senzor pritiska

JUMS Elektrotehnička škola Tuzla

15 05

Automatika III____________________________________________Mjerni pretvarači pritiska

Pretvornici pritiska plinova i tekućinaMjerenje pritiska plinova i tekućina ima veliki značaj u mjerenjima neelektričnih veličina.Prvo poznato mjerenje pritiska izveo je Toricelli(1643 god.)utvrdivši svojim eksperimentom da zračni omotač pritiska zemlju pritiskom odgovarajućim 760 mm živinog stupca.Od tada se je tehnika mjerenja toliko usavršila da je savremenim pretvornicima moguće mjeriti pritiske reda veličina 10 -9 do 105 kPa.Izvedbe pretvornika pritiska mogu se po izgledu razlikovati iako u stvari uvijek djeluju na istom principu.Svaka izvedba pretvornika pritiska ima specifične karakteristike,koje su slične kod svih vrsta pretvornika za ista mjerna područja.

Osnovni pojmovi i jedinice za mjerenje pritiska

Po definiciji pritisak je omjer sile F i površine S na koju sila okomito djeluje ,odnosno

p= FS

(Pa)

Pritisak se mjeri u njutnima po metru kvdratnom ili kilogramima po metru i sekundi na kvadrat.Budući da pritisak 1 N/m2 vrlo malen u praksi se koristi 100.000 puta veća jedinica „bar“.Taj je pritisak za 2% veći od dosadašnje najčešće upotrebljavane jedinice tehničke atmosfere.Tehnička atmosfera definirana je kao pritisak at=98066,5 Pa.Budući da novi SI-sistem definira kilogram isključivo kao jedinicu za masu,za pritisak je dogovorena jedinica Pascal ( 1 Pa=1N/m2).

Osim ovih jedinica ponekad su u upotrbi i:

-normalna (fizikalna)atmosfera atm=101325 Pa

-milimetar stupca žive(tor) mmHg=133,322 Pa

-milimetar stupca vode(mmH2O) mmVS=9,80665 Pa

Kod tekučina i plinova razlikujemo nekoliko vrsta pritiska.Pritisak okoline nazivamo atmosferskim pritiskom i označava ga sa znakom(p0).Pritisak viši od atmosferskog

2


nazivamo nadpritiskom(pn),a pritisak niži od atmosferskog nazivamo podpritiskom.Stvarni pritisak naziva se apsolutni,odnosno

p=p0±pn

to je zbir atmosferskog pritiska i nadpritiska ili podpritiska.Grafički prikazano to izgleda kao na slici 1.

Prema ranijem izrazu,mjerni pritisak je uvijek ovisan o atmosferskom pritisku,pa se njegovo mjerenje uvijek svodi na mjerenje razlike pritiska ukupnog i atmosferskog.

Atmosferski se pritisak ne može uvijek eliminirati iako se to kod mnogih pretvornika čini spretnom konstrukcijom.Radi toga je potrebno izvesti korekcije pri mjerenjima ovisno o geografskom položaju mjesta mjerenja i ostalim uvjetima po kojima se mjerenje izvodi.

Slika 1. Osnovni dijagram ipodručje pritiska

Izvedbe pretvornika pritiska

Budući da se mjerenje pritiska svodi na uspoređivanje dviju sila i mjerenje njihove razlike , to su i svi pretvornici pritiska izvedeni na tom principu.Sile koje izazivaju pritisak mogu se svrstati u dvije osnovne vrste:

a)Sile koje nastaju uslijed gravitacije na bazi kijih se grade tekućinski pretvornici pritiska i,

b)Sile koje nastaju uslijed elastične deformacije na bazi kojih se grade deformacijski pretvornici pritiska .

3


a)Tekućinski pretvornici pritiska

Tekućinski pretvornici pritiska su pretvornici punjeni živom,vodom,alkoholom,uljima,glicerinom itd.Specifično teže tekućine, osim žive , su tetraklorugljik i acetilentetrabromid.

Tekućine za manometre moraju imati mali temperaturni koeficijent širenja, kako bi greška mjerenja uslijed promjena temperature bila što manja.

1.Toricellijev barometar

To je najstariji pretvornik atmosferskog pritiska sa živom(slika 2.)Ovaj špretvornik u osnovnoj izvedbi djeluje na taj način, da pri atmosferdskom pritisku koji djeluje na površinu žive(1)nastaje ravnoteža sa pritiskom što ga izvodi težina stupca žive(h) u presjeku cijevi(2)

Slika 2. Načelo izvedbe i djelovanja Toričelijevog pritiskomjera

Iznad žive u cijevi je prazan prostor, takozvani Toricellijev vakuum (3), nastao nakon punjenja cijevi sa živom (4).

