10. Měření síly, tlaku, hladiny a průtoku

Transkript

1 10. Měření síly, tlaku, hladiny a průtoku přednášky A3B38SME Senzory a měření zdroje převzatých obrázků: pokud není uvedeno jinak, zdrojem je monografie Haasz, Sedláček: Elektrická měření a skripta Ripka, Ďaďo, Kreidl, Novák: Senzory P. Ripka 1

2 Senzory síly Deformační Obsah přednášky Přímé: piezoelektrické, magnetoelastické, optické Senzory tlaku Senzory průtoku Rychlostní senzory objemový průtok Hmotnostní průtok Senzory hladiny Kontaktní Bezkontaktní: radarový, ultrazvukový 2

3 Senzory mechanického napětí - Hook: měření mechanického napětí v závislosti na deformaci - typy: 1. rezonanční senzory struna: závislost f na F 2. odporové tenzometry (viz přednáška 4) 3

4 Senzory síly a hmotnosti - princip využití fyzikálních účinků síly převod: síla deformace Newtonův zákon F() t = ma speciální případ - tíhová síla G = mg Převod e na: převod F fi e přímý (intrinsický) (ε velmi malá) náboj piezoelektrické vlastnosti magnetické vlastnosti optické vlastnosti - OVS tvar členu vetknutý nosník pružný člen válec pružný rám ohyb tah, tlak smyk krut druh deformace e 4

5 Pružné (deformační) členy - užití odporových tenzometrů - zásady geometrie pružných členů: 1. směrovost 2. převod měř. síly na deformace opačných znamének pro užití 4 tenzometrů 3. transformace deformace v rozsahu linearity + ochrana proti přetížení pružný člen typu vetknutý nosník pro měření malých sil (desítky kn) e = s E = M W o oe = FL W E o 5

6 měření smykového napětí měření větších sil F - princip dvojitého nosníku R 1 R 2 R 3 R 4 F pružný člen typu S 6

7 High Accuracy Tension and Compression 'S' Beam Load Cells 100 to 9000 kg Linearity: 0.03% FS Repeatability: 0.01% FS 0-10 to 0-20 kg Linearity:±0.25% FSO Repeatability: ±0.10%FSO Miniature Industrial Load Cell 7

8 Pružné členy pro senzory hmotnosti (vážení) - optimalizované pro hromadnou výrobu (tzn. přesnost + min náklady) přeložený nosník: -při zatížení vznikají deformace s opač. znaménkem na vrchní straně a proto se tam umístní fóliový tenzometric. můstek 8

9 Senzory síly s převodem deformace na polohu 9

10 Senzory síly s převodem deformace na polohu F

11 Senzory síly s přímým (intrinsickým) převodem deformace - typy: piezoelektrický magnetoelastický rezonanční na fotoelastickém principu 11

12 1. Piezoelektrické senzory přímý piezoelektrický jev = polarizace některých dielektrik, působí-li na ně mechanické napětí nepřímý piezoel. jev (piezostrikce) = deformace vlivem vnějšího el. pole - užití: ultrazvukové generátory, akční člen pro posuvy (měřící a regulační technika) - o tom zda piezoelelektrický jev nastane nebo ne rozhoduje poloha středu symetrie základní buňky krystalové mřížky 12

13 - klidový stav - deformovaný stav - polarizace obou stavů této mřížky je: P = fi P 1 i fi p i = 0 p r i - vektory dipólmomentů 13

14 - klidový stav - deformovaný stav - pro tuto 6ti úhelníkovou mřížku (např. SiO 2 ) nastává polarizace vzniká piezoelektrický jev 14

15 - mechanické napětí působí na elektrody: 1. kolmo (ve směru elektrické osy) = podélný jev 2. rovnoběžně (ve směru mechanické osy) = příčný jev 3. smyková deformace -větší citlivost, menší rušivé účinky teplot. dilatací -náboj nezávislý na rozměrech: Q = d 11 F x -náboj závislý na rozměrech: Q = d 11 F y b a 15

