Obsah:
Měření neelektrických veličin hraje klíčovou roli v mnoha oblastech průmyslu, vědy a techniky. Patří mezi ně řada parametrů, jako je teplota, tlak, průtok, vlhkost, množství chemikálií a mechanické zatížení.
Přesnost a preciznost neelektrických měření je důležitá pro správné fungování zařízení, procesů a systémů. V oblasti automatizace průmyslových procesů se neelektrická měření provádějí pomocí specializovaných zařízení, jako jsou např. senzory, měřidla, analyzátory nebo záznamníky dat. Tyto technologie umožňují přesné sledování a řízení výrobních procesů, což vede ke zvýšení efektivity a kvality výrobků. Důležité je také správné zpracování naměřených dat, aby bylo možné přijímat správná rozhodnutí v rámci optimalizace průmyslových procesů.
Proto se autor v tomto materiálu rozhodl systematizovat poznatky o těchto měřeních – měřeních neelektrických veličin, aniž by se zabýval aspekty technického řešení zařízení. Neelektrická měření mohou mít vliv na rozvoj průmyslu, proto je důležité neustále zlepšovat a vyvíjet měřicí technologie, aby splňovaly rostoucí požadavky rychle se rozvíjejících průmyslových odvětví. V systémech automatizace procesů se nejčastěji setkáváme se snímači a senzory takových fyzikálních veličin, jako je lineární a úhlový posun, lineární a úhlová rychlost, točivý moment, čas, hmotnost, teplota, tlak, průtok a mnoho dalších.
Měření rychlosti a zrychlení
Nejběžnějšími přístroji pro měření otáček jsou tachometrické generátory. Provádějí měření přímým způsobem. Tato zařízení generují napětí, jehož parametry závisí na otáčkách rotoru. Pomocí vhodného převodu přímočarého pohybu na rotační pohyb je lze použít k měření lineárních rychlostí.
Generátory stejnosměrného proudu vytvářejí stejnosměrné napětí, jehož hodnota je úměrná úhlové rychlosti rotoru. Základním parametrem tachometrického generátoru stejnosměrného proudu je převodní konstanta, vyjádřená v V/ot./min.
Dalším prvkem jsou generátory střídavého proudu, u nichž otáčky rotoru určují frekvenci generovaného signálu.
Úhlovou rychlost lze také měřit pomocí inkrementálního enkodéru. Jedná se o zařízení, které generuje elektrický impuls, pokud se jeho rotor otočí o určitý úhel. Frekvence generovaných impulsů je měřítkem otáček rotoru.
Další metodou měření lineární rychlosti pohybujících se objektů je radarové měření. Provádí se cyklickým měřením doby, která uplyne od okamžiku, kdy radar vyšle elektromagnetickou vlnu směrem k pohybujícímu se objektu, do okamžiku, kdy se vlna vrátí do radaru v důsledku odrazu od tohoto objektu.
Většina radarů však používá Dopplerův jevcož je rozdíl vlnových délek mezi elektromagnetickou vlnou vysílanou zdrojem a vlnou zaznamenanou pozorovatelem pohybujícím se vzhledem k tomuto zdroji. Dopplerův radar vysílá paprsek elektromagnetických vln o určité frekvenci, který se po odrazu od objektu stojícího v jeho dráze vrací zpět do radaru. Pokud se objekt pohybuje, liší se frekvence vlny, která dorazí k radaru po odrazu, od frekvence vlny, která byla vyslána. Pokud se objekt k radaru přibližuje, je frekvence zaznamenané odražené vlny vyšší, zatímco pokud se vzdaluje, radar zaznamená odraženou vlnu s nižší frekvencí Zařízení určené k měření zrychlení přímou metodou je akcelerometr.
Měření teploty
Přístroje umožňující měření teploty jsou:
odporové teploměry – využívají teplotní závislost odporu materiálu. Běžně se používají senzory z platiny a niklu:
- Pt100,
- Pt500,
- Pt1000,
- Ni100,
- Ni1000,
- polovodiče, známé jako termistory (NTC, tj. termistory se záporným teplotním součinitelem odporu, PTC, tj. termistory s kladným teplotním součinitelem odporu, CTR, tj. termistory se skokovou změnou odporu nad určitou teplotou).
Termočlánky (termoelementy) – to prvky ve formě dvou tyčí vyrobených z různých kovů, spojené na obou koncích. V důsledku tzv. Seebeckovo jevu mezi tyčemi, které jsou v místě spojení v různých teplotách, vzniká elektromotorická síla. Teplotu pomocí termočlánku lze měřit tak, že jeden konec připojených tyčí umístíte na měřenou teplotu a druhý konec na referenční teplotu. Pak je hodnota měřeného napětí mezi tyčemi úměrná hodnotě měřené teploty.
pyrometry jsou přístroje pro bezkontaktní měření teploty. Základem jeho fungování je analýza tepelného záření vyzařovaného testovaným tělesem, které dopadá na detektor umístěný uvnitř pyrometru.