2. Pretvornici pritiska s U-cijevima

Kod ovih pretvornika u staklenoj cijevi oblikaslova U (slika 3.) nalazi se tekućina (živa,alkohol,voda itd).Na jedan kraj cijevi priključen je referentni(atmosferski)

4


pritisak p0, a na drugi mjereni pritisak p1.Ako je p1 veći od p0, kako je pokazano na

slici 3.,pokazat će se razinska razlika h, koja je h=p1 ∙ p0y

[m ]

Slika 3.Načelo izvedbe i djelovanja pretvornika pritiska sa U-cijevi

U stvari razlika tlakova ovdje drži ravnotežu stupca žive , odnosno:

p1 ∙ S−p0 ∙ S=G , [Pa ]

Ili p1∙ p0=GS

=V ∙ yS

=S ∙h ∙ yS

=h ∙ y [Pa ]

gdje su V=volumen istisnute tekućine, S=presjek cijevi i y=specifična težina tekućine.To je osnovna jednačina svih tekućinskih pretvornika pritiska.Pri mjerenju s ovim pretvornicim,moraju se uvijek uzeti u obzir pojave kapilarnosti tekućina,koje kod tankih cijevi i malih razlika pritiska mogu izazvati znatne pogreške.Isto je i sa toplinskom rastežljivošću tekućina.Pretvornici s U-cijevima se mogu koristiti pored mjerenja pritiska i za mjerenje protoka.

3.Pretvornici pritiska sa čašicom

U čašicu unutarnje površine i presjeka A, uložena je kapilara presjeka S, otvorena na oba kraja.Na otvor čašice djeluje pritisak p1,a na slobodni otvor kapilare pritisak p2

(slika 4.)

5


Slika 4. Načelo izvedbe i djelovanja pretvornika pritiska sa čašicom

Razlika pritisaka uzrok je razlici razine tekućine(h) u kapilari i čašici,odnosno

p1−p2=h

Za pogrešku do 1% potreban je odnos A/S=100.Budući da su pretvornici sa čašicom vrlo tačni, često se koriste kao barometri.Pretvornici sa čašicom mogu se koristiti za mjerenje pritiska i protoka.

4. Pretvornici pritiska s kosom U-cijevi

Kod pretvornika s kosom U-cijevi osjetljivost mjerenja pritiska je povećana na taj način, da je cijev postavljena pod određenim uglom prema horizontali.Što je ovaj ugao(α)manji , time je osjetljivost mjerača veća,odnosno to se bolje mogu mjeriti mali pritisci ili njihova razlika.Ovdje se vertikalni podizaj razine za vrijednost h pretvara u kosi pomk 1 , koji je to veći što je veće spomenuto nagnuće cijevi (slika 5.).S ovakvim se pretvornicima mogu mjeriti mali pritisci.Mjerenje se ovdje može izraziti jednačinom:

y ∙h=p2=1 ∙ y ∙ sinα+ p1=p ∙ g ∙h

6


Slika 5. Načelo izvedbe i djelovanja pretvornika pritiska s kosom U-cijevi

gdje je y=specifična težina tekućine i g=graviteciona sila

5. Mikromanometarski pretvornici pritiska

Mikromanometri se primjenjuju za mjerenje najmanjih razlika tlakova.Sastoje se obično od dvije spojene posude , od kojih se jedna može pomicati pomoču mikrometarskog vijka 1 (slika 6.)

Slika 6. Načelo izvedbe mikromanometra:ugađanje a) i određivanje mjerenog pritiska b)

Kod mjerenja mikromanometrom prvo se u posude priključi referentni pritisak p0 i kod toga se postigne izjednačenje razine u obje posude (slika 6a.).Potom se u jednu posudu priključi pritisak p1 pa se pomoču vijka opet postigne izjednačenje razina.Pomak se očitava na vijku (2) i mjera je razlika pritiska , koja je izražena odnosom (slika 6b.):

p1−p0=∆h ∙ y=∆ h∙ ρ ∙g [Pa ]

7


gdje su y,p i g ranije definirane veličine(y=specifična težina,ρ=gustoća tekućine i g= gravitaciona sila).

6. Pretvornici pritiska s prstenastom vagom

Prstenasta vaga je izrađena od prstena okruglog ili pravouglog presjeka postavljenog tačno u vertikalnu ravninu.Vaga se može zakretati oko središta s finim ležajem(slika 7.).Prsten je pri vrhu pregrađen nepropusnom pregradom, u blizini koje s lijeve i desne strane ulaze dovodi pritiska p1 i p2.

