1. Základní pojmy a definice

Transkript

1 . Základní jy a definice Tlak je definván silu F ùsbící kl na jedntku lchy S, tedy F g S S kde je F - síla [N], S - lcha [ ], - htnst [kg], g - tíhvé zrychlení [/s ], neb hydrstatický tlake sluce kaaliny výšce h a husttì ρ, tedy ρ g h kde je ρ - ìrná htnst kaaliny [kg/ 3 ], h - výška []. Jedntku tlaku je ascal (Pa). Tlak veliksti jednh ascalu je vyvlán silu veliksti jednh newtnu rvnìrnì rzlženu na rvinu lchu bsahu jednh ètvereèníh etru klu ke sìru síly. V terdynaice a nìkterých dalších brech se užívá též jedntka bar. Tedy Pa N/ bar 0 5 N/ Hg trr H O k/ Prtže se vyskytují ještì jiné jedntky, je øijena øevdní tabulka. PSI kpa in H O * H O in Hg ** Hg bar bar k/c /c PSI 6,8948 7, ,33,036 5,749 0, ,9476 0, ,307 kpa 0,45 4,08 0,55 0,953 7,5006 0,0 0 0,00 0,97 in H O * 0,036 0,486 5,4 0,0734,865 0,005,4864 0,005,5355 H O 0,004 0,0098 0,0394 0,009 0,0734 0,000 0,0979 0,0000 0, in Hg ** 0,04 3,3864 3, ,936 5,4 0, ,8639 0, ,53 Hg 0,093 0,333 0,536 3,695 0,0394 0,003,333 0,004,3595 bar 4, ,84 05,5 9,53 740,06 000,097 09,7 bar 0,045 0, 0,40 0,55 0,095 0,750 0,00 0,00,097 k/c 4,33 98, , , ,559 0, , /c 0,04 0,098 0, ,09 0,7356 0,00 0,9807 0,00 * telta 5 C ** telta 0 C Abslutní tlak a se ìøí d abslutní nuly, øetlak a dtlak se ìøí d kažitéh baretrickéh tlaku b. Vakuu je velice alý abslutní tlak blížící se nule. Statický tlak s se ìøí v rudící tekutinì a je v celé rùtèné rùøezu stejný. Kinetický tlak k je funkcí rychlsti rudìní w a hustty tekutiny ρ dle vztahu k ρ. w / Dynaický tlak d zahrnuje vliv stlaèitelnsti tekutiny s a je rven d s. k U nestlaèitelných tekutin (tj. vìtšiny kaalin) je kinetický tlak rven dynaickéu. Celkvý tlak c je rven suètu statickéh a dynaickéh (kinetickéh) tlaku, tedy c s + d s + k I

2 Pøi ìøení rychle rìnných tlakù je axiální frekvence f ax tlakvých zìn závislá na délce L iulsníh trubí (øívdní trubí ke sníaèi tlaku) dle vztahu f ax 0,4. c / L kde je c - rychlst šíøení zvuku v rstøedí v iulsní trubí.. Rzdìlení sníaèù tlaku (tlakìrù) Pdle veliksti ìøenéh tlaku a dle užití, lze sníaèe tlaku (tlakìry) rzdìlit na: a) sníaèe vakua - k ìøení veli alých abslutních tlakù - (též vakuetry a ultravakuetry), b) sníaèe dtlakù i øetlakù (anvakuetry), c) sníaèe alých dtlakù (tahìry), d) sníaèe øetlakù (anetry), e) diferenèní sníaèe - k ìøení tlakvých rzdílù. Pdle definièních vztahù a funkèníh rinciu lze sníaèe tlaku (tlakìry) rzdìlit na: a) zvnvé sníaèe (tlakìry) - etalnvé øístrje ke kalibraci nízktlakých sníaèù. Mìøítke tlaku je bvykle zdvih zvnu, b) ístvé sníaèe (tlakìry) - etalnvé øístrje ke kalibraci vysktlakých sníaèù. Mìøítke tlaku je htnst závaží na ístu znáéh rùøezu, c) defraèní sníaèe (tlakìry) - nejèastìji užívané sníaèe. Mìøítke tlaku je defrace ružnéh rvku. Pdle tlakìrnéh rvku jsu t sníaèe trubicvé, ebránvé, krabicvé a vlnvcvé. Další rzdìlení je dle zùsbu sníání defrace ružnéh rvku a t: izrezistivní, tenzetrické, indukèní, indukènstní, kaacitní ad., d) elektrické sníaèe - využívají tlakvé závislsti elektrické velièiny. Jsu t sníaèe drvé (vysktlaké tlakìry), bletrické a inizaèní (vakuetry). 