Snímače fyzikálních veličin

Transkript

1 Snímače fyzikálních veličin Pro řízení a ovládání nějakého technologického procesu nebo stroje je třeba získat potřebné informace o dějích probíhajících v daném procesu. Informace je třeba zpracovat a předat do logického členu. Logický člen přes přenosové zařízení rozhoduje o zásahu do chodu zařízení. Snímač informa ce Přenos informa ce Zpraco vání informa ce log. obvod Přenos informa ce Využití informa ce - Snímač informace - Přenos informace - Zpracování informace - Přenos informace - Využití informace Přenos informace Snímač informace snímá pomocí čidla fyzikální veličinu, která je zpracována tak, abychom na výstupu signál vhodný pro další zpracování. Mezi snímačem a logickým obvodem je obvykle zařazen převodník signálu, např. hydraulicko / elektrický, AC / DC, ale i zesilovač signálu. Pro přenos i zpracování se používají unifikované signály zpravidla elektrické - proudový signál je určen přednostně pro dálkový přenos ( 0 5 ma ) - ( 0 20 ma ) - ( 4 20 ma ) - napěťový signál je určen přednostně pro přenos uvnitř části ( 0 10 V ) ( -10 až 10 V ) Výstupní signál je obvykle ve snímači upraven, aby výstup byl linearizovaný s vyloučením vlivu okolí tzn. různých rušivých vlivů ( elektrické a magnetické pole,teplota, tlak ) Budeme se věnovat fyzikální podstatě činnosti snímačů jako uživatelé.

2 Podle toho lze rozdělit snímače na : 1. snímače polohy 2. snímače tlaku 3. snímače tepelných veličin jako teploty a tepelného množství 4. snímače geometrických veličin 5. snímače kinematických veličin rychlosti přímočaré i rotační, úhel otočení a zrychlení 6. snímače síly 7. snímače průtoku 8. snímače hladiny Snímače můžeme dělit na : 1. aktivní při snímání se snímač stává generátorem (indukční, fotoelektrické, termoelektrické ) 2. pasivní - při snímání se mění parametry vlivem působení měřené veličiny ( např.rezistenci, kapacitu, polohu, tlak ) 1. Snímače polohy Základní rozdělení: a. kontaktní b. bezkontaktní Snímače kontaktní: Signál je přenášen pomocí kladek,táhel, bowdenů,drátů, ozubených kol. řemenů, pístnicemi, membránami apod. Snímače bezkontaktní: Signál je přenášen bez mechanického kontaktu. Můžeme používat například snímače: - kapacitní - indukční - magnetické - optické Kapacitní snímač Blokové zapojení kapacitního snímače. 1 generátor RC tvarovač signálu 3 zesilovač signálu

3 4 spínač signálu Zapojení ve schématu + pól R rudá ( červená ) Č - černá - pól M - modrá Praktická ukázka kapacitního snímače Indukční snímač Blokové zapojení indukčního snímače. Zapojení ve schématu. + pól - R rudá(červená Č černá - pól - M modrá

4 Praktická ukázka indukčního snímače Optický snímač Optoelektronické senzory lze dle funkce rozdělit na: - jednocestné světelné závory - reflexní světelné závory - reflexní světelné snímače Jednocestné světelné závory jsou ze dvou dílů. Jsou namontované proti sobě. Jeden je vysílá světelný paprsek a druhý jej přijímá. Vyhodnocuje se přerušení světelného kuželu mezi vysílačem a přijímačem. Používají se ve výtazích u vstupních dveří nebo u dálkově otevíraných vrat. Reflexní světelné závory jsou pouze z jednoho dílu. V něm je zabudovaný vysílač i přijímač světla. Opět se vyhodnocuje se přerušení světelného paprsku, který se odráží od reflexních ploch. Mohou být tvořené foliemi nebo odrazkami. Reflexní světelné snímače mají zabudovaný vysílač i přijímač světla v jednom pouzdru. Infračervená světelný paprsek dopadá na snímaný objekt a část se ho odráží na přijímač, který se aktivuje. Vyhodnocují se oba stavy s odrazem i bez odrazu. Optický reflexní snímač Blokové zapojení reflexního snímače.

