cesty, nevýhodou citlivost na impulsní rušivé signály. 6.1.5.1.4 Časový impulsní přenos Někdy též uváděn jako přenos s šířkou (délkou) impulzu, protože nosnou veličinou je dálka impulsu signálu s konstantní periodou a amplitudou. Užívá se přenos s krátkou periodou. Původně se používal zejména k dálkovému přenosu výchylek ukazatelů primárních měřicích přístrojů, různých fyzikálních veličin. Vysilače těchto soustav pracovaly na principu mechanicko-elektrického převodu. V současnosti se používají převodníky na délku impulzu. Nevýhodou tohoto typu přenosu je přídavná chyba, způsobená zkreslením tvaru a amplitudy impulsů na přenosové cestě. Přednosti pak jednoduchá konstrukce přijímače, protože měření časového intervalu lze jednoduše realizovat měřením střední hodnoty stejnosměrného napětí po odfiltrování náhodných chyb, provedením vytvarování a normalizaci amplitudy impulzů. 6.1.5.1.5 Fázový impulsní přenos Nosnou veličinou je fázový (časový) posun impulsů. Je obdobou předešlého druhu přenosu. Impulzy mají shodnou amplitudu a šířku, mění se začátek impulsů (jejich fáze) v závislosti na vstupním signálu na obr. 6.5b, výhodou je velmi jednoduchý převodník (obr. 6.5 a), skládá se se zdroje pilového napětí ZPP, komparátoru K a monostabilního klopného obvodu MKO.

Obrázek 6-5 (a,b) Fázový impulsní přenos

219

Vstupní signál Ux Je veden na komparátor, který ho srovnává s pilovým napětím UN o stálé periodě. Při rovnosti Ux =Un vyšle komparátor puls, který je MKO převeden na impuls definované délky a amplitudy (obr. 6.5b). Tento způsob se používá málo, pro problémy se synchronizaci přijímače a vysilače. 6.1.5.2 Diskrétní přenos diskrétního signálu Vyznačuje se tím, že nespojitý je vstupní i přenášený signál. Můžeme je rozdělit do těchto základních skupin: • přímý přenos diskrétního signálu, • impulsní přenos, • přenos dat. Přenosem dat se budeme zabývat v následujícím bodu. Přenos diskrétního signálu s více úrovněmi se může dít přímo nebo impulsově. Pro přenos může být užito modulace harmonického signálu a to amplitudové, frekvenční i fázové. Pro přímý přenos se užívají obdobné prostředky jako pro analogový přenos, odlišuji se především v dynamických vlastnostech. Je nutné zajistit, aby impulsní charakteristika všech části, přenosového obvodu vyhovovala přenosu skokových změn. Impulsní přenos diskrétního signálu se děje stejným způsobem jako u signálu analogového. Pro vzorkování diskrétního signálu platí obdoba vzorkovacího teorému. Četnost vzorkováni musí být větší nebo rovna četnosti změn diskrétního signálu. 6.1.5.3 Přenos dat Data nebo též číslicový, lineární, dvoustavový signál je zvláštní případ diskrétního signálu. Data jsou signálem vyjádřeným v číslicovém tvaru tak, aby mohly být zpracovány v číslicových prostředcích (počítačích, ústřednách ap.). Z hlediska přenosu jsou kladeny velmi přísné požadavky na zajištění dat proti poruchám. Přenos dat je přemístěním dat v prostoru prostřednictvím elektrických nebo optických signálu. Pro různé číslicové systémy jsou i různé požadavky na vzdálenost přenosu i přenosovou rychlost. Z toho vyplývají i odlišné požadavky na organizaci a způsob přenosu a tím na obvod přenosu. Přenos dat na malé vzdálenosti se uskutečňuje na nejnižší úrovni číslicových prostředků při komunikaci mezi jeho stavebnicovými prvky. K přenosu dat na střední vzdálenosti (desítky metrů) dochází mezi číslicovým prostředkem a jeho okolím (vnější paměti, prostředky styku s obsluhou ap.) a u místních měřicích ústředen. Dálkový přenos dat zajišťuje komunikaci mezi jednotlivými prostředky číslicové sítě, účastnickými stanicemi při dálkovém sběru dat a s měřicími nebo akčními body u dálkového řízení. 6.1.5.3.1 Struktura dat Pro potřeby zpracování dat i pro jejich přenos se ze základních datových struktur, bitu, slabiky (byte) nebo slova vytvářejí složitější datové struktury. 220