3. Defraèní sníaèe tlaku Nejrzšíøenìjší defraèní sníaèe tlaku jsu trubicvé a ebránvé. 3.. Trubicvé sníaèe tlaku Defraèní rvke je trubice válnéh neb elitickéh rfilu, která je stèena d kruhvéh bluku, neb d sirály nìklika závitech. Trubice á vlný knec uzavøen. Otevøený uevnìný knce je d ní øivádìn ìøený tlak. Vlive ùsbícíh tlaku se trubice naøiuje a její knec se vychýlí. Tt vychýlení je krì tlaku také závislé na úhlu stèení trubice. Jak ukazují hdnty v øijené tabulce, není tat závislst lineární a uzròuje na t, øi jaké úhlu stèení trubice je øírùstek defrace nejvìtší Úhel ( ) Výchylka (%) Z uvedené tabulky naø. lyne, že nejvýhdnìjší úhel stèení trubice je 70, rtže další stèení (až na 360 ) se nedcílí dstatnéh zvìtšení výchylky knce trubice. Velký vliv na øesnst sníaèe á telta trubice. Telta vlivòuje dul ružnsti ateriálu trubice. Tent vliv je zahrnut teltníh suèinitele defrace, který je naø. r barevné kvy (saz, brnz, tbak) rven a 4,5.0-4 K -. Abslutní chybu sníaèe lze vyjádøit vztahe ú α.. t a relativní chyba δ( ) ( ú / ax ). α. t. II

3 3.. Mebránvé sníaèe tlaku Mebrány jsu kruhvéh tvaru rùzných velikstí a rùzné tuhsti. Pužívají se ebrány tzv. tenké a tuhé (s vlastní tuhstí). Tenké ebrány jsu rvné, neb atøeny sustøednýi vlisy. Rvné ebrány ají veli alu defraci (rùhyb støedu ebrány). Sníání rùhybu ebrány se rvádí nìklika zùsby: tenzetricky, iezrezistivnì, kaacitnì, indukènì, induktivnì ad. Na velikst rùhybu ebrány á vliv øedevší knstrukèní usøádání a ateriál ebrány (dul ružnsti E a suèinitel tuhsti ebrány). 4. Sníaèe s drvýi tenzetry U tìcht sníaèù se užívají drvé tenzetry r ìøení defrace v øedchzí textu uvedených defraèních èlenù. Ve vìtšinì øíadù jsu tenzetry uístìny øí na defraèní èlenu. Puze u zvlnìné ebrány je její rùhyb øeveden na defraci dalšíh èlenu (naø. jednstrannì vetknutéh nsníku), na které jsu uístìny tenzetry. Na defraèní èlenu je alesò lvièní tenzetrický ùstek, vìtšinu však celý neb vícenásbný tenzetrický ùstek. Pužívají se:. Tenzetry kvvé. Tenzetry lvdièvé 3. Tenzetry integrvané Tenzetry kvvé Dsud jsu užívána èidla s tenzetry leenýi na defraèní èlenu. Tuhá ebrána øedstavuje téìø ideální defraèní èlen (alá htnst, jednduchá knstrukce, vyský reznanèní kitèet). Je vhdná r ìøení èasvì rìnných tlakù. Pužívají se narašvané tenké neb tlusté kvvé vrstvy na defraèní èlen. Dsáhl se zvýšení stability, øesnsti, rzšíøení teltníh rzsahu, leší vlastnsti dynaické a další výhdné vlastnsti. Pr vytvøení izlaèní vrstvy na kvvé defraèní èlenu se užívá naø. nitrid Si, xid Al, skl ad. Vyrábí se jak jednduchá èidla, tak èidla hybridní s vestavìný zesilvaèe, dvuvdièvý øevdníke neb úlnu elektrniku. Èidla s lvdièvýi tenzetry Snaha zvýšení citlivsti tlakvých sníaèù vedla k náhradì tenzetrù kvvých tenzetry