3. TECHNICKÉ PROSTRIEDKY AUTOMATIZAČNEJ
TECHNIKY
3.1. SNÍMAČE
Snímače sú fyzikálne systémy, ktoré citlivo reagujú na zmeny meranej
fyzikálnej veličiny a merajú jej časový priebeh. Výhodné sú snímače elektrické, ktoré
transformujú hodnotu meranej veličiny na elektrický signál. Preto sa veľmi často
neelektrické výstupné signály snímačov prevádzajú pomocou prevodníkov na
elektrické signály.
Základné vlastnosti snímačov:
1. jednoznačnosť – každej hodnote meranej veličiny má zodpovedať len jedna
hodnota výstupnej veličiny
2. lineárna závislosť výstupnej veličiny od vstupnej
3. malá necitlivosť – malá hodnota zmeny meranej veličiny, pri ktorej ešte nevzniká
zaznamenateľná zmena výstupného signálu
4. malá zotrvačnosť – zanedbateľné časové oneskorenie výstupného signálu po
zmene vstupnej veličiny
5. stálosť údaja – údaj snímača sa nemení, ak sa nemení vstupná veličina
6. prevádzková spoľahlivosť, presnosť, jednoduchá údržba.
Delenie snímačov
Podľa vstupného signálu t.j. podľa meranej veličiny poznáme snímače
mechanických, tepelných, akustických, magnetických, svetelných, elektrických
veličín, jadrového žiarenia a pod. : snímače tlaku, teploty , prietoku , otáčok .
Podľa elektrického výstupného signálu delíme snímače na :
1. aktívne – generátorové – pri pôsobení neelektrickej veličiny sa správajú ako zdroj
elektrickej energie : indukčné, termoelektrické, fotoelektrické, piezoelektrické
snímače
2. pasívne – parametrické – pôsobením neelektrickej veličiny menia niektorý zo
svojich parametrov : odporové, indukčnostné, kapacitné snímače
Podľa použitého fyzikálneho princípu rozlišujeme snímače : dilatačné, deformačné,
piezoelektrické , termoelektrické , fotoelektrické , snímače využívajúce Hallov jav.
3.2. SNÍMAČE TLAKU
Pod tlakom rozumieme silu , ktorá je rovnomerne rozložená a pôsobí kolmo na
jednotku plochy. Ak pôsobí celková sila F na plochu S, tak je tlak určený vzťahom :
F
p=
(6)
S
Hlavnou jednotkou tlaku v sústave SI je pascal – Pa , čo je rovnomerný účinok sily
1N na plochu 1m2.
V súvislosti s meraním tlaku sa v praxi stretávame s pojmami pretlak, podtlak,
tlaková diferencia , absolútny tlak , atmosférický tlak.
Atmosférický tlak je tlak zemského ovzdušia. Meria sa od absolútnej nuly a na jeho
veľkosť má vplyv nadmorská výška a počasie.
Absolútny tlak je tlak meraný od absolútnej nuly.
Pretlak je tlak väčší ako atmosférický tlak a podtlak menší ako atmosférický tlak .
Tlaková diferencia je rozdiel dvoch tlakov.
Obr.3.1 Základné rozdelenie tlaku
Delenie tlakomerov
Prístroje na meranie tlaku , vo všeobecnosti nazývané tlakomery , môžeme rozdeliť
podľa niekoľkých hľadísk.
1. Podľa rozsahu merania:
a)
b)
c)
d)
manometre - na meranie pretlakov,
barometre - na meranie atmosférického tlaku
vákuometre - na meranie podtlaku
diferenčné tlakomery – na meranie tlakovej diferencie.
2. Podľa fyzikálneho princípu :
a) Kvapalinové tlakomery – meraný tlak sa vyrovnáva hydrostatickým stĺpcom
tlakomernej kvapaliny , výška stĺpca je mierou meraného tlaku.
b) Piestové tlakomery - nimi meraný tlak pôsobí na piest , ktorý je mechanicky
vyvažovaný závažím alebo pružinou a práve z veľkosti tohto vyváženia a
z rozmeru piestu možno meraný tlak vypočítať.
c) Deformačné tlakomery – nimi meraný tlak spôsobí pružnú deformáciu
tlakomerného člena, veľkosť deformácie je mierou meraného tlaku. Ich výstupný
signál je mechanický alebo elektrický.
Kvapalinové tlakomery sa vyrábajú ako trubicové alebo prstencové. Kvapalinou
býva najčastejšie ortuť alebo voda.
Trubicový tlakomer
Obr.3.2 Kvapalinový tlakomer tvaru písmena U
Na hladiny kvapaliny v obidvoch ramenách pôsobia tlaky p1 a p2 . Ak tlak p1 > p2 ,
vznikne rozdiel tlakov Δp = p1 − p2 , dôjde k posunutiu hladín o ∆h. Hladiny sa ustália
vtedy, keď sila F pôsobiaca na hladinu (s prierezom S) a vyvolaná tlakovým
rozdielom ∆p je v rovnováhe s tiažou G vytlačeného stĺpca kvapaliny , ktorého výška
je ∆h. Teda musí platiť:
F = G, kde , (7)
F = ∆p ⋅ S , (8)
G = ρ ⋅ g ⋅ ∆h ⋅ S , (9)
Pre meraný rozdiel tlakov platí
∆p = ρ.g.∆h , (10)
kde g je tiažové zrýchlenie a ρ je merná hmotnosť kvapaliny.
Tento tlakomer sa používa na meranie podtlakov a tlakových diferencií.
Prstencový tlakomer
Poloha prstenca ak p1=p2
Poloha prstenca ak p1>p2
Obr.3.3 Pstencový manometer
A – priehradka, G – závažie
Základnou časťou meracieho mechanizmu je dutý, výkyvne uložený prstenec , ktorý
je v dolnej časti naplnený kvapalinou. Priestor nad kvapalinou je v hornej časti
prstenca rozdelený priehradkou A na dve komory. Do každej komory sa privádza tlak
pružnými prívodmi.
Ak zavedieme do jednej komory väčší tlak ako do druhej (v našom obrázku
p1>p2),prstenec sa vychýli zo svojej základnej polohy o hodnotu, ktorá je úmerná
tlakovému rozdielu. Pootáčaním prstenca sa premiestňuje kvapalina v opačnom
zmysle, ako je pohyb prstenca. Pohyb prstenca a kvapaliny skončí , len čo bude
moment závažia v rovnováhe s otočným momentom.
Moment vyvolaný tlakom na priečku je daný vzťahom:
MP = ∆p ⋅ S ⋅ r, (11)
kde
∆p - je rozdiel tlakov
S - vnútorný prierez prstenca
r - polomer prstenca .
Pre moment vyvolaný závažím platí :
M G = R ⋅ G ⋅ sin α , (12)
kde G je tiaž závažia
R – rameno na ktorom je závažie
α – uhol vychýlenia z rovnovážnej polohy .
Pre rovnováhu musí platiť
MP = MG , (13)
teda platí :
∆p ⋅ S ⋅ r = R ⋅ G ⋅ sinα , (14)
∆p =
R ⋅ G ⋅ sinα
= k ⋅ sinα , (15)
S⋅r
kde k je prevodová konštanta tlakomera . Je zrejmé , že rozdiel tlakov je úmerný
sínusu uhlovej výchylky prstenca. Tento tlakomer sa používa ako nízkotlakový do
2kPa , náplň prstenca tvorí voda a prstenec je zhotovený z mosadze. Ako
vysokotlakový ho možno použiť do 25 kPa , prstenec je oceľový a jeho náplňou je
ortuť. Zmenu rozsahu tlakomera dosiahneme výmenou závažia.
Deformačné tlakomery
Deformačné tlakomery s mechanickým výstupným signálom
Deformačné tlakomery patria medzi najčastejšie používané kvôli malým
rozmerom a veľkým prestavným silám. Ich nevýhodou je malá zmena polohy
tlakomerného člena , preto je potrebné medzi výstup a ručičku ukazovateľa zaradiť
mechanický prevod.
Princíp ich činnosti spočíva v tom, že meraný tlak spôsobuje pružnú deformáciu
tlakomerného člena , pričom veľkosť deformácie závisí nielen od deformujúcej sily
určenej veľkosťou meraného tlaku , ale aj od vratnej sily určenej pružnosťou
tlakomerného člena. Proces deformácie je vratný. Týmto členom môže byť
membrána , vlnovec a Bourdonova rúrka.