Na úrovni technických prostředků pracujeme s daty zobrazenými ve dvojkové abecedě, obsahující jen dva znaky: nulu a jedničku. Základním prvkem zobrazeni dat je dvojková číslice - bit, obsahující jeden z uvedených znaků. Slabika (byte) je skupina osmi bitů. Slovo je pak tvořeno celým násobkem slabik; 8, 16, 32 bitů. Pro přenos, záznam a zpracování se vytvoř bloky dat o pevné nebo proměnné délce. Je to obyčejně skupina slov stejné délky, které mají společný vztah k popisované veličině. 6.1.5.3.2 Kódy a abecedy Pod pojmem abeceda se rozumí dohodnutá množina znaků nebo značek. Znakem rozumíme písmeno, číslici, znaménko nebo povely. Značka je abstraktní nebo signálový obraz znaků, složený z dvojkových prvků. Kód Je soustavou pravidel, podle kterých se tvoří značky nebo předpis, Jak k sobě přiřadit dvě abecedy. Tyto pojmy se překrývají. Data se přenášejí zásadně v kódovém tvaru. Nejčastěji se používají dvojkové kódy. Elementární dvojkové signály odpovídající jednotkovým prvkům kódu jsou impulsové a mohou se rozlišovat polaritou, amplitudou, šířkou nebo nosným kmitočtem. Rozlišení polaritou nebo amplitudou je vhodné jen při přenosu na malé vzdálenosti. Vysílání prvků kódu může být sériové nebo paralelní. Při přenosu na střední a velké vzdálenosti se používají bezpečnostní kódy. Kód je tvořen skupinou n prvků, z nichž každý může nabývat m diskrétních hodnot (n, m jsou celá konečná čísla). Číslo m vyjadřuje základ kódu, dvojkové kódy mají tedy m = 2. Jestliže počet prvků kódu n je pro všechny použité kódové kombinace stejný, mluvíme o rovnoměrném kódu. Soubor všech přiřazení kódových kombinací (tedy značek) se nazývá, jak již bylo uvedeno, kódová abeceda. Je-li každému z n prvků přiřazen určitý řád čísla s daným základem m, mluvíme o číselném kódu. Základním typem je přímý dvojkový kód. Kromě přímého, se velmi často užívá dvojkový kód (BCD),u kterého je každý řád desítkového čísla vyjádřen v přímém nebo jiném dvojkovém kódu. Zvláštní skupinu tvoří bezpečnostní kódy, které se užívají pro přenos dat na větší vzdálenosti. 6.1.5.3.3 Bezpečnostní kódy Bezpečnostní kód je druh diskrétního kódu s větší odolností proti impulsovým poruchám určitého druhu v důsledku využití redundance kódu. Bezpečnostní kódy se dělí na detekční kódy, které mají schopnost zjistit pouze přítomnost ohyby v přijaté kódové kombinaci a korekční kódy (samoopravné), které navíc umožňuji určit, v kterém prvku byla kódová kombinace narušena a tím umožňují i chybu opravit. Bezpečnost kódu závisí na tom, v kolika prvcích byla kódová kombinace narušena. Kódy s větší redundancí jsou odolné proti poruchám ve více prvcích. K detekčním kódům patří zejména paritní kódy, kombinační kódy a doplňkové kódy. Ze samoopravných kódů Je znám např. Hammingův kód a zejména cyklické kódy, které jsou odolné proti shlukům chyb. Stupeň bezpečnosti kódu může být vyjádřen např. minimální kódovou vzdálenosti. 221

Zabezpečovací prvky bezpečnostního kódu vyjadřují doplňkovou informaci o složení původní kódové kombinace. Mohou např. nést informaci o tom, zda počet jedniček v kódové kombinaci je číslo liché nebo sudé, mohou vyjadřovat celkový počet jedniček v kódové kombinaci nebo obecně mohou představovat výsledek smluvené kontrolní operace, která byla provedena na vysílací straně. Detekční kód (také identifikační nebo rozpoznávací kód) je druh bezpečnostního kódu, u kterého lze podle určitých kritérií a velkou pravděpodobnosti zjistit, zda je přijatá kódovaná kombinace narušena. Nemá však schopnost ohybu opravit, protože nelze zjistit, ve kterém bitu chyba vznikla. Stupeň bezpečnosti je závislý na jeho redundanci. Detekčních kódů se v méně náročných případech používají, zejména kombinační kódy, jinak se užívají paritní nebo doplňkové kódy. Samoopravný kód je bezpečnostní kód, který má schopnost opravit některé druhy ohyb, vyznačuje se velkou nadbytečností. Samoopravné kódy mají všechny vlastnosti detekčních kódů a navíc mají schopnost v určitých případech kombinací chyb zjistit, ve kterých bitech byla kódová kombinace narušena. Jejich princip spočívá v tom, že ze všech možných kódových kombinací je jen určitý počet kombinací dovolených. Každé dovolené kombinaci je přiřazena skupina kombinací nedovolených. Objeví-li se v paměti, kontrolní jednotky, některá nedovolená kombinace, Je nahrazena příslušnou dovolenou kombinací. Nejpoužívanějším druhem jsou cyklické kódy. Cyklický kód Je bezpečnostní kód se schopností detekce i korekce chyb, které se vyskytuji jak jednotlivě, tak i ve shlucích, cyklické kódy se vytvářejí tak, že k původní nezabezpečené zprávě P(x), vyjádřené v libovolném kódu se vytvoří tzv. generační polynom G(x). Číselná hodnota nezabezpečené zprávy P(x) se dělí generačním plygomem G(x). Výsledkem dělení je zbytek, kterým se doplňuje původní zpráva P(x) na zprávu zabezpečenou F(x). Podstata kontroly na přejímací straně spočívá v dělení přijaté zprávy generačním polynomem G(x). Vyjde-li dělení beze zbytků, Je to považováno za důkaz správnosti přijetí zprávy. Cyklické kódy se používají u kódových impulsových soustav, dálkového měření, dálkového ovládání a zejména při přenosu dat. 6.1.5.4 Metody přenosu dat Metody používané k přenosu dat jsou určeny požadovanou přenosovou rychlostí a přenosový výkon vzdáleností, na kterou se má přenos uskutečnit, charakterem přenosové cesty a při dálkovém přenosu vlastnostmi telekomunikačních spojů. 6.1.5.4.1 Sériový přenos Data se předávají bit po bitu za sebou prostřednictvím jednoho sdělovacího kanálu. Metoda sériového přenosu se užívá především při předávání dat na větší vzdálenosti, neboli rozhodující položkou jsou náklady na zdroje - vysílače a přijímače sériového signálu a převodníky na paralelní signál, který je dále zpracováván v číslicových prostředích. Přenos je pomalejší než paralelní, Je nutno vysílat též řídicí značky.

