Snímače
Obsah Obsah... 2 Snímače... 4 Požadavky na snímače... 4 Statické vlastnosti snímačů... 4 Dělení snímačů... 4 Dělení snímačů dle konstrukce:... 5 Uživatelská klasifikace snímačů:... 5 Dělení snímačů dle výstupních signálů... 5 Generace snímačů... 6 Snímače teploty... 6 Odporové kovové snímače teploty... 6 Polovodičové snímače teploty... 7 Termočlánky... 7 Pyrometry... 7 Snímače tlaku... 8 Odporové snímače s tenzometrickým páskem... 8 Piezoelektrické snímače tlaku... 8 Deformační tlakoměry... 9 Magnetické snímače tlaku... 10 Kapacitní snímače tlaku... 11 Taktilní snímače... 11 Snímače průtoku... 11 Rychlostní snímače průtoku... 11 Objemové snímače průtoku... 12 Měření průtoku v otevřených kanálech... 13 Snímače hladiny... 13 Snímače pro nespojité měření hladiny... 14 Snímače pro spojité měření hladiny... 14 Snímače polohy... 15 Odporové snímače... 15 Kapacitní snímače... 16 Indukčnostní snímače polohy... 16 Indukční snímače polohy... 17 Optické snímače polohy... 17 2 Stránka
Snímače zrychlení... 20 Piezoelektrické snímače zrychlení... 20 Snímače fyzikálních a chemických vlastností kapalin a plynů... 20 Kondenzační metoda... 21 Hygrometrická metoda... 21 Psychometrická metoda... 21 Měření chemických vlastností aplikací fyzikálních principů... 21 Stanovení složení kapalin a plynů měřením elektrické vodivosti... 21 Stanovení složení plynů na principu tepelné vodivosti... 22 Stanovení složení plynů na principu magnetické susceptibility... 22 Snímače optických veličin... 23 Fotoodpor... 23 Fotodioda... 23 Fototransistor... 24 Snímače magnetických veličim... 24 Magnetoodpor... 24 Magnetodioda... 24 Hallova sonda... 24 Seznam obrázků... 25 Seznam rovnic... 25 Bibliografie... 26 3 Stránka
Snímače Snímače snímají stavy a průběhy činností v procesech a slouží k řízení, regulaci, sledování a zabezpečení činnosti stroje nebo celého procesu. Snímače jsou v přímém styku s měřeným objektem, slouží jako primární zdroj informace. Snímač pracuje tak že, snímá sledovanou veličinu a transformuje ji na veličinu, kterou lze snadno vyhodnotit. Většinou se vyhodnocují elektrické napětí a proud. Z toho také vyplývá, že podstatou většiny snímačů jsou fyzikální jevy, které lze na změnu napětí nebo proudu dobře převádět (změna osvětlení=>změna odporu=>změna proudu; změny kapacity, odporů, magnetického indukčního toku, ). Podle výstupních signálů se rozlišují analogové snímače, binární snímače a číslicové snímače. Požadavky na snímače Požadavky kladené na snímače lze shrnout do následujících bodů: 1. Jednoznačná závislost výstupní veličiny na veličině vstupní 2. Přesnost snímače a reprodukovatelnost výsledků měření, tj. časová nezávislost parametrů snímače 3. Vhodný tvar statické charakteristiky, nejlépe lineární s velkou strmostí a minimálním prahem citlivosti 4. Optimální dynamické parametry (časová konstanta, tvar frekvenční charakteristiky, šířka přenášeného frekvenčního pásma) 5. Minimální závislost na parazitních jevech (teplota, tlak, vlhkost, chvění) 6. Minimální signálové zatěžování měřeného objektu 7. Jednoduchá konstrukce a z toho plynoucí snadná údržba a dostupná cena Statické vlastnosti snímačů 1. rozsah stupnice 2. měřicí rozsah přístroje 3. nominální hodnota výstupního signálu 4. kalibrační křivka 5. korekce 6. třída přesnosti 7. reprodukovatelnost 8. pohyblivost 9. stálost (stabilita) 10. přetížení 11. citlivost přístroje 12. chyba údaje měřidla 13. chyba linearity 14. chyba hystereze Dělení snímačů Klasifikaci snímačů lze provést různými způsoby. Zásadní význam mají 2 hlediska, a to fyzikální princip snímače z pohledu jeho konstrukce a typ měřené vstupní veličiny z hlediska jeho uživatele. 4 Stránka
Dělení snímačů dle konstrukce: 1. Aktivní (generátorické) snímače se působením měřené veličiny chovají jako zdroje elektrické energie (termočlánky, fotoelektrické, indukční, piezoelektrické) 2. Pasivní (parametrické) snímače účinkem měřené veličiny mění některý ze svých parametrů (polohu, tlak, odpor, kapacitu, vlastní či vzájemnou indukčnost, magnetický tok, Hallovo napětí, ) Uživatelská klasifikace snímačů: 1. Snímače kinematických veličin (poloha, úhel, rychlost, zrychlení, ) 2. Snímače síly, krouticího momentu, tlaku a tlakové diference 3. Snímače průtoku 4. Snímače hladiny 5. Snímače tepelných veličin (teplota, tepelné množství) 6. Snímače fyzikálních a chemických vlastností kapalin a plynů (vlhkost, vodivost, chemické složení, ) 7. Snímače optických veličin 8. Snímače magnetických veličin Dělení snímačů dle výstupních signálů Analogové snímače Analogové snímače snímají mechanické veličiny, např. dráhu a převádějí tyto snímané veličiny na elektrické signály, a to napěťové nebo proudové. Po připojení snímače