.13.3 Snímače hladiny, teploty
Meranie hladiny kvapalín a sypkých materiálov sa realizuje dvoma spôsobmi. Jedným je stanovenie polohy prvku (plavákového telesa) spojeného s úrovňou hladiny, takže sa odporovými, kapacitnými alebo indukčnými snímačmi vyhodnocuje jeho posunutie. druhou možnosťou je meranie fyzikálnych účinkov daného média zodpovedajúceho úrovni jeho hladiny prostredníctvom snímačov mechanických (hmota, tlak, vztlaková sila), elektrických (vodivosť, kapacita, indukčnosť), optických (optické vlákna), s aplikáciou ionizujúceho žiarenia alebo aplikáciou vlnenia, t.j. meranie časového, resp. frekvenčného intervalu medzi vyslaním a príjmom ultrazvukového alebo radarového impulzu. Z užívateľského hľadiska je možné snímače deliť do dvoch skupín: a) snímače pre nespojité meranie
b) snímače pre spojité meranie
Snímače hladiny
Plavákové snímače prevádzajú pohyb plaváka na dvojhodnotový snímač polohy (spínač, jazýčkové relé).
Indukujú dosiahnuté úrovne kladiny H prechodom prúdu medzi dvoma elektródami E1, E2, galvanický spojenými stúpnutím hladiny vodivej kvapaliny. jednou elektródou môže byť aj vodivá stena nádoby. Z bezpečnostných dôvodov je napájanie elektród robené malým napätím. Prechodom prúdu sa zopne relé K1 alebo sa môžu použiť klopné obvody s hysteréziou s obvodmi používanými pri kontaktných snímačoch tlaku, teploty a ďalších veličín.
Spojité snímanie hladiny môžeme rozdeliť podľa výstupného signálu do dvoch skupín:
a) meranie polohy (plavákmi)
b) meranie vztlakovej sily (vztlakové telesá)
Plaváky sledujú úroveň hladiny, mechanickými prevodmi alebo magnetickým spojením s posuvným vozíkom vo vnútri nemagnetickej trubky je tento pohyb transformovaný na zmenu polohy jazdca odporového vysielača alebo pneumatického snímača klapka – dýza.
Kapacitný snímač hladiny pracuje na princípe merania kapacity kondenzátora, ktorého elektródy sú čiastočne ponorené do meranej látky, ktorou môže byť nielen kvapalina, ale aj sypký alebo kusový materiál a tvorí tak dielektrikum. Vnútornou elektródou je kovová tyč, ktorá je pri meraní vodivého prostredia zastavajúceho funkciu druhej elektródy kondenzátora od nej izolovaná nevodivou vrstvou. Ak je meraná látka nevodivá, je vonkajšou elektródou vodivá valcová plocha alebo vodivý plášť samotnej nádoby. Snímač neobsahuje pohyblivé mechanické prvky, k ďalším prednostiam patrí možnosť merať hladinu agresívnych látok, nezávislosť signálu na tlaku a na teplote.
Hydrostatický snímač hladiny určuje nepriamo hladinu kvapaliny meraním hydrostatického tlaku na dne nádoby.
Ultrazvukový snímač vyhodnocuje úroveň hladiny (aj v sypkým látkach) na základe časového intervalu Δt medi vyslaním a prijatým ultrazvukového signálu po prechode meranou látkou. Základnou prednosťou snímača je bezkontaktné meranie v rozsahu až desiatok metrov, výmena snímača je možná za prevádzky zariadenia. číslicové spracovanie signálu umožňuje filtráciu dát a korekciu priebehom odozvy pri prázdnej nádrži.
Snímače teploty a tepelného množstva
Rozdelenie snímačov teploty:
1.) dotykové – elektrické (odporové kovové a polovodičové, termoelektrické, polovodičové s PN prechodom – diódové, tranzistorové) – dilatačné (kovové, kvapalinové) – tlakové (kvapalinové, plynové, parné) – špeciálne
2.) bezdotykové
Snímače pre dotykové meranie teploty
Odporové kovové snímače teploty
Princíp spočíva vo využití závislosti odporu kovov na teplote. Základnou
materiálovou konštantou popisu tejto závislosti je teplotný súčiniteľ odporu
.
Ďalšie vlastnosti odporových kovových snímačov teploty sú dané parametrami: R0 – základný odpor, hodnota pri teplote 0°C, R100 – hodnota odporu pri teplote 100°C, W100 – pomer odporov pri 100°C a 0°C.
Vyjadrením zmeny odporu z počiatočnej hodnoty R0 o ΔR jeho ohrevom
o teplotu
dostaneme štandardne používaný výraz
.
Pre platinový snímač s odporom 100Ω – Obvyklá základná hodnota R0 = 100Ω, pomer W100 = 1,3850.
Nevýhodou odporových snímačov je pomerne veľká časová konštanta, daná umiestnením odporového materiálu do ochranných vrstiev a s nimi do nádrže.
Termoelektrické snímače teploty
Funkcia termoelektrického snímača teploty je založená na vzniku termoelektrického napätia v styku dvoch rôznych kovov resp. polovodičov, ktorých konce sú umiestnené v prostrediach s rôznou teplotou.
Ak sa vytvorí uzavretý obvod z dvoch vodičov rôznych materiálov a ich spoje sa umiestnia do prostredia s rôznymi teplotami, bude týmto obvodom pretekať elektrický prúd. Napätie zmerané odpojením elektrického obvodu bude funkciou rozdielu teplôt T1 – T2 oboch spojených koncov.
Ak bude teplota jedného zo spojov udržovaná na stálej teplote a druhý spoj bude vložený do prostredia, ktorého teplotu meriame, bude termoelektrické napätie U meradlom neznámej teploty prostredia T1, t.j. U = f(T1). Základným predpokladom bezchybného merania je konštantná teplota spoja T2, alebo kompenzácia prípadného kolísania teploty T2 použítím kompenzačných obvodov.
Princípom funkcie dilatačných snímačov teploty je zmena dĺžky alebo objemu meranej látky pôsobením teploty.
Rozdelenie dilatačných snímačov:
a) kovové (tyčový a bimetalický teplomer)
b) kvapalinové
Tyčový teplomer využíva vo funkcii snímača teploty dilatačnú trubku s jedným koncom pevne fixovaným a druhým voľným koncom umiesteným v meranom prostredí.
Bimetalický teplomer je založený na rôznej teplotnej rozťažnosti dvoch rôznych kovov. Je tvorený dvoma pásikmi po celej dĺžke spojenými (pájkovaním, zvarením), pričom jeden z dvoch koncov je pevne fixovaný. Pri zmene teploty sa tento dvojitý pásik deformuje do oblúku tak, že materiál v väčšou rozťažnosťou je na vonkajšej strane.
Kvapalinový teplomer j založený na závislosti objemovej rozťažnosti kvapalín účinkom teplotných zmien.
Princípom je teplotná závislosť zmeny tlaku meranej látky v uzavretom objeme snímača. Snímač sa skladá z troch častí: stonka zakončená nádobkou vloženou do meraného prostredia, spojovacie kapiláry, prevodník, ktorým býva membrána, vlnovec, alebo Bourdonova trubica. Deformácia prevodníka zmenou tlaku náplne v závislosti na teplote zodpovedá snímanej teplote. Podľa druhu náplne rozdeľujeme tieto prístroje na kvapalinové, parné a plynové.
Bezdotykové meranie teploty spočíva vo vyhodnotení energie elektromagnetického žiarenia vysielaného povrchom skúmaného telesa. Pri meraní jeho teploty sa využíva viditeľná časť spektra v rozmedzí 400 nm – 760 nm, infračervená oblasť do 30 μm, tomu zodpovedá rozsah teplôt (- 40°C do 10000°C). Snímač na ktorý toto žiarenie dopadá, ho súčasne odráža, prepúšťa a pohlcuje, takže k vyhodnoteniu je použitá iba pohltená energia. Pre zjednodušenie popisu deja pri snímaní energie žiarenia sa zavádza pojem dokonale čierne teleso, ktorého základnou vlastnosťou je pohlcovanie dopadajúceho žiarenia.
Pomocou zákonov môžeme určiť teplotu žiariaceho telesa dvoma spôsobmi, a to jednak meraním intenzity vyžarovania IC alebo meraním intenzity vyžarovania určitej vlnovej dĺžky IλT , takže bezkontaktné teplomery rozdeľujeme do dvoch skupín:
a) úhrnné teplomery – žiarenie v celom rozsahu vlnových dĺžok
b) spektrálne teplomery – žiarenie v obmedzenom rozsahu vlnových dĺžok
Vyhodnocujú dopadajúce žiarenie teoreticky v celom spektre vlnových dĺžok. Ich snímacími prvkami sú tepelné čidlá (termočlánky, termistory), ktoré sa účinkom dopadajúceho žiarenia chovajú ako neselektívne snímače, t.j. vykazujú rovnomernú citlivosť pre všetky vlnové dĺžky.
Vyhodnocujú žiarenie v rozpätí vlnových dĺžok od 10 nm do niekoľko μm, danom spektrálnou citlivosťou snímača žiarenia a spektrálnou postupnosťou optiky. Ich čidlá sú kvantové snímače žiarenia transformujúce jeho energiu na elektrický signál prostredníctvom tzv. vnútorného fotoelektrického javu. Ten spočíva v generovaní nosičov náboja účinkom dopadajúceho žiarenia. Následkom toho dochádza k zvýšeniu vodivosti snímača alebo vzniku hradlového napätia. Citlivosť týchto snímačov závisí od vlnovej dĺžky dopadajúceho žiarenia, čiže sú selektívne.
Z popisu vyplýva, že k prednostiam bezdotykového merania teploty patrí neovplyvňovanie meraného prvku snímačom a tým možnosť merania v extrémnych podmienkach a prostrediach, ktoré by na dotykové snímače kládli veľké technické nároky (výroba ocele, skla). Ďalej je možné merať teploty pohyblivých prvkov, prípadne obtiažne dostupných prvkov. Presnosť merania je obmedzená stanovením vlastností meraných prvkov. Hlavná oblasť merania teploty bezkontaktnými teplomermi je v rozsahu 1000 - 2500°C.