222

6.1.5.4.2 Paralelní přenos Data se přenášejí po skupinách bitů (většinou po slabikách nebo slovech), prostřednictvím stejného počtu sdělovacích kanálů. Metoda paralelního přenosu po samostatných vodičích se užívá především na krátké vzdálenosti. Rozhodující jsou pak náklady na vedení. Hlavní výhodou byl větší přenosový výkon proti sériovému přenosu. S výhodou se užívá pro dálkový přenos paralelní frekvenční přenos, kde pro každý bit paralelně vysílané skupiny Je vymezena jedna modulační frekvence (princip shodný s vícenásobným frekvenčním přenosem, popsaným dále). Pro přenos se pak užívá jeden sdělovací kanál (pár vodičů). 6.1.5.4.3 Synchronní a asynchronní přenos Při sériovém i paralelním přenosu se bity, skupiny bitů předávají v časové posloupnosti. V obou případech je však třeba zajistit, aby přijímač ve správném časovém okamžiku vyhodnotil začátek, tedy aby došlo k synchronizaci. Synchronní přenos se uskutečňuje signálem, u kterého je časový odstup dvou libovolných okamžiků přechodu z jednoho stavu do druhého celým násobkem základního intervalu. Přijímač tedy musí znát časovou základnu vysílače, tj. základní interval. Při asynchronním přenosu tyto vlastnosti signál nemá, přijímač nemusí znát časováni vysílače. K synchronizaci dochází značkami, zvláštními znaky ve vysílaném signálu. Zvláštním případem je arytmický přenos, který je kombinací synchronní a asynchronního přenosu. Asynchronně (uveden značkou) je vysílán synchronní úsek signálu. Přijímač musí znát časováni vysílače. Tento způsob je důležitý pro vícenásobné využití přenosové cesty (časově postupný přenos). 6.1.5.4.4 Prostředky přenosu dat Vstupní veličina přenosového obvodu pro přenos dat může být jak analogová, tak diskrétní. Je tedy nutný převod do číslicové formy a kódu, vhodného pro přenos. Převod analogového a víceúrovňového diskrétního signálu se děje pomocí již popsaných A/D převodníků. Jejich výstupem je většinou přímý binární kód. Zpracování na kód vhodný pro přenos se děje v kodérech. Jsou to sestavy logických obvodů. V dnešní době se s výhodou užívá pevně programovatelných pamětí. Vstupní binární údaj tvoři adresa, na které je uložena odpovídající značka v požadovaném kódu. Ta se po inicializaci objeví na výstupech paměti.

6.2 Vícenásobné přenosové obvody • Pro řízení technologického procesu je nutné přenášet z jednoho místa do centrálního řídicího bodu velké množství informaci. Při jednoduchém využiti přenosové cesty vznikají tak velké nároky, že jejich realizace by byla nemožná. Proto se využívají obvody s vícenásobným přenosem. Metody vícenásobného přenosu jsou shodné, jak pro analogový, tak diskrétní signály. 223

Podle metody přenosu je můžeme rozdělit na: • časové, • frekvenční. 6.2.1 Časové obvody vícenásobného přenosu Využívají metody přidělení přenosové cesty různý vstupům diferencovaně v čase. Princip přiděleni v čase Je možný několika způsoby: postupně požadavkem - z vysilače - z při jinače. 6.2.1.1 Časově postupné obvody Časově postupné systémy umožňuji připojit k jedné nebo více přenosovým cestám větší počet vstupů nebo výstupů. • •

Obrázek 6-6 Časově sdílená přenosová cest

Základ obvodu tvoři dva synchronizované přepínače (např. voliče, multiplexory). Tímto způsobem můžeme přenášet vice informací po Jednom páru vodičů. Tímto řešením nastává určité časové zpoždění, které nebývá velké. Je nutné však zajistit synchronizaci jedním vodičem. Na obr. 6.6 Je nakreslen obvod s krokovými vodiči. Přenosová cesta se skládá ze tři vodičů, společného Z, přenosového P a synchronizačního S. Synchronizačními pulzy SI dochází ke krokování vodičů a přepínáni vstupů a výstupů. Na obr. 6.7 Je elektronická verze. Přenosová cesta je shodná s předchozím zapojením. Synchronizační pulzy Jsou vedeny na kruhový čítač KČ, který dává na výstupu číslo, odpovídající pořadí vstupu nebo výstupu, který má být připojen. Multiplexor M provádí připojení vstupů na přenosovou cestu, demultiplexor D pak připojeni výstupů. Provedeni pro analogové a diskrétní signály se liší druhem přepínačů. Tato metoda se neužívá pro přenos dat.

