TLAK POMùRNÉ PRODLOUÎENÍ SÍLA

http://www.omegaeng.cz • e-mail: [email protected]

TLAK • POMùRNÉ PRODLOUÎENÍ • SÍLA

TLAK • POMùRNÉ PRODLOUÎENÍ • SÍLA

âÍSLO 3, 2. VYDÁNÍ Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN

âÍSLO 3, 2. VYDÁNÍ Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN http://www.omegaeng.cz • e-mail: [email protected]

Měření síly a odvozených veličin TLAK • POMùRNÉ PRODLOUÎENÍ • HMOTNOST • ZRYCHLENÍ • KROUTÍCÍ MOMENT

Soubor technick˘ch informací poskytovan˘ch firmou OMEGA

âÍSLO 3

OBSAH

Kapitola

1

Historick˘ pfiehled

âÍSLO 3 - Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN Téma stropní konstrukce

• Od Aristotela k Hawkingovi • Síla a dÛsledky pÛsobení síly • Meze realizace mûfiení

Strana

stavební konstrukce

snímaã mûfiící tahovou sílu opûrné tyãe nádoba

kolové klouby

10

opûrné tyãe

Obrázek 1-6: ¤e‰ení ustálení nádoby

120

2

110 zmûna faktoru mûrky v procentech

• Konstrukce snímaãÛ Snímaã pomûrného prodlouÏení • Mûfiící obvody • Aplikace a instalace

advance (Cu Ni)

100

nichrome 90

karma (Ni Cr +)

15

80 70

Slitina platiny a volframu -400 -200 (-240) (-129)

0 (-18)

200 (93)

400 600 800 1000 1200 1400 1600 (204) (315) (426) (538) (649) (760) (871) teplota °F (°C)

Obrázek 2-11: Závislost faktoru mûrky tenzometru na teplotû

elektrick˘ konektor

• Od mechaniky k elektronice Mûfiení technologick˘ch tlakÛ • Typy pfievodníkÛ • Praktická hlediska

3

deformaãní dráÏky zesilovaã

vedení piezielektrického prvku

‰estihran, matice 5/16" prstenec, závit 5/16"- 5/24"

tûsnící povrch ‰roub pro nastavení pfiedpûtí kfiemenn˘ krystal (2) elektroda spodní díl

vedení piezielektrického prvku

26

membrána

Obrázek 3-8: Typick˘ piezoelektrick˘ snímaã tlaku

• Mûfiení vysokého tlaku Vysok˘ tlak a vakuum • Velmi vysoké tlaky • Pfiístrojové vybavení pro mûfiení vakua

4

mûfiiã proudu daného tokem iontÛ mikro ampérmetr ( 100 mA/torr )

mfiíÏka , napûtí + 150 V

teplá (Ïhavená) katoda

-

kolektor kladn˘ch iontÛ ( relativní napûtí –30 V )

+ + + + + - - - - - -

k mûfienému vakuu

+ +

41

mûfiiã proudu daného tokem elektronÛ ( 10 mA )

Obrázek 4-7: Vakuometr se Ïhavenou katodou

06

âíslo 3

ZPRAVODAJ

USPO¤ÁDÁNÍ KAPITOL ZPRAVODAJE

Vnitfiní strana obálky Obsah Ediãní poznámka O firmû OMEGA

Kapitola

02 06 08 09

70 74 81 83

Informaãní zdroje, literatura Slovník Rejstfiík Seznam obrázkÛ

Téma

Strana maximální pfiípustn˘ tlak

5

Tlakomûry a tlakové spínaãe

spínaã detekuje nárÛst tlaku

• Konstrukce tlakomûrÛ • Ochranné pfiíslu‰enství • Tlakové spínaãe

spínaã detekuje pokles tlaku

aktivaãní tlak, setpoint

deaktivaãní tlak pfiesnost diferenãní rezerva tolerance

48

tolerance nastaviteln˘ rozsah

diferenãní rezerva pfiesnost

deaktivaãní tlak


Obrázek 5-3: Odborné názvosloví tlakov˘ch spínaãÛ

setrvaãná hmota

6

tenzometry

• Snímaãe síly Síla, zrychlení, kroutící moment • Zrychlení a vibrace • Mûfiení kroutícího momentu

izolované podpûry

51

základna pera konzoly (krákorcÛ)

osa citlivosti snímaãe

Obrázek 6-3: ¤e‰ení piezoelektrického snímaãe

7

8

• Funkãní principy Konstrukce silomûrÛ • Moderní snímaãe • Sestavy tensometrÛ

• Konstrukce váÏícího systému Aplikace ve váÏících systémech • Instalace a kalibrace • Úãelovû zamûfiené montáÏe ZPRAVODAJ

57

smûr jízdy tenzometry

62 "Ïivá" kolejnice Obrázek 8-6: Jednokolejnicov˘ pfievodník váhy

âíslo 3

07

Ediãní poznámka

Pro řešení úloh je třeba udělat více, než jen pořídit snímače T

fietí ãíslo zpravodaje ze Souboru zpravodajÛ pro oblast mûfiení a regulace firmy OMEGA podává úplnou ‰kálu metod a postupÛ pouÏití mûfiících pfiístrojÛ a dal‰ích zafiízení pro mûfiení síly a síle pfiíbuzn˘ch veliãin v rozsahu od mûfiení zrychlení po mûfiení tlaku, kroutícího (toãivého) momentu a váhy.

Snímaãe a pfievodníky, technika a technologie jejich pouÏití, které jsou urãené pro práci s tûmito na první pohled rozdíln˘mi veliãinami, mají mnoho spoleãného. Napfiíklad tlak je, jednodu‰e vzato, síla, pÛsobící na urãitou plochu. Velikost zrychlení je rovna hodnotû síly, dûlené velikostí hmotnosti. Váha je síla, kompenzující vliv pfiitaÏlivé síly dané gravitací Zemû. Skuteãnû, základní rozdíly mezi technikami a technologiemi, diskutovan˘mi v následujících kapitolách, mají svÛj pÛvod v úsilí inÏen˘rsk˘ch nauk, které optimalizovalo zpÛsob vyuÏití fyzikálního principu, na kterém jsou postavena zafiízení jako napfiíklad snímaã pomûrného prodlouÏení, pro konstrukci pfiístrojÛ, pfiesnû odpovídajících speciálním poÏadavkÛm Va‰ich aplikací. Snímaãe a pfievodníky jsou ale jen první ãlánek z mnoha, potfiebn˘ch pro provedení správného a smysluplného mûfiení. âasto je tfieba provést, poté co byl vybrán urãit˘ snímaã, je‰tû mnoho dal‰ích rozhodnutí. Je tfieba správnû urãit a specifikaci, tak aby byly splnûny v‰echny Va‰e poÏadavky na mûfiení, napájecí zdroje, ãleny pro pfiizpÛsobení signálu, panelové displeje a ostatní pfiipojené pfiístroje dokonce i elektrické konektory, trubky pro kabelové rozvody, instalaãní materiál. Nikdo nepfiichází k firmû OMEGA pouze s poÏadavkem na snímaãe pomûrného prodlouÏení nebo s poÏadavkem na váÏní ãidlo; zákazníci vyÏadují fie‰ení urãitého problému z oblasti mûfiení nebo urãité úlohy z oblasti samoãinné regulace a fiízení. Nikdo nesplní tento poÏadavek lépe neÏ firma OMEGA . Ve firmû OMEGA vûfiíme, Ïe je to právû tato na‰e schopnost poskytnout Vám úplné fie‰ení problému, která, spolu s na‰ím v˘jimeãnû kvalitním servisem, vede k tomu, Ïe se tisíce na‰ich spokojen˘ch zákazníkÛ k nám stále vrací. Samozfiejmû Ïe také pomáhá, Ïe máme stále pro zákazníka ihned k dispozici více neÏ 40 000 v˘robkÛ. VyÏaduje-li v‰ak Va‰e fie‰ení v˘robek na zakázku - originální v˘robek OEM vyrábûn˘ v malém mnoÏství, nebo i pouze jen pomoc na‰eho inÏen˘ra pfii Va‰í aplikaci, buìte uji‰tûni, Ïe Vám ji poskytneme. Vûfiíme, Ïe shledáte, Ïe je toto ãíslo Zpravodaje pro Vás uÏiteãné a Ïe najde trvalé místo ve Va‰í odborné knihovnû. V pfiípadû, Ïe jste se z nûjakého dÛvodu dosud nesetkali se dvûma prvními ãísly, tj. "Bezdotykové mûfiení teploty" a "Sbûr dat", doplÀte si je prosím bezplatnû tak, Ïe nav‰tívíte na‰e webovské stránky www.omega.com. Mrs. Betty Ruth Hollander Chairman-CEO OMEGA Technologies P.S. Máte-li zájem pfiedloÏit, k publikování v budoucích vydáních Zpravodaje, nûjak˘ ãlánek nebo relevantní zprávu, pfiedloÏte mi je prosím po‰tou (P.O. box 4047, Stamford, CT 06907, USA), FAX (203-359-7700) nebo e-mailem na adresu ([email protected]).

08

âíslo 3

ZPRAVODAJ

O firmû OMEGA

Více než očekáváte Z

pravodaje pro oblast mûfiení a regulace firmy OMEGA , stejnû jako na‰e, dnes jiÏ legendární pfiíruãky a encyklopedie, jsou pfiipraveny tak, Ïe Vám pfiímo do rukou pfiiná‰ejí technické informace, které Vám pomohou fie‰it Va‰e úlohy v oblastech mûfiení, regulace a samoãinného fiízení. Pokud v‰ak Va‰e potfieby pfiesáhnou moÏnosti ti‰tûného slova - pokud budete potfiebovat pfii v˘bûru z mnoha moÏn˘ch v˘robkÛ technickou pomoc, nebo pokud se Vám bude zdát, Ïe potfiebn˘ v˘robek není právû k dispozici - potom vûfiíme, Ïe se obrátíte na firmu OMEGA. V souboru ZpravodajÛ nejsou nikde uvádûny inzeráty nebo reklamní materiály. Inzeráty a reklamní materiály se ve Zpravodajích nebudou vyskytovat. Na‰i lidé, na‰e vybavení, a ná‰ závazn˘ pfiístup k uÏivatelskému servisu vytvofiil v oboru fiízení a pfiístrojového vybavení pfiímo normu. Podívejme se na jeden pfiíklad na‰ich obsáhl˘ch moÏností a schopností: • OMEGA je zapojena do ‰piãkového v˘zkumu a v˘voje, je angaÏována v nejmodernûj‰ích v˘robních kapacitách. To v‰e nás pevnû drÏí v oblasti techniky a technologie na ãelním místû. Na‰e V˘vojové a projekãní stfiedisko, Development and Engineering Center, je umístûno v na‰í poboãce ve Stamfordu, Connecticut, CT. Je to domovské místo projekãních a konstrukãních laboratofií firmy OMEGA. V‰echny novû konstruované v˘robky jsou zde pfied zahájením jejich v˘roby a uvedením na trh testovány a dále vylep‰ovány. Je zde umístûna metrologická laboratofi firmy OMEGA a dal‰í zafiízení, urãená pro fiízení kvality v˘roby. Testy a zkou‰ky, které se zde provádûjí, zaruãují, Ïe pro svoje aplikace získáte ty nejlep‰í v˘robky. • Pokud se t˘ká v˘roby, je na‰e vertikálnû integrované v˘robní zafiízení umístûno v Bridgeport, New York, NY, v blízkosti mûsta Philadelphia. Je zde moderní zafiízení pro v˘robu drátÛ termoãlánkÛ, jsou zde poãítaãem fiízené (CNC) válcovací stolice, zafiízení pro vstfiikové formování, svinovací stroje, oplétací stroje, protlaãovací stroje, prostfiihovací a dûrovací lisy a velmi mnoho dal‰ích strojÛ. • OMEGA je hrdá na to, co Vám mÛÏe v oblasti mûfiící a fiídící techniky nabídnout. Pokud nelze Va‰e poÏadavky zcela uspokojit z na‰eho ‰irokého sortimentu standardních v˘robkÛ, nabízíme své rozsáhlé, kvalitní a sofistikované, kapacity zákaznick˘ch inÏen˘rsk˘ch sluÏeb. NezáleÏí na tom, zda potfiebujete provést pouze nûjakou jednoduchou modifikaci standardního v˘robku, nebo zda poÏadujete zhotovit na zakázku cel˘ systém, OMEGA Vá‰ poÏadavek vÏdy pfiijme a splní. Se systémem zhotoven˘m na zakázku Vám rovnûÏ bezplatnû dodáme v˘kresovou dokumentaci systému zhotovenou v CAD, nebo zaãleníme, bez dal‰ích závazkÛ, tuto novou konstrukci do Va‰í dokumentace. • Vûfiíme na aktivní a vstfiícné servisní sluÏby. Souãástí na‰ich v˘robních a obchodních aktivit je trvalá snaha o dosaÏení nov˘ch vy‰‰ích úrovní kvality. Pracujeme podle norem ISO 9000. Tento ná‰ systematick˘ pfiístup k otázkám kvality dále zvy‰uje na‰e v˘hodné postavení v konkurenãní soutûÏi. Na‰e stfiediska, kde provádíme kalibraãní sluÏby a zkou‰ky kvality jsou spolehlivé a zodpovûdné základny, které nám vÏdy a neustále pomáhají splnit poÏadavky na‰ich zákazníkÛ. • Technické stfiedisko na‰í spoleãnosti hostí mnoho skupin spolupracujících inÏen˘rÛ a vûdcÛ, ktefií se obracejí na firmu OMEGA s poÏadavky na ‰kolení. Na‰e pfiedná‰ková síÀ má 140 míst a je vybavena nejmodernûj‰í multimediální technikou. Poskytuje ideální v˘ukové prostfiedí pro ‰kolení, která pfiizpÛsobíme potfiebám Va‰í spoleãnosti - od základních kurzÛ slouÏících pro osvûÏení znalostí aÏ po nároãné, podstatou problému se zab˘vající kurzy. Struãnû fieãeno, povaÏujeme za svoji povinnost, aby základem na‰eho úspûchu byla kvalitní pfiístrojová technika a poskytování v˘jimeãnû dobr˘ch sluÏeb na‰im zákazníkÛm. Priority firmy OMEGA jsou jasné: Jsme zde proto, abychom Vám ulehãili fie‰ení Va‰ich problémÛ. Více informací o Zpravodaji nebo o technice a technologiích firmy OMEGA získáte na na‰í internetové adrese www.omegaeng.cz .

ZPRAVODAJ

âíslo 3

09

1

Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN Historick˘ pfiehled Od Aristotela k Hawkingovi

Historický přehled

Síla a dÛsledky pÛsobení síly Meze realizace mûfiení

P

o staletí je existence Ïivota pfiisuzována pÛsobení urãité základní "síly". Îivot se projevuje zmûnou a pohybem, coÏ vyÏaduje pÛsobení a vzájemné interakce mnoÏství rÛzn˘ch sil. V ãinnosti lidí není proto nic co by mûlo hlub‰í základ, neÏ je mûfiení síly v jejích rÛzn˘ch projevech, patfií sem váha, tlak, zrychlení, kroutící (toãiv˘) moment, práce a energie. Cílem této první kapitoly je sledovat historick˘ v˘voj pochopení podstaty síly a historick˘ v˘voj teorií, které na‰ly uplatnûní v rÛzn˘ch stádiích v˘voje lidstva. PfiestoÏe se jiÏ ve v‰ech starovûk˘ch civilizacích, které vznikly v období let 8000 pfied nl. - 6000 pfied nl. v údolích fiek v jihozápadní Asie, Mesopotamie nebo Egypta, i u jin˘ch v âínû a v Indii, pouÏívaly pro zv˘‰ení síly lidsk˘ch svalÛ pákové a kladkové systémy, datují se první pokusy o formální vyjádfiení a teoretické pochopení síly do starovûkého ¤ecka.

Od Aristotela k Hawkingovi Stafií fieãtí filozofové se povaÏovali za kvalifikované k tomu, aby v oblasti vûdy proná‰eli své názory a postoje. Jejich názory v‰ak mûly málo spoleãného s reáln˘m svûtem. Aristotelés (384 pfied nl. - 322 pfied nl.) napfiíklad vûfiil, Ïe pohyb hmoty je dán jejím "tvarem". Definoval pohyb jako proces, ve kterém "potenciál" hmoty pfiechází do "stavu" jejího tvaru. Pfii takovémto pohledu na pfiírodu není divu, Ïe v Aristotelov˘ch dobách ¤ekové vytvofiili více umûleck˘ch dûl neÏ prací spojen˘ch s nov˘mi tech10

âíslo 3

nologiemi. Nicménû, o sto let pozdûji je jiÏ fieck˘ fyzik Archimedés (287 pfied nl. 212 pfied nl.) prvním prÛkopníkem v experimentálních inÏen˘rsk˘ch bádáních. Nejen Ïe objevil zesílení pÛsobící síly pomocí kladky, ale pfii‰el i na to, Ïe zlato o dané váze vytûsní ménû vody, neÏ stejnû váÏící stfiíbro. Asi o 400 let pozdûji vytvofiil astronom Clausius Ptolemaeus (Ptolemáios, 2. století nl.) první model pohybu planet. Pfiedpokládal, Ïe se Zemû nepohybuje, Ïe se nachází ve stfiedu Vesmíru a Ïe se

kruhov˘ch drahách. Uplynulo dal‰í století, neÏ Galileo Galilei (1564 - 1642) objevil, sledováním pádu rÛzn˘ch pfiedmûtÛ ze ·ikmé vûÏe v Pise, Ïe rychlost padajícího pfiedmûtu nezávisí na jeho váze. Pfiístup Galilea Galilei k tomuto faktu byl pfiístupem dobrého inÏen˘ra: "Nevím sice proã tomu tak je, ale je tomu tak. Nemohu tento fakt odmítnout!" Johannes Kepler (1571 - 1630) správnû urãil, Ïe obûhy planet kolem slunce jsou vedeny po eliptick˘ch drahách. Neznal pfiitom dÛvod, proã tomu

protiváha

zde je pfiipevnûno váÏené tûleso Obrázek 1-1: Bûhounové váhy, pfiezmen, pro váÏení porovnáním vah

Slunce, Mûsíc a hvûzdy otáãejí kolem Zemû v kruhov˘ch drahách. První oprava systému vytvofieného Ptolemáiem pfii‰la o tisíc let pozdûji. Nicholas Copernicus (Mikolá‰ Koperník, 1473 1543) nahradil ve stfiedu Vesmíru Zemi Sluncem (vznikl tzv. heliocentrick˘ systém). ProtoÏe ani on je‰tû nechápal v˘znam gravitaãních sil, i on pfiedpokládal, Ïe se planety pohybují po pfiesn˘ch

tak je: neznal gravitaãní sílu a její dÛsledky. Uvedl, Ïe Slunce má urãitou "tajuplnou sílu nebo vlastnost" která nutí planety, aby se drÏely na sv˘ch orbitálních drahách. Role gravitace unikla dokonce i Blaise Pascalovi (1623 - 1662), aãkoliv správnû vysvûtlil nûkteré jevy a pojmy, které se k ní váÏí, jako napfiíklad tlak, a barometrick˘ tlak. Byl to také právû Pascal, kter˘ si první ZPRAVODAJ

1

v‰iml, Ïe tlak, pÛsobící na tekutinu uzavfienou v nádobû se ‰ífií v tekutinû v nezmen‰ené velikosti v‰emi smûry. Za tyto jeho objevy je mu dnes vzdávána úcta i tím, Ïe byla jeho jménem nazvána jednotka tlaku (v soustavû SI). V˘znam gravitaãní síly byl poprve plnû pochopen˘ Sirem Isacem Newtonem (1642 - 1727). Jeho gravitaãní zákon vysvûtlil jak pád tûles k Zemi, tak pohyb nebesk˘ch opûrná tyã

kuÏelka a tûsnûní

referenãní vakuum

pfiipojení k mûfienému tlaku

mûchy

Obrázek 1-2: Tlakomûr pro mûfiení nízk˘ch absolutních tlakÛ

tûles. Newton ovûfiil, Ïe gravitaãní pÛsobení existuje mezi kaÏd˘mi dvûma hmotn˘mi objekty, tûlesy. Zjistil také, Ïe tato síla je pfiímo úmûrná souãinu hmotnosti tûles a nepfiímo úmûrná druhé mocnicnû jejich vzdálenosti. Gravitaãní, pfiitaÏlivá, síla která na tûleso pÛsobí na Zemském povrchu, je dána, a mûfií se váhou, tohoto tûlesa. Intenzita gravitaãního pole Zemû, daná gravitaãním zrychlením (g), se mûní v rozmezí od 9.78 m/s2 na hladinû mofie na rovníku do 9.832 m/s2 na hladinû mofie na zemsk˘ch pólech. Newton shrnul své vysvûtlení pohybu do tfií zákonÛ: 1. Zákon setrvaãnosti: Tûleso klade pfiirozen˘ odpor ke zmûnû své rychlosti nebo svého smûru. Jak tûleso, nacházející se v klidu, tak tûleso nacházející se v pohybu, ZPRAVODAJ

má snahu ve svém stavu setrvávat. 2. Zákon o zrychlení (zákon síly): Hmotnost (m) tûlesa je ãíselnou mírou jeho setrvaãnosti. Zrychlení (a) tûlesa které vzniká pÛsobením síly na tûleso o hmotnosti m lze vyjádfiit rovnicí a = F/m. âím je tedy hmotnost tûlesa vût‰í, tím men‰í bude jeho zrychlení po pfiivedení urãité dané síly na tûleso. 3. Zákon akce a reakce: KaÏdá akce vyvolává stejnou reakci. Reakce má opaãn˘ smûr neÏ akce. Po Newtonovi se proces v pochopení jevÛ a pojmÛ spojen˘ch se sílou zpomalil. James Prescott Joule (1818 1889) urãil vztah mezi teplem a rÛzn˘mi formami mechanické energie. Zjistil také, Ïe se energie neztrácí ale pouze transformuje (zákon zachování energie), definoval pojem potenciální energie (schopnost síly konat práci), a zjistil, Ïe vykonaná práce (vynaloÏená energie) je dána souãinem pfiivedené síly a vzdálenosti, po kterou pÛsobila. Jako v˘raz uznání jeho pfiínosu ke vûdû je jednotka práce a energie v soustavû SI nazvána jeho jménem. Dal‰í velkou zmûnu v na‰em chápání jevÛ a pojmÛ spojen˘ch s energií pfiinesl Albert Einstein (1879 - 1955). Prokázal, Ïe rychlost svûtla (c = 300 000 km/s) je nejvût‰í teoretická rychlost, se kterou se mÛÏe pohybovat hmotné tûleso a Ïe hmotnost (m) a energie (e) jsou vzájemnû ekvivalentní a zamûnitelné: e = mc2. Einsteinova teorie relativity odstranila rozpory v Newtonovû mechanice a vysvûtlila je geometricky: Nahromadûní, koncentrace, hmotnosti (masy) zpÛsobuje zakfiivení ãasoprostorového kontinua a vede ke vzniku "gravitaãních vln". PfiestoÏe je pfiínos Alberta Einsteina k pokroku vûdy nesmírn˘, cíl, kter˘m bylo vytvofiení jednotné teorie pole (jednotné mnoÏiny


zákonÛ, vysvûtlujících gravitaci, elektromagnetismus, a chování elementárních ãástic), mu unikl. Edwin Powel Hubble (1889 - 1953) dále zlep‰il na‰e poznání Vesmíru. Zjistil, Ïe pozorujeme-li Vesmír v libovolném smûru, jeví se stále stejn˘, a Ïe vzdálenosti mezi galaxiemi se stále zvût‰ují. Podle Hubbela zaãala tato expanze Vesmíru pfied 10 aÏ 20 miliardami rokÛ "velk˘m tfieskem" a ãasoprostorová stuktura, kterou ná‰ Vesmír vyplÀuje, se stále zvût‰uje. Carlo Rubbia (1934 - ) a Simon van der Meer (1925 - ) roz‰ífiili dále na‰e chápání síly objevem elementárních ãástic W a Z, které transportují "slabé síly" pfii rozpadu atomÛ. Stephen Hawking (1952 - ) posunul na‰e znalosti je‰tû dále svojí teorií stringÛ. Stringy lze chápat jako nepatrné kmitající smyãky, ze kter˘ch se odvozuje jak energie, tak hmotnost (masa). Tato teorie slibuje sjednotit Einsteinovu teorii relativity, která popisuje gravitaci a síly pÛsobící v makrosvûtû, s kvantovou teorií, která popisuje síly na atomární kuÏelka a tûsnûní

opûrná tyã mûchy

zaráÏka

pfiipojení k mûfienému tlaku

referenãní atmosférick˘ tlak

Obrázek 1-3: Tlakomûr pro mûfiení relativního tlaku

a subatomární úrovni.

Síla a důsledky působení síly Síla je veliãina, schopná mûnit velikost,

âíslo 3

11


1

rozmûr, tvar nebo pohyb urãitého tûlesa. Síla je mûfiiteln˘ vektor, a jako taková má svÛj smûr a svoji velikost. Jednotkou velikosti síly je v SI soustavû jeden newton, v britsko-americké soustavû se síla mûfií v librách.

souosé pÛsobení

square inch, (psi), libry na ãtvereãní palec nebo v soustavû SI v newtonech na ãtvereãní metr, tj v pascalech (Pa). Proces, pfii kterém na urãit˘ objekt pÛsobí vnûj‰í tlak s cílem sníÏit objem objektu se naz˘vá komprese. Vût‰ina

úhlové poru‰ení souosoti

rovnobûÏné poru‰ení souosoti

Obrázek 1-4: PruÏné spojky pro trubky napojené na váÏen˘ objekt

Nachází-li se tûleso v pohybu, lze energii jeho pohybu kvantifikovat souãinem jeho hybnosti a jeho rychlosti (hybnost tûlesa je daná souãinem hmotnosti tûlesa a jeho rychlosti). Pokud je tûleso volné, má moÏnost se pohybovat, mûní se pÛsobením síly rychlost tûlesa. V pfiírodû se setkáváme se ãtyfimi základními typy sil. Jsou to gravitaãní síla, magnetická síla, silné jaderné síly a slabé jaderné síly. Nejslab‰í z uveden˘ch sil je síla gravitaãní. Je to také síla, která se nejsnadnûji pozoruje, protoÏe pÛsobí na v‰echna tûlesa a je vÏdy pfiitaÏlivá, pÛsobí pfiitom na nekoneãnou vzdálenost. Velikost gravitaãní síly se vzdáleností klesá, síla ale zÛstává vÏdy mûfiitelnou. RovnováÏné polohy tûlesa lze tedy dosáhnout pouze tehdy, je-li pÛsobení pfiitaÏlivé gravitaãní síly vykompenzováno nûjakou jinou silou, pfiíkladem je vzhÛru pÛsobící síla, kterou pÛsobí zemsk˘ povrch na na‰i nohu. Tlak je dán podílem síly, pÛsobící na urãit˘ povrch, a velikosti tohoto povrchu.Tlak se mûfií v jednotkách síly dûlen˘ch jednotkami plochy: pounds per 12

âíslo 3

pevn˘ch látek a kapalin je prakticky nestlaãitelná. Plyny jsou stlaãitelné. První zákon o plynech, tzv. BoylÛv zákon, fiíká, Ïe tlak a objem plynu jsou pfii stálé teplotû vzájemnû nepfiímo úmûrné : PV = k, kde P je velikost tlaku, V je velikost objemu a k je konstanta úmûrnosti. Druh˘ zákon o plynech, tzv. CharlesÛv zákon, fiíká, Ïe objem plynu pfii stálém tlaku je pfiímo úmûrn˘ absolutní teplotû plynu: V = kT, kde T je hodnota absolutní teploty.Podle tfietího zákona o plynech je tlak plynu pfii stálém objemu pfiímo úmûrn˘ absolutní teplotû plynu: P = kT. Kombinací a slouãením tûchto tfií zákonÛ získáváme stavovou rovnici pro ideální plyn: PV = kT. Tato pfiibliÏná rovnice velmi dobfie vyhovuje pro vût‰inu plynÛ pfii relativnû mal˘ch tlacích (tlacích, které nejsou blízké k tlakÛm pfii kter˘ch dochází ke zkapalÀování plynÛ) a relativnû vysok˘ch teplotách (teplotách, které nejsou blízké k teplotám, pfii kter˘ch dochází ke kondensaci plynÛ).

Meze realizace měření Jedno z hlavních omezení, se kter˘mi se pot˘ká celá nauka o mûfieních je dáno skuteãností, Ïe v‰echna mûfiení jsou relativní. KaÏd˘ snímaã proto obsahuje referenãní bod, se kter˘m se musí mûfiená hodnota veliãiny srovnávat. Bûhounové váhy, pfiezmen, byl jeden z prvních snímaãÛ relativní hodnoty, které ãlovûk vytvofiil. Pfiezmen byl vynalezen˘ pro mûfiení váhy tûlesa (Obrázek 1-1). Je tvofien˘ nosníkem zavû‰en˘m na hák (A nebo B). VáÏené tûleso se upevní na krat‰í rameno páky a protiváha se posouvá po del‰ím rameni tak dlouho, aÏ je dosaÏeno rovnováhy. Pfiesnost takovéhoto váÏení závisí na pfiesnosti, se kterou je urãena referenãní váha (protiváha) a na pfiesnosti, se kterou je poloha protiváhy urãena. Obdobnû tomuto pfiíkladu jsou chyby pfii mûfiení tlaku ãasto zpÛsobeny, kromû jin˘ch vlivÛ zpÛsobujících nepfiesnost snímaãe, nepfiesn˘mi hodnotami referenãních tlakÛ. Má-li b˘t mûfien absolutní tlak, mûla by b˘t absolutní hodnota referenãního tlaku rovna,

Obrázek 1-5: Typická instalace silomûru

teoreticky, nule - mûla by odpovídat absolutnímu, úplnému, vakuu. Ve skuteãnosti ale nelze v referenãní komÛrce, vlnovcovém mûchu (Obrázek 1-2), absolutní vakuum vytvofiit. Lze se ZPRAVODAJ

1

k nûmu pfiiblíÏit na nûkolik tisícin mm sloupce Hg (torrÛ). Znamená to, Ïe jako nulov˘ referenãní bod je pouÏita nenulová hodnota veliãiny. âím bude tato hodnota referenãního tlaku vût‰í, tím vût‰í bude v˘sledná chyba mûfiení. Jin˘m zdrojem chyb pfii mûfiení absolutního tlaku je ztráta referenãního vakua v dÛsledku pronikání vzduchu do referenãní komÛrky. V pfiípadû mûfiení relativního tlaku vzhledem k atmosferickému tlaku, "pfietlaku" oproti atmosferickému tlaku, je referenãním tlakem atmosférick˘ tlak, kter˘ je promûnn˘ (Obrázek 1-3). V˘stupní údaj snímaãe se proto mÛÏe mûnit i tehdy, kdyÏ se mûfien˘ tlak nemûní, zmûna v˘stupního údaje mÛÏe b˘t dána zmûnou referenãního tlaku. Barometrick˘ tlak se mÛÏe mûnit aÏ o 25 mm sloupce rtuti (340 mm vodního sloupce), coÏ mÛÏe v nûkter˘ch pfiípadech sdruÏen˘ch mûfiení vést k pfiíli‰ velké a nepfiípustné chybû. Podle definice mûfií sdruÏen˘ snímaã relativních tlakÛ, sdruÏen˘ tlakomûr, jak kladné, tak záporné relativní tlaky o absolutních hodnotách blízk˘ch absolutní hodnotû atmosférického tlaku. UvaÏujme napfiíklad oplá‰Èovan˘ chemick˘ reaktor. Typick˘m pfiíkladem je reaktor, ve kterém (v situaci kdy není uzavfien˘) musí b˘t vytvofieno technické vakuum o hodnotû 10 torÛ (10 mm sloupce Hg). Po vyãerpání vzduchu musí b˘t reaktor vyãi‰tûn inertním plynem, tlak v reaktoru se pfiitom musí udrÏovat na hodnotû o 25 mm vodního sloupce vy‰‰í, neÏ je atmosferick˘ tlak. Neexistuje Ïádn˘ snímaã, pracující s jednou referenãní hodnotou tlaku, kter˘ by byl schopn˘ správnû urãit obû v˘‰e uvedené hodnoty tlaku. PouÏije-li se snímaã, kter˘ má za referenãní hodnotu vakuum, nelze tento snímaã pro ZPRAVODAJ

nastavení hodnoty pfietlaku 1 mm oproti atmosferickému tlaku pouÏít. Pfiístroj nemá informaci i tom, jaká je skuteãná hodnota barometrického tlaku. Na druhé stranû, pouÏije-li se snímaã, kter˘ má za referenãní hodnotu barometrick˘ tlak, nelze tento snímaã pouÏít pro nastavení hodnoty absolutního

stropní konstrukce


pohybu musí b˘t ale umístûn pevnû a zaji‰tûn. To se ov‰em mnohem snadnûji fiekne neÏ provede. Voln˘ pohyb nádoby ve vertikálním smûru se dosáhne tehdy, je-li nádoba podepfiena pouze snímaãem síly, silomûrem. (Velikost vertikálního stlaãení moderních silomûrÛ je men‰í neÏ 0,25

stavební konstrukce

snímaã mûfiící tahovou sílu opûrné tyãe nádoba

kolové klouby

opûrné tyãe

Obrázek 1-6: ¤e‰ení ustálení nádoby

tlaku 10 torrÛ. DÛvodem je, Ïe v tomto pfiípadû se referenãní hodnota barometrického tlaku mÛÏe mûnit aÏ o 25 torÛ - tedy více, neÏ je celková hodnota, která má b˘t mûfiena. Nyní, kdyÏ jsou k disposici mikroprocesory, je moÏné vybavit jeden snímaã tlaku dvûma referenãními hodnotami tlaku a ponechat na inteligenci pfiístroje, aby sám rozhodl, kterou z obou referenãních hodnot pro dané mûfiení pouÏije. Dal‰ím dÛleÏit˘m hlediskem pfii mûfiení veliãin, váÏících se k pÛsobení síly je eliminovat, odstranit nebo potlaãit, v‰echny sloÏky sil, které se k danému mûfiení nevztahují. Mûfií-li se napfiíklad hmotnost obsahu nádoby nebo reaktoru, je nutné umístit kontejner tak, aby se ve vertikálním smûru choval jako volné tûleso, ve smûrech horizontálního posunu a moÏného rotaãního

mm.) Znamená to, Ïe v‰echny trubky, elektrické vodiãe a opûrné tyãe, které jsou k nádobû pfiipevnûny, musí b˘t navrÏeny tak, aby nekladly vertikálnímu pohybu nádoby Ïádn˘ odpor. U reaktorÛ, které pracují pod tlakem to obvykle vyÏaduje pouÏít ohebné trubkové spoje, umístûné v horizontální rovinû (Obrázek 1-4). Pro fixaci opûrn˘ch tyãí je obvykle tfieba pouÏít tyãe s kulov˘mi klouby. Aby se dosáhlo co nejlep‰ích v˘sledkÛ, pouÏívají se obvykle u vût‰ích trubek dvû horizontálnû instalované pruÏné spojky umístûné za sebou v sérii. Je rovnûÏ dÛleÏité chránit a izolovat silomûr pfied pÛsobením horizontálních sil. Tyto síly mohou b˘t zpÛsobeny teplotní roztaÏností, nebo zrychlováním a zpomalováním vozidel pojíÏdûjících po váÏící plo‰e. Je proto dÛleÏité, aby byly silomûry instalovány buì volné âíslo 3

13


1

vzhledem k horizontálnímu pohybu (Obrázek 1-5), nebo aby byly vybaveny adaptérem, kter˘ boãnímu zatíÏení silomûrÛ prakticky zabrání. Koneãnû, nádoby, zejména reaktory ve kter˘ch se provádí míchání obsahu, je tfieba ustálit a uklidnit, tj. je tfieba zabránit jejich rotaãnímu pohybu. Dosáhne se toho instalací tfií opûrn˘ch tyãí, kaÏdá z tyãí má dva kulové klouby (Obrázek 1-6). VáÏení je umûní, které vyÏaduje velkou dávku zdravého selského rozumu. Úspû‰n˘ váÏící systém vyÏaduje, aby byly opûry váÏené nádoby pevné, nepruÏné, a aby byly kvÛli stabilitû umístûny nad tûÏi‰tûm nádoby. Je to zejména dÛleÏité u venkovních váÏících systémÛ, kde je tfieba poãítat s pÛsobením vnûj‰ích sil, napfiíklad síly vûtru. Je také dÛleÏité, aby byla hmotnost rozloÏena na jednotlivé silomûry rovnomûrnû. Tato úvaha vede k poÏadavku umístit v‰echny doteky, na které zatíÏení pÛsobí, do jedné roviny. ProtoÏe je rovina urãena tfiemi body, dosáhne se nejsnadnûji stejného rozloÏení zatíÏení pfii pouÏití tfií silomûrÛ. Zdrav˘ selsk˘ rozum nám také fiíká, Ïe pokud mûfiené zatíÏení není maximální, nebo pokud nejsou silomûry správnû ocejchovány, nemÛÏe pfiesnost celého systému dosáhnout pfiesnosti vlastních silomûrÛ (která je obvykle

14

âíslo 3

0.02 % nebo lep‰í). Pfiesnost vysoce kvalitních silomûrÛ nepfiiná‰í Ïádn˘ uÏitek, jsou li kalibrovány srovnáním s údaji na prÛtokomûrech, které mají chybu 1 % nebo vût‰í. Jediná cesta která vede k plnému vyuÏití v˘hod dan˘ch pozoruhodn˘mi moÏnostmi pfiesn˘ch moderních silomûrÛ je pouÏít pro nulování a kalibrování systému pfiesná závaÏí. Je také dÛleÏité pamatovat na skuteãnost, Ïe závaÏí mohou b˘t pfiipevnûna na nádobu pouze tehdy, jsou li tam pro nû zfiízeny háky nebo plo‰iny.

ProtoÏe se pfiesnost silomûrÛ udává v procentech z plného rozsahu zafiízení, je také dÛleÏité dobfie zváÏit rozsah hodnot, které mají b˘t mûfieny. Znamená to, Ïe relativní chyba konkrétního mûfiení, odpovídající, fieknûme, pfiesnosti silomûrÛ 0.02 %, je funkcí celkové mûfiené hmotnosti. Je-li celková mûfiená hmotnost reaktoru 100 000 kg, je absolutní chyba váÏení 20 kg. Má-li se ale uveden˘m zpÛsobem do tohoto reaktoru vsadit dávka 100 kg katalyzátoru, bude relativní chyba mûfiení, místo 0.02 %, rovna 20 %. T

Odkazy na literaturu, zdroje dalších informací • Black Holes and Baby Universes and Other Essays, Hawking Stephen, Bantam Books, 1993.

• •

Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995.

•

Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, 10th Edition, Eugene A. Avollone and Theodore Baumeister, McGraw-Hill, 1996.

•

McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Science and Technology, McGraw-Hill, 1998

•

Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7th Edition, Robert H.Perry, Don W. Green and James O. Maloney, McGraw-Hill, 1996.

•

Process Control Systems: Application, Design and Tuning, 4th Edition, F.Greg Shinskey, McGraw-Hill, 1996.

•

Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia, Douglas M. Considine and Glen D.Considine, Van Nostrand 1997.