lvdièvýi. Dsáhl se sice zvýšení citlivsti jeden až dva øády, avšak rbléy s leení tenzetrù nebyly dstranìny. Navíc øi užití lvdièvých tenzetrù se výraznì zvyšuje teltní chyba. Otiální se jeví uze usøádání r ìøení alých tlakù, kdy tenzetry jsu uístìny na sastatné, jednstrannì vetknuté nsníku, jehž vlný knec je sjen se støede ebrány. Èidla integrvaná Pøedstavují další vývjvu etau tlakvých sníaèù a svýi araetry jsu veli vhdný øešení nìkterých žadavkù autatizaèní techniky, rbtiky, lékaøské techniky ad. U tìcht èidel tlaku je jak defraèní èlen užita tuhá ebrána z lvdièe (bvykle køeík) a v ní jsu vytvøeny v difúzních vrstvách lvdièvé tenzetry. Tent ty èidla je tedy zalžen na využití iezrezistence v lvdièi a difúzní vrstvì lvdièe. Pùsbení echanickéh naáhání v urèité krystalgrafické se nkrystalu lvdièe neb v difúzní vrstvì lvdièe dchází ke zìnì vdivsti. Vzhlede k øadì výhd, využívá se øedevší iezrezistivní jev v difúzních vrstvách lvdièe. Tt øešení užòuje:. Vytvøit iniaturní (až subiniaturní) sníaèe.. Pdstatnì jsu zlešeny echanické vlastnsti defraèníh èlenu (hystereze, družvání ad.). 3. Citlivst lze zvýšit ještì tí, že se na defraèní èlenu vytvøí vìtší èet aktivních iezrezistivních èidel (tenzetrù). 4. Zvìtšit kitètvý rzsah tlakvéh sníaèe. Mezi základní výhdy køeíku øi užití u defraèníh èlenu atøí latnst Hkva zákna v širké rzsahu defrací (až d ε 0,0). Další výhdu je iniální hystereze, dbøe snáší vyské telty a není øíliš cheicky reaktivní. Vìtšinu se vyrábí kruhvé ebrány, na nichž jsu vytvøeny dva neb více tenzetrù jednduchých tvarù, které jsu sjeny øí na ebránì lšný sje. Znaènu výhdu lvdièvé technlgie je, že lze realizvat èidla s extrénì alýi rzìry. Prùìr 0,8 až 3,9, htnst 0, g až 0,6 g. Tlakvé rzsahy jedntky kpa až desítky MPa. Vlastní kitèet ebrány 00 khz až,6 MHz. Teltní rzsah -55 C až 5 C. U lvdièvých sníaèù tlaku s køeíkvu ebránu je žnst vytvøení vyhdncvacích bvdù øí na køeíkvé substrátu. Sérivì jsu vyrábìny sníaèe s vestavìnu elektrniku vèetnì rcesru a aìtí. U sníaèù s vysku integrací se rdlužuje dba ìøení až na 0, s. Pužití drvých tenzetrù øedstavuje tiální øešení r sníaèe tlaku. Lze realizvat sníaèe s dstateènu citlivstí, stabilitu, frekvenèní rzsahe a subiniaturníh rvedení. III

4 5. Sníaèe s kaacitníi èidly U tìcht sníaèù je využíván r ìøení tlaku kaacitní èidl. Defraèní èlen (kvvý, lvdièvý, keraický) vytváøí alesò jednu elektrdu kaacitníh èidla. Nejèastìji užívaný defraèní èlene je ebrána. Pr alé tlaky se užívá tenká ebrána neb vlnvec. Kaacitní èidl tlaku je knstrukènì veli jednduché. Pr seciální alikace jsu znáa èidla lchá a veli alých rzìrù. Parazitní vliv kaacity øívdù je øešen cí hybridní neb integrvané elektrniky vestavìné ve sníaèi. Kaacitní rinci je veli èast využíván øi ìøení tlakvé diference. Sleènu vlastnstí všech tìcht sníaèù je velká rzlišvací schnst a chrana defraèníh èlenu sníaèe øed øetížení. Pracvní rzsah tìcht diferenèních sníaèù tlaku je v rzezí 