224

Obrázek 6-7 Řízení časového sdílení multiplexory

Velmi vhodný Je impulsový přenos. Provedeme-li synchronizaci vzorkováni s připojením přenosové cesty k vstupnímu signálu, dostaneme při dodržení podmínek vzorkovacího teorému na výstupu po úpravě filtry signál opět spojitý. Tento způsob se užívá pro svou nenáročnost a při vysokém vzorkovacím a přepínacím kmitočtu i značnou kapacitu přenosu. Požadavkový obvod přenosu Jde opět o obvod s metodou časového sdílení přenosové cesty. Základem jsou dva přepínače, které jsou propojeny adresovým vedením, nebo u digitálních signálů může být adresa součástí přenášené informace. Požadavkové obvody (kombinační, dávkové, paketové), můžeme rozdělit do několika skupin.

Obrázek 6-8 Centralizované řízení sdílení

Podle způsobu přepínání na obvody s přepínači • centralizovanými, • decentralizovanými. Podle místa, ze kterého vznikl požadavek na přenos informaci na obvody s žádostí • •

z vysílače,. z přijímače 225

Tyto obvody přenosu se využívají k přenosu analogových, diskrétních signálů i dat. Obvod s centrálními přepínači je na obr. 6.8. Přepínače jsou ovládány adresou místa, na které má být připojení provedeno. Tato adresa je vedena po zvláštní souboru vodičů A. Adresa může vzniknout požadavkem jak přijímacích obvodů, tak vysílacích obvodů.

Obrázek 6-9 Decentralizované řízení sdílení

Obvody s decentralizovanými přepínači jsou realizovány podle obr. 6.9. Zde je adresa vedena až na jednotlivé zdroje vstupního signálu a na přijímací obvody. Adresou je vybrán přijímací obvod, který se má připojit ke společné přenosové cestě. Jinak jsou výstupy i vstupy obvodů od přenosové cesty odpojeny. Časové dělení lze využit také pro obousměrné sdílení přenosové cesty obdobnými prostředky.

Obrázek 6-10 Sdílení frekvenčního pásma

6.2.1.2 Frekvenční obvody vícenásobného přenosu U frekvenčních obvodů je každý kanál tvořen samostatnou frekvencí, na které je vhodnou modulací nesen signál. Tím je možné jako přenosové cesty využit samostatného vedení, silových vedeni i rádioelektronických prostředků. Umožňuje spojitě přenášet současně vice analogových signálů. Princip sdílení frekvenčního pásma je na obr. 6.10, kde f1 až fn jsou 226

nosné frekvence, na kterých je modulován nesený signál, čímž se vytvoří pásmo o šířce ∆f1 až ∆f2. Omezeni počtu přenášených signálů je dáno maximální možnou frekvencí, kterou je schopna přenosová cesta přenést (např. telefonní vedeni 3 kHz) a požadovanou šířkou pásma pro jednotlivé signály (je dáno frekvenci signálu). Tento přenos je možné kombinovat s časovým tak, že každý přenášený signál je dělen časově.

Obrázek 6-11 Obvod frekvenčního vícenásobného přenosu

Obvod frekvenčního vícenásobného přenosu je na obr. 6.11. Na vysílací straně se skládá z oscilátorů O, vytvářejících nosné frekvence, modulátoru M a pásmové propusti PP zajištující dodrženi maximální šířky pásma. Dále obvod obsahuje přenosovou cesta P a na přijímací straně pásmovou propust, zajištující výběr požadovaného pásma, demodulátor, na Jehož výstupu získáme opět původní signál. Někdy se používají na vysilači straně řízeni oscilátory, převodníky napětí - kmitočet.

227

7

Obvody signalizace

Funkcí obvodu je převedení signálu nesoucí informaci na takovou formu, aby mohl být sledován obsluhou. Jde většinou o formu optickou nebo akustickou. Dělení je pak na: • • • •

signalizační prvky (optické, akustické) ukazovací přístroje (analogové, číslicové) registrační přístroje (analogové- zapisovače, elektronické číslicové- paměti) měřící ústředny

7.1 Signalizační prvky Informují většinou o mezních hodnotách. Nejčastěji bývá světelná. Kdysi nejpoužívanější byly žárovky za barevnými filtry nebo polopropustnou vrstvou s nápisy nebo znaky. V současné době se používají velkoplošné prvky skládané z LED diod. Dalšími prvky jsou ukazatele stavů spínačů, uzavíracích orgánů apod. s kruhovým nebo jiným terčem, které se umisťují přímo do grafických schémat technologického procesu na panelech. U zvlášť nebezpečných situacích se optická signalizace doplňuje akustickou (bzučáky, houkačky, reproduktory).