signálu na měřidlo a kalibraci stupnice měřidla vznikne měřicí přístroj snímané veličiny. Kalibrace spočívá ve zjištění vztahu mezi hodnotami měřené veličiny a stupnicí a označení stupnice odpovídajícími hodnotami. Při nepřímém měření může být stupnice kalibrována přímo v jednotkách měřené veličiny. Binární snímače Binární snímače mají binární výstupní signál např. sepnutý/rozepnutý kontakt. Většinou vyhodnocují, zda je přijímaná veličina pod nastavenou prahovou úrovní nebo nad ní. Binární snímače mohou mít podobu např. mechanických spínačů. Diference mezi přepínací úrovní snímané veličiny pro přepnutí z 0 do 1 a přepínací úrovní pro přepnutí z 1 do 0 se nazývá přepínací Diference. Všechny binární snímače mají přepínací diferenci. Obrázek 1: binární snímač Číslicové snímače Číslicové snímače (digitální senzory) mají číslicový výstupní signál, který je číslicovým kódem snímané veličiny, např. dráhy, doby nebo energie. Některé snímače digitalizují s pomocí 5 Stránka
mikroprocesoru snímanou analogovou veličinu, např. obrazové snímače digitalizují obrazový signál, který pak slouží k posouzení tvaru snímaného tělesa. Generace snímačů První generace Do první generace patří klasické snímače jako termočlánek, tenzometr snímače, které pouze transformují měřenou fyzikální veličinu na snáze zpracovatelnou. Druhá generace Do druhé generace patří mikrosnímače a optosnímače tlakový membránový senzor, optické vláknové senzory. Třetí generace Do třetí generace patří tzv. inteligentní snímače nebo smart snímače a videoprocesorové systémy. Smart snímač je takový snímač, který obsahuje mikroprocesor, který podle určitého algoritmu zajišťuje například linearizaci výstupní veličiny. Inteligentní snímač je měřící podsystém, který v kompaktním provedení obsahuje převodník (y) neelektrické veličiny, mikroprocesor pro zpracování a analýzu vstupních signálů a pro obousměrnou komunikaci s okolím po průmyslové síti. Inteligentní senzor je schopen sbírat korektní data, provádět linearizaci, zareagovat na své chybné stavy, například optická čidla signalizují znečištění optiky, a dokáže zjištěné hodnoty dále zpracovat. Inteligentní senzory pomáhají decentralizovat automatizovaný systém na co nejnižší úroveň, tj. vytvářet hierarchické systémy, zlepšovat diagnostiku a komunikaci mezi jednotlivými vrstvami a tím vytvářet systémy na míru. To vede k zrychlení regulace, neboť jednotlivé informace jsou zpracovávány v příslušné vrstvě, která je specializována na řešení příslušného problému nebo zpracování informací. Základní funkce, které charakterizují inteligentní senzor: 1. Měření vstupní veličiny jejich analogové a číslicové zpracování (filtrace, kompenzace rušení, zesílení, přepočet, korekce na teplotu, 2. Konfigurace svých parametrů nastavení rozsahu, typ výstupního signálu, volba parametrů filtru, 3. Kontrola činnosti senzoru autodiagnostika = kontrola stavu svých funkčních bloků 4. Komunikace zajištění obousměrné komunikace prostřednictvím číslicové sběrnice s nadřazeným systémem Snímače teploty Odporové kovové snímače teploty Princip odporových snímačů teploty spočívá ve využití závislosti odporu kovů na teplotě. Teploměr s kovovým čidlem používá platinový nebo niklový drát a jeho chyba nebývá větší než 0,5% na 5 K. Kovové teploměry jsou používány tak jako termočlánky v chemických provozech jako čidla při regulaci teploty u klimatizačních zařízení a mrazících zařízení. Využívají vztahu: 6 Stránka
1 Rovnice 1 kde α je teplotní součinitel odporu (Cu = 0,0042 K -1 ). Polovodičové snímače teploty Polovodičové snímače teploty používají jako čidlo termistor NTC (s negativním teplotním koeficientem s teplotou odpor klesá) nebo termistor PTC (s pozitivním teplotním koeficientem s teplotou odpor stoupá). Mají podobu integrovaného obvodu se 2 vývody a dodávají bez vnějšího napájení proud závislý pouze na teplotě. Polovodičové snímače jsou velmi citlivé a používají se u číslicových ukazatelů teploty a k hlídání a k regulaci teplot ve strojních zařízeních. Termočlánky Termočlánek vzniká na styčné ploše 2 různých kovů. Při zahřátí termočlánku tvořeném 2 svařenými dráty z různých kovů mají chladné konce drátů odlišný potenciál, tj. je mezi nimi elektrické napětí. Toto termoelektrické napětí závisí na dvojici kovů a na rozdílu teplot mezi termočlánkem a chladnými konci. Termočlánek je charakterizován teplotní citlivostí. Termočlánek mění tepelnou energii přímo na elektrickou energii. Dráty termočlánku jsou uložené v izolačním a tepelně odolném keramickém materiálu a celek je uložen v ocelovém pouzdře. Termoelektrické napětí je velmi malé a je proto zesilováno elektrickým zesilovačem, který je vždy kalibrován pro určitý typ termočlánku a kompenzuje mírně nelineární charakteristiku termočlánku, udávající závislost napětí na rozdílu teplot. Termočlánky se používají pro měření teplot uvnitř reaktorů v chemickém průmyslu, k měření roztaveného kovu, skla, Obrázek 2: měření teploty termočlánkem Pyrometry Pyrometry jsou přístroje pro bezdotykové měření teploty rozžhavených látek. Jsou většinou založeny na principu optických snímačů. 7 Stránka
Snímače tlaku Přístroje pro měření tlaku: 1. Barometr měří atmosférický tlak 2. Vakuometr měří velké podtlaky 3. Manometr měří přetlaky 4. Manovakuometr měří podtlaky i přetlaky Odporové snímače s tenzometrickým páskem Pro přímé měření tlaku pomocí elektrických snímačů se používají tenzometrické pásky nebo tenzometrické dráty. Tenzometrický pásek fungují tak, že deformací mění některou z veličin, na kterých závisí jeho odpor: Rovnice 2 Délkové změny měřících pásků nebo drátů odpovídající mechanickému napětí bývají velmi malé, většinou jen desetiny až desítky µm. Při natahování vodiče se mění jeho odpor, protože se zvětšuje jeho délka a zmenšuje se plocha průřezu. Tenzometrické pásky mívají podobu tenkých folií a je na povrch tělesa instalován tak, aby převážná část jeho dráhy byla orientována ve směru měřených změn délky. Většinou se vyrábějí z konstantanu nebo chromniklové slitiny. Polovodičové tenzometrické rezistory jsou citlivé a malé, také však silně teplotně závislé. Změny odporů tenzometrických čidel jsou vyhodnocovány v závislosti na počtu a na funkční souvislosti čidel v můstkovém zapojení vhodného typu. U kovových tenzometrů způsobí změna o velikosti 1 změnu odporu o 2 ; u polovodičových tenzometrů deformace 1 způsobí změnu o 10%. Krabicové siloměry s tenzometrickými snímači Tenzometry jsou nalepené na povrchu nebo v dutině tělesa, které se tlakem deformuje, např. se zkracuje a rozšiřuje. Jeden (nebo více) snímač snímá zkrácení a jiný (nebo více) snímač snímá rozšíření tlakového tělesa. Krabicové siloměry se vyrábějí pro měření malých sil do několika N nebo i pro měření velkých sil několika MN. Krabicové siloměry se používají v elektronických vahách a k regulaci tlaku při lisování a válcování. Měřící zkrutová hřídel s tenzometrickými snímači Měřící zkrutová hřídel je při zatížení zkroucená úměrně kroutícímu (točivému) momentu. Zkroucení snímají tenzometrické snímače, které jsou připevněny do můstkového obvodu. Piezoelektrické snímače tlaku Piezoelektrické snímače tlaku se nejčastěji používají jako siloměry. Jsou založeny na piezoelektrickém jevu, který se vyskytuje hlavně u krystalů, které nejsou středově souměrné. V nich dochází vlivem mechanického napětí k takovým přesunům elektrických nábojů, že mezi různými místy deformované látky vzniká elektrické napětí, a to buď v podélném piezoelektrickém jevu, při příčném piezoelektrickém jevu nebo při posuvném piezoelektrickém jevu. K výrobě se používají krystaly titaničitanu/zirkoničitou olovnatého. Skládáním více vrstev krystalu na sebe dojde ke sčítání nábojů a vzniku vyššího napětí, které může být po zesílení dále vyhodnoceno. Piezoelektrické snímače tlakové síly se používají k automatické ochraně před přetížením nebo v 3D provedení k měření řezných sil při třískovém obrábění. Náhradním schématem piezoelektrického snímače je derivační článek. 8 Stránka
Obrázek 3: princip piezoelektrických snímačů Deformační tlakoměry Membránový tlakoměr 1. Astatické (bez vlastní charakteristiky) membránové tlakoměry jsou nejčastěji pryžové s textilní vložkou se středem vyztuženým talířem. Pro zvýšení zdvihu jsou vybaveny prolisem, v tom případě přenášejí pouze tahové, nikoli ohybové napětí. Statický charakter jim dává použití pružiny. Obrázek 4: astatický membránový tlakoměr 2. S vlastní charakteristikou v provedení plochém nebo prolisem pro výrazně větší zdvih v rámci linearity charakteristiky. Ploché membrány mají malý zdvih. Požívají se v mikrofonech, či ve snímačích s tenzometrickými, piezoelektrickými nebo kapacitními převodníky Obrázek 5: membránový tlakoměr s vlastní charakteristikou 9 Stránka
3. S vlastní charakteristikou s předepnutím jsou ploché membrány předepnuté do mírného prohnutí. Mají nespojitou (reléovou) charakteristiku. Při překročení určitého tlaku se překlopí do opačné symetrické polohy. Obrázek 6: membránový tlakoměr s vlastní charakteristikou s předepnutím Vlnovcový tlakoměr Vlnovkový tlakoměr užívá ve funkci snímacího prvku tenkostěnnou trubici válcového tvaru s vyválcovanými vlnami, tzv. vlnovec. Pro měřící účely má volný konec uzavřen a opatřen mechanismem pro převod jeho přímočarého pohybu vznikajícího vlivem tlakového rozdílu uvnitř a vně vlnovce. V závislosti na použitém materiálu se používá jak pro citlivé přístroje, tak pro vysokotlaké přístroje do 1 MPa. Trubicový tlakoměr Trubicový tlakoměr s tzv. Bourdonovou trubicí patří mezi nejrozšířenější snímače tlaku. Jeho snímacím prvkem je trubice zploštělého průřezu, vytvarovaná do kruhového oblouku se středovým úhlem asi 270. Pevným koncem je spojena s měřeným prostorem, druhý (volný) konec je uzavřen. Účinkem tlaku se volný konec napřimuje a tento pohyb se přenáší na indikační orgán. Magnetické snímače tlaku Magnetostrikční snímač tlaku Využívají toho, že při deformaci feromagnetického materiálu dochází ke změně magnetických veličin. Snímače jsou založeny na principu magnetostrikce. Magnetostrikce je fyzikální (Jouleův) jev, při němž se vlivem sil vyvolaných magnetickým polem mění rozměry feromagnetika, nebo naopak se vlivem deformací vyvolaných vnějšími jevy mění permeabilita feromagnetika. Velikost napětí se úměrně se sílou. Obrázek 7: princip magnetostrikčního snímače tlaku Magnetoanizotropní snímač V tělese snímače složeného z plechů jsou ve 4 otvorech symetricky vzhledem ke středu uložena 2 vinutí. Po zatížení se magnetický tok natočí tak, že zasáhne sekundární obvod, v němž indukuje výstupní napětí úměrné síle F. 10 Stránka
Obrázek 8: princip magnetoanizotropního snímače tlaku Kapacitní snímače tlaku Kapacitní snímače tlaku pracují na principu přibližování desek kondenzátoru, tím dochází ke zmenšování šířky dielektrika (d) a následně ke změně kapacity dle vztahu: Rovnice 3 Taktilní snímače Taktilní čidla patří mezi binární snímače a reagují na dotyk (spojený s tlakem). Používají se např. koncové spínače s pružnou ovládací tyčkou přepínající při náklonu tyčky, uložené v kulovém kloubu. Taktilní snímače se používají např. k rozpoznání předmětů na dopravníku. Obrázek 9: taktilní čidlo Snímače průtoku Průtok se vyhodnocuje nepřímo pomocí střední rychlosti proudu tekutiny. Střední rychlost závisí na Reynoldsově čísle. Rychlostní snímače průtoku Základním principem měření je využití poklesu tlaku vzniklého zvýšením rychlosti proudění v zúženém místě Průřezový průtokoměr Měření průtoku se realizuje pomocí škrtících orgánů. Princip spočívá v tom, že vložením překážky do proudu klesá tlak, neboť musí dojít ke zvýšení rychlosti. Průtok se vyhodnocuje přes snímače rychlosti nebo tlaku. 11 Stránka
Turbinkový průtokoměr Turbinkový průtokoměr využívá kinetickou energii kapaliny k uvedení rotoru do otáčivého pohybu rychlostí úměrnou střední rychlosti kapaliny protékající příčným průřezem snímače. Otáčky rotoru jsou převáděny mechanicky převodovým ústrojím na integrační počítadlo nebo snímány elektronicky indukčním snímačem. Indukční průtokoměr Pomocí indukčního průtokoměru se dají měřit pouze kapaliny, které mají alespoň minimální vodivost. Využívá Faradayův zákon o indukci napětí ve vodiči při jeho pohybu v magnetickém poli. V případě nezaplněného průřezu potrubí lze v něm stanovovat hladinu aplikací kapacitního měření její výšky. Pro tyto účely se spojuje magnetické měření rychlosti proudící látky a kapacitní měření hladiny. Obrázek 10: indukční průtokoměr Ultrazvukový průtokoměr Ultrazvukový průtokoměr vyhodnocuje signály na základě změn rychlosti šíření ultrazvukových vln (f=102 103kHz) při jejich pohybu ve směru a proti směru proudění kapaliny. Prodloužit dráhu šíření ultrazvukových vln lze např. pomocí užitím reflektorů. Anemometrický průtokoměr Pokud kapalina neproudí, je na všech rezistorech stejné napětí. Jakmile začne proudit kapalina, začne se teplotně závislejší odpor R T ochlazovat. Tím klesne jeho odpor=> v bodě A vzroste napětí, které se projeví vzrůstem proudu procházejícím R Z. Vyšší proud vyrovná teplotu, takže na R T bude stejné napětí jako na R 1. Obrázek 12: ultrazvukový průtokoměr Obrázek 11: ultrazvukový průtokoměr Obrázek 13: anemometrický průtokoměr Objemové snímače průtoku Dávkovací průtokoměr Dávkovací průtokoměr pracuje na principu plnění a vyprazdňování komor definovaného objemu tak, aby průtok tekutiny snímačem byl plynulý a měření spojité. Výstupem 12 Stránka
průtokoměru jsou impulzy indukčního snímače otáček rotujících pístů. Používá se pro kapaliny. Obrázek 14: dávkovací průtokoměr Zvonový plynoměr Pracuje na principu Archimédova zákona. Je tvořen nádrží s kapalinou, do které je ponořen zvon vyvažovaný protizávažím. Do kapalinou uzavřeného prostoru pod zvonem se přivádí plyn zvedající zvon. Změna výšky zvonu za časovou jednotku proto udává objemový průtok přitékajícího plynu. Měchový plynoměr Měchový plynoměr má prostor rozdělený měchem (membránou) na 2 komory, jejichž plnění a vyprazdňování přepíná šoupátkový rozvod. Hnací síla je dovozena od tlakového rozdílu na měchu. Systém je vybaven blokací zpětného chodu. Měření průtoku v otevřených kanálech Způsoby měření průtoku v otevřených kanálech: 1. Užitím přelivů, přes které protéká měřená kapalina 2. Stanovením výšky hladiny v měřícím žlabu 3. Stanovením rychlosti v definovaném průtočném profilu Nejpoužívanější metodou je užití přelivů, což je konstrukce, přes které padá měřená kapalina. Přepadem rozumíme pohyb kapaliny s volnou hladinou přes objekt, pro který je charakteristický rozdíl hladin horní a dolní rovně. Snímače hladiny Pro měření hladiny se obecně používají 2 principy: 1. Stanovuje se poloha prvku (plovákového tělesa), který je spojen s úrovní hladiny. Poloha se pak vyhodnocuje odporovými, kapacitními, indukčními snímači, nebo se převede na úhel otočení. 2. Využívá se měření fyzikálních účinků daného média, které odpovídá úrovni jeho hladiny (snímač hmotnosti, tlaku, ) nebo měření doby mezi odeslaným a přijatým impulzem. Snímače se dělí na spojité či nespojité. 13 Stránka
Snímače pro nespojité měření hladiny Plovákové hladinoměry Plovákové hladinoměry převádějí pohyb plováku na dvouhodnotový snímač polohy (spínač, jazýčkové relé). Pro měření menšího rozmezí změn hladiny je plovák zavěšen na kyvném rameni, pro velké změny bývá jeho pohyb konstrukčně řešen dvojím způsobem: 1. Zavěšením 2. Vedením po trubce Obrázek 15: plovákový hladinoměr Vodivostní hladinoměry Vodivostní hladinoměry indikují dosažení úrovně hladiny H průchodem proudu mezi 2 elektrodami E 1, E 2 galvanicky spojenými stoupnutím hladiny vodivé kapaliny. Jednou elektrodou může být i vodivá stěny nádoby. Obrázek 16: vodivostní hladinoměr Snímače pro spojité měření hladiny Plovákový snímač hladiny Spojité snímání hladiny plovákem můžeme podle výstupního signálu rozdělit do 2 skupin: 1. Měření polohy (plováky) 2. Měření vztlakové síly (vztlaková tělesa). Vztlaková síla je přímo úměrná výšce hladiny. Při používání uzavřených nádob se k vyvedení signálu z tlakového prostoru požívá torzní trubka, která zároveň transformuje vztlakovou sílu na výchylku. 14 Stránka
Kapacitní snímače hladiny Kapacitní snímač hladiny pracuje na principu měření kapacity kondenzátoru, jehož elektrody jsou částečně ponořeny do měřené látky, kterou může být nejen kapalina, ale i sypký čí kusový materiál (obilí, uhlí), a tvoří kat dielektrikum. Vzniknou tak 2 paralelně spojené kondenzátory a vyhodnocuje se celková kapacita. Obrázek 17: kapacitní snímač hladiny Ultrazvukové snímače hladiny Ultrazvukový snímač hladiny vyhodnocuje úroveň hladiny (i sypkých látek) na základě časového intervalu t mezi vysláním a přijetím ultrazvukového signálu po průchodu látkou. V látkách s vyšší hustotou se signál šíří pomaleji => čím vyšší hladina, tím déle signálu trvá cesta tam a zpět. Obrázek 18: ultrazvukový snímač hladiny Snímače polohy Odporové snímače Spojité odporové snímače polohy Základem spojitých odporových snímačů jsou odporové potenciometry, jejichž běžec posouvající se po odporové dráze je mechanicky spojen s předmětem, jehož polohu odměřujeme. Není-li výstup potenciometru zatížen, nebo je zatížen zátěží s velkým odporem (číslicový voltmetr)je výstupní napětí úměrné poloze jezdce. Při zatížení potenciometru není vztah mezi výstupním napětím a dráhou jezdce lineární. Proto je dobré je co nejvíce zatěžovat. Lineární potenciometry se používají jako mechanické měřící snímače a pro odměřování dráhy strojních posuvů. Otočné potenciometry se používají pro měření úhlu. 15 Stránka
Obrázek 19: princip funkce odporových snímačů polohy Kapacitní snímače Metoda využívá převod měřené veličiny na změnu parametru určujícího kapacitu kondenzátoru. Taje dána geometrií elektrod a permitivitou prostoru, v němž se uzavírá elektrické pole. Při zasouvání kovového pístu do izolačního válce se mění kapacita takto sestaveného snímače. Změny této kapacity jsou převáděny pomocí střídavého můstku na změny střídavého napětí na výstupu můstku. Poloha se dále může vyhodnocovat podle změny kapacity dané změnou plochy kondenzátoru nebo vzdálenosti desek. Obrázek 20: princip funkce kapacitních snímačů polohy Indukčnostní snímače polohy Indukčnostní snímače polohy pracují na principu převádění polohy na změnu vlastní indukčnosti L nebo vzájemné indukčnosti dvou cívek M. Selsyny Selsyny se používají pro měření úhlu natočení Pootočení vysílacího rotoru má za následek indukci U ve statoru vysílače. Toto napětí je odlišné než od toho, které by se generovalo ve statoru přijímače. Ve statoru přijímače se generuje magnetické pole, jehož účinky pootočí o stejný úhel rotorem přijímače. Tento systém se nehodí pro přenášení velkého momentu. 16 Stránka
Obrázek 21: princip funkce selsynů Indukční snímače polohy Elektromagnetické snímače Elektromagnetické snímače vyhodnocují změnu toku pomocí změny impedance obvodu. Změně její délky či průřezu odpovídá amplituda výstupního napětí Optické snímače polohy Pro zpracovávání měřených veličin pomocí optických senzorů nejčastěji používají fotoodpory, fotodiody, fototranzistory, poziční čidla, Jejich výhodou je vysoká přesnost (minimálně µm), nejsou citlivé na vnější elektromagnetické pole, dají se použít ve výbušných prostředích jak pro spojité, tak nespojité měření. Lze je realizovat pro inkrementální (přírůstkové) i pro absolutní měření. Absolutní snímač polohy Výstupem je signál s úplnou informací o poloze tím, že ji definuje vzhledem k referenčnímu bodu. Konstrukční realizací je kódový obrazec se systémem průhledných a neprůhledných ploch. Lineární a kruhová měřítka se nehodí pro přesné odečítání dráhy nebo úhlu, protože číselné kódy nemohou být kvůli spolehlivému čtení zaznamenány s takovou hustotou jako poziční čárky (mezery) clonových pravítek a kol. Kódování je často voleno tak, že se v nulté stopě pravidelně střídají průhledné a neprůhledné čtverečky jako při inkrementálním odměřování. V první stopě se střídají čárky a mezery dvojnásobné šířky, ve druhé stopě jsou šířky čtyřnásobné atd. Obrázek 22: princip funkce optického absolutního snímače polohy 17 Stránka
Inkrementální snímače polohy Inkrementální snímače dráhy odečítají přírůstky dráhy z rovnoměrně označkovaných pravítek. Značky na pravítku bývají čárky nebo otvory. Jsou-li mezery clonového pravítka a mezery masky přesně proti sobě, může světlo procházet ze zdroje k vyhodnocovacímu prvku (fotodiodě apod.). Jsou-li mezery pravítka proti čárkám masky, žádné světlo neprochází. Při plynulém posouvání pravítka proti masce se periodicky mění intenzita přijímaného světelného signálu. K rozpoznání směru pohybu pravítka se používají dva snímače s maskami posunutými vzájemně o ½šířky mezery. Je-li fázový posun obou signálu ¼periody (čárka +mezera) pohybuje se pravítko jedním směrem, při posunu ¾opačným směrem. Obrázek 23: optický inkrementální snímač polohy Interferometrický snímač Laserový interferometr pracuje na principu skládání 2 vln měrné a referenční. Svazek rovnoběžných paprsků dopadá pod úhlem 45 na polopropustnou plochu, od níž se část paprsků odrazí k pevnému zrcadlu a část postupuje k pohyblivému zrcadlu spojenému s měřeným objektem. Odražené paprsky se tak na polopropustné ploše sčítají a vytvářejí interferenční kroužky tak, že při posunu o vlnovou délku záření se objeví na výstupu 2 impulsy. Světelné signály se vyhodnocují pomocí fotodiody. Měří se posunutí vln, časová prodleva, Obrázek 24: princip funkce interferometrického snímače Kódové úhloměry Kódové úhloměry se používají pro odměřování úhlu natočení. Číselný kód je nanesen na kotouči a bývá 10 až 17 bitový, takže může obsahovat až cca 130000hodnot úhlů v intervalu 18 Stránka
1 otáčky. Víceotáčkové kódové úhloměry mají kromě nejpřesnějšího jednootáčkového kódového kotouče další kotouče s převody do pomala a udávají kód absolutní úhlové polohy. Inkrementální snímače úhlu natočení Čárky pro přerušování světelného paprsku jsou na obvodovém mezikruží clonového kola. Snímače světelného paprsku jsou opět posunuty o ¼ clonového (čárkového intervalu). Princip funkce je stejný jako u inkrementálního snímače dráhy. Optické poziční čidlo Optická poziční čidla se využívají k bezdotykovému měření vzdáleností, k přesnému navádění pohybů podle laserového paprsku a k vyhodnocování polohy. Optické poziční čidlo může být tvořeno řadou fotodiod nebo fototranzistorů a pozice ozářeného prvku čidla určují úhel dopadu světla (odraženého od předmětu) na objektiv čidla. Tímto způsobem lze určit vzdálenost předmětu od aktivního snímače a pomocí 3 takových čidel určit polohu předmětu v prostoru. Obrázek 25: princip funkce optického pozičního čidla Optické reflexní snímače Optické přibližovací snímače pracují jako reflexní snímače s pulzním infračerveným zářením. Snímač vysílá pomocí Infračervené luminiscenční diody IRED infračervené záření a při přiblížení předmětu přijímá záření odražené od předmětu pomocí fototranzistoru. Kvůli odolnosti proti případnému rušení je vysílaný signál pulzní a vyhodnocovací elektronika reaguje pouze na odraz tohoto pulzního signálu. Při nutnosti použít snímače velmi malých rozměrů jsou k vedení přijímaného i vysílaného záření použita optická vlákna. Optické přibližovací snímače se často používají k indikaci předmětů na dopravnících nebo pro světelné závory, mříže apod. 19 Stránka
Obrázek 26: použití optických reflexních snímačů Snímače zrychlení Piezoelektrické snímače zrychlení Snímače zrychlení (otřesová čidla) používají většinou piezoelektrická čidla, spojená s přilepenými setrvačnými tělesy na jedné straně a s pouzdrem snímače na druhé straně. Při zrychlení dojde k vzájemnému pohybu pouzdra a vnitřního setrvačného tělesa, a tím k deformaci piezoelektrického krystalu. Ve spojení s integrátorem lze při zrychlení v jednom směru získat signál odpovídající rychlosti a integrací rychlosti lze získat dráhu. Dvěma za sebou zapojenými integrátory lze tedy ze signálu snímače zrychlení získat signál odpovídající dráze zrychleného pohybu. Toto zapojení se používá v případech malého prostoru, kde nelze použít ani snímače rychlosti, ani snímače dráhy. Snímače zrychlení se používají k vyhodnocení chvění strojů, např. vibrací při rezonanci na kritických otáčkách. Snímače fyzikálních a chemických vlastností kapalin a plynů 1. Absolutní vlhkost plynu je hmotnost vodní páry obsažené v jednom krychlovém metru vlhkého plynu. Absolutní vlhkost lze vyjádřit podle stavové rovnice plynu při relativně malém parciálním tlaku. 2. Relativní vlhkost plynu je poměr absolutní vlhkosti v daném vlhkém plynu k absolutní vlhkosti plynu, který by byl za stejné teploty a tlaku vodními párami nasycen. Přibližně lze vyjádřit poměrem parciálního tlaku vodní páry v nasyceném stavu při téže teplotě. 3. Rosný bos je teplota, při níž by vlhký plyn izobaricky ochlazovaný dosáhl stavu nasycení, takže další ochlazování by přebytečná vodní pára začala kondenzovat. Pro stanovení těchto parametrů byly vypracovány metody stanovení vlhkosti, které lze rozdělit do tří skupin: a. kondenzační metoda b. hygrometrická metoda c. psychometrická metoda 20 Stránka
Kondenzační metoda Kondenzační metoda je založena na měření rosného bodu plynu. Ten se stanovuje obtékáním plynu podél ochlazovaného zrcátka a měří se přitom teplota, při které dochází k jeho orosení vyhodnocovanému opticky vzhledem ke změně odrazivosti světla dopadajícího na zrcátko. Tato teplota se určuje v diagramu rosného bodu nebo v diagramu absolutní vlhkosti plynu. Hygrometrická metoda Hygrometrická metoda využívá vlastnosti některých látek absorbovat vlhkost a měřit přitom určitý parametr (délku, vodivost, kapacitu). Změnu délky vlivem vlhkosti vykazují např. lidské vlasy nebo blány z živočišných materiálů. Jejich nevýhodou je nelineární průběh charakteristiky. Další nepravděpodobnosti v nich vznikají, jestliže byly vystaveny delší dobu působení prostředí s malou relativní vlhkostí a musí se proto regenerovat působením vlhkého prostředí. Psychometrická metoda Psychometrická metoda stanovení relativní vlhkosti je založena na měření rozdílu teplot dvou blízko sebe uložených přesných teploměrů a to suchého, jehož jímkou obtéká měřený plyn a mokrého, jehož jímku obsahuje zvlhčovaná tkaninová punčoška. Účinkem proudícího plynu dochází k odpařování vody z tkaninového obalu mokrého teploměru tím více, čím je relativní vlhkost menší. Teplo potřebné k odpaření se odnímá prostřednictvím zvlhčované textilie a jímky mokrému snímači teploty, takže ukazuje nižší teplotu než teploměr suchý. Rozdíl teplot obou teploměrů je přímo úměrný rozdílu parciálního tlaku odpovídajícího nasycení plynu vodní parou. Měření chemických vlastností aplikací fyzikálních principů Stanovení složení kapalin a plynů měřením elektrické vodivosti Snímače vodivosti dělíme podle způsobu měření do dvou skupin: 1. Elektrodové snímače 2. Bezelektrodové snímače Dvouelektrodový snímač Elektrody mají definované tvary v závislosti na měřícím rozsahu pro malou měrnou vodivost bývají válcové, pro větší vodivost bývají deskové z platiny, nerezové oceli či uhlíku s prodlouženou proudovou cestou pro dosažení minimální hodnoty odporu. 21 Stránka
Bezelektrodový analyzátor Do trubice z elektricky nevodivého materiálu je přivedena analyzovaná látky, tvořící uzavřený proudový obvod. Na trubici jsou vinutí dvou transformátorů budícího a měřícího. Primární vinutí transformátoru je napájeno ze zdroje stabilizovaného střídavého napětí, čímž indukuje v kapalinovém okruhu analyzovaného elektrolitu proud, úměrný jeho měrné vodivosti. Elektrolit reprezentuje jednozávitové sekundární vinutí transformátoru se indukuje napětí úměrné proudu procházejícího elektrolytem, a tedy odpovídajícího jeho složení. Obrázek 27: bezelektrodový analyzátor Stanovení složení plynů na principu tepelné vodivosti Tepelně-vodivostní analyzátor plynů Tepelně-vodivostní analyzátor plynů využívají ke své funkci rozdílnou tepelnou vodivost analyzovaného a referenčního plynu, u spalitelných plynů se vyhodnocuje změna teploty snímače vlivem spalného tepla. Obrázek 28: tepelně-vodivostní analyzátor plynů Stanovení složení plynů na principu magnetické susceptibility Tepelně-magnetické analyzátory plynů Tepelně-magnetické analyzátory plynů využívají silový účinek magnetického pole vtahujícího paramagnetické plyny, které se ohřevem stávají diamagnetickými. Scháma analyzátoru s prstencovou komorou je uvedeno na obrázku. Analyzovaný plyn proudí dvěma větvemi, mezi nimiž je v silném magnetickém poli s vysokou indukcí nemagnetická měřící trubice a topné vynutí s vyvedeným středem. Dvě části topného vinutí tvoří s dvojicí odporů měřící můstek. Ohřevem účinkem topného odporu se analyzovaný plyn stane diamagnetickým a z prostoru magnetického pole je vytlačován nově nasávaným paramagnetickým plynem. Tím dochází k ochlazování druhé části topného vinutí, odpovídajícímu množství plynu proteklého 22 Stránka