Instrumentation Reference Book, 2nd Edition, B.E. Noltingk, Butterworth - Heinemann, 1995

ZPRAVODAJ

2

Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN

Snímaã pomûrného prodlouÏení Kontrukce snímaãÛ

Snímač poměrného prodloužení

P

Ûsobí-li na nepohybující se tûleso síly, vyvolávají v tûlese mechanická napûtí a v tûlese lze zjistit pomûrná prodlouÏení. Mechanické napûtí je definováno pomocí vyvolan˘ch reaktivních sil, které vznikají a pÛsobí uvnitfi tûlesa, pomûrné prodlouÏení je definováno jako deformace a zmûna tvaru tûlesa. Pro rovnomûrné rozloÏení vyvolan˘ch vnitfiních reaktivních sil lze mechanické napûtí urãit jako podíl velikosti síly (F) velikostí plochy (A), na kterou síla pÛsobí (Obrázek 2-1). mechanické napûtí () = F/A) Pomûrné prodlouÏení je definováno jako velikost deformace, pfiipadající, po pfiivedení zátûÏe na tûleso, na jednotku délky tûlesa. Pomûrné prodlouÏení se vypoãítá dûlením celkové zmûny délky tûlesa pfii zatíÏení tûlesa délkou (L) nezatíÏeného tûlesa: pomûrné prodlouÏení () = (L/L) Typické hodnoty pomûrného prodlouÏení jsou men‰í neÏ 0.005 mm/mm. Pomûrné prodlouÏení se proto ãasto vyjadfiuje jednotkách pro pomûrné mikroprodlouÏení: pomûrné mikroprodlouÏení = pomûrné prodlouÏení . 106

Pomûrné prodlouÏení mÛÏe b˘t tahové (nataÏení tûlesa) nebo tlakové (stlaãení tûlesa). Mûfií se obvykle mûrkami pro mûfiení pomûrného prodlouÏení, mûfiidly pomûrného prodlouÏení, tenzometrick˘mi mûrkami, dále: tenzometry. První kdo zvefiejnil, Ïe kovové vodiãe vykazují pfii pomûrném prodlouÏení ZPRAVODAJ

zmûnu svého elektrického odporu byl v r. 1856 Lord Kelvin. V praktick˘ch aplikacích se tento jev uplatÀuje od tfiicát˘ch let 20. století. V principu pracují v‰echny mûrky pro mûfiení pomûrného prodlouÏení

Mûfiící obvody Aplikace a instalace

ného odporu teplota, vlastnosti materiálu, lepidlo kter˘m je tenzometr pfiipevnûn˘ k povrchu, stabilita kovu. Vzhledem k tomu, Ïe vût‰ina materiálÛ nemá stejné vlastnosti ve v‰ech smûrech, je pro úplnou anal˘zu problému

F síla (F)

síla (F)

L velikost plochy A mechanické napûtí (σ) = síla/velikost plochy = F/A

∆L

pomûrné prodlouÏení (ε) = zmûna délky/délka = ∆L/L

Obrázek 2-1: Definice mechanického napûtí a pomûrného prodlouÏení

tak, Ïe pfievádûjí mechanick˘ pohyb na elektrick˘ signál. Zmûna kapacitance, induktance nebo rezistance snímaãe je pfiímo úmûrná hodnotû pomûrného prodlouÏení, mûfieného mûrkou. Je-li aplikováno pomûrné prodlouÏení na drát, drát se mírnû prodlouÏí a jeho prÛfiez se zmen‰í. To má za následek zmûnu odporu drátu (R) která je pfiímo úmûrná citlivosti odporu drátu (S) na pomûrné prodlouÏení. Citlivost mûrky na pomûrné prodlouÏení se také naz˘vá faktor mûrky (GF), Gauge Factor. Pfiivede-li se na snímaã pomûrné prodlouÏení, pak je GF urãen˘ vztahem GF = (R/R)/(L/L) = (R/R/ pomûrné prodlouÏení) Ideální tenzometr by mûnil svÛj odpor pouze v dÛsledku deformace povrchu, na kter˘ je pfiipevnûn˘. Ve skuteãn˘ch aplikacích ale ovlivÀují hodnotu mûfie-

znalost pouze axiálního, souosého, pomûrného prodlouÏení nedostateãná. Je také tfieba mûfiit zkos ve smyku (zkos ve stfiihu), veliãinu analogickou pomûr-

síla γ kniha

Obrázek 2-2: Zkos ve smyku

nému prodlouÏení, Piossonovo pomûrné prodlouÏení (kombinace pomûrného prodlouÏení pfii protaÏení a zúÏení tûlesa), pomûrné prodlouÏení v ohybu âíslo 3

15

Snímaã pomûrného prodlouÏení

2

(pomûrné prodlouÏení vyvolané ohybov˘m momentem), veliãiny analogické pomûrnému prodlouÏení, a zkos ve smyku pfii torzi (zkos ve smyku pfii

kou drátu roste i elektrick˘ odpor drátu. Pomûrné prodlouÏení v ohybu (pomûrné prodlouÏení vyvolané ohybov˘m momentem), se vypoãítá tak, Ïe se

D

F

D-∆D

F

L L+∆L

pfiíãné pomûrné prodlouÏení (εt) = ∆D/D podélné pomûrné prodlouÏení (εl) = ∆L/L Poissonova konstanta (υ) = -[(∆D/D)/(∆L/L)] = -(εt/εl) Obrázek 2-3: Poissonovo pomûrné prodlouÏení

krutu), veliãinu analogickou zkosu ve smyku. KaÏdé z nich vyÏaduje jinou konstrukci nebo sestavu tenzometru. Zkos ve smyku, (zkos ve stfiihu), vyjadfiuje situaci, kdy se tûleso pÛsobením mechanického napûtí deformuje úhlovû. Pfiedstavme si Ïe síla pÛsobí na horní pravou hranu silné knihy leÏící na stole. ZpÛsobuje, Ïe kniha dostává jak˘si lichobûÏníkov˘ tvar (Obrázek 22). Zkos ve smyku (zkos ve stfiihu), mÛÏe b˘t v tomto pfiípadû vyjádfien˘ pomocí úhlu, mûfieného v radiánech, daného vertikální osou y a polohou hrany knihy po deformaci. Zkos ve smyku je roven˘ tangentû tohoto úhlu. Poissonovo pomûrné prodlouÏení vyjadfiuje situaci, kdy v napjaté tyãi dochází jak ke ztenãení tyãe, tak k jejímu prodlouÏení (Obrázek 2-3). Poissonovo pomûrné prodlouÏení je definováno jako zápornû vzat˘ pomûr pomûrného prodlouÏení v pfiíãném, transverzálním, smûru (pomûrné prodlouÏení je zpÛsobené zmen‰ením polomûru tyãe k pomûrnému prodlouÏení v podélném smûru. Se zmen‰ujícím se polomûrem drátu a rostoucí dél16

âíslo 3

urãí vztah mezi velikostí síly a mezi velikostí ohybu, kter˘ tato síla vyvolává. Zkos ve smyku pfii torzi (zkos ve smyku pfii krutu se nemûfií tak ãasto jako

jiné typy pomûrného prodlouÏení. Zkos ve smyku pfii torzi se mûfií tehdy, kdyÏ je tfieba urãit pomûrné prodlouÏení, vzniklé kroucením. Zkos ve smyku pfii torzi se vypoãítá dûlením torzního mechanické napûtí modulem pruÏnosti ve smyku.

Konstrukce snímačů Pro mûfiení deformace tûlesa lze pouÏít mechanické, optické, akustické, pneumatické a elektrické prostfiedky. První snímaãe pomûrného prodlouÏení byly mechanické pfiístroje, které mûfiily pomûrné prodlouÏení mûfiením zmûny délky, porovnáním délky namáhaného tûlesa s pÛvodní délkou tûlesa. Pfiíkladem je extenzometr, prÛtahomûr, pfiístroj kter˘ pomocí soustavy pák zvût‰uje velikost pomûrného prodlouÏení na hodnotu, kterou je moÏno odeãíst. Obecnû je v‰ak moÏno fiíci, Ïe mechanická zafiízení mají sklon k malé rozli‰ovací schopnosti, Ïe jsou rozmûrná

lepidlo tenzometr

napínan˘ detektor síly

A. dotykov˘ kovov˘ foliov˘ tenzometr, pfiipevnûn˘ lepením plátek polovodiãe odpor B. polovodiãov˘ plátek s odporem nanesen˘ na substrát pomocí difuse a pfiipevnûn˘ k povrchu pomocí tenké vrstvy lepidla

tenká vrstva epoxidového lepidla

isolace, SiO2 tensometr C. tenkovrstv˘ tenzometr (thin-film) molekulárnû (bez lepení) spojen˘ s keramickou podloÏkou, která je nanesena pfiímo na napínan˘ detektor síly tensometr D. difúzní polovodiãová mûrka

Obrázek 2-4: Konstrukce tenzometrick˘ch snímaãÛ pomûrného prodlouÏení ZPRAVODAJ

2

a Ïe se s nimi obtíÏnû pracuje. Optické snímaãe jsou citlivé a jsou pfiesné, jsou ale kfiehké a choulostivé a v prÛmyslov˘ch aplikacích nejsou pfiíli‰ Ïádané. Pro mûfiení pouÏívají interferenãní prouÏky generované optick˘mi rovinami. Optické snímaãe pracují nejlépe v laboratorních podmínkách. Z fyzikálních veliãin, které se mûní úmûrnû velikosti pomûrného prodlouÏení je ve snímaãích nejãastûji pouÏívan˘ elektrick˘ odpor. Byly zkonstruovány a jsou k disposici i tenzometrické snímaãe zaloÏené na zmûnû kapacitance a na zmûnû induktance. PouÏití tûchto snímaãÛ v aplikacích je v‰ak omezeno jejich citlivostí na vibrace, poÏadavky na montáÏ a jejich obvodovou nároãností. Fotoelektrické snímaãe pouÏívají svûteln˘ paprsek, dvû pfiesné jemné mfiíÏky a detektor s fotobuÀkou, generují proud, kter˘ je úmûrn˘ mûfienému pomûrnému prodlouÏení. Délka mûrky mÛÏe b˘t u tûchto snímaãÛ men‰í neÏ 1,6 mm, snímaãe jsou ale drahé a také kfiehké a choulostivé. První spojn˘ (mechanicky manuálnû pfiipevÀovan˘) drátov˘ tenzometr byl vyvinut˘ v roce 1938. Kovov˘ tenzometr fóliového typu sestává z mfiíÏky tvofiené vláknem drátu (odporu, o síle pfiibliÏnû 0.025 mm, pfiilepené tenkou vrstvou epoxidového lepidla pfiímo na povrch napínaného tûlesa (Obrázek 24 A).PÛsobí-li na tûleso síla, je zmûna délky povrchu tûlesa pfiená‰ená na odpor tenzometru. Odpovídající pomûrné prodlouÏení se mûfií pomocí mûfiení elektrického odporu foliového tenzometru. Odpor tenzometru lineárnû závisí na jeho pomûrném prodlouÏení. Foliová membrána a lepidlo, kter˘m se tenzometr pfiipevÀuje na povrch musí b˘t pro pfienos pomûrného prodlouÏení vzájemnû pfiizpÛsobeny, lepidlo musí také slouÏit jako elektrick˘ izolant mezi mfiíÏkou fólie a povrchem.

ZPRAVODAJ

Pfii v˘bûru tenzometru je nutno mít na zfieteli nejen charakteristiky snímaãe vzhledem k pomûrnému prodlouÏení, ale také jeho stabilitu a citlivost na teplotní zmûny. Vût‰ina materiálÛ, které jsou pro tenzometry maximálnû vhodné vzhledem k jejich citlivosti na pomûrné prodlouÏení, jsou nane‰tûstí také citlivá na teplotní zmûny a mají sklon mûnit svÛj odpor se stárnutím. Toto nemusí b˘t v˘znamné pfii mûfieních, která trvají krátkou dobu. U prÛmyslov˘ch dlouhotrvajících nepfietrÏit˘ch mûfiení je ale nutno do fie‰ení kompenzaci teplotních vlivÛ a kompenzaci


v˘robu tenzometrÛ jsou slitiny mûdi a niklu a slitiny niklu a chromu. Uprostfied padesát˘ch let 20. století objevili vûdci v Bell Laboratories piezorezistivní vlastnosti germania a kfiemíku. I kdyÏ tyto materiály vykazují znaãnou nelinearitu a teplotní citlivost, mají faktor mûrky více neÏ padesátkrát vût‰í a citlivost více neÏ stokrát vût‰í neÏ materiály pouÏívané v tenzometrech s kovov˘mi dráty nebo kovov˘mi foliemi. Kfiemíkové, silikonové, plátky jsou také pruÏnûj‰í neÏ kovové. Po uvolnûní pomûrného prodlouÏení se lépe a pfiesnûji vracejí do pÛvodního tvaru.

drátûná mfiíÏka

vodiãe

plst papír

Obrázek 2-5: Konstrukce spojného odporového tenzometru

driftu zahrnout. KaÏd˘ materiál, kter˘ se pouÏívá pro dráty v tenzometrech, má své vlastní charakteristicky: faktor mûrky, odpor, teplotní koeficient faktoru mûrky, teplotní koeficient odporu a stabilitu. Mezi typické materiály pro dráty patfií konstantan (slitina mûdi a niklu), nichrom (slitina niklu a chromu), slitiny platiny (obvykle s wolframem), isoelastic (slitina niklu a Ïeleza), a slitiny typu karma (slitina niklu a chromu). PouÏívají se fólie s polovodiãov˘mi materiály. Nejvíce pouÏívan˘mi slitinami pro

Okolo roku 1970 byly vyvinuty, pro automobilov˘ prÛmysl, první polovodiãové (kfiemíkové) tenzometry. Na rozdíl od ostatních typÛ tenzometrÛ vyuÏívají polovodiãové tenzometry piezoelektrick˘ jev, kter˘ se uplatÀuje na kfiemíku nebo na germaniu. Mûfiená zmûna odporu nezávisí na pomûrném prodlouÏení, ale závisí na mechanickém napûtí. Dotykov˘ polovodiãov˘ tenzometr je tvofien˘ plátkem s odporem nanesen˘m difuzní technikou pfiímo do kfiemíkového substrátu. Plátek obvykle není vybaven˘ v˘ztuhou nebo ochranou a protoâíslo 3

17


2

Ïe se pro jeho pfiilepení na napínan˘ povrch pouÏívá pouze malé vrstvy epoxidového lepidla, je tfieba plátek pfiipevÀovat s velkou opatrností (Obrázek 2-4 B). Rozmûr tenzometru je mnohem men‰í a jeho cena je mnohem niÏ‰í neÏ

o 10 % aÏ 20 %. Je-li mûfiící technika vybavena fiídícím poãítaãem, lze tuto nev˘hodu kompenzovat softwarem. Dal‰í vylep‰ení pfiiná‰í tenzometrick˘ tenkovrstv˘ tenzometr, tzv. tenzometr typu thin-film, tento tenzometr nevyÏa-

v˘stup mV C R4 nebo Rg

R1

VIN vstupní napájecí napûtí

VOUT v˘stupní napûtí

B

D

R3

R2 A

VOUT = VIN

R3 R3 + Rg

_

R2 R1 + R2

Obrázek 2-6: Schéma zapojení Wheatstoneova mÛstku

je tomu u kovov˘ch foliov˘ch tenzometrÛ. Pro pfiilepení spojn˘ch (mechanicky manuálnû pfiipevÀovan˘ch) polovodiãov˘ch snímaãÛ se pouÏívá stejné epoxidové lepidlo, jaké se pouÏívá pro pfiilepení foliov˘ch tenzometrÛ. Jednoznaãnou v˘hodou polovodiãov˘ch snímaãÛ oproti kovov˘m foliov˘m snímaãÛm je jejich velk˘ odpor a velká citlivost, jejich nev˘hodou je vût‰í citlivost na teplotu a sklon k driftu. Dal‰í nev˘hodou polovodiãov˘ch snímaãÛ je, Ïe je u nich závislost odporu na pomûrném prodlouÏení nelineární, jejich statická charakteristika se odchyluje od pfiímky 18

âíslo 3

duje pro spojné pfiipevnûní lepení (Obrázek 2-4 C). Snímaã se vytvofií tak, Ïe se na kovov˘, mechanick˘m napûtím namáhan˘, povrch nejdfiíve nanese elektrická izolaãní podloÏka, (obvykle keramick˘ izolant) a poté se na tuto izolaãní podloÏku nanese vlastní tenzometrická mûrka. K molekulárnímu spojení tûchto materiálÛ se pouÏívá vakuové naná‰ení nebo pokovování rozpra‰ováním. ProtoÏe je tenkovrstv˘ (thin-film) tenzometr pfiipevnûn˘ na povrch vzorku molekulárnû, je jeho instalace mnohem stabilnûj‰í a hodnoty odporu vykazují

men‰í drift. Dal‰í v˘hodou je, Ïe detektor mechanického napûtí mÛÏe b˘t kovová membrána nebo svazek s nanesenou vrstvou keramické izolace. Dal‰ím vylep‰ením v technice a technologii v˘roby tenzometrÛ jsou difúzní polovodiãové tenzometry. Tyto tenzometry nevyÏadují pfiipevÀovací prostfiedky. Vylouãením tûchto pfiipevÀovacích prostfiedkÛ se také vyluãují chyby, zpÛsobené jejich creepem (teãením pevné fáze) a jejich hysterezí. Difúzní polovodiãové tenzometry vyuÏívají pro provedení molekulární vazby a nanesení odporov˘ch elementÛ fotolitografickou maskovací techniku a difúzi boru v pevné fázi. Elektrické vodiãe se pfiipojují pfiímo na základní mûrku (Obrázek 2-4 D). PouÏití difúzních polovodiãov˘ch tenzometrÛ je omezeno na aplikace, kde nejsou vysoké teploty, tenzometry vyÏadují realizovat teplotní kompenzaci. Difúznû naná‰ené polovodiãe jsou také ãasto pouÏívány ve snímaãích pro mûfiení tlaku. Jsou malé, levné, pfiesné, mûfiení snímaãi jsou opakovatelná. Snímaãe mají velk˘ mûfiící rozsah a poskytují velk˘ v˘stupní signál. Jejich omezením je citlivost na zmûny okolního prostfiedí, tato ale mÛÏe b˘t v pfiípadû pouÏití inteligentních mûfiících systémÛ kompenzována. Celkovû lze shrnout, Ïe ideální tenzometr je mûrka, která je rozmûrovû a hmotnostnû malá, levná, která se snadno pfiipevÀuje a je vysoce citlivá na mûfiené pomûrné prodlouÏení a necitlivá na zmûny teploty okolí nebo teploty mûfieného objektu.

• Spojné (mechanicky manuálně

připevňované) tenzometry

Spojné polovodiãové tenzometry jsou schématicky uvedeny na obrázku 2-4 A a na obrázku 2-4 B. Tato zafiízení reprezentují oblíbenou metodu mûfiení pomûrného prodlouÏení. Tenzometr ZPRAVODAJ

2

sestává z mfiíÏky velmi jemného drátu, folie nebo polovodiãového materiálu, která je mechanicky pfiipevnûna k napí-

na creep, teãení lepidla, projevujícího se pfii zhor‰ování stavu spoje, na teplotní vlivy a na hysterezi zpÛsobenou ter-

kou citlivost, a je vhodn˘ jak pro statické, tak pro dynamické aplikace. Fóliové tenzometry jsou k dispozici s odpory mûrky od 0,2 mm do 100 mm. Komerãnû dostupné tenzometry mají délky od 0.008 palce do 4 palcÛ. Pfii v˘bûru tenzometru se uplatÀují následující tfii základní poÏadavky a hlediska: teplota, ve které bude tenzometr pracovat, druh pomûrného prodlouÏení, které se bude tenzometrem mûfiit a poÏadavky na stabilitu. Pro zaji‰tûní úspûchu aplikace je dále tfieba vybrat správn˘ materiál podloÏky, slitinu mfiíÏky, lepidlo, a ochrann˘ obal tenzometru.

Typické tenzometry s kovovou fólií

nanému povrchu, nebo k povrchu kontaktní podloÏky, pomocí tenké izolaãní vrstvy epoxidového lepidla (Obrázek 25). JestliÏe je kontaktní podloÏka napnuta, pfienese lepidlo pomûrné prodlouÏení na materiál mfiíÏky. Pomûrné prodlouÏení se urãuje mûfiením zmûny elektrického odporu mfiíÏky. Tvar mfiíÏky je navrÏen˘ tak, aby tenzometr mûl, pfii co nejmen‰í délce a ‰ífice tenzometru, co nejvût‰í odpor. Spojné polovodiãové tenzometry si drÏí v aplikacích své dobré postavení. Jsou relativnû levné, lze s nimi dosáhnout celkové pfiesnosti lep‰í neÏ 0.10%, tenzometry jsou k disposici v mal˘ch délkov˘ch rozmûrech, jejich vlastnosti jsou jen mírnû ovlivÀovány teplotními zmûnami, mají malé fyzikální rozmûry a malou hmotnost, a mají velkou citlivost. Spojné polovodiãové tenzometry lze pouÏít pro mûfiení jak statického, tak dynamicky se mûnícího pomûrného prodlouÏení. Pfii pfiipevÀování tenzometrÛ na napínan˘ povrch je tfieba vzít v úvahu, Ïe je tenzometr napínan˘ stejnû, jako je napínáno mûfiené tûleso. Díky materiálu lepidla, které se vkládá mezi snímaã a napínan˘ povrch, je instalace citlivá ZPRAVODAJ


Měřící obvody Aby bylo moÏno spojn˘mi odporov˘mi tenzometry mûfiit pomûrné prodlouÏení, musí b˘t tenzometry pfiipojeny na elektrick˘ obvod, kter˘ je schopn˘ mûfiit okamÏité zmûny odporu, odpovídající zmûnám mûfieného pomûrného pro-

momechanick˘m namáháním. ProtoÏe jsou mnohá lepidla a epoxidové pryskyfiice ke creepu náchylné, je dÛleÏité vybrat takové pryskyfiice, které jsou pro lepení tenzometrÛ speciálnû urãené. Spojn˘ odporov˘ tenzometr je vhodn˘

Zdroj konstantního (VIN ) napájecího napûtí

A R1

ãíslicov˘ voltmetr DVM

R2

R3

0

1

(VOUT) 2 3 v˘stupní napûtí

Rg1 D

Rg2 E Rg2

B

Obrázek 2-7: Schéma zapojení Chevronova mÛstku

pro práci v ‰iroké ‰kále prostfiedí. MÛÏe se s ním mûfiit jak pomûrné prodlouÏení na turbínách tryskov˘ch motorÛ pracujících za velmi vysok˘ch teplot, tak pomûrné prodlouÏení v aplikacích pracujících s kryogenními kapalinami, kde jsou nízké teploty aÏ -452 °F (-269 °C). Má malou hmotnost a malé rozmûry, vyso-

dlouÏení. Pfievodníky tenzometrÛ jsou obvykle tvofieny ãtyfimi prvky, elektricky zapojen˘mi tak, aby vytváfiely WheatstoneÛv mÛstek (Obrázek 2-6). WheatstoneÛv mÛstek je pomûrov˘ mÛstkov˘ elektrick˘ obvod, kter˘ se pouÏívá pro mûfiení jak konstantního, tak dynamicky se mûnícího elektrického âíslo 3

19


2

odporu. V˘stupní signál Wheatstoneova mÛstku se vyjadfiuje v milivoltech v˘stupního pomûrného

Detailní vysvûtlení podává obrázek 2-6. MÛstek je vyváÏen˘, pokud platí R1/R2 = Rg/R3, u vyváÏeného mÛstku

R1 R1 V zdroj proudu

R1

Rg

voltmetr R1

Obrázek 2-8: Schéma Ohmova obvodu ve ãtyfidrátovém zapojení

20

prodlouÏení na volty vstupního pomûrného prodlouÏení. Obvodové zapojení Wheatstoneova mÛstku je také vhodné pro realizaci teplotní kompenzace. Z obrázku 2-6 je zfiejmé, Ïe pokud jsou hodnoty odporÛ R1, R2, R3 a R4 stejné, pak po pfiivedení napûtí Vin mezi body A a C není mezi body B a D Ïádn˘ napûÈov˘ rozdíl. Zmûní-li se v‰ak hodnota odporu R4 na hodnotu, která není rovna hodnotám odporÛ R1, R2a R3, mÛstek se rozváÏí a na v˘stupních svorkách mÛstku se objeví elektrické napûtí. V této tzv. ãtvrtinové konfiguraci mÛstku má odpor, kter˘ je citliv˘ na pomûrné prodlouÏení, hodnotu Rg, odpory v ostatních vûtvích mÛstku mají stále stejnou konstantní hodnotu. Tenzometr, snímaã, mÛÏe ale obsadit jednu, dvû, nebo ãtyfii vûtve mÛstku. Celkové pomûrné prodlouÏení, nebo v˘stupní napûtí mÛstku (Vout je dáno rozdílem poklesu napûtí na odporech R1 a R4, resp. Rg). Tuto skuteãnost lze zapsat jako:

je Vout rovno nule. Libovolná malá zmûna odporu tenzometru pfiivede mÛstek do rozváÏeného stavu, mÛstek detekuje pomûrné prodlouÏení. Je-li mÛstek nastaven˘ tak, Ïe je aktivní tenzometr umístûn˘ pouze jako odpor Rg, vede ke generování v˘stupního napûtí mÛstku malá zmûna odporu Rg. Je-li faktor mûrky GF, závisí hodnota pomûrného pro-

VOUT = VCD - VCB

dlouÏení mûfieného mÛstkem na hodnotách Rg a DRg vztahem

âíslo 3

pomûrné prodlouÏení = (Rg/Rg)/GF Poãet aktivních tenzometrÛ, které mohou b˘t v mÛstku zapojeny závisí na konkrétní aplikaci. MÛÏe b˘t napfiíklad uÏiteãné pfiipojovat do mÛstku dva tenzometry umístûné na opaãn˘ch stranách nosníku tak, Ïe jeden z tenzometrÛ je namáhan˘ stlaãením a druh˘ nataÏením. Pfii takovémto uspofiádání lze pfii stejném pomûrném prodlouÏení úãinnû dvakrát zvût‰it velikost v˘stupního signálu. V instalacích kde jsou v‰echny vûtve mÛstku tvofieny stejn˘mi tenzometry dochází k automatické kompenzaci vlivu teploty, zmûny odporu ke kter˘m dochází v dÛsledku zmûny teploty jsou ve v‰ech vûtvích mÛstku stejné. U mÛstku se ãtyfimi aktivními tenzometry se obvykle dvû vûtve zapojují pro mûfiení stlaãení a dvû pro mûfiení nataÏení. Jsou-li napfiíklad odpory R1 a R3 v mûrkách natahovány (kladná zmûna odporu) a odpory R2 a R4 v mûrkách stlaãovány (záporná zmûna odporu), je v˘stup úmûrn˘ souãtu v‰ech ãtyfi pomûrn˘ch prodlouÏení, ãtyfiikrát vût‰í oproti stavu, kdy by se kaÏdé pomûrné prodlouÏení mûfiilo zvlá‰È. U tenzometrÛ

R1

Rg

VOUT zdroj proudu

voltmetr

R1

Obrázek 2-9: Schéma obvodu napájeného konstantním proudem

zapojen˘ch v pfiilehl˘ch vûtvích se mÛstek rozvaÏuje úmûrnû rozdílu pomûrZPRAVODAJ

2

n˘ch prodlouÏení. U tenzometrÛ zapojen˘ch v protilehl˘ch vûtvích se mÛstek rozvaÏuje úmûrnû souãtu pomûrn˘ch prodlouÏení. Jak pfii mûfiení ohybového, tak pfii mûfiení axiálního, posuvného, pomûrného prodlouÏení, Poissonova pomûrného prodlouÏení, zkosu ve

ãtyfikanálov˘ pfiepínaã, pomocí kterého se ãíslicov˘ voltmetr (DVM) pfiipojuje postupnû k zapojení, realizujícímu ãtvrtinov˘ (jeden tenzometr v jedné aktivní vûtvi) a poloviãní (dva tenzometry ve dvou aktivních vûtvích) mÛstek. Na ãíslicov˘ voltmetr je stále pfiipojena druhá,

+ DVM

R1

Rg

A

-

ãíslicov˘ voltmetr

dvoudrátové pfiipojení mÛstku

DVM

B


C

Rg

tfiídrátové pfiipojení mÛstku

i=0 Rg

DVM

Rg


OhmÛv obvod ve ãtyfidrátovém zapojení

kompensace ofsetu

Obrázek 2-10: Alternativní konfigurace zapojení vodiãÛ

smyku, nebo zkosu ve smyku pfii torzi, urãuje vztah mezi v˘stupním signálem a typem mûfieného pomûrného prodlouÏení uspofiádání tenzometru. Z obrázku 2-6 je zfiejmé, Ïe objeví-li se na tenzometrech R2 a R3 kladné pomûrné prodlouÏení vzniklé tahem a na tenzometrech R1 a R4 záporné pomûrné prodlouÏení vzniklé tlakem, v˘stupní napûtí mÛstku Vout se nezmûní.

• Chevronův můstek ChevronÛv mÛstek je uveden˘ na obrázku 2-7. ChevronÛv mÛstek je vícekanálové zapojení, kter˘m se kompenzují zmûny v hodnotách odporÛ vûtve jejich periodick˘m pfiipínáním. V ukázaném zapojení je pouÏit jednopólov˘ ZPRAVODAJ

vnitfiní, polovina mÛstku a referenãní hodnota napájecího napûtí. Toto zapojení je nejÏádanûj‰í pfii mûfiení pomûrného prodlouÏení u strojÛ s rotujícími ãástmi, kde vede ke sníÏení poãtu potfiebn˘ch kontaktních krouÏkÛ.

• Ohmův obvod ve čtyřdrátovém

zapojení

I kdyÏ je WheatstoneÛv mÛstek jedním z nejoblíbenûj‰ích prostfiedkÛ pro mûfiení elektrického odporu, jsou k disposici i jiné metody. Hlavní v˘hodou ãtyfidrátového zapojení Ohmova obvodu je, Ïe se mûfiené napûtí urãuje pfiímo na tenzometrické mûrce, takÏe mûfiená hodnota pomûrného prodlouÏení není ovlivnûna odporem napájecích vodiãÛ


a vodiãÛ signálního vedení. OhmÛv obvod ve ãtyfidrátovém zapojení mÛÏe sestávat z voltmetru, zdroje proudu a ze ãtyfi odporÛ vedení, oznaãme je R1, zapojen˘ch v sérii s odporem tenzometry Rg (Obrázek 28). Signál je na ãíslicov˘ voltmetr pfiiveden˘ pfies vysokoohmov˘ vstup voltmetru, proudov˘ zdroj ãíslicového voltmetru je vyuÏit˘ pro napájení mûfiícího obvodu. Pro mûfiení pomûrného prodlouÏení se obvod napájí mal˘m proudem, obvykle proudem 1 mA. Voltmetr mûfií napûÈov˘ spád na odporu Rg, hodnotu Rg urãuje ãíslicov˘ voltmetr (multimetr) z hodnoty mûfieného napûtí a hodnoty proudu. Mûfiení se obvykle provádí tak, Ïe se zmûfií hodnota odporu tenzometru ve stavu kdy tenzometr není namáhan˘ pomûrn˘m prodlouÏením, teprve poté se provede druhé mûfiení ve stavu kdy je na tenzometr pfiivedeno pomûrné prodlouÏení. Rozdíl mezi zmûfien˘mi odpory tenzometru dûlen˘ odporem tenzometru ve stavu kdy není namáhan˘ pomûrn˘m prodlouÏením je hodnota, která spolu s faktorem mûrky (GF) slouÏí k v˘poãtu pomûrného prodlouÏení. OhmÛv obvod ve ãtyfidrátovém zapojení je také vhodn˘ pro automatickou korekci elektrického napûÈového ofsetu pfiístroje. Nejdfiíve se zmûfií napûtí ve stavu, kdy obvodem neprotéká elektrick˘ proud. Tato hodnota se potom odeãte od hodnoty napûtí, zmûfiené ve stavu, kdy je na obvod pfiiveden˘ elektrick˘ proud. V˘sledná hodnota se pouÏije pro v˘poãet odporu tenzometru. Vzhledem ke své citlivosti je ãtyfidrátové zapojení tenzometrÛ vhodné pro mûfiení dynamick˘ch pomûrn˘ch prodlouÏení o mal˘ch frekvencích. Pfii mûfiení pomûrného prodlouÏení o vy‰‰ích frekvencích je nutné v˘stupní signál obvodu zesílit. Stejn˘ obvod mÛÏe b˘t také pouÏit˘ s polovodiãov˘mi tenzometry a s rychl˘m ãíslicov˘m voltmetrem. Je-li âíslo 3

21

2


citlivost ãíslicového voltmetru 100 mikrovoltÛ a je-li napájecí proud obvodu 0.44 miliampéru, odpor tenzometru 350 ohmÛ a faktor mûrky je rovn˘ 100, získáme rozli‰ovací schopnost mûfiení 6 mikrostrainÛ.

• Obvody pracující s konstantním

proudem

Odpor lze mûfiit tak, Ïe mÛstek napájíme buì ze zdroje konstantního napûtí, nebo ze zdroje konstantního proudu. ProtoÏe R = U/I, tak je-li U konstantní,

ru tenzometru (Rg) dynamicky se mûnící síla, mûfií se obvykle pouze ãasovû promûnná sloÏka v˘stupního signálu (Vout), zatímco pomalu se mûnící jevy, jako zmûna odporu vodiãÛ v dÛsledku teplotních zmûn, se povaÏují za nepodstatné. Pfii pouÏití takovéto konfigurace mûfiícího obvodu je teplotní drift prakticky zanedbateln˘.

Aplikace a instalace V˘stupem obvodu s tenzometrem je

120

zmûna faktoru mûrky v procentech

110 advance (Cu Ni)

100

nichrome 90

karma (Ni Cr +)

80 70

Slitina platiny a volframu -400 -200 (-240) (-129)

0 (-18)

200 (93)

400 600 800 1000 1200 1400 1600 (204) (315) (426) (538) (649) (760) (871) teplota °F (°C)

Obrázek 2-11: Závislost faktoru mûrky tenzometru na teplotû

mûní se I v závislosti na odporu a naopak. Lze pouÏít obû metody. I kdyÏ pouÏití zdroje konstantního proudu nepfiiná‰í oproti pouÏití zdroje konstantního napûtí teoreticky Ïádnou v˘hodu (Obrázek 2-9), bude v nûkter˘ch pfiípadech v systémech pracujících s konstantním proudem charakteristika mÛstku lineárnûj‰í. Pfii pouÏití zdrojÛ konstantního proudu také není nutné mûfiit na mÛstku napûtí, coÏ umoÏÀuje zapojit tenzometr do obvodu pouze dvûma vodiãi. Obvod pracující s konstantním proudem je nejvíce efektivní v pfiípadû, Ïe se mûfií dynamické namáhání. Je tomu tak proto, Ïe zpÛsobuje-li zmûnu odpo22

âíslo 3

napûÈov˘ signál o velmi malé úrovni, vyÏadující citlivost mûfiícího pfiístroje 100 mikrovoltÛ, nebo lep‰í. Malá velikost signálu zpÛsobuje, Ïe je signál v praxi náchyln˘ na ru‰ení neÏádoucím ‰umem, generovan˘m jin˘mi elektrick˘mi zafiízeními. V úvahu pfiipadají pfiedev‰ím zdroje ru‰ení dané kapacitní vazbou vodiãÛ signálního vedení obvodu se silov˘mi kabely stfiídavého (síÈového) rozvodu pokud jsou vedeny paralelnû se signálním vedením a zdroje ru‰ení dané zemními proudy. Jin˘mi zdroji chyb mohou b˘t napûtí generovaná elektromagnetickou indukcí pokud vodiãe signálního vedení procházejí promûnn˘mi magnetick˘mi

poli, porucha izolace, nebo napûtí vzniklá na spojích rÛzn˘ch kovÛ v dÛsledku termoefektu. Souãet tûchto ru‰ení mÛÏe mít za následek v˘znamné znehodnocení signálu.

• Stínění Vût‰inu problémÛ s elektrick˘m ru‰ením a problémÛ se ‰umem lze vyfie‰it správn˘m stínûním a zemnûním. Stínûní provedené kolem vodiãÛ signálního vedení zachytí a potlaãí ru‰ení a mÛÏe také sníÏit chyby dané zhor‰ením izolace. Stínûní také chrání mûfiení pfied pÛsobením kapacitních vazeb. Vede-li se signální vedení v blízkosti zdrojÛ elektromagnetického ru‰ení, napfiíklad v blízkost transformátorÛ, minimalizuje se zhor‰ení signálu elektromagnetickou indukcí pouÏitím krouceného vedení. Zkroucením vodiãÛ signálního vedení se dosáhne toho, Ïe se napûtí generovaná elektromagnetickou indukcí do jednotliv˘ch ok krouceného vedení vzájemnû kompenzují. V prÛmyslov˘ch aplikacích se pouÏívají stínûná a kroucená signální vedení témûfi bezv˘hradnû.

• Stínění a ochrana přístrojů Správné stínûní a ochrana samotn˘ch pfiístrojÛ jsou stejnû dÛleÏité jako správné stínûní signálního vedení. Stínûní a ochrana pfiístrojÛ se realizuje kovovou plechovou krabicí, která uzavírá analogové obvody pfiístrojÛ a která je spojena se stínûním signálního vedení. Pokud protékají tenzometrem nebo jeho vodiãi zemní proudy, nerozezná je WheatstoneÛv mÛstek od proudÛ, generovaného proudov˘m zdrojem. Stínûní a ochrana zaji‰Èuje, Ïe se svorky v‰ech elektrick˘ch pfiístrojÛ nacházejí na stejném potenciálu, coÏ zabraÀuje, aby obvody tekly nepatfiiãné vnûj‰í proudy. Spojí-li se testovan˘ objekt a záporná svorka napájecího zdroje ochrann˘m vodiãem, vytvofií se v mûfiícím ZPRAVODAJ

2

obvodu dal‰í proudová vazba. Vytvofiením této cesty se pfiehradí cesta kterou teãe proud zpÛsobující chybu mûfiení. V‰echny prvky mûfiícího obvodu které toto fie‰ení zahrnuje (tj. plovoucí napájecí zdroje, tenzometr, ve‰keré dal‰í pfiístrojové vybavení pouÏité pro mûfiení) jsou na stejném potenciálu jako mûfien˘ objekt. Chyba daná souhlasn˘m napûtím mÛÏe b˘t úãinnû potlaãena pouÏitím stínûn˘ch signálních vodiãÛ a integraãních ãíslicov˘ch voltmetrÛ opatfien˘ch stínûním a ochranou.

• Účinky signálního vedení Tenzometry se nûkdy instalují ve vût‰í vzdálenosti od ostatního mûfiícího zafiízení. Tím se zvy‰uje moÏnost chyby v dÛsledku teplotních zmûn, sníÏení citlivosti signálního vedení a zmûn odporu vodiãÛ signálního vedení. U dvoudrátové instalace snímaãe (Obrázek 210 A) jsou dva vodiãe signálního vedení zapojeny v sérii s aktivním odporem tenzometru. To má za následek, Ïe je kaÏdá zmûna v odporu vodiãÛ (R1) nerozeznatelná od zmûny aktivního odporu (Rg) tenzometru. Ke korekci vlivu vodiãÛ signálního vedení lze pfiispût pfiipojením tfietího vodiãe do horního uzlu aktivního odporu mÛstku, viz obrázek 2-10 B. Pfii této konfiguraci slouÏí vodiã C pouze pro odeãtení hodnoty mûfieného signálu, vodiãem C neteãe Ïádn˘ napájecí elektrick˘ proud, vodiãe A a B jsou v protilehl˘ch vûtvích mÛstku. Tuto metodu lze povaÏovat za minimální pfiípustné fie‰ení pfiipojení tenzometru k mÛstku, zapojení alespoÀ ãásteãnû potlaãuje chybu vzniklou na del‰ím signálním vedení. Teoreticky platí, Ïe pokud vodiãe, které vedou v signálním vedení ke snímaãi, mají stejn˘ jmenovit˘ odpor, stejn˘ teplotní koeficient odporu a pokud jsou udrÏovány na stejné teplotû, dosáhne se tfiídrátov˘m zapojením úplné kompensace vlivu vedení. Ve skuZPRAVODAJ

teãnosti jsou vodiãe vyrábûny s tolerancí asi 10 % a tfiídrátov˘m zapojením se chyby dané vodiãi dvoudrátového zapojení úplnû nepotlaãí, jejich velikost se v‰ak zmen‰í o fiád. Je-li potfieba dal‰í zlep‰ení, lze uvaÏovat o ãtyfidrátovém zapojení a o zapojení, pomocí kterého se kompensuje ofset (Obrázky 2-10 C a 2-10 D). U dvoudrátov˘ch zapojení je chyba zpÛsobená odporem signálních vodiãÛ funkcí pomûru R1/Rg odporÛ. Chyba zpÛsobená odporem signálních vodiãÛ je obvykle nev˘znamná v pfiípadech, kdy je odpor R1 vodiãe oproti odporu tenzometru Rg mal˘, pfiesahuje-li ale odporvodiãe 0.1 % jmenovité hodnoty odporu tenzometru, zaãíná b˘t vedení v˘znamn˘m zdrojem chyb. V prÛmy-


prodlouÏení, jako napfiíklad mûì, mûní pfii vysok˘ch teplotách svoji vnitfiní strukturu. Teplota mÛÏe zmûnit nejen vlastnosti tenzometru, ale mÛÏe zmûnit i vlastnosti základního materiálu, ke kterému je tenzometr pfiipevnûn˘. Rozdíly mezi teplotní roztaÏností materiálu tenzometru a teplotní roztaÏností základního materiálu mohou zpÛsobit, Ïe u mûfiícího prvku tenzometru dojde ke zmûnám rozmûrÛ. ProtaÏení nebo stlaãení mûfiícího prvku tenzometru a/nebo základního materiálu zpÛsobuje chybu, která se obtíÏnû koriguje. Pfiíkladem je zmûna odporu tenzometru nebo zmûna jeho teplotního koeficientu odporu, které zpÛsobují zmûnu referenãní nuly pfii kalibraci zafiízení.

smûrnice zdánlivého pomûrného prodlouÏení 10-6 palce/palec/°F (mikronÛ/mm/°C) 100 (0.180) slitina platiny a wolframu

75 (0.135) 50 (0.090)

nichrom

20 (0.036) 10 (0.018)

Kkarma referenãní materiál: nerezavûjící ocel advance

0 (-0.009) -5

500 (260)

600 (315)

700 (371)

800 900 (426) (482) teplota °F (°C)

1000 (538)

1100 (593)

1200 (649)

1300 (704)

Obrázek 2-12: Závislost zdánlivého pomûrného prodlouÏení na teplotû

slov˘ch aplikacích je proto tfieba signální vedení buì úplnû potlaãit, nebo délky signálního vedení minimalizovat, umístûním vysílaãe pfiímo ke snímaãi.