7.2 Ukazovací přístroje Umožňují obsluze sledovat průběžně hodnotu sledované veličiny. Přístroje se pak dělí podle sledované veličiny na analogové a číslicové. 7.2.1 Analogové ukazovací přístroje Zobrazení se děje pomocí ručky nebo světelného paprsku na stupnici. Dělí se pak na přímé a zprostředkované působení měřené veličiny. Přístroje s přímým působením používají většinou převodu mechanického pohybu části snímače na pohyb ručky. Patří sem hydraulické nebo pneumatické tlakoměry apod. Používají se také všechny elektromechanické měřící přístroje. Z konstrukčního hlediska se rozdělují na profilové a rozváděčové. 7.2.2 Číslicové ukazovací přístroje Umožňují zobrazovat veličinu ve formě číselného kódu. Mohou zobrazovat číslice nebo i písmena. Přístroje jsou buď jen zobrazovače s podpůrnými obvody, nebo je jejich součástí i převodník veličina- číslo. Zvláštním typem je indikátor s pseudoanalogovým výstupem, kdy velikost měřené veličiny neznázorňuje číslo, ale čárka na stupnici. 7.2.3 Zobrazovací prvky Prvním způsobem zobrazení byl soubor kovových listů nastavovaný elektromechanicky nebo elektromagneticky. Dále následovaly žárovky a matice z nich tvořené, digitrony a doutnavkové zobrazovače. Dnes se používají LED diody nebo tekuté krystaly. Z LED diod se sestavují číslice a některá písmena ze segmentů. Kapalné krystaly jsou zvláštní roztoky, které se v magnetickém poli stávají neprůhlednými. Nejsou však zdrojem světla. 7.2.4 Registrační přístroje Podle zpracovávané veličiny na analogové a číslicové. Podle způsobu registrace na zapisovací a paměťové. 228

7.2.4.1 Analogové registrační přístroje a) Zapisovací přístroje Používají většinou papírového pásu, na který je tepelně nebo zapisovacím prvkem zakreslen průběh měřené veličiny. Podle způsobu záznamu je dělíme na liniové nebo bodové. Liniové pak na časové a souřadnicové. Souřadnicové zapisovače jsou určeny k zápisu dvou na sobě závislých veličin. Většinou jsou založeny na kompenzačním principu. b) Měřící magnetofony Záznam se provádí na magnetofonový pásek. Jsou konstruovány na vícenásobný paralelní záznam více veličin. 7.2.4.2 Číslicové registrační přístroje Zde se zařazují tiskárny, rychlotiskárny a paměti, digitální plottery. Zaznamenávají vstupní veličinu vstupující ve formě číselného kódu. Výstupem je záznam na papírovém pásu. Pro dlouhodobě registrovaný záznam se používají páskové a diskové magnetické paměti. Pro krátkodobé záznamy se pak požívají paměti složené z polovodičových prvků. 7.2.4.3 Měřící ústředny Jsou sestavou měřících prvků převodníků vyhodnocovacích zařízení a především záznamových zařízení. Jedná se o jednoúčelové zařízení určené například k hlídání a registraci ovzduší v prostředí nebezpečí výbuchu, hlubinném dole.

Obrázek 7-1 Měřící ústředna

229

8

Ovládací obvod, akční členy

Ovládací větev je tvořena ovládacími a akčními prvky a přenosovou cestou. Způsoby ovládání jsou místní a dálkový. Při místním ovládání se využívá výkonových signálů a většinou jednoduchých přenosových cest. Při dálkovém ovládání se využívá obvodu přenosu popsaných v kapitole přenosové obvody. Signalizace stavů se gěja obvody signalizace.

8.1 Ovládací obvody Rozdělujeme je podle ovládané veličiny na: • • •

mechanicko - elektrický mechanicko - pneumatický, hydraulický elektrické a elektronické

8.1.1 Mechanicko - elektrické ovládací členy Spínací prvky Jsou tvořeny soustavou kontaktů, které jsou ovládány většinou mechanicky přímo obsluhou. Mají jednu nebo více stabilních poloh, při nichž jsou kontakty zapnuty nebo vypnuty. 8.1.2 Vačkové spínače Na vačku připevněnou na ose doléhají z obou stan pohyblivé kontakty. S otáčením vačky dochází ke spínání kontaktů. Tyto kontakty mohou tvořit spínací, rozpínací nebo přepínací soustavy. 8.1.2.1 Paketové spínače Jsou tvořeny pohyblivým kontaktem (nožem) upevněným na otočné ose. Na paketě tvořené isolačním materiálem, která má tvar mezikruží, jsou na vnitřní straně umístěné kontakty, do kterých se zasouvá nůž a tím dochází ke spínání. 8.1.2.2 Řídítka Pootočením středního tvarovaného sloupku jsou výstupkem na něm umístěným, ovládány svazky kontaktů. 8.1.2.3 Tlačítka Jsou tlačítka, která se vrací spět a tlačítka s aretací. Mohou být též vázány do řad (magnetofón). Dělí se také podle kontaktů na pérové, nožové, ploché a pružinové. 8.1.2.4 Nastavovací členy Potenciometry. Jsou to odporové snímače natočení a to drátové nebo uhlíkové. Nejdůležitější jsou víceobrátkové, u kterých má odporová dráha tvar šroubovice. Zvláštním případem jsou elektronické potenciometry. Jde o Č/A převodník, u kterého je zdrojem vstupního čísla sada přepínačů.

