Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky

Prvky riadiacich systémovSnímače a prevodníky

PRS04/21/23 1

Snímače a meracie členy tlaku, sily a momentu

princípy a vlastnostiprincípy a vlastnosti

XXskriptá SaPskriptá SaP


PRS04/21/23 2

1. Snímače a meracie členy 1. Snímače a meracie členy (prevodníky, vysielače) tlaku(prevodníky, vysielače) tlaku

TLAK - jedna zo základných fyzikálnych veličín

v technike

Def. - podiel elementárnej sily dF pôsobiacej v smere normály na elementárnu kolmu plochu dSN, tj.

p = dF/dSN (Pa)

pevné látky - špecifický tlak p = F/SN

kvapaliny - hydrostatický tlak p = ·g·h (Pa)



prúdiace tekutiny - tlak kinematický pk alebo dynamický pd pk = pd = 1/2 · v2 (Pa)

V sústave SI je základnou jednotkou tlaku pascal (Pa), (francúzsky fyzik, matematik a filozof Blaise Pascal, 1623 až 1662)

technická prax (kPa, MPa), podľa harmonizácie noriem

(EU) aj bar

1 bar = 1·105 Pa

PRS04/21/23 3

21211 smkgmNPa

(skriptá SaP, prevodová tab.)



PRS04/21/23 4

Tlak sa udáva voči dvom vzťažným hodnotám, absolútna tlaková nula alebo atmosférický (barometrický) tlak

(fyzikálna hodnota normálneho barometrického tlaku prepočítaná na 0 °C a na hladinu mora je 101 325 Pa).

M ER AN Ý TLAK>AKO 100kPa

PR ETLAK

BAR O M ETR IC KÝ TLAK

PO D TLAK

M ER AN Ý TLAK<AKO 100kPa

ABSO LÚ TN A N U LA

ABSO LÚ TN YTLAK

~100kPa

0 Pa

V praxi sa meria sa hlavne statický pretlakXXskriptá SaPskriptá SaP

tuhá membrána mäkká membrána vlnovec( 1až 3 mm, do MPa, Tp 0,1) ( 1až 5 cm, do 3,5 MPa, Tp 2, lin.) (oceľ, posun mm, do 500 kPa, Tp 0,5)

PRS04/21/23 5

Základné tvary deformačných prvkov

Bourdonova rúrka kov. zliat., 100 kPa až MPa, Tp 2,5

Priame meranie - špeciálne: dynamický tlak, piezoelektrický prvok

Nepriame meranieNepriame meranie - cez deformačný prvok

Klasické MČ Buor.r., membrána, vlnovec

Senzory tlaku votknutá tuhá membrána,

1až 3 mm XXskriptá SaPskriptá SaP


PRS04/21/23 6

Piezorezistívne snímače tlaku

● piezorezistencia v polovodiči a difúznej vrstve polovodiča, tj. zmena vodivosti vplyvom mechanického namáhania rezistivita, zmeny geometrických rozmerov a zmena kryštalografickej orientácie

vlastného tenzometra, polovodičové tenzometre, (až 80% MČ tlaku)

● deformačný člen - tuhá membrána z polovodiča (Si), difundované tenzometre, mostíkové zapojenie na membráne

● miniatúrne (až subminiatúrne) snímače tlaku

● lepšie mechanické vlastnosti membrány (linearita, hysteréza, dopružovanie a pod.)

● väčší počet piezorezistívnych prvkov - väčšia citlivosť, diferenciálne zapojenie – výhody!!!

● väčší frekvenčný rozsah snímača

Piezorezistívne snímače tlaku Odporová tenzometria (skriptá)

materiál: kovové, polovodičové

l l

D

D-

D

Princíp

Platí:

S

lR dS

S

Rdl

l

Rd

RdR

21 KKK21R

R

K- koeficient deformačnej citlivosti

l

l2

S

S

21R

R

je Poissonovo číslo (od 0 do 0,5)

je piezorezistívny koeficient

/ ., XXskriptá SaPskriptá SaP

Ovplyvňujúce (poruchové) veličiny

Teplota - rozťažnosť tenzometra a podložky, zmena elektrického odporu, (nelinearita - polovodičové)

samokonpenzujúce tenzometre

K

Rsm

Typy


Konštrukcia a el. zapojenie

P

h

1

0

-1

0

t

0

r

0

r

R

substrát N

d

R 4R 2

R 3

R 1

U AU B

ŤAH

TLAK +R

+R

-R

-R

Kremíkový snímač tlakukonštrukciausporiadaniediferenciálne zapojenie -2x(linear., kompen., citlivosť)