• Teplota a faktor měrky Materiály, které jsou citlivé na pomûrné

Faktor mûrky je rovn˘ citlivosti tenzometru na pomûrné prodlouÏení. V˘robce tenzometru by mûl vÏdy poskytovat také údaje o teplotní citlivosti, závislosti, faktoru mûrky. Pro rÛzné materiály, pouÏívané pro konstrukci tenzometrÛ ukazuje závislost âíslo 3

23

2


faktoru mûrky na pracovní teplotû obrázek 2-11. Slitiny mûdi a niklu, napfiíklad slitina advance, mají faktory mûrky, jejichÏ hodnota se se zmûnou pracovní teploty mûní relativnû málo. Tyto materiály jsou proto konstrukci

ben˘ch tûmito teplotními vlivy, mûnit i v dÛsledku stárnutí a nestability kovu a lepidla, nebo jiného materiálu, kter˘m je tenzometr upevnûn˘. Kompenzace zdánlivého pomûrného prodlouÏení je nutná tehdy, mûní-li se

ZZ Y

X

X

Y

upevnûno spojené tensometry

a

R1

R3

opûrn˘ sloup

b

R2

R4

montáÏ na spodní stranû

neutrální rovina A) snímaã zatíÏení, silomûr referenãní tlak (atmosférick˘ tlak nebo vakuum) mûfien˘, technologick˘ tlak

B) krákorec

referenãní tlak (atmosférick˘ tlak nebo vakuum) R1

R2

R3

R4

oh˘baná membrána R1

R3

R2 R4

C) mûchy

mûfien˘, technologick˘ tlak D) membrána

Obrázek 2-13: Nûkteré montáÏe tensometrÛ

tenzometrÛ pouÏívány nejvíce.

• Zdánlivé poměrné prodloužení Zdánlivé pomûrné prodlouÏení je kaÏdá zmûna odporu mûfiícího prvku tenzometru, která není zpÛsobena silou, pÛsobící na tento mûfiící prvek. Zdánlivé pomûrné prodlouÏení je v˘sledkem vzájemného pÛsobení, interakce, teplotního koeficientu tenzometru a rozdílu mezi roztaÏností materiálu tenzometru a roztaÏnosti materiálu mûfieného objektu. Pro rÛzné materiály, pouÏívané pro konstrukci tenzometrÛ ukazuje závislost zdánlivého pomûrného prodlouÏení na pracovní teplotû obrázek 2-12. Zdánlivé pomûrné prodlouÏení se mÛÏe, kromû zmûn zpÛso24

âíslo 3

v prÛbûhu mûfiení pomûrného prodlouÏení teplota. Ve vût‰inû aplikací závisí velikost chyby na pouÏité slitinû a na velikosti teplotních zmûn. Volba materiálu tenzometru mnohdy závisí i na pfiesnosti, se kterou v˘sledek mûfiení poÏadujeme. Je-li pracovní teplota tenzometru známá a je-li známá závislost zdánlivého pomûrného prodlouÏení na teplotû, je kompenzace moÏná.

• Přístup k řešení stability Je Ïádoucí, aby byl systém pracující s tenzometry stabilní a aby nevykazoval drift (kolísání nuly signálu v ãase). U pfiístrojÛ dochází po jejich kalibraci v prÛbûhu ãasu k nárÛstu driftu a k postupné ztrátû kalibrace. Stabilita

spojn˘ch (mechanicky manuálnû pfiipevÀovan˘ch) tenzometrÛ je hor‰í, neÏ stabilita difúznû naná‰en˘ch tenzometrÛ. Jednûmi z hlavních pfiíãin nestability, zejména pfii práci v prostfiedí o vy‰‰ích pracovních teplotách, jsou hysterese a creep zpÛsobené chybn˘m pfiipevnûním tenzometru. ProtoÏe jakékoliv deformace povrchu elementu, pfievádûjícího sílu na mechanické napûtí, vedou k chybû v dÛsledku nestability, je tfieba pfied montáÏí tenzometru zajistit, aby byl element normalizovan˘ a homogenní. Pro odstranûní zbytkov˘ch, reziduálních, napûtí v elementech je tfieba elementy pfievádûjící sílu na mechanické napûtí opatrnû Ïíhat, ustálit, a uvolnit jejich mechanická napûtí temperováním. Pfievodníky, které pouÏívají pro detekci síly péra, membrány a mûchy je také tfieba opatfiit mechanickou ochranou, mechanickou izolací. Mechanická izolace chrání pfievodník pfied vnûj‰ími mechanick˘mi napûtími, vyvolan˘mi deformací pfii montáÏi nebo pfii pfiipevÀování elektrick˘ch vodiãÛ k pfievodníku. PouÏívají-li se stabilní tenzometry, napfiíklad naná‰ené tenkovrstvé tenzometry typu thin-film, a je-li dobfie navrÏena konstrukce pfievádûjící sílu na mechanické napûtí, jsou pro periodické obnovování kalibrace pfiístroje postaãující vyvaÏovací a kompenzaãní odpory. Nejstabilnûj‰í snímaãe a mûrky jsou konstruovány z platiny a z jin˘ch materiálÛ, které mají malé teplotní koeficienty. Je také dÛleÏité, aby pfievodník pracoval v mezích pro které byl zkonstruován. V opaãném pfiípadû mÛÏe docházet k trvalému ujíÏdûní kalibrace. Vystavení pfievodníku teplotám, které jsou mimo jeho pracovní meze mÛÏe také vést ke znehodnocení jeho chování a provedení. Pfievodník je ze stejného dÛvodu tfieba chránit pfied vibracemi, pfied zrychlením a pfied rázem. ZPRAVODAJ

2

Konstrukce převodníků Tenzometry se pouÏívají pro mûfiení odchylky, síly, zatíÏení, tlaku, kroutícího (toãivého) momentu, váhy. Moderní pfievodníky pracující s tenzometry obvykle pouÏívají pro mûfiení sestavu tvofienou ãtyfimi tenzometrick˘mi prvky, zapojen˘mi do Wheatstoneova mÛstku. Tenzometry jsou jedním z nejpouÏívanûj‰ích prostfiedkÛ pro mûfiení zatíÏení, síly a váhy. Obrázek 2-13 A ukazuje vertikálnû umístûn˘ opûrn˘ sloup, nosník, kter˘ je namáhan˘ silou, pÛsobící ve smûru jeho vertikální osy. Po pfiivedení síly se opûrn˘ sloup elasticky, pruÏnû, deformuje. Deformace má za následek zmûnu odporu kaÏdého z tenzometrÛ. Velikost zatíÏení lze mûfiit Wheatstonov˘m mÛstkem. Tenzometry pro mûfiení zatíÏení jsou obecnû roz‰ífiené váÏící prvky pro mûfiení pfii váÏení nádob, nádrÏí, které jsou pouÏívané v silech. Jejich pfiesnost pfii váÏení je ovûfiená mnoha dal‰ími aplikacemi. Pro mûfiení síly pfii ohybu lze tenzometry pfiipevnit na pfievislé pruÏnice, krákorci (Obrázek 2-13 B). Tenzometr pfiipevnûn˘ na horní stranu nosníku je namáhan˘ na tah, tenzometr kter˘ je pfiipevnûn˘ na spodní stranu nosníku je namáhan˘ na tlak. Obvod pfievodníku tvofií zapojení realizující WheatstoneÛv mÛstek, pfievodník slouÏí pro mûfiení velikosti síly, pÛsobící na krákorec. Tenzometry se také ‰iroce pouÏívají v konstrukcích prÛmyslov˘ch snímaãÛ tlaku. Obrázek 2-13 C ukazuje mûchov˘ snímaã tlaku, u kterého je referenãní tlak pfiiveden˘ tûsnûn˘m vstupem dovnitfi pravého mûchu, do protilehlého mûchu je pfiiveden˘ mûfien˘ tlak. Je-li mezi obûma tlaky tlakov˘ rozdíl, mûfií tenzometry pfiipevnûné na nosník, na krákorec, v˘slednou tlakovou nebo tahovou sílu.

ZPRAVODAJ

Membránové pfievodníky tlaku jsou tvofieny ãtyfimi tenzometry, pfiipevnûn˘mi na membránu pfievodníku (Obrázek 2-13 D). Je-li na pfievodník pfiiveden˘ mûfien˘ tlak, jsou dva stfiední tenzometry namáhány na tah, dva krajní tenzometry jsou namáhány na tlak. Mírou pfiivedeného mûfieného tlaku jsou odpovídající zmûny jejich odporu. Pokud mají v‰echny tenzometry stejnou teplotu, uvedené fie‰ení pfievodníku je pfiíkladem takovéhoto uspofiádání, pak se chyby zpÛsobené zmûnami pracovní teploty vzájemnû potlaãují.

• Diagnostika instalací V‰echny instalace, montáÏe, tenzometrÛ je tfieba testovat a kontrolovat. Pfii kalibraci se postupuje podle následujících krokÛ: 1. Zmûfií se základní odpor nenapjatého tenzometru po jeho pfiipevnûní, mûfiení se provede pfied pfiipojením signálního vedení. 2. Mûfiené povrchy se zkontrolují na zneãi‰tûní, resp. po‰kození. V pfiípadû, Ïe je napínan˘ element, na kter˘ je tenzometr pfiipevnûn˘, elektricky vodiv˘, provede se kontrola povrchu


mûfiením. Zmûfií se elektrick˘ izolaãní odpor mezi mfiíÏkou tenzometru a napínan˘m elementem. Pro mûfiení se pouÏije ohmmetr. Mûfiení je tfieba provést pfied pfiipevnûním signálního vedení k pfiístrojÛm. Je-li izolaãní odpor men‰í neÏ 500 megaohmÛ, je pravdûpodobné, Ïe jsou povrchy zneãi‰tûny, resp. po‰kozeny. Zkontroluje se, zda se do obvodu neindukuje z vnûj‰ích zdrojÛ elektrické napûtí. Mûfiení se provede mûfiením v˘stupního napûtí tenzometru ve stavu, kdy není tenzometr napojen˘ na zdroj napájecího napûtí. Elektrická napûtí, namûfiená na mÛstku, musí b˘t ve v‰ech kanálech tenzometrÛ blízká nule. 4. Na mÛstek se pfiipojí zdroj napájecí energie. Zkontroluje se, Ïe elektrick˘ proud a elektrické napûtí mají správné hodnoty. Zkontroluje se stabilita tûchto veliãin. 5. Zkontroluje se pfiipevnûní tenzometru. Tenzometrem se opakovanû zmûfií stejné pomûrné prodlouÏení, u správnû pfiipevnûného tenzometru se nesmí v˘sledky li‰it. T

Odkazy na literaturu, zdroje dalších informací • Omegadyne

Pressure, Force, Load, Torque Databook. OMEGADYNE, Inc., 1996. ®

• The Pressure, Strain and Force Handbook . Omega Press LLC, 1996. • Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995. • Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, 10th Edition, TM

Eugene A. Avollone and Theodore Baumeister, McGraw-Hill, 1996.

• Process/Industrial Instruments and Controls Handbook, 4th Edition,

Douglas M. Considine and Glen D.Considine, McGraw-Hill, 1993.

• McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Science and Technology. McGraw-Hill, 1998.

• Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia, Douglas M. Considine and Glen D.Considine, Van Nostrand 1997.

âíslo 3

25

3

Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin Od mechaniky a elektronice

Měření technologických tlaků

Od mechaniky a elektronice Praktická hlediska

M

echanické metody mûfiení tlaku jsou známé po staletí. Mezi první snímaãe tlaku patfií trubicové U-tlakomûry, U-manometry. Trubice tûchto tlakomûrÛ byly pÛvodnû vyrábûny ze skla a stupnice byly k tlakomûrÛm pfiidávány podle potfieby. Takovéto tlakomûry jsou velké, neohrabané a nejsou pfiíli‰ vhodné pro integraci, zabudování, do obvodÛ systémÛ samoãinného fiízení. Tlakomûry proto obvykle najdeme v laboratofiích, také se pouÏívají jako samostatnû pracující indikátory tlaku. Podle referenãního tlaku, se kter˘m pracují, ukazují tlakomûry buì absolutní tlak, relativní tlak vzhledem k atmosférickému tlaku (gague pressu-

Pfievodník diferenãního tlaku lze povaÏovat za vzor a model v‰ech ostatních pfievodníkÛ tlaku. Relativní tlak vzhledem k atmosférickému tlaku, tlak gauge pressure, je definovan˘ jako relativní tlak, mûfien˘ vzhledem k dan˘m atmosférick˘m podmínkám. V tûch ãástech svûta, kde se stále pouÏívá anglická mûrová soustava, se gauge pressure oznaãuje pfiidáním písmene "g" k údaji o jednotce. Jednotka tlaku "pounds per square inch gauge", "libry na ãtvereãní palec gauge" se tedy oznaãuje zkratkou psig. PouÏívá-li se SI soustava, je správné pfiidávat za pouÏitou jednotku slovo "gauge", tedy napfiíklad "Pa gauge". Mûfií-li se absolutní tlak, bere se za

cí element tlakomûru s pfievodníkem mechanické veliãiny na veliãinu elektrickou nebo s pfievodníkem mechanické veliãiny na veliãinu pneumatickou, plus napájecí zdroj. Vysílaã tlaku je tvofien˘ standardní mûfiící soustavou, sestávající ze tfií hlavních dílÛ: pfievodníku tlaku, napájecího zdroje vysílaãe tlaku a z obvodÛ pro tvarování, pfiizpÛsobení a vysílání (opakování) signálu, tento díl pfievádí signál generovan˘ pfievodníkem do normalizovaného v˘stupního tvaru. Vysílaã tlaku udává hodnotu mûfieného tlaku buì analogov˘m pneumatick˘m v˘stupním signálem (rozsah 3 psig 15 psig), nebo elektrick˘m v˘stupním signálem (rozsah 4 mA - 20 mA), nebo

mûfien˘ tlak

A A

µ

mûfien˘ tlak mûfien˘ tlak Bourdonova trubice ve tvaru písmene C

Bourdonova trubice (Bourdonovo pero) ve tvaru spirály

pohybliv˘ konec Bourdonovy trubice Bourdonova trubice (Bourdonovo pero) ve tvaru ‰roubovice

Obrázek 3-1: ¤e‰ení Bourdonovy trubice

re), nebo diferenãní tlak. Pfievodníky diferenãního tlaku se ãasto pouÏívají pfii mûfiení prÛtoãného mnoÏství, kde se jimi mûfií diferenãní tlak na Venturiho trubici, na clonû, nebo na jin˘ch typech základních, primárních, snímacích elementÛ. Mûfien˘ tlakov˘ rozdíl je funkcí rychlosti tekoucího média a tedy i funkcí prÛtoãného mnoÏství. Mnoho rysÛ a vlastností moderních snímaãÛ tlaku vychází z pfievodníkÛ diferenãního tlaku. 26

âíslo 3

referenãní tlak tlak vakua. Absolutní tlak se oznaãuje jako pounds per square inch absolute", "libry na ãtvereãní palec absolutních", tedy zkratkou psia. Pojmy a termíny tlakomûr, snímaã tlaku, pfievodník tlaku, vysílaã tlaku, se pfii pouÏívání ãasto vzájemnû zamûÀují. Termínem tlakomûr se obvykle oznaãuje samostatn˘ ukazovací pfiístroj, kter˘ pfievádí mûfien˘ technologick˘ tlak na mechanick˘ pohyb ukazatele. Pfievodník tlaku mÛÏe zahrnovat sníma-

ãíslicov˘m elektronick˘m v˘stupním signálem. Jsou-li pfievodníky pfiímo napojeny na systémy sbûru a zpracování ãíslicov˘ch údajÛ, a jsou-li umístûny do urãité vzdálenosti od hardware tûchto systémÛ, dává se pfiednost velk˘m napûÈov˘m v˘stupním signálÛm. Pokud se tyto signály pfiená‰ejí na vût‰í vzdálenosti, musí b˘t chránûny jak pfied bûÏn˘m elektromagnetick˘m ru‰ením (EMI), tak pfied ru‰ením vysokofrekvenãními signály generovan˘mi radioZPRAVODAJ

3

hysterezí pfievodníku popisuje fenomén, zpÛsobující, Ïe stejná hodnota mûfieného technologického tlaku vede na rÛzné hodnoty v˘stupního signálu pfievodníku v závislosti od toho, zda se

v˘mi vysílaãi (RFI). Je také tfieba vysvûtlit nûkteré pojmy, vztahující se k provedení a chování pfievodníkÛ tlaku. Pfiesnost pfievodníku se vztahuje ke stupni souhlasu hodnoty

Mûfiení síly a odvozen˘ch veliãin

Jeden konec trubice je pfiipojen˘ na mûfien˘ tlak (Obrázek 3-1 A). Druh˘ konec trubice je uzavfien˘ a je pfiipojen˘ na mechanismus ukazatele nebo na mechanismus vysílaãe. Pro zv˘‰ení citli-

voln˘ konec distanãní krouÏky

smûr pohybu membrány

pevn˘ konec

smûr pohybu membrány

konvexní membránová krabice

jednoduchá membránová krabice

sloÏená membránová krabice

mûrka s více krabicemi

Obrázek 3-2: ¤e‰ení membrán snímaãÛ tlaku

tlak zvy‰oval, nebo sniÏoval.

mûfiené veliãiny s platnou normalizovanou hodnotou. Vyjadfiuje se obvykle buì v procentech z plného rozsahu pfiístroje, nebo v procentech z údaje, kter˘ se pfiístrojem zmûfiil. U pfiístrojÛ u kter˘ch je udána pfiednost v procentech z plného rozsahu zafiízení se relativní chyba mûfiení se zmen‰ující se hodnotou mûfiené veliãiny zvût‰uje. Opakovatelnost je pojem vztahující se na tûsnost souhlasu údajÛ pfii opakovan˘ch mûfieních tlaku o téÏe hodnotû. Linearita je míra, která ukazuje, jak dobfie je splnûn poÏadavek, aby vstupní signál pfievodníku rostl pfiímo úmûrnû rÛstu mûfieného tlaku. Chyba daná

Od mechaniky k elektronice První tlakomûry pouÏívaly jako snímací prvek pruÏné ohebné elementy. Pfii zmûnû tlaku se pruÏn˘ element pohybuje, pohyb prvku se pfiená‰í na pohyb ukazatele umístûného pfied stupnicí. U tûchto mechanick˘ch tlakomûrÛ se jako pruÏn˘ element pro mûfiení tlaku pouÏívá Bourdonova trubice, membrána, nebo mûchy. V‰echny tyto elementy reagují na mûfien˘ tlak zmûnou své polohy. Bourdonova trubice má tvar písmene C. Její prÛfiez je ováln˘, elipsovit˘.

absolutní tlak v mm sloupce rtuti 10-14

tenzometr snímaãe s promûnnou kapacitancí potenciometrické snímaãe snímaãe s rezonujícím drátem piezoelektrické snímaãe magnetické snímaãe optické snímaãe

10-10

10-6

10-3

10-1

vosti Bourdonovy trubice lze Bourdonovu trubici prodlouÏit a svinout do spirály nebo do ‰roubovice (Bourdonovo pero, Obrázek 3-1 B). Zvût‰uje se tak její efektivní úhlová délka, coÏ má za následek zvût‰ení zmûny polohy uzavfieného konce trubice. V˘sledkem je zvût‰ení rozli‰ovací schopnosti pfievodníku. Rodina pruÏn˘ch snímacích elementÛ pfievodníkÛ tlaku zahrnuje také mûchy a membrány (Obrázek 3-2). Membrány jsou více oblíbené z toho dÛvodu, Ïe zaujímají a vyÏadují men‰í prostor, a také proto, Ïe generují v˘chylku (nebo sílu, která je dostateãná

"H20

1

50

200 -300

400 600 -200 -100

-10

-5

PSIG

-1 +-0.1

+1

+5

4 7 11 +10 +100 +200 +300

102

103

104

105 106

A

V

A

V

A

V

A

V

A V

A A

V

oznaãuje, Ïe zafiízení pouÏívá pro svoji ãinnost jako referenãní tlak vakuum

A

oznaãuje, Ïe pfiístroj pouÏívá jako referenãní tlak atmosferick˘ tlak

Obrázek 3-3: Mûfiící rozsahy elektronick˘ch snímaãÛ tlaku ZPRAVODAJ

âíslo 3

27


membrány vystavené nízkému tlaku

3

zaráÏka zabraÀující pfietíÏení

silikonová tekutina (nízk˘ tlak)

membrány vystavené vysokému tlaku

P2 (nízk˘ tlak)

P1 (vysok˘ tlak)

snímaã

v˘stup k elektronice pfievodníku

silikonová tekutina (vysok˘ tlak)

Obrázek 3-4: Tlakomûrná krabice s tenzometry

pro jejich pfiímé pfiipojení na elektronické pfievodníky). Jsou také k disposici ve velkém rozsahu materiálÛ pro práci v korozivním prostfiedí. Po dvacát˘ch letech minulého století se zaãaly pouÏívat automatizované fiídící systémy, v padesát˘ch letech minulého století byly jiÏ bûÏné vysílaãe tlaku a centralizované velíny. Nebylo tedy moÏné dále pfiipojovat voln˘ konec Bourdonovy trubice (nebo mûchy a membrány) na lokální ukazatele, tyto pfiístroje musely b˘t pouÏity se zafiízením pro pfievod mûfieného technologického tlaku na signál kter˘ lze vysílat a pfiená‰et (na pneumatick˘ nebo elektrick˘ signál). Nejdfiíve bylo napojení tlakomûru na vysílaã pneumatického tlakového signálu provádûno mechanicky. Vysílaã generoval v˘stupní pneumatick˘ signál o tlaku 3 psi - 15 psi, kter˘ je moÏno pfiená‰et na vzdálenost nûkolika set stop (feet) a pfii zafiazení opakovaãÛ na vzdálenosti je‰tû vût‰í. Elektronické vysílaãe tlakového signálu se zaãaly vyrábût a pouÏívat pozdûji, poté co dosáhly polovodiãové elektronické v˘robky dostateãné úrovnû. První elektronické vysílaãe pracovaly se stejnosmûrn˘m v˘stupním signálem (10mV - 50mV, 1V - 5V, 0mV - 100mV), pozdûji byl ale v˘stupní signál vysílaãÛ 28

âíslo 3

normalizován na stejnosmûrn˘ proudov˘ signál 4mA - 20mA. Vzhledem k principálnímu omezení

fie‰ení vyvaÏování mechanického pohybu se nejdfiíve pouÏívaly pfievodníky vyvaÏované silou, pfievodníky vyuÏívající polovodiãe se zavedly pozdûji. První nespojné tenzometry se zaãaly pouÏívat na konci tfiicát˘ch let minulého století. V tûchto zafiízeních je drátûné vlákno pfiipevnûno na deformovan˘ element, mûfií se odpor deformovaného drátu. Takovéto fie‰ení bylo sv˘m principem nestabilní, nedrÏelo kalibraci. Toto fie‰ení rovnûÏ pfiiná‰elo problémy spojené se stárnutím a degenerací spoje drátûného vlákna a membrány a s hysterezí, danou elastick˘m pomûrn˘m prodlouÏením vlákna v dÛsledku jeho teploty. Hledání lep‰ího fie‰ení snímaãÛ tlaku a snímaãÛ pomûrného prodlouÏení vedlo k pouÏívání spojn˘ch tenkovrstv˘ch tenzometrÛ typu thin-film a nakonec k pouÏívání difúzních polovodiãov˘ch tenzometrÛ. Tyto byly sice pÛvodnû vyvinuty pro automobilov˘ prÛmysl,

referenãní tlak

C2 v˘stup

vysokofrekvenãní oscilátor

C1

mûfien˘ (technologick˘) tlak pfiipojení elektrody kondenzátoru C2

referenãní tlak

hliníková elektroda na sklenûném substrátu

vsazená kfiemíková membrána

pfiipojení elektrody kondenzátoru C1

sklenûné substráty

referenãní tlak

hliníková elektroda na sklenûném substrátu

OPbrázek 3-5: Tlakomûrná krabice s promûnnou kapacitancí ZPRAVODAJ

3

rychle se ale roz‰ífiily, a ‰iroce se pro mûfiení tlaku a pfienos údajÛ o tlaku uplatÀují ve v‰ech prÛmyslov˘ch a vûdeck˘ch aplikacích. Polovodiãové snímaãe tlaku jsou citlivé, nejsou drahé, jsou pfiesné a poskytují dobrou opakovatelnost mûfiení. (Detailnûj‰í informace o tenzometrech viz kapitola 2.) Pneumatické vysílaãe tlakov˘ch údajÛ se stále pouÏívají. Pracují zejména v chemickém prÛmyslu. ProtoÏe jsou ale fiídící systémy stále centralizovanûj‰í a role v˘poãetní techniky v fiídících systémech roste, nahrazují se tato zafiízení elektronick˘mi analogov˘mi vysílaãi a, v poslední dobû, ãíslicov˘mi elektronick˘mi vysílaãi.

pfievodníky tlaku. Budeme se proto v této kapitole zab˘vat pracovními principy, moÏnostmi a pouÏitím kaÏdého z jejich jednotliv˘ch typÛ.


Pfievodníky pracující s tenzometry se pouÏívají pro mûfiení tlaku mûnícího se v malém rozmezí a pro mûfiení diferenãního tlaku. V principu se zde tenzometrem mûfií vych˘lení pruÏné mem-

spojovací rameno

pero

k obvodu Wheatstoneova mÛstku

Typy převodníků Souhrnnou orientaci v problematice poskytuje vûdci nebo inÏen˘rovi, kter˘ mÛÏe b˘t postaven˘ pfied úlohu, zvolit mezi mnoha dostupn˘mi konstrukcemi tlakového snímaãe, obrázek 3-3. Tato tabulka ukazuje rozsahy tlaku a podtlaku, ve kter˘ch mohou jednotlivé typy snímaãÛ mûfiit, pokud snímaã pracuje s referenãním tlakem, udává také jeho typ (atmosférick˘ tlak nebo vakuum). V prÛmyslov˘ch a laboratorních systémech sbûru dat a v fiídících systémech jsou nejpouÏívanûj‰í elektronické

mûfien˘ (technologick˘) tlak Obrázek 3-6: Potenciometrick˘ pfievodník tlaku

• Tenzometr Tenzometr, popsan˘ detailnû v kapitole 2, se mÛÏe aplikovat pro zmûfiení prÛhybu pruÏné membrány nebo pro zmûfiení v˘chylky Bourdonovy trubice. V tom pfiípadû se stává souãástí pfievodníkÛ tlaku. Pfievodníky pracující s tenzometrem jsou ‰iroce pouÏívané.

Pfievodníky diferenãního tlaku rÛzn˘ch rozsahÛ a rÛzn˘ch v˘stupních signálÛ

ZPRAVODAJ

brány, které vzniká v dÛsledku rozdílu tlaku na jednotliv˘ch stranách membrány. Tato zafiízení mohou mûfiit relativní tlak vzhledem k atmosférickému tlaku (gauge pressure), v tomto pfiípadû je nízkotlak˘ vstup pfievodníku otevfien˘ do atmosféry. Mohou mûfiit diferenãní tlak, v tomto pfiípadû jsou oba vstupy pfievodníku pfiipojeny na technologické tlaky. Pfiipojí-li se na nízkotlak˘ vstup takovéhoto pfievodníku referenãní vakuum, bude pfievodník pracovat jako pfievodník absolutního tlaku. Pfievodníky pracující s tenzometry jsou k dispozici jiÏ od velmi nízk˘ch tlakÛ pouze 76 mm vodního sloupce, aÏ po vysoké tlaky aÏ 200 000 psig (1400 MPa). Pfiesnost pfievodníkÛ se pohybuje od 0.1 % z plného rozsahu pfiístroje do 0.25 % z plného rozsahu pfiístroje. Pfiídavn˘m zdrojem chyb mÛÏe b˘t drift, ‰estimûsíãní chyba driftem dosahuje hodnotu aÏ 0.25 % z plného rozsahu pfiístroje a také teplotní chyba, která dosahuje pfii teplotû 540 0C hodnotu 0.25 % z plného rozsahu pfiístroje.

âíslo 3

29


3

• Převodníky s proměnnou kapacitancí Pfievodníky tlaku kapacitanãního typu byly pÛvodnû vyvinuty pro pouÏití ve v˘zkumu vysokého vakua. Kapacitance snímaãe se mûní v dÛsledku pohybu membrány snímaãe (Obrázek 3-5). Membrána je obvykle z kovu nebo

slitiny inconel nebo hastelloy. Pro vysoce korozivní aplikace pfii vysok˘ch teplotách se pouÏívá také tantal. Jako zvlá‰tní pfiíklad uveìme pouÏití stfiíbrn˘ch membrán pro mûfiení tlaku chloru, fluoru a ostatních halogenÛ, nacházejících se v disociovaném stavu.

budící a snímací cívka membrána citlivá na tlak úchytka drátu

úchytka drátu rezonující drát k obvodu oscilátoru

rezonující drát

opûrná deska na vysokém tlaku

opûrná deska na nízkém tlaku pero pro nastavení pfiedpûtí

magnet

kovová trubka magnet

elektrická izolace

vysokotlaká membrána

nízkotlaká membrána pfiívod tekutiny Obrázek 3-7: Pfievodník tlaku s rezonujícím drátem

z pokoveného kfiemene. Z jedné strany je membrána vystavena mûfienému technologickému tlaku, ze druhé strany na membránu pÛsobí referenãní tlak. Podle typu mûfieného tlaku se vyrábûjí kapacitanãní pfievodníky pro mûfiení absolutního tlaku, relativního tlaku vzhledem k atmosférickému tlaku a pro mûfiení diferenãního tlaku. Nejãastûji pouÏívan˘m materiálem pro konstrukci membrán je nerezavûjící ocel. Pro mûfiení tlaku korozivních látek jsou ale vhodnûj‰í membrány ze slitin oceli a niklu s velk˘m podílem niklu, mezi tyto slitiny patfií napfiíklad 30

âíslo 3

U snímaãÛ s promûnnou kapacitancí se pfii napájení elektrod snímacího elementu pouÏívá vysokofrekvenãní generátor s oscilátorem, pracujícím s velk˘m napûtím. U snímaãe s kondenzátorem kter˘ má dvû desky se zmûny mûfieného tlaku pfievádûjí na pohyb membrány, nacházející se mezi deskami kondenzátoru. Obrázek 3-5 ukazuje, jak prohnutí, v˘chylka, membrány zpÛsobuje zmûnu kapacitance, zmûna kapacitance je mûfiená mÛstkov˘m obvodem. Obvod mÛÏe b˘t pouÏívan˘ buì ve vyváÏeném, nebo v nevyváÏeném reÏimu. Pfii práci ve vyváÏeném reÏimu je v˘stupní

napûtí mÛstku vedeno na detektor nuly a hodnota kapacitance kondenzátoru s promûnnou kapacitancí se mûní tak, aby bylo v˘stupní napûtí mÛstku udrÏováno na nulové hodnotû. Pfii práci ve vyváÏeném reÏimu se hodnota mûfieného tlaku urãuje pfiímo z hodnoty nulovacího zásahu. Pfii práci v nevyváÏeném reÏimu se mûfien˘ tlak urãí z pomûru mezi v˘stupním napûtím mÛstku a jeho budícím napûtím. BûÏné jsou i konstrukce snímaãe, které vyuÏívají jen jedné pevné desky kondenzátoru. Pfii tomto fie‰ení je deska umístûna za membránou a promûnná kapacitance je funkcí prohnutí, v˘chylky, membrány. Mûfiená kapacitance ukazuje velikost mûfieného technologického tlaku. Hodnota kapacitance se pfievádí buì na hodnotu stejnosmûrného proudového signálu nebo na hodnotu stejnosmûrného napûÈového signálu, které lze pfiivést pfiímo na panelové mûfiiãe nebo na vstupní/v˘stupní karty s mikroprocesory. Kapacitanãní pfievodníky jsou ‰iroce roz‰ífiené tam, kde se uplatní jejich velk˘ rozsah, sahající od mikronov˘ch hodnot v blízkosti absolutního vakua po vysoké tlaky aÏ 10 000 psig (70 MPa). Snadno se jimi mûfií tak nízké diferenãní tlaky jako je 0,25 mm vodního sloupce. Mají men‰í drift neÏ pfievodníky pracující s tenzometry. K dispozici jsou kapacitanãní pfievodníky které mají také lep‰í pfiesnost, 0.1 % z mûfiené hodnoty nebo pfiesnost 0.01 % z plného rozsahu pfiístroje. Typická teplotní chyba kapacitanãních pfievodníkÛ je 0.25 % z plného rozsahu pfiístroje pfii teplotû 540 °C. Snímaãe s promûnnou kapacitancí se ãasto pouÏívají jako odvozené, sekundární, pracovní normály, a to zejména v aplikacích, kde se pracuje s nízk˘mi diferenãními tlaky nebo s nízk˘mi absolutními tlaky. Mají také malou ãasovou konstantu, protoÏe vzdálenost, kterou musí membrána pfii mûfiení pfiekonat je pouze nûkolik mikrometrÛ, mikronÛ. Oproti star‰ím kapacitanãním pfievodníkÛm mají novûj‰í provedení kapacitanãních pfievodníkÛ tlaku vût‰í ZPRAVODAJ

3


• Převodníky tlaku

s rezonujícím drátem

elektrick˘ konektor deformaãní dráÏky zesilovaã ‰estihran, matice 5/16" prstenec, závit 5/16"- 5/24" vedení piezielektrického prvku

vedení piezielektrického prvku tûsnící povrch ‰roub pro nastavení pfiedpûtí kfiemenn˘ krystal (2) elektroda spodní díl membrána

Obrázek 3-8: Typick˘ piezoelektrick˘ snímaã tlaku

odolnost proti korozi a jsou ménû citlivá na drift kapacitance a na vibrace, které zpÛsobovaly u star‰ích pfievodníkÛ "roztfiesení" ("jitter") odeãtu údajÛ.

• Potenciometrické převodníky Potenciometrick˘ snímaã tlaku nabízí jednoduchou metodu pro získání elektrického v˘stupu z mechanicky pracujícího tlakomûru. Zafiízení sestává z pfiesného potenciometru, jehoÏ jezdec je mechanicky spojen˘ s Bourdonovou trubicí nebo s mûchem. Pohybem jezdce po potenciometru se pfievádí mûfiení mechanické v˘chylky snímacího elementu na mûfiení elektrického odporu, k mûfiení odporu se pouÏije WheatstoneÛv mÛstek (Obrázek 3-6). Mechanické napojení jezdce potenciometru k Bourdonovû trubici, k mûchu, nebo k membránû, vede jiÏ svojí podstatou pfii tomto zpÛsobu mûfiení k nevyhnuteln˘m chybám. Dal‰í chyby jsou zpÛsobeny teplotními vlivy. Tyto chyby jsou dány rozdílem v koeficientech teplotní roztaÏnosti jednotliv˘ch kovov˘ch ãástí systému. K chybám mûfiení také pfiispívá opotfiebení jednotliv˘ch dílÛ a jejich spojÛ. Potenciometrické pfievodníky lze vyrobit v mimofiádnû mal˘ch rozmûrech a lze je instalovat ve velmi mal˘ch a tûsn˘ch prostorách, napfiíklad uvnitfi ruãiãkového tlakomûru o velikosti 4.5 ZPRAVODAJ

palcÛ. Nabízejí siln˘ v˘stupní signál, kter˘ lze odeãítat bez dodateãného zesilování. To umoÏÀuje, aby byly pouÏívány v aplikacích, ve kter˘ch se pracuje s mal˘mi energiemi. Jejich v˘hodou také je, Ïe jsou levné. Potenciometrické pfievodníky mohou mûfiit tlaky v rozmezí od 5 psig do 10 000 psig (od 35 kPa do 70 Mpa). Jejich pfiesnost se pohybuje mezi 0.5 %

Pfievodník tlaku s rezonujícím drátem byl uveden˘ na trh ke konci sedmdesát˘ch let minulého století. Jeho fie‰ení ukazuje obrázek 3-7. Jeden konec rezonujícího drátu je pfiichycen˘ na snímaã tvofien˘ membránou, druh˘ konec drátu je pfiichycen˘ na nepohybliv˘ blok pfievodníku. Vibrace drátu na jeho vlastní frekvenci je vybuzena oscilátorem. Zmûna mûfieného tlaku vyvolává zmûnu napûtí drátu a tím se mûní vlastní rezonanãní frekvence drátu. Posun ve frekvenci je detekován obvodem, jehoÏ jádro tvofií ãíslicov˘ ãítaã. ProtoÏe lze tuto zmûnu ve frekvenci detekovat velmi pfiesnû, lze pouÏít uveden˘ typ pfievodníku jak pro mûfiení mal˘ch diferenãních tlakÛ, tak pro mûfiení absolutních tlakÛ nebo relativních tlakÛ vzhledem k atmosférickému tlaku (gauge). Nejvût‰í v˘hodou pfievodníku tlaku s rezonujícím drátem je, Ïe generuje rovnou ãíslicov˘ signál, kter˘ lze posílat pfiímo na mikroprocesor, vybaven˘ stabilními krystalov˘mi hodinami. Meze pouÏívání pfievodníkÛ tlaku

tûsnící povrch krystal kompenzaãního obvodu hmota vystavená úãinkÛm zrychlení sloupec tvofien˘ snímacími krystaly spodní díl membrána Obrázek 3-9: Piezoelektrick˘ snímaã tlaku s kompenzací vlivu zrychlení

aÏ 1 %z plného rozsahu pfiístroje, tento údaj nezahrnuje chybu zpÛsobenou driftem a teplotními vlivy.

s rezonujícím drátem urãuje jejich citlivost na zmûny teploty, nelineární závislost v˘stupního signálu na mûfieném tlaku a také urãitá citlivost na mechanick˘ ráz a na pulzace, vibrace. Tato âíslo 3

31

3

k atmosférickému tlaku (gauge) aÏ do hodnoty 6 000 psig (42 Mpa). Typická pfiesnost tûchto pfievodníkÛ je 0.1 %

Analogov˘ vysílaã tlaku s nastavitelnou nulou a nastaviteln˘m rozpûtím rozsahu

z kalibrovaného rozsahu, ‰estimûsíãní chyba driftem je 0.1 %, teplotní vliv zpÛsobuje chybu 0.2 % pfii 540 °C.

v˘chylka pfii v˘stupním signálu odpovídajícím plnému rozsahu pfiístroje ( 0.03" )

• Piezoelektrické převodníky tlaku PÛsobí-li na kfiemenn˘ krystal tlak, síla, nebo zrychlení, vzniká v krystalu elektrick˘ náboj, kter˘ je úmûrn˘ pÛsobící

lineární promûnn˘ diferenãní transformátor

jádro s vysokou permeabilitou #1

P

#2

#1

P

#2

tlakomûrná krabice #1

A) induktanãní pfievodník

#2

P

magnetická kotva

vinutí cívky

L2 ‰roubovicová Bourdonova trubice

L1

ro

kompensaci vlivu zmûn teploty okolního prostfiedí a pro kompenzaci zmûn teploty mûfieného média. Pfievodníky tlaku s rezonujícím drátem mohou mûfiit absolutní tlaky vût‰í neÏ 10 mm sloupce rtuti, diferenãní tlaky aÏ do hodnoty 19 m vodního sloupce, relativní tlaky vzhledem

síle (Obrázek 3-8). Základní rozdíl mezi krystalov˘mi snímaãi a mezi jin˘mi zafiízeními pouÏívan˘mi pro mûfiení staticky pÛsobící síly, jako jsou napfiíklad tenzometry, je v tom, Ïe elektrick˘ signál, generovan˘ krystalem, rychle zaniká. Pro tuto vlastnost nejsou piezoelektrické snímaãe vhodné pro mûfiení staticky pÛsobící síly nebo tlaku, jsou ale vhodné pro dynamická mûfiení. (Tento fenomén je diskutován také v dal‰ích kapitolách, vûnovan˘ch mûfiení dynamick˘ch sil, rázÛ a zrychlení.) Piezoelektrická zafiízení lze dále klasifikovat podle toho, mûfií-li se u nich elektrostatick˘ náboj krystalu, resistance krystalu, nebo náboj krystalu pfii jeho rezonanãní frekvenci. Podle toho, kterého jevu se ve snímaãi vyuÏívá, dûlí se snímaãe s krystalem na snímaãe elektrostatické, piezorezistivní a rezonanãní. Krystal, na kter˘ pÛsobí tlak se pruÏnû deformuje. Tato deformace má za následek pfielévání elektrického náboje v krystalu (které trvá po dobu nûkolika málo sekund). Elektrick˘m signálem kter˘ tak vzniká lze mûfiit velikost síly, která byla na krystal pfiivedena. Snímaãe pracující na tomto principu nemohou detekovat nebo mûfiit hodno-

jád

omezení se typicky potlaãují pouÏitím mikroprocesorÛ, mikroprocesor slouÏí jak pro kompenzaci nelinearit, tak pro

"E"


