13.2 Snímače tlaku, sily a prietoku
Rozdelenie snímačov síl a tlaku podľa princípu činnosti:
a) kvapalinové – rozsah obmedzený hustotou, problémy spôsobuje závislosť na teplote a kapilarita
b) deformačné – membránové, vlnovcové, s Bourdonovou trubicou s mechanickým, pneumatickým alebo elektrickým výstupom
c) elektrické – priame – piezoelektrické, magnetické nepriame – tenzomerické, kapacitné
d) piestové – pracujú na princípe vyrovnania sily pôsobiacej na jednej strane piestu s vonkajšou silou, vyvolanou pružinou alebo závažím
Meranie sily je realizované meraním výchylky, ktorou sila pôsobením na rôzne typy deformačných prvkov vyvolá tlakom a prevodom výchylky či tlaku na elektrický signál.
Piezoelektrický snímač
Funkcia piezoelektrického snímača je založená na priamom piezoelektrickom jave, pri ktorom deformáciou kryštálov dielektrík, ktoré nie sú stredovo súmerné vzniká polarizáciou viazaný náboj. Na elektródach priložených k povrchu kryštálu sa preto indukuje voľný náboj. Naopak pôsobením vnútorného elektrického poľa dochádza k deformácii kryštálov (nepriamy piezoelektrický jav). tento jav sa aplikuje v generátoroch ultrazvuku alebo pri piezopohonoch, používaných ako akčný člen pre mikroposuvy.
Kvapalinové tlakomery určujú tlak z výšky alebo rozdielu výšok stĺpcov kvapaliny v nádobách vhodného tvaru (U – trubice, prstenec, nádoba s uzavretým, otvoreným, zvislým alebo skloneným ramenom). Meraný tlak pôsobiaci na hladinu je vyrovnávaný hydrostatickým tlakom stĺpca kvapaliny, ktorou je destilovaná voda, lieh, alebo ortuť používaná pre meranie tlaku kvapalín, pretože sa s nimi nezmiešava. Toricceliho trubici sa používa pre presné meranie barometrického tlaku. Tieto princípy je možné použiť aj pre meranie tlakovej diferencie.
Technicky najrozšírenejšou aplikáciou kvapalinových tlakomerov sú snímače tlakovej diferencie pri meraní prietoku. Tlakomer je realizovaný nádobou tvaru U – trubky s vloženým plavákom, ktorého zvislý pohyb je hrebeňovým ozubeným prevodom a magnetickou spojkou prenášaný na stupnicu ukazovacieho alebo zapisovacieho prístroja. V súčasnosti je nahradzovaný snímačom s elektrickým vyhodnocovaním tlakovej diferencie na princípe zmeny kapacity diferenciálneho kondenzátora.
Deformačné tlakomery určujú tlak z deformácie meracieho prvku v lineárnej časti deformačnej charakteristiky, popisujúcej závislosť jeho zdvihu na pôsobení tlaku. Sú to najpoužívanejšie snímače tlaku vzhľadom ku konštrukčnej jednoduchosti a tým aj cene, spoľahlivosti, dostatočnej presnosti.
Používa vo funkcii snímacieho prvku membránu
Pre miestne meranie tlakovej diferencie sa využívajú kvapalinové snímače, t.j. U – trubice s plavákom. Jeho priamočiary pohyb po transformácii hrebeňovým prevodom na rotačný sa ovláda pomocou magnetickej spojky slúžiacej na prenos pohybu z tlakového do vonkajšieho beztlakového priestoru pohyb ukazovacieho a prípadne registračného ústrojenstva.
Pre meranie tlakovej diferencie s transformáciou signálu pre diaľkový prenos sa takmer výhradne používa membrána, zriedka vlnovec. Výchylku tlakového prvku (membrány, vlnovca) prevádzame na ďalej spracovateľný signál, najčastejšie elektrický. Snímač tlakovej diferencie s elektrickým výstupom pracuje na princípe zmeny kapacity diferenciálneho kondenzátora. Tlaky p1, p2 ktorých diferencie sa merajú, pôsobia cez oddeľovaciu membránu a kvapalinovú náplň na pružnú meraciu membránu, ktorá sa deformuje o osovom smere v jednom či druhom zmysle úmerne tlakovej diferencii. Súmerne k tejto pružnej meracej membráne sú umiestnené dve pevné elektródy vytvorené ako vrstva na nosiči z izolantu. Tým tvorí z meracou membránou diferenciálny kondenzátor a zároveň realizujú mechanický omedzovač deformácie pri jednostrannom zaťažení. Snímač sa zapája do mostíka napájaného striedavým napätím s kmitočtom rádovo v kHz. Výstupný signál z mostíka je demodulovaný, teplotne kompenzovaný a unifikovaný.
a) rýchlostné snímače – prierezové (prietokové so škrtiacimi orgánmi alebo výtokové), plavákové, turbínkové, ultrazvukové, indukčné, tepelné
b) objemové snímače – dávkovacie snímače, plynomery (suché, mokré)
c) hmotnostné snímače – Coriolisov snímač
Rýchlostný snímač prietoku vyhodnocuje prietok nepriamo meraním strednej rýchlosti prúdu tekutín.
Prierezové snímače prietoku (meranie prietoku škrtiacimi orgánmi)
Základným princípom merania prietoku prierezovými snímačmi je využitie poklesu tlaku vzniknutého zvýšením rýchlosti prúdenia v zúženom mieste.
Plavákový snímač prietoku
Plavákový snímač prietoku pracuje na princípe udržiavania konštantného tlakového rozdielu pri premenlivom škrtení prietokového prierezu. Konštrukčne je možné túto myšlienku realizovať zvislou kužeľovou trubkou, ktorou tekutina preteká zdola nahor a unáša plavák. Ten je prúdiacou tekutinou uvedený do stabilizujúceho rotačného pohybu a unášaný do polohy, v ktorej je silový účinok F prúdiaceho meraného média v rovnováhe váhou zmenšenou o vztlak. Pohyb plaváku spôsobuje rozdiel tlakov pod a nad plavákom Δp.