230

8.1.2.5 Počítadla s předvolbou Impulsní počítadlo s předvolbou složí k nastavení mezních hodnot. Na počítadle se ručně nastaví číselná hodnota a při dosažení nastavené hodnoty počítadlo sepne kontakty. 8.1.2.6 Přepínače s číslicovým výstupem Jde o přepínače, které podle nastavení jsou schopny na svém výstupu číslo v desítkovém nebo jiném kódu. 8.1.3

Elektrické spínací prvky

8.1.3.1 Relé Skládá se z elektromagnetu a sestavy kontaktů. Pohyblivá kotva elektromagnetu je přitahována magnetickým polem cívky a tím dochází k spínání nebo rozpínání kontaktů v sadě. Relé má nejméně tři přepínací kontakty. Jednotlivá relé se liší ovládacím napětím, konstrukcí a maximálním povoleným spínacím proudem kontaktů. 8.1.3.2 Stykače Stykače jsou silnoproudou obdobou relé. Stykač má silnoproudé kontakty a pomocné kontakty pro řízení signalizace a vlastní funkci stykače. Silnoproudé kontakty spínají řádově desítky až tisíce ampér. 8.1.4 Elektronické prvky Analogové elektrické prvky, využívají se výkonové tranzistory a v současnosti hlavně FET tranzistory, stéle ještě nelineární tyratrony a jejich nástupce tyristor, triak. 8.1.4.1 Diskrétní elektronické prvky Používají se tranzistory, popřípadě elektronky ve spínacím režimu, speciální spínací prvky (plynem plněné elektronky) nebo vícevrstvé polovodičové prvky (diak, tyristor, triak). 8.1.4.2 Plynem plněná elektronka - tyratron Elektronka plněná vzácnými plyny nebo párami rtuti. Při určitém mřížkovém předpětí se tyratron zapálí a anodovým obvodem potom prochází proud. Přerušení anodového proudu lze dosáhnout buď zapojením obvodu nebo snížením anodového napětí na hodnotu, při které zanikne doutnavý výboj.

Obrázek 8-1 Tyratron, zapojení

231

8.1.4.3 Tyristor Polovodičová součástka s třemi přechody PN. Tyristor se chvá jako tři diody zapojené proti sobě. Přivedeme - li na řídící elektrodu G napětí, dojde k vyřazení přechodu, orientovaného v závěrném směru a tyristor se stává vodivým. K návratu do nevodivého stavu dojde pouze odpojením nebo snížením napětí na nulu. Spínací napětí je 20 - 1000 V. Tyristor má usměrňovací účinek, propouští proud pouze jedním směrem, proto se používá především k ovládání stejnosměrného proudu a v řízených usměrňovačích.

Obrázek 8-2 Tyristor

8.1.4.4 Triak Triak lze funkčně uvažovat za náhradu antiparalelně zapojených tranzistorů pro oboustranné spínání střídavého proudu. Navíc má triak takové uspořádání řídící elektrody, že ho lze zapínat proudem libovolné polarity.

Obrázek 8-3 Triak

8.2 Akční členy Akčními členy rozumíme obvody, které přímo zasahují do technologického procesu. Hranice mezi ovládacími členy a akčními není vymezena konstrikcí, ale právě zapojením do procesu řízení.

232

Za určitých okolností je například servomotor součástí technologického procesu pak jej nepovažujeme za akční člen, ale naopak akční členem se stává pokud provádí zásah do technologického procesu. 8.2.1 Točivé ovládací zařízení Do této skupiny zařazujeme dynamo s cizím buzením, rototrol, amplidyn a regulex popsané v otázce zesilovače. Dosud používaným zařízením je Ward-Leonardovo soustrojí, kde výstupními signály jsou mechanické otáčky a kroutící moment. Používá se k pohonů strojů s proměnnými otáčkami nebo proměnnou rychlostí.

Obrázek 8-4 Ward-Leonardovo soustrojí

1. trojfázový elektromotor 2. dynamo 3. stejnosměrný elektromotor s cizím buzením V úseku (a) se otáčky regulují buzením dynama, přičemž se elektromotor budí maximálním proudem (vzrůstá výkon motoru a kroutící moment je stálý). V úseku (b) se otáčky zvyšují zmenšováním budícího proudu motoru.

Obrázek 8-5 Dynamo s cizím buzením

233

8.2.2 Servomotory Servomotory tvoří přechod mezi ovládacími a akčními členy. Vazba mezi regulačním orgánem a servomotorem je vždy mech. např. táhlem, pákovým převodem apod. Servomotory jsou pak přímočaré, pákové a otočné. Všechny tyto druhy mohou být pneum., hydra. nebo elektrické. 8.2.2.1 Přímočaré servomotory Nejběžnější jsou hydraulické nebo pneumatické válce (šoupátka řízená tryskovým zesilovačem). Elektromagnetickým servomotorem je soustava magnetických cívek vtahující jádra upevněná na společném táhle. Cívky jsou zapínány postupně.