B) reluktanãní pfievodník

Obrázek 3-10: ¤e‰ení induktanãního a reluktanãního pfievodníku tlaku 32

âíslo 3

ZPRAVODAJ

3

tu statického tlaku, pouÏívají se pro mûfiení rychle se mûnících tlakÛ vznikajících pfii v˘stfielu, v˘buchu, explozi, pfii tlakov˘ch pulzacích (v raketov˘ch motorech, v pohonech, v komprezorech), nebo vznikající pÛsobením jin˘ch zdrojÛ tlakov˘ch rázÛ nebo vibrací. Nûkteré z tûchto odoln˘ch snímaãÛ mohou mûfiit tlakové dûje, které mají dobu "nástupné hrany" fiádovû jednu miliontinu sekundy, tyto snímaãe jsou dále v této kapitole popsány detailnûji. V˘stupní hodnota tlaku, mûfiená takov˘mito dynamick˘mi snímaãi tlaku, se ãasto vyjadfiuje v "relativních" jednotkách tlaku, (oznaãen˘ch, na rozdíl od psig, zkratkou psir tato hodnota se vztahuje k poãáteãnímu stavu krystalu). Maximální rozsah dynamick˘ch snímaãÛ tlaku je 5000 psir nebo 10 000 psir. Hlavními rysy piezoelektrick˘ch snímaãÛ je jejich odolná robustní konstrukce, mal˘ rozmûr, malá ãasová konstanta, a skuteãnost, Ïe nepotfiebují pro generování v˘stupního signálu cizí elektrick˘ napájecí zdroj. Na druhé stranû jsou ale citlivé na teplotní zmûny a vyÏadují speciální kabeláÏ a speciální zesilovaãe signálu. VyÏadují také zvlá‰tní opatrnost pfii instalaci. Namáhání snímaãe kroutícím momentem v prÛbûhu chybné instalace mÛÏe b˘t násobnû vût‰í neÏ kroutící moment, pro kter˘ je snímaã ocejchován (obvykle 340 mm*kg). Jin˘m faktorem, kter˘ mÛÏe zhor‰it jejich funkci prodlouÏením ãasové konstanty snímaãe, je velikost prázdného prostoru v montáÏní dutinû sondy. âím je prázdn˘ prostor vût‰í, tím del‰í je ãasová odezva snímaãe. Doporuãuje se proto hloubku dutiny minimalizovat tak, aby nebyla vût‰í, neÏ je polomûr sondy (obvykle asi 6,3 mm). Elektrostatické pfievodníky tlaku mají malé rozmûry a mají robustní konstrukci. Síla mÛÏe na krystal pÛsobit v podélném nebo pfiíãném smûru, v obou pfiípadech vyvolává velk˘ napûÈov˘ v˘stupní signál, kter˘ je úmûrn˘ pÛsobící síle. Skuteãnost, Ïe je napûÈov˘ signál na krystalu vyvolan˘ pfiímo pÛsobící silou je v˘znamná v tûch pfiíZPRAVODAJ

padech, kdy je pfiivedení napájecí energie na snímaã nepraktické nebo neproveditelné. Tyto snímaãe také pracují s malou ãasovou konstantou (mají frekvenãní rozsah 30 kHz, pfii mûfiení impulzÛ aÏ 100 kHz), jsou proto ideální pro mûfiení pfiechodn˘ch jevÛ. Obrázek 3-9 ukazuje piezoelektrick˘ snímaã tlaku s kompenzací vlivu zrychlení. Pfii zobrazeném fie‰ení je kompenzace provedena pfiidáním hmoty, jejímÏ úãelem je pÛsobit silou proti zrychlení, a pfiidáním zvlá‰tního, oproti orientaci snímacího krystalu opaãnû polarizovaného, kompenzaãního krystalu. Tyto komponenty jsou nastavené tak, aby pfii zrychlení snímaãe zcela kompenzovaly


dobré linearity snímaãe, tak jeho malé citlivosti na zmûny teploty. I kdyÏ nemohou piezoelektrické pfievodníky mûfiit hodnotu statick˘ch tlakÛ, pouÏívají se ve velké mífie pro urãení dynamick˘ch tlakov˘ch jevÛ spojen˘ch s prudk˘m hofiením, tlakov˘mi pulzacemi a tlakov˘mi pomûry v motorech, v raketov˘ch pohonech, v komprezorech a v jin˘ch zafiízeních u kter˘ch se vyskytují rychlé tlakové zmûny. Mohou mûfiit tlaky v rozmezí od 0.1 psig do 10 000 psig, (od 0.7 kPa do 70 Mpa). Typická pfiesnost pfievodníku je 1 % z plného rozsahu pfiístroje, typická teplotní chyba je 1 % z plného rozsahu pfiístroje pfii 540 °C.

dioda LED

referenãní fotodioda

Opaque Vane

mûfiící fotodioda

mûfien˘ tlak

Obrázek 3-11: Optick˘ pfievodník tlaku

setrvaãnost hmot spodního dílu a membrány, které pÛsobí na sloupec tvofien˘ snímacími krystaly. ProtoÏe je kfiemen bûÏn˘, v pfiírodû se nacházející, materiál, jsou piezoelektrické pfievodníky obvykle levné. Turmalín, v pfiírodû se vyskytující ‰estereãn˘ nerost, forma kfiemene, polodrahokam, kter˘ má ãasovou odezvu krat‰í neÏ jedna mikrosekunda, je velmi uÏiteãn˘ pro mûfiení velmi rychl˘ch pfiechodn˘ch dûjÛ. Dobr˘m v˘bûrem krystalu mÛÏe konstrukrér dosáhnout jak

Funkce piezorezistivních snímaãÛ tlaku je zaloÏena na zmûnû rezistivity kfiemíku s tlakem, kter˘ na kfiemík pÛsobí. Podobnû jako je tomu u fie‰ení snímaãe pomûrného prodlouÏení, je piezorezistivní snímaã konstruován jako membrána, na kterou jsou pfiipevnûny ãtyfii páry kfiemíkov˘ch odporÛ. Na rozdíl od fie‰ení snímaãe pomûrného prodlouÏení, je u piezorezistivního snímaãe z kfiemíku i membrána, odpory jsou naneseny na membránu difúzní technikou pfii v˘robû snímaãe ve v˘robním âíslo 3

33


3

závodû. Koneãnou operací je uchycení membrány ke kfiemíkovému plátku, kter˘ není mûfien˘m tlakem namáhan˘. Je-li snímaã urãen˘ k mûfiení absolutního tlaku, provede se uchycení membrány k plátku ve vakuu. Má-li se snímaã pouÏívat pro mûfiení relativního tlaku, pfiivede se do dutiny za membránou buì atmosférick˘ tlak, nebo jin˘ referenãní tlak. PouÏívá-li se snímaã pro mûfiení technologick˘ch tlakÛ, chrání se kfiemíková membrána proti pfiímému kontaktu s technologick˘mi tekutinami, materiály, dal‰í ochrannou membránou, prostor mezi obûma membránami je vyplnûn tekutinou. Ochranná membrána je vyrobena z nerezavûjící oceli nebo z jin˘ch slitin, které vyhovují provozním poÏadavkÛm na ochranu proti korozi. Piezorezistivní snímaãe tlaku jsou citlivé na zmûny teploty a musí b˘t u nich provádûna teplotní kompenzace. Piezorezistivní snímaãe tlaku mohou b˘t pouÏívány v rozsahu od zhruba 3 psi do zhruba 14 000 psi (od zhruba 21 kPa do zhruba 100 MPa). Rezonanãní piezoelektrické snímaãe tlaku mûfií zmûny rezonanãní frekvence kfiemenného krystalu, která se mûní úmûrnû se sílou, která na krystal pÛsobí. MoÏné fie‰ení snímaãe sestává z volného krystalu, kter˘ bez pÛsobení jin˘ch vnûj‰ích sil osciluje, kmitá, a je udrÏován na oscilaci s kmitoãtem vlastní frekvence. Zmûny v pÛsobící síle vyvolávají zmûnu vlastní frekvence krystalu. Vztah mezi pÛsobící silou a frekvencí je dán v˘razem P = A (1 - To / T - B (1 - To / T2) kde To je perioda kmitÛ ve stavu, kdy má pÛsobící síla nulovou hodnotu. T je perioda kmitÛ ve stavu, kdy má pÛsobící síla hodnotu. P A, B jsou kalibraãní konstanty pfievodníku Tyto pfievodníky lze pouÏívat pro mûfiení absolutních tlakÛ od rozsahu 0 psia - 15 psia do rozsahu 0 psia 900 psia (od rozsahu 0 kPa - 100 kPado rozsahu 0 MPa - 6 Mpa), nebo pro mûfiení diferenãních tlakÛ od rozsa34

âíslo 3

hu 0 psid - 6 psid do rozsahu 0 psid 40 psid (od rozsahu 0 kPa - 40 kPa) do rozsahu 0 kPa - 175 kPa.

Zapu‰tûn˘ snímaã tlaku se závitem 1/4 -in NPT (1/4 palce NPT)

• Induktanční a reluktanční

převodníky tlaku

Mnoho konstrukcí prvotních pfievodníkÛ tlaku vyuÏívalo pro svou funkci magnetické jevy. Pfievodníky pracovaly na principu zmûny magnetické induktance, reluktance, vyuÏívaly vlastnosti vífiiv˘ch magnetick˘ch proudÛ. Induktance elektrického obvodu je parametr elektrické-

du generuje pfii dané rychlosti zmûny elektrického proudu, protékajícího obvodem). Reluktance je odpor proti magnetickému toku, je dána odporem, kter˘ klade magnetickému toku magnetick˘ materiál. U induktanãních a reluktanãních pfievodníkÛ tlaku zpÛsobuje zmûna tlaku zmûnu polohy pohyblivé ãásti pfievodníku, tato zmûna je pfievádûna na zmûnu induktance nebo na zmûnu reluktance elektrického obvodu. Obrázek 10 A ukazuje vysílaã tlaku, ve kterém je jako pracovní element pouÏit˘ lineární promûnn˘ diferenãní transformátor (LVDT). Transformátor LVDT pracuje na principu zmûny pomûru induktancí. Ve zobrazeném fie‰ení jsou na izolaãní trubkovou kostru, navinuty tfii cívky. Kostra má Ïelezné jádro, poloha jádra v trubce se mûní se zmûnou polohy primárního snímaãe tlaku. Cívka primáru, nacházející se ve stfiedu cívky je buzena stfiídav˘m proudem. Pokud se nachází jádro transformátoru ve stfiedu transformátoru, indukuje se do jeho obou sekundárních vinutí, tedy do cívek #1 a #2 stejné napûtí. ProtoÏe jsou tyto dvû cívky zapojeny v sérii, je v˘stupní napûtí obvodu za daného stavu nulové. Pfii zmûnû mûfieného tlaku se jádro ze stfie-

tyã pfiená‰ející sílu opûra a tûsnûní

zaráÏka pÛsobící pfii tlakovém pfietíÏení

ohebné pfiipojení

mûfien˘ tlak

atmosférick˘ tlak

Bourdonova trubice ( tvar C )

Obrázek 3-12: Ochrana Bourdonovy trubice pfied tlakov˘m pfietíÏením

ho obvodu kter˘ vyjadfiuje velikost elektromotorické síly (ems, která se v obvo-

du vych˘lí. Rozdíl elektrick˘ch napûtí indukovan˘ch do cívek je úmûrn˘ tlaku, kter˘ v˘chylku jádra vyvolal. ZPRAVODAJ

3

Pfievodníky tlaku pracující s LVDT transformátorem jsou k dispozici s pfiesností 0.5 % z plného rozsahu pfiístroje

signálu jsou ãasto pouÏívány v aplikacích, kde se poÏaduje velká rozli‰ovací schopnost pfievodníku pfii jeho pomûrnû

pfiístroj

T

D

uzavfiené pfiipojení pro kontrolu a testování

P

bezpeãn˘ odtok pro vypu‰tûní

mûfien˘ technologick˘ tlak Obrázek 3-13: Tfiíventilov˘ rozdûlovací kus pro oddûlení pfiístroje

od rozsahu 0 psig - 30 psig (0 kPa - 210 kPa) do rozsahu 0 psig - 10 000 psig (0 kPa - 70 Mpa). Mohou b˘t pouÏity pro mûfiení absolutního tlaku, relativního tlaku oproti atmosférickému tlaku a diferenãního tlaku. Jejich hlavní nev˘hodou je jejich sklon k mechanickému opotfiebení, citlivost na vibrace a citlivost na ru‰ení magnetick˘m polem. Reluktance je v magnetick˘ch obvodech obdobou rezistance v elektrick˘ch obvodech. V závislosti na zmûnách mûfieného tlaku se mûní velikost mezer, které stojí v cestû magnetickému toku protékajícím dvûma jádry (Obrázek 3-10 B). Zmûna mûfieného tlaku je pak úmûrná pomûru L1/L2 induktancí znázornûn˘ch indukãností. Pfievodníky tlaku pracující na principu zmûny reluktance mají velk˘ v˘stupní signál (fiádu 40 mV) na jeden volt budícího napûtí, musí b˘t ale buzeny stfiídav˘m napájecím napûtím. Jsou citlivé na bludné magnetické toky a na teplotu, jejich teplotní drift je asi 2 % pfii 540 °C. Vzhledem ke svému velkému v˘stupnímu ZPRAVODAJ

malém rozsahu. Pokr˘vají mûfiící rozsahy od 25 mm vodního sloupce do 10 000 psig (od 250 Pa do 70 MPa). Typická pfiesnost pfievodníkÛ je 0.5 % z plného rozsahu pfiístroje.

• Optické převodníky tlaku Optické pfievodníky tlaku urãují okamÏitou polohu pracovního elementu,


mûnící se se zmûnami mûfieného tlaku. PouÏívají vlastní elektronické obvody pro generování odpovídajícího elektrického v˘stupního signálu (Obrázek 311). Ve zobrazeném pfievodníku je jako zdroj svûtla pouÏita LED, generující svûtlo v infraãervené oblasti. Pfii pohybu membrány se ãást svûtla zastíní clonou. MnoÏství svûtla, dopadajícího na mûfiící fotodiodu se s pohybem membrány mûní. Optick˘ pfievodník musí b˘t vybaven˘ kompenzací stárnutí diody LED, která je zde zdrojem svûtla. Kompenzace se provádí pomocí referenãní fotodiody, která není clonou nikdy zastínûna. Referenãní dioda slouÏí také ke kompenzaci chyby vznikající postupn˘m zaná‰ením povrchu optick˘ch souãástek neãistotami, ‰pínou, nebo povlaky z jin˘ch materiálÛ. Optické pfievodníky tlaku jsou necitlivé na vlivy teploty. Je to umoÏnûno tím, Ïe jak zdroj svûtla, tak mûfiící fotodioda a referenãní fotodioda jsou zmûnami teploty ovlivÀovány stejnû. Navíc, protoÏe je pohyb clony, kter˘ je nutn˘ pro provedení mûfiení, velmi mal˘ (men‰í neÏ 0.5 mm), má optick˘ pfievodník chybu zpÛsobenou hysterezí témûfi nulovou a také mûfiení provádûná tímto snímaãem jsou opakovatelná s témûfi nulovou odchylkou. Optické pfievodníky tlaku nemají velké poÏadavky na údrÏbu. Mají vynikající

závaÏí kalibrovan˘ tlakomûr

hlavní píst válec a nádrÏka

‰roub tlaãn˘ píst

Obrázek 3-14: Schéma kalibraãního zafiízení pracujícího se znám˘m závaÏím

âíslo 3

35


3

DVo = S DVs (Pm/Pr) V systémech urãen˘ch pro mûfiení tlaku lze hodnotu celkové chyby mûfiení vypoãítat s pfiijetím urãit˘ch zjednodu‰ení jako odmocninu ze souãtu druh˘ch mocnin hodnot jednotliv˘ch chyb.

• Kritéria pro výběr převodníku

Miniaturní snímaã tlaku lze instalovat i v tûsn˘ch prostorách

stabilitu a jsou projektovány pro dlouho trvající mûfiení. Jsou k dispozici v rozsazích od 5 psig do 60 000 psig (od 35 kPa do 413 Mpa). Pfiesnost pfievodníkÛ je 0.1 % z plného rozsahu pfiístroje.

Praktická hlediska V prÛmyslov˘ch aplikacích je ãasto dobrá opakovatelnost mûfiení dÛleÏitûj‰í, neÏ absolutní pfiesnost mûfiení. Mûní-li se mûfien˘ technologick˘ tlak ve velkém rozsahu, dává se pfii v˘bûru pfiednost pfievodníkÛm, které vykazují dobrou linearitu a malou hysterezi. Chyby mûfiení jsou také zpÛsobová-

ny zmûnami teploty okolního prostfiedí a zmûnami teploty mûfieného média. V˘znamné jsou zejména tehdy, mûfií-li se nízké tlaky nebo malé diferenãní tlaky. U tûchto aplikací je nutno pro potlaãení teplotních chyb pouÏít kompenzátory teplotních chyb. SníÏení kvality pfievodníkÛ tlaku mÛÏe b˘t také zpÛsobováno kolísáním zdroje napájecí energie. Citlivost pfievodníku na napájecí napûtí (S) urãuje pro konstantní hodnotu mûfieného tlaku (Pm) a konstantní hodnotu vypoãítávaného tlaku (Pr) velikost zmûny v˘stupního napûtí (DVo), danou zmûnou napájecího napûtí (DVs):

Pfievodníky tlaku obvykle generují v˘stupní signály v rozsahu milivoltÛ (mívají rozsahy 100 mV aÏ 250 mV). PouÏívají-li se pfievodníky tlaku ve vysílaãích tlaku, b˘vá obvykle v˘stupní signál zesilován na úroveÀ jednotek voltÛ (1 V aÏ 5 V) a pfievádûn na signál pro proudové smyãky, tedy obvykle na stejnosmûrn˘ proudov˘ signál 4 mA aÏ 20 mA. SkfiíÀ pfievodníku je tfieba volit tak, aby v dané konkrétní instalaci vyhovovala jak poÏadované tfiídû elektrického provedení, tak podmínkám ochrany pfied korozí. Ochrana pfied korozí musí b˘t volena tak, aby chránila pfievodník jednak pfied postfiikem a poteãením vnûj‰ími korozivními kapalinami nebo pfied pÛsobením vnûj‰ích korozivních plynÛ, jednak pfied vystavením snímacího elementu pfievodníku korozivní technologické tekutinû, jejíÏ tlak se pfievodníkem mûfií. PoÏadavky instalace pfievodníku na korozní ochranu se splní v˘bûrem materiálÛ, které

k tlakomûru

porézní filtraãní kotouã

píst

otvor s nastaven˘m promûnn˘m prÛfiezem

plstûné tûsnûní pryÏová kapsle, naplnûná olejem filtr

otvor s nastaviteln˘m promûnn˘m prÛfiezem

mûfien˘ tlak

Obrázek 3-15: ¤e‰ní tlumiãÛ rázÛ a tlumiãÛ vibrací

36

âíslo 3

ZPRAVODAJ

3

jsou proti korozi odolné, zakrytím, obalením, potaÏením chránûného zafiízení, a pouÏitím tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média, která jsou diskutována dále v této kapitole. Provádí-li se mûfiení v prostoru ve kterém se mohou vyskytovat v˘bu‰né páry nebo plyny, musí pfievodník nebo vysílaã a jejich napájecí zdroj tomuto prostfiedí vyhovovat. Dosáhne se toho to obvykle buì jejich zapouzdfiením do skfiíní vybaven˘ch kontinuálním proplachováním nebo do skfiíní klasifikovan˘ch ve tfiídû pro práci ve v˘bu‰ném prostfiedí. Jiná moÏnost je pouÏít systémy, které jsou navrÏené tak, Ïe jsou jiÏ svojí podstatou v dané aplikaci vnitfinû, jiskrovû, bezpeãné. Jedním z nejdÛleÏitûj‰ích rozhodnutí pfii v˘bûru pfievodníku tlaku je pravdûpodobnû volba jeho rozsahu. Je tfieba vzít do úvahy dvû protichÛdná hlediska: pfiesnost pfiístroje a jeho ochranu pfied pfietíÏením mûfien˘m tlakem. Z hlediska pfiesnosti by mûl b˘t rozsah pfievodníku mal˘ (bûÏnû mûfien˘ pracovní tlak by se mûl nacházet zhruba uprostfied rozsahu), aby se minimalizovala chyba mûfiení, udávaná obvykle v procentech z plného rozsahu pfiístroje. Na druhé stranû je tfieba ale vÏdy vzít do úvahy následky zniãení pfievodníku v dÛsledku jeho pfietíÏení, ke kterému mÛÏe dojít v dÛsledku provozních chyb, chybn˘ch projektÛ (vodní ráz), nebo nesprávného zaji‰tûní odpojení pfiístroje pfii tlakov˘ch zkou‰kách nebo pfii nábûhu provozu. Je tedy nutné specifikovat nejen poÏadovan˘ rozsah pfievodníku, ale i velikost a typ poÏadované ochrany proti tlakovému pfietíÏení. Vût‰ina pfiístrojÛ je vybavena ochranou proti tlakovému pfietíÏení v rozmezí 50 % aÏ 200 % jejich rozsahu (Obrázek 3-12). Takovéto ochrany vyhovují u vût‰iny aplikací. Pfiedpokládá-li se pÛsobení vût‰ích tlakov˘ch pfietíÏení, která mají doãasn˘ krátkodob˘ charakter (tlakové impulzy o krátké dobû trvání - sekundy nebo ménû), instalují se do systému tlumiãe rázÛ. Tlumiãe rázÛ filtrují tlakové ‰piãky, mají ale za následek, Ïe má mûfiící systém ZPRAVODAJ

del‰í ãasovou odezvu. Pfiedpokládá-li se, Ïe by tlakové pfietíÏení mohlo mít del‰í trvání, je moÏno pfiístroj chránit instalací pfietlakového ochranného ventilu. Za situace kdy je pfietlakov˘ ventil otevfien˘ toto fie‰ení ov‰em vede ke ztrátû mûfien˘ch hodnot.

plnûní (vyprazdÀování)


smyãka, sifon, tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média s kapilárami a proplachováním.

• Údržba Snímaãe tlaku vyÏadují, bez v˘jimky, plánovanou pravidelnou údrÏbu

pfiipojení pfiístroje závity 1/4 " nebo 1/2 " NPT ( 6 mm nebo 13 mm )

‰roub pfiepravní tûsnûní

horní díl tûlesa

pfii ãi‰tûní vyjmout

dolní díl tûlesa

pfiipojení na ãistící zafiízení

matice O - krouÏek A) Off Line

membrána

pfiipojení mûfieného tlaku závitem 1/2 " NPT (13 mm )

Housing

Filling Fluid Flexible Cylinder End Flange

B) In Line

C) Flow-Through

Obrázek 3-16: RÛzná fie‰ení tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média

Má-li vysílaã tlaku pracovat v instalacích, kde jsou vysoké teploty okolního prostfiedí, je moÏno skfiíÀ vysílaãe chladit elektricky (s vyuÏitím Peltierova jevu), nebo vodou, je také moÏno vysílaã umístit do klimatizovaného prostoru. Pfiedpokládá-li se instalace zafiízení v prostfiedí o teplotách pod bodem mrazu, mûl by b˘t pfiístroj tepelnû izolovan˘, zároveÀ by mûlo b˘t pouÏito elektrické odporové vyhfiívání pfiístroje nebo jeho ohfiev parním topením. Má-li vysoké teploty tekutina, jejíÏ tlak se mûfií, je tfieba uvaÏovat o rÛzn˘ch metodách a moÏnostech oddûlení pfiístroje pro mûfiení tlaku od mûfieného média. Mezi tyto patfií oddûlovací

a/nebo kalibraci. Pfievodník tlaku je proto nutno periodicky z technologického procesu demontovat. Je pfiitom nutno se ubezpeãit, zda tato operace nevyÏaduje odstavení technologického procesu a Ïe nezpÛsobí Ïádn˘ úraz nebo jinou ‰kodu. ProtoÏe mohou b˘t tekutiny pouÏívané v technologickém procesu jedovaté, korozivní nebo jinak pro ãlovûka a/nebo pro Ïivotní prostfiedí ‰kodlivé, je nutno zabránit, aby takovéto tekutiny pfii údrÏbû unikly. K ochranû proti úniku tekutiny pfii údrÏbû lze pouÏít trojcestn˘ ventilov˘ rozvod (Obrázek 3-13). Ve zobrazeném uspofiádání slouÏí ventil P pro odpojení pfievodníku od technologického procesu, âíslo 3

37


3

ventil D slouÏí pro vypu‰tûní zbytkové tekutiny nacházející se ve ventilu do urãité bezpeãné nádrÏe. Ventil T umoÏÀuje pfiivést na pfievodník médium o známém kalibraãním nebo testovacím tlaku. ProtoÏe jsou v‰echny díly zobrazeného rozvodu pfiedem sestaveny do jediného kompaktního celku, je prostor nutn˘ pro jeho instalaci v provozu mal˘, malá je i doba nutná pro instalaci rozvodu, fie‰ení sniÏuje moÏnost úniku tekutiny jejím prosakováním.

• Kalibrace Opakovanou kalibraci pfievodníkÛ tlaku lze provádût buì v kalibraãní laboratofii, nebo on-line v provozní instalaci. Obecnû se dává pfiednost opakované kalibraci, provádûné v laboratofii. Není to v‰ak vÏdy moÏné, nemusí to b˘t nutné. V laboratofii se obvykle pouÏívají dva typy kalibraãních zafiízení: kalibraãní zafiízení vyuÏívající pro kalibraci tûlesa, závaÏí, o známé váze, tato zafiízení se pouÏívají jako primární normály základní fiady, a laboratorní, nebo také pracov-

ní, zafiízení, sekundární normály, které jsou pravidelnû opakovanû kalibrovány pomocí primárních normálÛ základní fiady. Tyto sekundární normály jsou samozfiejmû ménû pfiesné neÏ primární normály, jsou ale pro testování jin˘ch pfiístrojÛ mnohem vhodnûj‰í. Kalibraãní zafiízení pracující se znám˘m závaÏím sestává z tlaãného pístu se ‰roubov˘m pfievodem, pomocí kterého se stlaãuje tekutina v nádrÏce, z hlavního pístu kter˘ podpírá závaÏí a z kalibrovaného, resp. testovaného, tlakomûru nebo pfievodníku tlaku (Obrázek 3-14). Kalibraãní zafiízení pracuje tak, Ïe se hlavní píst (hlavní píst má prÛfiez A zatíÏí znám˘m závaÏím o váze (W), která odpovídá poÏadovanému kalibraãnímu tlaku (P = W / A). Poté se tlaãn˘m pístem postupnû zvût‰uje mnoÏství tekutiny v nádrÏce pod hlavním pístem, tlak v celém systému se zvût‰uje tak dlouho, aÏ se závaÏí zvedne ze své podloÏky. Dne‰ní kalibraãní zafiízení pracující se znám˘m závaÏím jsou mnohem sloÏitûj‰í neÏ je pfiístroj, uveden˘ na

snímací membrána

kapilára

membrána

kapilára

obrázku 3-14. Principy jejich ãinnosti jsou ale stejné. Jejich fie‰ení je propracováno v tom smyslu, Ïe obsahují, kromû jiného kompenzaci vlivu teploty a Ïe hlavní píst ve válci rotuje, ãímÏ se potlaãují vlivy tfiení. Ve Spojen˘ch státech americk˘ch dává certifikované hodnoty vah úfiad National Institute of Standards and Technology (NIST). Tento úfiad také kalibruje laboratorní pístová mûfiidla v tom smyslu, Ïe mûfií prÛmûr pístu. Kalibraãní zafiízení pracující se znám˘m závaÏím lze pouÏít pro tlaky v rozmezích jiÏ od 5 psig (53 Pa). Nejvy‰‰í tlaky jsou aÏ 100 000 psig (690 Mpa). Vzduchem mazaná zafiízení která vyvaÏují úhel naklonûní mohou mûfiit tlaky v rozsahu jednotek milimetrÛ rtuÈového sloupce. Zku‰ební zafiízení se závaÏím, která jsou kalibrována v NIST zaruãují, u tlakÛ niÏ‰ích neÏ 40 000 psig (280 Mpa), pfiesnost pût stotisícin. Typická pfiesnost prÛmyslov˘ch kalibraãních zafiízení pracujících se znám˘m závaÏím je 0.1 % z rozpûtí rozsahu pfiístroje.

membrána

kapilára kapilára

membrána se zvût‰enou plochou

membrána s pfiírubou a membrána se ‰roubem

kapilára mûchové tûsnûní

Side View

tûsnûní na principu Bourdonovy trubice

médium s mûfien˘m tlakem plátkov˘ element

trubkové tûsnûní

kapilára

membrána

membrána

kapilára ‰roubovan˘ filtraãní element

Obrázek 3-17: ¤e‰ení volumetrick˘ch tûsnících elementÛ 38

âíslo 3

ZPRAVODAJ

3

Typick˘ sekundární normál pouÏívan˘ pro kalibraci pfievodníkÛ tlaku technologick˘ch médií je vybaven˘ pfiesn˘m zdrojem napájecí energie, pfiesn˘m ãíslicov˘m odeãítacím pfiístrojem a velmi pfiesn˘m rezonanãním kfiemenn˘m snímaãem tlaku. Normál je dostateãnû pfiesn˘ pro kalibraci vût‰iny prÛmyslov˘ch pfievodníkÛ tlaku. Aby mohl b˘t sekundární kalibraãní normál pro kalibraci oficiálnû pouÏívan˘, musí b˘t zaregistrovan˘ u NIST. Nejvût‰í pfiesnost, kterou v˘robci sekundárních standardÛ uvádûjí je obvykle 0.05 % z plného rozsahu pfiístroje.

chází v ustáleném stavu, jeho ukazatel bude trvale mûnit polohu. S cílem odstranit tlakové ‰piãky, nebo prÛmûrovat tlakové impulzy se mezi mûfiené technologické médium a pfiístroj umisÈují tlumiãe rázÛ a tlumiãe pulzací (Obrázek 3-15). První fie‰ení uvedené na obrázku pouÏívá pro zpoÏdûní odeãtu tlaku pfievodníkem porézní filtr, vyroben˘ z nerezavûjícího materiálu. âasová konstanta tohoto fie‰ení je asi 10 sekund. Jiná fie‰ení poskytují krat‰í zpoÏdûní aplikací pevn˘ch nebo nasta-


hlavní díly (horní díl tûlesa, dolní díl tûlesa a krouÏek, kter˘ se pfii ãi‰tûní vyjímá) ukazuje obrázek 3-16. Pfiístroj pro mûfiení tlaku je pfii‰roubovan˘ k hornímu dílu tûlesa tûsnûní. Horní díl tûlesa tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média mÛÏe b˘t vyroben˘ z bûÏn˘ch materiálÛ, protoÏe pfiichází do kontaktu pouze s nekorozivní tekutou náplní pfiístroje, obvykle se silikonov˘m olejem. KdyÏ údrÏbáfi odstraÀuje neãistoty a materiál, nashromáÏdûné v dolním dílu, lze horní díl s vloÏenou membránou spolu s mûfiícím pfiístrojem

• Instalace a příslušenství sloužící

pro napojení převodníku na technologické médium

Je-li to moÏné, mûly by b˘t pfiístroje pro mûfiení tlaku instalovány na místech, na která je vidût a která jsou dobfie pfiístupná. Odeãítací stupnice nebo ukazatele by mûly b˘t umístûny ve v˘‰ce oãí. Je tfieba pamatovat na dostateãn˘ voln˘ prostor pro demontáÏ pfiístroje, na prostor pro potfiebné nástroje a pro testovací a kalibraãní zafiízení. V nûkter˘ch pfiípadech je poÏadováno, aby technologické tekutiny nepfiicházely pfiímo do styku se snímacím prvkem pfievodníku. Technologické tekutiny mohou b˘t ‰kodlivé, jedovaté, korozivní, abrazivní, mohou mít sklon degenerovat na gel, pfii dan˘ch teplotách okolí mohou tuhnout nebo se mohou rozkládat, také mohou b˘t teplej‰í nebo chladnûj‰í, neÏ je pro snímaã pfiípustné. Jin˘mi dÛvody pro vloÏení pfiipojovacího elementu mezi pfievodník a mûfiené médium je nutnost filtrace moÏn˘ch pevn˘ch sloÏek které by zpÛsobovaly ucpání pfievodníku, nebo nutnost potlaãení tlakov˘ch rázÛ, impulsÛ, nebo vibrací, které by mohly vést ke zniãení pfievodníku.

• Tlumiče rázů a tlumiče pulzací Nechránûn˘ pfievodník tlaku umístûn˘ na v˘toku obûhového ãerpadla nebo na v˘stupu kompresoru se nikdy nena-

ZPRAVODAJ

Miniaturní snímaã tlaku lze instalovat i v tûsn˘ch prostorách

viteln˘ch pístÛ nebo omezovaãÛ. V˘hodu nastavitelného omezení oceníme napfiíklad v situaci, kdy instalujeme tlakomûr na v˘stupu kompresoru: omezení lze snadno nastavit na hodnotu, pfii které vidíme, Ïe se kmitání ukazatele zastaví. Samozfiejmû nelze tlumiãe rázÛ pouÏívat v instalacích, kde se poÏaduje mûfiit rychlé pfiechodné zmûny tlaku. (Pfiíkladem je aplikace, kde se musí pfii nárÛstu tlaku aktivovat, uzavírat, bezpeãnostní pfiepáÏky). V dané aplikaci nelze tlumiãe instalovat, protoÏe by zpÛsobovaly zpoÏdûní reakce bezpeãnostního systému).

• Těsnění proti chemickým účinkům

měřeného média

Tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média se rovnûÏ naz˘vá pojmem "diaphragm protector", "chemická ochrana membrány". Jejich

sejmout. Dolní díl tûlesa tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média je vyroben˘ z materiálu, odpovídajícího specifikaci napojení snímaãe na technologick˘ proces a specifikaci média jehoÏ tlak se mûfií. Dolní díl lze kontinuálnû nebo periodicky ãistit proplachováním. Tûsnûní uvedené na obrázku 3-16 A je v provedení "off-line" tj. v provedení na napojení na potrubí. Tûsnûní v provedení pro vsazení do potrubí s proudící tekutinou ukazuje obrázek 316 B. Toto provedení je ménû náchylné na zaná‰ení tûsnûní, vyÏaduje-li se ale provádûní údrÏby, je nutno technologick˘ proces odstavit. NejdÛslednûj‰í fie‰ení tûsnûní s pfiirozen˘m ãi‰tûním ukazuje obrázek 3-16 C. U tohoto fie‰ení tûsnûní jsou odstranûny v‰echny ostré hrany a dutiny (kde by se mohl ukládat pevn˘ materiál). Ohebn˘ válec mÛÏe b˘t vyroben˘ z celé fiady plastick˘ch

âíslo 3

39


3

hmot, vãetnû teflonu, a je dostupn˘ na cívkách. Plochá tûsnûní mají tvar plátkÛ. MnoÏství kapaliny pfiemísÈované v˘chylkou tûsnící membrány pfii zmûnách mûfieného tlaku mÛÏe b˘t nûkdy tak malé, Ïe je toto fie‰ení tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média nedostateãné pro ovládání snímaãÛ, pracujících na principu mûchÛ. V takov˘chto pfiípadech se pouÏívají tzv. vlnité membrány, které mají v˘chylku vût‰í. Volumetrické, odmûrné, tûsnící prvky (Obrázek 3-17) jsou v˘hodné tím, Ïe nemají dutiny a ostré hrany, ve kter˘ch by se mohl hromadit neÏádoucí pevn˘ materiál. Volumetrické tûsnící prvky jsou také vhodné pro aplikace, kde se pracuje s vysok˘mi tlaky a s vysokou viskositou, pfiíkladem je mûfiení na vytlaãovacím lisu. Pfiidáním tûsnûní k zafiízení pro mûfiení tlaku mohou vznikat následující problémy: • Dlouhé nebo objemné kapiláry zvût‰ují mnoÏství plnící kapaliny, zvût‰ují teplotní chybu • Membrány o malém prÛmûru jsou tuhé, zvût‰ují chybu, zejména pfii nízk˘ch teplotách • Viskosita plnící kapaliny, která má pfiijatelnou hodnotu pfii bûÏn˘ch teplotách okolního prostfiedí, mÛÏe mít pfii nízk˘ch teplotách okolního prostfiedí nepfiijatelnû velkou hodnotu • Dlouhé kapiláry nebo otvory s mal˘m prÛfiezem mohou zpÛsobovat zvût‰ení ãasové konstanty zafiízení • Chybu mÛÏe zpÛsobovat také nestejnomûrn˘ ohfiev/chlazení tûsnûní a kapilár • Nûkteré plnící tekutiny se s rÛstem teploty prudce rozpínají, coÏ má za následek zniãení pfiístroje trvalou deformací, protaÏením, membrány • Pfii vysok˘ch teplotách, a/nebo pfii vysokém vakuu se mÛÏe plnící tekutina vypafiit, coÏ by mohlo mít za následek zniãení pfiístroje • Pfii nízk˘ch teplotách mÛÏe plnící tekutina nepfiimûfienû zmen‰it svÛj objem, membrána mÛÏe dosednout na doraz a pfiístroj se mÛÏe stát nefunkãní • Nefunkãnost pfiístroje mÛÏe b˘t také 40

âíslo 3

zpÛsobena zamrznutím kapaliny pfii nízk˘ch teplotách Aby byla instalace tûsnûní úspû‰ná, je také nutno pfii návrhu fie‰ení vzít do úvahy následující skuteãnosti: • Teplotní rozsah mûfieného média, teplotní rozsah teploty prostfiedí • Relativní hydrostatickou v˘‰ku tûsnûní a pfiístroje, hydraulick˘ ráz plnící kapaliny. Pfiístroj je tfieba po instalaci nulovat s ohledem na relativní hydrostatickou v˘‰ku umístûní pfiístroje • Teplotu, tlak a jiné vlivy, které by mohly pfiístroj po‰kodit pfii ãi‰tûní a pfii vyprazdÀování • MoÏné následky prasknutí membrány z hlediska takto vznikl˘ch ohroÏení a zneãi‰tûní • Pfii instalaci zafiízení pro mûfiení diferenãního tlaku se pro oba vstupy diferenãního tlakomûru pouÏívají stejná tûsnûní a stejné délky kapilár • Pfiístroj a tûsnûní musí vyhovovat za následujících kombinací podmínek: maximální teplota/minimální tlak, minimální teplota/minimální tlak

• Izolovaná montáž & izolační kom-

penzátory objemu

MontáÏ zafiízení pro mûfiení tlaku, u které je jedno, nebo obû impulsní potrubí, trubky napojující tlakomûr na médium s mûfien˘m tlakem, naplnûno stabilní a s mûfien˘m médiem kompati-

bilní plnící kapalinou, se naz˘vá "izolovaná montáÏ" (montáÏ "wet-leg"). U tohoto druhu montáÏe je pfii kalibraci mûfiícího pfiístroje nutno vzít do úvahy specifickou hmotnost plnící kapaliny a hydrostatickou v˘‰ku plnící kapaliny nad mûfiícím pfiístrojem. Uvedená montáÏ také musí umoÏnit plnûní vûtví impulzního potrubí plnící kapalinou a její vypou‰tûní. V pfiípadû, Ïe pfiístroj pfii zmûnách mûfieného tlaku pfiemisÈuje velké mnoÏství kapaliny, pouÏívají se u izolované montáÏe "wet-leg" izolaãní kompensátory objemu. Izolaãní kompensátory objemu jsou malé tlakové nádoby o objemu zhruba 1 l, které se umisÈují na horní konce trubek impulzního potrubí, které jsou naplnûné plnící kapalinou. PouÏívají-li se pfii konkrétním mûfiení diferenãního tlaku dvû impulsní potrubí, musí b˘t oba izolaãní kompenzátory objemu umístûny ve stejné nadmofiské v˘‰ce. KaÏd˘ z kompensátorÛ slouÏí jako zásobník plnící kapaliny pro impulzní potrubí. Velká zmûna objemu vyvolá pouze minimální zmûnu ve v˘‰ce hladiny plnící kapaliny. Plnící izolaãní kapalina se proto nedostává do potrubí s technologickou tekutinou a zmûna nadmofiské v˘‰ky plnící kapaliny nevede k chybû mûfiení. T


Pressure, Force, Load, Torque Databook, OMEGADYNE, Inc., 1996. ®

• The Pressure, Strain and Force Handbook . Omega Press LLC, 1996. • Industrial Control Handbook, E.A. Parr, Butterworth, 1995. • Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995. • Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, 10th Edition, TM

Eugene A. Avollone and Theodore Baumeister, McGraw-Hill, 1996.

• „Pressure Transducers”, Raymond Williams, Flow Control, March 1998. • Process/Industrial Instruments and Controls Handbook. 4th Edition, Douglas M. Considine and Glen D.Considine, McGraw-Hill, 1993.