Základné tlakomerné členy :
Membrána
Vlnovec
Bourdonova rúrka
Obr.3.4 Základné tlakomerné členy
Membrána je po svojom obvode pevne uchytená . Má tvar kruhovej platne ,
pôsobením meraného tlaku sa prehne úmerne jeho veľkosti. Veľkosť prehnutia sa
vyhodnocuje ručičkovým ukazovateľom cez mechanický prevod alebo sa vyhodnotí
elektricky napr. indukčným snímačom polohy. Je vyhotovená z nerezovej ocele a
tombaku ( kovový materiál) alebo gumy ( nekovový materiál).
Vlnovec je zvyčajne vyrobený vyvalcovaním vĺn z kovovej rúrky ( nerezová oceľ,
tombak, fosforový bronz). Jeden koniec vlnovca je uzavretý, druhý je pripevnený
k meraciemu prístroju. V dôsledku zmeny tlaku sa deformuje. Dosiahne sa ním
väčšia deformácia než pri membráne.
Bourdonova rúrka má oválny alebo eliptický prierez , je stočená do oblúka. Jeden
koniec trubice do ktorého privádzame tlak je pevne uchytený , druhý koniec je
voľný. Pôsobením pretlaku sa oválny prierez mení na kruhový a trubica má snahu sa
narovnávať. Deformácia je úmerná meranému tlaku . Pri meraní podtlaku sa prierez
ešte viac splošťuje a trubica sa viac zakrivuje. Ako materiál sa používa bronz pre
nízke tlaky a oceľ pre tlaky vyššie(až 100 MPa).
Deformačné tlakomery s elektrickým výstupným signálom
Ich neodmysliteľnou súčasťou je niektorý z už spomenutých tlakomerných členov ,
ktorý je vhodne doplnený prevodníkom . Osvedčené sú kovové alebo polovodičové
tenzometrické prevodníky. Tenzometer je snímacie zariadenie deformácie . Využíva
vlastnosť niektorých materiálov , ktoré pri deformácii menia svoj elektrický odpor.
Túto vlastnosť majú kovy a polovodiče . Na rovnakú zmenu deformácie reagujú
polovodiče citlivejšie , preto sa v súčasnosti používajú polovodičové tenzometre.
Obr.3.5 Tenzometrický snímač tlaku
1- vlnovec, 2- tenzometrický tlakomerný člen, 3- polovodičový tenzometer
Prehľad tlakomerných členov :
Tlakomerný člen
Membrána nekovová
Membrána kovová
Vlnovec
Bourdonova rúrka
Merací rozsah
do 100 kPa
do 250 kPa
do 25 MPa
do 100 MPa
3.3. SNÍMAČE TEPLOTY
Teplota je fyzikálna veličina , ktorá vyjadruje teplotný stav látky.
Jednotkou termodynamickej teploty a teplotného rozdielu je kelvin K , pre vyjadrenie
Celziovej teploty sa používa stupeň Celzia oC . Obidve jednotky sú rovnako veľké,
iba sú navzájom posunuté. Platí : 0 oC = 273,15 K a 0 K = - 273,15 oC . Prevod
uskutočníme podľa vzťahu :
Θ = ϑ + 273,15K , kde Θ je termodynamická teplota v kelvinoch a ϑ je teplota v oC.
Delenie teplomerov
So zmenou teploty sa niektoré vlastnosti pevných , kvapalných a plynných
látok menia. Práve tieto zmeny môžeme využiť na meranie teploty . Podľa toho,
ktoré vlastnosti látky snímacie zariadenie teploty kontroluje, rozlišujeme :
dilatačné snímače teploty
tlakové snímače teploty
odporové snímače teploty
termoelektrické snímače teploty.
Dilatačné snímače teploty
Pracujú na princípe teplotnej rozťažnosti kovov , kvapalín a plynov.
1. Dilatačné kovové teplomery pracujú na princípe dĺžkovej rozťažnosti pevných
látok. Poznáme :
- tyčový teplomer – používa tyč alebo rúrku , ktorá je uložená v meranom
prostredí . Pri zmenách teploty sa mení dĺžka tyče a z nej sa dá ľahko určiť zmena
teploty.
Obr.3.6 Statická charakteristika zahrievanej tyče
Dĺžka tyče sa mení podľa vzťahu :
l2 = l1⋅ (1 + α ⋅ ∆ϑ ) , (16)
kde l1 je dĺžka tyče pri počiatočnej teplote ϑ1 ,
l2 je dĺžka tyče pri meranej teplote ϑ 2 ,
α je teplotný súčiniteľ teplotnej rozťažnosti .
Rozdiel teplôt je :
∆ϑ = ϑ2 − ϑ1 . (17)
V skutočnom vyhotovení sa tyčový teplomer skladá z rúrky s veľkou teplotnou
rozťažnosťou, v rúrke je tyč s malou teplotnou rozťažnosťou. Dĺžka rúrky sa
v závislosti od teploty mení a tieto zmeny sa prenášajú tyčkou na indikačný
mechanizmus. Skrutka slúži na nastavenie počiatočnej polohy, pružina zabezpečuje
pritlačenie ručičky. Zmena dĺžky je úmerná zmene teploty. Rúrka býva zhotovená
z mosadze, ocele alebo zinku, teda z materiálu s veľkým teplotným súčiniteľom
dĺžkovej rozťažnosti. Tyčka je z invaru alebo taveného kremeňa, ktorého dilatácia je
vzhľadom k dilatácii rúrky zanedbateľná. Tyčový teplomer sa používa v rozsahu
teplôt 0 až 250oC .
Obr. 3.7 Tyčový teplomer
1- rúrka,2- tyčka, 3- nastavovacia skrutka, 4- pružina
- dvojkovový ( bimetalový ) teplomer – využíva deformáciu pásika zvareného
z dvoch kovov s rôznym teplotným súčiniteľom dĺžkovej rozťažnosti . Pri zmene
teploty dosádza k deformácii pásika.
Obr.3.8 Rôzne tvary bimetalových pásikov
Veľkosť vychýlenia h voľného konca pásika je daná vzťahom :
l2
h = ⋅ ∆ϑ , (18)
S
kde k je súčiniteľ prehnutia dvojkovu,
l je dĺžka pásika ,
S je hrúbka pásika ,
Rozdiel teplôt je :
∆ϑ = ϑ2 − ϑ1 . (19)
Dvojkovy sa používajú ako nespojité snímače napr. v žehličkách . Ich teplotný rozsah
je do 500 oC .
2. Dilatačné kvapalinové teplomery pracujú na princípe objemovej rozťažnosti
kvapalín.
Závislosť objemu kvapaliny na teplote je daná vzťahom :
V2 = V1⋅ (1 + α ⋅ ∆ϑ ) ,(20)
kde V1 je objem kvapaliny pri počiatočnej teplote ϑ1 ,
V2 je objem kvapaliny pri meranej teplote ϑ2 ,
α je teplotný súčiniteľ objemovej rozťažnosti .
Rozdiel teplôt je :
∆ϑ = ϑ2 − ϑ1. , (21)
Teplomer sa skladá z nádržky , v ktorej je umiestnená kvapalina a z kapiláry. Výška
stĺpca kvapaliny v kapiláre je mierou teploty, ktorú môžeme odčítať na stupnici
umiestnenej pod kapilárou .
Ako kvapalina sa najčastejšie používa ortuť pre
nepriehľadnosť ( uľahčuje
odčítavanie ) a dobrú elektrickú vodivosť. Teplomery s elektricky vodivou náplňou
môžu byť vybavené medzným kontaktom ( platinový drôtik ) , ktorý po dosiahnutí
nastavených teplôt zopne alebo rozopne elektrický obvod .
Obr.3.9 Kvapalinový teplomer
1- kapilára, 2 – nádržka
Tlakové snímače teploty
Tlakové teplomery sú založené na princípe rozťažnosti kvapalín a plynov pri
konštantnom objeme t.j. dochádza k zmene tlaku náplne teplomera. Skladajú sa zo
stopky , kapiláry a tlakomerného člena , ich vnútorný priestor tvorí uzavretý celok.
Ich meracím členom je stopka, ktorá sa vkladá do meraného prostredia.
Delíme ich na :
Kvapalinové – náplňou je ortuť, toluén , acetón ,glycerín. Dĺžka kapiláry môže byť až
60 m , je potrebné urobiť teplotnú kompenzáciu , za účelom odstránenia vplyvov
zmien teploty prostredia na kapiláru.
Plynové - náplňou je dusík , vodík , hélium , oxid uhličitý. Dĺžka kapiláry môže byť
tiež až 60 m ,ale nie je potrebné urobiť teplotnú kompenzáciu .
