Meranie pre potreby riadenia. Snímače a prevodníky

Transcript

1 Meranie pre potreby riadenia Snímače a prevodníky

2 Meranie teploty Uskutočňuje sa nepriamo cez zmenu vlastností teplomernej látky Snímač je umiestnený v ochrannom puzdre oneskorenie prechodu tepla 2

3 Meranie teploty Uskutočňuje sa nepriamo cez zmenu vlastností teplomernej látky Snímač je umiestnený v ochrannom puzdre oneskorenie prechodu tepla 3 Javy využívané pri meraní teploty: Teplotná závislosť odporu materiálov Seebeckov jav (termoelekrické články) Zmena rezonančnej frekvencie kryštálu Dilatácia

4 Meranie teploty Rozdelenie snímačov: dotykové: elektrické (odporové, polovodičové,...) dilatačné (bimetalové, tlakové, sklenené) špeciálne (akustické, šumové,...) 4

5 Meranie teploty 5 Rozdelenie snímačov: dotykové: elektrické (odporové, polovodičové,...) dilatačné (bimetalové, tlakové, sklenené) špeciálne (akustické, šumové,...) bezdotykové: pyrometre (jasové, radiačné, fotoelektrické) termovízia infrafotografia

6 Meranie teploty - dotykové Odporové kovové snímače: zmena elektrického odporu od teploty R = R 0 (1 + α Δϑ) používa sa platina, nikel, meď, molybdén 6

7 Meranie teploty - dotykové Odporové kovové snímače: vyhodnocovanie pomocou nevyvážených Wheatstonových mostíkov zmena R spôsobí rozváženie mostíka zmena výstupného U ohrievanie samotného snímača spôsobuje chybu merania: Δϑ = (R t I 2 )/D (D zaťažovacia konštanta) maximálny prípustný prúd (udáva výrobca) je napr. pre Pt 100 (pri 0 C) 10 ma 7

8 8 Meranie teploty - dotykové Odporové polovodičové snímače: zmena elektrického odporu od teploty Negastory (NTC): používajú najčastejšie z termistorov termistory so záporným teplotným koeficientom odporu R R r (Ω) odpor pri referenčnej teplote T r (K) referenčná teplota B 1 Rr e B (K) teplotná konštanta závislá od materiálu 1 T 1 T 1 r

9 Meranie teploty - dotykové Odporové polovodičové snímače: zmena elektrického odporu od teploty Pozistory (PTC): termistory s kladným teplotným koeficientom odporu používajú ako snímače s binárnym výstupom signalizácia prekročenia maximálnej dovolenej teploty 9

10 Meranie teploty - dotykové Odporové polovodičové snímače: zmena elektrického odporu od teploty Monokryštalické senzory: termistory s kladným teplotným koeficientom odporu charakteristika má tvar paraboly Si (kremíkové) senzory pre teploty -50 C až 150 C 10

11 Meranie teploty - dotykové Termoelektrické články (termočlánky): využívajú Seebeckov jav pozostávajú z dvoch vodičov (kov alebo polovodič) na jednom konci sú spolu pevne spojené zváraním alebo spájkovaním druhý koniec je rozpojený 11

12 Meranie teploty - dotykové Termoelektrické články (termočlánky): využívajú Seebeckov jav 12

13 Meranie teploty - dotykové Termoelektrické články (termočlánky): využívajú Seebeckov jav ak majú konce termočlánku rozdielnu teplotu, vzniká na rozpojenom konci elektrické napätie, tzv. Seebeckovo napätie 13

14 Meranie teploty - dotykové Dilatačné snímače: rozťažnosť látok zmena dĺžky alebo objemu vyjadruje informáciu o teplote výstupný signál je logický alebo binárny 14

15 Meranie teploty - dotykové Dilatačné snímače: rozťažnosť látok zmena dĺžky alebo objemu vyjadruje informáciu o teplote výstupný signál je logický alebo binárny najčastejšie bimetaly (dvojkovy) 15

16 Meranie teploty - bezdotykové Vyhodnocuje sa tepelné infračervené žiarenie Vlnové dĺžky od 0,8 μm do 30 μm reprezentujú teploty od -40 C do C Žiarenie má rovnaké vlastnosti ako svetlo: šíri sa priamočiaro odráža sa láme sa polarizuje sa interferuje 16

17 Meranie teploty - bezdotykové Výhody: zanedbateľný vplyv meracieho prvku na meraný objekt možnosť merania teploty pohybujúceho sa (rotujúceho) telesa možnosť merania rýchlych zmien teploty plošné snímanie teploty objektu (termovízia) 17

18 Meranie teploty - bezdotykové Nevýhody: nižšia presnosť merania nejednoznačná priechodnosť infračerveného žiarenia prostredím odrazy infračerveného žiarenia od okolitého prostredia 18

19 Meranie teploty - bezdotykové Snímače infračerveného žiarenia: Fotoelektrické snímače cez fotoelektrický jav fotorezistory fotodiody 19

20 Meranie teploty - bezdotykové Snímače infračerveného žiarenia: 20 Fotoelektrické snímače cez fotoelektrický jav fotorezistory fotodiody Teplotné snímače absorpciou žiarenia menia svoje vlastnosti: bolometre zmena odporu termoelektrické snímače generujú DC napätie pyroelektrické snímače zmena polarizácie zmena elektrického náboja pyrometre veľkosť napätia alebo zmena obrazu (termovízia)

21 Meranie prietoku u kvapalín a plynov určuje sa objemové množstvo Q V alebo hmotnostné množstvo Q M pretekajúce zvoleným prierezom za jednotu času integračné meranie dv 3 1 dm 1 Q v S m s Q ρ v S kg s V dt M dt 21 v strená rýchlosť pretekajúcej tekutiny ρ hustota pretekajúcej kvapaliny

22 Meranie prietoku Prúdenie tekutiny sa mení podľa: rýchlosti prúdenia hustoty tekutiny viskozity tekutiny charakteristického prierezu 22

23 Meranie prietoku 23 Prúdenie tekutiny sa mení podľa: rýchlosti prúdenia hustoty tekutiny viskozity tekutiny charakteristického prierezu Prúdenie môže byť: turbulentné (Re < 2000) typické pre technické zariadenia laminárne (Re > 3000) D v Reynoldsovo číslo - pre kruhové potrubie: Re - vis pomer medzi zotrvačnými a trecími silami v tekutine D priemer, v rýchlosť, vis kinematická viskozita pretekajúcej tekutiny

24 Meranie prietoku Treba uvažovať stavové veličiny tekutiny v mieste merania: Kvapaliny teplota Plyny teplota a tlak Trend je merať priamo hmotnostný prietok pretekajúcej kvapaliny eliminácia vplyvu: tlaku teploty viskozity 24

25 Meranie prietoku 25 Metódy merania prietoku (podľa fyzikálneho princípu): Objemové, dávkovacie Spojité kyvné, bubnové, piestové Rýchlostné lopatkové, turbínkové indukčné ultrazvukové vírové prierezové plavákové Hmotnostné Coriolisove tepelné

26 Meranie prietoku Prierezové prietokomery často používané v energetike Využívajú rôzne škrtiace zariadenia vytvorenie nemenného zoškrteného prietokového prierezu dochádza k zmene rýchlosti pretekajúcej tekutiny vznikne rozdiel potenciálnej tlakovej energie pred a za škrtiacim zariadením to sa využíva pre merania existujú normalizované škrtiace zariadenia 26

27 Meranie prietoku Normalizované škrtiace zariadenia clona dýza Venturiho dýza 27

28 Meranie prietoku Prierezové prietokomery 28 Prietok tekutiny zoškrteným prierezom

29 Meranie prietoku Prierezové prietokomery Prietoková rovnica reálnej tekutiny: Q V α ε S 0 2 ρ Δp Q V objemový prietok v potrubí α prietokový koeficient vztiahnutý na zoškrtený prierez ε koeficient expanzie (plyn ε < 1, kvapaliny ε = 1) S 0 prietočná plocha zúženého prierezu, prierez 0 ρ hustota pretekajúcej tekutiny pri prevádzkových podmienkach Δp tlakový spád na škrtiacom zariadení 29

30 Meranie prietoku 30 Merací systém prietoku

31 Meranie prietoku Prierezové prietokomery Prietoková rovnica pre suché plyny: Q V 0 k p T Δp p tlak T - teplota Prietoková rovnica pre prehriatu paru: Q V α ε S 0 2 v0 2 1 v Δp v hmotnostný objem pary 31

32 Meranie prietoku Tok sypkých látok sleduje pri spojitej doprave materiálu napr. uhlie meria sa hmotnostný prietok 32

33 Meranie prietoku Tok sypkých látok sleduje pri spojitej doprave materiálu napr. uhlie meria sa hmotnostný prietok na dĺžke L (určuje výrobca meracieho systému) dopravnej trasy sa zabezpečí konštantná rýchlosť pohybu materiálu v vážením sa na dĺžke L zistí zaťaženie materiálom M 0 pre hmotnostný prietok Q M za čas platí: 33 v QM M 0 L

34 Meranie prietoku Tok sypkých látok sleduje pri spojitej doprave materiálu napr. uhlie meria sa hmotnostný prietok 34 Pásový merací systém

35 Meranie prietoku Tok sypkých látok sleduje pri spojitej doprave materiálu napr. uhlie meria sa hmotnostný prietok množstvo materiálu, ktoré prejde cez merací systém sa dá určiť ako: M t v 2 Q L t 1 ' M dt 35 kde Q M je hmotnostný prietok cez merací systém za elementárny časový interval (kg/min, kg/hod,...)