ZPRAVODAJ

4


Vysok˘ tlak & vakuum Mûfiení vysokého tlaku

Vysoký tlak & vakuum

P

ojem "vysok˘ tlak" je relativní, stejnû jako jsou, de facto, relativní v‰echna mûfiení tlaku. Co se tímto pojmem rozumí závisí pfiedev‰ím na konkrétní prÛmyslové aplikaci, o které se mluví. U v˘roby syntetick˘ch diamantÛ, napfiíklad, je normální tlak pfii fyzikálnû-chemické reakci okolo 100 000 psig (6 500 barÛ), nebo i vût‰í. Protlaãovací stroje v prÛmyslu pro v˘robu plastick˘ch a pryÏov˘ch tovarÛ pracují s tlakem 10 000 psig (690 barÛ). Nicménû, v bûÏném v˘robním provozu se za vysoké tlaky povaÏují tlaky pfiesahující 1 000 psig (69 barÛ). V aplikacích kde se pouÏívají protlaãovací stroje jsou vysoké tlaky provázeny i vysok˘mi teplotami a lepkavé materiály mají tendenci ucpat v‰echny dutiny, do kter˘ch dokáÏí vniknout. Snímaãe tlaku u protlaãovacích strojÛ jsou proto instalovány tak, aby mûly rozmûry vyrovnané s vnitfiním prÛmûrem trubky, jsou také obvykle kontinuálnû, nepfietrÏitû, chlazené.

tlak ( P2 ) v˘stupního vzduchu, hodnota ( P2 ) pneumatického signálu

Velmi vysoké tlaky Pfiístrojové vybavení pro mûfiení vakua

Řešení převodníků vysokého tlaku Obrázek 4-1 A ukazuje zesilovaã, opakovaã, tlaku s tlaãnou membránou. Membrána mÛÏe mûfiit tlaky protlaãované hmoty aÏ do hodnoty 10 000 psig, a protoÏe princip pfievodníku zaji‰Èuje i její chlazení, mÛÏe mûfiit pfii teplotách aÏ 8 000 °F (4 300 °C). Pfievodník pracuje na principu pfiímého vyrovnávání síly dané mûfien˘m tlakem (P1) kter˘ pÛsobí na snímací membránu a síly dané tlakem v˘stupního vzduchu, tj. pneumatického signálu, (P2), pÛsobícího na vyvaÏovací membránu. Tlak v˘stupního pneumatického signálu je úmûrn˘ mûfienému tlaku, konstanta úmûrnosti je daná pomûrem aktivních ploch snímací membrány a vyvaÏovací membrány. Je-li pomûr aktivních ploch 1 : 200, zpÛsobí nárÛst mûfieného tlaku o 1 000 psig narÛst hodnoty v˘stupního tlaku vzduchu o 5 psig. Zesilovaã tlaku s tlaãnou membránou lze na‰roubovat na v˘stupní trubku protlaãovacího stroje pomocí spojovacího

dílu se závitem 1/2 palce, napojení se provede tak, Ïe membrána pfievodníku, vyrobená z nerezavûjící oceli 316 je vyrovnaná s vnitfiním povrchem trubky. Vlastní chlazení pfievodníku se provádí kontinuelním prÛtokem pracovního vzduchu pfievodníku. Jin˘ mechanick˘ snímaã vysokého tlaku pouÏívá prvek, konstruovan˘ jako ‰roubovicová Bourdonova trubice (Obrázek 4.1 B). Takovéto zafiízení mÛÏe obsahovat aÏ dvacet závitÛ, a mÛÏe, s rezervou, mûfiit tlaky do 10 000 psig. Standardním materiálem ze kterého b˘vá tento element zhotoven˘ je nerezavûjící ocel urãená pro tûÏké pracovní podmínky, chyba mûfiení je asi 1 % z rozpûtí rozsahu pfiístroje. Snímaãe, konstruované na principu ‰roubovicové Bourdonovy trubice mají dobrou ochranu, odolnost, proti velkému tlakovému pfietíÏení a jsou vhodné pro mûfiení promûnliv˘ch tlakÛ, musí b˘t ale chránûny pfied ucpáváním. Tato ochrana mÛÏe b˘t provedena vysokotlak˘mi knoflíkov˘mi membránov˘mi tûsnûními proti chemick˘m úãinkÛm

vyvaÏovací membrána

A2

závaÏí pohybující se vrchol

prÛduch

zdroj napájecího vzduchu

kalibrovan˘ tlakomûr

tyã pfiená‰ející sílu

hlavní píst válec

regulaãní ventil snímací membrána

PI AI

A) opakovaã tlaku s tlaãnou membránou

mûfien˘ technologick˘ tlak B) ‰roubovicová Bourdonova trubice

‰roub tlaãn˘ píst C) kalibraãní zafiízení se znám˘m závaÏím

Obrázek 4-1: Mechanické snímaãe vysokého tlaku

ZPRAVODAJ

âíslo 3

41

Vysok˘ tlak & vakuum

4

mûfieného média, tato tûsnûní jsou rovnûÏ dimenzována pro práci s tlaky 10 000 psig. Vylep‰ením návrhu ukázaného na

urãil, Ïe pfiesnost jejich kalibrace je u hodnot pfiesahujících 40 000 psig je asi 1.5 desetitisíciny z kalibrované hodnoty. Typická pfiesnost prÛmyslov˘ch

tyã

tlak

sonda

tûleso krabice

obal

Obrázek 4-2: Krabice s dan˘m objemov˘m modulem pruÏnosti

obrázku 4-1 B je optické mûfiení polohy uzavfieného vrcholu trubice, optick˘ odeãet nevyÏaduje Ïádné mechanické spoje. Toto fie‰ení je Ïádané, protoÏe se jím odstraní chyba, vznikající v dÛsledku tfiení mechanick˘ch pfievodÛ. V takov˘chto pfiístrojích se rovnûÏ pouÏívá referenãní dioda, slouÏící pro kompenzaci stárnutí zdroje svûtla, pro kompenzaci vlivu teplotních zmûn, a pro kompenzaci vlivu za‰pinûní optick˘ch prvkÛ. ProtoÏe je v˘chylka dráhy snímacího elementu u tûchto pfiístrojÛ obvykle malá (0,5 mm), lze zanedbat chyby dané hysterezí nebo ‰patnou opakovatelností mûfiení. Popsané pfiístroje mohou b˘t pouÏity pro mûfiení tlaku aÏ 60 000 psig. Také pro kalibraci snímaãÛ vysokého tlaku se pouÏívají kalibraãní zafiízení, pracující se znám˘m závaÏím (Obrázek 4-1 C). V kalibraãním zafiízení se zvy‰uje tlak tak dlouho, dokud se nedosáhne rovnováhy generovaného tlaku s maximálním tlakem, kter˘ mÛÏe vyvolat známé závaÏí, zatûÏující hlavní píst o známém prÛfiezu. Hodnota závaÏí je certifikovaná v NIST. (Detailnûj‰í popis kalibraãního zafiízení je uveden˘ v kapitole 3 tohoto ãísla.) Úfiad NIST 42

âíslo 3

kalibraãních zafiízení je asi jedna tisícina z kalibrované hodnoty, tedy asi 0.1 % z kalibrované hodnoty. V oblasti elektronick˘ch snímaãÛ vysok˘ch tlakÛ má bezkonkurenãní postavení tenzometrická mûrka, tenzometr (detailnûj‰í popis funkce tenzometru je uveden˘ v kapitole 2). Snímaãe pracující s tenzometrem mohou mûfiit tlaky pfiesahující 100 000 psig, mûfiení mohou provádût s pfiesností 0.1 % z rozpûtí rozsahu mûfiení nebo 0.25 % z plného rozsahu pfiístroje. PoÏadovány jsou teplotní kompenzace a periodická kalibrace snímaãe, protoÏe teplotní chyba pfii 540 °C nebo ‰estimûsíãní drift mohou zpÛsobit pfiídavnou chybu, jejíÏ velikost je rovnûÏ 0.25 %. Pro mûfiení vysok˘ch tlakÛ do hodnoty 10 000 psig lze také pouÏít jiné typy elektronick˘ch snímaãÛ tlaku (kapacitanãní, potenciometrick˘, induktanãní, reluktanãní), Ïádn˘ z nich ale nemÛÏe mûfiit tak vysoké tlaky, jako snímaã s tenzometrickou mûrkou.

jejich objemového modulu pruÏnosti, sestává z duté válcové ocelové sondy, na vnitfiním vrcholu je sonda uzavfiená a na vnûj‰ím konci je opatfiená vystupující tyãí (Obrázek 4-2). Je-li sonda vystavena pÛsobení mûfieného tlaku, dochází k jejímu stlaãení, její vrchol se v dÛsledku izotropické kontrakce vych˘lí doprava a tyã se více vysune ze sondy. Tato v˘chylka tyãe je poté pfievedena na v˘stupní signál, odpovídající hodnotû tlaku. Hystereze snímaãe a citlivost snímaãe na teplotní zmûny je podobná, jako u jin˘ch snímaãÛ s pruÏn˘mi elementy. Hlavními v˘hodami tohoto snímaãe je jeho rychlá odezva a velká spolehlivost. Snímaã je odoln˘ proti poruchám. Snímaã umoÏÀuje mûfiit tlaky aÏ 200 000 psi, s pfiesností 1 % aÏ 2 % z plného rozpûtí rozsahu snímaãe. Jiné sondy, snímaãe, vysokého tlaku jsou fie‰eny tak, Ïe je na jádro snímaãe navinut˘ drát, jehoÏ elektrick˘ odpor se mûní v závislosti na tlaku, kter˘ pÛsobí na jeho povrch. Materiály ze kter˘ch b˘vá drát zhotoven˘ jsou manganin, slitina zlata a chromu, platina nebo olovo. Snímaãe jsou dostateãnû málo citlivé na zmûny teploty. Odpor manganinu s tlakem roste, závislost je lineární, zmûna odporu manganinu v závislosti na tlaku je znaãnû velká. Manganinové snímaãe jsou k dispozici

vakuum

atmosferick˘ tlak

Velmi vysoké tlaky Snímaã, u kterého se pro mûfiení tlaku vyuÏívají dÛsledky koneãné hodnoty

Obrázek 4-3: Princip Barometru ZPRAVODAJ

4

Měření vakua

aÏ do tlaku 400 000 psig, pfiesnost snímaãe je 0.1 % aÏ 0.5 % z plného rozsahu pfiístroje. Hlavním omezením pouÏívání manganinové sondy je, Ïe je kfiehká. Lze ji zniãit tlakov˘mi pulzacemi nebo jevy vznikajícími v dÛsledku viskozity mûfieného média. Nûkteré pevné látky pfii pÛsobení 10-12 10-11

10-10

Poprvé se inÏen˘fii zaãali zajímat o mûfiení velmi nízk˘ch tlakÛ, dále: vakua, v sedmnáctém století. Popudem k tomu bylo zji‰tûní, Ïe se pumpováním nedá v pumpách ãerpat voda z hloubky vût‰í neÏ asi 9,1 m. V Itálii povûfiil Vévoda Toskánsk˘ 10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3


6,45 cm2 silou 14.7 liber (psi), a Ïe je atmosferick˘ tlak právû dostateãn˘ pro zvednutí sloupce rtuti uvnitfi zcela vyãerpané (Torricelliho) trubice do v˘‰ky 29.9 palcÛ (760 mm). V˘‰ka rtuÈového sloupce je proto pfiímo mírou atmosférického tlaku. V roce 1644 poÏádal francouzsk˘ 10-2

10-1

1

10

100

1000

vakuometr s Bourdonovou trubicí vakuometr s mûchy vakuometr s membránou mechanické vakuometry

vakuometr s kfiemennou Bourdonovou trubicí kapalinov˘ tlakomûr molekulární tlakomûr vakuometr s kapacitanãní membránou McLeodÛv pfiístroj vakuometr s viskosním tfiením rotující koule

vakuometr systém Pirani (termistor) tepelné vakuometry

vakuometr s termoãlánkem, termoãlánkovou baterií konvekãní vakuometr

vakuometr se Ïhavenou katodou (systém Schultz-Phelps) ionizaãní vakuometry

vakuometr se Ïhavenou katodou (systém Bayard- -Alpert) vakuometr se studenou katodou (systém Philips) vakuometr se studenou katodou (systém Redhead)

Obrázek 4-4: Mûfiící rozsahy vakuometrÛ

vysok˘ch tlakÛ kapalní. I tuto jejich vlastnost lze v prÛmyslu pro indikaci mûfiené hodnoty vysokého tlaku vyuÏít. Bismut napfiíklad kapalní pfii tlacích v rozmezí 365 000 psig aÏ 375 000 psig. Pfii zkapalnûní rovnûÏ zmen‰uje svÛj objem. Obdobné charakteristiky mají i jiné materiály, napfiíklad rtuÈ. Tyto látky mohou b˘t vyuÏity pro signalizaci, Ïe tlak dosáhl urãité konkrétní uvedené hodnoty.

ZPRAVODAJ

Galilea aby tento "problém" zkoumal. Galileo také navrhl, kromû jiného, mnoho pokusÛ pro v˘zkum vlastností vzduchu. Mezi prostfiedky, pouÏívan˘mi pro tyto pokusy byly písty pro mûfiení síly a vodní barometr (vysok˘ asi 10,4 m), kter˘m se mûfiil barometrick˘ tlak. Po smrti Galilea v roce 1642 pfievzal práci spojenou s v˘zkumem vlastností vakua Evangelista Torricelli. Torricelli vynalezl rtuÈov˘ tlakomûr (Obrázek 4-3). Objevil, Ïe atmosféra pÛsobí na

matematik Blaise Pascal skupinu horolezcÛ, aby vynesla barometr do Alp a ovûfiila, Ïe tlak vzduchu klesá se zvût‰ující se nadmofiskou v˘‰kou. PrÛmûrn˘ barometrick˘ tlak na hladinû mofiské mÛÏe vyrovnat tlak sloupce rtuti o v˘‰ce 760 mm, tento tlak je definovan˘ jako normální atmosfera. Hodnota tlaku 1/760 atmosfery se naz˘vá, na poãest Torricelliho, torr. V roce 1872 McLeod vynalezl McLeodÛv pfiístroj pro mûfiení nízk˘ch tlakÛ plynu. Tlak plynu se mûfií pfiístroâíslo 3

43

4


jem ve dvou krocích. Nejdfiíve se zmûfií objem, kter˘ plyn zaujímá pfii neznámém mûfieném tlaku, poté se zmûfií objem, kter˘ plyn zaujímá pfii známém vy‰‰ím referenãním tlaku. Hodnota mûfieného v˘chozího absolutního tlaku se urãí podle objemu, kter˘ zaujímá plyn po svém stlaãení. Varianty McLeodova pfiístroje se pouÏívají

vysok˘ tlak

Ïhavenou, katodou. Îádn˘ z nich není pfiíli‰ pfiesn˘ nebo pfiíli‰ stabilní, v‰echny vyÏadují ãastou kalibraci. Pro mûfiení vakua v rozsahu jednotek militorrÛ (takovéto vakuum je potfiebné pfii pokovování napafiováním nebo rozpra‰ováním) lze provádût ionizaãními vakuometry s teplou, Ïhavenou, katodou. Pro realizaci pfiesnûj‰ího

nízk˘ tlak

nízk˘ tlak vysok˘ tlak

A) tlakomûr s trubicí ve tvaru písmene "U"

vysok˘ tlak nízk˘ tlak

B) tlakomûr s nádrÏkou

vysok˘ tlak nízk˘ tlak

C) tlakomûr s plovákov˘m ukazatelem

D) tlakomûr s naklonûnou trubicí

Obrázek 4-5: ¤e‰ní tlakomûrÛ

dodnes, slouÏí jako normály pro kalibraci snímaãÛ velmi nízk˘ch tlakÛ.

• Použití v aplikacích Dne‰ní pfiístroje pro mûfiení velmi nízk˘ch tlakÛ, dále: vakuometry, lze rozdûlit do tfií hlavních tfiíd: mechanické vakuometry, tepelné vakuometry a ionizaãní vakuometry. Rozsah vakuometrÛ ukazuje tabulka na obrázku 4-4. Obecnû jsou pro mûfiení vysokého vakua (okolo 10-6 torrÛ) vhodné vakuometry se studenou katodou, nebo Bayard-AlpertÛv vakuometr s teplou, 44

âíslo 3

mûfiení v tomto stfiedním rozsahu tlakÛ vakua je dobrou volbou kapacitanãní vakuometr. Pro stfiední rozsahy tlakÛ vakua (mezi 10-4 torrÛ aÏ 10-2 torrÛ) jsou kapacitanãní vakuometry nejlep‰í z hlediska jejich v˘konnosti a chování, jsou ale také nejdraÏ‰í. Nejlevnûj‰í vakuometry jsou termoãlánkové vakuometry, pracují ale s nejvût‰í chybou. Dobr˘m kompromisním fie‰ením mÛÏe b˘t pouÏití digitálních vakuometrÛ systému Pirani, jejichÏ pfiesnost se nachází mezi pfiesností kapacitanãních a termoãlánkov˘ch snímaãÛ.

Pro mûfiení malého vakua (velk˘ tlak) s hodnotami mezi atmosférick˘m tlakem a 10-2 torrÛ jsou vhodné vakuometry konstruované na principu Bourdonovy trubice, mûchÛ, aktivních snímaãÛ pomûrného prodlouÏení, a kapacitanãních snímaãÛ.

• Mechanické vakuometry Mechanické vakuometry mûfií tlak nebo vakuum pomocí mechanické deformace trubek nebo membrán, deformace vzniká v dÛsledku tlakového rozdílu, kter˘ na nû pÛsobí. V typickém provedení je jedna strana mûrného elementu vystavena pÛsobení tlaku referenãního vakua, a pfiístroj mûfií mechanickou deformaci, která na elementu vznikne poté, co je neznám˘ tlak vakua pfiiveden˘ na jeho druhou stranu. Vakuometr s kfiemennou Bourdonovou trubicí: Obdobnû jako je tomu u klasické Bourdonovy trubice, má tento vakuometr ‰roubovicov˘ mûrn˘ element, element je zhotoven˘ z kfiemene. Deformace se nepfievádí na pohyb mechanick˘ch spojÛ, pfii deformaci se natáãí zrcátko. U pfiístroje pro mûfiení tlaku vakua je ‰roubovice vytvofiena ze dvou kfiemíkov˘ch Bourdonov˘ch trubic. Na referenãní stranu je trvale pfiivedeno referenãní vakuum, na mûfiící stranu je pfiipojeno mûfiené technologické vakuum. Tlakov˘ rozdíl mezi obûma stranami vyvolává úhlov˘ posun, úhlov˘ posun je detekovan˘ opticky. Optick˘ odeãet má velkou rozli‰ovací pfiesnost, urãenou zhruba jednou stotisícinou rozsahu. V˘hodou tohoto snímaãe je jeho pfiesnost a odolnost kfiemíku proti korozi. Nejvût‰ím omezením je vysoká cena snímaãe. Nejjednodu‰‰í tlakomûry, manometry: Základní tlakomûr mÛÏe sestávat z nádrÏky naplnûné kapalinou a z vertikální trubice (Obrázek 4-5). Pfii mûfiení vakua je vrch sloupce utûsnûn˘ a je z nûj vyãerpan˘ vzduch. Tlakomûr, kter˘ nemá nádrÏku je prostû trubice ve ZPRAVODAJ

4

tvaru písmene "U", jedno rameno trubice je nahofie utûsnûné a je z nûj vyãerpan˘ vzduch, na druhé rameno je pfiiveden˘ neznám˘ mûfien˘ technologick˘ tlak (Obrázek 4-5 A). Mûfiené technologické vakuum se urãí z rozdílu v˘‰ek kapaliny ve sloupcích. Tlakomûr s naklonûnou trubicí (Obrázek 4-5 D) sestává z nádrÏky a z prÛhledné trubice, trubice svírá s vertikálou urãit˘ úhel. Malá zmûna tlaku vakua vyvolá pomûrnû velkou zmûnu zaplnûní trubice kapalinou. Tlakomûry jsou jednoduché levné pfiístroje, mohou mûfiit vakuum aÏ do hodnoty 1 militorr. Kapacitanãní tlakomûr: Kapacitanãní snímaãe pracují na principu mûfiení zmûny elektrické kapacitance, zmûna kapacitance je dÛsledkem zmûny polohy snímací membrány vzhledem k nûkteré z pevn˘ch elektrod kondenzátoru (Obrázek 4-6). âím je mûfiené technologické vakuum vût‰í, tím dále odtáhne mûfiící membránu od pevn˘ch destiãek kondenzátoru. U nûkter˘ch provedení snímaãe se mÛÏe membrána pohybovat. U jin˘ch provedení se pomocí kompenzaãního stejnosmûrného napûtí udrÏuje WheatstoneÛv mÛstek ve vyváÏeném stavu. Velikost napûtí, nutná pro vyváÏení mÛstku je v pfiímém vztahu k mûfienému tlaku. Velkou v˘hodou kapacitanãních tlakomûrÛ je jejich schopnost mûfiit mimofiádnû malé v˘chylky membrány. Typická pfiesnost vakuometru je 0.25 % aÏ 0.5 % z mûfiené hodnoty. Vakuometry s tenkou membránou mohou mûfiit tlaky aÏ po rozsah 10-5 torrÛ, vakuometry se silnûj‰í membránou mohou mûfiit tlaky malého vakua aÏ od hodnoty atmosférického tlaku. Pro pokrytí velkého rozsahu tlaku vakua lze spojit dvû nebo více snímacích hlavic kapacitanãního vakuometru do vícerozsahové sestavy. Kapacitanãní membránové vakuometry jsou ‰iroce pouÏívány v prÛmyslu polovodiãÛ. Je to dáno skuteãností, Ïe tûleso a membrána vakuometru, ZPRAVODAJ

vyrobené z inocelu, jsou vhodné pro práci v korozivním prostfiedí, které se v tomto prÛmyslu vyskytuje. Jsou oblíbené také pro svoji velkou pfiesnost a pro svÛj mal˘ sklon ke zneãi‰tûní. McLeodÛv vakuometr: McLeodÛv pfiístroj byl vynalezen˘ v roce 1878. McLeodÛv vakuometr mûfií tlak plynÛ pomocí stlaãení známého objemu plynu znám˘m pevn˘m tlakem. PÛvodní mûfien˘ absolutní tlak plynu se urãí z velikosti objemu plynu po jeho stlaãení. Od doby kdy byl vynalezen˘ se McLeodÛv vakuometr zmûnil jen málo. PouÏívá se dodnes pro kalibraci jin˘ch vakuometrÛ. McLeodÛv vakuometr má mûfiící rozsah 1 torr aÏ 10-6 torrÛ. Molekulární vakuometr: Moleku-


Tato energie je úmûrná poãtu molekul plynu v tomto prostoru. Pln˘ rozsah pfiístroje závisí na plynu, jehoÏ tlak se má mûfiit. Pfiístroj je nutno pro kaÏdou aplikaci kalibrovat. Vakuometr pracující na principu viskozního tfiení: Pfii vysokém vakuu závisí jak viskozita plynu, tak tfiení v plynu na tlaku plynu. Vakuometr, vyuÏívající tuto skuteãnost, mûfií vakuum v rozsahu aÏ 10-7 torrÛ. Vakuometr mûfií záporné zrychlení, zpomalení, kuliãky, otáãející se v magnetickém poli. Zpomalování kuliãky je vyvoláno tfiením, které je dáno molekulami plynu. Hodnota vakua se urãí z mûfiení doby, kterou kuliãka potfiebuje, poté co bylo vypnuto její pohánûní, ke zpomalení z hodnoty

snímací membrána z inconelu

signály o hodnotách, dan˘ch velikostmi kapacitancí mûfien˘ tlak

po vyãerpání vzduchu (plynu) utûsnûno

elektrody kondenzátoru

dutina s vysok˘m vakuem

Obrázek 4-6: Kapacitanãní vakuometr

lární vakuometr pracuje na principu mûfiení hybnosti molekul plynu. Je vybaven˘ elektrick˘m motorem, jehoÏ rotor se otáãí konstantní rychlostí. Molekuly ve vzorku plynu, jeho vakuum se mûfií, pfiicházejí s rotorem do kontaktu a jsou vrhány na brzdn˘ válec. Síla vznikající nárazem molekul na válec posouvá válec do polohy úmûrné energii, pfiedané pfii nárazu molekul.

425 otáãek za sekundu na hodnotu 405 otáãek za sekundu. âím je vakuum vy‰‰í, tím je tfiení plynu men‰í a tím vût‰í dobu kuliãka ke svému zpomalení potfiebuje. Toto fie‰ení vakuometru má pfiesnost 1.5 % z mûfiené hodnoty, vakuometr je odoln˘ proti korozi a mÛÏe pracovat do teplot aÏ 4 150 °C. Vakuometry pracující na tepelném principu: Tepelná vodivost plynÛ se âíslo 3

45


4

mûní, pfii tlaku v rozsahu vakua, s jejich tlakem. Umístí-li se do plynu element, vyhfiívan˘ ze zdroje konstantního v˘konu, je ustálená v˘sledná teplota povrchu elementu závislá na velikosti tlaku plynu, kter˘ element obklopuje, na velikosti

mûfiiã proudu daného tokem iontÛ mikro ampérmetr ( 100 mA/torr )

mfiíÏka , napûtí + 150 V

v pracovním rozsahu mají chybu 10 %. Termoãlánkov˘ vakuometr: Termoãlánkov˘ vakuometr urãuje tlak vakua z teploty vyhfiívaného vlákna, umístûného v mûfieném plynu. Vlákno je vyhfiívané konstantním stejnosmûrn˘m prou-

kolektor kladn˘ch iontÛ ( relativní napûtí –30 V )

+ + + + + - - - - - -

teplá (Ïhavená) katoda

-

k mûfienému vakuu

+ +

mûfiiã proudu daného tokem elektronÛ ( 10 mA )

Obrázek 4-7: Vakuometr se Ïhavenou katodou

jeho vakua. ProtoÏe se ve snímaãi pouÏívá elektricky ohfiívan˘ drát, oznaãují se tyto vakuometry ãasto názvem vakuometry pracující s hork˘m drátem (hot wire gauges). V typickém provedení mohou b˘t vakuometry pracující s hork˘m drátem pouÏívány pro mûfiení vakua do rozsahu 10-3 mm sloupce rtuti. Vakuometr systém Pirani: U tohoto fie‰ení vakuometru je drát ve snímaãi vyhfiíván elektricky a tlak plynu se urãuje mûfiením velikosti proudu, nutného pro udrÏení drátu na konstantní teplotû. Tepelná vodivost jednotliv˘ch plynÛ se od sebe rÛzní, vakuometr je proto nutno pro konkrétní plyn, jehoÏ tlak se mûfií, kalibrovat. Vakuometr Pirani nelze pouÏít pro mûfiení tlakÛ vy‰‰ích neÏ 1.0 torrÛ, protoÏe pfii tlaku nad touto hodnotou se jiÏ tepelná vodivost plynu s tlakem prakticky nemûní. Vakuometr Pirani je v rozsahu 10-2 torrÛ aÏ 10-6 torrÛ lineární. Nad tímto rozsahem má statická charakteristika vakuometru zhruba logaritmick˘ prÛbûh. Vakuometry Pirani jsou levné, jsou praktické a mají docela dobrou pfiesnost. Jejich chyba v kalibraãním bodu je 2 %, 46

âíslo 3

dem 20 mA aÏ 200 mA, termoãlánek generuje stejnosmûrn˘ napûÈov˘ v˘stupní signál o velikosti asi 20 mV. Teplota ohfiívaného drátu se zvût‰uje úmûrnû sniÏujícímu se tlaku plynu. Typické termoãlánkové vakuometry mûfií tlaky v rozsahu od 1 militorru do 2 torrÛ. Tento rozsah lze zvût‰it pouÏitím fiadiãe, regulátoru, vakuometru s analogovû - ãíslicov˘m pfievodníkem

a pouÏitím ãíslicového zpracování signálu. U bûÏného termoãlánkového snímaãe se mÛÏe regulátorem vakuometru zvût‰it rozsah termoãlánkového snímaãe na rozsah od 10-3 torrÛ do 1000 torrÛ, vakuometr tak získává stejn˘ rozsah jako má konvekãní vakuometr systému Pirani, cena vakuometru je pfiitom men‰í. Konvekãní vakuometr: Konvekãní vakuometr pracuje podobnû jako vakuometr Pirani. Mûfií intenzitu chlazení snímacího elementu jak kondukcí (vedením), tak konvekcí (proudûním), tím se zvût‰uje rozsah snímaãe. Jako snímací element se pouÏívá teplotnû kompenzovan˘ pozlacen˘ wolframov˘ drát. U vy‰‰ího vakua závisí odezva vakuometru zejména na tepelné vodivosti mûfieného plynu, u niÏ‰ího vakua závisí zejména na konvekãním chlazením molekulami plynu. Mûfiící rozsah vakuometru je od 10-3 torrÛ do 1000 torrÛ. AÏ na svÛj vût‰í rozsah má konvekãní vakuometr stejné vlastnosti a stejná omezení jako vakuometr Pirani a vût‰ina termoãlánkov˘ch vakuometrÛ. Kombinované vakuometry: Aby se pfiekonala omezení pouÏití pfiístrojÛ, daná jejich mûfiícími rozsahy, nabízejí v˘robci vakuometrÛ a tlakomûrÛ pfiístroje, u kter˘ch je provedeno elektro-

katoda

mûfiené vakuum

mikroampérmetr se stupnicí v hodnotách vakua

anoda

+ -

~4000 V

katoda

magnetické pole, ~ 1500 gaussÛ Obrázek 4-8: Vakuometr se studenou katodou

ZPRAVODAJ

4

nické propojení nûkolika typÛ snímaãÛ. Jeden z v˘robcÛ napfiíklad nabízí tlakomûr pracující ve velkém rozsahu, konstruovan˘ tak, Ïe jsou v jedné skfiíni umístûny dva tlakové snímaãe: membránov˘ snímaã s rychlou odezvou pro mûfiení tlaku v rozsahu 2 torry aÏ 1500 torrÛ a vakuometr systém Pirani pro mûfiení tlaku v rozsahu 1 militorr aÏ 2 torry. Snímaãe jsou automaticky pfiepínány fiídící jednotkou tlakomûru. Ionizaãní vakuometry: Ionizaãní detektory a snímaãe jsou k dispozici od r. 1916. Ionizaãní vakuometry mûfií hodnotu vakua pomocí velikosti elektrického proudu, pfiená‰eného náboji iontÛ plynu, vznikajících po sráÏce molekul mûfieného plynu s voln˘mi elektrony. K dispozici jsou dva typy ionizaãních vakuometrÛ: vakuometry s teplou (Ïhavenou) katodou a vakuometry se studenou katodou. Vakuometr se Ïhavenou katodou, vylep‰en˘ systém Bayard-Alpert z r. 1950, emituje ze Ïhaveného vlákna do prostoru s mûfien˘m vakuem elektrony, které se sráÏejí s molekulami mûfieného plynu, molekuly se pfii sráÏce ‰tûpí na ionty (Obrázek 4-7). Ionty s kladn˘m nábojem jsou urychlovány smûrem ke kolektoru, kde vytváfiejí elektrick˘ proud, velikost tohoto proudu je mûfiena mûfiícím obvodem vakuometru. Velikost takto generovaného proudu je úmûrná hustotû, respektive tlaku, mûfieného plynu. Vût‰ina snímaãÛ s teplou (Ïhavenou) katodou mûfií vakuum v rozsahu od 10-2 torrÛ do 10-10 torrÛ. U novûj‰ích pfiístrojÛ je tento rozsah v˘znamnû roz‰ífien˘ pouÏitím modulovaného svazku elektronÛ. Pomocí synchronní detekce v˘stupního signálu se mûfií dvû hodnoty iontového toku. U tlakÛ men‰ích neÏ 10-3 torrÛ se velikosti obou hodnot pfiíli‰ neli‰í. U vy‰‰ích tlakÛ pomûr mezi tûmito mûfien˘mi hodnotami monotónnû roste. Vakuometr vyuÏívající tento princip mÛÏe mûfiit vakuum aÏ do hodnoty 1 torr. ZPRAVODAJ

ProtoÏe vût‰ina pfiístrojÛ pracujících s vysok˘m vakuem byla konstruována v padesát˘ch letech minulého století ze skla, byly i elektrody vakuometru uzavírány do sklenûné skfiínû. Toto fie‰ení bylo rozumné, v dne‰ní dobû se ale moderní systémy pracující s vakuem mohou vyrábût v celokovovém provedení. Jeden dÛvod kter˘ pro toto fie‰ení mluví je dán skuteãností, Ïe sklo se pfii vakuování rozkládá a uvolÀuje neÏádoucí ionty sodíku, vznikají pfiitom i dal‰í druhy zneãi‰tûní. Nicménû, v souãasné dobû zÛstávají stále nejãastûji pouÏívan˘m typem vakuometrÛ se Ïhavenou katodou sklenûné vakuometry. Vakuometr se studenou katodou: Hlavní rozdíl mezi snímaãi pracujícími s teplou (Ïhavenou) a studenou katodou je v metodû, kterou pouÏívají pro generování elektronÛ. U zafiízení se


studenou katodou jsou elektrony vytrhávány z povrchu katody pÛsobením silného elektrického pole. U vakuometru systému Philips (Obrázek 4-8) jsou elektrony vychylovány magnetick˘m polem v okolí trubky tak, Ïe se pfii svém pohybu magnetick˘m polem od katody k anodû pohybují ve spirále. Tímto spirálov˘m pohybem se zvût‰uje pravdûpodobnost ionizujícího nárazu elektronu na molekulu mûfieného plynu. Typick˘ mûfiící rozsah vakuometru je 10-10 torÛ aÏ 10-2 torrÛ. Hlavní v˘hodou zafiízení pracujících se studenou katodou je, Ïe nemají vlákno, které by se mohlo pfiepálit, Ïe jejich funkce není ovlivÀována vnikáním vzduchu a Ïe jsou relativnû málo citlivé na vibrace. T



• The Pressure, Strain and Force Handbook . Omega Press LLC, 1996. • ”Considerations in Selecting Pressure Calibrators”, L. Buckon, TM

Paper 91-0449, 1991.

• ”Dead Weight Pressure Measurement”, F. G. Budenberg, I&CS, February 1971

• • ”Strain Gages, Bonded Resistance”. National Aerospace Standard ”Keeping Up With Pressure Sensors”, R. Merritt, I&CS, April 1982. 942, Revision 2, 1964.

• ”The Strain Gage Primer”, C. C. Perry and H. R. Lisser, McGraw-Hill, 1962.

• • ”Measuring High Pressures Above 20,000 psig.”, R.K. Kaminski,

Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995. Intech, August 1968.

• Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, 10th Edition, Eugene A. Avollone and Theodore Baumeister, McGraw-Hill, 1996.

• McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Science and Technology, McGraw-Hill, 1998.

• Process/Industrial Instruments and Controls Handbook. 4th Edition,



âíslo 3

47

5

Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN Tlakomûry & tlakové spínaãe Kontrukce tlakomûrÛ

Tlakoměry & tlakové spínače

Ochranné pfiíslu‰enství Tlakové spínaãe

T

lakomûry a tlakové spínaãe patfií v továrnách mezi nejvíce ãasto pouÏívané pfiístroje. ProtoÏe b˘vají instalovány ve velkému poãtu, neb˘vá ãasto jejich údrÏba - a také spolehlivost - nejlep‰í. DÛsledkem je, Ïe není v˘jimkou, Ïe mÛÏeme ve star‰ích provozech vidût mnoho tlakomûrÛ a tlakov˘ch spínaãÛ v nefunkãním stavu. Je to ne‰Èastné z toho dÛvodu, Ïe pracuje-li provoz s chybn˘m tlakov˘m spínaãem, mÛÏe b˘t práce v závodû nebezpeãná. Na druhé stranû, mÛÏe-li práce v provozu bezpeãnû probíhat i za stavu, kdy je tlakomûr pokaÏen˘, je ihned zfiejmé, Ïe nebyl tento tlakomûr potfiebn˘. Správn˘ projekt vybavení v˘robní technologie pfiístroji musí mít za jeden ze sv˘ch cílÛ instalovat ménû, zato více uÏiteãn˘ch a více spolehliv˘ch, tlakomûrÛ a tlakov˘ch spínaãÛ. Jednou z cest jak sníÏit poãet tlakomûrÛ v provozu je pfiestat s jejich instalací na základû zvyklostí (napfiíklad

kalibrace, testování, nebo vypou‰tûní

A) sifon

napojení nebo spojení podle poÏadavku sifon pro zachycení kondenzátu pfiipojení na mûfien˘ tlak (uzavírací ventil musí splÀovat poÏadavky pfiipojení na potrubí a na mûfiené technologické médium)

neumisÈovat tlakomûr na v˘tokové potrubí kaÏdého ãerpadla). Namísto toho je tfieba pfiezkoumat jednotlivû

k indikaci stavu, Ïe je ãerpadlo v chodu, nemusí b˘t nutn˘, staãí-li se o chodu ãerpadla pfiesvûdãit sluchem

A A

ãep

pastorek

spoj

µ

úhel spoje

ozubnice díl slouÏící pro uchycení tlakomûru

mûfien˘ tlak mûfien˘ tlak

tradiãní provedení

provedení "s vyplnûnou skfiíní"

Obrázek 5-1: ¤e‰ení tlakomûrÛ

poÏadavky kaÏdého zafiízení. Pfii pfiezkoumávání poÏadavkÛ je tfieba si klást otázku "Co budu dûlat s údaji, které mi tento tlakomûr poskytne?" a instalovat pfiístroj pouze tam, kde lze k této otázce najít smysluplnou logickou odpovûì. Má-li tlakomûr slouÏit pouze

kalibrace, testování, nebo vypou‰tûní

tlumiã pulzací (nûkteré tlumiãe pouÏívají malé jehlové ventily)

tlumiã pulzací (nûkteré tlumiãe pouÏívají malé jehlové ventily pfiipojení na mûfien˘ tlak (uzavírací ventil musí splÀovat poÏadavky pfiipojení na potrubí a na mûfiené technologické médium) B) tlumiã otfiesÛ

nebo pohledem. Ukazuje-li tlakomûr tlak, (nebo pokles tlaku) v technologickém procesu, dává hodnotnou informaci pouze tehdy, lze-li na jejím základû provést nûjakou ãinnost (napfiíklad vyãistit filtr), v opaãném pfiípadû je tato informace bezcenná. Pfiistoupí-li se ke

kalibrace, testování, nebo vypou‰tûní membránová ochrana tlakomûru pro práci v korozivním prostfiedí

pfiipojení na mûfien˘ tlak (uzavírací ventil musí splÀovat poÏadavky pfiipojení na potrubí a na mûfiené technologické médium)

C) tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média

Obrázek 5-2: Pfiíslu‰enství tlakomûrÛ

48

âíslo 3

ZPRAVODAJ

5

specifikaci tlakomûrÛ s tímto zpÛsobem my‰lení, bude poãet pouÏívan˘ch tlakomûrÛ men‰í. PouÏívá-li provoz men‰í poãet lep‰ích pfiístrojÛ, zv˘‰í se celková spolehlivost.

Mezi dostupná provedení tlakomûrÛ patfií tlakomûry s osvûtlen˘mi ciferníky a s ãíslicov˘mi displeji zaji‰Èujícími lep‰í viditelnost mûfiené hodnoty, tlakomûry s teplotní kompenzací pro korekci zmûn okolní teploty, diferenãní tlakomûry pro mûfiení diferenãních tlakÛ a tlakomûry s dvojit˘m systémem, ukazující na jednom ciferníku dva tlaky. Podle své pfiesnosti jsou tlakomûry zafiazeny do odpovídajícího stupnû pfiesnosti, poãínaje stupnûm 4A (pfiípustná chyba 0.1 % z rozpûtí rozsahu pfiístroje) po stupeÀ D (chyba 5 % ).

Ochranné příslušenství Tlakové spínaãe s nastavitelnou hodnotou aktivaãního tlaku.

Konstrukce tlakoměrů Dvû bûÏné obvyklé pfiíãiny, proã dochází k poruchám tlakomûrÛ (a tlakov˘ch spínaãÛ) jsou vibrace potrubí a kondenzace vody, kondenzát mÛÏe v chladnûj‰ím prostfiedí zamrznout a zniãit skfiíÀ tlakomûru. Obrázek 5.1 ukazuje tradiãní konstrukci tlakomûru a jeho modernûj‰í konstrukci "s vyplnûnou skfiíní". Jemné spoje, ãepy a pastorky jsou u tlakomûru tradiãní konstrukce citlivé jak na vibrace, tak na sráÏení vody. Îivotnost tlakomûru s vyplnûnou skfiíní je del‰í, jednak proto, Ïe má tlakomûr men‰í poãet pohybliv˘ch ãástí, jednak proto, Ïe je jeho skfiíÀ vyplnûná viskozním olejem. Vyplnûní skfiínû olejem je v˘hodné. Olej tlumí vibrace ukazatele. Olej také neponechává ve skfiíni voln˘ prostor, do kterého by mohla z okolního prostfiedí pronikat vlhkost. V˘sledkem je, Ïe ve skfiíni nemÛÏe docházet ke kondenzaci vody a ke hromadûní kondenzátu. ZPRAVODAJ

NejbûÏnûj‰ím pfiíslu‰enstvím tlakomûru je uzavírací ventil, kter˘ se umisÈuje mezi tlakomûr a technologick˘ proces (Obrázek 5-2). Ventil lze uzavfiít v pfiípadû v˘mûny tlakomûru, nebo

Tlakomûry & tlakové spínaãe

Mezi ostatní pfiíslu‰enství patfií trubkové smyãky nebo sifon (Obrázek 52A), které chrání, u instalací kde se mûfií tlak páry, tlakomûr pfied zniãením jejich teplotou a tlumiãe rázÛ nebo tlumiãe vibrací (Obrázek 5-2B), obojí mohou potlaãovat jak tlakové rázy, tak kolísání mûfieného tlaku vzhledem k jeho prÛmûrné hodnotû. Je-li vyÏadována ochrana tlakomûru pfied zamrznutím, lze tlakomûr vyhfiívat elektricky nebo párou. Tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média, (Obrázek 5-2C), chrání tlakomûr v nebezpeãn˘ch a ‰pinav˘ch aplikacích v tom smyslu, Ïe zabraÀují, aby se ke snímaãi dostaly korozivní, jedovaté, nebo jinak ‰kodlivé látky. ZabraÀují také, aby látka, jejíÏ tlak se mûfií, zamrzala v montáÏní dutinû tlakomûru, nebo aby se zde transformovala na gel. Tûsnûní proti chemic-

maximální pfiípustn˘ tlak spínaã detekuje nárÛst tlaku

spínaã detekuje pokles tlaku


deaktivaãní tlak pfiesnost diferenãní rezerva tolerance

tolerance nastaviteln˘ rozsah

deaktivaãní tlak

diferenãní rezerva pfiesnost aktivaãní tlak, setpoint

Obrázek 5-3: Odborné názvosloví tlakov˘ch spínaãÛ

v pfiípadû jeho údrÏby. âasto se pfiidává je‰tû druh˘ ventil, jehoÏ úãelem je odvádût kondenzát u instalací kde se vyskytují páry (napfiíklad vodní pára) a také, u nároãnûj‰ích aplikací, umoÏnit opakovanou kalibraci tlakomûru po pfiipojení externího zdroje, normálu, tlaku.

k˘m úãinkÛm mûfieného média chrání tlakomûr tak, Ïe mezi mûfiené technologické médium a tlakomûr umisÈuje ochrannou membránu. Dutina mezi tlakomûrem a ochrannou membránou se vyplní stabilní tekutinou, která má malou teplotní roztaÏnost, malou viskoâíslo 3

49

Tlakomûry & tlakové spínaãe

5

Tlakové spínaãe jsou k dispozici v ‰iroké ‰kále rozsahÛ a provedení.

situ a která není korozivní. U aplikací pfii vysok˘ch teplotách se ãasto pouÏívá eutektikum sodíku a draslíku, pfii bûÏn˘ch pokojov˘ch teplotách smûs glycerínu a vody, pfii nízk˘ch teplotách se pouÏívá ethylalkohol toluen, nebo silikonov˘ olej. Pro pozorování operátorem mÛÏe b˘t vhodnûj‰í, kdyÏ se tlakomûr spojí s tûsnûním proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média pomocí kapiláry. Aby se udrÏela pfiesnost mûfiení, nesmí b˘t kapilára vystavena pfiíli‰ velké teplotû a nemûla by pfiesahovat délku 25 stop (7.5 m). Samotné tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média mÛÏe mít nûkteré z následujících ãtyfi provedení: provedení "off-line", tj provedení na napojení na potrubí, v samoãistícím provedení tj. v provedení pro vsazení do potrubí, vloÏená tûsnûní a plochá tûsnûní, která se uchycují mezi pfiíruby. Pfii mûfiení nízk˘ch tlakÛ (niÏ‰ích neÏ 50 psig, 350 kPa) a pfii mûfiení vakua mÛÏe zpÛsobovat chyby mûfiení rychlost reakce ochranné membrány tûsnû-

50

âíslo 3

ní. DÛvodem je, Ïe se z plnící kapaliny mohou uvolnit bublinky plynÛ, které jsou v plnící kapalinû rozpu‰tûné. Z tohoto dÛvodu se pfii fie‰ení tûsnûní ãasto dává pfiednost zesilovaãÛm, opakovaãÛm, tlakového signálu. Jsou k dispozici opakovaãe tlakového signálu pracující s pfiesností od 0.1 % do 1 % z rozpûtí rozsahu pfiístroje. Opakovaãe mají rozsahy absolutního tlaku od 0 - 5 mm sloupce rtuti aÏ 0 - 50 psia (0 - 0.7 kPa aÏ 0 - 350 kPa).