16 Materiály pro piezoelektrické senzory: -monokrystaly SiO 2, triglycinsulfát TGS, titaničitan lithia LiTaO 3 -polykrystalické keramické materiály - titaničitan barnatý LiTiO 3, titaničitan olovnatý PbTiO 3, tuhé roztoky typu zirkonát olova PbZRO 3, niobáty -organické polymery- např. polyvinylidendifluorid PVDF feroelektrické materiály - nelineární závislost polarizace na el. poli hysterezní smyčka - zůstanou piezoelektrickými i bez el. vnějšího pole - užití: zdroje stálého el. pole Výbrus SiO 2 jako piezoelektrický element 16

17 Elektrický náhradní obvod senzoru: - vychází z Nortonova teorému: U( jw) = I( jw) 1 jwc = jwq( jw) jwc = Q( jw) C 17

18 Měřicí obvody pro piezoelektrické senzory - náhr. obvod spojení piezoelektrického senzoru s napěťovým zesilovačem - piezoel. senzory nelze užít pro sledování statických veličin - přenos K( jw) = U 1( jw) jwt Q( jw) = = U( jw) 1 + jwt C Rk R i - odpor kabelu - odpor vstupu měřidla U( jw) = t = Q( jw) C C R c C c R S C K C i - svodový odpor - kapacita kabelu - kapacita vstupu 18

19 - obvody se zesilovači (tranzistory řízené polem FET, MISFET) 1. napěťové s velkým vstupním odporem elektrometrické 2. nábojové - integrující přenos: impedanční konvertor neinvertující elektrometrický zesilovač pro piezoel. dvojče jwt Q( jw) U2( jw) = Aj ( w) Kj ( w) U1( jw) = Aj ( w) 1 + jwt CC - nevýhoda závislost výstupního napětí na C C 19

20 Impedanční konvertor v pouzdře senzoru: - nevýhoda závislost výstupního napětí na C C řešení: zabudovat zesilovač do pouzdra senzoru elektrometrické zesilovače: - jednoduché - užití: napěťové sledovače pro značné napěťové úrovně výstup. signálů 20

21 2. nábojové zesilovače i + u R g + C g du 2 = 0 dt R g fi u 2 1 = - idt C g i = dq dt u2 = - Q C g výhoda výstupní napětí nezávisí na C C Vybíjení náboje: u2 ( t) Q = - C 0 g e t - R g C g 21

22 Rozdílový nábojový zesilovač - uzemnění pouzdra senzoru a vstupu zesilovače může vyvolat rušení průtokem zemnících proudů náprava rozdílový zesilovač senzor pouzdro stínění C - + R C R u V U Z + - -triboelektrické jevy: - rušení u koax. kabelu vzniká třením vnitřního vodiče o izolaci 22

23 Piezoelektrické senzory síly T P 23

24 2. Magnetoizotropní senzor síly 24

25 3. Optické vláknové senzory síly a) změna geometrie: Braggova mřížka prodloužení se měří prostřednictvím změny rez. frekvence b) změna indexu lomu 4. Rezonanční senzory sil např. jeřáby 5. Senzory síly na fotoelastickém principu -vznik dvojlomu při působní mechanického napětí -rychlost světla se mění vzhledem k směru hlavních napětí a současně k rozdílu mezi hlavními napětími - pozoruje se obrazec tmavých a světlých oblastí užití CCD senzoru 25

26 Senzory kroutícího momentu Moment síly: r - rameno síly z definice: M = Fr F - síla M = Ja = J 2 d Q 2 dt a - úhlové zrychlení J - moment setrvačnosti tělesa - výkon rotujícího tělesa: P = Mw w - úhlová rychlost 26

27 Nepřímá měření = určení momentu měřením příčin vzniku nebo účinků př. elektrické motory (podobně se dá postupovat u pneumatických a hydraulických akčních členů): M = ki i nevýhoda této metody nerespektují se ztráty během přenosu momentu k zátěži a b Účinky kroutícího momentu vhodné pro transdukci úhlové zrychlení gyroskopické senzory deformace reakční síly dynamometry mechanické napětí odporové tenzometry poloha, úhel indukčnostně kapacitně opticky piezoelektrický náboj monokrystal piezofilm (PVDF) magnetické vlastnosti reluktance magnetoanizotropie Wiedemanův jev 27

28 1. senzory s odporovými tenzometry - měří deformaci hřídele mezi motorem a zátěží nebo deformaci vloženého torzního pružného členu deformace: e = r 2GJ M G - modul pružnosti ve smyku Mechanická napětí při torzním namáhání 28

29 29

30 2. senzory s převodem momentu na úhel - měří se měna úhlu vyvolaná deformací - na hřídeli/vloženém pružném členu jsou ve vzdálenosti L umístěny značky (na indukčnostním a optickém principu) vztah pro moment: senzor kroutícího momentu s úhlovou deformací: M = L GJ Q -bezdotykové snímání polohy zubů: např senzory na principu Hallova jevu 30

31 změna magnetické reluktance 3. Magnetické senzory momentu - kroutící moment způsobí zvětšení štěrbin u jedné a zmenšení štěrbin u druhé řady, častěji změnu permeability 31

32 Přenos měronosného signálu momentu z rotující části - odporové tenzometry jsou nalepené na hřídeli nebo na pružném členu vloženém mezi stroj a zátěž - snaha o vyloučení rušení omezit počet sběrných kontaktů na 2 a na hřídel umístnit převodník R/I - speciální napájení transformátorovou vazbou - prstenec 2 převod výstup. u můstku na frekvenci pulsů 32

33 Rotating Torquemeters 33

34 Senzory tlaku - definice tlaku: p = df ds F.. síla [N] S.. plocha [m 3 ] 1 atm = 100 kpa 2 způsoby měření tlaku: p fi F fi pružný člen fi změna rozměrů přímý (intrinsický) senzor (v prostředích, kde působí smykové napětí, se tlakem označuje normálová složka) 34

35 typy tlaků: -nulový tlak vakuum -absolutní tlak tlak měřený od nuly -atmosférický tlak - absolutní statický tlak zemského (barometrický) ovzduší měřený u zemského povrchu -přetlak/podtlak rozdíly měřeného a barometrického tlaku -rozdílový (diferenční) tlak rozdíl hodnot 2 současně působících tlaků u proudících prostředí: -celkový tlak součet statického a dynamického tlaku -dynamický tlak fi p d = fi 2 v 2 r v Force (kn) Force plate Time (s) 35

36 Základní principy senzorů tlaku převod pfif převod Ffie přímý (intrinsický) převod e na náboj piezoelektrické magnetické vlastnosti (L,F) optické vlastnosti (OVS) elektrický odpor druh namáhání převod e na: tvar pružného členu: pružný člen ohyb tah, tlak smyk krut mechanické napětí: tenzometry rezonátory polohu: kapacitní indukční optické membrána trubka vlnovec, krabice nosník 36

37 1. Membránové tlakoměry s tenzometry - nejužívanější - deformace membrány: rozložení radiálního a tengenciálního napětí při tlakové deformaci s r = f r ( r / R) s t = f t ( r / R) kovová membrána: nalepené polovodičové tenzometry kovový foliový tenzometr tenzometr nanesen tlustovrstvou technologií 37

38 tenzometrická rozeta - ideální tenzometr (-folie) pro membrány - 2 senzory na kraji a 2 uprostřed 38

39 Membránový senzor s oddělovací kapalinou 39

40 2. Deformační senzory tlaku - trubicové Bourdonova trubice 40

41 3. Kapacitní senzory tlaku - kapacitor diferenční, - pružný člen = předpjatá kovová membrána (zároveň tvoří uzemněnou elektrodu), - pracovní rozsah: Dp = 1 mbar 10 bar, p až 400 bar diferenční kapacitor s oddělovací kapalinou 41

42 mikromechanický kapacitní senzor tlaku sklo elektrody p Si - kombinace křemíkové membrány a kapacitního senzoru - přesnější než křemíková membrána a polovodičovým tenzometrem - malá teplotní závislost 42

43 4. Piezoelektrický senzor tlaku konektor zesilovač - nutné mechanické předpětí krystalu - kompenzace vibrací - vhodný pro měření rychlých tlakových změn (např. ve válcích) kompenzace zrychlení křemenné výbrusy M membrána předpětí vývody elektrod 43

44 Resonanční senzor tlaku krycí vrstva rezonátor velmi nízká hystereze teplotní koeficient citlivosti 10 ppm/k přesnost pod 0,1 %. 44

45 Příklady tlakových senzorů (oddělovací kovová membrána) křemíková měřicí membrána, piezorezistory, (integrovaný zesilovač): PTX 120 Procesní tlakoměr: HART nebo proudová smyčka: Kapacitní STX 2100 Resonanční snímač double fork Cressto, Druck, Yokogawa, 45