Slika 7. Načelo izvedbe i djelovanja pretvornika pritiska sa prstenastom vagom

Donji dio prstena ispunjen je do polovine tekućinom(živa,voda,alkohol itd).Tačno okomito ispod pregrade na udaljenosti a od središta , na prsten je ugrađen uteg težine G.

Kod različitih pritisaka p1 i p2 zakret prstena nastaje kao rezultat tri momenta sila:momenta pritisaka p1 i p2 i momenta utega G.Ravnoteža momenta se postiže u onom pložaju u kojem je postignut odnos:

M 1−M 2=G ∙a∙ sinα [Nm ]

Ugao zakreta (α) prema ovoj formuli se mijenja nelinearno, ovisno o razlici pritisaka.To znači da je skala prstenaste vage nelinearna ako je uteg G postavljen nepomično:Zbog toga se utezi postavljaju preko krivuljara i kulisnih mehanizama koji skalu lineariziraju.

Iz formule se vidi da na otklon vage utječe i vrsta tekućine kojom je prsten punjen.Tačnije rečeno , samo max. Otklon vage je ovisan o promjeru prstena kreću se od 100 mmH2O do 40 ili više bara.Prstenaste vage se koriste za mjerenje pritiska i protoka.

b) Deformacijski pretvornici pritiska

8


Kako je već spomenuto, sile koje nastaju na temelju elastične deformacije svinutih cijevi, membrana i mijehova mogu se koristiti za mjerenje pritiska.Pri tome je bitno da mjereni pritisci ne prekorače područje največe moguće elastične deformacije pretvornika.

1. Pretvornici pritiska sa burdonovim cijevima

Pretvornik pritiska s Burdonovim cijevima sastoji se od kružno savijene metalne cijevi jednolikog presjeka i zavarene na jednom kraju.Drugi kraj cijevi je otvoren i na njega se dovodi mjerni pritisak(slika 8a.)

Na vanjske stijenke cijevi djeluju vanjski (atmosferski) pritisak p0,a na unutrašnje stijenke mjerni pritisak p1.Kad unutrašnji mjerni pritisak u cijevi raste,ukupne sile na vanjski i unutrašnji obod cijevi(na plohe av,au)postaju različite. Ukupna sila na vanjski obod je viša , pa se cijev ispravlja, tako da nastaje kutni pomak vrha cijevi:

∆ l=∆φ=K (p1−p2 )=K ∙∆ p [° ]

Koji je veći što je veći mjereni pritisak p1.

Slika 8. Način izvedbe i djelovanje pretvornika pritiska s burdonovom cijevi

Ako je unutrašnji (mjereni) pritisak manji od vanjskog, cijev se po istom zakonu savija prema unutra.Tačna ovisnost promjene ugla kod djelovanja razlike pritisaka data je izrazom

∆ φ=π ∙r02 ∙l0 ∙ a ∙ bE ∙l [1−( ba )

2] ( p1−p2 ) [° ]

gdje su:

9


r0=srednji polumjer savijenog luka cijevi(m)

l0=dužina luka cijevi(m)

a,b=dimenzije presjeka cijevi(m)

l=moment tromosti poprečnog presjeka cijevi(m4),i

E=modul elastičnosti cijevi(n/m2)

Vidi se da je osjetljivost cijevi veća kod većeg radijusa i dužine luka i manje visine presjeka a.Ponekad se zbog toga cijevi savijaju u više zavoja ili spirala.Materijali za cijevi su legure bakra i čelika.Skala je ovakvih pretvornika linearna.Raspon mjerenih pritisaka kod ovih pretvornika je vrlo širok(od 0,1 do 104 kPa)

2.Pretvornici pritiska s membranom

Ovi pretvornici obično imaju kružnu elastičnu membranu,koja po svom obodu zatvara prostor u kojem djeluje mjereni pritisak.Otklon sjedišta membrane pretvornika je proporcionalan mjerenom pritisku.Taj se pomak najčešće prenosi pomoču poluge na kazaljku pokaznog sloga (slika 9.)

Središte membrane se pomiče pod djelovanjem pritiska za pomak:

Slika 9. Načelo izvedbe i djelovanja pretvornika pritiska sa elastičnom membranom

∆ l=K ( p1−p0 )=K ∙∆ p [m ]

Kod ovakvog pretvornika , kao i kod pretvornika sa Burdonovom cijevi,konstanta K sadrži faktore ovisne o mehaničkim osobinama membrane: elastičnosti , geometrijskih dimenzija i načinu izrade membrane.

