Teorie měření a regulace

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb

Teorie měření a regulace měření tlaku - 2

17.SPEC-t.3. ZS – 2015/2016

© 2015 - Ing. Václav Rada, CSc.

T- MaR

Měření tlaku - přehled 1

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY

Další pokračování … podrobněji o měření tlaku ………

© VR - ZS 2015/2016


T- MaR

Měření fyzikálních veličin – tlaku

K správnému měření tlaku, stejně tak jako při měření jiných fyzikálních veličin, jsou potřeba určité znalosti a informace. Proto jsou (v bohaté literatuře i firemních informacích) uvedeny základní vlastnosti jednotlivých typů tlakoměrů, tlakových čidel a snímačů tlaku a jsou uvedeny jejich základní přednosti a nedostatky, možnosti použití, zásady správného zabudování tlakoměrných čidel a snímačů a je i zmíněna problematika jejich kalibrace.

© VR - ZS 2015/2016

T- MaR



Tlak je odvozená veličina - měření má základ ve dvou základních definicích 1. tlak p definovaný jako síla F působící kolmo na plochu S

2. tlak p definovaný prostřednictvím hydrostatického sloupce kapaliny o hustotě ρ a výšce h (veličina g je zemské gravitační zrychlení) …. viz další rovnice. 2011/2012

T- MaR



Matematický vztah:

p=F/S

p=h*ρ*g

Základní jednotkou tlaku v soustavě SI je

pascal [Pa] Je to tlak vyvolaný silou jednoho Newtonu na rovnoměrně rozložené na ploše 1 m 2 kolmé ke směru této síly. 2011/2012



Pascal je jednotka velmi malá, proto násobky:

hPa, kPa a MPa Je povoleno používat i jednotku [bar]

1 bar = 100 kPa

2011/2012

T- MaR


TMaR


Hodnota tlaku se obvykle udává proti dvěma základním vztažným hodnotám, a to k absolutnímu nulovému tlaku nebo k barometrickému tlaku (tlak vzduchu v daném místě za podmínek měření), anebo se měří rozdíl (diference) tlaků, z nichž žádný se neshoduje s barometrickým tlakem. Absolutní tlak je tlak měřený od absolutní tlakové nuly, přetlak a podtlak se měří od okamžitého barometrického tlaku pb (tlaku v okolní zemské atmosféře). 2011/2012


TMaR


U proudících kapalin a plynů přistupuje ke statickému tlaku ps ještě kinetický tlak pk (je to funkce rychlosti proudění ν a hustoty proudící tekutiny ρ ) popřípadě dynamický tlak pd (zahrnuje vliv stlačitelnosti tekutiny s ).

2011/2012

TMaR


Měření fyzikálních veličin – tlaku Součinitel stlačitelnosti tekutiny

s

je pro nestlačitelné tekutiny (kapaliny) roven 1 (jedničce) a pak

pd = pk neboť platí

pk = ( 1 / 2 ) * ρ * v 2 pd = p k * s 2011/2012

TMaR



Pro celkový tlak pc v proudící kapalině platí

pc = ps + pd Statický tlak má charakter skaláru. Dynamický tlak je vektor s orientací totožnou s orientací vektoru rychlosti proudění

2011/2012


TMaR


Přístroje pro měření tlaku se obecně nazývají tlakoměry. Současně se označení tlakoměr (manometr) používá pro přístroj k měření přetlaku … k měření podtlaku jsou podtlakoměry (vakuometry) … k měření rozdílu tlaků jsou rozdílové (diferenční) tlakoměry … k měření měření barometrického tlaku jsou barometry … k měření měření absolutního tlaku jsou tlakoměry absolutního tlaku. 2011/2012


TMaR


Pro snímače tlaku s elektrickým výstupem se používá také značení elektromechanické tlakoměry. Označení převodník tlaku má velmi podobný význam jako snímač tlaku; jde o elektronické zařízení určerné k měření tlaku, které je schopno přenést informaci o měřeném tlaku prostřednictvím elektrických signálů k dalším zařízením. Jde to konstrukční celek vybavený vhodným čidlem (senzorem) tlaku.

2011/2012


TMaR


Pojmem snímač tlaku se obvykle označuje tlakoměr, který funguje jako automatizační prvek, např. měřicí člen v regulačním obvodu. Jestliže je činnost převodníku nebo snímače tlaku řízena mikroprocesorem, hovoří se o inteligentním převodníku nebo inteligentním snímači tlaku.