Tlakové spínače Úkolem tlakov˘ch spínaãÛ je zapínat nebo vypínat pfiipojené elektrické obvody v závislosti na tom, zda je nebo není mûfien˘ tlak normální. Elektrické kontakty spínaãe mohou b˘t uspofiádány buì jako jednopólová dvojice (SPDT), v tomto uspofiádání je pfii normálním tlaku vÏdy jeden kontakt sepnut˘ (NC) a jeden rozepnut˘ (NO). Spínaãe mohou b˘t také uspofiádány do dvoupólové dvojice, v tomto pfiípadû jsou vybaveny dvûma spínaãi SPDT, z nichÏ kaÏd˘ mÛÏe ovládat svÛj vlastní elektrick˘ obvod. Skfiínû tlakov˘ch spínaãÛ jsou konstruovány tak, aby

vyhovovaly v‰em normám NEMA, uveìme napfiíklad zafiízení prvního typu Type 1 (univerzální), zafiízení sedmého typu Type 7 (provedení pro práci ve v˘bu‰ném prostfiedí), nebo zafiízení dvanáctého typu Type 12 (olejotûsné provedení). Obrázek 5-3 ukazuje odborné názvosloví, pouÏívané pro popis funkce a provedení tlakového spínaãe. Jakmile tlak dosáhne hodnoty "aktivaãní tlak", (setpoint, tuto hodnotu lze nastavit v rozmezí rozsahu spínaãe), signalizuje spínaã nenormální stav a aktivuje ochranné elektrické obvody. Spínaã signalizuje normální stav a deaktivuje ochranné elektrické obvody teprve poté, co se tlak vrátí do oblasti normálního tlaku s urãitou "diferenãní tlakovou rezervou" a dosáhne hodnoty "deaktivaãní tlak" . Tato diferenãní tlaková odchylka se také naz˘vá mrtvé pásmo. K pfiesnosti aktivace ochrann˘ch obvodÛ pfii nastavené hodnotû aktivaãního tlaku se vztahuje pojem pfiesnost tlakového spínaãe. K pfiesnosti jejich deaktivace pfii nastavené hodnotû deaktivaãního se vztahuje pojem tolerance tlakového spínaãe. T



• The Pressure, Strain and Force Handbook . Omega Press LLC, 1996. • Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995. • Process/Industrial Instruments and Controls Handbook. 4th Edition, TM


ZPRAVODAJ

6

Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN Síla, zrychlení, kroutící moment Snímaãe síly

Síla, zrychlení, kroutící moment

Z

ákladní principy, na kter˘ch pracují pfiístroje pro mûfiení síly, zrychlení a kroutícího (toãivého) momentu jsou velmi blízké principÛm, na kter˘ch pracují tlakomûry s piezoelektrick˘mi snímaãi a tenzometry. O tûchto pfiístrojích, pouÏívan˘ch pro mûfiení statick˘ch a dynamick˘ch tlakÛ, pojednávaly pfiedchozí kapitoly. Jaká veliãina je v˘sledkem mûfiení zde ãasto závisí jen na konfiguraci systému a na zpracování v˘stupního signálu. Akcelerometr snímá pohyb povrchu na kter˘ je pfiipevnûn˘ a generuje v˘stupní elektrick˘ signál, jehoÏ hodnota je v potfiebném vztahu k tomuto

tlakem namáhaná piezoelektrická mûrka se‰roubovaná sestava tlakem namáhaná piezoelektrická mûrka

podobná rotaãní zafiízení. Kroutící moment je definovan˘ jako souãin toãivé síly a polomûru, na kterém pÛsobí. Udává se v jednotkách souãinu váhy a délky, lb.ft (pound.feet, libra.stopa), v SI v jednotkách souãinu síly a délky, N.m (newton.metr).

Snímače síly NejbûÏnûj‰í snímaã dynamicky pÛsobící síly a snímaã zrychlení je piezoelektrick˘ snímaã (Obrázek 6-1). Slovo piezo má svÛj poãátek v fieãtinû, kde znamená "zmáãknout, stisknout". PouÏití tohoto slova je docela pfiimûfiené, protoÏe piezoelektrické snímaãe generují pfii svém "stisknutí" elektrické

krutem namáhaná piezoelektrická mûrka krutem namáhaná piezoelektrická mûrka setrvaãná hmota



montáÏní základna

montáÏní základna

Zrychlení a vibrace Mûfiení kroutícího momentu

generovan˘ krystalem, po pfiivedení konstantní síly velmi rychle zaniká. Zafiízení pracující na piezoelektrickém principu jsou proto nevhodná pro mûfiení staticky pÛsobících sil. Elektrick˘ signál, generovan˘ vysokoimpedanãním v˘stupem piezoelektrického krystalu je pfievádûn (v zesilovaãi) na signál generovan˘ zdrojem s malou v˘stupní impedancí, takov˘to signál je jiÏ moÏno pfiivést na vhodn˘ mûfiící pfiístroj, napfiíklad na pamûÈov˘ ãíslicov˘ osciloskop. Aby bylo moÏno signál analyzovat, je nutno prÛbûh signálu zaznamenat do pamûti dfiíve, neÏ signál zanikne. ZáleÏí na aplikaci, zda mûfiená

smykem namáhaná piezoelektrická mûrka smykem namáhaná piezoelektrická mûrka osa citlivosti snímaãe smykem namáhaná piezoelektrická mûrka stfiední podpûra a montáÏní základna

Obrázek 6-1: ¤e‰ení prvkÛ piezoelektrick˘ch snímaãÛ

pohybu. Zrychlení se mûfií v stopách za kvadrát sekundy (m.s-2), souãin velikosti zrychlení a velikosti hmotnosti zrychlovaného tûlesa je roven˘ velikosti síly, která na tûleso pÛsobí. Kroutící moment je dán toãivou silou, pÛsobící obvykle na hfiídele, tyãe, páky, kladky a na ZPRAVODAJ

napûtí, úmûrné síle, kterou jsou namáhány. Zásadní rozdíl mezi zafiízeními pracujícími na piezoelektrickém principu a zafiízeními pro mûfiení okamÏité hodnoty i staticky pÛsobící síly, takov˘mto snímaãem je napfiíklad tenzometr, je v tom, Ïe elektrick˘ signál,

dynamicky pÛsobící síla je síla vyvolávající tlak, tah, nebo zda je to toãivá síla vyvolávající kroutící moment. V aplikacích se mohou vyskytovat síly dané pruÏností pera, síly vyvolané such˘m tfiením, napûtím v fietûze, síly pfii kter˘ch dochází k prokluzÛm spoâíslo 3

51

6

Mal˘ snímaã zrychlení je uÏiteãn˘ pro pouÏití v laboratofiích, kde se pracuje s mal˘mi hmotnostmi.

jek, adhesní síly laminátÛ, lepen˘ch pfiedmûtÛ, ou‰ek. Piezoelektrick˘ snímaã síly je témûfi tak pevn˘, jako je rozmûrovû srovnateln˘ kus masivní oceli. Tuhost a pevnost tûchto snímaãÛ umoÏÀuje, aby byly vkládány pfiímo do strojÛ jako souãást jejich konstrukce. Pevnost dává piezoelektrick˘m snímaãÛm velmi vysokou vlastní frekvenci. Této vysoké frekvenci odpovídá malá ãasová konstanta snímaãÛ. Piezoelektrické snímaãe jsou proto ideálním nástrojem pro mûfiení rychle se mûnících pfiechodn˘ch sil, napfiíklad sil vznikajících pfii vzájemném nárazu kovov˘ch tûles, nebo sil, vznikajících pfii vysokofrekvenãních vibracích. Aby bylo mûfiení pfiesné, musí b˘t vlastní frekvence mûfiícího zafiízení podstatnû vy‰‰í, neÏ je frekvence mûfieného dûje. BlíÏí-li se frekvence mûfieného dûje vlastní frekvenci snímaãe, vznikají pfii mûfiení chyby.

• Rázové průtokoměry Rázov˘ prÛtokomûr je rovnûÏ konstruovan˘ jako snímaã síly. Mûfií rychlost volnû tekoucího sypaného pevného materiálu na v˘stupu ze skluzného násypného Ïlabu. Skluzn˘ Ïlab smûfiuje tok materiálu tak, aby naráÏel na snímací desku (Obrázek 6-2). Na desku pÛsobí síla, vyvolaná nárazy materiálu, tato síla je úmûrná prÛtoãnému mnoÏství materiálu. 52

âíslo 3

Konstrukce prÛtokomûru je fie‰ena tak, aby se snímací deska mohla pohybovat pouze v horizontální rovinû. Velikost pÛsobící síly se mûfií tak, Ïe se mûfií horizontální v˘chylka snímací desky. Tato v˘chylka se mûfií pomocí lineárního promûnného diferenãního transformátoru (LVDT). V˘stupní napûtí z LVDT se pfievádí na impulzní kmitoãtovû modulovan˘ signál. Tento signál se vede jako signál udávající hodnotu prÛtoãného mnoÏství do fiídícího systému. Pfii mûfiení a regulaci prÛtoãného mnoÏství sypaného pevného materiálu do spojitého v˘robního procesu lze pouÏít rázov˘ prÛtokomûr jako alternativu k systému kter˘ mûfií hmotnost materiálu. ¤e‰ení ukazuje obrázek 6-2. Rázov˘ prÛtokomûr je zde umístûn na konci skluzného násypného Ïlabu, za ‰roubov˘m, ‰nekov˘m, podavaãem kter˘ mÛÏe pracovat s promûnnou rychlostí. Îádaná hodnota podávaného materiálu je nastavena v jednotkách tun za hodinu a fiídící systém reguluje rychlost ‰roubového podavaãe tak, aby bylo dosaÏeno odpo-

vídajícího prÛtoãného mnoÏství materiálu. Pro regulaci rychlosti podavaãe potfiebné pro dodrÏení konstantního prÛtoãného mnoÏství pouÏívá fiídící systém algoritmus PID regulátoru. Rázové prÛtokomûry mûfií prÛtoãné mnoÏství nûkter˘ch pevn˘ch materiálÛ v rozmezí od 1 tuny za hodinu do 800 tun za hodinu. Jejich linearita a opakovatelnost mûfiení je lep‰í neÏ 1 %.

Zrychlení a vibrace První snímaãe pouÏívané pro mûfiení zrychlení a vibrací (chvûní) byly sloÏité a spletité mechanické aparáty (Obrázek 6-3), které byly vhodné spí‰e pro práci v laboratofiích neÏ pro pouÏívání ve v˘robních závodech. Moderní snímaãe zrychlení (akcelerometry) jiÏ ãerpají z celkového pokroku techniky a technologie. Jejich cenová dostupnost, pfiesnost a snadnost jejich poÏívání se v prÛbûhu let zlep‰ily. První snímaãe zrychlení byly analogová elektronická zafiízení. Tyto byly

podavaã h = 1-1/2 ft.


rázov˘ systém pro stanovení hmotnosti materiálu

γ = 35° β = 60°

α = 85°

snímací deska násypn˘ zásobník vytlaãovací stroj

Obrázek 6-2: Aplikace snímaãe síly pro konstrukci rázového prÛtokomûru

ZPRAVODAJ

6

pozdûji nahrazeny snímaãi s ãíslicov˘mi elektronick˘mi obvody a snímaãi s mikroprocesory. Pro ovládání airbagu se v automobilovém prÛmyslu pouÏívají hybridní elektronicko-mechanické mikrosystémy (MEMS). Funkce tûchto zafiízení je závislá na tom, co bylo dfiíve pova-Ïované za chybu pfii v˘robû polovodiãov˘ch prvkÛ: na "prázdné vrstvû", neboli na prázdném prostoru v materiálu obvodu, nacházejícím se v nepatrné vzdálenosti nad povrchem polovodiãového substrátu. U ãíslicového obvodu ovlivÀuje tato prázdná vrstva tok elektronÛ protoÏe má vliv na okolní analogové prostfiedí. U snímaãe zrychlení MEMS tato prázdná vrstva tvofií jádro snímaãe pro mûfiení zrychlení. V dne‰ních automobilech jsou snímaãe MEMS pouÏívané pro ovládání airbagÛ a podvozkÛ, pro detekci boãních nárazÛ a pro regulaci protismykov˘ch systémÛ. Snímaãe zrychlení, urãené pro automobilov˘ prÛmysl jsou k disposici od frekvencí 0.1 Hz do frekvencí 1500 Hz, s rozsahy od 1.5 g do 250 g, mûfií zrychlení v jedné nebo dvou osách, jejich citlivost se pohybuje v rozsahu od

zrychlení patfií sledování vibrací strojÛ, slouÏící, napfiíklad pro diagnostiku nevyváÏení rotujících ãástí strojÛ. Analyzátor, jehoÏ jádrem je snímaã

setrvaãná hmota

ZPRAVODAJ

známou silou. Následkem je vznik vibrací konstrukce, které lze zaznamenat, analyzovat a srovnat s referenãním prÛbûhem vibrací.

tenzometry

izolované podpûry základna osa citlivosti snímaãe

pera konzoly (krákorcÛ)

Obrázek 6-3: ¤e‰ení piezoelektrického snímaãe

zrychlení, mÛÏe nenormální vibrace detekovat nebo mûfiit, analyzovat jejich chování a usnadnit tak zji‰tûní, co je jejich pfiíãinou. Jinou aplikací je testování, kontrola stavu, konstrukcí. Vada konstrukce, napfiíklad prasklina, ‰patn˘ svár, nebo koroze konstrukce, mohou zmûnit rozloÏení vibrací konstrukce. Konstrukcí mÛÏe b˘t napfiíklad skfiíÀ motoru nebo turbíny, nádoba reaktoru, nebo nádrÏ. Kontrola

PrÛmyslov˘ snímaã zrychlení s pfiipojen˘m elektronick˘m vybavením.

7.62 mV/1g do 1333 mV/1g. Mezi prÛmyslové aplikace snímaãÛ


se provede tak, Ïe se do konstrukce udefií kladivem, ãímÏ se konstrukce vybudí

Snímaãe zrychlení mají také uplatnûní pfii urãování orientace a smûru. V tûchto aplikacích se pouÏívají miniaturní snímaãe. Snímaã mûfií zmûnu rychlosti ve smûru pohybu, ve vertikálním smûru a v azimutu (úhlu odchylky od horizontální roviny), nebo zmûny ve tfiech na sebe kolm˘ch osách. X, Y, Z. Tyto snímaãe lze pouÏít pro vedení vrtn˘ch korunek pfii vrtání, pro urãení orientace bójí a sonarÛ, ultrazvukov˘ch zamûfiovaãÛ. Mohou slouÏit jako kompasy, mohou nahradit gyroskopy nebo pevné navigaãní systémy. Mechanické snímaãe zrychlení, jako napfiíklad snímaã pracující na principu setrvaãnosti hmoty, snímaã zmûny rychlosti, nebo mechanicky buzen˘ magnetick˘ spínaã, detekují sílu, pÛsobící na hmotu pfii jejím zrychlení. Hmota klade zrychlující síle odpor, coÏ má za následek její vych˘lení nebo deformaci, které se mûfií snímaãi v˘chylky nebo tenzometry (Obrázek 63). Mnohá z tûchto zafiízení jsou vybavena tlumícím zafiízením, napfiíklad pery nebo magnety, aby se zabránilo jejich oscilacím. Pfiíkladem snímaãe zrychlení je servomechanick˘ snímaã zrychlení, tento snímaã má rozsah od 10-6g do více neÏ âíslo 3

53


6

50g. Snímaã pracuje s rotujícím mechanizmem, kter˘ je v rovinû rotace úmyslnû rozváÏen. Zrychlení které na mechanizmus pÛsobí vyvolá jeho úhlovou v˘chylku, která se mûfií snímaãem v˘chylky. Mezi novûj‰í fie‰ení snímaãe zrychlení patfií snímaã zrychlení, pracující na tepelném principu. Tento snímaã urãuje polohu mûfiením velikosti pfiestupu tepla. Nad zdrojem tepla je umístûno tûleso s danou setrvaãnou hmotou. Zmûníli se v dÛsledku zrychlení tûlesa jeho poloha, zmûní se jeho vzdálenost od zdroje tepla, coÏ má za následek zmû-

pfii vysok˘ch teplotách, je obtíÏné instalovat snímaãe se zabudovan˘mi mikroelektronick˘mi obvody. Je zde moÏno pouÏít zafiízení se snímaãi, které mají velkou v˘stupní impedanci. V tûchto pfiípadech se krystalov˘ snímaã pfiipojuje pomocí signálního vedení na zesilovaã s velk˘m zesílením. V˘stupní signál snímaãe je úmûrn˘ síle vyvolávající zrychlení snímaãe. Tento signál je snímán zesilovaãem s velk˘m zesílením. Není-li teplota nadmûrnû vysoká, je moÏné elektronické obvody, pfievádûjící signál generovan˘ krystalem na nízkoimpedanãní signál, zabudovat pfiímo do sní-

komprese (permealibita klesá)

1m

kroutící moment 5 kg.m

osa hfiídele

45° 5 kg dekomprese (permealibita roste) Obrázek 6-4: Rotující hfiídel, namáhan˘ kroutícím momentem

nu jeho teploty. Pro mûfiení zmûny teploty tûlesa se pouÏívají polysilikonové termoelektrické baterie. Kapacitanãní snímaãe zrychlení pracují s miniaturními kondenzátory (CMOS), s deskami o síle pouze 60 mikronÛ. Hmotnost tûchto kondensátorÛ je asi 50 mikrogramÛ. PÛsobením zrychlení se desky kondensátoru deformují, v˘sledkem deformace desek je mûfiitelná zmûna kapacitance. Nejpraktiãtûj‰ím zafiízením pro mûfiení rázÛ a vibrací jsou v‰ak zfiejmû piezoelektrické snímaãe zrychlení. Obdobnû jako je tomu u mechanick˘ch snímaãÛ, pracují tyto snímaãe se setrvaãností hmoty, která pfii zrychlení pÛsobí setrvaãnou silou na piezoelektrick˘ krystal. V aplikacích, kde se mûfiení provádí 54

âíslo 3

maãe. Jak vysokoimpedanãní snímaã, tak nízkoimpedanãní snímaã lze k povrchu mûfiené konstrukce pfiipevnit mechanicky, nebo je lze pfiilepit nebo pfiichytit magneticky. Takto instalované piezoelektrické snímaãe jsou vhodné pouze pro mûfiení krátkotrvajícího zrychlení. Piezorezistivní snímaãe zrychlení a snímaãe s tenzometry pracují obdobnû, tenzometry jsou ale citlivé na zmûny teploty a vyÏadují pro svou ãinnost teplotní kompenzaci. Dává se jim pfiednost v aplikacích, kde se mûfií nízkofrekvenãní vibrace, dlouhotrvající rázy, nebo trvale pÛsobící zrychlení. Piezorezistivní jednotky jsou masivní, odolné, mohou pracovat aÏ do frekvencí 2000 Hz.

Měření kroutícího momentu Mûfiení kroutícího momentu se provádí buì snímáním skuteãného natoãení hfiídele, zpÛsobeného toãivou silou, nebo mûfiením úãinkÛ zpÛsoben˘ch tímto natoãením. Povrch hfiídele kter˘ je namáhan˘ kroutícím momentem je jak stlaãovan˘, tak napínan˘, situaci ukazuje obrázek 6-4. Pfii mûfiení kroutícího momentu se obvykle snímaãe pfiipevÀují na hfiídel ve dvojicích. Jeden snímaã mûfií nárÛst délky povrchu hfiídele (ve smûru, kde je povrch hfiídele namáhan˘ na tah), druh˘ snímaã mûfií pokles délky povrchu hfiídele v opaãném smûru. První snímaãe kroutícího momentu byly mechanické konstrukce s tenzometry. Jejich vysoká cena a malá spolehlivost zpÛsobovaly, Ïe nebyly obecnû prÛmyslem pfiíli‰ kladnû pfiijímány. Moderní technika a technologie v‰ak cenu mûfiení kroutícího momentu sníÏily, fiízení a kontrola kvality v˘roby pfiitom potfiebu pfiesného mûfiení kroutícího momentu zv˘‰ily.

• Použití snímačů kroutícího momentu Aplikace snímaãÛ kroutícího momentu zahrnují úlohu urãení hodnoty v˘konu, kter˘ pohon, motor, turbína nebo jiné zafiízení s rotujícím hfiídelem generuje nebo spotfiebovává. Norma ISO 9000 a jiné pfiedpisy pro fiízení a kontrolu kvality pouÏívané ve svûtû prÛmyslu nyní vyÏadují, aby byl pfii v˘robû kroutící moment mûfien˘, a to zejména v pfiípadech, kdy se pouÏívají upevÀovací stroje. Snímaãe pfiedávají potfiebné mûfiené hodnoty kroutícího momentu pfiímo na ‰roubovací stroje a na montáÏní stroje, snímaãe také mohou b˘t také souãástí ruãního náfiadí. V obou pfiípadech lze mûfiené údaje automaticky sbírat, archivovat a pouÏít pro úãely fiízení a kontroly kvality a pro dokumentaãní zprávy. Jiné prÛmyslové aplikace snímaãÛ kroutícího momentu zahrnují mûfiení fiezn˘ch sil pfii práci kovoobrábûcích ZPRAVODAJ

6

strojÛ, kalibraci momentového náfiadí, mûfiení adhezních sil, mûfiení tfiecích sil, mûfiení kroutícího momentu pfii uzavírání lahví víãky, testování per, provádûní biodynamick˘ch mûfiení.

buzení mÛstku

oscilátor (napájení mÛstku)

• Uspořádání snímačů Kroutící moment mÛÏe b˘t mûfien˘ tenzometrick˘mi snímaãi rotujícími spolu s hfiídelem, mÛÏe b˘t mûfien˘ nepohyblivû umístûn˘m smímaãem vzdálenosti, mÛÏe b˘t mûfien˘ magnetostriktivními a magnetoelastick˘mi snímaãi. V‰echny tyto snímaãe jsou citlivé na zmûny teploty. Rotující snímaãe musí b˘t pfiipevnûny na hfiídel, coÏ není vÏdy moÏné z dÛvodu nedostatku místa. Tenzometr mÛÏe b˘t upevnûn˘ pfiímo na hfiídel. ProtoÏe hfiídel rotuje, je tfieba rotující snímaã kroutícího momentu pfiipojit na napájecí zdroj a na elektronické obvody pro pfiizpÛsobení signálu pomocí kluzn˘ch sbûrn˘ch krouÏkÛ. Tenzometr lze také pfiipojit pomocí transformátoru, toto fie‰ení nevyÏaduje

Output Signal

ZPRAVODAJ

tenzometry

mÛstek pro mûfiení krouticího momentu

zesilovaã a demodulátor v˘stuní signál

ROTUJÍCÍ âÁST

PEVNÁ, NEROTUJÍCÍ âÁST Obrázek 6-5: Induktivní pfiipojení snímaãÛ krouticího momentu

mÛstek pfiivádí pomocí induktivní vazby, v˘stupem mÛstku je amplitudovû modulovan˘ impulzní signál (Obrázek 6-5). Maximální rychlost otáãení hfiídele je pfii takovémto uspofiádání mûfiení 15 000 otáãek za sekundu. Tenzometry lze také pfiipevnit na pevné podpûry stroje, nebo pfiímo na jeho skfiíÀ. Tyto snímaãe reaktivních sil

Snímaã kroutícího momentu pracující na principu mûfiení reaktivních sil, provedení pro montáÏ na pfiíruby.

nároãnou údrÏbu kluzn˘ch krouÏkÛ. Budící napûtí se pak na tenzometrick˘


mûfií kroutící moment pfienesen˘ ze hfiídele na ãásti stroje, které stroj drÏí.

Takto získaná hodnota kroutícího momentu není ale zcela pfiesná, protoÏe zahrnuje vliv setrvaãné hmoty celého stroje. Pro mûfiení kroutícího momentu se pouÏívají foliové, difúzní polovodiãové, nebo tenkovrstvé tenzometry. Na hfiídel se pfiipevÀují buì lepením, pájením, nebo jinou technikou. Nejsou-li odstfiedivé síly pfiíli‰ velké, a lze-li povolit rozváÏení stroje jejich hmotností, lze na hfiídel pfiipevnit také potfiebné elektronické vybavení, vãetnû baterie, zesilovaãe a radiového vysílaãe. Kroutící moment lze také mûfiit snímaãi vzdálenosti a snímaãi posunutí. Mûfií se úhlové posunutí mezi obûma konci hfiídele. Úhlové posunutí, zpÛsobené kroutícím momentem, lze zmûfiit poté, co se na hfiídel umístí, v urãité vzdálenosti od sebe, dvû stejná ozubená kola. Snímaã vzdálenosti nebo fotobuÀky umístûné u kaÏdého z ozuben˘ch kol generují napûÈové impulzy, jejichÏ fázov˘ posun se rÛstem kroutícího momentu zvût‰uje. Jin˘m pfiístupem je zamûfiit jedinou fotobuÀku pfies ozubení obou ozuben˘ch kol. RÛst kroutícího momentu zpÛsobuje posun vzájemné polohy ozuben˘ch kol a mnoÏství svûtla dopadajícího na fotobuÀku se zmen‰uje. Posunutí zpÛsobené kroutícím momentem lze âíslo 3

55


6

zmûfiit i jin˘mi optick˘mi, induktanãními, kapacitanãními a potenciometrick˘mi snímaãi. Kapacitanãní snímaã kroutícího momentu mÛÏe napfiíklad mûfiit zmûnu kapacitance která vzniká, kdyÏ se pÛsobením kroutícího momentu mûní velikost mezery mezi dvûma deskami kondenzátoru. S velikostí kroutícího momentu se také mûní schopnost materiálu absorbovat magnetické pole, tj. mûní se magnetická permeabilita materiálu. Magnetická permeabilita mÛÏe b˘t mûfiena magnetostriktivními snímaãi, vyuÏívajícími jevu, Ïe se zmûnou rozmûrÛ feromagnetického tûlesa dochází ke zmûnû jeho magnetizace. Pokud není hfiídel zatíÏen˘, má permeabilita hfiídele standardní hodnotu. Pfii zatíÏení hfiídele kroutícím momentem roste permeabilita materiálu hfiídele úmûrnû s velikostí kroutícího momentu, poãet siloãar procházejících hfiídelem se zvy‰uje. Magnetostriktivní snímaã lze umístit po stranû hfiídele, pouÏívají se dvû primární a dvû sekundární vinutí. Lze také pouÏít sestavu s velk˘m poãtem primárních a sekundárních vinutí, která jsou uspofiádána v prstenci okolo hfiídele. Magnetoelastick˘ snímaã kroutícího momentu mûfií zmûny permeability mûfiením zmûn svého vlastního elektro-

56

âíslo 3

magnetického pole. Jeden magnetoelastick˘ snímaã je konstruovan˘ jako tenk˘ prstenec, pevnû pfiipojen˘ ke hfiídeli z nerezavûjící oceli. Tato sestava pracuje jako permanentní magnet, jehoÏ magnetické pole je úmûrné velikosti kroutícího momentu pÛsobícího na hfiídel. Hfiídel je vloÏen˘ mezi hnací

motor a pohánûné zafiízení, napfiíklad ‰roubovací, upínací, mechanismus. Vzniklé magnetické pole se snímá magnetometrem a pfievádí se na elektrick˘ v˘stupní signál, kter˘ je úmûrn˘ velikosti kroutícího momentu. T

Literatura • Omegadyne

® Pressure, Force, Load, Torque Databook, OMEGADYNE, Inc., 1996.

• The Pressure, Strain and Force Handbook . Omega Press LLC, 1996. • Industrial Control Handbook, E.A. Parr, Butterworth, 1995. • Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995. • Instrumentation Reference Book, 2nd Edition, B.E. Nolting, Butterworth TM

Heinemann, 1995.

• Overcoming the High Cost of Torque Sensing in Industrial Applications, Darrell Williams, Eaton Corp., 1998.

• Process/Industrial Instruments and Controls Handbook. 4th Edition,


• Sensor and Analyser Handbook. H.N. Northon, Prentice Hall, 1982 • Sensors: The Next Wave of Infotech Innovation, Paul Saffo, Institute for the Future, 1998.

• Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia, Douglas M. Considine and Glen D. Considine, Van Nostrand 1997.

• Vibration Analysis for Electronic Equipment, 2nd Edition, Dave S. Steinberg, Wiley, 1988.

ZPRAVODAJ

7


Konstrukce silomûrÛ Funkãní principy

Konstrukce siloměrů

N

eÏ se zaãaly pro váÏení v prÛmyslu pouÏívat metody vyuÏívající tenzometrické silomûrné krabice, silomûry, dále: silomûry, pouÏívaly se bûÏnû pro váÏení mechanické pákové váhy. Mechanick˘mi váhami lze váÏit v‰e poãínaje tabletkami a konãe Ïelezniãními vagony. Jsou-li mechanické váhy správnû kalibrovány a správnû udrÏovány, poskytují pfiesné a spolehlivé v˘sledky. Pro váÏení se buì pouÏívá vyrovnávací mechanizmus, kter˘m se Obrázek 7-1: Srovnání rÛzn˘ch fie‰ení silomûrÛ TYP SILOMùRU VÁÎÍCÍ ROZSAH P¤ESNOST mechanické silomûry hydraulické aÏ 0.25% 4 500 000 kg pneumatické velk˘ velká

Moderní snímaãe Sestavy tenzometrÛ

V kapitole 2 bylo detailnû ukázáno, Ïe tento WheatstoneÛv mÛstek je ideální i pro mûfiení zmûn odporu, které se objevují na tenzometrech. I kdyÏ byl první spojn˘ drátov˘ tenzometr vyvinut˘ v roce 1940, stala se tato nová technologie technicky a ekonomicky pouÏitelná teprve poté, aÏ zaãaly b˘t k dispozici moderní elektronické prostfiedky. Od svého vzniku se tenzometry ‰ífiily zejména jako souãásti mechanick˘ch vah a jako vybavení samostatnû pracujících silomûrÛ.

vají v instalacích ve vzdálen˘ch odlehl˘ch místech, protoÏe pro svou ãinnost nevyÏadují napájecí energetick˘ zdroj. Tenzometrické silomûry nabízejí pfiesnost mazi 0.03 % aÏ 0.25 % z plného rozsahu pfiístroje a jsou vhodné pro témûfi v‰echny prÛmyslové aplikace. V aplikacích ve kter˘ch není vyÏadována velká pfiesnost, takov˘mito aplikacemi je napfiíklad váÏení pfii pfiepravû volnû sypaného materiálu nebo váÏení nákladních automobilÛ, se stále bûÏnû pouÏívají mechanické plo‰inové váhy.

POUÎITÍ

V¯HODY

NEV¯HODY

nádrÏe, zásobníky a násypníky nebezpeãná prostfiedí potravináfisk˘ prÛmysl nebezpeãná prostfiedí

sná‰ejí velké rázy nejsou citlivé na teplotu

drahé, sloÏité

vnitfinû (jiskrovû) bezpeãné neobsahují kapaliny

pomalá odezva vyÏadují ãist˘, such˘ vzduch tenzometry jsou vystaveny pÛsobení vnûj‰ího prostfiedí, vyÏadují ochranu

tenzometrické silomûry nosník namáhan˘ na ohyb

5-2200 kg

0.03%

nádrÏe, plo‰inové váhy

malá cena jednoduchá konstrukce

nosník namáhan˘ na smyk

220 000 kg

0.03%

nádrÏe, plo‰inové váhy nevycentrované zatíÏení

kanistrov˘ (stonkov˘) silomûr prstencové silomûry

2-22 000 kg 22 000 kg 90 kg

0.05%

aut., kolej., zásob., násyp. váhy, váÏ. nádrÏí

1%

nádrÏe, zásobníkové váhy malé rozsahy

vysok˘ odpor proti boãnímu zatíÏení lep‰í tûsnûní a ochrana sná‰í pohyb zátûÏe není ochrana proti horizont. zatíÏení vyrobeny plnû z nerezavûjící ocele není pfiípustn˘ pohyb zatíÏení malé, levné zatíÏení musí b˘t centrované není pfiípustn˘ pohyb zatíÏení

18 000 kg

0.2%

membránové (knoflíkové) silomûry jiné typy silomûrÛ silomûry se ‰roubovicovou pruÏinou silomûry s optick˘mi vlákny piezorezistivní silomûry

0.1% 0.03%

vyvaÏuje mûfiená váha, nebo se mechanicky mûfií síla, kterou váÏen˘ objekt na váhu pÛsobí. Mezi tyto prvotní silomûry, konstruované bez pouÏití tenzometrÛ, patfií také silomûry vyuÏívající rÛzné hydraulické a pneumatické konstrukce. V roce 1843 navrhl anglick˘ fyzik Sir Charles Wheatstone mÛstkov˘ obvod pro mûfiení elektrického odporu. ZPRAVODAJ

plo‰in. váhy, vys. vozíky, zatíÏení kol a náprav, váÏení zatíÏení sedadel kabely a vodiãe rozvodÛ el. energie zatíÏení ‰roubov˘ch a vrutov˘ch úchytÛ

sná‰í zatíÏení, které nepÛsobí v ose zátûÏe, pfietíÏení rázy nejsou citlivé na vysokofrek. radiové nebo jiné elektromag. ru‰ení mimofiádnû citlivé vysoká úroveÀ v˘stupního signálu

Dnes ve váÏícím prÛmyslu dominují, s v˘jimkou nûkter˘ch laboratofií, kde se stále pouÏívají mechanické jaz˘ãkové váhy, tenzometrické silomûry. Pneumatické silomûry se nûkdy pouÏívají v aplikacích, kde se poÏaduje vnitfiní (jiskrová) bezpeãnost zafiízení nebo dodrÏování zvlá‰tních hygienick˘ch norem. Hydraulické silomûry se pouÏí-

velká cena, nelineární charakteristika

I v tûchto aplikacích se ale síly, pfiená‰ené mechanick˘mi pákami vah, ãasto mûfií pomocí tenzometrick˘ch silomûrÛ. DÛvodem je pfiirozená kompatibilita tenzometrick˘ch silomûrÛ s návaznou ãíslicovou, na práci poãítaãÛ vázanou, pfiístrojovou technikou. Charakteristiky a moÏnosti rÛzn˘ch fie‰ení silomûrÛ jsou shrnuty na obrázku 7-1. âíslo 3

57

Konstrukce silomûrÛ

7

vnitfiní teplotní kompenzace

vnitfiní vyváÏení mÛstku nastavení modulu pruÏnosti

v˘stup

tenzometry

odpor obvodu vyváÏení mÛstku

vnitfiní vyváÏení mÛstku

odpor obvodu teplotní kompenzace vstup

Obrázek 7-2: WheatstoneÛv mÛstek s teplotní kompenzací

Funkční principy Silomûry je moÏno rozdûlit podle toho, jak˘ typ signálu generují (pneumatické, hydraulické, elektrické), nebo podle principu, jak˘m na váhu reagují (ohyb, smyk, komprese, nataÏení, atd.). Hydraulické silomûry jsou zafiízení, u kter˘ch je zatûÏující síla vyvaÏovaná, váha se mûfií tlakem vnitfiní tekuté náplnû silomûru. U typu silomûru, pracujícího s vlnovcovou membránou pÛsobí zatíÏení, nebo síla, na hlavici silomûru, odtud se pfiená‰í na píst, kter˘ stlaãuje kapalinovou náplÀ, uzavfienou v pruÏné elastomerické membránové komÛrce.S rÛstem pÛsobící síly roste tlak hydraulické tekutiny. Tlak tekutiny lze mûfiit lokálnû, nebo lze údaje o tlaku vysílat pro úlohy dálkového ovládání a fiízení. Snímaã má lineární charakteristiku, v˘stupní signál je relativnû málo závisl˘ na mnoÏství plnící kapaliny nebo na její teplotû. Je-li silomûr správnû instalován a je-li fiádnû kalibrován, je jeho pfiesnost alespoÀ 0.25 % z plného roz58

âíslo 3

sahu pfiístroje. Tato pfiesnost je pfiijatelná pro vût‰inu prÛmyslov˘ch váÏení. ProtoÏe hydraulick˘ silomûr nemá elektronické prvky, je ideální pro práci v nebezpeãn˘ch prostfiedích. Jednou z nev˘hod hydraulického silomûru je, Ïe elastomerická membrá-

provedení, tyto silomûry mohou pracovat s mnohem vût‰ími tlaky. Speciální hydraulické silomûry s kovovou mebránovou komÛrkou jsou konstruovány pro mûfiení váhy aÏ 4 500 000 kg. Mezi typické aplikace hydraulick˘ch silomûrÛ patfií váÏení nádob, zásobníkÛ, násypníkÛ. Aby se dosáhlo maximální pfiesnosti mûfiení, provede se váÏení nádoby tak, Ïe se pod kaÏd˘ bod, ve kterém je nádoba podepfiena, umístí jeden snímaã a celková váha nádoby se urãí jako souãet zmûfien˘ch zatíÏení. ProtoÏe je rovina urãena tfiemi body, je nejlep‰ím fie‰ením podepfiít váÏenou nádobu ve tfiech bodech. V˘stupní signály silomûrÛ lze pfiivést do hydraulického sumátoru, hydraulick˘ sumátor seãítá vstupní tlaky, v˘stupní tlak sumátoru je roven souãtu vstupních tlakÛ. Lze také pouÏít elektronick˘ sumátor. Pneumatické silomûry pracují rovnûÏ na principu vyvaÏování zatûÏující síly. Aby mûla tato zafiízení lep‰í pfiesnost neÏ jaké mohou dosáhnout hydraulické snímaãe síly, pracují s mnohonásobn˘mi pruÏn˘mi tlumícími komÛrkami. V nûkter˘ch fie‰eních silomûrÛ

Membránové (knoflíkové) silomûry pro mûfiení tlakov˘ch sil

na omezuje maximální sílu, pÛsobící na píst, na asi 10 000 psig. K dispozici jsou také v˘robky které mají celokovové

slouÏí jako vyvaÏovací komÛrka první komÛrka silomûru. Pneumatické silomûry se ãasto pouÏívají pro mûfiení relaZPRAVODAJ

7

tivnû mal˘ch vah v prÛmyslu, kde je prioritním poÏadavkem dodrÏení ãistoty a bezpeãnosti funkce. V˘hodou tohoto typu silomûrÛ je, Ïe

Silomûr s nosníkem ve tvaru "S" pro mûfiení tlakov˘ch nebo tahov˘ch sil

jsou vnitfinû, jiskrovû, bezpeãné a Ïe jsou necitlivé na kolísání teploty. Neobsahují také Ïádné kapaliny, kter˘mi by mohly kontaminovat své okolí v pfiípadû prasknutí membrány. Mezi jejich nev˘hody patfií relativnû pomalá odezva, a také to, Ïe pro svoji práci potfiebují ãist˘ such˘ vzduch nebo dusík. Tenzometrické silomûry pfievádûjí zatíÏení, které na silomûr pÛsobí, na elektrick˘ signál. Samotné tenzometry jsou pfiipevnûny na nosník, nebo na jin˘ ãlen konstrukce silomûru, kter˘ se pÛsobením pfiivedené síly nebo váhy mechanicky deformuje. Pro dosaÏení maximální citlivosti silomûru a pro realizaci jeho teplotní kompenzace se ve vût‰inû pfiípadÛ realizují silomûry se ãtyfimi tenzometry. Dva tenzometry jsou obvykle namáhány kompresí, druhé dva jsou namáhány tahem. Jsou zapojeny do mÛstku podle obrázku 7-2, mÛstek zahrnuje teplotní kompenzaci tenzometrÛ. Pfii zatíÏení silomûru se mûní pomûrné prodlouÏení snímané tenzometry a jejich odpor se mûní úmûrnû váze, která na silomûr pÛsobí. S rÛstem pfiesnosti tenzometrick˘ch silomûrÛ a se sniÏováním jejich ceny se ZPRAVODAJ

postupnû stávají jiné typy silomûrÛ pomalu neznámé. Nûkteré z jin˘ch fie‰ení silomûrÛ se ale stále tû‰í, v urãit˘ch oblastech pouÏití, pozornosti: • Piezorezistivní silomûry. Princip funkce piezorezistivních silomûrÛ je odobn˘ principu tenzometrick˘ch silomûrÛ. Piezoelektrické silomûry mají velk˘ v˘stupní signál. Tím se stávají ideálním prvkem pro jednoduché váÏní systémy, ponûvadÏ je lze pfiipojit pfiímo k ukazovacímu pfiístroji vah. Tato v˘hoda v‰ak jiÏ ponûkud ztrácí na v˘znamu protoÏe jsou dnes k dispozici levné lineární zesilovaãe. Navíc, nev˘hodou piezorezistivních zafiízení je i jejich nelineární charakteristika. • Induktanãní a reluktanãní silomûry. Zafiízení obou dvou typÛ reagují na zatíÏení úmûrnou zmûnou polohy feromagnetického jádra. U prvního typu se mûní induktance cívky solenoidu v dÛsledku pohybu jeho jádra, u druhého typu se mûní reluktance velmi malé vzduchové mezery. • Magnetostriktivní silomûry. Funkce tohoto pfievodníku je zaloÏena na zmûnû permeability feromagnetického materiálu, ke které dochází, je-li v materiálu mechanické napûtí. Snímaã je konstruovan˘ tak, Ïe zatûÏovan˘ element je tvofien˘ sloupcem z navrstven˘ch plechÛ. Sloupec tvofií jádro pro primární a sekundární vinutí transformátoru. Pfii pÛsobení zatíÏení zpÛsobuje mechanické napûtí v materiálu jádra zmûnu magnetického toku jádrem. V˘sledn˘ elektrick˘ signál je úmûrn˘ velikosti pÛsobícího zatíÏení. Magnetostriktivní silomûr je masivní a odoln˘ snímaã, je stále pouÏívan˘ pro mûfiení síly a váhy ve válcovnách, napfi. ve válcovnách plechu a válcovnách pásku.


