Měření fyzikálních veličin

lostní čidla
a) lopatková - jednovtoková a
- vícevtoková
b) turbínová - jeden rotor
- dva rotory (pružně spojeny, jeden bržděn, uloženy nezávisle)
c) rotující kulička

3. čidla s deformačním členem
a) membrána
b) jednostranně vetknutý nosník
c) pevné šroubové kolo
d) jiné deformační členy

4. průřezová čidla (škrticí orgány)
a) clona, dvojitá clona, segmentová clona
b) dýza, Venturiho dýza,
c) Pitotovo-Venturiho čidlo
d) víceotvorové válcové čidlo
e) kolenové, smyčkové čidlo
f) pomocná cirkulace měřeného média
g) gyroskopické čidlo

5. plováková čidla
a) pohyblivý plovák
b) pohyblivý píst

6. tepelná čidla
a) kalorimetrická
b) anemometrická

7. indukční čidla
a) s elektrodami
b) bez elektrod
8. ultrazvuková čidla
a) kontaktní
b) bezkontaktní

9. fluidiková čidla
a) využívající precese osového víru
b) využívající vírové stezky za přepážkou
c ) oscilační čidla

10. čidla využívající značení tekutiny
a) vodivostní značky
b) tepelné značky
c) optické značky
d) speciální značky (ionizační, magnetické)

11. využití čidel rychlosti
a) Pitotova trubice
b) Prandtlova trubice
c) válcová a kulová čidla rychlosti
d) odporová rychlostní čidla (anemometry,
e) ionizační rychlostní čidla
f) laseranemometry

Existují i jiná členění čidel průtoku ( např. [6]):




Obr. 5.1 Rozdělení objemových průtokoměrů plynu [6]















Obr. 5.2 Rozdělení rychlostních a ostatních průtokoměrů plynu [6]



5.4 Objemové snímače
Průtok se převádí obvykle na impulsní výstupní signál. Čidla jsou náročná na řešení
mechanické části.
V automatizační technice jsou zajímavá čidla pracující ve spojitém režimu při němž je
charakteristické samočinné střídavé naplňování a vyprazdňování odměrných nádob. Energii k
tomu dodává proudící tekutina, čímž vzniká tlaková ztráta.


Obr. 16.1 Příklad měření kyvného čidla

5.4.1. Kyvná čidla

Příklad kyvného čidla je na obr. 16.1. Čidlo pracuje jako otevřené. Přívodní kanál je označen
číslem 6. Nálevkami 4, 5 se střídavě plní odměrné nádoby 1‚ 2. které jsou kyvně uchyceny na
hřídeli 3. Překlopeni nastane v okamžiku, kdy stoupající hladina v odměrné nádrži dosáhne
hrany 7 a kapalina se přeleje v celé šíři do žlabu 8 a odtud do nádrží s výtokovým otvorem 10.
Omezení pohybu odměrných nádob je zajištěno zarážkami 9. Po překlopení se plná odměrná
nádrž vyprázdni a plní se nádrž prázdná. Čidlo lže použit pouze pro kapalinu stejné hustoty, pro
niž bylo cejchováno. Přesnost čidla závisí na rychlosti plnění odměrných nádob a na velikosti
pasivních odporů při překlápěni. Běžná provedení jsou pro rozsahy 0,2 až 6m
3
.h
-1
.

5.4.2. Bubnová čidla

Uspořádáni bubnového čidla s otevřenou nádobou je na obr. 16.2. Buben je otočně uložen kolem
vodorovné osy a je rozdělen přepážkami 2 na tři stejné komory (1, 3, 5). Měřená kapalina,
přiváděná potrubím v ose bubnu 6. vtéká do vnitřního rozváděcího válce 7 a přepadá přes hranu
otvoru do odměrné komory bubnu. Jakmile se tato komora naplní, začne se kapalina přelévat i do
výtokové části komory. Tím se těžnice. procházející původně osou bubnu, vysune poněkud
doleva a vyvolá moment síly, který pootočí bubnem o 120° ve směru šipky. Kapalina odteče
sběrným žlabem 8 a výtokem 9. Pro správnou funkci je nezbytné odvzdušnění odměrných komor
pomocí kanálků 4. Toto čidlo je velmi přesné i při proměnlivém průtoku. Je však citlivé na
přetížení, kdy dochází ke zvýšení pasivních odporů. Rozsah je např. 0,1 až 7 m
3
. h
-1
. Přesnost
měření je ± 1 %.