Obrázek 8-6 Přímočarý servomotor

8.2.2.2 Solenoidový ventil Cívka vtahuje do sebe jádro 2, které slouží jako ventil. Přestane-li působit mag. pole cívky, jádro s kuželkou 1 vlastní tíhou spadne do sedla a uzavře ventil. 3- pólový nástavec, 4- kryt ventilu, 5- příruba, 6- těsnící trubka.

Obrázek 8-7Solenoidový ventil

234

8.2.2.3 Pákové servomotory Vykonávají pouze pohyb v rozmezí nějakého úhlu. Pákové servomotory pohání otočný elektrický motor. Kývavý pohyb je zajištěn převodovým ústrojím. 8.2.2.4 Otočné servomotory Jsou složeny z el. motoru a převodů. Uvnitř jsou koncové vypínače. Používají se k pohonu šoupátek a pak se při zavírání vypínají momentovým spínačem teprve po dotažení šoupátka (je to mikrospínač ovládavý přes třecí spojku). Zvláštním zařízením je krokový servomotor. Základem je stator a rotor o nestejném počtu pólů. Třetina pólu je proti sobě, kdežto dvě třetiny jsou posunuté. Posunutí se děje zapnutím napětí do třetiny pólu statoru. Motor je řízen pulsy.

Obrázek 8-8 Krokový motor

Obrázek 8-9 Hydraulický motor

235

8.2.3 Akční členy Prvky působící přímo na technologický proces. 8.2.3.1 Ventily.

Obrázek 8-10 Pneumatické akční členy

Ventily a rozvaděče se používají pro řízení rozvodu stlačeného . vzduchu, vody nebo olejové emulze, nebo pro ovládání vzduch. nebo hydraulických motorů a servopohonů. 8.2.3.2 Posouvače Posunovače se na dolech používají k posunu vozů, a ať jsou řetězové, nebo pístové, mohou být pneumatické nebo hydraulické. Hydraulické mají svůj elektromotor pohánějící čerpadlo.

Obrázek 8-11 Akční členy posouvače

8.2.3.3 Dávkovače rotační dávkovač

princip komorového dávkovače

vynášecí kotouč

Obrázek 8-12 Akční členy dávkovače

236

8.2.3.4 Přestavníky Přestavníky používané v lokomotivní dopravě k ovládání výhybek mohou být pneumatické nebo elektrické.

pneumatická výhybka

elektrická výhybka

Obrázek 8-13 Akční členy přestavníky

9

Řídící obvody

Obvody řízení a regulace jsou centrální částí systémů řízení. Jejich úkolem je porovnání získaných informací o stavu řízeného subjektu (technologického procesu, soustavy, zařízení) s požadovaným stavem. Na základě vyhodnocení odchylky pak provést zásah tak, aby se požadovaného stavu dosáhlo s co nejlepší přesností, kvalitou a stabilitou. Základní rozdělení je na analogové a diskrétní, část diskrétních systémů pak je řešena digitální technologií, číslicovými automaty, regulátory nebo řídícími počítači.

9.1 Analogové regulátory Jsou dnes tvořeny obvody s operačními zesilovači. Problematika byla vysvětlena na přednáškách teorie řízení. 9.1.1

Proporcionální regulátor

Obrázek 9-1 Proporcionální regulátor

237

9.1.2

Derivační regulátor

Obrázek 9-2 Derivační regulátor

9.1.3

Integrační regulátor

Obrázek 9-3 Integrační regulátor

9.1.4

Proporcionálně Derivační regulátor

Obrázek 9-4 Proporcionálně Derivační regulátor

238

9.1.5

Proporcionálně Integrační regulátor

Obrázek 9-5 Proporcionálně Integrační regulátor

9.1.6

Proporcionálně Integračně Derivační regulátor

Obrázek 9-6 Proporcionálně Integračně Derivační regulátor, blokové schéma

239

Obrázek 9-7 Proporcionálně Integračně Derivační regulátor

9.2 Řídící počítače Jedná se o počítače umožňující nasazení v obtížných podmínkách, doplněný V/V jednotkami styku s prostředím umožňujícími připojení řízené technologie, vybavené rozhraním pro sériovou komunikaci s dalšími řídicími systémy, PC s dispečerskými a vizualizačními SCADA/HMI software, panely operátora, inteligentními snímači atd. Požadované vlastnosti řídicího počítače • • • • • • • •

spolehlivost (MTBF – Mean Time Between Failuers) řádově desítky až stovky tisíc hodin práce v reálném čase – během T se snímají vstupní signály, provádí se výpočty a s minimální prodlevou se obsluhují výstupy široký sortiment jednotek styku s prostředím (V/V karty, moduly) komunikační kanály a komunikační služby (začlenění do distribuovaného řídicího systému) multiprocesorový systém – systém řídicího počítače je často osazen několika mikroprocesory, většina V/V karet obsahuje vlastní mikrořadiče prioritní přerušovací systém – usnadňuje obsluhu periferních zařízení, šetří čas μP elektromagnetická kompatibilita (EMC) – systém musí být odolný vůči elektromagnetickým polím, sám nesmí být zdrojem růšení odolnost vůči ztíženým provozním podmínkám