10


Mjereni pritisci ovise o izvedbi pretvornika i iznose 0,2-30 kPa.Pogodnim prijenosom i izvedbom membrane može se postići da skale ovakvih pretvornika budu linearne.

3. Pretvornici pritiska s mijehom

Kod ovih pretvornika upotrebljava se metalni mijeh ili mijeh iz drugačijeg elastičnog materijala(slika 10a i b.)Mijeh se izduži ili skrati, ako na njegovu površinu,vanjsku ili unutračnju,djeluju pritisci različitih vrijednosti.Kod praktičnih izvedbi se jedna ploha mijeha, koja nije naborana, učvrsti nepomično,a na drugu se postavi prijenosni mehanizam s kazaljkom.

Slika 10.Načela izvedbe i djelovanja pretvornika pritiska sa mjehom (a) i elastičnom komorom (b)

Pomak pokretne plohe mijeha s polugom i kazaljkom ovisan o izvedbi i osobinama materijala od kojeg je mijeh izrađen.Taj pomak dat je izrazom

∆ l=K ( p1−p0 )=K ∙∆ p [m ]

Pretvornici pritiska s mijehovima najčešće se koriste kod mjerenja tpritiska plinova i u regulacijskoj tehnici.Područje mjerenja pritisaka ovakvih pretvornika je od 0,5 do 5 kPa.

c)Mehaničko-električki pretvornici pritiska

Opisane izvedbe pretvornika pritiska najvećim su dijelom mehaničke i pretvaraju pritisak u pomak polužnog sistema i kazaljke mjernog instrumenta.

1.Otpornički i induktivni pretvornici pritiska

11


Polužni sistem ovih pretvornika mogu se spojiti I na ulazne dijelove električnih mjernih pretvornika.Primjeri izvedbi I spojeva takvih pretvornika pokazani su na sljedećim slikama.

Slika 11. Pokazuje pretvornik pritiska s U-cijevima , gdje se pretvorba izvodi pomoću stupca žive.Pomak stupca uzrokovan mjerenim pritiskom pretvara se u promjenu otpora , u živu uronjene,otporne niti R.Spoj je mosni, pa je osjetljivost mjernog sloga velika.

Postoje slične izvedbe I s prstenastim vagama punjenim živom I s ugrađenim otporničkim pretvornicima.

Slika 11. Načelo izvedbe mjernog sloga sa U-cijevnim pretvornikom pritiska

2. Pretvornici pritiska s elektromagnetnim vagama

Izvedbe mjernih pretvornika pritiska na principu elektromagnetskih vaga vrlo se mnogo koriste u savremenoj tehnici mjerenja neelektričnih veličina.Jedna od izvedbi takvih pretvornika pokazana je na slici 12.

12


Slika 12. Načelo izvedbe I djelovanja pretvornika pritiska I mjernog sloga s elektromagnetskom vagom

Mjereni pritisak pretvara se prvo u pomak mjernog pretvornika (1).Ovaj se pomak prenosi na polužni system s ugrađenim pomičnim dijelom pretvornika u električnu veličinu.Promjena pritiska izaziva promjenu zračnog raspora induktivnog pretvornika i struje kroz svitak(2).Promjena struje je promjenljivi ulazni signal pojačala(3),koje je najčešće magnetsko.Pojačani izlazni standardni signal (izlazna struja) teče kroz serijski spojene pokazne I registracijske instrumente(6) I pomični svitak sistema s permanentnim magneto(4).izlazna struja postavlja svitak u takav položaj da se ulazna sila(Pp) pritiska p1i sila (Pe) pomičnog svitka (5)uravnoteže.U tom slučaju izlazna struja I, je analogna vrijednost ulaznog pritiska p1.Ovi sistemi su zamišljeni tako (na primjer system TELEPERM,firme SIEMENS),da je s njima moguće zadovoljiti sve potrebe mjerenja u industriji.Tako je moguće ostvariti I sve slogove mjernih pretvornika, pokaznih I registarcijskih uređaja,regulatora I pretvornika za računsku obradu podataka.

Tehničke osobine pojedinih MP pritiska

Pretvarač tlaka P-03

13


0,3 do 700 bar. Velika pouzdanost. Robusnost. Jednostavna

upotreba. Točnost 0,25% i

0.5%. LCD pokazivanje. Pretvarači tlaka za

bunare

Pretvarač tlaka mjerenje relativnog tlaka od -0.3 do 700 bara i apsolutnog tlaka od 0 do 25 bara, temperaturno područje primjene je od -40 do 80 ºC (specijalno do 250 ºC).