00 Pa až 40 MPa. Pøit statický tlak ùže dsáhnut až 40 MPa. Nejznáìjší rvedení diferenèníh èidla tlaku je dle br. 3 se støední elektrdu (ebránu) a evnýi elektrdai vytvøenýi na izlantu (keraika, skl), tvarvané tak, aby zìna kaacity byla c nejvìtší a suèasnì byl vytvøen echanický draz rti øetížení. Bìžnì se užívají kvvé neb keraické ddìlvací ebrány, øièež rstr ezi ìøicí ebránu a ddìlvací ebránu je nalnìn siliknvý leje neb inertní kaalinu. Vývdy Elektrdy kndenzátru Mìøicí ebrána Skl Kaalná nálò Oddìlvací ebrána Tìsnicí svary Obr. 3 Prùøez kaacitní èidle d-cell TM Kaacitní èidl øedstavuje tiální øešení r sníaè tlakvé diference. Nejnvìjší kaacitní sníaèe jsu zalženy na iniaturizaci a vyské kvalitì èidel. Díky alý rzìrù byl žn èidla øesunut d skøínì elektrniky, kde jsu lée chránìna øed teltní a hlavnì echanický naáhání. Tí dšl k dalšíu zlešení araetrù - øesnst až 0,05 %, vliv zìny telty až 0,00 %/K, vliv statickéh tlaku a 0,05 %/ MPa. Kaacitní rinci se užívá též u zìtnvazebních sníaèù se silvu elektrstaticku neb elektragneticku kenzací. Tent zùsb zaruèuje akvatelnst leší než 0,0 %, ráh ìøení 0, Pa. 6. Sníaèe s iezelektrickýi sníaèi U sníaèù tht tyu se využívá iezelektrický jev, který se vyznaèuje tí, že øi ùsbení tlaku na ateriál s iezelektrickýi vlastnsti se generuje nábj úìrný tlaku. Jak citlivý ateriál se užívá øedevší iezkeraika a køeen. Èidl tlaku je vytvøen sjení nìklika diskù. Pdínku r lineární charakteristiku sníaèe a vyský reznanèní kitèet je echanické øedìtí. D sníaèe bývá bvykle zabudván iedanèní øevdník. Piezelektrický sníaè tlaku se vyznaèuje alýi rzìry. Mùže racvat øi vyských teltách. Nìkteré knstrukce ají vzduchvé neb kaalinvé chlazení. Tent ty sníaèe je vhdný uze r ìøení èasvì rìnných tlakù. Obvykle ají vestavìnu kenzaci arazitníh ùsbení vibrací. Hrní hranice sníaèù tlaku tht tyu je 00 MPa. IV

5 7. Seciální sníaèe tlaku D tét skuiny ùžee zaøadit, i jiné, svìtlvdné sníaèe tlaku. Pr jejich funkci se využívá vlastnstí svìtla. Jak øíklad lze uvést reflexní sníaè racující s draze svìtelnéh tku na ebránì. Jak zdrj svìtla se užívá svìtelná eisní dida, která je øijena na sklenìné vlákn. Druhý knec svìtlvdu (sklenìnéh vlákna) je uístìn d definvané vzdálensti d ebrány tak, aby se svìtelný tk vycházející ze svìtlvdu drazil d ebrány a vrátil se d øijíacíh svìtlvdu. Na druhé knci øijíacíh svìtlvdu je ftdida, která øevede svìtelný tk na elektrický signál. Sníaèe tht tyu se vyznaèují alýi rzìry. Mhu racvat ve výbušné rstøedí a v zaøízeních s extréní rušení elektragnetický le. Byly zknstruvány sníaèe vyské citlivsti (0, Pa) v subiniaturní rvedení r ìøení zvukvých a ultrazvukvých signálù. Sníaèe tht tyu lze važvat za ersektivní. 