Obr. 16.2. Uspořádání bublinového čidla s otevřenou nádobou


5.4.3. Pístová čidla .

Další skupinu tvoří pístová čidla. Jsou vhodná pro měření jak kapalin, tak plynů. Princip pístového
čidla s přímočarým pohybem pístu je na obr. 16.3. Jde o jednoválcové dvoučinné čidlo s kohoutovým
rozvodem. Píst 2 se pohybuje ve válci I tlakem kapaliny, která je rozváděna čtyřcestným
kohoutem střídavě na obě strany pístu.
Jestliže se posune píst do střední úvrati, přestaví se kohout do druhé polohy. Pohyb rozvodného
kohoutu je odvozen od pístní tyče. Přívod a vývod tekutiny je naznačen šipkou. Kromě
jednoválcového uspořádání se používají i čidla několikaválcová. Pístová čidla patří k
nejpřesnějším čidlům průtoku (až ±0,5 %) .
Čidla s rotujícím pístem jsou konstrukčně obdobná jako rotační čerpadla. Na obrázku 16.4a je princip
čidla se dvěma ozubenými oválnými písty, které se otáčejí ve válcových komorách. Pohyb je
vyvolán rozdílem točivých momentů vyvolaných P
1
a P
2
na příslušné průměty činné plochy pístů.
Pro měření plynů se používá tvar rotujících pístů podle obr. 16.4b. Jejich vzájemný pohyb je
vázán párem ozubených kol, uložených na hřídeli pístů vně měřícího prostotu. Čidla s rotujícími
písty se používají pro měřeni průtoků od jednotek dm
3
.h
-1
do 10
3
dm
3
. h
-1
, při tlacích až 2 MPa a
teplotě do 120 °C.




O

br. 16.3. Příklad čidla s přímočarým pohybem pístu.
Obr. 16.4. Základní řešení čidla rotujícím pístem.

Často se používá čidlo s krouživým pístem. Skládá se z odměrné komory mezi souosými válci
a z pístu (prstenec) s výřezem na obvodu, který se smýká po svislé přepážce. V odměrné komoře
vznikají dva odměrně prostory, které se postupně během jedné otáčky plní a vyprazdňují. Tento
princip se používá u čidel pro měření průtoku vody s rozsahy 3,5 až 7m
3
.h
-1
[16.2].
Pístová čidla se vyznačuji velkou přesností, protože odměrný prostor lze dobře utěsnit.
Využívají se pro poměrně malá průtoky, neboť mohou pracovat pouze při nízkých otáčkách.
Měřená kapalina musí být čistá (filtrace). Je však jisté omezení, pokud jde o tlak, teplotu a
viskozitu. Velkou výhodou je impulsní výstupní signál.

5.5 Rychlostní snímače
Jsou používána velmi často zejména v hydraulických systémech, měřičích spotřeby apod.
Výstupní signál je impulsní.

Činnost těchto čidel spočívá v měření střední rychlosti tekutiny. Vztah mezi průtokem a střední
rychlostí je v kap. 16.1.1. Proudící tekutina působí na pohyblivou část čidla, která se otáčí.
Otáčky n jsou přímo úměrné střední rychlosti prouděni tekutiny, a tedy i objemový průtok. Platí

Q
v
= k
1
n + k
2


kde k
1
, k
2


jsou součinitele čidla
Součinitel k
1
má stálou hodnotu pouze v určitém rozsahu průtoku. Součinitel k
2
určuje počátek
rozsahu čidla.


