Teorie měření a regulace

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Teorie měření a regulace"

Matyáš Šimek
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb Teorie měření a regulace měření tlaku SPEC-t.3. ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

2 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY T- MaR Další pokračování podrobněji o měření tlaku VR - ZS 2015/2016

3 T- MaR K správnému měření tlaku, stejně tak jako při měření jiných fyzikálních veličin, jsou potřeba určité znalosti a informace. Proto jsou (v bohaté literatuře i firemních informacích) uvedeny základní vlastnosti jednotlivých typů tlakoměrů, tlakových čidel a snímačů tlaku a jsou uvedeny jejich základní přednosti a nedostatky, možnosti použití, zásady správného zabudování tlakoměrných čidel a snímačů a je i zmíněna problematika jejich kalibrace. VR - ZS 2015/2016

Proto jsou (v bohaté literatuře i firemních informacích) uvedeny základní vlastnosti jednotlivých typů tlakoměrů,

4 T- MaR Tlak je odvozená veličina - měření má základ ve dvou základních definicích 1. tlak p definovaný jako síla F působící kolmo na plochu S 2. tlak p definovaný prostřednictvím hydrostatického sloupce kapaliny o hustotě ρ a výšce h (veličina g je zemské gravitační zrychlení). viz další rovnice.

tlak p definovaný prostřednictvím hydrostatického sloupce kapaliny o

5 T- MaR Matematický vztah: p = F / S p = h * ρ * g Základní jednotkou tlaku v soustavě SI je pascal [Pa] Je to tlak vyvolaný siloujednoho Newtonu na rovnoměrně rozložené na ploše 1 m 2 kolmé ke směru této síly.

6 T- MaR Pascal je jednotka velmi malá, proto násobky: hpa, kpa a MPa Je povoleno používat i jednotku [bar] 1 bar = 100 kpa

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

(diference) tlaků, z nichž žádný se neshoduje s barometrickým tlakem.

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

rychlosti proudění ν a hustoty proudící tekutiny ρ )

9 Součinitel stlačitelnosti tekutiny s je pro nestlačitelné tekutiny (kapaliny) roven 1 (jedničce) a pak neboť platí p d = p k p k = ( 1 / 2 ) * ρ * v 2 p d = p k * s

10 Pro celkový tlak p c v proudící kapalině platí p c = p s + p d Statický tlak má charakter skaláru. Dynamický tlak je vektor s orientací totožnou s orientací vektoru rychlosti proudění

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

podtlaku jsou podtlakoměry (vakuometry) k měření rozdílu tlaků jsou rozdílové (diferenční)

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

určerné k měření tlaku, které je schopno přenést informaci o měřeném tlaku prostřednictvím

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

Jestliže je činnost převodníku nebo snímače tlaku řízena

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

charakteristikou principu měření a možnostmi použití.

15 Rozlišují se tyto typy tlaků: VR - ZS 2015/2016

16 rozdíl tlaků p = p 1 - p 2 dynamický tlak p d celkový tlak p c přetlak statický tlak p s absolutní tlak p abs podtlak barometrický tlak p b Normální barometrický tlak p bn = Pa normální tlak absolutní nulový tlak absolutní vakuum p = 0 (minus tlak neexistuje) VR - ZS 2015/2016 Pojmy z oblasti měření tlaku

barometrický tlak p bn = 101 325 Pa normální tlak absolutní nulový tlak

17 absolutní tlak barometrický tlak vakuum extrémní vakuum velké vakuum střední vakuum malé malý přetlak velký přetlak snímače pro měření vakua snímače pro malé tlaky snímače pro velké tlaky kompresní hydrostatické tepelněvodivostní deformační s kapacitním čidlem vakuometry ionizační Orientační rozdělení tlakoměrů (snímačů tlaku) podle měřicího rozsahu VR - ZS 2015/2016 s piezoresistorem rezonanční piezoelektrické pístové odporové

snímače pro malé tlaky snímače pro velké tlaky kompresní hydrostatické tepelněvodivostní deformační s kapacitním čidlem vakuometry ionizační

18 absolutní tlak rozdíl tlaků přetlak / podtlak vakuum atmosféra Principy měření absolutního a relativního tlaku

19 Principy měření absolutního a relativního tlaku

20 hydrostatické tlakoměry silové tlakoměry deformační tlakoměry princip je založen na definici hydrostatického tlaku, měřítkem tlaku je výška sloupce kapaliny využívají definice tlaku jako síly působící na plochu měřítkem tlaku je velikost deformace pružného prvku ovlivňující veličinou je hustota tlakoměrné kapaliny a její teplota na hustotě kapaliny nezávisí údaj, ale měřicí rozsah trubicový, membránový, vlnovcový, krabicový

působící na plochu měřítkem tlaku je velikost deformace pružného prvku ovlivňující veličinou je hustota

21 snímače tlaku s elektrickým výstupem (elektromechanické tlakoměry) elektrické tlakoměry pro extrémní tlaky jako snímací prvek je použit vhodný deformační člen (nejčastěji membrána) a vyhodnocuje se změna polohy měřítkem tlaku je změna elektrické veličiny vhodný pro malé (10-10 až 100 Pa) nebo veliké tlaky (80 MPa až 10 GPa) přesnost okolo 1 % změna polohy části čidla (mechanická), změna osvětlení závislost tepelné vodivosti plynu na tlaku závislost odporu na tlaku ionizace plynu při malém tlaku

22 snímače tlaku s elektrickým výstupem (elektromechanické tlakoměry) jako snímací prvek je použit vhodný deformační člen (nosník, membrána) a vyhodnocuje se změna mechanického napětí změna mechanického napětí se měří tenzometrem jako změna odporu vyhodnocuje se změna rezonanční frekvence mechanického kmitání v závislosti na mechanickém napětí

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

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

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

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

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

28 čidlo teploty senzor tlaku měřicí obvod zesilovač měřicí obvod zesilovač multiplexor A/D převodník EPROM mikroprocesor nastavení (nula, rozsah) digitální komunikace D/A převodník napájecí zdroj R ukazovací přístroj 4 až 20 ma komunikátor HART Blokové schéma inteligentního převodníku tlaku

29 Další informace a podrobnosti naleznete v seriálu článků uveřejněných v časopise AUTOMA č. 2, 7, 10, 11 ročník 2007 Snímače tlaku principy, vlastnosti a použití. Karel Kadlec, ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha

Měřidla tlaku Terminologie. ČSN EN 472, ČNI 1996. BENTLEY, J. P.: Principles of Measurement Systems. Pearson Education Limited, 2005. DYER, S. A.: Survey of Instrumentation and Measurement.

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

32 a to by bylo T- MaR k další části informacím o měření tlaku vše (skoro neb je asi nepravděpodobné, že lze všechna témata této oblasti ve výuce vyčerpat) VR - ZS 2015/2016

33 Témata T- MaR VR - ZS 2009/2010

Podobné dokumenty

6. Měření veličin v mechanice tuhých a poddajných látek

6. Měření veličin v mechanice tuhých a poddajných látek Pro účely měření mechanických veličin (síla, tlak, mechanický moment, změna polohy, rychlost změny polohy, amplituda, frekvence a zrychlení mechanických