8. Inteligentní sníaèe Pd tít znaèení rzuíe ulatnìní zcela nvých kncecí bvdù zracvání výstuních signálù z èidel, vyvlané øedevší rzvje ikrelektrniky, výèetní techniky a èíslicvéh zracvání signálù. Slnìní základních úklù inteligentních sníaèù vyžaduje sustøedìní v tìsné blízksti èidla elektrniku zajiš ující následující erace: základní diagnstiku èidla a ìøicích bvdù digitalizaci signálu øízení ìøicíh algritu úravu øevdní charakteristiky èidla autaticku kalibraci autaticku krekci systeatických chyb úravu signálu r èíslicvu kunikaci s centre. Tyické r inteligentní sníaèe je:. uístìní elektrnických bvdù d uzdra neb tìsné blízksti èidla. èíslicvá busìrná kunikace s centre.. Tt je žné díky iniaturizaci elektrnických bvdù s využití ikrelektrnických a ikrechanických technlgií. Inteligentní sníaèe vedu k dstatnéu zlešení etrlgických araetrù ìrnsnéh signálu. Je t øedevší: a) Ptlaèení vlivu rušení èíslicvý øense infrace zkrácení sje èidl - ìøicí bvdy b) Kntrla integrity výsledkù a øenášené infrace c) Identifikace sníaèe adresai druje adatibilitu a zvýšení slehlivsti øídicích systéù d) Mžnst dálkvé diagnstiky sníaèù. Mezi rblévé blasti u inteligentních sníaèù lze uvést: A) Slžitst a rbléy sjené s nárky na vývj sníaèù (nákladné vývjvé systéy ikrèítaèù). B) Nárky na kvalifikaci údržby a její øístrjvé vybavení. C) Neøíznivé dínky v klí sníaèe (øedevší telta) hu vlivnit ø. vyøadit z funkce ikrelektrnické bvdy. Inteligentní sníaèe jsu nasazvány øedevší v blasti diagnstiky. Buducí rzvj a ulatnìní inteligentních sníaèù je zásadnì dínìn existencí sleènéh standardníh kunikaèníh rzhraní r sluráci inteligentních sníaèù a akèních èlenù. V tét blasti se velice rzšíøil rtkl HART, který se stal de fact standarde r rvzní inteligentní sníaèe. O t, který nvìjší rtkl jej d buducna nahradí, se zatí ùžee jen dhadvat. Kandidátù je nh, naø. Fundatin Field Bus, CAN, Device-Net, Prfibus-PA, Ln Wrk aj., ale s nejvìtší ravdìdbnstí si každý z nvì vzniklých zùsbù kunikace najde své ulatnìní v urèité blasti rùyslu. Zdrje - V

6 9. Mìøení èasvì rìnných tlakù Ideální r sníání èasvì rìnných tlakù jsu sníaèe s èelní ebránu, bez øívdníh trubí neb rtvéh rstru øed ebránu. Ve vìtšinì alikací je však tlakvý sníaè vzdálen d ísta sníání tlaku a je s tít íste sjen trubí. Obzvláštì u nìkterých systéù bývá v ístì ìøení tlaku veli alý rstr. Frekvenèní vlastnsti sníaèe se øívdní trubí výraznì zìní. Usøádání je atrn z br. 4. Obr. 4 Pøívdní trubí ke sníaèi Jestliže vyjádøíe araetry trubí cí sustøedìných araetrù R, L, C, ak r akusticku kaacitu latí C v ρ v Akustická indukènst je definvána jak Akustický dr je L 4lρ 3πr R 8ηl 4 πr kde je V - bje racvní dutiny èidla, r - ìrná htnst ìøenéh rstøedí, v - rychlst šíøení zvuku v rstøedí, l - délka trubí, r - vnitøní lìr trubí, h - dynaická viskzita rstøedí. Závislst tlaku uvnitø racvní dutiny sníaèe na ìøené (vstuní) tlaku ve vstuní knci trubky je dána vztahe ( L C ) + R C neb + 4h kde kruhvý kitèet vlastních kitù akustickéh systéu je L C 3πr v 4lv Zdrje - VI

7 øièež ìrné tluení R η C vρr h 3lv π Rzdíl fáze ezi tlaky a ùžee urèit z rvnice RC ϕ arctg LC h arctg Pr veli tenké trubky ùže být øedchzí vztah uraven ( L 0) + R C + ( τ) kde τ R C 8lηv 4 πr v ρ je èasvá knstanta systéu Obvykle však bývá usøádání øívdu ke sníaèi ještì slžitìjší. Kitètvé vlastnsti sníaèe a sníaèe s øívdní trubí se d sebe výraznì liší. 0. Metrlgické zajištìní tlaku Úlhu etrlgie je zajiš vat jedntnst a srávnst ìøení. Èí je vyšší technická úrveò v alikaèní blasti ìøení tlaku, tí vyšší jsu žadavky na etrlgické zabezeèení. Priární etalnáž tlaku v rzsahu 0-4 Pa až GPa s následujícíi nejisttai zajiš uje ÈMI, riární labratø tlaku, uístìná v Brnì. a) Pøetlak v lynné édiu: - rzsah kpa s nejisttu 8 (0,0008 %) - rzsah 350 kpa - 7 MPa s nejisttu 0 (0,00 %) b) Abslutní tlak v lynné édiu: - rzsah kpa s nejisttu,5 Pa + 0,00 % z ìøené hdnty - rzsah Pa s nejisttu 0,05 % - rzsah Pa s nejisttu 0, % c) Pdtlak v lynné édiu: - rzsah 0-00 kpa s nejisttu 0 (0,00 %) d) Pøetlak v lejvé édiu: - rzsah - 8 MPa s nejisttu 0,004 % - rzsah 0-4 MPa s nejisttu 0,005 % - rzsah MPa s nejisttu 0, % V suèasnsti zajiš ují sekundární etalnáž tlaku nejvyšších øesnstí v ÈR dvì labratøe ÈMI uístìné v Brnì a Praze v rzsazích a øesnstech krývajících etrlgické tøeby: - øetlak v lynné édiu v rzsahu 0 Pa - 0 MPa s nejisttu d 0,004 % a hrší - dtlak v lynné édiu v rzsahu 0-00 kpa s nejisttu d 0,0 % a hrší - abslutní tlak v lynné édiu v rzsahu kpa s nejisttu d 0,0 % a hrší - diferenèní tlak v lynné édiu v rzsahu 0 - MPa za statickéh tlaku d 0 MPa s nejisttu 0,0 % a hrší - øetlak v lejvé édiu v rzsahu 0, MPa s nejisttu 0,0 % a hrší. Zdrje - VII

8 5. Mntáž sníaèù tlaku Sníaè tlaku. Pøi teltì ìøené tekutiny neøesahující axiální vlenu hdntu instalvanéh sníaèe tlaku se øístrj uis uje c nejblíže k rvzníu trubí. Pr ìøení tlaku lynu nad trubí a r ìøení tlaku kaalin d bku trubí (viz br. ). U takt instalvaných sníaèù nedchází k zanášení dbìru neèisttai neb kndenzáte (øi ìøení tlaku lynu). Pr ìøení tlaku øehøáté áry se sníaè øijuje cí kndenzaèní syèky (viz br. ). Pr teltu áry nad 50 C je vhdné z dùvdu lešíh chlazvání øidat øed syèku alesò 0,5 trubky neb øešit øijení sníaèe tlaku cí kndenzaèní nádby. Není-li žné uístit sníaè tlaku øí u trubí a je tøeba uskuteènit rjení cí iulzníh trubí, latí r øijení sníaèe tlaku stejné dínky jak r øijení sníaèe tlakvé diference. Pøijení dbìru tlaku z rvzníh trubí lze uskuteènit øed i za clnu, avšak nedruèuje se d vzdálensti D d clny. Odbìr se ùže najit i na iulzní trubí tlakvé diference. Je zde však nebezeèí, že øíadná alá netìsnst ve vìtvi vlivní tlakvu diferenci a tí i celé ìøení. Pøi ìøení tlaku lynu (áry) øes ddìlvací kaalinu (kndenzát) je tøeba v øíadì, že hydrstatický tlak sluce kaaliny ( ρ g h ) v iulzní trubí je vìtší než øíustná chyba ìøení tlaku, rvést sunutí nuly hdntu vyèítanéh hydrstatickýh tlaku sluce kaaliny. Kntrla sníaèe se druèuje rvádìt x za rk neb dle druèení výrbce. Druèená uístìní sníaèe tlaku Mìøení áry Mìøení lynù Mìøení kaalin - ìøicí clna 3 - kndenzaèní syèka - rvzní trubí 4 - sníaè tlaku Obr. Obr. Zdrje - VIII