Snímače a akční členy

Snímače a akční členy

1 Úvod do problematiky

Regulace představuje významný prostředek pro zvýšení produktivity, jakosti a energetické účinnosti. Dnes není automatické řízení technologie ničím unikátním. Kvalitní a inteligentní řízení je dostupné i pro obyčejné stroje, pomocné mechanismy a technologická zařízení ve všech oborech. Prostředky, které byly donedávna součástí složitých technologických celků, dnes nacházíme ve spotřebních výrobcích.

Pro kvalitní regulaci musí mít řídicí systém – regulátor, kvalitní informace o řízené technologii. Toto nám zajišťují snímače – čidla různých fyzikálních veličin. Informace mohou být dvoustavové – diskrétní (sepnuto-rozepnuto, 0-I…) nebo spojité. Pro vytápění jsou nejdůležitější informace o teplotě a tlaku topného media. Dnešní regulátory pracují velmi rychle a lze je tedy považovat za spojité. Dvoustavové snímače ve spojité regulaci plní hlavně bezpečnostní funkci. Informují o dosažení bezpečnostních limitů (maximální provozní tlak, maximální havarijní tlak…).

Výstupy z regulátoru pak musí ovládat výkonový prvek – akční člen, který zasahuje do technologie. Výstupy opět mohou být dvoustavové (zapni čerpadlo – vypni čerpadlo), třístavové (ventil zavírá – ventil stojí – ventil otevírá) a spojité (některý z normalizovaných signálů např. 0 – 10 V, 0 – 20 mA…). Pro vytápění v rodinných domcích jsou nejběžnější směšovací ventily třícestné a čtyřcestné.

 

1.1 Diskrétní snímače

Snímače využívají některý z fyzikálních jevů jako je teplotní roztažnost, deformace apod. Vyvozená síla je pak přenesena na spínač s mžikovým kontaktem.

1.1.1      Termostaty

Termostat je přístroj udržování konstantní teploty. Teplota je základní fyzikální veličinou soustavy. Termostaty využívají ke své funkci teplotní roztažnost různých materiálů.

 

1.1.1.1              Bimetalové termostaty

Využívají rozdílné teplotní roztažnosti dvou kovů. Působením tepla se bimetalový pásek ohýbá a ovládá kontaktní systém. Soustavu bimetal – spínač lze zabudovat do prostorového, příložného nebo stonkového čidla.

 

Princip bimetalového termostatu

UvP_ELEKTRO_EL39_01

Nastavení teploty a hystereze

UvP_ELEKTRO_EL39_02

Prostorový bimetalový termostat

UvP_ELEKTRO_EL39_03

1.1.1.2              Kapilárové termostaty

Využívají teplotní roztažnosti vhodného materiálu (líh, vosk…), který je uzavřen v tenké trubičce – kapiláře. Vlivem teploty se mění objem materiálu a opět ovládá kontakt spínače. Podle účelu použití se pak systém provede jako prostorové, příložné, stonkové nebo kapilárové čidlo.

Termostaty lze doplnit nastavovacími prvky, které umožňují nastavovat teplotu spínání
a upravovat hysterezi mžikového spínače. Tato čidla nejsou příliš přesná. Hodí se jen pro hrubou regulaci a dnes se díky velké spolehlivosti používají jako ochranné bezpečnostní spínače.

Příložný termostat – upevnění

UvP_ELEKTRO_EL39_04

Příložný termostat nastavení

UvP_ELEKTRO_EL39_05

Stonkový termostat

UvP_ELEKTRO_EL39_06

Prostorový termostat – průmyslové provedení

UvP_ELEKTRO_EL39_07

Kapilárový termostat

UvP_ELEKTRO_EL39_08

 

1.1.2 Manostaty

Manostat je přístroj udržování konstantního tlaku. Patří mezi tzv. deformační tlakoměry.

Deformační prvky jsou vybavené jedním nebo několika elektrickými kontakty, které se používají k dvoupolohové regulaci tlaku, k hlídání a signalizaci dosažení nastavené hodnoty.

Rozlišujeme několik tlaků:

-          Absolutní nulový tlak – tlak v prostoru, v němž není hmota.

-          Absolutní tlak – tlak měřený od absolutního nulového tlaku.

-          Barometrický tlak – tlak zemského ovzduší u zemského povrchu, měří se
od absolutní nuly a má charakter tlaku absolutního.

-          Normální barometrický tlak – je podle konvence tlak pN = 1,01325.105 Pa.

-          Přetlak – rozdíl absolutního tlaku, který je vyšší než barometrický tlak, a tlaku barometrického.

-          Podtlak – rozdíl tlaku barometrického a tlaku absolutního, který je nižší než tlak barometrický.

-          Vakuum – velký podtlak (velmi malý tlak absolutní).

-          Rozdíl tlaků  Δ p = p1 — p2 , přičemž se oba tlaky p1 a p2 liší od barometrického.

 

V běžné technické praxi se měří zvýrazněné tlaky. Na to jsou konstruovány přístroje. Podle konstrukce rozlišujeme:

1.1.2.1 Vlnovcové manostaty

Vlnovec je pružný element uložený v komůrce, který se tlakem deformuje jen v jednom směru podle rozdílu tlaků. Pokud je třeba měřit přetlak, či podtlak, je jedna strana otevřena
do okolního prostředí. Měříme-li diferenční tlak, musíme zapojit oba měřicí konce.

Vlnovec princip

UvP_ELEKTRO_EL39_09

Provedení vlnovcového manostatu

UvP_ELEKTRO_EL39_10

1.1.2.2 Membránové manostaty

Obvyklým tlakoměrným prvkem bývá zvlněná kovová membrána kruhového tvaru. Může být i z jiného materiálu, např. z plastu. Pak je velmi tenká, má malý průměr a je velice lehká.

Membrána je sevřena mezi dvěma přírubami. Přivedeme-li tlak z jedné strany, měříme podtlak, nebo přetlak. Přivedeme-li tlak z obou stran, měříme diferenční tlak. Průhyb membrány je mechanicky přenášený na kontaktní systém.

 

Membrána princip

UvP_ELEKTRO_EL39_11

Provedení membránového manostatu

UvP_ELEKTRO_EL39_12

 

1.2           Spojité snímače

Spojité měření neelektrických fyzikálních elektrickou cestou má mnoho výhod oproti metodám neelektrickým. Je to především:

  • Větší citlivost
  • Možnost dálkového měření
  • Větší rychlost měření
  • Možnost záznamu
  • Výstupní signál v analogové nebo číslicové formě
  • Strojové zpracování
  • Měření na velkém počtu míst

Nevýhody:

  • Větší náklady na měřicí kanál
  • Větší náklady na údržbu
  • Vyšší kvalifikace obsluhy

1.2.1 Teploměry

Pro spojité měření teploty se využívá několika způsobů. Nejběžnější je využití teplotní závislosti odporů, a to jak kovových, tak i polovodičových. Pro vyšší teploty se používají termočlánky. Podle aplikace se volí pouzdro teploměru. Existují i hlavice teploměrů, které obsahují převodník R/U, R/I a naměřenou hodnotu zobrazují na displeji.

 

Pouzdra teploměrů do měřící jímky

UvP_ELEKTRO_EL39_13

Dotykové a vpichovací teploměry

UvP_ELEKTRO_EL39_14

Venkovní teploměr

UvP_ELEKTRO_EL39_15

Teploměr vzduchotechniky

UvP_ELEKTRO_EL39_16

Příložný teploměr

UvP_ELEKTRO_EL39_17

Teploměr s kovovou hlavicí

UvP_ELEKTRO_EL39_18

Teploměr s převodníkem a displejem

UvP_ELEKTRO_EL39_19

 

1.2.1.1              Odporové teploměry

Především se používají čisté kovy. Nesmí reagovat s ochranným krytem, musí být časově
a chemicky stálé. Lze použít platinu, nikl, měď, zlato, slitinu stříbro-zlato a další. Prakticky se používá platina a nikl. Pro malé změny teploty lze použít vztah,

 

kde

A = teplotní součinitel odporu,

Rυ = odpor při teplotě υ,

R0 = odpor při srovnávací teplotě 0 °C.

 

Pro přesnější měření se používají vztahy poněkud složitější.

 

Platinový teploměr

Platina je materiál, který vyniká svojí chemickou stálostí, vysokou teplotou tání lze jej vyrobit s vekou čistotou. Tzv. fyzikálně čistá platina 99,93 – 99,99 %. Díky těmto vlastnostem byl platinový teploměr svolen jako etalon, pro teploty v rozmezí -259,34 °C – 630,74 °C. Vyrábí
se Pt100, Pt500, Pt1000 (Číslo označuje odpor při °C). Pt100 je téměř průmyslový standard. Ostatní typy se používají spíše výjimečně.

 

Pro teploty nad 0 °C byl stanoven vztah:

 

Pro teploty pod 0 °C:

 

Konstanty závisí na čistotě a struktuře platiny. Teploměry se vzájemně porovnávají poměrem

R100/R0.

(Pt100, Tk=3850 ppm/°C)

Υ = teplota [°C]

Rυ = odpor při teplotě υ

R0 = 100 Ω odpor při srovnávací teplotě 0 °C

A = 3,9083.10-3 K-1 teplotní součinitel odporu

B = -0,5775.10-7 K-2 teplotní součinitel odporu

C = -4,183.10-12 K-4

 

   (Pt100, Tk = 3911 ppm/°C)

υ = teplota [°C]

Rυ = odpor při teplotě υ

R0 = 100Ω odpor při srovnávací teplotě 0 °C

A = 3,9692.10-3 K-1 teplotní součinitel odporu

B = -5,829.10-7 K-2 teplotní součinitel odporu

C = -4,3303.10-12 K-4

 

Výrobci teploměrů pak měřicí drátek umísťují do různých pouzder. Konstrukce pouzdra omezuje teplotní rozsah, ve který je možno teploměr použít. Běžná výroba je pro
-200 °C ÷ +600 °C. Pro 1000 °C musíme použít velmi čistou platinu, aby nedocházelo
k vypařování některých složek, a tím by se měnila charakteristika snímače. Čistá platina naopak ráda přijímá cizí látky ze svého okolí. Nosná konstrukce nesmí platinový drátek namáhat na tah. Tím by se měnil naměřený údaj. V topenářské technice se spíše používá levnější niklový teploměr.

 

Niklový teploměr

Nikl je vhodný pro teploty -60 ÷ +250 °C, což pro topení a přípravu teplé užitkové vody bohatě stačí. Pokud nikl vystavíme teplotě 300 ÷ 400 °C, dojde k rekrystalizaci, a tím k nevratné změně závislosti odporu na teplotě. Podobně jako u platiny se vyrábí v několika hodnotách Ni891,T1(Ni2226), Ni1000, Ni5000 a Ni10000. Většina firem používá Ni1000 (číslo označuje odpor při 0 °C). Konstanty závisí na čistotě a struktuře niklu. Teploměry se vzájemně porovnávají poměrem R100/R0.

 

(Ni1000, Tk = 6180ppm/°C)

υ = teplota [°C]

Rυ = odpor při teplotě υ

R0 = 1000 Ω odpor při srovnávací teplotě 0 °C

A = 5,485.10-3 K-1  teplotní součinitel odporu

B = 6,650.10-6 K-2  teplotní součinitel odporu

C = 2,805.10-11 K-4 teplotní součinitel odporu

D = -2,000.10-17 K-6 teplotní součinitel odporu

 

(Ni1000, Tk = 5000ppm/°C)

υ = teplota [°C]

Rυ = odpor při teplotě υ [°C]

R0 = 1000 Ω odpor při srovnávací teplotě 0 °C

A = 4,427.10-3 K-1 teplotní součinitel odporu

B = 5,172.10-6 K-2 teplotní součinitel odporu

C = 5,585.10-9 K-3 teplotní součinitel odporu

Při objednávání teploměru Ni1000 si musíme dát pozor. Každý výrobce používá jinou hodnotu Tk. Naši výrobci dávají přednost Tk = 6180 ppm.

 

-        Ni 1000 / ppm 5000 (např. LANDIS)

-        Ni 1000 / ppm 6180 (např. SAUTER, SAIA, AMIT, TECO)

-        Ni 891 (např. JOHNSON CONTROLS)

-        T1 (např. STAEFA CONTROLS) = Ni 2226

 

 

Termistory

V současné době se prosazují v měření teploty v topenářské technice termistory. Jsou to polovodičové součástky bez PN přechodu z polykrystalického polovodiče. Jejich teplotní součinitel odporu je pět až padesátkrát větší než u kovů. Největší překážkou pro použití byla jejich nelinearita. Současné digitální regulátory snadno provedou linearizaci. Funkce R = f(υ) je popsána vztahem.

Θ = měřená teplota [K]

RΘ = odpor při teplotě Θ

R25 = odpor při srovnávací teplotě +25 °C = 298,15 K

β = materiálová konstanta

 

Oproti kovovým teploměrům se teplota dosazuje v Kelvinech a srovnávací teplota byla zvolena +25°C = 298,15 K. Materiálová konstanta β se s teplotou mění. Pro malé změny teploty lze tento vliv zanedbat. Proto konstantu většina výrobců neuvádí, ale uvádí hodnoty odporů v tabulce. Teploměry se záporným teplotním koeficientem se značí NTC plus hodnota odporu při srovnávací teplotě. Vyráběné typy NTC575, NTC20k, NTC15k, NTC10k.

Nejběžnější typ je NTC20k.

 

Teploměry s kladným teplotním koeficientem PTC se v topenářské technice téměř nepoužívají.

 

1.2.1.2   Termočlánky

Využívá se termoelektrického jevu, kdy na styku dvou různých kovů vzniká rozdíl potenciálů v důsledku rozdílné výstupní práce elektronu v kovu.  Termoelektrické napětí je přímo úměrné rozdílu teplot styku dvou kovů:

kde A, B a C jsou empirické konstanty pro daný snímač a  je rozdíl teplot mezi studeným a horkým koncem.

 

Zapouzdření snímačů je závislé na účelu použití. Měřicí spoj je vyroben v klasické technologii obvykle spájením nebo svařením dvou drátků stejného průměru. V mikroelektronických technologiích se vytváří překrytím dvou vrstev s různým materiálovým složením. Pouzdra musí mít dobrou tepelnou vodivost. Časté je také použití termočlánků bez ochranného krytu. V topenářské technice se používají málo, a to jen pro měření teplot nad 200 °C např. teplota spalin.

 

Přehled vyráběných termočlánků. Nejpoužívanější jsou J a T.

termočlánek

anoda

katoda

rozsah

B

Pt+Rh30%

-

Pt+Rh6%

0 °C

-

1700 °C

C

W+Rh5%

-

W+Rh26%

0 °C

-

2300 °C

D

W+Re3%

-

W+Re25%

0 °C

-

2300 °C

E

Ni10%-Cr

-

Ko

-200 °C

-

  950 °C

G

W

-

WRe26%

0 °C

-

2300 °C

J

Fe

-

Ko

-200 °C

-

  750 °C

K

Ni10%-Cr

-

Ni5%+AlSi

-200 °C

-

1300 °C

L

Fe

-

CuNi

-300 °C

-

  600 °C

M

NiMo18%

-

NiCo0,8%

0 °C

-

1400 °C

N

NiCrS

-

NiS

-270 °C

-

1300 °C

R

PTRh13%

-

Pt

0 °C

-

1450 °C

S

PTRh10%

-

Pt

0 °C

-

1400 °C

T

Cu

-

Ko

-250 °C

-

  350 °C

U

Cu

-

CuNi

-300 °C

-

  900 °C

 

1.2.2 Tlakoměry

Princip tlakoměru s analogovým výstupním signálem je v podstatě stejný jako u manostatu. Jen převod mechanické deformace je jiným způsobem převeden na elektrický signál. Základem snímače je piezorezistivní senzor z nerezové oceli nebo tenzometr, který je

připevněn na tvrzené membráně z nerezové oceli. Membrána může být oboustranně vystavena tlakům kapalin a plynů. Naměřená hodnota se linearizuje a převede se na některý z normalizovaných výstupních signálů (0-10V, 2-10V, 0-20mA, 4-20mA).

 

Tlakoměry

UvP_ELEKTRO_EL39_25

1.3           Umístění čidel

1.3.1 Teplotní čidlo v prostoru

Prostorové teplotní čidlo/termostat apod. se instaluje na vnitřní stěnu referenční místnosti domu (obvykle hlavní obytná místnost) nebo v nejstudenější místnost domu podle pokynů na níže uvedeném obrázku. Přístroj nesmí být vystaven působení tepla od přímého slunečního záření, radiátorů, krbů a podobných zdrojů a nesmí být ochlazován prouděním vzduchu (např. od pootevřených oken). Přívod ke kotli/nadřazené regulaci proveďte vodičem o průřezu min. 2 x 0,5 mm2.

 

Teploměr v místnosti

UvP_ELEKTRO_EL39_20

1.3.2 Venkovní teplotní čidlo

Venkovní čidlo slouží pro měření venkovní teploty, v menší míře také pro měření slunečního záření, síly větru a teploty zdi. Umísťujeme jej na severní nebo severozápadní zeď objektu v polovině výšky budovy, nejméně však 2,5 m nad terénem.

 

Čidlo nesmí být ovlivňováno jinými zdroji tepla např.:

-          výdechy VZT,

-          teplem z otevřených oken a dveří,

-          teplem komínů a kouřovodů.

 

Venkovní teploměr

UvP_ELEKTRO_EL39_21

Nevhodná místa pro venkovní teploměr

UvP_ELEKTRO_EL39_22

1.3.3 Teplotní čidlo topné vody

Příložné – na kovové potrubí DN15 – DN100 (nevhodné na plastové potrubí), levné, rychlé, není třeba návarek, vyměnitelné bez odstavení topného systému.

 

Umísťuje se:

–        min. 1 m od oběhového čerpadla viz doporučení konkrétního výrobce,

–        1,5 až 2 metry za směšovacím ventilem, jestliže je čerpadlo umístěno ve vratném potrubí,

–        čidlo nesmí být zakryto tepelnou izolací.

 

Teploměr do potrubí

UvP_ELEKTRO_EL39_23

 

1.3.4 Jímková a přímoponorná čidla

Čidlo má být ponořeno do média celou svou aktivní délkou. Je-li aktivní délka čidla delší než průměr potrubí, montujeme jímku šikmo nebo do obtoku. V případě montáže do obtoku musí obtoková

trubka zasahovat do trubky hlavní. Pokud potřebujeme snímač měnit za provozu topení, umístíme jej do odběrné jímky.

 

Návarek a jímky

UvP_ELEKTRO_EL39_24

1.4           Akční členy

Jsou prvky, které jsou určené k využití zpracované informace. Patří k nim hlavně pohony
a na ně navazující regulační orgány.

Pohon – zařízení, která převádí signály z členů pro zpracování informace na výchylku konající požadovanou práci s požadovaným výkonem. Podle energie, která je využitá ke konání práce, rozlišujeme pohony:

-          elektrické

-          pneumatické

-          hydraulické

Dalšími parametry jsou:

-          chováni pohonu v případě výpadku napájecí energie pro zajištění pasivní bezpečnosti,

-          možnost ručního ovládání regulačního orgánu,

-          vysílač skutečné polohy regulačního orgánu (pro ruční ovládání nebo pro vytvoření zpětné vazby),

-          koncové spínače (polohové nebo momentové).

 

Regulační orgány jsou zařízení pro ovládání toku hmoty nebo energie systémem. V topenářství regulujeme pomocí směšovacích ventilů. Množství přenášené tepelné energie závisí na rozdílu teplot a průtoku. U topných soustav požadujeme konstantní průtok. Pokud bychom regulovali proměnlivým průtokem, nehřála by při malých průtocích topná tělesa na koncích topných větví.

1.4.1      Třícestný směšovací ventil

Směšovací ventil se umístí mezi zdroj tepla např. plynový kotel a oběhové čerpadlo topného okruhu. V jedné krajní poloze srdce ventilu (zelená) je otevřena přímá cesta topné vody ze zdroje tepla (červená šipka) do topného okruhu a ochlazená voda se vrací do zdroje (modrá šipka). Ve druhé krajní poloze je přímá cesta uzavřena. Čerpadlo nasává topnou vodu z vratného potrubí zkratem a pouští ji do zpět do topení (fialová šipka). V mezipoloze čerpadlo nasává smíšenou vodu – částečně ze zdroje a částečně ze zkratu. Vratná voda se podle tlakových poměrů rozdělí a částečně odtéká zkratem a částečně se vrací do zdroje tepla. Směšovací poměr se nastavuje polohou srdce na základě požadované teploty topné vody.

 

Princip třícestného ventilu

UvP_ELEKTRO_EL39_26

Tento princip lze realizovat mnoha způsoby. Na obrázku je uvedena jedna z možností provedení třícestného ventilu.

Možné řešení třícestného ventilu

UvP_ELEKTRO_EL39_27

1.4.2 Čtyřcestný směšovací ventil

Směšovací ventil se umístí mezi zdroj tepla např. plynový kotel a oběhové čerpadlo topného okruhu. V jedné krajní poloze srdce ventilu (zelená) je otevřena přímá cesta topné vody ze zdroje tepla (červená šipka) do topného okruhu a ochlazená voda se vrací do zdroje (modrá šipka). Ve druhé krajní poloze je přímá cesta uzavřena. Čerpadlo nasává topnou vodu přímo z vratného potrubí a pouští ji do zpět do topení (fialová šipka). Na straně zdroje tepla topná voda cirkuluje (kotlový okruh s čerpadlem). V mezipoloze čerpadlo nasává smíšenou vodu – částečně ze zdroje a částečně z vratu. Vratná voda se podle tlakových poměrů rozdělí a částečně do radiátorů a částečně se vrací do zdroje tepla. Směšovací poměr se nastavuje polohou srdce na základě požadované teploty topné vody, která se měří nad čerpadlem.

 

Princip čtyřcestného ventilu

UvP_ELEKTRO_EL39_28

 

Tento princip lze realizovat mnoha způsoby. Na obrázku je uvedena jedna z možností provedení čtyřcestného ventilu.

 

Možné řešení čtyřcestného ventilu

UvP_ELEKTRO_EL39_29

 

Zpracoval(a): ing. Jindřich Vyoral

Seznam použité literatury

  1. ZEHNULA, Karel. Snímače neelektrických veličin: vysokoškolská příručka pro vysoké školy technického směru. 2., upravené a dopln. vyd. Praha: SNTL, 1983, 371 s.
  2. ZPA Ekoreg, spol. s r.o. – Firemní propagační materiály

URL<www.zpaul.cz>Dostupné z

http://www.zpaul.cz/cz/produkty/regulatory-teploty/

http://www.zpaul.cz/cz/produkty/regulatory-tlaku-podtlaku/

http://www.zpaul.cz/domain/zpaul/files/kl_27340212.pdf

[Citováno 2014-02-05]

 

  1. SENSIT s.r.o. – Firemní propagační materiály

URL<www.sensit.cz>Dostupné z

www.sensit.cz/ke-stazeni/soubory/Pt100_3850.pdf

www.sensit.cz/ke-stazeni/soubory/Pt100_3911.pdf

http://www.sensit.cz/ke-stazeni/soubory/SENSIT_katalog_2013_CD_28-11_OPR-4.pdf

[Citováno 2014-02-05]

 

  1. E-automatizace, informační portál z automatizace

URL<www.e-automatizace.cz>Dostupné z

http://www.e-automatizace.cz/ebooks/mmv/tlak/tlak_deformacni_tlakomery.htm

[Citováno 2014-02-05]

 

  1. BD SENSORS s.r.o. – Firemní propagační materiály

URL<http://www.bdsensors.cz/>Dostupné z

http://www.bdsensors.cz/tlak/snimace-tlaku/

[Citováno 2014-02-05]

 

  1. REMAK a.s. – Firemní propagační materiály

URL< www.remak.eu>Dostupné z

 http://www.remak.eu/cz/aktuality/80.html

[Citováno 2014-02-05]

 

  1. BOLA s.r.o. – Firemní propagační materiály

URL< www.bola.cz>Dostupné z

 http://www.bola.cz/zpa-ekoreg/405-611-136-012/

[Citováno 2014-02-05]

 

Další výukové materiály:

Snímače a akční členy – prezentace

Snímače a akční členy – test