46 46

47 Měření velmi nízkých tlaků princip LVDT SCHAEVITZ 47

48 Piezorezistivní senzor tlaku KELLER SPECIFICATIONS (at 4 ma excitation) Pressure Ranges (FS Linearity Stability Operating Temperature Range Storage Temperature Temperature-Coefficients of - Zero (without Comp.) - Sensitivity 1-20 bar 0,25 % FS typ. 1 % FS max. 0,5 mv typ. 2 mv max C (optionally) C 0,05 mv/k typ. 0,2 mv/k max. 0,01%/K typ. 0,02 %/K max. 48

49 EPROM s parametry senzoru obvod pulsní šířkové modulace teplotní senzor budič snímač rezonance Yokogawa DPharp 49

50 Integrovaný tlakový senzor Pure CMOS based sensor calibrated to automotive specifications 50

51 Senzory průtoku tekutin Průtok - hmotnostní - objemový - rychlostní Druhy proudění - laminární parabolický rychlostní profil - turbulentní víry Způsoby měření - přímé: dávkovací senzory, čerpadla - nepřímé: měření rychlosti nebo kinetické energie 51

52 Senzory průtoku tekutin Rozdělení senzorů podle vztahů: a) objemové b) hmotnostní c) rychlostní Q V, t Q v = m = Q m = m t V r t Q = vs, Q v m = vsr 52

53 Senzory průtoku uzavřené kanály přímé nepřímé otevřené kanály přepady hráze objemové hmotnostní plováčkové rychlostní dávkovací Coriolisova tepelné síla turbínkové vírové indukční ultrazvukové značkovací škrtící orgány rotující píst ozubená kola bubnové U - trubice přímé gyroskop kalorimetrické anemometry 53

54 Rychlostní senzory průtoku Rotametr (plováčkový průtokoměr) Využití plováku jako indikátoru rovnováhy sil. L citlivost na viskozitu => tvarem plováčku lze potlačit až o dva řády 54

55 Rychlostní senzory průtoku Turbínkový průtokoměr linearita 0 1 % threshold 2 3 % rozsahu 55

56 Rychlostní senzory průtoku Turbínkové senzory Měří se frekvence impulsů f : f = KQv K konstanta senzoru Spodní mez správnosti: 3 5 % linearita: 0,1 % 56

57 Rychlostní senzory průtoku Senzor s lopatkovými koly 57

58 Rychlostní senzory průtoku 58

59 Rychlostní senzory průtoku Vírový senzor průtoku f = Sr a v Detekce vírů: tepelné anemometry ultrazvukové detektory tlakové detektory f frekvence vírů A charakt. rozměr překážky Sr Strouhalovo číslo (char. pro určité překážky) Přesnost ~ 1 % 59

60 Ultrazvukové průtokoměry Pulsní ultrazvukový průtokoměr je založen na skládání rychlosti kapaliny w a rychlosti šíření ultrazvuku. Měří se doba šíření pulsu od vysílače k přijímači. Přesnost závisí na délce dráhy. v = L Dt2 - D 1 t 2cosa Dt Dt 1 2 Δt 1 doba šíření od (V 2,P 2 ) k (V 1,P 1 ) Δt 2 doba šíření od (V 1,P 1 ) k (V 2,P 2 ) 60

61 Ultrazvukové průtokoměry a - = D a + = D cos ; cos v c L t v c L t a - a = - D D cos cos 2 v c v L t t ( ) cos 2 t t L c v D - D SME přednáška 10

62 Ultrazvukové průtokoměry TRANSMITTING ELEMENT RECEIVING ELEMENT FLOW DIRECTION REFLECTORS Tento typ využívá odrazu od bublin nebo rozptýlených pevných částic Dopplerovský ultrazvukový průtokoměr (tento je příložného typu) Pracuje v kontinuálním režimu (stojatá vlna). Podobně jako silniční radarový rychloměr měří dopplerovský posuv frekvence. 62

63 Rychlostní senzory průtoku Indukční průtokoměry U q vb = q E = q ; U = D D Bv Obvyklá přesnost: průtočný typ 0,2 %, ponorný typ 2 % 63

64 Indukční průtokoměry Konstrukce průchozího indukčního průtokoměru se sedlovými cívkami. 64

65 Senzory průtoku se škrticími orgány Měření tlakového spádu v místě škrticího orgánu 2 pd p1 - p2 Q v = ae 2 4 r Q v objem. průtok α expanzní součinitel ε průměr škrt.orgánu Přesnost 2 % (0,5 %) 65

66 Senzory s převodem průtoku na deformaci V cestě proudící kapaliny je destička, na kterou působí síla: F d = C d S r 2 2 v C d konstanta terčíku S plocha průřezu ρ hustota v rychlost Přesnost několik % J dobré dynamické vlastnosti - rezonanční frekvence až 200 Hz 66

67 Dávkovací senzory Badgermeter co. Dávkovací - senzor - čerpadlo 1 dm 3 /h 10 3 dm 3 /h 67

68 Značkovací senzory průtoku Značka - vodivostní (vstřik elektrolytu do tekutiny) - optická (vstřik barviva) - tepelná - ionizační (příměsi radioizotopu) Princip měření čas. intervalu mezi průchodem značky dvěma body ve směru proudění tekutiny Korelační metoda 68

69 Coriolisův průtokoměr Coriolisova síla F c je kolmá na osu otáčení a směr pohybu F C závisí na - rychlosti otáčení f (ot/s) - hmotnosti tělesa m (kg) - rychlosti pohybu tělesa w (m/s) F C = 2 m (w w) = 4p m w f 69

70 Coriolisův průtokoměr Dl D FC = 2vwD m= 2 wd m= 2QmwDl Dt Trubice s kapalinou tekoucí rychlostí w: jestliže se otáčí kolem osy z, působí na kapalinu Coriolisova síla F c F c je kolmá na osu otáčení a směr proudění a má tendenci ohýbat trubici 70

71 typ s rovnou trubicí Coriolisův průtokoměr Trubice je rozkmitávána magnetickou silou kolem osy w. F c vyvolá její zkroucení. Měří přímo hmotnostní průtok. Přesnost až 0,1 % z naměřené hodnoty (20 až 100 % rozsahu) Nezávislost na viskozitě, tlaku, teplotě SME přednáška

72 Tepelné senzory hmotnostního průtoku Výměna tepla mezi zdrojem a okolím (proudící tekutina) - měření ochlazení zdroje (termoanemometry) Měřicí obvod termoanemometru s konstantní teplotou drátku 72

73 Tepelné senzory hmotnostního průtoku Režimy činnosti termoanemometrů -konst. proud (změna rychlosti proudění => změna teploty => => změna odporu) -konst. teplota drátku (pokles v => menší ochlazení => => zmenšení napájecího proudu) Pro výstupní proud i platí: 2 i = a + b Q m a <= odvody tepla do okolí b <= fyzik. vlastnosti tekutiny 73

74 Tepelné senzory hmotnostního průtoku Diferenční termoanemometr Při v=0 platí R 1 =R 2 Při v>0 dochází k ochlazení R 1 a ohřátí R 2 (<= teplo z R H ) J zvýšená citlivost, vyloučení vlivu teploty tekutiny, vhodné pro malé průtoky (10-4 mm 3 s -1 ) SME přednáška 10

75 Senzory hladiny Senzory hladiny nespojité plovákové vibrační ultrazvuk tepelné optické vodivost kapacitní záření hmotnost síla tlak spojité elektromechanické ultrazvuk kapacitní zpožďovací vodivostní indukčnostní linka 75

76 Nespojité senzory hladiny 76

77 Vztlakové senzory hladiny Fz = m g - r 2 g S h - r1 g S ( l - h) = m g - h g S ( r 2 - r1) - r1 g S l senzor síly p 1, p 2 senzory tlaku F Z Tlakový senzor hladiny p2 - p1 = r2 g h x p 1 l h h X p 1 p 2 p 2 77

78 Kapacitní senzor hladiny V případě vodivých kapalin musí být střední tyčová elektroda (SE) opatřena izolační vrstvou. 78

79 Radarové hladinoměry: kontinuální režim s frekvenční modulací f 2 f T (t) Vysílaný signál f 1 T t f R (t) t Přijímaný signál s anténou s vlnovodem 79