Moderní snímače V oblasti novû vyvíjen˘ch snímaãÛ se vûnuje stále více pozornosti snímaãÛm s optick˘mi vlákny. Tyto snímaãe jsou necitlivé na ru‰ení elektromagnetick˘mi poli, a to jak na ru‰ení vysokofrekvenãními radiov˘mi polí (RFI), tak na ru‰ení

nosník namáhan˘ na ohyb

mûchy A B

zatûÏovací síla C D

tenzometr

A) binokulární zatûÏovací síla

B) prstenec zatûÏovací síla zatûÏovací síla P-P

P

P

C) nosník namáhan˘ na smyk zatûÏovací síla

D) stonkov˘ snímaã

zatûÏovací síla

tenzometry ‰roubov. pruÏina E) ‰roubovicová pruÏina

Obrázek 7-3: Prvky silomûrÛ s nosníky a perem

elektromagnetick˘mi poli síÈov˘ch kmitoãtÛ (EMI). Jsou vhodné pro aplikace pfii vy‰‰ích teplotách, jsou vnitfinû, jiskrovû, bezpeãné. Práce na v˘voji optick˘ch silomûrÛ pokraãují. Jako slibné se ukazuje pouÏité dvou principÛ mûfiení: mûfiení síly âíslo 3

59


7

mûfiením ztrát, které vznikají na mikroohybech jednoho optického vlákna a mûfiení síly s vyuÏitím vlnové mfiíÏky BFG (Fieber Bragg Grating). Optické snímaãe zaloÏené na v˘‰e uveden˘ch dvou technikách jsou provoznû ovûfiovány a testovány v japonském Hokkaido, kde se pouÏívají k mûfiení váhy, kterou zatûÏuje elektrická vedení sníh. Na trhu je jen málo snímaãÛ síly, pracujících na principu optick˘ch vláken. Instalaci vláknového optického snímaãe pomûrného prodlouÏení lze provést tak, Ïe se do vrutu nebo do ‰roubu vyvrtá otvor o prÛmûru 0.5 mm, a poté se do otvoru snímaã zasune. Takov˘to snímaã je zcela necitliv˘ na namáhání zatíÏením které neleÏí v ose snímaãe, je zcela necitliv˘ i na namáhání krutem, torzí. Miniaturní silikonové silomûry se dosud na trhu neobjevily, jejich v˘voj v‰ak probíhá. Na universitû v Twente, Holandsko, pokraãují práce na v˘voji zapouzdfieného monolitického miniaturního silomûru a je moÏné, Ïe silikonové silomûry budou mít v budoucnu v prÛmyslu dominantní postavení.

mého nosníku, kter˘ je na jednom konci pfiipevnûn˘ k základnû. Na druh˘ konec nosníku pÛsobí zatíÏení. Tvar nosníku mÛÏe b˘t stejn˘ jako je tomu u nosníku krákorce, mÛÏe mít tvar s otvory pfiipomínajícími dvû oãi (Obrázek 7-3A), nebo mÛÏe mít prsten-

ny krytem z polyuretanu. Prstencové silomûry mají kruhové rovné pero namáhané na ohyb, spojné fóliové tenzometry jsou pfiipevnûné v uzavfiené ocelové hrabici. Celé uspofiádání se podobá ploché pánvi s palaãinkou (Obrázek 7-3 B). Prstencové

Typick˘ kanystrov˘ (stonkov˘ válcov˘) silomûr pro velká zatíÏení

Sestavy tenzometrů PruÏné elementy, pera (naz˘vají se také nosník, beam), reagují v silomûrech na pfiímo pÛsobící namáhání, nebo na ohybové namáhání, nebo na smykové namáhání. Obvykle jsou naz˘vány názvy, které toto namáhání vystihují, jako napfiíklad nosník namáhan˘ na ohyb, nosník namáhan˘ na smyk, kanistr, stonek, válec, ‰roubovicová pruÏina, atd. (Obrázek 7-3). V prÛmyslu se nejãastûji pouÏívají silomûry se snímaãem s nosníkem namáhan˘m na ohyb a se snímaãem s nosníkem, namáhan˘m na smyk. Snímaã s nosníkem namáhan˘m na ohyb je jednoduch˘ a je relativnû levn˘. Proto je základem jednoho z nejoblíbenûj‰ích fie‰ení silomûru. Sestává z pfií60

âíslo 3

cov˘ tvar (Obrázek 7-3 B). Tenzometry se instalují na horní ãást a na dolní ãást nosníku, mûfií se jimi síly zpÛsobující prodlouÏení a kompresi nosníku. ProtoÏe jsou tenzometry náchylné na zniãení, pfiikr˘vají se obvykle pryÏov˘mi mûchy. Vlastní nosník je ãasto vyrábûn z masivní legované ocele a je chránûn˘ pokovením niklem. Pro lékafiské pfiístroje, pro roboty a pro jiné podobné aplikace, kde se pracuje s mal˘m zatíÏením, jsou k dispozici snímaãe s miniaturními nosníky, urãen˘mi pro mûfiení zatíÏení aÏ do zhruba 40 liber (18 kg).Pro zatíÏení do 230 g se nosník vyrábí z beryliové mûdi, pro vût‰í zatíÏení se pouÏívá nerezavûjící ocel. U tûchto fie‰ení snímaãÛ jsou tenzometry obvykle chránû-

snímaãe urãené v˘hradnû pouze pro mûfiení kompresních sil lze instalovat do sestavy, která chrání pfiístroj tím, Ïe ho správnû polohuje, omezuje pohyb zatíÏení a soustfieìuje zatíÏení do stfiedu prstence. Zafiízení, která jsou urãená pro mûfiení tlakov˘ch i tahov˘ch zatíÏení mají díru se závitem procházející stfiedem snímaãe. Stabilizaãní kotouãe jsou pfiivafieny na aktivní dotek snímaãe. Snímaã s nosníkem namáhan˘m na smyk mûfií zkos ve smyku, vyvolan˘ pÛsobením zatíÏení. Snímaã s nosníkem namáhan˘m na ohyb zkos ve smyku mûfiit nemÛÏe, protoÏe smyková napûtí se v prÛfiezu snímaãe mûní. U snímaãe s nosníkem namáhan˘m na smyk má nosník tvar písmene I, zkos ve smyku je ZPRAVODAJ

7

na nûm konstantní a lze ho pfiesnû zmûfiit pomocí tenzometrÛ. Snímaã s nosníkem namáhan˘m na smyk (Obrázek 73 C) má na kaÏdé stranû I - nosníku umístûné dva tenzometry, odporové dráhy jejich mfiíÏek vedou ve smûru hlavních os nosníku. V˘hodou snímaãe s nosníkem namáhan˘m na smyk oprotí snímaãi s nosníkem namáhan˘m na ohyb je, Ïe lépe zvládá boãní zatíÏení, lépe mûfií dynamické síly a vrací se rychleji k nulové hodnotû. Silomûry mûfiící pfiímo pÛsobící namáhání (kanystrové silomûry, stonkové válcové silomûry) jsou v podstatû snímaã s nosníkem namáhan˘m na ohyb, nosník je tvofien˘ sloupkem, umístûn˘m uvnitfi masivní válcové krabice (Obrázek 7-3 D). Stonkov˘ snímaã je umístûn ve vzpfiímené poloze, dva ze ãtyfi tenzometrÛ jsou pfiipevnûné na stonek v podélném smûru, druhé dva tenzometry jsou orientovány pfiíãnû. Sloupek mÛÏe mít ãtvercov˘ nebo kruhov˘ prÛfiez, sloupek s kruhov˘m prÛfiez mÛÏe mít zhotovené na stranách plo‰ky pro pfiipevnûní tenzometrÛ. Je-li kanystrov˘ silomûr vybaven˘ kyvnou montáÏí, nebo je-li umístûn˘ v samopolohovacích opûrn˘ch loÏiskách, mÛÏe b˘t pfii váÏení pfiípustná urãitá míra pohybu nádrÏe. Kanystrov˘ silomûr a je relativnû málo citliv˘ na zmûnu bodu, ve ktrém na nûj zatíÏení pÛsobí. Válcová krabice také chrání tenzometry pfied fyzick˘m, mechanick˘m, po‰kozením a pfied vlivy okolního prostfiedí. Rozsahy kanystrov˘ch silomûrÛ se pohybují v rozmezích od "knoflíkov˘ch" silomûrÛ s prÛmûrem 38 mm, tyto mûfií zatíÏení od 45 - 220 kg , po snímaãe kompresního zatíÏení s prÛmûrem 165 mm urãené pro váÏení nákladních automobilÛ, nádrÏí a násypníkÛ, tyto mûfií zatíÏení do 220 000 kg. Silomûry se ‰roubovicovou pruÏinou se vypofiádají se zatíÏením, pÛsoZPRAVODAJ

bícím mimo osu snímaãe, lépe neÏ kanystrové silomûry pro mûfiení kompresního zatíÏení (Obrázek 7-3 E). Funkce silomûru se ‰roubovicovou pruÏinou je zaloÏena na principu funkce pera. Pero vyrovnává pÛsobící sílu sv˘m vlastním kroutícím momentem. Reaktivním kroutícím momentem je pero namáháno po celé své délce, deformace se ‰ífií ke konci pera od zatûÏovaného zaãátku pera. Mûfiení kroutícího momentu lze provést tenzometry, pfiipevnûn˘mi na pero. Silomûr se ‰roubovicovou pruÏinou mÛÏe umoÏÀovat dostateãnû pfiesné mûfiení zatíÏení bez poÏadavku na drahou montáÏ. Síly vyvolané asymetrick˘m nebo vyosen˘m zatíÏením mají na pero jen mal˘ vliv. Silomûry se ‰roubovicovou pruÏinou mohou mûfiit jak tlakové, kompresní síly, tak tahové síly. Silomûry se ‰roubovicovou pruÏinou lze umístit na hrubé povrchy, lze je pouÏít dokonce i tehdy, kdyÏ nejsou horní a dolní povrch rovnobûÏné, i v tûchto pfiípadech mÛÏe b˘t mûfiení provádûno s celkovou chybou men‰í neÏ 0.5 %. Silomûr se ‰roubovicovou pruÏinou je rovnûÏ odoln˘ proti rázÛm a pfietíÏení (mÛÏe zvládnout i tisíciná-


sobné pfietíÏení). Je proto ideálním nástrojem pro mûfiení sil nebo zatíÏení pÛsobících na nápravy vozidel, sedadel, vysokozdviÏné vozíky. Membránové silomûry se spojn˘mi tenzometry jsou k dispozici od prÛmûru 6 - 38 mm. Nejmen‰í silomûry jsou k dispozici pouze v provedení pro mûfiení kompresních sil, nûkteré z vût‰ích typÛ mají ale provrtané otvory, umoÏÀující také jejich instalaci pro mûfiení tahov˘ch sil. Vût‰ina z tûchto mal˘ch silomûrÛ má mûfiící rozsah do pfiibliÏnû 90 kg. Nûkteré mohou ale mûfiit zatíÏení aÏ do 22 000 kg. ProtoÏe tyto malé silomûry nemají odpovídajíécí upínací pfiíslu‰enství a nejsou ohebné, není pfiípustné aby byly namáhány zatûÏovací silou která nepÛsobí v ose snímaãe, nebo pohyblivou zátûÏí. Na druhé stranû jsou membránové silomûry nesmírnû praktické a jejich pouÏití je neobyãejnû snadné. I ten nejmen‰í snímaã je vyroben˘ z nerezavûjící ocele, má zabudovan˘ úpln˘ WheatstoneÛv mÛstek se ãtyfimi aktivními prvky, mÛÏe mûfiit síly aÏ 90 kg a pracovat pfii teplotû aÏ 800 °C. T


Pressure, Force, Load, Torque Databook. OMEGADYNE, Inc., 1996. ®

• The Pressure, Strain and Force Handbook . Omega Press LLC, 1996. • Elements of Electronic Instrumentation and Measurements, 3th TM

Edition, Joseph J Carr, Prentice Hall, 1996.

• Industrial Control Handbook, E.A. Parr, Butterworth, 1995. • Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995. • Process/Industrial Instruments and Controls Handbook, 4th Edition, Douglas M. Considine and Glen D.Considine, McGraw-Hill, 1993.


• Weighing and Force Measurement in the ‘90s, T. Kemeny, IMECO TC Series, 1991.

âíslo 3

61

8

Mù¤ENÍ SÍLY A ODVOZEN¯CH VELIâIN Aplikace ve váÏících systémech Kontrukce váÏícího sytému

Aplikace ve vážících systémech

Instalace & kalibrace Úãelovû zamûfiené montáÏe

Ř

e‰ení prvních váÏících systémÛ bylo zaloÏeno na pracích Archimeda a Leonarda da Vinci. Hledaná váha se urãovala tak, Ïe se posunem kalibrovaného protizávaÏí na rameni mechanické páky páka vyrovnávala. Variantou k tomuto fie‰ení je pouÏití víceramenné páky, kaÏdé rameno má jinou délku a je vyvaÏováno jedním normovan˘m standardním závaÏím. Pozdûji byla tato normovaná závaÏí nahrazena kalibrovan˘mi pery. Zlep‰ení v oblasti materiálu a v˘robní technologie vedlo k tomu, Ïe se tyto váhy staly pfiesn˘mi a spolehliv˘mi. Zavedení hydraulick˘ch a elektronic-

k˘ch (obvykle tenzometrick˘ch) silomûrÛ znamenalo první velkou zmûnu v technice a technologii váÏení. V dne‰ních v˘robních závodech je ve vût‰inû aplikací dávána pfiednost elektronick˘m silomûrÛm. PouÏívají se zde ale stále i mechanické pákové váhy, a to v pfiípadech, kdyÏ se jedná o manuální ãinnost a kdyÏ obsluhující personál a údrÏba dává pfiednost jednoduchosti. Mechanické pákové váhy jsou také pouÏívány ve velkém poãtu aplikací, vyskytují se napfiíklad jako mostní váhy pro váÏení nákladních automobilÛ, kolejové Ïelezniãní váhy, váhy u násypníkÛ, váhy pro váÏení nádrÏí, plo‰inové váhy, jefiábové váhy. Posun nulové

nádoba se tfiemi silomûry

jistící tyã (je-li poÏadována) je-li to moÏné, umístûte na v˘‰ku tûÏi‰tû pfii plném zatíÏení nádoby

opûra dna nastavená o s odchylkou lep‰í neÏ + 1 opûrná rovina

silomûr Poznámka: Umístûte tyãe co neblíÏe k opûrné rovinû nádoby Tyãe instalujte nakonec: dosáhnûte vodorovné roviny s odchylkou men‰í neÏ + 1/2o

nádoba se ãtyfimi silomûry

pfiesazen˘ otvor s vÛlí

mezera 1/16" aÏ 1/18" (uloÏení na obou koncích) v˘ztuha opûrná tyã (pouze tah) pevná opûrná konstrukce: odchylka je pro v‰echna místa, kde jsou umístûny silomûry, v podstatû stejná

hodnoty a posun mûfiítka, které na vahách vznikají pozvoln˘mi zmûnami teploty lze korigovat manuálním dostavením vah nebo pomocí korekãních faktorÛ. Dobfie udrÏované a dobfie kalibrované mechanické váhy mají velkou pfiesnost. PouÏívají se proto jako obchodní normály a jsou pfiijatelné pro státní orgány. Váhy, vyrovnávající zatíÏení reakcí pera jsou rovnûÏ jednoduché, a jsou-li vyrobeny z vysoce legovan˘ch slitin (jejichÏ modul pruÏnosti není ovlivÀovan˘ zmûnami teploty), mohou b˘t, jsou-li správnû kalibrovány a udrÏovány, docela pfiesné. Tyto váhy jsou levné a nejlépe se hodí pro mûfiení mal˘ch zatíÏení. Cílem kaÏdého váÏícího systému je získat údaje o hodnotû hrubé váhy, ãisté váhy, nebo sypné váhy, nebo nûjaké kombinace tûchto údajÛ. Pro získání údaje o ãisté váze obsahu násoby vyÏaduje provést dvû mûfiení: zmûfiit celkovou váhu nádoby a váhu prázdné nádoby. âistá váha se urãí jako rozdíl první a druhé váhy. Mûfiení sypné váhy vyÏaduje váÏení velk˘ch objemÛ materiálu. Celková váha se ãasto získá tak, Ïe se váÏí pfiírÛstky materiálu a seãtením jejich vah se obdrÏí celková sypná váha. Tento postup umoÏÀuje zmen‰it rozmûr váÏícího systému, sníÏit jeho cenu a nûkdy také zv˘‰it pfiesnost váÏení. Pro mûfiení sypné váhy lze také pouÏít pásové váhy. Tato metoda je ménû pfiesná, protoÏe se celková váha urãuje jako integrál ze souãinu rychlosti pásu a zatûÏování pásu za urãit˘ ãasov˘ interval. Dávkovací váÏící systémy jsou urãeny pro splnûní poÏadavkÛ prÛmyslov˘ch pfiedpisÛ na pfiesné dávkování daného poãtu rÛzn˘ch materiálÛ, které mají b˘t míchány nebo které mají vstupovat do chemické reakce, do spoleãné sbûrné nádoby.

Obrázek 8-1: Usazení nádoby

62

âíslo 3

ZPRAVODAJ

8

Konstrukce vážícího systému

PÛsobí-li zatíÏení ve smûru osy válcového silomûru, vyvolává jeho napnutí nebo stlaãení, kompresi. PÛsobí-li na nosník, vyvolává jeho ohyb nebo torzi. Nosníky mohou b˘t instalovány v konfiguraci, kde je namáhan˘ buì jeden konec, nebo nebo dva konce nosníku.

nádoby a pfiíslu‰enství, vzhledem v váze náplnû nádoby pfiíli‰ velká, sniÏuje se pfiesnost mûfiení. Tlakové nádoby pod tlakem a nádoby s plá‰ti pro vyhfiívání parou nebo plynnou fází vyÏadují dal‰í kompensaci, protoÏe se váha páry pfii zmûnách teploty a tlaku mûní. Dokonce i nádoba

Aplikace ve váÏících systémech

silomûru. Pfii práci mimo typické teplotní meze - 20 °C aÏ 70 °C je tfieba provádût dodateãnou korekci mûrn˘ch dat, jinou moÏností je regulovat teplotu v okolí silomûru. Silomûr by mûl b˘t také chránûn pfied siln˘m ohfievem sáláním zejména tehdy, byla-li by takto ohfiívána pouze jedna jeho strana.

uÏivatelova opûrná konzola

klínová konsola na nádobû tfimen opory (opora mÛÏe b˘t vybavena tfimenem)

nosník snímaãe

nádoba

opora

díl se závitem

Obrázek 8-2: Krákorcové silomûry sniÏují poÏadavky na usazení váÏeného tûlesa

Hlediska pfii rozhodování mezi obûma moÏnostmi zahrnují konstrukãní poÏadavky, poÏadavky na stabilitu, a s tím spojené ohledy na cenu, sloÏitost a úplnost fie‰ení a na potfieby údrÏby. Vybran˘ silomûr by mûl b˘t vÏdy vhodn˘ pro práci v daném pracovním prostfiedí pokud se t˘ká odolnosti proti korozi, elektrické bezpeãnosti (jsou k dispozici snímaãe ve tfiídû odpovídající vnitfiní, jiskrové, bezpeãnosti), odolnosti pfii postfiíkání hadicí, atp. Prvním krokem pfii v˘bûru silomûrÛ je urãení celkové váhy, které bude silomûr vzdorovat (hrubá váha). Celková váha je souãet ãisté váhy obsahu nádoby, váhy vlastní nádoby a k nádobû pfiipojeného vybavení – vãetnû vypou‰tûcích ventilÛ, pfiístrojÛ, míchaãÛ a jejich motorÛ, ÏebfiíkÛ, ohfiívacích plá‰ÈÛ a jejich obsahÛ, - a kaÏdé dal‰í váhy, kterou mohou na nádobu pfienést trubky nebo vodiãe. Je-li tára, váha ZPRAVODAJ

o obsahu 19 000 l, která obsahuje pouze vzduch, je pfii stejné okolní teplotû a vzrÛstu tlaku o jednu atmosféru tûÏ‰í o 20 kg.

• Provedení vážících systémů Provedení váÏícího systému je ovlivnûno mnoha faktory. Mezi tyto faktory patfií teplota, vibrace, pohyb konstruce, okolní prostfiedí, údrÏba. Vût‰ina systémÛ je obvykle vybavena teplotní kompenzací, rozsah teplotní kompenzace by mûl b˘t vÏdy vût‰í, neÏ je pfiedpokládan˘ rozsah pracovních teplotních zmûn a teplotních zmûn okolního prostfiedí. JestliÏe je váÏená nádoba horká (nebo studená), je moÏno systém vybavit teplotními izolaãními vloÏkami umístûn˘mi mezi nádobu a silomûr. U vût‰iny obvodÛ vysoce kvalitních tenzometrick˘ch silomûrÛ je realizováno nastavení teplotní kompenzace polohy nuly a teplotní kompenzace mûfiítka

V prÛmyslu v˘roby a zpracování kovÛ musí b˘t silomûry schopny pracovat nepfietrÏitû pfii teplotách aÏ 260 °C. Aplikace tenzometrÛ pfii vysok˘ch teplotách jsou ãasto omezeny pojidly, slouÏícími k jejich pfiichycení a vyztuÏení. V aplikacích, kde se mûfií pfii vysok˘ch teplotách, lze provést montáÏ drátkÛ ze slitiny citlivé na pomûrné prodlouÏení pomocí anorganického (keramického) pojiva. Jinou moÏností je pouÏít technologii naná‰ení kovÛ plamenem. Touto technikou se mfiíÏka z materiálu citlivého na pomûrné prodlouÏení pfiichycuje k tûlesu tak, Ïe se na ni napra‰uje roztaven˘ oxid hliníku. Tato montáÏ umoÏÀuje krátkodobû pracovat pfii teplotách aÏ 540 °C. Vlivy vibrací lze minimalizovat odddûlením podpûr váÏícího systému od konstrukcí nebo od betonov˘ch základÛ, které nesou motory nebo jiná zafiízení zpÛsobující vibrace, nebo které âíslo 3

63


8

jsou ovlivÀovány sousední vozidlovou dopravou. K dispozici jsou podloÏky pro tlumení, absorbci, vibrací, kter˘mi se izoluje silomûr od vibrací nádoby. Nejlep‰ího v˘sledku se ale dosáhne, pouÏijí-li se tlumící podloÏky u zdroje vibrací. Také vysílaãe signálu nesoucího údaj o mûfiené váze lze vybavit filtrací zbytkového ‰umu, kter˘ vzniká v dÛsledku vibrací. Nejlep‰í ale je, pokud vibrace vÛbec nevznikají. Je-li to moÏné, je pfii váÏení vÏdy vhodné uzavfiít v‰echny pfiítoky a odtoky a vypnout v‰echny motory a mixery a míchaãe které jsou na nádrÏ pfiipojeny. U nádob s pohybujícím se obsahem by mûly b˘t pfiidány odrazné, usmûrÀovací, desky, slouÏící pro potlaãení vzdouvání, vlnûní a vífiení obsahu. Okolní prostfiedí silomûru se dynamicky mûní, silomûr proto vyÏaduje provádûní periodické kontroly. Periodická kontrola by mûla zahrnovat úsilí pro udrÏení silomûru (silomûrÛ) kabeláÏe a odpovídajících rozvadûãÛ

mûla zahrnovat kontrolu okolního prostfiedí silomûru, kontrolu konstrukcí, kabeláÏe a rozvadûãÛ (zkontroluje se zda nejsou vlhké, zkontroluje se utaÏení svorek), nastavní opûrn˘ch a jistících tyãí, a také periodickou kalibraci a kontrolu silomûru, slouÏící k potvrzení správného vyváÏení zatíÏení. Silomûry mohou odolávat boãnímu zatíÏení o velikosti aÏ 200% z maximální hodnoty jejich rozsahu. Pokud do‰lo k nárazu vozidla do nádoby, nebo pokud byla nádoba jinak postiÏena, mûlo by se zkontrolovat, zda nebyl silomûr po‰kozen˘ a mûla by b˘t provedena nová kalibrace silomûru. Provûrky a kontrolní práce které jsou vázané na údrÏbu by se mûly provádût jak pfii naplnûné, tak pfii nenaplnûné nádobû a také pfii v‰ech moÏn˘ch teplotách nádoby a konstrukce.

• Opěrná konstrukce nádoby Druh˘m krokem pfii návrhu systému je v˘bûr poÏadované konstrukce pro pfii-

smûr jí

zdy

silomûr hlavní boãní hrazení plo‰iny

ocelov˘ a betonov˘ základ

podpûra silomûru

pfiipojení elektrick˘ch kabelÛ

paralelní spojovací prvek zavû‰ení

opûra spojovacího prvku zavû‰ení

Obrázek 8-3: Umístûní silomûru s nosníkem zatíÏen˘m na sv˘ch koncích, nosník je namáhan˘ na smyk

v prostfiedí bez neãistot, bez ledu nebo stojaté vody (nebo jin˘ch kapalin), silomûry by mûly b˘t odstínûné od tepeln˘ch zdrojÛ, pfiímého sluneãního záfiení, od vûtrÛ. Silomûry je také tfieba chránit pfied bleskem a pfied náhl˘mi v˘kyvy elektrick˘ch zdrojÛ. ÚdrÏba by 64

âíslo 3

drÏení nádrÏe. Nosníky namáhané na tah je moÏno pouÏít pouze pfii váÏení mal˘ch nádob, protoÏe snímaãe tahového napûtí mají pouze mal˘ rozsah. U konstrukcí kde se mûfií tahové síly se pouÏívá jeden snímaã aÏ ãtyfii snímaãe (obvykle jeden snímaã). U konstrukcí

kde se mûfií tlakové síly se pouÏívají tfii nebo více snímaãÛ. Neklade-li se dÛraz na velkou pfiesnos mûfiení (0.5% z plného rozsahu nebo men‰í), lze, obsahuje li nádrÏ kapalinu, sníÏit cenu mûfiícího systému nahrazením silomûrÛ jejich atrapami nebo nosníky namáhan˘mi na ohyb. Vertikální nádrÏe s kruhov˘m prÛfiezem se obvykle podpírají tfiemi podpûrami, pro podepfiení hranat˘ch nádob nebo horizontálních nádrÏí s kruhov˘m prÛfiezem se obvykle pouÏívají ãtyfii podpûry. Velmi objemné nádoby které jsou nevyváÏenû naloÏené, které obsahují nebezpeãné materiály, nebo které jsou náchylné na pfievrácení mohou b˘t vybaveny více silomûry. Není-li nádoba chránûna proti pÛsobení vûtru, musí b˘t rozsah silomûru zvût‰en na hodnotu, umoÏÀující práci pfii zvût‰eních a sníÏeních tlaku vûtru na nádobu, vyvolan˘ch nejhor‰ími nárazy vûtru. ProtoÏe je rovina definovaná tfiemi body, je pro pfiesné váÏení nejlep‰í pouÏít tfii silomûry, zátûÏ se v tomto pfiípadû pfiirozenû rozdûlí. Pfii pouÏití ãtyfi nebo více silomûrÛ je tfieba silomûry nastavit. Minimální rozsah (velikost) silomûru se urãí tak, Ïe se dûlí hrubá váha poãtem bodÛ, ve kter˘ch je nádoba podepfiena. Obvykle se zvolí standardní silomûr, jehoÏ rozsah je vy‰‰í neÏ vypoãítan˘ poÏadovan˘ rozsahu a je zároveÀ vypoãítanému poÏadovanému rozsahu nejbliÏ‰í. Nûktefií inÏen˘fii pfiidávají ke hrubé váze pfied provedením v˘‰e uvedeného v˘poãtu je‰tû 25% z hrubé váhy, uplatÀují tak 25procentní bezpeãnostní koeficient. Jiní je‰tû pfiidávají, pokud je pfied provádûním vlastního váÏení zátûÏ na váhu prudce poloÏena nebo upu‰tûna, koeficient pro dynamické zatíÏení. Je také v˘hodné, kdyÏ mají v‰echny silomûry v systému stejn˘ rozsah. Konstrukce která podepírá nádobu musí b˘t tuhá a stabilní, musí pfiitom dovolovat naprosto voln˘ pohyb nádoby ve vertikálním smûru. Konstrukce kaÏdého váÏícího systému by mûla b˘t nezávislá na konstrukcích drÏících jiné nádoby a na vozidlové dopravû. V˘sledná celková v˘chylka konstrukZPRAVODAJ

8

ce podepírající silomûry a konstrukce kterou silomûry podepírají, mûfiená mezi stavem kdy nádoba není naplnûná a stavem kdy je nádoba plnû naplnûná (vãetnû ohybu stûn nádoby), by nemûla pfiesahovat 1/1200 vzdálenosti mezi dvûma silomûry. Tato hodnota odpovídá úhlu 0.5 stupnû. U nûkter˘ch tfimenov˘ch montáÏí s nosníky namáhan˘mi na smyk mÛÏe b˘t tato hodnota ponûkud vût‰í. Kroutící moment podpûrného nosníku vzniká také následkem odklonu stojky podpûry. Aby konstrukce splÀovala projektované parametry, je také tfieba brát do úvahy nerovnomûrné zatíÏení vyvolané nerovnomûrn˘mi zmûnami rychlosti a smûru vûtru, pfii nerovnomûrn˘ch zvût‰eních a sníÏeních tlaku vûtru na nádobu. PouÏití vûtrného ‰títu je nepostradatelné v pfiípadech, kdy by bez jeho pouÏití docházelo k úplnému odlehãení nûkterého ze silomûrÛ. U vût‰iny silomûrÛ bude bez pouÏití vûtrného ‰títu docházet k chybám men‰ím neÏ 0.1 % z plného rozsahu pfiístroje. Opûrné konstrukce by mûlo b˘t moÏno horizontálnû vyrovnávat v rozsahu do 3 mm. V opaãném pfiípadû lze dosáhnout vyrovnání roviny zátûÏe tak, Ïe se pod silomûr(y) vloÏí klínky. Jak v pfiípadû váhy která mûfií kompresní sílu, tak v pfiípadû váhy která mûfií taÏnou sílu je tfieba zatíÏení nádoby pfienést pfies silomûr do osy konstrukce opûrné ocelové plo‰iny. Zabrání se tím kroucení nosníkÛ. V místech podepfiení nádoby lze pro její ustavení pouÏít v˘ztuÏné plechy nebo konzoly.

• Ustálení, stabilizace, nádoby Pro umoÏnûní neomezeného vertikálního pohybu nádoby pfii povolení jejího pohybu daného tepelnou expanzí se pouÏívají opûrné a jistící tyãe. Jsou to tyãe opatfiené závity a maticemi, jejich úkolem je bránit boãnímu posunu nádoby. Pomocí matic jsou tyãe nastaveny tak, aby byly sefiízeny pfiesnû v souladu s opûrami nádoby a tuh˘mi opûrami konstrukce. Matice je tfieba pevnû dotáhnout a zajistit pfiítuÏn˘mi jistícími maticemi (Obrázek 8-1). Tyãe musí b˘t instalovány vodorovnû ZPRAVODAJ

a kolmo na smûr teplotní expanze nádoby. Tím se umoÏní neomezen˘ pohyb vertikální nádoby bez vzniku boãních zatûÏovacích sil. Je-li to moÏné, je vhodné instalovat opûrné tyãe co nejblíÏe k opûrné rovinû, ve které je nádoba podepfiena. U dlouh˘ch horizontálních nádob s kruhov˘m prÛfiezem je tfieba opûrné tyãe rovnobûÏné s osou nádoby umístit u stfiedu


nádoby vyÏadují instalaci opûrn˘ch nebo jistících tyãí pouze tehdy, mÛÏe-li b˘t jejich horizontální pohyb vyvolan˘ externími silami. Jsou-li pÛsobící síly malé, mohou pro jejich zvládnutí postaãovat nárazníky. Teplotní zmûny rozmûrÛ nádob, vztaÏené k jejich opûrám, mohou zpÛsobovat neÏádoucí boãní zatíÏení silomûrÛ. Aby se boãní zatíÏení uvolnilo,

uzavfien˘ rám ukazatel hlavního silomûru 00000

ukazatel elektromechanick˘ch vah 00000

vyvíjení, pÛsobení, síly mostní váha

elektrické napojení silomûrÛ

Obrázek 8-4: PouÏití hlavního silomûru pro kalibraci mostní váhy

nádoby a tyãe pro omezení boãního pohybu nádoby umístit u koncÛ nádoby. Toto fie‰ení pomáhá vyhnout se velkému osovému teplotnímu posunu. Jistící tyãe jsou shodné s opûrn˘mi tyãemi, aÏ na to, Ïe jejich uchycení je provedeno volnû s mezerou 3 mm mezi maticí a otvorem, kter˘m tyã prochází. Otvor má vzhledem k tyãi vût‰í svûtlost. Jistící tyãe je moÏné umístit nad nebo pod opûrnou rovinou, rovinu ve které je nádoba podepfiena, je moÏné je instalovat ve vertikální poloze. Jejich úkolem je zabránit pfievrácení nádoby. U zavû‰en˘ch nádob slouÏí jistící tyãe také jako zvedací závûsy. Pro urãení poÏadované velikosti a poÏadovaného umístûní stabilizaãního systému je tfieba vyhodnotit pÛsobení vnûj‰ích sil (setrvaãn˘ch sil, sil vznikajících pfii míchání, atd.). Nejstabilnûj‰í opûrná rovina prochází tûÏi‰tûm zcela naplnûné nádrÏe. Zavû‰ené

umoÏÀují nûkterá fie‰ení silomûrÛ horizontální posun nádoby. Tyãe silomûrÛ, na kter˘ch je zavû‰ena nádoba musí b˘t nastaveny s pfiesností 0.5 stupnû. Silomûry s nosníky s jedním nebo dvûma namáhan˘mi konci, nosníky jsou namáhané na smyk, mohou poÏadavek na opûrné a jistící tyãe odstranit nebo minimalizovat (Obrázek 8-2). Válcové silomûry vÏdy vyÏadují pouÏít oba typy tyãí. Podle toho, jak˘ horizontální pohyb silomûr povoluje, dûlí se silomûry na silomûry "pevné" (nepovolují Ïádn˘ pohyb nádoby), "lineární" (povolují horizontální pohyb nádoby po pfiímce) a "volné" (povolují pohyb nádoby v libovolném horizontálním smûru). Pevné a lineární silomûry se instalují v podpûrn˘ch místech, která jsou od sebe co nejvíce vzdálená, lineární pohyb se pfiitom povoluje po pfiímce, která protíná pevn˘ silomûr. âíslo 3

65


8

V plo‰inov˘ch vozov˘ch vahách, kde v dÛsledku zpomalení nebo zrychlení vozidla pÛsobí na váhu velké horizontální síly, se pouÏívají adaptéry silomûrÛ. Adaptér zavû‰uje váÏící plo‰inu na vr‰ek silomûru.Uchycení je provedeno pomocí otoãn˘ch spojÛ pfiipojen˘ch k niÏ‰í desce a k plo‰inû. Silomûr je podepfien˘ základní deskou. V pfiípadû, Ïe horizontální v˘chylka pfiesáhne vÛli ponechanou kolem základní desky, absorbuje velká boãní zatíÏení základní deska. Podobná fie‰ení jsou k dispozici pro trámové silomûry s obûma namáhan˘mi konci (Obrázek 8-3).

trubka tfiídy 405. horizontálních sil je vhodné odstranit pouÏitím dilataãních spojek a fie‰ením potrubí tak, aby trubka mûla pravoúhlé ohyby ve dvou rovinách. PruÏné spojky, univerzální spoje a hadice je moÏné pouÏívat pouze tehdy, jsou-li pouÏity v horizontálních spojích a jsou-li pfiivedeny k pfiípojkám nádoby kolmo a bez vynaloÏení síly. Nemûly by se pouÏívat oplétané hadice. Pro realizaci vertikálních spojÛ je pfiijatelné pouÏití pruÏn˘ch pryÏov˘ch kolen. Pokud jsou násypník a jeho víko podepfieny nezávisle a pokud jsou utûsnûny kolenem, rukávem, mÛÏe

• Pfienos

•

•

Připojení trubek

Pfiipojení potrubí k váÏené nádobû má za následek vznik vertikálnû a horizontálnû pÛsobících sil. Celková vertikální síla (V), kterou na nádobu v‰echna potrubí pÛsobí, by mûla mít men‰í hodnotu, neÏ je souãin tfiicetinásobku pfiesnosti systému (A) a maximálního dynamického zatíÏení (L):

• • •

PruÏné spoje neizolujte nepruÏnou, pevnou, izolací. U horizontálních kulat˘ch nádrÏí je nejlep‰í místo pro pfiipojení potrubí v blízkosti "pevného" silomûru. Elektrická zafiízení (vãetnû silomûrÛ) by se mûla na nádobu pfiipojovat pomocí pruÏného kabelu, na kterém je ponechána "smyãka".