Područje primjene su sve grane industrije, npr. prehrambenoj i kemijskoj industriji, kotlogradnji, strojogradnji, u tehnici grijanja i hlađenja, klimatizaciji, te razne druge primjene.

u kompaktno kučište od nehrđajućeg čelika. S jene strane nalazi sepriključak G1/2" za procesni medij a s druge strane priključak za signal. Pretvara? je napajan

14

Tehničke osobine

Naziv uređeja Pretvarač tlakaPretvarač tlaka za visoke tmperature

Pretvarač tlaka s pokazivanjem

Pretvarač tlaka za bunare

Tip P-03 P-03VT P-03-P P-03B

Izlaz

Dvožično 4-20 mATrožično 0-20 mA, 0-10 V




Klasa 0.5% + 0.02/K 0.5% + 0.02/K 0.5% + 0.02/K 0.5% + 0.02/K

Linearnost 0.25% 0.25% 0.25% 0.25%

Materijal kučišta

W.Nr.1.4541 W.Nr.1.4541 W.Nr.1.4541 W.Nr.1.4541

Temperatura medija

-40 do +80 ºC -40 do +250 ºC-40 do +80 ºC bez odvojene cijevi

-40 do +80 ºC

Napajanje 12-30 VDC 12-30 VDC

12-30 VDC5 VDC samo za izvedbu s pokazivanjem

12-30 VDC

Pokazivanje - - LED 3 1/2" digita -


iz petlje signala naponom 12-30 VDC. Izlazni signal je 4-20 mA za puni opseg mjernog područja te je ujedno i linearan s promjenom tlaka.

15


Pretvarač diferencijalnog tlaka DP-02

DP-02:

Kompaktna izvedba. Robusna konstrukcija. Primjena kod tekućina, plinova

i para. Točnost 0,25%. Dvožilni pretvornik.

DP-02 zbog svoje konstrukcije nalazi primjenu u različitim industrijskim primjenama. Pretvarač se sastoji od kučišta, mjerne ćelije i elektroničkog dijela. ćelija djeluje na principu promjenjivog kondenzatora. Tlak priključenog medija djeluje na membranu senzora te ju deformira, a s time mijenja kapacitet kondenzatora koji se nalaze u senzoru. Na bazi te promjene ugrađena elektronika daje odgovarajuću promjenu izlaznog signala. Ovisno o tipu priključka to je za dvožični spoj 4 - 20 mA, a zatrožični 0 - 20 mA ili 0 - 10 V. Pretvornici s membranskim kapilarnim prijenosnicima omogućavaju odvajanje mjerne ćelije od medija te predstavljaju siguran način mjerenja procesnog tlaka. Prostor na unutrašnjoj strani membrane prijenosnika, kapilara i prostor do ćelije ispuni se odgovarajućom tekućinom.

16

Prilikom kupovine važno je obratiti pažnju na sljedeće karakteristike:

1.vrsta signala koji mjeri

2.opseg mjerenja

3.tačnost

4.linearnost

5.stabilnost

6.cijena


Neke od firmi koje poizvode mjerne pretvarače pritiska su:Siemens,Grunfos,ATM,Emerson,Honewell te mnogobrojne svjetske i poneka domaća firma sa EX-YU prostora.

Sadržaj:Pretvornici plinova i tekučina

Osnovni pojmovi i jedinice za mjerenje pritiska....................................................... 2

Izvedbe pretvornika pritiska.................................................................................. 3

Tekučinski pretvornici pritiska................................................................................ 3

Toricellijev barometar............................................................................................. 4

Pretvornik pritiska s U-cijevima.............................................................................. 4

Pretvornici pritiska sa čašicom................................................................................ 5

Pretvornik pritiska s kosom U-cijevi......................................................................... 6

Mikromanometarski pretvornici pritiska.................................................................... 6

Pretvornici pritiska sa prstenastom vagom............................................................... 7

Deformacijski pretvornici pritiska............................................................................. 8

Pretvornici pritiska sa burdonovim cijevima.............................................................. 8

Pretvornici pritiska sa membranom.......................................................................... 9

Pretvornici pritiska s mijehom.................................................................................. 9

Mehaničko-električni pretvornici pritiska.................................................................. 11

Otpornički i induktivni pretvornici pritiska................................................................ 11

Pretvornici pritiska selektromagnetnim vagama....................................................... 12

17


Tehničke osobine pojedinih MP pritiska.................................................................... 13

Sadržaj.................................................................................................................. 16

18

Documents

senzor pritiska