9.3 Programovatelné logické automaty (PLC) PLC (Programmable Logic Controler) je číslicově pracující elektronický systém konstruovaný pro použití v průmyslovém prostředí, využívající programovatelnou paměť pro interní ukládání uživatelsky orientovaných instrukcí pro provádění specifických funkcí (logickým, sekvenčních, časovacích, čítacích, komunikačních a organizačních) za účelem řízení strojů či procesů, a to prostřednictvím digitálních nebo analogových vstupů a výstupů. Pomocí programovatelných logických automatů, je řešena naprostá většina průmyslových řídicích aplikací. V automatizační technice se programovatelné automaty používají zhruba od r.1970. Původně byly určeny pro řízení strojů, jako náhrada za pevnou reléovou logiku. Postupně se jejich možnosti rozšiřovaly a dnes se s nimi můžeme setkat v nejrůznějších 240

oborech, kde mnohdy vytlačují dříve používané přístroje. Jsou to nejenom tradiční strojírenské výrobní technologie včetně manipulační a dopravní techniky, ale i energetika (regulace v elektrárnách, v kotelnách v klimatizačních jednotkách i chladících zařízeních). Uplatnění mají programovatelné automaty rovněž i v chemických výrobách, farmacii, v zemědělských výrobnách atd.

9.4 Číslicové regulátory Základním stavebním prvkem číslicových regulátorů jsou číslicové počítače, obvykle jednočipové. Strukturu číslicového regulátoru, lze vyjádřit tak jak ukazuje spodní obrázek. V centru je mikroprocesor a potřebné paměti: ROM/EPROM pro uložení programu, EEPROM/Flash EEPROM pro uložení parametrů a také operační paměť RAM. Jelikož číslicový regulátor řídí procesy, které mají spojitou povahu, jsou dále zapotřebí A/D a D/A převodníky. Nezbytnou součástí regulátoru jsou časovací obvody a různé pomocné hlídací obvody. V současné době lze všechny nebo některé z těchto funkcí realizovat jednočipovým mikropočítačem, který na jednom čipu integruje vedle vlastního mikroprocesoru i paměti a další funkční bloky včetně A/D a někdy i D/A převodníku.

241

10 Závěr Jsme za konci textu. Jestliže jste celou prostudovali a máte znalosti potřebné ke zkoušce. Získali jste mnoho nových informací, které budou pro Vás určitě užitečné a přínosné jak při studiu dalších předmětů, při vpracování závěrečné práce a v praxi. Obecně je však nutné zdůraznit, že tento text nepostihuje celý rozsah problematiky. Při řešení Vašich projektů musíme vzít v potaz i další zdroje informací a prostudovat. Jen elektronika je daleko rozsáhlejší obor. Stejně tak je nutné sledovat vývoj v této oblasti, stejně jako výpočetní techniky, mobilních telefonů je i zde vývoj překotný.

242

Seznam literatury [1]. BALÁTĚ, J. Automatické řízení (2 vydání) BEN – technická literatura Praha 2003, 663s. [2]. BALÁTĚ, J. Prostředky automatického řízení (2vydání) VUT Brno1989 442s. [3]. BEJČEK,L. Měření neelektrických veličin. VUT Brno FE, 1988 [4]. BENEŠ, P., et al. Automatizace a automatizační technika : Prostředky automatizační techniky. Vydání druhé. Brno : CP Books, a. s., 2005. 280 s [5]. BONFIG,K.W. Sensoren und Sensorsysteme. Expert Verlag, Germany,1991 [6]. BRANDŠTETTER, P., PAVELEK, T., SLÁDEČEK. V., ŠIMONÍK, P., ELEKTRONIKA, Prvky elektronických obvodů, Učební text, VŠB TU Ostrava, Ostrava 2007, 137s. [7]. ĎAĎO,S.-KREIDL,M.: Senzory a měřicí obvody. Vydavatelství ČVUT, Praha, 1996 [8]. GOPEL,W.-HESSE,J.-ZEMEL,J.N. Sensors A Comprehensive Survey, VCH, Germany,USA, 1988-93 [9]. HLAVA, J. 2000. Prostředky automatického řízení. Praha: ČVUT, 2000, 162 [10]. NEUSTUPA, Z. Technické prostředky ASŘ. V3. OstravaVŠB TU Ostrava : [s.n.], 2009. 197s [11]. NORTON,H.N. Handbook of Transducers, Prentice Hall, USA, 1989 [12]. SMUTNY, L. 2002. Prostředky automatického řízení – podkladové materiály. Ostrava: VŠB – TUO, kat. ATŘ, 2003. [13]. ŠVARC, J. 2002. Základy automatizace. Brno: VUTBR, 2002, 102s. [14]. ZEHNULA, K.: Čidla robotů, SNTL, Praha, 1990, 370s. [15]. ZEHNULA,K.: Snímače neelektrických veličin, SNTL, Praha,1983 371 s.

243

Autor Název Vydavatel Rozsah Rok Copyright Zdroj financování

doc. Dr. Ing. Zdeněk Neustupa. Technické prostředky VŠB-TU Ostrava 243 stran 2014 © Zdeněk Neustupa, 2014 Financováno z projektu CZ.1.07/2.2.00/28.0308 Inovace bakalářských a magisterských studijních oborů na Hornicko-geologické fakultě VŠBTUO, spolufinancovaného Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky