Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace © Ing. Václav Rada, CSc. ZS – 2013/

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Další pokračování … podrobněji o měření tlaku ……… Měření tlaku - přehled /2014

T- MaR Měření fyzikálních veličin – tlaku K správnému měření tlaku, stejně tak jako při měření jiných fyzikálních veličin, jsou potřeba určité znalosti a informace. Proto jsou (v bohaté literatuře i firemních informacích) uvedeny základní vlastnosti jednotlivých typů tlako- měrů, tlakových čidel a snímačů tlaku a jsou uvedeny jejich základní přednosti a nedostatky, možnosti použití, zásady správného zabudování tlakoměrných čidel a snímačů a je i zmíněna problematika jejich kalibrace. Měření tlaku - přehled 1 Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled /2012

T- MaR Tlak je odvozená veličina - měření má základ ve dvou základních definicích 1.tlak p definovaný jako síla F působící kolmo na plochu S 2.tlak p definovaný prostřednictvím hydrostatického sloupce kapaliny o hustotě ρ a výšce h (veličina g je zemské gravitační zrychlení) …. viz další rovnice. Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled /2012

T- MaR Matematický vztah: p = F / S p = h * ρ * g Základní jednotkou tlaku v soustavě SI je pascal [Pa] Je to tlak vyvolaný silou jednoho Newtonu na rovnoměr- ně rozložené na ploše 1 m 2 kolmé ke směru této síly. Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled /2012

T- MaR Pascal je jednotka velmi malá, proto násobky: hPa, kPa a MPa Je povoleno používat i jednotku [bar] 1 bar = 100 kPa Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1 Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled /2012

Hodnota tlaku se obvykle udává proti dvěma základním vztažným hodnotám, a to k absolutnímu nulovému tlaku nebo k barometrickému tlaku (tlak vzduchu v daném místě za podmínek měření), anebo se měří rozdíl (diferen- ce) tlaků, z nichž žádný se neshoduje s barometrickým tlakem. Absolutní tlak je tlak měřený od absolutní tlakové nuly, přetlak a podtlak se měří od okamžitého barometrického tlaku p b (tlaku v okolní zemské atmosféře). 2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1

U proud í c í ch kapalin a plynů přistupuje ke statickému tlaku p s ještě kinetický tlak p k (je to funkce rychlosti proudění ν a hustoty proudící tekutiny ρ ), popř. dynamický tlak p d (zahrnuje vliv stlačitelnosti tekutiny s ). 2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1

Součinitel stlačitelnosti tekutiny s je pro nestlačitelné tekutiny (kapaliny) roven 1 (jedničce) a pak p d = p k neboť platí p k = ( 1 / 2 ) * ρ * v 2 p d = p k * s 2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1

Pro celkový tlak p c v proudící kapalině platí p c = p s + p d Statický tlak má charakter skaláru. Dynamický tlak je vektor s orientací totožnou s orientací vektoru rychlosti proudění 2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1

Přístroje pro měření tlaku se obecně nazývají tlakoměry. Současně se označení tlakoměr (manometr) používá pro přístroj k měření přetlaku … k měření podtlaku jsou podtlakoměry (vakuometry) … k měření rozdílu tlaků jsou rozdílové (diferenční) tlakoměry … k měření měření barometrického tlaku jsou barometry … k měření měření absolutního tlaku jsou tlakoměry absolutního tlaku. 2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1

Pro snímače tlaku s elektrickým výstupem se používá také značení elektromechanické tlakoměry. Označení převodník tlaku má velmi podobný význam jako snímač tlaku; jde o elektronické zařízení určerné k měření tlaku, které je schopno přenést informaci o měřeném tlaku prostřednictvím elektrických signálů k dalším zařízením. Jde to konstrukční celek vybavený vhodným čidlem (sen- zorem) tlaku. 2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1

Pojmem snímač tlaku se obvykle označuje tlakoměr, který funguje jako automatizační prvek, např. měřicí člen v regulačním obvodu. Jestliže je činnost převodníku nebo snímače tlaku řízena mikroprocesorem, hovoří se o inteligentním převodníku nebo inteligentním snímači tlaku. 2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1

Pro měření tlaku se využívají různé fyzikální principy, které se liší podle charakteru převodu tlaku na výstupní signál. Rozdělení technických tlakoměrů (snímačů tlaku) do jednotlivých skupin je uvedeno v tabulce spolu se stručnou charakteristikou principu měření a možnostmi použití. V technické praxi se lze setkat s měřením tlaku v rozmezí od 10 –12 až do Pa. Žádný snímač tlaku nemůže měřit tlak v celém tomto rozsahu. Měřicí rozsahy jednotlivých typů se vzájemně překrývají. 2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1

2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1 Pojmy z oblasti měření tlaku absolutní vakuum p = 0 (minus tlak neexistuje) Normální barometrický tlak p bn = Pa absolutní nulový tlak absolutní tlak p abs barometrický tlak p b dynamický tlak p d statický tlak p s celkový tlak p c podtlak rozdíl tlaků ∆p = p 1 - p 2 podtlak přetlak normální tlak

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Měření fyzikálních veličin – tlaku 10 –12 10 –11 10 –10 10 – 9 10 –8 10 –7 10 –6 10 –5 10 –4 10 –3 10 –2 10 – absolutní tlak vakuum extrémnívakuum velkévakuum střednívakuum malé malý přetlakvelký přetlak snímače pro měření vakua kompresní snímače pro malé tlakysnímače pro velké tlaky hydrostatické deformačnítepelněvodivostní s kapacitním čidlem s piezoresistoremvakuometry ionizační rezonanční piezoelektrické pístové odporové barometrický tlak Orientační rozdělení tlakoměrů (snímačů tlaku) podle měřicího rozsahu 2011/2012

TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1 Principy měření absolutního a relativního tlaku vakuum rozdíl tlaků absolutní tlak přetlak / podtlak atmosféra

2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1 Principy měření absolutního a relativního tlaku

2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1 hydrostatické tlakoměry princip je založen na defi- nici hydrostatického tlaku, měřítkem tlaku je výška sloupce kapaliny ovlivňující veličinou je hustota tlakoměr- né kapaliny a její teplota silové tlakoměryvyužívají definice tlaku jako síly působící na plochu na hustotě kapaliny nezávisí údaj, ale mě- řicí rozsah deformační tlakoměry měřítkem tlaku je velikost deformace pružného prvku trubicový, membrá- nový, vlnovcový, krabicový

2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1 snímače tlaku s elektrickým výstupem (elek- tromechanické tlakoměry) jako snímací prvek je po- užit vhodný deformační člen (nejčastěji membrána) a vyhodnocuje se změna polohy změna polohy části čidla (mechanická), změna osvětlení elektrické tlako- měry pro extrém- ní tlaky měřítkem tlaku je změna elektrické veličiny vhodný pro malé ( až 100 Pa) nebo veliké tlaky (80 MPa až 10 GPa) – přesnost okolo 1 % závislost tepelné vo- divosti plynu na tlaku závislost odporu na tlaku ionizace plynu při malém tlaku

2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1 snímače tlaku s elektrickým výstupem (elek- tromechanické tlakoměry) jako snímací prvek je pou- žit vhodný deformační člen (nosník, membrána) a vy- hodnocuje se změna me- chanického napětí změna mechanického napětí se měří tenzo- metrem jako změna odporu vyhodnocuje se změ- na rezonanční frek- vence mechanického kmitání v závislosti na mechanickém napětí

Kalibrace snímačů tlaku (minimum informací) Kalibrace má příslušné předpisy a související normy – určují rozsah a způsob vykonání jednotlivých zkoušek a zjišťování metrologických parametrů. Kalibrace spočívá v porovnání indikace etalonu tlaku a kalibrovaného snímače tlaku – kontrolovaný přístroj se postupně zatěžuje tlakem rostoucím až na maximální hodnotu a následně zpět až na tlak odpovídající nulové značce. 2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1

Kalibrace snímačů tlaku (minimum informací) Při kalibraci jsou předpisy určeny zkušební body – musí být rovnoměrně rozděleny po celé stupnici – počet bodů proměřované charakteristiky je závislý na udávané přes- nosti přístroje = u přístrojů třídy přesnosti 0,1 až 0,6 se kalibruje minimálně v deseti bodech, u méně přesných přístrojů v pěti bodech měřicího rozsahu – jedním z kon- trolovaných bodů musí být koncový bod rozsahu. 2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1

Inteligentní převodníky tlaku V současnosti jsou nejvyšší „třídou“ mezi snímači, tzv. „Inteligentní převodníky“ – v cizojazyčné literatuře často označované jako smart převodníky. Patří k nim i prvky pro měření tlaku (hovoří se o inteligen- tních převodnících tlaku) – mnohdy kombinované pro souběžné měření více fyzikálních veličin. 2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1

Inteligentní převodníky tlaku Zde se využívají čidla s elektrickým výstupem a následné zpracování signálu je charakterizováno použitím mikro- procesorů a miniaturních elektronických obvodů, které jsou určeny pro ukládání důležitých údajů do paměti – jde o údaje o měřicím rozsahu, kalibraci, nastavení mezních hodnot pro signalizaci, atd. Mikroprocesor umožní použitím SW dosahnout zvýšení nejen přesnosti, ale i přizpůsobivosti (flexibility) a univerzálnosti přístroje. 2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1

Inteligentní převodníky tlaku Mikroprocesor je vyžíván pro řízení procesu měření – včetně následné úpravy signálu a uložení určitých infor- mací – umožňuje také automaticky diagnostikovat funkce- schopnost, ukládat naměřené údaje do paměti, vyhodno- covat extrémní i průměrné a jiné hodnoty, atd. – k dálko- vému přenosu lze využít unifikovaný analogový či digitální signál. Důležitou vlastností je konfigurovatelnost podle poža- davků uživatele. 2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1

2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1 Blokové schéma inteligentního převodníku tlaku měřicí obvod zesilovač čidlo teploty senzor tlaku měřicí obvod zesilovač multi- plexor A/D pře- vodník EPROM nastavení (nula, rozsah) mikroprocesor digitální ko- munikace D/A převodník napájecí zdroj ukazovací přístroj komunikátor HART R 4 až 20 mA

2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1 Další informace a podrobnosti naleznete v seriálu článků uveřejněných v časopise AUTOMA č. 2, 7, 10, 11 ročník 2007 Snímače tlaku – principy, vlastnosti a použití. Karel Kadlec, ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha

2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled

2011/2012 TMaR Měření fyzikálních veličin – tlaku Měření tlaku - přehled 1 Měřidla tlaku – Terminologie. ČSN EN 472, ČNI BENTLEY, J. P.: Principles of Measurement Systems. Pearson Education Limited, DYER, S. A.: Survey of Instrumentation and Measurement. John Wiley & Sons, CHUDÝ, V. – PALENČÁR, R. – KUREKOVÁ, E. – HALAJ, M.: Meranie technických veličín. STU Bratislava, JENČÍK, J. – VOLF, J.: Technická měření. Vydavatelství ČVUT Praha, 2003.

T- MaR © VR - ZS 2013/2014 … a to by bylo k dalším informacím o měření tlaku vše ( skoro – neb je asi nepravděpodobné, že lze všechna témata této oblasti ve výuce vyčerpat )

T- MaR © VR - ZS 2009/2010 Témata