2011/2012


TMaR


Pro měření tlaku se využívají různé fyzikální principy, které se liší podle charakteru převodu tlaku na výstupní signál. Rozdělení technických tlakoměrů (snímačů tlaku) do jednotlivých skupin je uvedeno v tabulce spolu se stručnou charakteristikou principu měření a možnostmi použití. V technické praxi se lze setkat s měřením tlaku v rozmezí od 10–12 až do 1014 Pa. Žádný snímač tlaku nemůže měřit tlak v celém tomto rozsahu. Měřicí rozsahy jednotlivých typů se vzájemně překrývají. 2011/2012


Měření fyzikálních veličin – tlaku Rozlišují se tyto typy tlaků:

© VR - ZS 2015/2016

TMaR

TMaR



rozdíl tlaků ∆p = p1 - p2

přetlak podtlak

dynamický tlak pd

absolutní tlak pabs

statický tlak ps barometrický tlak pb

Normální barometrický tlak pbn = 101 325 Pa

© VR - ZS 2015/2016

celkový tlak pc

normální tlak absolutní nulový tlak absolutní vakuum p = 0 (minus tlak neexistuje)

Pojmy z oblasti měření tlaku

TMaR


Měření fyzikálních veličin – tlaku 10–1210–1110–10 10– 910–8 10–7 10–6 10–5 10–4 10–3 10–2 10–1 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014

absolutní tlak

barometrický tlak vakuum extrémní

vakuum velké

vakuum střední vakuum malé malý přetlak

snímače pro měření vakua

snímače pro malé tlaky

kompresní tepelněvodivostní

velký přetlak snímače pro velké tlaky

hydrostatické deformační

s kapacitním čidlem vakuometry ionizační

s piezoresistorem rezonanční

Orientační rozdělení tlakoměrů (snímačů tlaku) podle měřicího rozsahu © VR - ZS 2015/2016

piezoelektrické pístové

odporové

TMaR


Měření fyzikálních veličin – tlaku absolutní tlak

vakuum

rozdíl tlaků

přetlak / podtlak

atmosféra

Principy měření absolutního a relativního tlaku 2011/2012


Měření fyzikálních veličin – tlaku Principy měření absolutního a relativního tlaku

2011/2012

TMaR

TMaR


Měření fyzikálních veličin – tlaku hydrostatické tlakoměry

princip je založen na definici hydrostatického tlaku, měřítkem tlaku je výška sloupce kapaliny

silové tlakoměry

využívají definice tlaku jako na hustotě kapaliny síly působící na plochu nezávisí údaj, ale měřicí rozsah

deformační tlakoměry

měřítkem tlaku je velikost trubicový, membrádeformace pružného prvku nový, vlnovcový, krabicový

2011/2012

ovlivňující veličinou je hustota tlakoměrné kapaliny a její teplota

TMaR


Měření fyzikálních veličin – tlaku snímače tlaku s elektrickým výstupem (elektromechanické tlakoměry)

jako snímací prvek je použit vhodný deformační člen (nejčastěji membrána) a vyhodnocuje se změna polohy elektrické tlako- měřítkem tlaku je změna měry pro extrém- elektrické veličiny ní tlaky vhodný pro malé (10-10 až 100

změna polohy části čidla (mechanická), změna osvětlení

závislost tepelné vodivosti plynu na tlaku závislost odporu na Pa) nebo veliké tlaky (80 MPa až tlaku 10 GPa) – přesnost okolo 1 % ionizace plynu při malém tlaku

2011/2012

TMaR


Měření fyzikálních veličin – tlaku snímače tlaku s elektrickým výstupem (elektromechanické tlakoměry)

2011/2012

jako snímací prvek je použit vhodný deformační člen (nosník, membrána) a vyhodnocuje se změna mechanického napětí

změna mechanického napětí se měří tenzometrem jako změna odporu vyhodnocuje se změna rezonanční frekvence mechanického kmitání v závislosti na mechanickém napětí


TMaR


Kalibrace snímačů tlaku (minimum informací) Kalibrace má příslušné předpisy a související normy – určují rozsah a způsob vykonání jednotlivých zkoušek a zjišťování metrologických parametrů. Kalibrace spočívá v porovnání indikace etalonu tlaku a kalibrovaného snímače tlaku – kontrolovaný přístroj se postupně zatěžuje tlakem rostoucím až na maximální hodnotu a následně zpět až na tlak odpovídající nulové značce.

2011/2012


TMaR


Kalibrace snímačů tlaku (minimum informací) Při kalibraci jsou předpisy určeny zkušební body – musí být rovnoměrně rozděleny po celé stupnici – počet bodů proměřované charakteristiky je závislý na udávané přesnosti přístroje = u přístrojů třídy přesnosti 0,1 až 0,6 se kalibruje minimálně v deseti bodech, u méně přesných přístrojů v pěti bodech měřicího rozsahu – jedním z kontrolovaných bodů musí být koncový bod rozsahu. 2011/2012


TMaR


Inteligentní převodníky tlaku V současnosti jsou nejvyšší „třídou“ mezi snímači, tzv. „Inteligentní převodníky“ – v cizojazyčné literatuře často označované jako smart převodníky. Patří k nim i prvky pro měření tlaku (hovoří se o inteligentních převodnících tlaku) – mnohdy kombinované pro souběžné měření více fyzikálních veličin.

2011/2012


TMaR


Inteligentní převodníky tlaku Zde se využívají čidla s elektrickým výstupem a následné zpracování signálu je charakterizováno použitím mikroprocesorů a miniaturních elektronických obvodů, které jsou určeny pro ukládání důležitých údajů do paměti – jde o údaje o měřicím rozsahu, kalibraci, nastavení mezních hodnot pro signalizaci, atd. Mikroprocesor umožní použitím SW dosahnout zvýšení nejen přesnosti, ale i přizpůsobivosti (flexibility) a univerzálnosti přístroje. 2011/2012


TMaR


Inteligentní převodníky tlaku Mikroprocesor je vyžíván pro řízení procesu měření – včetně následné úpravy signálu a uložení určitých informací – umožňuje také automaticky diagnostikovat funkceschopnost, ukládat naměřené údaje do paměti, vyhodnocovat extrémní i průměrné a jiné hodnoty, atd. – k dálkovému přenosu lze využít unifikovaný analogový či digitální signál. Důležitou vlastností je konfigurovatelnost podle požadavků uživatele. 2011/2012

TMaR


Měření fyzikálních veličin – tlaku čidlo teploty

měřicí obvod zesilovač

senzor tlaku

měřicí obvod zesilovač

EPROM

multiplexor

A/D převodník

nastavení (nula, rozsah)

mikroprocesor

digitální komunikace

D/A převodník napájecí zdroj

R ukazovací přístroj komunikátor HART

2011/2012

4 až 20 mA

Blokové schéma inteligentního převodníku tlaku


TMaR

Měření fyzikálních veličin – tlaku Další informace a podrobnosti naleznete v seriálu článků uveřejněných v časopise

AUTOMA č. 2, 7, 10, 11 ročník 2007 Snímače tlaku – principy, vlastnosti a použití. Karel Kadlec, ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha

2011/2012


TMaR

Měření fyzikálních veličin – tlaku http://www.bdsensors.cz http://www.bhvsenzory.cz http://www.cressto.cz http://www.datacon.cz, http://www.datacon.cz/druck.html http://www.dex.cz http://www.emersonprocess.cz, http://www.emersonprocess.com http://www.endress.cz, http://www.endress.com http://www.jsp.cz http://www.jumo.cz http://www.kobold.com http://www.tectra.cz http://www.yokogawa.cz, http://www.yokogawa.com 2011/2012


TMaR

Měření fyzikálních veličin – tlaku Měřidla tlaku – Terminologie. ČSN EN 472, ČNI 1996. BENTLEY, J. P.: Principles of Measurement Systems. Pearson Education Limited, 2005. DYER, S. A.: Survey of Instrumentation and Measurement. John Wiley & Sons, 2001. CHUDÝ, V. – PALENČÁR, R. – KUREKOVÁ, E. – HALAJ, M.: Meranie technických veličín. STU Bratislava, 1999. JENČÍK, J. – VOLF, J.: Technická měření. Vydavatelství ČVUT Praha, 2003. 2011/2012

T- MaR

… a to by bylo k další části informacím

o měření tlaku vše

(skoro – neb je asi nepravděpodobné, že lze všechna témata této oblasti ve výuce vyčerpat)

8.2..... © VR - ZS 2015/2016

T- MaR

Témata

………… …………

© VR - ZS 2009/2010

Teorie měření a regulace

Recommend Documents