Instalace a kalibrace

Pfii kontrole, zda pfievodníky a silomûry pracují správnû, by mûly b˘t nejdfiíve zodpovûzeny následující otázky: Vrací se v pfiípadû, Ïe je systém prázdn˘, nenaplnûn˘, nebo nenaloÏen˘, údaj

loÏe ve vozovce smûr jízdy vozidla

V < 30 AL Do hodnoty V je nutno zahrnout síly kter˘mi pÛsobí podpûry trubek, vlastní trubky, obsah trubek, plus deformaãní síly, které jsou dÛsledkem pohybu trubek vlivem jejich teplotní roztaÏnosti. Stejnû je nutno urãit horizontálnû pÛsobící síly. Horizontální síly, které na nádobu pÛsobí by mûly mít nulovou hodnotu. K získání uspokojivého návrhu systému napomáhají následující vybraná obecná pravidla: • Trubky musí b˘t moÏno k pfiípojkám na nádobû pfiivést a pfiipojit bez vynaloÏení jakékoliv síly. • Délka trubky mezi nádobou a první podpûrou trubky musí b˘t dostateãnû velká aby umoÏnila vertikální ohyb trubky, ale ne tak velká, aby se trubka provûsila a a zatíÏila nádobu svojí vahou. • Podpûry silomûru by také mûly podepírat první dvû podpûry trubky. Pohyb podpûr trubky ve smûru nahoru a dolÛ musí b˘t omezen˘. • Je-li to moÏné, pouÏívejte trubky niÏ‰ích tfiíd. Napfiíklad trubka tfiídy 105 je více ohebná, pruÏná, neÏ 66

âíslo 3

pfiemosÈující deska snímaã

snímaãe pro urãení smûru

umístûní tenzometrÛ

Obrázek 8-5: Integrované nosníkové váhy

•

vznikat pfii váÏení chyba v dÛsledku zmûny tlaku zpÛsobené pfiísunem nebo odsunem materiálu. Pro odstranûní této chyby je nutné, aby byly v kolenu ventilaãní prÛduchy (tím se znemoÏní vznik podtlaku). Pro realizaci ohybÛ by nemûla b˘t pouÏívána hadice.

o váze na nulovou hodnotu? Zvût‰í se zmûfiená hodnota váhy na dvojnásobek v pfiípadû, Ïe se váÏí dvojnásobnû velké zatíÏení? ZÛstane zmûfiená váha stejná v pfiípadû, Ïe se zmûní poloha zatûÏe (nerovnomûrné zatíÏení)? Je-li odpovûì na v‰echny tyto otázky ZPRAVODAJ

8

"ano", jsou pravdûpodobnû silomûry a pfievodníky v dobrém stavu a nevyÏadují péãi a pozornost. Pfied kalibrací by mûl b˘t prohlédnut mechanick˘ systém a instalace silomûrÛ by mûla b˘t zkontrolována podle následujících bodÛ: • Prohlédnûte kabely silomûrÛ. SviÀte a zajistûte proti nebezpeãn˘m vlivÛm v‰echny nadbyteãné délky kabelÛ. • ZatíÏení by mûlo, u systémÛ s více silomûry, pÛsobit na silomûry rovnomûrnû. Jsou-li rozdíly v zatíÏení silomûrÛ vût‰í neÏ 10%, mûlo by se rozloÏení zatíÏení vyrovnat a nastavit pomocí klínkÛ a podloÏek. • Pfii kalibraci, instalaci, nebo v˘mûnû silomûru by mûla b˘t nádoba nadzvednuta tak, aby nedo‰lo odtíÏení, nebo k pfietíÏení, ostatních silomûrÛ. ¤e‰ení systému by mûlo b˘t provedeno tak, aby bylo moÏno provést nadzvednutí a vyjmutí silomûru v horizontálním smûru. • Dokud není úplnû dokonãena montáÏ systému a dokud nejsou ukonãeny svafiovací práce, mûly by b˘t místo funkãních, pracovních, silomûrÛ pouÏity jejich atrapy. Pfii kalibraci silomûrÛ jsou potfiebné závûsy nebo police pro pfiidrÏení kalibraãního zatíÏení. U nádob ASME musí b˘t tyto díly zhotoveny pfii v˘robû nádoby. Kalibrace ve tfiídû pfiesnosti 0.25% z plného rozsahu nebo v lep‰í tfiídû se provádí obvykle pomocí závaÏí, tato metoda kalibrace je jedinou metodou, která je úfiady pro míry a váhy uznávaná. V‰echny kalibraãní postupy zaãínají nulováním systému. • Pfii kalibraci závaÏím se nádoba pomocí normovan˘ch závaÏí rovnomûrnû zatíÏí na hodnotu 10% z jejího rozsahu dynamického zatíÏení. Zaznamená se váhov˘ údaj na ukazateli váhy a závaÏí se z váhy odstraní. Poté se do nádoby pfiidává váÏen˘, technologick˘, materiál tak dlouho, dokud ukazatel váhy neukazuje stejnou hodnotu ( 10% jako v pfiedchozím pfiípadû. Nyní se opût pfiidá do nádoby kalibraãní závaÏí a zaznamená se údaj na ukazateli váhy (nyní pfiibliÏnû 20%). ZPRAVODAJ

•

Tyto kroky se opakují tak dlouho, dokud se nedosáhne plného dynamického rozsahu (100%). Kalibrace pomocí Ïivé zátûÏe je nová a rychlej‰í metoda, u které se místo kalibraãních závaÏí pouÏívají pfiedem zváÏení lidé. Postup je stejn˘ jako postup pouÏívající závaÏí. Tato


movan˘ - ohnut˘, protaÏen˘ nebo stlaãen˘ - pak nelze silomûr opravit a musí b˘t vymûnûn. Prohlédnûte, zda není silomûr zkroucen˘, zda nejsou na jeho kovovém povrchu trhliny. Oh˘bané povrchy musí b˘t vzájemnû rovnobûÏné, a musí b˘t kolmé vzhledem k obûma koncÛm silomûru. Zkontrolujte

smûr jízdy tenzometry

"Ïivá" kolejnice Obrázek 8-6: Jednokolejnicov˘ pfievodník váhy

metoda se nemÛÏe pouÏívat v situacích, kdy existuje nebezpeãí úrazu. • Kalibraãní metoda zaloÏená na "pfiená‰ení materiálu" pouÏívá pro kontrolu váhy nûjakou jinou váhu. Omezení této metody jsou dána jednak pfiesností referenãní váhy, jednak nebezpeãím vzniku chyby v dÛsledku ztrát materiálu pfii jeho pfienosu. • Pokud je pfiesnost hlavního silomûru systému asi tfiikrát vy‰‰í neÏ je pfiedpokládaná pfiesnost celého kalibrovaného systému, lze pro kalibraci lze také pouÏít hlavní silomûr systému. Kalibraãní postup je zaloÏen na postupném pfiírÛstkovém zatûÏování, v kaÏdém kroku se vyhodnocují v˘stupní signály, udávající zatíÏení kalibrované mostní váhy a zatíÏení hlavního silomûru (Obrázek 8-4. Poãet pouÏit˘ch dûlení, krokÛ, a zpÛsob pfiivedení zatûÏující síly (hydraulika nebo servomotor) je ponecháno na uÏivateli. Vznikají-li na systému se silomûry problémy, lze provést ãtyfii kontrolní testy. Mechanická prohlídka: Zkontrolujte, není-li silomûr mechanicky po‰kozen. Je-li silomûr, vzhledem ke svému pÛvodnímu tvaru, mechanicky defor-

v‰echny kabely po celé jejich délce. Po‰krábané a odfiené kabely mohou silomûr zkratem vyfiadit. VyváÏení nuly (váha není zatíÏená): Posuny ve vyváÏení nuly jsou obvykle zpÛsobeny zbytkov˘m, residuálním, napûtím v oblasti snímaãe. Zbytkové napûtí vzniká jako dÛsledek pfietíÏení silomûru nebo jako dÛsledek opakovan˘ch pracovních cyklÛ. Pomocí voltmetru zmûfite v˘stupní signál silomûru v situaci, kdy na silomûr nepÛsobí Ïádná váha. Zmûfiená hodnota by mûla mít hodnotu, která se smí li‰it od specifikované hodnoty nulového signálu maximálnû o 0.1%. LeÏí-li v˘stupní signál mimo toleranãní pásmo nulového signálu, je silomûr zniãen˘, ale je moÏné, Ïe ho pÛjde opravit. Odpor mÛstku: Zmûfite odpor na kaÏdé dvojici vstupních a v˘stupních ramen mÛstku. Srovnejte tyto hodnoty s hodnotami, uveden˘mi ve specifikaci silomûru. Nejsou-li hodnoty v toleranci, je to obvykle dÛsledek poruchy jednoho nebo více prvkÛ, typick˘mi dÛvody poruchy jsou kolísání a jiné vlivy elektrického napájení, nebo údery blesku. Odpor vzhledem k Zemi: Spojte vzájemnû v‰echny vstupní, v˘stupní, âíslo 3

67


8

snímací a zemnící vodiãe a zmûfite odpor mezi tûlesem silomûru a a vodiãi. Pro mûfiení pouÏijte ohmmetr. Zmûfiená resistance musí b˘t minimálnû 5000 megaohmÛ. JestliÏe silomûr poÏadavek této kontroly nesplÀuje, opakujte kontrolní test bez zemního vodiãe. Pokud nyní silomûr vyhovuje, mÛÏe b˘t chyba v kabelu silomûru. Zkratov˘ obvod (tok elektrického proudu) mezi elektronikou silomûru a tûlesem silomûru vznikl pravdûpodobnû v dÛsledku vlhkosti.

Účelově zaměřené montáže

Silomûry instalované na nohy, stojky, mûfií zmûny napûtí v opûrné konstrukci nádoby. Mohou urãit váhu nádoby s pfiesností leÏící mezi 0.1% aÏ 0.5%

Dvouosé silomûry mohou mûfiit téÏ kolmé pomûrné prodlouÏení, vzniklé z tepeln˘ch a jin˘ch pfiekáÏejících zdrojÛ mechanického napûtí, coÏ umoÏÀuje z hlavního mûfieného signálu odstranit odpovídající chyby. PouÏívajíli se jednoosé silomûry, instaluje se, aby bylo moÏné mûfiit a eliminovat chyby vzniklé v dÛsledku teplotních pnutí, druh˘ silomûr ve smûru kolmém na první silomûr. Tyto silomûry jsou velice citlivé na teplotu a proto vyÏadují zastínûní a izolaci proti slunci a vûtru. Teplotní chyba se minimalizuje instalací silomûru na strukturu s nosníky I profilÛ. Základní materiál jednoos˘ch silomûrÛ musí pfiesnû odpovídat materiálu nohy nádoby, jinak se do váÏení zaná‰í chyby. PouÏívají-li se dvouosé silomûry, lze

vstupní násypník

zásobník ‰roubov˘, ‰nekov˘ podavaã

uzavírací ventil, klapa

násypník s váhou

zásobník

‰roubov˘, ‰nekov˘ podavaã

váha plynul˘ tok materiálu A) váÏení pfiírÛstku materiálu

B) váÏení úbytku materiálu

Obrázek 8-7: Konfigurace silomûrÛ pfii dávkování pevného materiálu

z plného rozsahu. Tyto silomûry mohou b˘t instalované na stávající opûry nádoby, nûkteré mohou b˘t upevnûny nebo pfii‰roubovány k nohám nádoby. Nohy nádoby mohou b˘t z trámÛ I-profilÛ, z trubek, z trubek vyplnûn˘ch betonem, nebo ze Ïelezn˘ch úhelníkÛ. Tyto silomûry jsou k disposici v jednoosém a ve dvouosém provedení. 68

âíslo 3

realizovat kompenzaci vlivu materiálu a tento problém nevzniká. Nejlep‰ím fie‰ením je upevnit dvouos˘ silomûr do stfiedu struktury I profilÛ. Tomuto fie‰ení je blízké pouÏití jednoos˘ch silomûrÛ umístûn˘ch proti sobû na ãele pfiíruby, pfiíruba je spojená se strukturou. Vozidlové integrované nosníkové váhy odstraÀují nutnost sloÏitého budování

vozidlov˘ch vah pomocí jednotliv˘ch silomûrÛ, váÏních mostÛ a a stabilizaãního hardware, jsou proto levnûj‰í (Obrázek 8-5). Integrovaná nosníková váha je samostatná jednotka, kterou lze snadno instalovat spu‰tûním do mûlké jámy. Váha je pfiesná, a navíc je vybavena tenzometry pro urãení pohybu vozidla. Jednokolejnicové pfievodníky váhy mûfií "Ïivá" zátíÏení pomocí silomûru a oh˘baného nosníku integrovan˘ch do jediné sestavy, zabudované do jediného samostatného opûrného modulu (Obrázek 8-6. Uspofiádání tenzometrÛ v tomto modulu umoÏÀuje provádût správné mûfiení bez ohledu na polohu zátûÏe. Uspofiádáním naklonûn˘ch povrchÛ na vrchu modulu se bûhem mûfiení váhy oddûluje zátûÏ od "posunovaãe" a tím se jeho vliv eliminuje. Pásové váÏící systémy se pouÏívají u ploch˘ch pásÛ nebo u kor˘tkov˘ch, Ïlabov˘ch, pásÛ. VáÏící systémy s ploch˘mi pásy jsou pfiesnûj‰í, mají ale tendenci rozsypat více materiálu. Tento typ váÏícího systému sestává ze silomûru, kter˘ podpírá sadu válcÛ, vãetnû tfií nepohánûn˘ch opûrn˘ch válcÛ na kaÏdé stranû, jimiÏ se pás a jeho obsah pfii prÛchodu váhou stabilizuje a podepírá. Váha dopraveného materiálu se urãí integrací souãinu signálÛ udávajících okamÏitou hodnotu mûfiené váhy a okamÏitou hodnotu rychlosti pásu. VáÏní systém by mûl b˘t umístûn tak, aby byl vzdálen od místa, kde se provádí nakládání materiálu a jeho vysypávání. Mûl by b˘t umístûn na opaãném konci neÏ se nachází fiemenice pohonu. Tím se vyhneme vysokému napûtí pásu. Pásy by mûly b˘t jednopramenné, jednovrstvé, ohebné a mûly by se pohybovat bez boãních posunÛ. Napnutí pásu by mûlo b˘t udrÏováno vyváÏením fiemenicového pohonu tak, aby se zabránilo zaseknutí pásu nebo vzniku odporu proti pohybu pásu. Poté, co se zjistí odezva systému pfii me‰ím nebo vût‰ím zatíÏení by mûlo b˘t napûtí pásu upravováno. Voln˘ pás zpÛsobuje chybu v dÛsledku boãního zatíÏení, protoÏe se pás plácá a nebo kroutí. Pfiíli‰ napnut˘ pás mÛÏe mít za následek, Ïe silomûr mûfií, místo váhy, napûtí v pásu. ZPRAVODAJ

8

Silomûry se ‰iroce pouÏívají v aplikacích, kde je vyÏadováno pfiesné váÏení pevn˘ch nebo kapaln˘ch látek a materiálÛ. Podle toho, váÏí-li se v˘stupní nebo ve vstupní zásobník, se v tûchto aplikacích mluví o váÏících konfiguracích "gain-in-weight", váÏení pfiírÛstku materiálu, nebo "loss-inweight", váÏení úbytku materiálu (Obrázek 8-7). Váhy pro váÏení úbytku materiálu mûfií rychlost, s jakou se mûní celková váha v zásobníku materiálu. Tyto váhy se pouÏívají pro regulaci mal˘ch prÛtoãn˘ch mnoÏství materiálu, vstupujícího do technologickém procesu. Váhy sestávají z malého systému se silomûrem, ze systému pro mûfiení a regulaci odchylky a ze zásobníku s promûnnou rychlostí v˘deje materiálu. Za normálního stavu je rychlost v˘deje ze zásobníku nastavovaná tak, aby byla dosaÏena Ïádaná hodnota prÛtoãného mnoÏství materiálu do technologického procesu. Pfii opûtném doplÀování zásobníku se udrÏuje konstantní na své poslední hodnotû. Násypník s váhou je váÏen˘ pomocí silomûrÛ, jejichÏ signál je pfiiveden˘ na vysílaã signálu o váze pfies sumátor, souãtov˘ blok. ¤ídící systém pohání ‰roubov˘, ‰nekov˘, podavaã velkou rychlostí (neregulovanou rychlostí pouÏívanou pfii dodávce velkého objemu materiálu) tak dlouho, neÏ se mûfiená váha pfiiblíÏí k celkové plánované, Ïádané, váze. V tomto bodû fiídící systém ‰roubov˘ podavaã zpomaluje na "odkapávací rychlost". ·roubov˘ podavaã pak pokraãuje po krátkou dobu v doplÀování násypníku touto odkapávací rychlostí, zastaví se tûsnû pfied tím, neÏ je dosaÏena plánovaná váha. Rozdíl mezi plánovanou váhou a váhou, pfii které se zastavuje ‰roubov˘ podavaã se naz˘vá váha "pre-act", pfiedbûÏn˘ váhov˘ rozdíl. Nastavení tohoto pfiedbûÏného váhového rozdílu umoÏÀuje fiídícímu systému vzít do úvahy hmotnost materiálu, kter˘ stále je‰tû padá ze ‰roubového podavaãe do násypníku s váhou. PfiedbûÏn˘ váhov˘ rozdíl lze nastavit buì manuálnû, nebo automaticky. Správné nastavení pfiedZPRAVODAJ

bûÏného váhového rozdílu je v aplikacích, kde je potfiebné pfiesné váÏení, rozhodující, kritické. Pfii dávkování materiálu váhami pro váÏení úbytku materiálu je dávkovaã na svém vstupu vybaven˘ uzavíracím ventilem, klapou, na svém v˘stupu je vybaven˘ ‰roubov˘m podavaãem s promûnnou rychlostí. Cel˘ dávkovaã, vãetnû vstupního násypníku a ‰roubového podavaãe je usazen na silomûry. Je-li vstupní ventil uzavfien˘, je kontinuelní vyprazdÀování zásobníku dávkovaãe urãeno rychlostí, s jakou klesá celková mûfiená váha. Tato rychlost se reguluje regulátorem "úbytku váhy materiálu" kter˘ vypoãítává rychlost, se kterou se má váha mûnit. Rychlost dávkování je zadána v librách za hodinu a fiídící systém reguluje rychlost ‰roubového podavaãe tak, aby tuto Ïádanou rychlost dávkování dodrÏel. Je-li rychlost dávkování men‰í neÏ je


její Ïádaná hodnota, pak fiídící systém ‰roubov˘ podavaã urychluje. Je-li vy‰‰í neÏ je její Ïádaná hodnota, pak fiídící systém ‰roubov˘ podavaã zpomaluje. Je-li zásobník dávkovaãe témûfi vyprázdnûn˘, pfiepíná fiídící systém dávkovaã do reÏimu opûtného naplÀování. V tomto reÏimu je vstupní ventil otevfien˘ a je ponecháván otevfien˘ tak dlouho neÏ se dosáhne Ïádané váhy. T

Odkazy na literaturu, zdroje dalších informací •

Omegadyne® Pressure, Force, Load, Torque Databook, OMEGADYNE, Inc., 1996.

• •

The Pressure, Strain and Force HandbookTM. Omega Press LLC, 1996.

•

”The rules for installing a belt scale”, Steve Becker, Powder and Bulk Engineering, September 1996.

•

”Flat-belt weigh feeder accuracy: How to achive it, maintain it and verify it”, Pete Cadou and Chuck Homer, Powder and Bulk Engineering, September 1997.

• •

Electronic Weigh System Handbook, BHL Electronics, 1986.

•

Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, 10th Edition, Eugene A. Avollone and Theodore Baumeister, McGrawHill, 1996.

•

McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Science and Technology. McGraw-Hill, 1998.

•

Process/Industrial Instruments and Controls Handbook, 4th Edition, Douglas M. Considine and Glen D.Considine, McGraw-Hill, 1993.

•

Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia, Douglas M. Considine and Glen D.Considine, Van Nostrand, 1997.

”How to troubleshoot your electronic scale”, Brent Yeager, Powder and Bulk Engineering, September 1995.

Instrument Engineers’ Handbook, Bela Liptak, CRC Press LLC, 1995.

• Weighing and Force Measurement in the 90’s, IMECO TC, 1991. âíslo 3

69

Zdroje informací

Zdroje informací ORGANIZACE

70

JMÉNO/ADRESA American Institute of Chemical Engineers (AIChE) 345 East 47 Street, New York, NY 10017-2395

TELEFON

WEB ADRESA

212/705-7338

www.aiche.org

American National Standards Institute (ANSI) 11 West 42 Street, New York, NY 10036

212/642-4900

www.ansi.org

American Society of Mechanical Engineers (ASME) 345 East 47 Street, New York, NY 10017

212/705-7722

www.asme.org

American Society for Testing and Materials (ASTM) 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959 610/832-9585

www.astm.org

American Vacuum Society (AVS) 120 Wall Street, 32nd Floor, New York, NY 10005

212/248-0200

www.vacuum.org

Electric Power Research Institute (EPRI) 3412 Hillview Avenue, Palo Alto, CA 94303

415/855-2000

www.epri.com

Electronic Industries Association (EIA) 2500 Wilson Boulevard, Arlington, VA 22201-3834

703/907-7500

www.eia.org

Factory Mutual 1151 Boston-Providence Turnpike, Norwood, MA 02062

781/762-4300

www.factorymutual.com

International Electrotechnical Commission (IEC) 3, rue de Varembé, P.O. Box 131 CH - 1211 Geneva 20, Switzerland

+41 22 919 02 11 www.iec.ch

International Organization for Standardization (ISO) 1, rue de Varembé, Case postale 56, CH-1211 Geneva 20, Switzerland

+41 22 749 01 11 www.iso.ch

Institute of Electrical & Electronics Engineers (IEEE) 445 Hoes Lane, Piscataway, NJ 08855-1331

732/981-0060

www.ieee.org

ISA—The International Society for Measurement and Control 67 Alexander Drive, Research Triangle Park, NC 27709

919/549-8411

www.isa.org

National Electrical Manufacturers Association (NEMA) 1300 North 17th Street, Suite 1847, Rosslyn, VA 22209

703/841-3200

www.nema.org

National Fire Protection Association (NFPA) 1 Batterymarch Park, Quincy, MA 02269-9101

617/770-3000

www.nfpa.org

National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD 20899-0001

301/975-3058

www.nist.gov

Society of Automotive Engineers (SAE) 400 Commonwealth Drive, Warrendale, PA 15096-0001

724/776-4841

www.sae.org

Underwriters Laboratories 333 Pfingsten Road, Northbrook, IL 60062

847/272-8800

www.ul.com

âíslo 3

ZPRAVODAJ

Zdroje informací

P¤ÍSLU·NÉ NORMY Acceleration, IEC:68-2-7

Pressure Gauges, ANSI: B40.1

Accelerometers, IEEE: 337

Pressure Measurement, ASME: PTC 19.2

Electrical Instruments in Hazardous Atmospheres, ISA: RP12.1,4,6,10,11

Pressure Transducers, Calibration, ANSI: B88.1

Electrical Transducers, Terminology, ISA: S.37.1

Pressure Transducers, Potentiometric, ISA: S37.6

Electrical Transducers, Testing, ANSI: S2.11

Shock and Vibration, ANSI: S2.2, S2.4, S2.10, S2.11

Hazardous Areas, IEC: 79-10

Strain Gages, Calibration, ASTM: E251-67

Intrinsically Safe Circuits, IEC: 79-3, UL: 913

Strain Gage Transducers, ISA: S37.3, 5

Piezoelectric Crystals, IEEE: 179

Vacuum Gauges, Calibration, AVS: 6.2, 6.4, 6.5

Piezoelectric Acceleration Transducers, ISA: RP37.2

Vacuum Gauges, Ionization, ASTM: E297-70

Piezoelectric Pressure Transducers, ISA: S37.10

Vibration, IEC: 69-2-6

Potentiometers, Laboratory, ANSI: C100.2

Weighing Scales, ASME: PTC 19.5.1

V¯ROBKY URâENÉ PRO Mù¤ENÍ SÍLY A TLAKU Nejnovûj‰í informace o v˘robcích urãen˘ch pro mûfiení síly a tlaku mÛÏete získat na adrese:

OMEGA Engineering, Inc. One Omega Drive P.O. Box 4047 Stamford, CT 06907-0047 Phone: 800-82-66342 (800-TC-OMEGASM) Email: [email protected] Website: www.omega.com

ODKAZY NA LITERATURU OMEGA PRESS The Pressure, Strain and Force Handbook™, Omega Press, 1995. OMEGADYNE® Pressure, Load, Force, and Torque Handbook, Omega Press, 1996. Book of Books®: Scientific & Technical Books, Software & Videos, Omega Press, 1998. Omega Handbook & Encyclopedia, Purchasing Agents Edition, Omega Press, 1995 ZPRAVODAJ

âíslo 3

71

Zdroje informací

ODKAZY NA OSTATNÍ KNIÎNÍ LITERATURU Electrical Measuring Instruments C.V. Drysdale and A.C. Jolley, Ernest Bern, 1924 Electrical Measurements and Measuring Instruments E.W. Goldin, Pitman and Sons, 1948 Electrical Measurements F.K. Harris, Wiley, 1952 Electronic Test Instruments Robert Witte, Prentice Hall, 1993 Electronic Weighing K. Ellis Norden, Butterworth-Heinemann, 1993 Electronic Weigh System Handbook BLH Electronics, 1979 Elements of Electronic Instrumentation and Measurements, 3rd edition Joseph J. Carr editor, Prentice Hall, 1996 The Examination of Weighing Equipment NBS Handbook No. 94, 1965 Handbook of Intelligent Sensors for Industrial Automation Nello Zuech, Addison-Wesley Publishing, 1992 Handbook of Transducers Harry N. Norton, Prentice Hall, 1989 Industrial Control Handbook E.A. Parr editor, Butterworth-Heinemann Ltd., 1995 Industrial Pressure Measurement D.R. Gillum, ISA, 1982 Industrial Weighing D.M. Considine, Reinhold, 1948 Instrumentation and Control C.L. Nachtigal, Wiley, 1990 Instrumentation and Process Control Nicholas P. Chopey, McGraw-Hill, 1996 Instrumentation for Engineering Measurements J. Dally, Wiley, 1993 Instrumentation for Process Measurement and Control, 3rd edition Norman A. Andreson, 1980 Instrumentation in Industry H.E. Soisson, Wiley, 1975 Instrumentation Reference Book, 2nd edition B.E. Noltingk editor, Butterworth-Heinemann, 1995 Instrument Engineer’s Handbook, Process Measurement Volume, 3rd edition Bela Liptak editor, CRC Press, 1995 The McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology, 8th edition McGraw-Hill, 1997 72

âíslo 3

ZPRAVODAJ

Zdroje informací

ODKAZY NA OSTATNÍ KNIÎNÍ LITERATURU Measurement and Competitiveness in Electronics NIST Electronics and Electrical Engineering Laboratory, 1993 Measurement and Control Basics, 2nd edition T.A. Hughes, ISA, 1995 Mechanical Problems in Measuring Force and Mass H. Wieringa, Martinus Nijhoff Publishers, 1986 National Electrical Safety Code IEEE, 1993 Notable Twentieth-Century Scientists Emily J. McMurray, Gale Research Inc., 1995 Pioneers of Modern Science, The World of Science Bill MacKeith, Andromeda Oxford Limited, 1991 Pressure Gauge Handbook Philip W. Harland, Marcel Dekker, 1991 Principles of Industrial Measurement and Control Applications E. Smith, ISA, 1984 Process/Industrial Instruments and Controls, 4th edition Douglas M. Considine, McGraw-Hill, 1993 Process Measurement and Analysis, Instrument Engineers’ Handbook, 3rd edition Bela Liptak editor, CRC Press, 1995 The Scientific 100, A Ranking of the Most Influential Scientists, Past and Present John Simmons, Carol Publishing Group, 1996 Sensor and Analyzer Handbook H.N. Norton, Prentice-Hall, 1982 Sensors and Control Systems in Manufacturing S. Soloman, McGraw-Hill, 1994 The Strain Gauge Primer C.C. Perry and H.R. Lissner, McGraw-Hill, 1962 Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia Douglas M. Considine, Van Nostrand, 1995 Vibration Analysis for Electronic Equipment, 2nd edition Dave S. Steinberg, Wiley, 1988 Weighing and Batching of Bulk Solids H. Colijn editor, Trans Tech Publications, 1975 Weighing and Force Measurement in the 90’s T. Kemeny editor, IMEKO TC Series, 1991 Teflon® je ochranná známka, obchodní znaãka, firmy DuPont.

ZPRAVODAJ

âíslo 3

73

Pfievodní tabulka pro tlaky palcÛ vodního kg/m2 sloupce pfii 4°C

Ata

barÛ

dynÛ/cm2

palcÛ sl. rtuti pfii 0°C

Ata

1

9.86923 x 10-1

9.86923 x 10-7

3.34207 x 10-2

2.458 x 10-3

9.678 x 10-5

0.068046

4.7254 x 10-4

barÛ

1.01325

1

10-6

3.3864 x 10-2

2.491 x 10-3

9.8067 x 10-5

6.8948 x 10-2

dynÛ/cm2

1.01325 x 106

106

1

3.386 x 10-2

2.491 x 103

98.067

palcÛ sloupce rtuti pfii 0°C

29.9213

29.53

29.53 x 10-5

1

7.355 x 10-2

406.8

4.01.48

4.0148 x 10-4

13.60

kg/m2

1.033227 x 104

1.0197 x 104

1.0197 x 10-2

liber na ãtvereãní palec (PSI)

14.695595

14.504

liber na ãtvereãní stopu

2116.22

mm sloupce rtuti torrÛ

palcÛ vodního sloupce pfii 4°C

mikrometrÛ sloupce rtuti Pa

mikrometrÛ sloupce rtuti

Pa

1.316 x 10-3

1.316 x 10-6

9.869 x 10-6

4.788 x 10-4

1.333 x 10-3

1.333 x 10-6

10-5

6.8948 x 104

4.78.8

1.333 x 103

1.333

10

2.896 x 10-3

2.036

0.014139

3.937 x 10-2

3.937 x 10-5

2.953 x 10-4

1

3.937 x 10-2

27.68

0.1922

0.5354

5.354 x 10-4

4.014 x 10-3

345.3

25.40

1

7.0306 x 102

4.882

13.59

13.59 x 10-3

1.019 x 10-1

1.4504 x 10-5

0.4912

3.6126 x 10-3

1.423 x 10-3

1

6.9444 x 10-3

1.934 x 10-2

1.934 x 10-5

1.450 x 10-4

2088.5

2.0885 x 10-3

70.726

5.202

0.2048

144.0

1

2.7844

2.7844 x 10-3

2.089 x 10-2

760

750.06

7.5006 x 10-4

25.400

1.868

7.3558 x 10-2

51.715

0.35913

1

10-3

7.502 x 10-3

760 x 103

750.06 x 103

0.75006

2.54 x 104

1.868 x 103

73.558

51.715 x 103

359.1

1 x 103

1

7.502

1.01325 x 105

1 x 10-1

10-1

3.386 x 103

2.491 x 102

9.8067

6.8948 x 103

4.788 x 101

1.333 x 102

1.333 x 10-1

1

liber na ãtver. liber na ãtver. stopu palec (PSI)

mm sl. rtuti torrÛ

Zapojení tenzometrick˘ch mÛstkÛ a jim odpovídající rovnice ε = pomûrné prodlouÏení, pro v˘poãet pomûr. mikroprodl. se hodnota ε násobí hodnotou 106 Tahovému pomûrnému prodlouÏení odpovídá (+) , tlakovému pomûrnému prodlouÏení odpovídá (-).

Rovnice urãují hodnotu pomûrného prodlouÏení z hodnot elektrického napûtí ve vûtvích rozváÏeného mÛstku: Znaménka pomûrného prodlouÏení odpovídají GF =Gage Factor, koeficient mÛstku n = Poissonovo ãíslo dále zobrazen˘m smûrÛm elektrick˘ch napûtí VIN a VOUT . Vr = [(VOUT /VIN ) pfii pomûr. prodluÏ. - (VOUT /VIN ) bez pomûr. prodluÏ.]

âtvrtinové mÛstky (mÛstky s jedním mûrn˘m elementem)

Rl

Rl

R1

+

-

VIN

VOUT

R2

R3

Rg(ε)

+

Rl

+

-

-

VIN

VOUT

Rl

+

-

Rl

R2

Rg kompensaãní odpor

Rl

(1 + RR )

-4Vr • GF(1 + 2Vr)

ε=

R1

Rg(ε)

l

g

Poloviãní mÛstky (mÛstky se dvûma mûrn˘mi elementy) mÛstek pro mûfiení podéln˘ch (axiálních) pomûrn˘ch prodlouÏení

mÛstek pro mûfiení ohybov˘ch pomûrn˘ch prodlouÏení

Rl

Rl

R1

+

-

VIN

R1

Rg(+ε) VOUT

+

-

VIN

-

VOUT

Rl

+

Rg(-νε)

R2

ε=

Rg(+ε)

+

Rl

-4Vr GF[(1 + ν)-2Vr(ν - 1)]

•

Rg(-ε)

R2

Rl

(1 + RR )

ε=

l

g

Rl

(1 + RR )

-2Vr • GF

l

g

Úplné mÛstky (mÛstky se ãtyfimi mûrn˘mi elementy) mÛstek pro mûfiení podéln˘ch (axiálních) pomûrn˘ch prodlouÏení

mÛstek pro mûfiení ohybov˘ch pomûrn˘ch prodlouÏení -ε

+

+ε

-

VIN

VOUT

-νε

+

+

-

VIN

-

+ε VOUT

+

+

ε=

VOUT

+

-

-ε

-Vr GF

+ε

-

VIN

+ε

-νε

+νε

ε=

-2Vr GF(ν + 1)

-ε

+ε

ε=

-2Vr GF[(ν + 1)-Vr(ν - 1)]

-νε

Rejstfiík

Rejstřík A Akcelerometr Aplikace Mechanick˘ Popis Servomechanick˘ Archimedés Aristotelés B Barometr Bourdonova trubice D Diferenãní tlak E Einstein Albert F Faktor mûrky Definice Závislost na teplotû G Galileo Galilei H Hawking Steven Hubble, Edwin Powell CH ChevronÛv mÛstek Popis Schéma obvodu J Joule, Prescott K Kalibraãní zafiízení se znám˘m závaÏím Kapacitanãní tlakomûr Kelvin, Lord Kepler Johanes Konvekãní vakuometr Koperník Mikulá‰ Kroutící moment M Manometr, tlakomûr McLeodÛv vakuometr Mechanické napûtí Mûfiení váhy Chyby ZPRAVODAJ

53 52 51 53 10 10 42 26 26 11

15 22 10, 43 11 11

20 19 11 35, 41 44 15 10 46 10 54 26, 44 45 15 13

Sestavy snímaãÛ N Newton, Sir Isaac O Obvod pracující s konstantním proudem Popis Schéma obvodu OhmÛv obvod ve ãtyfidrátovém zapojení Ohybové pomûrné prodlouÏení OMEGA Engineering Kontakt na firmu OMEGA O firmû OMEGA Opakovaã tlaku s tlaãnou membránou Opûrná tyã P Pascal, Blaise Pomûrné prodlouÏení Pfiesnost Referenãní Pfietlak Pfievodní tabulka pro tlaky Ptolemáios Claudius R Rubbia, Carlo S SdruÏen˘ tlakomûr Síla Definice Chyby Snímaãe Silomûr Funkãní principy silomûrÛ Hydraulick˘ Izolace silomûru Kanystrov˘, stonkov˘ Knoflíkov˘ Kritéria pro v˘bûr silomûru Miniaturní Optické Pneumatick˘ Provedení silomûrÛ Prstencov˘ Pfiímo namáhan˘ S nosníkem namáhan˘m na ohyb

60 10

21 20 20 15 71 9 41 13 10 15 12 34 2 10 11 13 11 13 51 57 58 64 60 61 14, 57 59 59 58 13, 57 60 60 60 âíslo 3

81

Rejstfiík S nosníkem namáhan˘m na smyk Se ‰roubovicovou pruÏinou Tenzometrické silomûry Snímaã kroutícího momentu Induktivní pfiipojení Magnetoelastick˘ Optick˘ PouÏití Tenzometrick˘ Uspofiádání snímaãÛ Snímaã (pfievodník) tlaku Elektronick˘ Elektrostatick˘ Induktanãní Instalace snímaãe tlaku Kalibrace Kapacitanãní Kritéria pro v˘bûr snímaãÛ tlaku Mechanick˘ Optick˘ Piezoelektrick˘ Potenciometrick˘ Pfiíslu‰enství ¤e‰ení membrán snímaãÛ tlaku S rezonujícím drátem Snímaã diferenãního tlaku Tenzometrick˘ ÚdrÏba snímaãe tlaku ·roubovicová Bourdonova trubice T Tenzometr Chyba Instalace Ochrana PouÏití ¤e‰ení a odstraÀování problémÛ ¤e‰ení snímaãe S difundovan˘m polovodiãem S odporov˘m drátem Silikonov˘ Stabilita tenzometru Stínûní Tenkovrstv˘ Tenzometrické mÛstkové obvody Tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm média Tlak Tlakomûr Pfiíslu‰enství ¤e‰ení 82

âíslo 3

60, 64 61 59 55 56 55 54 55 54 27 33 34 38 37 29 36 27 35 31 30 38 27 31 29 29 37 41

23 21, 24 21 21 14 16, 24 18 17, 18 17 23 21 17 3 39, 49 12, 26 29 48, 49 48

Tlakov˘ spínaã Odborné názvosloví Popis ¤e‰ení Tlumiã rázÛ Tlumiãe pulzací U Úãinky signálního vedení V Vakuometr systém Pirani Vakuometry Ionizaãní Mechanické Molekulární PouÏití ¤e‰ení vakuometrÛ Se studenou katodou Se Ïhavenou (teplou) katodou Systém Pirani Tepelné Termoãlánkové Van der Meer, Simon VáÏící systémy Dávkovací Kalibrace Konstrukce Podepfiení nádoby PouÏití Provedení Pfiipojení trubek ¤e‰ení Stabilizace VáÏení pfiírÛstku materiál VáÏení úbytku materiál Vibrace (viz zrychlení) Vysok˘ tlak W WheatstoneÛv mÛstek Kompenzace Rovnice Schéma Wheatstone, Sir Charles Z Zrychlení Definice Zákon

49 48 50 36, 39 36, 39 22 45 46 45 45 43 42 46 46 45 45 45 11 68 67 67 64 62 63 66 63 65 69 69

41

58 19 18 57

51 11

ZPRAVODAJ

Rejstfiík

Seznam obrázků Kapitola 1 Historick˘ pfiehled 1-1. Bûhounové váhy, pfiezmen, pro váÏení porovnáním vah 10 Tlakomûr pro mûfiení nízk˘ch absolutních tlakÛ 11 Tlakomûr pro mûfiení relativního tlaku 11 PruÏné spojky pro trubky napojené na váÏen˘ objekt 12 Typická instalace silomûru 12 ¤e‰ení ustálení nádoby 13

1-2. 1-3. 1-4. 1-5. 1-6.

Kapitola 2 Snímaã pomûrného prodlouÏení 2-1. 2-2. 2-3. 2-4. 2-5. 2-6. 2-7. 2-8. 2-9. 2-10. 2-11. 2-12. 2-13.

Definice mechanického napûtí a pomûrného prodlouÏení Zkos ve smyku Poissonovo pomûrné prodlouÏení Konstrukce tenzometrick˘ch snímaãÛ pomûrného prodlouÏení Kostrukce spojného odporového tenzometru Schéma zapojení Wheatstoneova mÛstku Schéma zapojení Chevronova mÛstku Schéma Ohmova obvodu ve ãtyfidrátovém zapojení Schéma obvodu napájeného konstantním proudem Alternativní konfigurace zapojení vodiãÛ Závislost faktoru mûrky tenzometru na teplotû Závislost zdánlivého pomûrného prodlouÏení na teplotû Nûkteré montáÏe tenzometrÛ

15 15 16 16 17 18 19 20 20 21 22 23 24

Kapitola 3 Mûfiení technologick˘ch tlakÛ 3-1. 3-2. 3-3. 3-4. 3-5. 3-6. 3-7. 3-8. 3-9. 3-10. 3-11. 3-12.

¤e‰ení Bourdonovy trubice ¤e‰ení membrán snímaãÛ tlaku Mûfiící rozsahy elektronick˘ch snímaãÛ tlaku Tlakomûrná krabice s tenzometry Tlakomûrná krabice s promûnnou kapacitancí Potenciometrick˘ pfievodník tlaku Pfievodník tlaku s rezonujícím drátem Typick˘ piezoelektrick˘ snímaã tlaku Piezoelektrick˘ snímaã tlaku s kompenzací vlivu zrychlení ¤e‰ení induktanãního a reluktanãnío pfievodníku tlaku Optick˘ pfievodník tlaku

26 27 27 28 28 29 30 31 31 32 33

Ochrana Bourdonovy trubice pfied tlakov˘m pfietíÏením 34 3-13. Tfiíventilov˘ rozdûlovací kus pro oddûlení pfiístroje 35 3-14. Schéma kalibraãního zafiízení pracujícího se znám˘m závaÏím 35 ZPRAVODAJ

3-15. ¤e‰ní tlumiãÛ rázÛ a tlumiãÛ pulzací 36 3-16. RÛzná fie‰ení tûsnûní proti chemick˘m úãinkÛm mûfieného média 37 3-17. ¤e‰ení volumetrick˘ch tûsnících elementÛ 38 Kapitola 4 Vysok˘ tlak & vakuum 4-1. 4-2. 4-3. 4-4. 4-5. 4-6. 4-7. 4-8.

Mechanické snímaãe vysokého tlaku Krabice s dan˘m objemov˘m modulem pruÏnosti Princip barometru Mûfiící rozsahy vakuometrÛ ¤e‰ení tlakomûrÛ Kapacitanãní vakuometr Vakuometr se Ïhavenou katodou Vakuometr se studenou katodou

41 42 42 43 44 45 46 46

Kapitola 5 Tlakomûry & tlakové spínaãe 5-1. ¤e‰ení tlakomûrÛ 5-2. Pfiíslu‰enství tlakomûrÛ 5-3. Odborné názvosloví tlakov˘ch spínaãÛ Kapitola 6 Síla, zrychlení, kroutící moment

48 48 49

6-1. ¤e‰ní prvkÛ piezoelektrick˘ch snímaãÛ 6-2. Aplikace snímaãe síly pro konstrukci rázového prÛtokomûru 6-3. ¤e‰ení piezoelektrického snímaãe 6-4. Rotující hfiídel, namáhan˘ kroutícím momentem 6-5. Induktivní pfiipojení snímaãÛ kroutícího momentu Kapitola 7 Konstrukce silomûrÛ

51 52 53 54 55

7-1. Srovnání rÛzn˘ch fie‰ení silomûrÛ 7-2. WheatstoneÛv mÛstek s teplotní kompenzací 7-3. Prvky silomûrÛ s nosníky a perem

57 58 59

Kapitola 8 Aplikace ve váÏících systémech 8-1. Usazení nádoby 8-2. Krákorcové silomûry sniÏují pofiadavky na usazení váÏeného tûlesa 8-3. Umístûní silomûru s nosníkem zatíÏen˘m na sv˘ch koncích, nosník je namáhan˘ na smyk 8-4. PouÏití hlavního silomûru pro kalibraci mostní váhy 8-5. Integrované nosníkové váhy 8-6. Jednokolejnicov˘ pfievodník váhy 8-7. Konfigurace silomûrÛ pfii dávkování pevného materiálu

62 63 64 65 66 67 68

âíslo 3

83

TLAK POMùRNÉ PRODLOUÎENÍ SÍLA

Recommend Documents