5 Zapojení ve schématu. + pól - R - rudá ( červená ) - Č - černá - pól M - modrá Praktická ukázka optického reflexního snímače Magnetický Snímač je aktivován permanentním magnetem v tomto případě zabudovaným do pístu pneumatického motoru. Vlastní snímač je jazýčkové relé. Je to skleněná trubička, ve které jsou zatavené dva kontakty ( feromagnetické ) v malé vzdálenosti. Při přiblížení k silnému permanentnímu magnetu se spojí a projde jimi elektrický proud. Relé nesepnuté

6 Relé sepnuté 1 magnetický snímač 2 jazýčkové relé 3 permanentní magnet 4 pístnice pneumatického motoru 5 válec pneumatického motoru 3. Snímače tlaku Rozdělení tlakoměrů: Podle měřeného tlaku - vakuometry podtlak - barometry atmosférický tlak - manometry přetlak - diferenční tlakoměry tlakový rozdíl Podle principu - deformační - kapalinové - pístové Tlakoměrné prvky: - membrána tenká pružná deska mající soustředné prolisy pro zvýšení zdvihu a linearity - materiál nerezová ocel, pryž, tombak, křemíkové destičky - rozsah měření 1 kpa 1MPa - vlnovec kovová trubice vyválcovaná do vln - materiál nerezová ocel, tombak - rozsah měření až 25MPa

7 - Bourdonova trubice oválný tvar trubice viz obr. - materiál nerezová ocel, tombak - rozsah měření - velmi vysoké tlaky Deformační tlakoměry s mechanickým výstupem Tlak je převáděný na sílu, která způsobí pružnou deformaci tlakoměrného prvku. Membrána Vlnovec Bourdonova trubice Příklad Bourdonovy trubice s s mechanismem pro převod deformace na měřící stupnici Plochá spirála Při natlakování spirály se trubice snaží rozvinout. Úhel ϕ lze ocejchovat v jednotkách tlaku.

8 Válcová šroubovice Úhel ϕ vychýlení konce trubice je funkcí tlaku v trubici a mechanických vlastností materiálu šroubovice. Diferenční tlakoměr - U trubice a rozdílu tlaku h = f ( p, ρ ) Záleží na měrné hustotě kapaliny Tlakoměr se skloněným ramenem každá malá změna tlaku se obtížně v nádobce odečítá. Na skloněné trubici spojené s nádobkou se každá změna tlaku rozloží do větší délky a snadněji s větší přesností se odečítá.

9 4. Snímače teploty Rozdělení snímačů teploty Snímače pro dotykové měření - elektrické o odporové kovové o odporové polovodičové o termoelektrické o polovodičové s PN přechodem ( tranzistorové, diodové ) - dilatační - tlakové - speciální Snímače pro bezdotykové měření - radiační Snímače teploty snímající vlivem rozdílné dilatace materiálu Kovový tyčový Vlivem rozdílné tepelné roztažnosti trubky a tyče dochází k rozdílu délek - l oproti původní délce při T 0. Pokud rozdíly v délce ocejchujeme ve stupních Celsia, můžeme číst teplotu přímo. Rozdílné tepelné roztažnosti lze využít jako termostatu pro spínání nebo vypínání elektrického proudu mikrospínačem. Bimetalický Dva pevně spojené kovy ( např. válcováním ) mající rozdílný součinitel tepelné roztažnosti. Materiál s větší tepelnou roztažností způsobí vychýlení ve směru mat. s menší tepelnou roztažností.

10 Objem se mění s teplotou ( používáme rtuť nebo líh ) Odporový teploměr Teploměr, kde se využívá fyzikální vlastnosti, změny rezistence materiálu při ohřevu nebo ochlazení. Rezistory jsou stejné velikosti. Můstek je vyvážený a měřidlem neprotéká žádný proud. Při změně teploty v měřícím rezistoru R, je můstek nevyvážený a měřidlo vykáže změnu teploty změnou protékajícího proudu. Tlakový teploměr Změna teploty při stálém objemu způsobí změnu tlaku teploměrného média ( líh, uhlovodíky - kapaliny nebo páry apod. ) v teploměru na vhodný deformační prvek.

11 Radiační teploměr Jasový s mizícím vláknem na pozadí. Srovnáváme teplotu vlákna žárovky průhledem přes optiku s teplotou pozadí ( obvykle žhavého kovu ). Příklad radiačního teploměru 4. Snímače geometrických veličin

12 Snímače lze rozdělit na - absolutní - načítá vždy od počátku měření, i při výpadku el.proudu a opětovném zapnutí systém vždy načte skutečné vzdálenosti - inkrementální přírůstkové přičítá hodnoty, při výpadku el.proudu a opětovném zapnutí se systém vždy musí se vrátit do výchozího bodu a z něj načte skutečné vzdálenosti ( musí předchozí činnost opakovat ) - Absolutní snímače Snímání délky potenciometrem přes napětí Velikost naměřeného napětí je daná okamžitou polohou jezdce na odporové dráze potenciometru. Snímání délky reostatem přes proud Velikost naměřeného proudu je daná okamžitou polohou jezdce na odporové dráze reostatu.

13 Dvojkové pravítko Používá se binárního nebo Grayova kódu. Počet stop je závislý na délce měřené dráhy. V každé stopě je optika, spolu prosvětlovacím a světlocitlivým prvkem ( fototranzistor ). Pokud je okénko v řadě průsvitné, vykazuje se log. jednička. Výsledné dvojkové číslo určí skutečnou vzdálenost od počátku. Výhoda tohoto způsobu měření Je v případě výpadku proudu, po opětovném zapnutí systému vždy lze přesně načíst okamžitou vzdálenost od počátku. Snímání úhlového natočení Princip: Skleněný kotouček je prosvětlovaný a v jednotlivých průměrech ce snímá poloha natočení. Výhody: poloha lze určit kdykoliv i při výpadku proudu Nevýhody: vyšší náklady na pořízení Odporový snímač rtuťový

14 Odpory ve větvích snímače R 1, R 2, jsou funkcemi úhlu natočení snímače ϕ. Indukční snímač výchylky S uzavřeným magnetickým obvodem se vzduchovou mezerou Transformátorový S otevřeným magnetickým obvodem se zasouvatelným jádrem

15 Pneumatický snímač výchylky systém tryska - klapka tlak Kapacitní snímač výchylky Deskový kondenzátor s pevnými elektrodami a proměnlivou velikostí dielektrika. Pokud se mezi pevnými elektrodami pohybuje součást vodivá či nevodivá, mění se kapacita kondenzátoru. Kapacitu lze měřit a tím zároveň tloušťku materiálu.

16 Kapacita kondenzátoru je nepřímo úměrná vzdálenosti elektrod. Kapacita kondenzátoru je daná plochou elektrod, jejich vzdáleností a dielektrikem. V případě jedné pevné a pohyblivé elektrody se mění velikost plochy a zároveň i kapacita. Relativní snímač Snímání úhlového natočení Selsyn 5. Snímače kinematických veličin Hydraulický otáčkoměr s odstředivým čerpadlem

17 h ( p ) = f ( n 2 ) Přírůstek tlaku p je funkcí druhé mocniny otáček rotoru čerpadla Hydraulický otáčkoměr odstředivý Přírůstek h je funkcí druhé mocniny otáček rotoru Snímač otáček - kuželový roztěžník ϕ = F ( n 2, m, r, α, ) Úhel natočení ϕ a odstředivá síla působící na tělíska hmotnosti m/2 jsou funkcí druhé mocniny otáček.

18 Tachometrické dynamo Cívka s jádrem z feromagnetického materiálu rotor se otáčí v magnetickém poli permanentního magnetu. V cívce se indukuje elektrické napětí, které je úměrné otáčkám. Magnetický otáčkoměr vířivý Mechanický převod otáček ohebnou hřídelí na hřídel s permanentním magnetem způsobí, že ve vodivém bubnu se indukují vířivé proudy. Vodivý buben je strháván ve směru otáčení magnetu. V otáčení mu brání spirálová pružina. Úhel natočení ukazovatele je úměrný velikosti otáček. Pokud jsou otáčky přiváděny z hřídele motoru automobilu snímač pracuje jako otáčkoměr. V případě snímání otáček za převodovkou, využívá se pro měření přímočaré rychlosti ( jako tachometr ). Snímač otáček fotoelektrický

19 Snímač je tvořen rotujícím kotoučem s otvory prosvětlovanými žárovkou nebo světelnou diodou.měřené otáčky jsou úměrné počtu impulsů načtených fotoelektrickým snímačem za časovou jednotku. Ukázka využití fotoelektrického snímače v myši, kde jsou celkem tři fotoelektrické snímače. Dva snímají pohyb z kuličky ve dvou osách a třetí je spojen s rolovacím kolečkem. Snímání přímočaré rychlosti elektrodynamické Při pohybu vodiče ( plechu nebo pásu ) v magnetickém poli permanentního magnetu se ve vodiči se indukuje elektrické napětí, které je úměrné rychlosti pohybu vodiče v magnetickém poli. Snímání přímočaré rychlosti - indukční Při pohybu vodiče ( plechu nebo pásu ) v magnetickém poli vytvářeném budící cívkou napájenou střídavým elektrickým napětím, indukují se v pohybujícím se vodiči

20 vířivé proudy. Snímací cívka unášené vířivé proudy snímá a naindukované napětí U i, závislé na rychlosti pohybu vodiče. Snímání přímočaré rychlosti elektromagnetické Pohybem ozubeného hřebenu pod cívkou s permanentním magnetem se v cívce navinuté na permanentním magnetu, indukuje elektrický napěťový impuls. Počet impulsů za čas na určité dráze je skutečná rychlost pohybu hřebenu. Pokud je cívka umístěna nad ozubeným kolem, lze snímat otáčky. Snímače zrychlení Snímač - piezoelektrický Snímač je orientovaně broušený krystal na jehož vzájemně protějších stranách jsou upevněny elektrody. Pokud je na elektrody přivedené elektrické napětí, krystal se deformuje. Jestliže krystal budeme deformovat, na jeho elektrodách se objeví elektrické napětí úměrné velikosti deformace.

21 U = k.m a Napětí naměřené na piezoelektrických krystalech U je úměrné velikosti zrychlení. Snímač - uhlíkový ( R 1 R 2 ) = K.m.a Stykové odpory R 1 a R 2 mezi uhlíkovými deskami jsou závislé na velikosti setrvačné síly F. T znamená, že v případě působením síly v jednom nebo druhém směru tělísko m stlačí uhlíkové desky na jedné straně a odlehčí uhlíkové desky na straně druhé. Tím dojde ke změně odporu R 1 a R 2. Porovnáním jejich velikosti se určí hodnota zrychlení. Snímač - indukční Vlivem působící síly dochází k zrychlení cívky. Setrvačná hmota m z feromagnetického materiálu upevněná na pružině setrvá v původní poloze a zasouvá se do cívky. Dojde k změně vlastní indukčnosti cívky, která určuje hodnotu zrychlení. 6. Snímače síly Deformační: Třmenový Prstencový Vidlicový

22 Deformační siloměry pracují v oblasti platnosti Hookova zákona, tj. v oblasti pružných deformací. Změny rozměru při zatížení sílou se odměřují úchylkoměrem. Pokud ocejchujeme úchylkoměr velikostí působící síly lze měřit sílu přímo. Tenzometry R odpor drátu L délka drátu K konstanta R změna odporu l - změna délky drátu Tenzometr je tvořený odporovým drátem jednoduchým nebo vícenásobným. Nejčastěji používaný je ve formě ploché cívky nalepené na pevný speciální papír. Při napínání odporového drátu se mění jeho odpor.velikost odporu se vyhodnocuje ve Wheastnově můstku. Tenzometry ve formě ploché cívky nalepené na pevný speciální papír, jsou používané při zjišťování napjatosti v mostních konstrukcích, konstrukcích letadel, tlakových nádob. Výhoda měření spočívá ve zjištění vnitřní napjatosti v konstrukci bez jejího porušení. Lze současně měřit ve dvou osách, pokud nalepíme snímače pootočené o Hydraulický siloměr