Parotlačné - náplňou je etyléter , etylalkohol , etylchlorid. Ich stopka je čiastočne
naplnená niektorou zo spomenutých kvapalín, zvyšok objemu je vyplnený parami
tejto kvapaliny. Dĺžka kapiláry môže byť maximálne 60 mm. Ich presnosť je oveľa
väčšia ako v prípade predošlých teplomerov.
Obr.3.10 Tlakový teplomer s Bourdonovou rúrkou
1- teplotne rozťažná kvapalina alebo plyn,2- rúrkové vedenie, 3- Bourdonova rúrka
Odporové snímače teploty
Princíp ich činnosti je založený na zmene elektrického odporu kovových
a polovodičových materiálov so zmenou teploty.
Kovové snímače teploty
Pre odpor kovového vodiča ohriateho na teplotu ϑx platí približne vzťah :
R x = R 0⋅ (1 + α ⋅ ∆ϑ ), (22)
kde Rx ..........odpor vodiča pri meranej teplote ϑx
R0 .........odpor vodiča pri vzťažnej teplote ϑ0
α ............teplotný súčiniteľ odporu daného materiálu ( mal by byť dostatočne
veľký ).
Ako materiál sa najčastejšie používa platina, pre nižšie teploty aj nikel, pre meranie
oteplenia elektrických strojov sa obvykle používa zmena odporu medeného vinutia .
Tieto snímače sa nepoužívajú na meranie bodovej teploty, ich merací rozsah je
veľký. Používajú sa v rozsahu od –200oC do 800oC , majú dobrú stabilitu a presnosť.
Obr.3.11 Statická charakteristika kovového snímača
Polovodičové snímače teploty
Pre odpor polovodiča ohriateho na teplotu Θx platí približne vzťah
R x = R0 ⋅ e
⎛ 1
1
− B ⋅ ⎜⎜
−
⎝ Θ x Θ0
⎞
⎟⎟
⎠
, (23)
Rx .......... odpor polovodiča pri meranej teplote Θx( K )
Ro.......... odpor polovodiča pri vzťažnej teplote Θo ( K )
B .......... materiálová konštanta
Tieto teplomery sú vhodné na bodové meranie teploty v rozsahu od –60oC do
200oC, sú oveľa citlivejšie na zmeny teploty ako kovové. Typickým predstaviteľom je
perličkový termistor.
kde
Obr.3.12 Statická charakteristika polovodičového snímača
Vyhodnocovanie Rx :
Odporový teplomer nie je sám o sebe schopný vyhodnotiť zmeny teploty,
ktoré sníma. Preto je nutné doplniť ho spojovacím vedením, meracím zariadením
odporu a zdrojom prúdu.
Obr.3.13 Dvojvodičové zapojenie do odporového mostíka
Nevýhodou tohto zapojenia je, že ak vedenie medzi snímačom a mostíkom bude
príliš dlhé, bude odpor tohto vedenia tiež závisieť od teploty a bude vnášať chybu do
merania. Túto chybu môžme odstrániť nasledovným zapojením.
Obr.3.14 Trojvodičové zapojenie do odporového mostíka
Vedenie od snímača k mostíku je doplnené tretím vodičom, ktorý má rovnaké
vlastnosti ako druhé vodiče. Ak sa s teplotou zmení odpor vedenia, bude zmena
odporu v obidvoch vetvách mostíka rovnaká a meranie nebude vykazovať chybu.
Platí :
R 2 ⋅ (R 3 + R v ) = R 4 ⋅ (R x + R v ) , (24)
Termoelektrické snímače teploty
Pracujú na princípe termoelektrického javu, ktorý vzniká v mieste elektricky
vodivého spojenia dvoch kovov s rôznou výstupnou prácou elektrónov. Miesto
spojenia vodičov nazývame merací koniec, voľné konce vodičov nazývame
porovnávací koniec. Pri ohreve meracieho spoja uvoľňuje jeden vodič viac elektrónov
ako druhý, čo sa prejavuje na opačných koncoch elektrickým napätím úmerným
teplote.
Ux = c ⋅ ∆ϑ , (25)
kde c ..... materiálová konštanta
∆ϑ = (ϑx − ϑ0 ) , (26)
ϑx ..... meraná teplota
ϑ0 ..... teplota porovnávacieho konca .
Obr.3.15 Termočlánok
Aby sa celý termočlánok neohrial na meranú teplotu, musíme porovnávacie konce
vzdialiť z vplyvu meranej teploty predĺžením termočlánku kompenzačným vedením.
Kompenzačné vedenie má rovnaké termoelektrické vlastnosti ako materiál
termočlánku, takže v mieste spojenia nevzniknú parazitné termočlánky.
Kompenzačné vedenie nemôže byť ľubovoľne dlhé, pretože má obyčajne zlé
elektrické vlastnosti ( veľký odpor). Použije sa iba najnutnejšia dĺžka a ostatné
vedenie je medené.
Obr.3.16 Termočlánok s kompenzačným vedením
Kolísanie teploty porovnávacieho konca ϑ0 spôsobuje prídavnú chybu merania. Preto
sa vplyv kolísania ϑ0 kompenzuje mostíkovou kompenzáciou.
Obr.3.17 Termočlánok s mostíkovou kompenzáciou
Mostík obsahuje odporový snímač teploty RCu, ktorý reaguje na teplotu ϑ0.
Mostík je zostavený tak, že medzi uzlami 1,2 sa vytvára kompenzačné napätie Uk
rovnakej veľkosti, ako je pokles napätia Ux termočlánku, spôsobený zvýšením
teploty ϑ0 .Výstupné napätie na milivoltmetri je
Uv = Ux + UK . , (27)
Nevýhodou tejto kompenzácie je nutnosť jednosmerného napájacieho zdroja,
ktorého napätie musí byť stabilizované.
Iný spôsob kompenzácie kolísania ϑ0 predstavuje použitie kompenzačného článku.
Merací termočlánok a kompenzačný sú zapojené proti sebe. Kompenzačný
termočlánok býva umiestnený v termokomore , kde je udržiavaná teplota obyčajne
50oC.
Obr.3.18 Termočlánok s termokomorou
Výstupné napätie na milivoltmetri je
Uv = Ux − UK , (28)
kde
Ux je napätie meracieho termočlánku
Uk je napätie kompenzačného termočlánku
Platí :
Uv = c ⋅ (ϑx − ϑ0 ) − c ⋅ (ϑk − ϑ0 ) = c ⋅ (ϑx − ϑ0 − ϑK + ϑ0 ) = c ⋅ (ϑx − ϑK ) , (29)
Výstupné napätie teda nezávisí od ϑ0 , ale iba od ϑx .
3.4. SNÍMAČE POLOHY
Tieto snímače rozdeľujeme na snímače rovinného posunutia a na snímače
uhlového natočenia. Pre rovinné posunutie je meranou veličinou dĺžka lx v metroch,
pre uhlové natočenie uhol αx. Snímače polohy sa používajú pri meraní polôh
mechanizmov rôznych strojov a zariadení, pri kontrole rozmerov obrábaných
súčiastok a pod. Používajú sa aj ako prevodníky výstupných signálov niektorých
snímačov na elektrický signál. Na meranie polohy sa používajú odporové, kapacitné,
indukčnostné a fotoelektrické snímače.
Odporové snímače polohy
Delíme ich na spojité a nespojité. Spojité snímače umožňujú meranie každej hodnoty
polohy v celom meracom rozsahu. Nespojité snímače pracujú na princípe spínania
alebo rozopínania kontaktov. Zmena odporu medzi kontaktmi je nespojitá, hodnota
odporu je buď nulová alebo nekonečná. Podľa požiadaviek na presnosť spínania,
spínacích úrovní rozlišujeme koncové spínače, ktoré slúžia na hrubé snímanie
medzných hodnôt polôh a mikrospínače, u ktorých stačí na preloženie kontaktov
nepatrné posunutie.
Spojité odporové snímače polohy sú premenlivé drôtové rezistory usporiadané tak,
že meraná poloha nastavuje polohu jazdca, a tým mení odpor snímača. Podľa
zapojenia do meracieho obvodu rozlišujeme reostatové alebo potenciometrické
snímače. Rozdiel medzi reostatom a potenciometrom nie je v konštrukčnom
vyhotovení, ale v zapojení do meracieho obvodu.
Reostatový snímač :
Obr.3.19 Reostatový snímač polohy
Do meracieho obvodu je reostat zapojený sériovo, výstupným signálom je prúd I.
Pre výstupný prúd platí :
I=
U
;
R1 + R Z
Imax =
U
;
RZ
Imin =
U
; (30)
R + RZ
Obr.3.20 Statická charakteristika reostatového snímača
Priebeh prúdu neprechádza nulou a je nelineárny, preto sa tento snímač málo
používa.