BA UR

R

R

R

R

R

R

R

RR

RRU

14

4

3

3

2

2

1

1

21

21XXskriptá SaPskriptá SaP


PRS04/21/23 10

Kapacitné snímače tlaku

• Princíp - zmena kapacity snímača tlaku, meracieho kondenzátora

• Deformácia polovodičových (kremík), izolačných a kovových votknutých membrán a tenkovrstvových nosníkov

• Väčšina snímačov je riešená ako diferenciálna – výhody !!!

• Súčasnosť – IO vyhotovenie (senzory tlaku), techn. IO, miniaturizácia

vysoká citlivosť

malé rozmery

nižšia cena

vyhotovenie s vyhodnocovacími obvodmi

nižšia presnosť a opakovateľnosť


Kapacitné snímače tlakuFunkcia

Deformačný člen (votknutá polovodičová, kovová membrána alebo nosník) spojený aspoň s jednou elektródou snímacieho kondenzátora

Konštrukcia a el. zapojenie

p1 p2

C 1 C 2

K

M O M

Diferenciálny kapacitný snímač tlaku


PRS04/21/23 12

Diferenciálne zapojenie kapacitného snímača posunutia

)x(d

SC

Kapacitný snímač tlakudiferenciálne zapojenie -linear., kompen., 2x citlivosť XXskriptá SaPskriptá SaP


PRS04/21/23 13

Snímače a meracie členy sily

Meranie síl sa vyžaduje pri:

• zrýchľovaní hmôt

• meraní tiaže, resp. hmotnosti

• pri pôsobení zaťaženia a pri deformáciách materiálov

Newtonov zákon: 2;; smkgNamF

gmG Tiažová sila:

Jednotka sily je newton (N) 1N= 1 kg.m.s-2



PRS04/21/23 14

Nepriame meranie síl

• Transformácia meranej sily na elektrický výstupný signál pomocou pružného (deformačného) prvku, ako pri tlaku

• Pružné členy: tlakové (ťahové) deformačné prvky ohybové deformačné prvky šmykové deformačné prvky (skriptá)

Snímač tlakovej sily s kompenzačnými tenzometrickými snímačmi alebo snímačmi ťahu (R1, R3)

a „pracovnými“ snímačmi tlaku (R2, R4)

Membránový snímač tlaku s prevodom na deformáciu stĺpika s meracími tenzometrami



PRS04/21/23 15

Pre menšie sily: - odľahčený tvar pružného prvku - s tenzometrami na najviac deformovaných miestach

• vytvára zvýšené mechanické napätie na ohyb (ťah, tlak)• lepšie deformačné pomery • tenzometre umiestnené vo vnútri telesa sú chránené voči vonkajšiemu

poškodeniu



PRS04/21/23 16

Snímače a meracie členy momentu sily• Krútiaci moment sily je príčinou uhlového zrýchlenia

(spomalenia) telies, resp. ich deformácie • Ohybový moment – napr. deformácia votknutého nosníka

.JM

rFM .

Jednotka momentu sily je newtonmeter [N.m]

- uhlové zrýchlenie telesaJ – momentom zotrvačnosti

F – sila

r – rameno sily



PRS04/21/23 17

• Meranie momentu (krútiaceho) – slúži na určovanie okamžitého výkonu

strojov a meranie ich účinnosti (P = k.MK.n)

• Použitie – v automatizačnej technike – kinematické systémy určovanie vlastností akčných členov robotické systémy – nepriame sledovanie silových pomerov

vo výstupnej hlavici

• Snímače podľa typu výstupného signálu: mechanické snímače elektrické snímače - vysoká presnosť merania

- dynamické snímanie momentu- najčastejšie použitie

optické snímače – perspektívne riešenia



PRS04/21/23 18

Príklad snímania ohybového momentu od sily F

• Typy snímačov: • Odporové snímače - najpoužívanejšie • Fotoelektrické a kapacitné• Indukčné - poloha• Magnetické

Meranie krútiaceho momentu na otáčajúcom sa hriadeli – tenzometrický mostík



PRS04/21/23 19

Príklad optoelektronického snímača krútiaceho momentu



PRS04/21/23 20


PRS04/21/23 21

Documents

Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky