Státnice z elektrotechniky

<< předchozí     následující >>

Kapitola 17
Snímače, převodníky, čidla

17.1  Měření délky

17.1.1  Odporové snímače

Proměnný odpor s přímočarým pohybem lze snadno využít pro měření délky. Stačí spojit běžec proměnného odporu se zařízením, které chceme měřit a velikost posunutí bude plynout za změny proudu nebo napětí.

17.1.2  Indukční snímače

Magnetický obvod je složený z plechů je přerušen vzduchovou mezerou o šířce θ/2, celková mezera je tedy θ. Pohybem kotvy se mění vzduchová mezera a tím i magnetický odpor obvodu.

Pro zjišťování menších mechanických posuvů je vhodný indukční snímač s otevřeným magnetickým obvodem. Je to v podstatě solenoid, jehož indukčnost se mění zasouváním železného jádra.

Použití indukčního snímače s nepohyblivým jádrem. Kolem cívky se přesouvá měděná trubka, která je elektricky dobře vodivá, takže působí jako závit nakrátko. Proto indukované proudy vytvářejí magnetický tok, který zeslabuje magnetický tok cívky. Menšímu magnetickému toku pak odpovídá menší indukčnost.

Všechny výše uvedené snímače jsou jednoduché, ale nejsou vhodné pro regulační účely, kde žádáme, aby klidové poloze snímacího orgánu odpovídal nulový proud nebo napětí. Proto se tyto snímače kombinují do páru, čímž vzniká tzv. diferenciální zapojení, které se často používá v regulační technice. Jsou to dva stejné indukční snímače s vnořeným magnetickým obvodem a společnou kotvou. V klidové poloze kotvy jsou indukčnosti obou snímačů shodné, a proto jsou stejné i indukční reaktance. Takže napětí na obou snímačích jsou rozdělena v poměru 1:1. Posunujeme-li kotvu nahoru, zvětší se indukčnost horního snímače a současně se zmenší indukčnost dolního snímače. Posuneme-li kotvu dolů, objeví se na svorkách napětí v opačné fázi.
   Indukční snímač diferenciální   má dva stejné indukční snímače se společnou kotvou. Je-li kotva uprostřed mezi oběma snímač, napětí transformátorů se rozdělí na obou snímačích v poměru 1:1, takže napětí na sekundárním vinutí transformátoru jsou stejně veliká a nebude jimi téci žádný proud. U polohových transformátorů se mění pohybem kotvy vazba mezi jednotlivými sloupky. Rozdíl mg. toků indukuje do společného vinutí napětí úměrné velikosti pohybu kotvy.

17.1.3  Kapacitní snímače

Jsou to vlastně kondenzátory, u kterých se mění kapacita v závislosti na mechanickém posunutí.

17.2  Měření síly

Provádí se odporovými, piezoelektrickými nebo magnetoelastickými snímači. Při měření se zjišťuje mechanické napětí (tenze), a proto hovoříme o tenzometrických snímačích.

17.2.1  Odporové tenzometrické snímače

Drát délky l je podroben účinkům síly F tak, že se prodlouží o hodnotu Δl. Využívá se vztahu R = ρ· Δl/l. Poměr Δl/l se nazývá poměrná deformace (prodloužení) a nesmí přesáhnout určitou velikost (nemá-li dojít k poškození drátku). V oblasti pružných deformací platí Hookův zákon ν = E·Δl/l, kde ν je mechanické napětí a E modul pružnosti v tahu. Platí ΔR = k1 ν.

Drátek je nalepen na tenký podklad z papíru nebo plastické hmoty. Vlastní drátek se vyrábí odleptáváním tenké odporové fólie. Používá se můstkové zapojení, kdy v jedné větvi je tenzometrický snímač vystaven síle F, ve druhé větvi je kompenzační tenzometrický snímač stejných vlastností, který eliminuje vliv teploty (musí být nalepen v blízkosti prvního snímače, ale nesmí být vystaven namáhání). Můstek je napájen střídavým napětím, takže lze použít střídavé zesilovače, které jsou dostatečně stabilní a vyloučí se jimi vliv parazitního napětí.

17.2.2  Polovodičové tenzometrické snímače

Mají velkou citlivost (k = 150÷175). Používají se germaniová nebo křemíková vlákna.

17.2.3  Piezoelektrické tenzometrické snímače

Z krystalů křemene nebo Seignettovy soli (larochellská sůl, tetrahydrát vínanu draselno-sodného KNaC4H4O6·4H2O) se vyřízen rovnoběžně s optickou osou krystalu destička, jejíž protilehlé stěny se opatří vodivými elektrodami. Vznikne tak kondenzátor, jehož dielektrikem je sůl. Působí-li na takovýto snímač síla F, objeví se na elektrodách náboj Q = k F. Protože piezoelektrický snímač představuje zdroj napětí s velkým vnitřním odporem, nelze měřit napětí bez vložení zesilovače (impedanční transformátor).

17.2.4  Magnetoelastické snímače

Feromagnetická tyčka, která je mechanicky namáhána, změní původní magnetický tok z hodnoty Φ na hodnotu Φ+ΔΦ. Tato změna může být kladná nebo záporná, podle materiálu tyčky. Tento jev nazýváme magnetoelasticita . Používají se pásky z permaloie, transformátorové oceli nebo i obyčejné oceli (efekt není tak značný). Změnou mechanického namáhání se bude měnit permeabilita pásku a tím i indukčnost vinutí.

Kolem magnetizačního pásku jsou dvě vinutí - magnetizační vinutí (připojeno na zdroj střídavého napětí) a snímací vinutí (slouží k získávání indukovaného napětí - závisí přímo na mechanickém namáhání).

Pro měření kroutícího momentu se využívá Wiedmannova jevu - tyč vetknutá do stěny, okolo navinuto vinutí o určitém počtu závitů.

17.3  Měření úhlové výchylky

17.3.1  Drátové odporové snímače

V podstatě drátové potenciometry, u nichž je odporové vinutí obvykle z konstantanu nebo manganinu tvořeno velkým počtem závitů o velmi malém průměru. Na vinutí dosedá platino-iridiový kontakt sběrače. Přechodový odpor kontaktu pokud možno velmi malý, stejně jako třecí odpor potřebný k otáčení jezdce. Vliv kolísání napájecího napětí u těchto snímačů lze omezit použitím poměrového přístroje.

17.3.2  Rtuťové odporové snímače

Odstranit choulostivý třecí kontakt potenciometru. Jedná se o skleněnou trubici, jíž prochází tenký odporový drátek, který je veden pomocí tří zátavů na pohyblivé vývody. Kruhová trubice je z části naplněna rtutí, která pak zkratuje ponořenou část drátku. Odpor mezi horními svorkami a rtutí se mění v závislosti na úhlu natočení. Úlohou běžce pak zastává rtuť.

17.4  Měření průtoku

Pro průtok Q platí vztah Q = S·v, kde S je průřez trubice a v rychlost proudění kapaliny.

17.4.1  Klapkový průtokoměr

V trubici je zabudována otočná klapka, kterou nadzvedává proud kapaliny tím víc, čím je rychlost proudění kapaliny větší. Tento pohyb se přenáší na běžec potenciometru.

17.4.2  Lopatkový průtokoměr

Proudící kapalina uvádí do pohybu lopatkové kolo. To se otáčí tím rychleji, čím je rychlost proudění kapaliny větší. Na kole jsou permanentní magnety, které vně potrubí indukují napěťové pulzy. Tímto způsobem lze měřit nejen průtokovou rychlost, ale stálou integrací impulzů i objem.

17.4.3  Plováčkový průtokoměr

Trubka v jednom místě kuželově zúžena, tam plováček ve tvaru olovnice. Kapalina proudí rychlostí v vzhůru kolem plováčku. Čím je rychlost proudění větší, tím více plováček vystoupí vzhůru (průtokový průřez se musí zvětšit). Plovák je v horní části opatřen zářezy - plovák v kapalině volně rotuje, osa se udržuje svisle. Proto jim říkáme též rotametry .

17.4.4  Diferenční průtokoměr

Vlastní průtok se zjišťuje pomocí Venturiho trubice . V nejužším místě je rychlost proudění největší, tlak nejmenší (rovnice kontinuity proudění kapaliny v1·S1 = v2·S2). Rozdíl tlaků je mírou rychlosti proudění.

17.4.5  Indukční průtokoměr

Proud kapaliny představuje pohybující se vodič, takže se do něj indukuje proud. Plášť potrubí musí být mezi póly z neferomagnetického materiálu. Napětí je snímáno pomocí dvou elektrod zabudovaných do stěn potrubí kolmo na směr magnetického pole.

17.4.6  Kalorimetrický průtokoměr

Pracuje na kalorimetrickém principu - v potrubí je umístěn teplotně závislý odpor Rθ vytápěný z baterie. Tento odpor tvoří jednu větev Wheastonova můstku. Množství kalorií, které přechází z odporu do protékající látky bude záviset na rychlosti průtoku. Jako odporová sonda se používá platinový drátek žhavený na teplotu několika set °C. V poslední době se místo něj používají termistory.

17.5  Měření teploty

17.5.1  Dilatační teploměry

Využívají toho, že většina látek mění objem s teplotou. Změnu objemu lze snadno převést na změnu délky nebo změnu tlaku. Pro roztažnost v malém rozsahu teplot platí Vθ = V0(1 + γ θ), kde V0 je objem při teplotě 0 °C a γ součinitel objemové roztažnosti. Pro měření teploty lze využít i dilataci pevných látek lθ = l0 (1 − β θ), kde l0 je délka při teplotě 0 °C a β součinitel délkové roztažnosti (velké β má například měď nebo mosaz, malé invar).

Stonkový dilatační teploměr

Prodloužení mosazné trubky se prostřednictvím invarové tyče přenesena na vhodný mžikový spínač. Regulačním šroubkem se nastaví teplota, při které pohyblivý kontakt přeskočí na dolní pevný kontakt.

Dvojkovové teploměry

Dvojkov (bimetal) vznikne spojení dvou kovů různé délkové roztažnosti (např. pevné svaření dvou tenkých plechů různých kovů nebo sválcování za tepla). Pro měrný průhyb pásku h platí vztah h = hs l/S · θ · 10−-4, kde hs je měrný průhyb pásku při teplotě θ.

17.5.2  Odporové teploměry

Pro malé rozdíly teplot platí vztah Rθ = R0 (1+αθ ), pro větší rozdíly Rθ = R0(1+α θ+βθ 2). Proud skrz odpor Rθ nesmí být příliš velký, aby se jeho průchodem odpor nezahříval. Ve skutečnosti bývá Rθ umístěn daleko od můstku, spojovací vedení často prochází prostředím, které se značně mění. Proto se používá třídrátová kompenzace .

Termoelektrické teploměry

Spojení dvou drátů Fe, Cu

17.5.3  Bezdotykové teploměry

Pro měření velmi vysokých teplot. Využívá toho, že těleso vysílá elektromagnetické vlny, jejiž vlnová délka je úměrná teplotě tělesa. Celková energie vysílaná tělesem se nazývá úhrnná zářivost.

Pyrometry - radiační teploměry

Záření je soustředěno na konec termoelektrického článku - měří mV, je cejchován v K. Ke správnému zaměření teploměru na zdroj záření slouží okulár umístěný v rovině čočky (speciální sklo propouštějící infračervené záření). Lze použít již od 500 °C. Pro nižší teploty je vhodné místo spojné čočky použít konkávního zrcadla, které soustřeďuje dopadající záření na měrný konec termoelektrického článku. Chceme-li získat vyšší termoelektrické napětí, zapojujeme několik termoelektrických článků do série.

17.5.4  Vláknové teploměry

Použijeme-li vhodný optický filtr, získáváme záření o jedné vlnové délce, a tedy je možné měřit spektrální zářivost. Používá se zde tzv. komparační metoda. Srovnává se jas zdroje s jasem rozžhaveného wolframového vlákna. Z tepelného zdroje o teplotě θ vychází záření, které prochází přes objektiv, srovnávací žárovku, barevný filtr a okulár do oka pozorovatele. Nastaví se svítivost vlákna stejná jako pozorovaného (vlákno „zmizí“). Bude-li teplota vyšší, bude se jevit vlákno tmavé, je-li teplota zdroje nižší, bude vlákno světlejší na pozadí.

17.6  Měření otáček

17.6.1  Techometrické dynamo

17.6.2  Techometrický generátor

17.6.3  Magnetické otáčkoměry

17.6.4  Bezdotykové otáčkoměry

17.7  Měření osvětlení

17.8  Měření viskozity

17.9  Měření pH

17.10  Měření teploty rosného bodu

17.10.1  Rotační viskozimetr

17.10.2  Tělísový viskozimetr

17.10.3  Kapilární viskozimetr

17.11  Měření absorpce záření

17.11.1  Kalorimetrikcý analyzátor

17.12  Měření vlastností tuhých látek

17.13  Měření vad materiálu

17.14  Měření složení plynů a kapalin