36 Meranie množstva tepla teplo v technickej praxi = množstvo tepla dodané alebo odobrané cez výmenník tepla prostredníctvom teplonosného média v teplotechnických zariadeniach 36

37 Meranie množstva tepla teplo v technickej praxi = množstvo tepla dodané alebo odobrané cez výmenník tepla prostredníctvom teplonosného média v teplotechnických zariadeniach jednotka teplotného množstva Joule [J] množstvo tepla, ktorým sa jednotka hmoty (1 kg) danej látky ohreje o 1 C udáva špecifická tepelná kapacita c (merné teplo) [J kg -1 K -1 ] 37

38 Meranie množstva tepla pre praktické výpočty sa používa priemerná špecifická tepelná kapacita v určitom rozsahu teplôt θ 1 a θ 2 : c = ΔQ/(m (θ 1 θ 2 )) ΔQ množstvo tepla dodané látke m hmotnosť látky 38

39 Meranie množstva tepla pre praktické výpočty sa používa priemerná špecifická tepelná kapacita v určitom rozsahu teplôt θ 1 a θ 2 : c = ΔQ/(m (θ 1 θ 2 )) 39 ΔQ množstvo tepla dodané látke m hmotnosť látky ako teplonosné médium sa používa voda vzduch para nemrznúca kvapalina

40 Meranie množstva tepla Tepelný výkon pri prenose tepla je definovaný ako: P Q = Q M c (θ 1 θ 2 ) = ρ c Q V (θ 1 θ 2 ) Q M hmotnostný prietok teplonosnej tekutiny c špecifická tepelná kapacita (merné teplo) θ 1 a θ 2 teploty v miestach merania, pred a za spotrebičom ρ špecifická hustota teplonosnej tekutiny Q V objemový prietok teplonosnej tekutiny 40

41 Meranie množstva tepla 41 Tepelný výkon pri prenose tepla je definovaný ako: P Q = Q M c (θ 1 θ 2 ) = ρ c Q V (θ 1 θ 2 ) Q M hmotnostný prietok teplonosnej tekutiny c špecifická tepelná kapacita (merné teplo) θ 1 a θ 2 teploty v miestach merania, pred a za spotrebičom ρ špecifická hustota teplonosnej tekutiny Q V objemový prietok teplonosnej tekutiny a množstvo tepla: Q t 0 P Q dt n i 1 ΔQ i n P Δt i 1 Qi i

42 Meranie množstva tepla Merače tepla sa delia podľa: druhu snímačov teploty princípu merania prietoku spôsobu výpočtu tepelného výkonu: mechanické elektrické 42 elektronické (inteligentné)

43 Snímanie polohy 43 Snímače polohy sú: Spojité Odporové Indukčné Kapacitné Nespojité Odporové Oscilátorové Magnetické Optoelektronické

44 Snímanie polohy Nespojité odporové snímače menia zmenu polohy alebo posunutia na skokovú zmenu svojho odporu prepínaním kontaktu 44 R 2 daný izoláciou kontaktu R 1 daný prechodovým odporom kontaktu

45 Snímanie polohy Nespojité odporové snímače indikujú dosiahnutie dopredu určenej polohy logický/binárny výstup referenčná poloha nulová poloha koncová poloha 45

46 Snímanie polohy 46 Nespojité odporové snímače indikujú dosiahnutie dopredu určenej polohy logický/binárny výstup referenčná poloha nulová poloha koncová poloha kontakt je ovládaný priamo mechanickým posunutím prvku nepriamo cez prevod sledovanej veličiny na posunutie

47 Snímanie polohy Nespojité odporové snímače parametre odporových snímačov: prechodový odpor najdôležitejší rušivé napätie vzniká zmenami prechodového odporu vplyvom nestálosti prítlačnej sily medzný prúd spôsobuje elektrické opotrebenie kontaktov 47

48 Meranie výšky hladiny je špecifickým meraním polohy rozlišujeme meranie: kontinuálne (spojité) meranie pre ochranou proti pretečeniu (preplneniu) nádob pre vyhodnocovanie medzných stavov (limitné meranie) 48

49 Meranie výšky hladiny Kontinuálne (spojité) meranie sledovaná výška hladiny sa vyhodnocuje analógovým meracím členom výstupný signál proporcionálne zodpovedá výške hladiny 49

50 Meranie výšky hladiny Kontinuálne (spojité) meranie sledovaná výška hladiny sa vyhodnocuje analógovým meracím členom výstupný signál proporcionálne zodpovedá výške hladiny Ochrana proti pretečeniu 50 zvyšuje bezpečnosť obsluhy a zariadení

51 Meranie výšky hladiny Vyhodnocovanie medzných stavov sledovanie charakteristických stavov minimum maximum výstup z meracieho člena je logického typu 51

52 Meranie výšky hladiny 52 Princípy merania výšky hladiny pomocou plavákov merače s ponorným telesom vyhodnocovanie hydrostatického účinku stĺpca kvapaliny kapacitnými snímačmi bezdotykové snímače ultrazvukové mikrovlnové

53 Použitá literatúra Šturcel, J.: Snímače a prevodníky, Vydavateľstvo STU v Bratislave, 262 strán, 2002, ISBN