Potenciometrický snímač :
Snímač je zapojený k meraciemu obvodu paralelne, výstupným signálom je napätie
U2.
Rozlišujeme snímač zaťažený a nezaťažený.
Nezaťažený snímač - Rz = ∞ ; ( napr. pri meraní výstupného napätia voltmetrom
s veľmi veľkým vnútorným odporom )
Pre výstupné napätie U2 platí :
U
l
U2 = I ⋅ R 1 = 1 ⋅ R 1 = U1 ⋅ 1 = k ⋅ l1 ,
R
l
(31)
U1 je konštantné napájacie napätie, R je odpor snímača, R1 je odpor snímača
nastavený dĺžkou l1. Maximálne nastaviteľná dĺžka je l a jej zodpovedá odpor R.
Zaťažený snímač - Rz ≠ ∞ ; ( ak je zaťažovací odpor Rz porovnateľný s odporom
snímača R.
Pre výstupné napätie U2 platí :
R ⋅R
U1
U2 =
⋅ R p , kde R p = 1 z , (32)
R2 + Rp
R1 + R z
Obr. 3.21 Odporový snímač v potenciometrickom zapojení
Zo statickej charakteristiky odporového snímača v tomto zapojení je zrejmé, že
najväčšia napäťová chyba ΔU2max od lineárneho priebehu je približne v strede
meracieho rozsahu pri R1 = 0,66.R( čo je asi v 2/3 dĺžky l).Chyba bude tým menšia,
čím bude Rz oveľa väčší ako R.
Obr.3.22 Statická charakteristika snímača v potenciometrickom zapojení
Nevýhodou odporových snímačov je, že obsahujú pohyblivý kontakt, ktorý zhoršuje
spoľahlivosť snímača.
Indukčnostné snímače polohy
Patria ku bezkontaktovým snímačom polohy. Meraná poloha ovplyvňuje indukčnosť
cievky zmenou magnetického odporu magnetického obvodu, pričom indukčnosť
cievky L sa mení bez toho, aby sme menili počet závitov cievky, L sa teda mení
bezkontaktne.
Podľa usporiadania magnetického obvodu je možné tieto snímače rozdeliť na
:
- snímače s uzavretým magnetickým obvodom
- snímače s otvoreným magnetickým obvodom
Obidve skupiny je možné realizovať v jednoduchom, diferenčnom alebo mostíkovom
zapojení.
Indukčnostný snímač s uzavretým magnetickým obvodom
Snímač je tvorený tlmivkou s uzavretým magnetickým obvodom, pričom
vodivosť magnetického obvodu sa mení zmenou vzduchovej medzery.
Obr.3.23 Indukčnostný snímač s uzavretým magnetickým obvodom
Indukčnosť cievky vypočítame podľa vzťahu
LX =
N2
, (33)
Rm
kde Rm
N
je odpor magnetického obvodu
je počet závitov cievky
Pre magnetický odpor platí:
Rm = R ž + R v =
lž
l
+ v
, (34)
μž ⋅ S ž μ v ⋅ S v
Rž ..... magnetický odpor železa
Rv ..... magnetický odpor vo vzduchovej medzere
μv ....... permeabilita vzduchu
μž ........permeabilita železa
lv ......dĺžka vzduchovej medzery
lž ..... dĺžka strednej siločiary v železe.
Pri vhodnom sýtení jadra bude permeabilita železa oveľa väčšia ako
permeabilita vzduchu, a preto magnetický odpor železa môžme zanedbať voči
magnetickému odporu vo vzduchovej medzere. Pre indukčnosť cievky teda bude
platiť
Lx =
N2
μ ⋅S
= N2 ⋅ V V , (35)
RV
lV
Pre impedanciu cievky platí vzťah
Z = R + j ⋅ ω ⋅ L , (36)
kde R predstavuje činný odpor vinutia cievky.
Ak činiteľ akosti cievky Q bude veľký, potom sa dopustíme nepatrnej chyby, ak
reálnu zložku impedancie zanedbáme voči reaktancii. Potom pre impedanciu cievky
bude platiť
Z = j ⋅ ω ⋅ L = j ⋅ ω ⋅ N2 ⋅
μV ⋅ S V
, (37)
lV
Pri zmene polohy kotvičky K sa bude meniť vzduchová medzera lv , a tým aj
indukčnosť a impedancia cievky – tlmivky. Ak pripojíme tlmivku k zdroju
konštantného striedavého napätia s konštantnou frekvenciou , bude sa so zmenou
vzduchovej medzery meniť aj prúd. Prúd meriame ampérmetrom zapojeným do
série s cievkou a pre jeho veľkosť platí
I=
U
U
=
⋅ lv = k ⋅ lv , (38)
2
Z ω ⋅ N ⋅ μv ⋅ S
Zväčšovaním lv sa indukčnosť zmenšuje a prúd zväčšuje. Priebeh zmeny
indukčnosti aj prúdu je nelineárny. Pracovný rozsah volíme v lineárnej časti statickej
charakteristiky. Tento snímač je veľmi citlivý, rozsah zmeny vzduchovej medzery
býva 1 mm.
Obr.3.24 Charakteristika indukčnostného snímača s uzavretým magnetickým
obvodom
Indukčnostný snímač s otvoreným magnetickým obvodom
Používa sa na meranie väčších posuvov, asi do 100 mm. Indukčnosť sa tu mení
zasúvaním jadra.
Obr.3.25 Indukčnostný snímač s otvoreným magnetickým obvodom
V základnej polohe je jadro v cievke symetricky a indukčnosť Lx je maximálna.
Vysúvaním jadra napravo alebo naľavo sa Lx zmenšuje. Dĺžka cievky je daná
potrebným rozsahom meraného posunutia – polohy. Na regulačné účely je potrebné,
aby základná poloha snímača zodpovedala nulovému prúdu. V jednoduchých
indukčných snímačoch to nemôžme uskutočniť, lebo aj keď je indukčnosť
maximálna, prúd nie je nulový, ale minimálny. Základná poloha snímača zodpovedá
nulovému výstupnému napätiu pri diferenčnom indukčnostnom snímači, alebo pri
polohovom transformátore.
Obr.3.26 Charakteristika snímača s otvoreným magnetickým obvodom
Diferenčný indukčnostný snímač
Skladá sa z dvoch jednoduchých snímačov s uzavretým alebo otvoreným
magnetickým obvodom usporiadaných tak, že pracujú proti sebe. V pokojovej polohe
kotvy sú indukčnosti obidvoch snímačov rovnaké a výstupné napätie Uv je nulové. Pri
posunutí kotvy doľava zväčší sa indukčnosť ľavej cievky a súčasne sa zmenší
indukčnosť pravej. Na výstupe sa objaví napätie Uv, ktoré je úmerné veľkosti
posunutia kotvy. Ak posunieme kotvu doprava, objaví sa na výstupných svorkách
napätie Uv ale s opačnou fázou ako pri posunutí doľava. Z veľkosti výstupného
napätia možno posudzovať veľkosť posuvu, fáza udáva zmysel posuvu.
Obr.3.27 Schéma diferenčného indukčnostného snímača
Polohový transformátor
Je to v podstate diferenčný transformátor, pri ktorom sa mení vzájomná
väzba medzi jednotlivými vinutiami. Meraný posuv pôsobí na jadro – kotvu a mení
tak veľkosť indukovaného napätia v obidvoch sekundárnych vinutiach U2 a U1 .
V základnej polohe sú obidve napätia rovnaké a vzájomne sa rušia, pretože
sekundárne cievky sú zapojené proti sebe. Posunutím jadra sa na výstupe objaví
napätie Uv = U1 – U2 , ktorého veľkosť určuje veľkosť meranej polohy a fáza smer
posunutia jadra. Tento snímač je indukčný, lebo využíva Faradayov zákon
elektromagnetickej indukcie pre vznik indukovaných napätí U1 a U2.
Obr.3.28 Principiálna schéma diferenčného transformátora
Kapacitné snímače polohy
Pri konštrukcii kapacitných snímačov polohy môžeme využívať zmeny účinnej
plochy elektród, zmeny ich vzdialenosti alebo zmeny ich dielektrika.
Pre výpočet kapacity platí
S
C = ε 0 ⋅ ε r ⋅ , (39)
d
kde
ε0 .....permitivita vákua
εr .....pomerná permitivita
S .....účinná plocha elektród
d .....vzdialenosť elektród
Kapacitný snímač so zmenou plochy elektród
Realizuje sa ako otočný, vhodný na meranie uhla natočenia, alebo ako
posuvný valcový na meranie dĺžok.
a)
b)
Obr.3.29 Zmena kapacity pri zmene plochy dosák :a) otočný snímač, b) posuvný
snímač
Pre kapacitu otočného kondenzátora platí :
Smax
C x = ε 0 ⋅ εr ⋅ π
d
⋅αX
= k ⋅ α x , (40)
Kapacitný snímač využívajúci zmenu vzdialenosti elektród
Sú vhodné na meranie malých posunutí – do 1 mm. Priebeh kapacity je však
nelineárny. Pre malé zmeny meranej vzdialenosti lX vzhľadom k pôvodnej
vzdialenosti d platí:
C X = ε0 ⋅ εr ⋅
S
C0
=
, (41)
d ⋅ lX 1 + lX
d
Obr.3.30 Zmena kapacity zmenou vzdialenosti elektród
Kapacitný snímač so zmenou dielektrika
Obr.3.31 Zmena kapacity zmenou hrúbky dielektrika
V tomto prípade ide o kapacitný snímač so zmenou hrúbky dielektrika, napr. pre
meranie hrúbky pásu PVC. Náhradná schéma snímača pozostáva zo sériového
radenia kondenzátorov pre ktoré platí :
CV =
C X ⋅ C0
, (42)
C X + C0
kde Cx ......je kapacita daná permitivitou meraného dielektrika εx
C0 ..... je kapacita daná permitivitou vákua ε0.
Obr.3.32 Zmena kapacity zmenou plochy dielektrika
V tomto prípade je snímač so zmenou plochy dielektrika, ktorý sníma výšku hladiny
elektricky nevodivej kvapaliny, ktorá nahrádza vzduchové dielektrikum snímača.
Náhradná schéma zodpovedá paralelnému zapojeniu kondenzátorov, pre ktoré platí
C V = C X + C 0 , (43)
kde Cx ......je kapacita daná permitivitou meraného dielektrika εx
C0 ..... je kapacita daná permitivitou vákua ε0.
Kapacita snímačov a jej zmeny sú malé, preto sa na vyhodnocovanie používa
rezonančná metóda . Vysokofrekvenčný oscilátor O napája rezonančný obvod.
Kondenzátorom C nastavíme pracovný bod , funkciu snímača plní kondenzátor Cx.
Pracovný bod L sa umiestni do stredu lineárnej časti K – M klesajúcej strany
rezonančnej krivky. Tým zabezpečíme linearitu a jednoznačnosť výstupného napätia
od vstupnej hodnoty kapacitného snímača. Výstupné napätie rezonančného obvodu
sa zosilňovačom zosilní a odčíta na voltmetri.
Obr.3.33 Kapacitný snímač v rezonančnom obvode a rezonančná krivka
O – vysokofrekvenčný oscilátor, Z – zosilňovač, EV – elektrónkový voltmeter
3.5. SNÍMAČE PRIETOKU
Snímače prietoku slúžia na meranie množstva plynnej a kvapalnej látky, ktorá
pretiekla potrubím za jednotku času pri ustálenom prietoku, alebo okamžitej hodnoty
množstva pretekajúcej látky pri neustálenom prietoku.
Prietok možno určiť priamo, ak zmeriame napr. pri rýchlostných meradlách rýchlosť
pretekajúcej látky, alebo nepriamo, ak zmeriame inú fyzikálnu veličinu, od ktorej je
prietok závislý.
Prietok Q sa definuje ako množstvo kvapaliny alebo plynu, ktoré pretečie určitým
potrubím s prierezom S za jednotku času:
Q = V/t = (s ⋅ S)/t = v ⋅ S , (44)
Pre celkový objem V pretečený za čas t pri konštantnom prietoku Q platí :
V = Q ⋅ t , (45)
Medzi základné prietokomery patria :
silové
tlakové
elektrické
Tlakové prietokomery
Umožňujú meranie prietoku nepriamo, a to meraním dynamického (pd) alebo
statického (ps) tlaku v potrubí. Tlak sa meria Pittotovou alebo Venturiho trubicou.
Pitotova trubica umožňuje merať dynamickú zložku tlaku v potrubí. Táto zložka je
priamo úmerná prúdeniu :
p d = 0,5 ⋅ ς ⋅ v 2 , (46)
kde ς ... merná hmotnosť prúdiacej látky
v ... rýchlosť prúdenia
pd ... dynamický tlak.
Vstupný otvor trubice natočený proti smeru prúdenia sníma tlaky ps+pd. Druhý
otvor natočený kolmo k smeru prúdenia sníma len statický tlak ps. Tlaky sa merajú
diferenčným tlakomerom, ktorý meria tlakový rozdiel :
∆p = p1 − p2 = (p s + p d ) − p s = p d , (47)
Tieto prietokomery sa používajú ak je rýchlosť prúdenia v veľká.
Obr.3.34 Prietokomer s Pittotovou trubicou
Venturiho trubica : Ak meníme prierez potrubia, nezmení sa prietok, ale rýchlosť
prúdenia.
Rýchlosť prúdenia kvapaliny môžme určiť :
- z rovnice kontinuity
v1 ⋅ S1 = v 2 ⋅ S2 , (48)
t.j. pri ustálenom prúdení ideálnej kvapaliny v potrubí prejde každým prierezom
potrubia za jednotku času rovnaké množstvo kvapaliny.
- z Bernoulliho rovnice
p d1 + p s1 = p d2 + p s2 = p c , (49)
0,5 ⋅ ς ⋅ v12 + ς ⋅ g ⋅ h1 = 0,5 ⋅ ς ⋅ v 22 + ς ⋅ g ⋅ h2 , (50)
t.j. súčet statických a dynamických tlakov je vo všetkých prierezoch rovnaký.
Obr.3.35 Prietokomer s Venturiho trubicou
Odvodenie :
Q = v1 ⋅ S1 = v 2 ⋅ S2 ⇒ v1 = Q/S1 a v 2 = Q/S 2 , (51)
∆v = v1 − v 2 = Q/S1 − Q/S 2 = Q(1/S1 − 1/S2 ) , (52)
∆ps = p s1 − p s2 = p c − p d2 − (p c − p d1 ) = ∆pd , (53)
∆pd = pd1 − pd2 = 0,5 ⋅ ς ⋅ v12 − 0,5 ⋅ ς ⋅ v 22 = 0,5 ⋅ ς ⋅ (v12 − v 22 ) , (54)
ak platí:
v 2 >> v1 ⇒ v12 − v 22 = ∆v 2 , (55)
∆pd = 0,5 ⋅ ς ⋅ ∆v 2 ⇒ ∆v = 2 ⋅ ∆pd /ς = 2 ⋅ ∆p S /ς , (56)
2 ⋅ ∆pS /ς = Q ⋅ (1/S1 − 1/S2 ) , (57)
Q = k ⋅ ∆pS , (58)
Pre odvodenie vzťahu pre prietok Q sme použili vzťah pre dynamický tlak. Tento
snímač sa používa pri malých rýchlostiach prúdenia kvapaliny, t.j. v potrubiach
s veľkým prierezom S2. Namiesto Venturiho trubice sa môže do potrubia zamontovať
clona alebo dýza.
Rotameter : Rotameter je plavákový snímač prietoku. Skladá sa z kužeľovitej časti
zvislého potrubia, v ktorom je umiestnený rotačný plavák. Ak prúdi snímačom
kvapalina, plavák je nadnášaný silou vyvolanou dynamickým tlakom. Proti tejto sile
pôsobí tiaž plaváka G zmenšená o vztlak kvapaliny. Plavák sa zastaví v polohe,
v ktorej sú tieto sily v rovnováhe :
pd ⋅ S = m ⋅ g − ς k ⋅ g ⋅ Vp , (59)
pd ⋅ S ...... sila vyvolaná dynamickým tlakom
m ⋅ g ...... tiaž plaváka
ς k ⋅ g ⋅ Vp ... vztlak kvapaliny
p d ............ dynamický tlak
S ............. najväčší prierez plaváka
m ........... hmotnosť plaváka
g ............ normálové ťiažové zrýchlenie
ςk ........... merná hmotnosť prúdiacej kvapaliny
Vp ........... objem plaváka
Ak sa zväčší prietok Q, zväčší sa pd, ktorý spôsobí posunutie plaváka hore. V novej
polohe klesne rýchlosť prúdenia na pôvodnú hodnotu. Pri meraní sa mení prietokový
prierez a rýchlosť prúdenia, ako aj dynamický tlak zostávajú konštantné. Prietok Q
sa teda určí z rovnice
Q = v ⋅ S , (60)
kde rýchlosť v je konštanta a prierez S vypočítame nasledovne :
S = Π ⋅ D2 /4 − Π ⋅ d2 /4 = Π/4 ⋅ (D2 − d2 ) , (61)
Plavák je vyhotovený so zárezmi, aby súčasne rotoval. Používa sa pre meranie
malých prietokov Q, hlavne v chemickom priemysle.
Obr.3.36 Rotameter
Elektrické prietokomery
Indukčný prietokomer :
Princíp činnosti je založený na elektromagnetickej indukcii. Používa sa na
meranie prietoku elektricky vodivých kvapalín a tekutých kovov. Kvapalina
predstavuje vodič, ktorý sa pohybuje v homogénnom magnetickom poli
s konštantnou magnetickou indukciou B rýchlosťou v . Dĺžka vodiča
priemerom potrubia, takže l=konšt. Pre indukované napätie platí :
l
je daná
U = B ⋅ l ⋅ v = k ⋅ v , (62)
Napätie indukované v kvapaline sa sníma pomocou dvoch elektród vstavaných do
stien elektricky a magneticky nevodivých častí potrubia kolmo k smeru magnetického
toku. Snímač v inverznej funkcii môže pracovať ako čerpadlo tekutého kovu.
Obr.3.37 Indukčný elektrický prietokomer
Odporový prietokomer
Pri svojej činnosti využíva ochladzovanie teplotne závislého odporu prúdiacou
kvapalinou alebo plynom. Odporový snímač Rx sa žeraví konštantným príkonom,
a tým viac sa ochladzuje, čím je rýchlejšie prúdenie, t.j. väčší prietok.
Ochladzovaním sa Rx zmenšuje. Rýchlosť prúdenia a tým aj prietok vyhodnocujeme
meraním odporu snímača Rx pri konštantnom prúde I vyváženým mostíkom. Ako
odporový snímač možno použiť termistor , čím sa zväčší citlivosť. Pre meranie
objemu sa používajú integrujúce prietokomery , napr. vodomery a plynomery.
Obr.3.38 Odporový elektrický prietokomer
3.6. SNÍMAČE OTÁČOK
Často sa v praxi, najmä vo výrobnom procese stáva, že je potrebné sledovať
rýchlosť otáčok rotujúcich zariadení (napr. rýchlosť servomotorov alebo
dopravníkov). Na takéto sledovanie je potrebné využiť práve snímače otáčok. Podľa
toho aký fyzikálny princíp pri realizácii snímania využívame, rozoznávame viacero
snímačov otáčok.
Mechanický otáčkomer (odstredivý regulátor)
Tento snímač otáčok využíva odstredivú silu, ktorá pôsobí na hmotný bod m. Ten sa
otáča okolo osi hriadeľa. Čím vyššia bude rýchlosť otáčania v, tým vyššia bude
odstredivá sila pôsobiaca na hmotný bod. Teda, ak sa bude zväčšovať jeho
vzdialenosť od hriadeľa, bude zväčšovať veľkosť ramena r.
Odstredivá sila je daná vzorcom:
F0 = m ⋅ v 2 /r , (63)
Zariadenie sa využíva ako obmedzovač nadkritických otáčok (napríklad ako
automatická mechanická brzda pri voľnom páde výťahu v dôsledku výpadku
energie) alebo vypínač pomocnej fázy.
Obr.3.39 Odstredivý mechanický otáčkomer
m – hmotný bod, r – polomer otáčania, v – rýchlosť otáčania
Magnetický otáčkomer
Obr.3.40 Magnetický otáčkomer
1- permanentný magnet, 2- hliníkový kotúč, 3- stupnica,4 – ručička, 5- pružina
Ak v blízkosti otáčajúceho sa permanentného magnetu bude nezávisle uložený
hliníkový kotúč, budú sa v tomto kotúči indukovať vírivé prúdy, v dôsledku čoho
dochádza k natáčaniu hliníkového kotúča v smere otáčok. Pružina zabezpečuje
pružné natočenie kotúča a zároveň ručičky ukazovateľa rýchlosti. Uhol vychýlenia je
priamo úmerný rýchlosti otáčok. Magnetický otáčkomer sa v súčasnosti málo
využíva, ale používal sa ako tachometer do áut.
Tachodynamo
Tachodynamo patrí medzi elektrické otáčkomery. Princíp tohto snímača vychádza zo
správania sa vodiča, ktorý sa pohybuje v magnetickom poli. Ak sa vodič dĺžky l
pohybuje v priestore magnetického poľa s magnetickou indukciou B konečnou
rýchlosťou v, indukuje sa v tomto vodiči napätie:
U = B ⋅ l ⋅ v , (64)
i
Z rovnice vyplýva, že čím väčšou rýchlosťou sa bude vodič, respektíve cievka
v magnetickom poli otáčať, tým väčšie indukované napätie vznikne. Potom pomocou
komutátorov pripojíme na cievku voltmeter a vzniknuté jednosmerné napätie
môžeme z neho odčítať. Indukované napätie je úmerné meraným otáčkam.
Tachodynamo sa používa v regulačných obvodoch ako prevodník otáčok rotujúcich
zariadení na elektrické napätie.
Obr.3.41 Tachodynamo
1- pólové nástavce, 2- jednosmerný voltmeter, 3- cievka
Tachogenerátor
Rotáciou permanentného magnetu v blízkosti stabilnej cievky
získame
tachogenerátor. Tachogenerátor patrí takisto medzi elektrické otáčkomery. Princíp
spočíva v tom, že otáčaním permanentného magnetu, teda premenlivým
magnetickým poľom, sa indukuje v stabilnej cievke striedavé napätie. Mierou otáčok
je efektívna hodnota tohto striedavého napätia alebo jeho kmitočet. Kmitočet
indukovaného striedavého napätia zodpovedá frekvencii zmien magnetického poľa,
teda otáčkam. Zariadenie sa využíva hlavne v regulačných systémoch na reguláciu
otáčok.
Obr.3.42 Tachogenerátor
1 – cievka, 2 – striedavý voltmeter, 3 – rotujúci permanentný magnet
Impulzné otáčkomery
Ak od rotujúceho hriadeľa získame impulzy mechanickou alebo elektrickou cestou,
potom použitím vhodného počítadla impulzov dokážeme stanoviť otáčky.
Najčastejším spôsobom získavania impulzov je použitie fotoelektrických snímačov.
Otáčkomer využívajúci stroboskop
Slúži na nepriame meranie otáčok, pričom využíva nedokonalosť ľudského oka. Je
tvorený bezzotrvačným výbojkovým osvetľujúcim telesom s možnosťou plynulej
zmeny frekvencie zábleskov. Na rotujúci hriadeľ urobíme značku (napr. farbou)
a záblesky stroboskopu nasmerujeme práve na tento rotujúci hriadeľ. Zmenou
frekvencie zábleskov sa snažíme priblížiť k frekvencii otáčania hriadeľa. Ak sa nám
vďaka nedokonalosti ľudského oka zdá, že značka na hriadeli sa nehýbe a ostáva na
jednom mieste, frekvencia otáčok hriadeľa sa zhoduje s frekvenciou zábleskov. Teda
odčítaním frekvencie zábleskov stanovíme otáčky hriadeľa.
3.7. SNÍMAČE VÝŠKY HLADINY
Snímanie výšky hladiny je mnohokrát veľmi dôležité, či už na zistenie objemu
alebo ako ochrana pred nebezpečenstvom (povodne), atď. Časom sa vyvinuli rôzne
jednoduché alebo zložité snímače výšky hladiny.
Stavoznak
Obr.3.43 Stavoznak
1 – kvapalina, 2- spojené nádoby, 3 - stupnica
Využíva fyzikálny zákon rovností hladín spojených nádob, kde údaj na stupnici úzkej
nádoby zodpovedá výške hladiny vo veľkej nádobe.
Plavákový systém
Obr.3.44 Plavákový stavoznak
1 – kvapalina, 2- stupnica, 3- plavák, 4- nádoba
Pomocou plaváka, ktorý je nadľahčovaný kvapalinou, teda pláva na hladine, je
prenesená výška hladiny na stupnicu. Stupnica zodpovedá výške kvapaliny. Na
stupnicu je možné pripojiť napríklad odporový snímač na prevedenie hodnoty do
elektrickej formy. Pri veľkých hĺbkach sa nedá použiť kvôli nadrozmernej veľkosti
stupnice. Používa sa napríklad na uzavretie napúšťacieho ventilu v zásobníkoch
záchodov.
Ponorné teleso
Tam kde sa nedá použiť plavákový systém kvôli veľkej hĺbke kvapaliny, tam môžeme
použiť ponorné teleso (obr.3.45). Pri tomto systéme dochádza vďaka dômyselnej
pružine k redukcii výšky hladiny v pomere až 1:50. Pri veľkej zmene hladiny
kvapaliny sa poloha ponorného telesa zmení len nepatrne, čo sa prejaví na stupnici.
Stupnica tým pádom nemusí byť nadrozmerná a je úmerná skutočnej výške hladiny.
Obr.3.45 Stavoznak s ponorným telesom
1 – kvapalina, 2- pružina, 3- stupnica, 4- ponorné teleso, 5- nádoba
Využitie hydrostatického tlaku
Obr.3.46 Meranie výšky hladiny s využitím hydrostatického tlaku
1- nádoba, 2- kvapalina, 3- manometer
Tento typ zariadenia na meranie výšky hladín využíva fyzikálny princíp
hydrostatického tlaku. Čím je hladina vody h vyššia, tým je vyšší aj hydrostatický tlak
na dne nádoby meraný manometrom. Stupnica manometra je úmerná výške hladiny.
Metóda prevzdušňovaním
Obr.3.47 Meranie hladiny prevzdušňovaním
1- kvapalina, 2- nádoba, 3 –manometer, 4- kompresor
Kompresor tlačí na dno nádoby vzduch, ktorý sa prediera na povrch kvapaliny. Čím
je vyššia hladina kvapaliny, tým je vyšší aj hydrostatický tlak na dne nádoby.
Zvýšená hladina vody znamená zvýšenú záťaž pre kompresor, čo sa prejaví
zvýšeným tlakom na manometri. Tlak na manometri je úmerný výške hladiny.
Zariadenie sa využíva v potravinárskom priemysle.
Elektródové zariadenie
Slúži na automatické udržanie výšky hladiny limitované polohou elektród. Využíva sa
taktiež na sledovanie výšky hladiny zdroja vody. Činnosť čerpadla sa zablokuje, ak je
vody nedostatok.
Obr.3.48 Elektródové zariadenie na udržiavanie výšky hladiny
1 – kvapalina, 2- elektródy, 3- cievka, 4 – kontakt, 5 - nádoba
3.8. ZOSILŇOVAČE
Aby mohol riadiaci systém plniť svoju úlohu, signály prichádzajúce z technologického
procesu treba zosilniť a spracovať tak, aby potrebným spôsobom podľa algoritmu
riadenia mohli ovplyvňovať vstupné signály a stavy technologického procesu.
Veľakrát potrebujeme malým riadiacim výkonom usmerňovať podstatne väčší tok
látok a energií . Tieto úlohy zabezpečujú zosilňovače.
Zosilňovač je zariadenie, ktoré umožňuje vstupným signálom nízkej úrovne
ovládať výstupný signál vyššej úrovne dodávaný z napájacieho zdroja. Pomer oboch
signálov sa nazýva zosilnenie.
Podľa toho, či pomocná napájacia energia je stlačený vzduch, stlačená kvapalina
alebo elektrická energia, rozdeľujeme zosilňovače na:
pneumatické
hydraulické
elektrické.
Pneumatické zosilňovače
Princíp týchto zosilňovačov sa zakladá na činnosti rôznych škrtiacich rozvodov a
nepatrne sa pohybujúcich membrán, ktoré spájajú alebo oddeľujú cez prietokové
otvory rôzne pneumatické komory a tým riadia veľkosť tlaku v týchto komorách.
V nízkotlakových pneumatických obvodoch sa používa napájací tlak 140 kPa a
unifikovaný regulačný rozsah tlaku vzduchu od 20 do 120 kPa. Základnou časťou
pneumatických zosilňovačov je systém ladička – dýza. Vo funkcii tlakového snímača
sa používajú vlnovec, membrána alebo Bourdonova rúrka. Vstupný tlak p1 sa
prenáša pomocou membrány na polohu ladičky x, ktorá riadi veľkosť výstupného
tlaku p2.Zosilňovací účinok vidíme na statickej charakteristike.
Obr.3.49 Statická charakteristika zosilňovača
a
statická charakteristika
systému ladička-dýza
Obr.3.50 Principiálna zostava pneumatického zosilňovača
1- membrána, 2- ladička, 3- dýza, p1-vstup, p2-výstup, pn-napájací tlak 140 kPa
Príkladom pneumatického zosilňovača je zosilňovač s tlakomernou škatuľou.
Výstupný tlak je ovplyvňovaný vzdialenosťou medzi ladičkou a dýzou a následne
polohou guľového ventilu.
Obr.3.51 Pneumatický zosilňovač s tlakomernou škatuľou
pvs- vstupný tlak, pv- výstupný tlak, pL – tlak ladiaceho vzduchu
Od vzdialenosti medzi ladičkou a dýzou závisí veľkosť výstupného tlaku. Ak je
vzdialenosť malá, tlak ladiaceho vzduchu pL je dostatočne veľký a spôsobí vytlačenie
guľového ventilu nahor. Výstupný tlak bude veľký. V prípade väčšej vzdialenosti ,
tlak pL klesá a aj výstupný tlak bude malý.
Rýchlosť prenosu pneumatického signálu
ako aj dynamické vlastnosti
pneumatického zariadenia ovplyvňuje energia signálu, ktorá je daná tlakom a
prietokom. Signál zo systému ladička - dýza je treba výkonovo zosilniť, t.j. zväčšiť
predovšetkým jeho prietok. Na to používame výkonové zosilňovače – zrýchľovače.
Pneumatické zosilňovače sa používajú vo výbušnom prostredí, kde je dôležitá
požiadavka bezpečnosti práce. Ide o rafinérie ropy, bane ,chemické a hutnícke
prevádzky. Pneumatické systémy sú odolné proti rušivým elektrickým a
magnetickým poliam, sú vysoko spoľahlivé v prostrediach s extrémnymi teplotami a
chemickou agresivitou.
Hydraulické zosilňovače
Používajú sa dva základné druhy, dýzové a posúvačové.
Dýzový zosilňovač s rozdeľovačom
Dutým
rýchlosťou z
je pripojený
tlaky p1 a p2
čapom sa privádza olej do dýzy pod tlakom 0,4 MPa. Olej prúdi veľkou
dýzy do rozdeľovača , v ktorom sú dva kanáliky. Na výstup rozdeľovača
hydraulický pohon. Pri vychýlení dýzy doprava alebo doľava sa menia
a tým aj smer pohybu piesta v pohone.
Obr.3.52 Charakteristika dýzového hydraulického zosilňovača
Poloha 0 zodpovedá stavu, v ktorom dýza nie je vychýlená. Pri jej vychýlení doľava
alebo doprava, narastá tlak p1 alebo p2.
Obr.3.53 Dýzový zosilňovač s rozdeľovačom a výkyvnou dýzou
pvs- vstupný tlak, p1 a p2- riadené tlaky, 1 – hydrovalec, 2- rozdeľovač, 3- výkyvná
dýza
Hydraulický zosilňovač s posúvačom
Prívod oleja do hydrovalca sa riadi posúvačom. Posúvač sa podľa polarity prúdu
premiestňuje doprava (doľava) a spojí jednu časť hydrovalca s napájacím tlakom p
a druhú časť s odtokom t. Z rozdielu tlakov, ktoré pôsobia na piest, vyplývajú silové
účinky hydrovalca.
Obr.3.54 Hydraulický zosilňovač s posúvačom
p- napájací tlak, t – odtok(tank), 1- hydrovalec, 2- elektrické cievky, 3 - posúvač
Tieto zosilňovače sa používajú v hutníckom a chemickom priemysle, v letectve alebo
pri regulácii vodných turbín. Vzhľadom na dobré mastiace a konzervačné účinky sa
ako tlaková kvapalina používa olej.
Elektrické zosilňovače
Najdôležitejšou časťou elektrických zosilňovačov sú súčiastky, schopné
zosilniť elektrický signál. Základ zosilňovačov tvoria polovodičové súčiastky, najmä
tranzistor a tyristor,
najčastejšie v integrovanom vyhotovení. Zosilňovače
v riadiacich systémoch majú za úlohu signál nielen zosilniť , ale aj spracovať
(operácie sčítania, odčítania, násobenia, delenia, integrovania, derivovania
a vytvorenia rôznych lineárnych a nelineárnych funkcií).Týmto požiadavkám
najlepšie vyhovujú operačné zosilňovače. Požiadavky na vlastnosti operačných
zosilňovačov sú:
- vstupný odpor
R vst → ∞ ,
- výstupný odpor
R výst → 0 ,
- napäťové zosilnenie
AU → ∞ ,
- frekvenčný rozsah
0 až niekoľko sto kHz,
- fázový posun medzi vstupným a výstupným signálom je 1800.