23 F = p. S Tlak p je úměrný působící síle F na píst. Plocha pístu S se nemění. Pneumatický siloměr Výstupní tlak z trysky je určován vzdáleností x, průhybem pružného tělesa. Siloměr pracuje v oblasti pružných deformací, kde je průhyb lineární funkcí síly F. Tlak p je při velké mezeře x na měřícím tlakoměru malý a zvyšuje se úměrně zvětšující se síle F na pružném tělesu. Se zvyšující se sílou F rozměr x je menší a výtok plynu je obtížný a tlak v potrubí roste. Snímač piezoelektrický Působením sil působících ve směru osy x a y vznikne na plochách snímače elektrický náboj Q. Velikost náboje je úměrná velikosti působících sil. Pákové gravitační váhy

24 Závažové rovnoramenné Běžcové Rovnost sil Rovnost momentů F = F Z F.a = F Z.b Neznámou tíhovou sílu F, která je vyvolaná neznámou hmotností m, porovnáváme se silou F Z, vyvolanou známou hmotností závaží z. 7. Snímače hladiny Měření hladiny kapalin nebo sypkých látek lze realizovat dvojím způsobem: - poloha plováku na hladině kapaliny elektronickými snímači, převádějícími otáčivý či posuvný pohyb na elektrický signál. - měření fyzikálních veličin vlivem posunu hladiny měřené látky. Lze použít mechanické ( hmota,tlak ), elektrické ( vodivost, indukčnost, kapacita ), optické snímače nebo lze využít vlnění ( ultrazvuk, elektromagnetické vlnění - radar ). Můžeme je rozdělit do dvou skupin: a. snímače pro nespojitá měření b. snímače pro spojitá měření ad.a Plovákový elektrický hladinoměr V případě posunu do krajních poloh dojde k sepnutí koncových kontaktů a následně sepnout potřebné obvody přes relé. Plovákový hladinoměr s jazýčkovými relé Plovák s vestavěným permanentním magnetem postupně spíná jednotlivé jazýčky relé a postupně se načítá okamžitá výška hladiny.

25 Vodivostní hladinoměr Používá se při kontrole výšky hladiny vodivých kapalin. Po dosažení hladiny ke snímači E 2 je sepnut obvod relé K 1. ad.b spojité měření Plovákový hladinoměr Kapacitní hladinoměr s výškou hladiny se mění kapacita kondenzátoru, tvořeným stěnou nádoby a středovou elektrodou. Hydrostatický hladinoměr

26 Do ponořené trubky se vhání tlakový vzduch. Čím je hloubka vyšší, tím musí být i vyšší tlak vzduchu v potrubí. Pro měření se používají klasické tlakoměry, cejchované v metrech Ultrazvukové hladinoměry měří se časová odezva odraženého signálu vyslaného generátorem ultrazvukového impulsu. Radarové hladinoměry Používají se při měření hladiny ve velkých nádržích. Měří se časová odezva odraženého signálu vyslaného radarem od povrchu náplně nádrže. Výhoda měření je u kapalin majících na hladině pěnu. Signál proniká pěnou a ověřuje skutečnou výšku hladiny. 8. Snímače průtoku tekutin

27 Snímače průtoku lze dělit na: a. rychlostní snímače Q V = v. S b. objemové snímače Q V = t v c. hmotnostní snímače Q V = t m Podle způsobu měření: - nepřímé měření provádí se výpočet z rychlosti a typu proudění - přímé měření dávkovací snímač počítá kvanta ( množství ) protékající kapaliny Plováčkový snímač rotametr - v kuželové nádrži se pohybuje plovák po hladině kapaliny - poloha plováku se mění podle množství protékající kapaliny - pokud je plovák v ustálené poloze, měří se jeho výška bezdotykovým snímačem polohy F gravitační = F vztlaku Turbínkové snímače Vyhodnocovací zařízení Turbínka Kapalina roztáčí lopatky turbínky. Vyhodnocovací zařízení načítá množství tekutiny protékající snímačem.

28 Lopatkové snímače Vyhodnocovací zařízení Lopatkové kolo Lopatkové kolo je roztáčené protékající kapalinou a přes čítací zařízení mechanické nebo elektronické. U elektronického čtecího zařízení se využívá Hallovy sondy. Na konci lopatek jsou malé permanentní magnety, které při otáčení iniciují Hallovu sondu a čítačem se měří frekvence impulsů. Ukázka lopatkového snímače příklad s mechanickým načítáním.