5.5.1. Lopatková čidla

Princip lopatkového čidla je na obr. 16.5. Osa otáčení rotoru je kolmá na osu přívodního kanálu.
Dále je osa otáčeni rotoru rovnoběžná s plochou lopatek. Proudící tekutina je přiváděna k
lopatkovému kolu jedním (vtokovým) kanálem a druhým (výtokovým) je odváděna. Tato čidla
bývají označována též jako jednoproudá. Při otáčení kola vznikají hydrodynamické ztráty a
ztráty třením v úložných částech kola. Proto je obvodová rychlost kola menší než rychlost
přitékající tekutiny. Zpoždění kola za rychlosti kapaliny není stálé, ale zvětšuje se s klesající
rychlosti protékají kapaliny. Tuto chybu lze zmenšit vhodnou konstrukcí čidla. Zároveň je
určeno minimální průtočná množství čidla.








Obr. 6.5. Princip lopatkového čidla


Lopatková čidla nejsou vhodná pro měření tekutin s větši viskozitou. U jedno-proudových
čidel se někdy používá regulační desky, která je umístěna uvnitř komory vedle lopatkového kola.
V závislosti na poloze desky (úhlovém natočení) vzhledem ke vstupnímu a výstupnímu otvoru se
dosáhne zvětšení nebo zmenšení hydraulického odporu a úpravy charakteristiky čidla.
Víceproudá čidla se vyznačují tím, že tekutina vstupuje do komory Čidla, protéká více otvory
především statorovým kolem k lopatkovému kolu a odtud k odtokovým otvorům.. Citlivost
čidla závisí na počtu lopatek a počtu otvorů ve statorovém kole. U víceproudých čidel se
používá částečného odtoku kapaliny, která se přepouští malých otvorem přímo do odtoku, aniž
by prošla měřicím prostorem. Lopatková čidla jsou vhodná pro měřeni menších průtočných
množství. Používají se běžně pro měření spotřeby vody.


Obr. 6.6. Princip šroubového čidla


5.3.1 Šroubová (turbínková) čidla [16.4]

U tohoto čidla je osa otáčeni rotoru shodná s osou vstupního a výstupního potrubí. Rotor má tvar
několikachodého šroubu. Na vstupní straně čidla bývá někdy stavitelné křidélko, kterým lze
čidlo nastavit. Tato čidla bývají někdy uváděna pod označení Woltmannova. Šroubová čidla jsou
vhodná pro měření větších průtočných množství. Princip čidla je na obr. 16.6.


Vyrábějí se ve velmi širokém sortimentu, Světlost průtokového potrubí je od 3 mm do 1 m.
Linearita výstupního signálu je 0,1 až 0,5 %‚ přičemž spodní mez správnosti je 3 až 5 %
měřeného průtoku. Turbínková čidla pracují spolehlivě při teplotách od —200 do +700
0
C a tlaku
až 250 MPa. Lze jimi měřit všechny kapaliny o kinematické viskozitě menší než 6 m
2
.

s
-1
,popř. i
plyny o hustotě větší než 0,2kg.m
3
. Přívodní potrubí před čidlem musí být rovné v délce nejméně
15D, za čidlem pak 5D (D je průměr potrubí), jinak dochází ke zvětšení chyby. Snímání otáček
šroubového kola se dělá většinou bezdotykově. Velkou výhodou rychlostních čidel je impulsní
výstupní signál.
V ČSSR jsou pro obor automatizační techniky vyráběna turbínková čidla v Chemoprojektu
Satalice ve světlostech od 15 mm do 100 mm, pro rozsahy l6m3.h
-1
až 250m
3
.h
-1
. Standardní
provedení je pro tlak 1.6MPa (až 32,5 MPa) a teploty do 200°C (maximálně 300°C). Přesnost
těchto čidel je v rozsahu 10 až l00 % lepší než ±0,5%. Snímáni otáček rotoru je indukční [16.7].
Zásuvná turbínová čidla jsou určena pro měření průtočného množství tekutin v potrubích o
velkém průměru. Čidlo je řešeno tak, že na konci zasouvací tyče je miniaturní turbínka včetně
čidla otáček rotoru. Čidlo snímá rychlost v daném místě potrubí [16.7].
Dalším zajímavým řešením jsou turbínková čidla se dvěma rotory. Je možné následující
uspořádaní:
1. rotory jsou pružně spojeny
2
v
Q
A
P
ρ
=
2. jeden rotor je brzděn
3. oba rotory jsou uloženy volně, nezávisle

Čidlo se dvěma pružně spojenými rotory má rozdílný úhel náklonu lopatek obou rotorů, což
umožňuje snížení třecího momentu. Působením procházející tekutiny se oba rotory otáčí
synchronně, přičemž se deformuje pružina spojující oba rotory a dochází k jejich vzájemnému
úhlovému natočeni. Otáčky obou rotorů se snímají bezdotykovými čidly, přičemž časové
posunutí mezi pulsy jednoho a druhého rotoru je úměrné průtočnému množství. Výstupní signál
je závislý na viskozitě měřené kapaliny [16.6].

Čidlo s rotující kuličkou [16.6]

Vyznačuje se tím, že kulička je silovým účinkem proudu uváděna do rotačního pohybu po
kruhové dráze. Kapalina vstupuje do čidla, kde je tangenciálními otvory přiváděna do kruhová
komory, ve které se nachází kulička. Kapalina obíhá úhlovou rychlosti, která je úměrná
průtočnému množství, a unáší kuličku do otáčivého pohybu. Bezdotykové snímáni pohybu
kuličky je obdobné jako u ostatních rychlostních čidel. Další způsob používá pevného rotoru se
šikmými lopatkami, za kterými je umístěna kulička. Rotor přivede kapalinu do rotace a ta
kuličku unáší. Přesnost je omezena třením kapaliny a je kolem ±2% . Toto čidlo se používá pro
měření průtoků od 1m
3
.h
-1
až l0 m
3
.h
-1
. Průměry kuliček jsou od jednotek milimetrů do 300 mm
při rychlostech 1.10
-3
až 300 m.s
-1
pro 10
3
< Re < 10
5
.
Rychlostní čidla předcházejících typů s impulsním výstupním signálem jsou vhodná pro
automatizační techniku a robotiku.

5.6 Snímače s deformačním členem
U této skupiny čidel protékající tekutina působí dynamickým tlakem na deformační člen.
Výstupním signálem je mechanické napětí nebo výchylka.

Tato skupina čidel se vyznačuje tím, že protékající tekutina působí dynamickým tlakem na
deformační člen vhodného tvaru, který se deformuje. Jako výstupní signál u těchto čidel
dostáváme výchylku nebo mechanické napětí.
Na obrázku 16.7 je princip čidla s membránou. Měřená tekutina prochází přívodní trubkou o
průměru D rychlosti v. Jestliže bude průměr membrány větší než průměr trubky (D > d), pak tlak
působící na membránu bude


Obr. 6.7. Princip čidla Obr. 16.8. Charakteristika čidla
průtoku s membránou s polovodičovou membránou


(Pa; kg.m
-3
,m
3
.s
-1
,m
2
)

kde A je vnitřní průřez trubky.
Q
v
objemový průtok tekutiny
Za předpokladu. že

Platí

Z předcházející rovnice tedy vyplývá, že závislost tlaku na průtoku je kvadratická. Uvedený
princip byl ověřen za použití integrované polovodičové membrány
TM 510/02 (TESLA Rožnov) (viz kap. 13). Tato membrána je určena pro měření tlaku tekutin v
rozsahu -4 až +40k Pa. Průměr aktivní části membrány byl D = 3mm. Tloušťka této části se
pohybuje v rozsahu 10 µm až 70µm . Průměr trubky, kterou byla přiváděna tekutina, byl d = 1
mm. Charakteristika čidla je na obr. 168. Můstek na membráně byl napájen napětím U
1
= 2,2 V,
proud I = 4 mA. Charakteristika má kvadratický tvar. Výstupní napětí bylo U2=10 mV při
objemovém průtoku Q
ν
=7dm
3
.h
-1
(voda). K destrukcí membrány došlo při objemovém průtoku
k=
Α
ρ
2
kQ=Ρ
Q
ν
=30dm
3
.h
-1
. Popsané čidlo se vyznačuje velmi malými rozměry, nemá pohyblivé části a na
výstupu dostáváme poměrně velký výstupní signál. Z tohoto hlediska se jeví jako vhodné pro
robotické aplikace [16.91.]
Jako deformační člen byl ověřován též jednostranně vetknutý nosník ve spojení indukčnostním
čidlem polohy, přičemž na volný konec nosníku působil tlak kapaliny. Průhyb nosníku byl
snímán indukčnostním čidlem výchylky. Bylo zkoušeno čidlo průtoku, která využívá šroubového
kola, uchyceného na torzní tyči, jejíž osa je totožná s osou potrubí. Při průtoku tekutiny dochází
k torsnímu namáháni tyče, které se pomocí tenzometrů převádí na elektrický signál.

5.7 Průřezové snímače
V automatizační technice jsou tato čidla využívána velmi často. Některé typy se
vyznačují poměrně malým měřicím rozsahem. Výstupním signálem je u většiny čidel tlaková
diference.


Vytvářejí rozsáhlou skupinu s různými typy škrticích členů (orgánů). U této skupiny je průtočný
průřez stálý a mění se rychlost protékající tekutiny, která se na škrticím členu převádí na rozdíl
tlaku nebo teploty. škrticí orgány jsou normalizovány. Nejčastěji se používají clona, dýza,
Venturiho dýza a další. Uspořádáním škrticího členu může být jednoduchá nebo vícenásobné
(můstková). Pro průtok škrticím členem podle obr. 16.9a platí průtoková rovnice


kde a je průtokový součinitel škrticího členu (velikost se určí z tabulek nebo grafu),
ε
p
expanzní činitel (u plynů je menší než 1 a určí se z tabulek nebo grafu),
P
1
- P
2
tlakový rozdíl na škrticím členu,
ρ
ν
hustota měřené tekutiny.
Průběh tlaků je naznačen na obr. 16.9b. Parametry škrticích členů jsou normalizovány v ČSN
257710. Obecně se požaduje, aby tvary škrticích členů byly reprodukovatelné a geometricky
přenosné pro různé průměry potrubí a použitelné pro široký obor poměrného zúžení β
f
2
platí

Průtokový součinitel musí být stálý pro daný tvar škrtícího členu a požadovaný rozsah
měřeného průtoku. Tlaková ztráta škrticího členu má být co nejmenší,




Obr. 16.9. Uspořádání škrticího členu
s tlakovou charakteristikou



Obr. 16.10. Clona s různým
způsobem odběru signálu



56.5.1. Clona

Nejjednodušším a nejčastěji používaným škrticím členem je clona pro kruhová potrubí. Malá
délka umožňuje snadnou montáž a výměnu. Používá se pro potrubí od průměru 50mm a pro
poměrné zúžení β
r
= 0,05 až 0,7. Clona způsobuje poměrně velkou tlakovou ztrátu. Platí


v
p
PPd
Q
ρ
π
αε
ν
21
2
2
4
−
=
2
2
2
D
d
f
=β
)).(1(
21
2
PPP
fz
−−=∆ β
).(.
128
21
4
PP
l
d
Q
v
−=
η
π
Clona se montuje do přímé části potrubí dostatečné délky (asi 15D před clonou a 5D za
clonou). Uklidňující dráha musí být tím větší čím větší je poměrné zúžení. Tlaková odběry
mohou být realizovány buď jako bodové jediný tlakový odběr před clonou a jediný za clonou),
nebo jako komorové (několik otvorů po obvodu, popř. štěrbina po celém obvodu s prstencovou
sběrací komorou). Komorové odběry se používají u clon pro světlosti potrubí do 300 mm. Na
obrázku 16.10a je tvar clony, na obr. 16.10b je naznačen bodový (dole) a komorový odběr
(nahoře). Požadavky na přesnost provedení clony jsou vysoké.


5.5.2. Dýza

Druhým škrticím členem je dýza. Její tvar je na obr. 16.11. Je složitější než u clony. Proto je její
použití méně časté. Dýzou lze měřit průtok tekutin v potrubí o světlosti od 50 do 500 mm, při
poměrném zúžení 0,05 až 0,64. Dýza se používá všude tam, kde jsou větší požadavky na
přesnost měření. Pro tlakovou ztrátu platí :
Venturiho dýza je dalším často používaným škrticím členem.Vznikne napojením difuzoru na
normalizovanou dýzu. Nevýhodou Venturiho dýzy je značná stavební délka a náročná výroba.
Používá se pro měření průtoku tekutin v potrubí o světlosti od 50 do 500 mm, při poměrném
zúžení 0,05 až 0,6. Tlaková ztráta je nejmenší


Obr.16.11. Dýza jako čidlo Obr.16.12 Princip Venturiho dýzy
průtoku


ze všech škrticích členů (asi 10 % tlakové ztráty u clony). Dýza se vyrábí zkrácená, s menším
konečným průměrem difuzoru, než má průměr potrubí, nebo dlouhá, s difuzorem o průměru
shodném s průměrem potrubí. Princip Venturiho dýzy je na obr. 16.12.

5.5.3. Ostatní průřezová čidla

Mezi další škrticí členy patří pro malá Reynoldsova čísla dvojitě seříznutá clona, polokruhová
dýza, dýza bez válcové části, dvojclona apod. Pro znečištěné tekutiny jsou vhodné segmentová
clona, excentrická clona, štěrbinová clona [16.10].




Obr. 6.13. Můstkové uspořádání Obr. 6.14. Princip a charakteristika
čidla se škrticím členem laminárního čidla


Clona je vhodná též pro měření časově proměnných průtoků (až stovky hertzů). Předpokladem
je dostatečně rychlé čidlo tlakové diference. Nevýhodu tepelné závislost lze kompenzovat
můstkovou úpravou čidla podle obr. 16.13. Jejich nevýhodou je nelineární charakteristika.
Měřicí rozsah je 1: 5. Tyto průtokoměry vyrábí např. firma Turbo—Werk, SRN [16.11].
Mezi průřezová čidla patří také laminární čidlo pro měření velmi malých průtoků.
Využívá se u něj Hagenova — Poiseuilleova zákona pro průtok v trubce (kapiláře)
kruhového průřezu. Pro objemový průtok platí
.


(m
3
.s
-1
;m,Pa, Pa, Pa.s, m)



kde η je dynamická viskozita kapaliny,
d průměr trubky (kapiláry),
l délka trubky (kapiláry).
Čidlo je náročné na mechanické provedení. Nevýhodou je poměrně velká délka čidla a
nezbytnost tzv. rozběhové délky L . Princip čidla a charakteristika jsou na obr. 16.14.
1.2
)).(4,11(
21
2
PPP
fz
−−=∆ β
c
D
ρ
ϑ
∆
=∆
)(
2
.
2
21
PP
D
R
SQ
v
k
−=
ρ
α
‚


Obr. 6.15a) Závislost teploty kapaliny v blízkosti clony, b) statická charakteristika čidla



5.5.4. Rozdíl teplot na škrticím členu

Rozdíl teploty vznikající na škrticím členu lze využit