V praxi sa najčastejšie používa operačný zosilňovač so symetrickým vstupom
a nesymetrickým výstupom.
3.7. AKČNÉ ČLENY
Akčný člen je funkčná časť regulačného obvodu, ktorá bezprostredne prenáša
pôsobenie riadiacich zariadení na technologický proces. Slúži na nastavenie prítoku
energií, vstupných látok a surovín do regulovanej sústavy. Akčný člen pozostáva z
regulačného orgánu a pohonu. Pohon dodáva energiu potrebnú na prestavenie
regulačného orgánu, regulačný orgán realizuje nastavenie veľkosti prítoku látok,
surovín a energií do sústavy.
Obr.3.55 Štruktúra akčného člena
P-pohon, RO- regulačný orgán, Yn-vstup látok a energií, Yr- opravná veličina, Yakčná veličina
Podľa nastavenia hodnôt akčnej veličiny rozlišujeme akčné členy spojité a nespojité,
podľa fyzikálneho princípu ich delíme na elektrické a neelektrické.
Voľba akčného člena závisí od druhu akčnej veličiny. Ak regulujeme teplotu v
elektrickej peci , použijeme elektrický akčný člen. Ak však pec bude vykurovaná
plynom, použijeme neelektrický akčný člen (napr.ventil).
Elektrické nespojité akčné členy môžeme realizovať stýkačom alebo relé v
rôznom prevedení. Namiesto elektromechanických spínačov použijeme tranzistorové
alebo tyristorové spínače. Elektrické spojité akčné členy sú rôzne druhy výkonových
spojitých elektrických zosilňovačov.
Prehľad charakteristických častí akčných členov:
Regulačné orgány
1.Elektrické : regulačný rezistor , regulačný transformátor, tranzistor, tyristor,
kontakt stýkača , relé
2.Pneumatické: klapka, ventil, posúvač
3.Hydraulické: ventil, posúvač
Pohony
1.Elektrické: elektromagnetický, elektromotorický (jednosmerný motor, dvojfázový
a trojfázový motor, krokový motor)
2.Pneumatické: membránový, piestový
3.Hydraulické: piestový, krídlový
3.8. PREVODNÍKY
Prevodník sa umiestňuje medzi dve zariadenia na nadviazanie komunikácie. Mení
jednu fyzikálnu veličinu na inú, ktorú môžeme ďalej spracovať.
Delenie prevodníkov: 1.prevodníky neelektrických veličín
2.prevodníky elektrických veličín : analógovo- číslicové(A/Č),
číslicovo- analógové(Č/A) , elektroelektrické
3.medzisystémové prevodníky: elektrohydraulické a
elektropneumatické
Prevodníky neelektrických veličín menia výstupný signál zo snímača na
unifikovaný signál, vhodný na ďalšie spracovanie.
Prevodníky elektrických veličín
Elektro-elektrické prevodníky
Sú určené na prevod striedavého aj jednosmerného napätia, prúdu, činného
a jalového výkonu a frekvencie na unifikovaný analógový jednosmerný prúdový
signál 0mA až 5mA, 0mA až 10mA, 4mA až 20mA. Používajú sa tiež na prevod
malých jednosmerných napätí a prúdov na unifikovaný napäťový alebo prúdový
signál.
Osobitnú skupinu tvoria členy na galvanické oddelenie obvodov od riadiacich
obvodov, napr. oddeľovacie transformátory, spínacie a optoelektronické obvody.
Analógovo-číslicový prevodník
Číslicové počítače spracúvajú dvojhodnotové signály. Ak chceme počítačom
spracovať spojitý signál snímaný snímačom, vstupné zariadenie musí obsahovať
analógovo-číslicový prevodník A/Č. Tento prevodník mení spojito sa meniaci vstupný
analógový signál na výstupný číslicový signál v určitom kóde.
Obr.3.56 Statická charakteristika A/Č prevodníka
V pravidelných časových intervaloch sa vyhodnocuje okamžitá hodnota analógového
signálu, hovoríme o vzorkovaní. V určitom čase sa zistí hodnota analógovej veličiny
a až do ďalšieho časového okamihu sa jej hodnota považuje za konštantnú.
Činnosť analógovo-číslicových prevodníkov je rôzna. Vysvetlíme si systém prevodu
„napätie – čas – číslo – kód.“
V porovnávacom obvode – komparátore K sa porovnáva napätie Ux s napätím Up
z generátora pílovitého napätia GP. Generátor impulzov GI vyrába impulzy ,ktoré
vstupujú cez spínač S do čítača CT, ktorý ich počíta. Keď napätie Up dosiahne
hodnotu Ux, komparátor vyšle impulz STOP a zablokuje vstup impulzov do čítača.
Počet impulzov je úmerný časovému intervalu otvorenia spínača, je priamo úmerný
veľkosti Ux. Z čítača zistíme zakódovanú číslicovú informáciu. Tento prevodník je
trojbitový (a0,a1,a2 ), maximálna desiatková hodnota napätia zobrazená tromi bitmi
je 7 V (1,1,1 v binárnom kóde).
Obr.3.57 Prevodník A/Č „napätie – čas – číslo – kód“ GP – generátor pílovitého
napätia, GI – generátor impulzov, K –komparátor, S – spínač, CT – čítač, a0,a1,a2 –
výstupné bity
Obr.3.58 Určenie časového intervalu prevodu „napätie- čas“
Číslicovo – analógový prevodník
Používame ho vtedy, ak potrebujeme číslicový signál spracovať v spojitom –
analógovom tvare. Tento prevodník mení vstupný zakódovaný číslicový signál na
zodpovedajúcu úroveň analógovej výstupnej veličiny. Najčastejšou výstupnou
veličinou je jednosmerné napätie alebo prúd.
Na obrázku máme vyobrazený trojbitový Č/A prevodník. Jednotlivé bity sú zapísané
v registri RG a sú riadené spínačmi S. Nimi sa prenáša referenčné napätie Ur cez
váhové rezistory s veľkosťou R, 2R a 4R na vstup operačného zosilňovača OZ.
Operačný zosilňovač je zapojený ako sumátor. Veľkosť výstupného napätia určujú
logické stavy vstupného trojbitového signálu.
Výstupné napätie určíme podľa vzťahu:
R
R
R⎞
⎛
Uv = Ur ⋅ ⎜ a0 ⋅
+ a1 ⋅
+ a2 ⋅ ⎟ (65)
4R
2R
R⎠
⎝
Obr.3.59 Prevodník Č/A
Ur-referenčné napätie, RG- register, S0,S1,S2- spínače, OZ – operačný zosilňovač,
a0,a1,a2 – vstupné bity, R,2R,4R- váhové rezistory, Uv- výstupné analógové napätie
Obr.3.60 Statická charakteristika Č/A prevodníka
Vzájomnú spoluprácu analógových a číslicových obvodov zabezpečujú aj:
• frekvenčne / analógové prevodníky
• analógovo / frekvenčné prevodníky
•
prevodníky počet impulzov /číslo , tzv.čítače , ktoré prevádzajú počet
impulzov na číslo v určitom kóde.
Medzisystémové prevodníky
Prevádzajú signály medzi elektrickými, pneumatickými , hydraulickými a inými
systémami.
Na obrázku je zapojenie elektropneumatického prevodníka, ktorý prevádza vstupný
prúd v rozsahu I= 0 až 20 mA na výstupný tlak pv = 0,02 až 0,1MPA.
Obr.3.61 Zapojenie elektropneumatického prevodníka
1- cievka, 2 – permanentný magnet, 3 – magnetický obvod, 4 – ladička, 5 – dýza,
6 – vlnovec, 7 – nulovacia pružina
Vstupom prúdu do cievky vzniká moment sily , ktorý ju vytláča z magnetického
obvodu magnetu. Ak sa vzdialenosť medzi ladičkou a dýzou zmenšuje, stúpa
výstupný tlak pv. Proti tomuto pohybu pôsobí vlnovec, vo funkcii zápornej spätnej
väzby.
Úloha: Na internetovej stránke odborného mesačníka o priemyselnej automatizácii,
meraní a regulácii www.atpjournal.sk nájdite články týkajúce sa nových trendov
vo vývoji prístrojov automatizačnej techniky ( snímače, zosilňovače, prevodníky,
akčné členy). Pripravte prezentáciu v programe Microsoft Office PowerPoint na
tému, ktorá Vás najviac oslovila.
Download

Snímače