Měření tlaku
Přístroj používaný k měření tlaku je manometr, který měří hodnotu tlaku ve vztahu k okolnímu tlaku. Kromě tlakoměrů se k měření tlaku používají i další přístroje:
- absolutní tlakoměry – ukazují absolutní hodnotu tlaku,
- diferenční tlakoměry – měří rozdíl tlaků,
- vakuometry – používají se k měření relativních tlaků nižších než atmosférický tlak, tzv. podtlaku,
- tlakoměry – používají se k měření relativních tlaků, které jsou vyšší i nižší než atmosférický tlak.
Další skupinou tlakoměrů jsou pružinové tlakoměry, které využívají jevu ohýbání pružiny působícím tlakem. Ty se dělí na:
- manometry s trubkovou pružinou (tzv. Bourdonova trubice),
- membránové tlakoměry,
- měchové tlakoměry.
Měření mechanického napětí
K měření deformace objektu se používá tenzometr připevněný k povrchu objektu tenzometr. Protože deformace je výsledkem působení síly, používají se tenzometry k měření fyzikálních veličin, jako je síla, hmotnost, tlak, točivý moment a zrychlení. Tenzometry využívají závislosti odporu na geometrických rozměrech vodiče.
Jak se tenzometr ohýbá, odporová dráha přiložená k jeho povrchu se prodlužuje a průměr této dráhy se minimálně zmenšuje. V důsledku toho se zvyšuje odpor samotného snímače V převodnících se k měření síly, momentu, napětí používá současně několik tenzometrických snímačů, které jsou prvky měřicího můstku.
Měření průtoku
K měření intenzity průtoku se používá:
- průtokoměr s hrdlem, který funguje na základě umístění zúžení v určitém místě potrubí s výrazně menším průřezem než průřez potrubí, kde vzniká tlakový rozdíl před hrdlem a na něm. Tlak bezprostředně před úzkým místem je vyšší než tlak na úzkém místě a rozdíl tlaků je přímo úměrný průtoku média v potrubí. Výsledný rozdíl tlaků se měří pomocí diferenčního tlakoměru. V praxi se k měření průtoku touto metodou používají Venturiho trubice různých tvarů, například clona, Venturiho trubice, tryska a Pitotova trubice.
- rotametr je plovákový průtokoměr vyrobený ve formě průhledné trubice s proměnným (směrem nahoru se zvětšujícím) průřezem a s vytištěnou stupnicí pro odečet v jednotkách průtoku.
- tryskový průtokoměr je zde zařízení, které využívá lineární závislosti rychlosti na množství média protékajícího průtokoměrem. Uvnitř tryskového průtokoměru se nachází oběžné kolo ve tvaru lopatkového kola nebo turbíny, které je uváděno do pohybu tlakem proudícího média.
- ultrazvukový průtokoměr je zařízení založené na měření doby přenosu ultrazvukového signálu v průřezu potrubí, kterým protéká měřené médium. Signál je vysílán střídavě jednou jedním a jednou druhým směrem. Pokud je průtok nulový, jsou doby přenosu signálu v obou směrech stejné. Na základě naměřeného rozdílu dob šíření ultrazvukového signálu a rychlosti šíření zvuku v médiu proudícím potrubím a geometrických rozměrů samotného potrubí lze vypočítat objemový průtok kapaliny nebo plynu v potrubí.
Měření vlhkosti vzduchu
K měření vlhkosti vzduchu se používají vlhkoměry. Tyto přístroje ukazují procentuální obsah vodní páry ve vzduchu. Mezi přístroje pro měření vlhkosti vzduchu patří:
- Vlasové vlhkoměry – jsou to přístroje, které ukazují pouze orientační hodnotu vlhkosti vzduchu. Tyto přístroje využívají vztah mezi délkou lidské nebo zvířecí srsti a množstvím vlhkosti, kterou absorbovala.
- Kondenzační vlhkoměry – jsou to přístroje využívající jev kondenzace vodní páry na chladných skleněných nebo kovových površích. Množství takto zkondenzované vodní páry při dané teplotě je měřítkem vlhkosti vzduchu.
- Absorpční vlhkoměry – jsou přístroje, které při měření atmosférické vlhkosti zaznamenávají množství vlhkosti absorbované za jednotku času absorpčním materiálem.