příčnou větví. Úměrně složené plynu se proto rozváží měřící můstek. Obrázek 29: tepelně-magnetické analyzátory plynů Snímače optických veličin Fotoodpor Využívá změny elektrické vodivosti některých polovodičových materiálů působením světelného toku. Konstrukčně je realizován napařením vhodného polovodičového materiálu ve tvaru meandru na keramickou podložku tak, ab se dosáhlo určité hodnoty odporu. Systém se ukládá do kovového pouzdra s průhledovým okénkem. Fotodioda Je plošná dioda, jejiž přechod PN je ovlivňován světelným tokem. Při nulovém osvětlení diody její charakteristiky odpovídají charakteristikám běžné diody. Osvětlením se vtvoří pár elektron-díra, vyvolávající dodatečný proud diodou. Pro detekci optických signálů se jejich pracovní bod nastavuje do třetího kvadrantu. Obrázek 30: VA charakteristika fotodiody 23 Stránka
Fototransistor Je optoelektrický prvek, v němž je proud závislý na absorpci záření zesílen tranzistorovým jevem. Kolektorový proud fototransistoru je místo bázovým proudem řízen zářivým tokem E. Snímače magnetických veličim Magnetoodpor Magnetoodpor je dvojpólový prvek, jehož změna odporu R vzniká zakřivením a tím prodloužením dráhy nosičů náboje v polovodičovém materiálu vlivem vnějšího magnetického pole. Obrázek 31: magnetoodpor Magnetodioda Pracuje na principu injekce nosičů náboje, jejichž doba života je řízena účinkem vnějšího magnetického pole. Obrázek 32: magnetodioda a její charakteristiky Hallova sonda Protéká-li polovodičovou destičkou elektrický proud, pak po jejím vložení do magnetického pole s indukcí B, jejíž směr je kolmý na směr proudu, vznikne na kontaktech ve směru kolmém na rovinu vektorů tzv. Hallovo napětí. Obrázek 33: Hallova sonda 24 Stránka
Seznam obrázků Obrázek 1: binární snímač... 5 Obrázek 2: měření teploty termočlánkem... 7 Obrázek 3: princip piezoelektrických snímačů... 9 Obrázek 4: astatický membránový tlakoměr... 9 Obrázek 5: membránový tlakoměr s vlastní charakteristikou... 9 Obrázek 6: membránový tlakoměr s vlastní charakteristikou s předepnutím... 10 Obrázek 7: princip magnetostrikčního snímače tlaku... 10 Obrázek 8: princip magnetoanizotropního snímače tlaku... 11 Obrázek 9: taktilní čidlo... 11 Obrázek 10: indukční průtokoměr... 12 Obrázek 11: ultrazvukový průtokoměr... 12 Obrázek 12: ultrazvukový průtokoměr... 12 Obrázek 13: anemometrický průtokoměr... 12 Obrázek 14: dávkovací průtokoměr... 13 Obrázek 15: plovákový hladinoměr... 14 Obrázek 16: vodivostní hladinoměr... 14 Obrázek 17: kapacitní snímač hladiny... 15 Obrázek 18: ultrazvukový snímač hladiny... 15 Obrázek 19: princip funkce odporových snímačů polohy... 16 Obrázek 20: princip funkce kapacitních snímačů polohy... 16 Obrázek 21: princip funkce selsynů... 17 Obrázek 22: princip funkce optického absolutního snímače polohy... 17 Obrázek 23: optický inkrementální snímač polohy... 18 Obrázek 24: princip funkce interferometrického snímače... 18 Obrázek 25: princip funkce optického pozičního čidla... 19 Obrázek 26: použití optických reflexních snímačů... 20 Obrázek 27: bezelektrodový analyzátor... 22 Obrázek 28: tepelně-vodivostní analyzátor plynů... 22 Obrázek 29: tepelně-magnetické analyzátory plynů... 23 Obrázek 30: VA charakteristika fotodiody... 23 Obrázek 31: magnetoodpor... 24 Obrázek 32: magnetodioda a její charakteristiky... 24 Obrázek 33: Hallova sonda... 24 Seznam rovnic Rovnice 1... 7 Rovnice 2... 8 Rovnice 3... 11 25 Stránka
Bibliografie 1. Automatizace - snímače. snimace.xf.cz. [Online] 2010. [Citace: 30. říjen 2010.] http://www.snimace.xf.cz/. 2. Bejček, Ludvík. Měření průtoku a výšky hladiny. místo neznámé : Technická literatura BEN, 2006. 80-7300-156-X. 3. Kreidl, Marcel. Měření teploty - senzory a měření teploty. místo neznámé : Technická literatura BEN, 2005. 80-7300-145-4. 4. Snímač. Wikipedia.cz. [Online] 19. říjen 2010. [Citace: 31. říjen 2010.] http://cs.wikipedia.org/wiki/sn%c3%adma%c4%8d. 5. Talácko, Jaroslav. Mechatronika. místo neznámé : Computer press, 2006. 8025112993. 6. D., Schmid. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. Praha : Europa-Sobotáles, 2005. 978-80-86706-10-9. 26 Stránka