Měření tlaku

Úvod

Tlak vyjadřuje plošný účinek síly a je určen diferenciálním podílem síly a plochy k ní kolmé

eq. 4.4

Hlavní jednotkou tlaku je pascal (Pa). Je to tlak, který vyvolá síla jednoho newtonu rovnoměrně rozložená na ploše 1 m², kolmé ke směru síly.

Absolutní tlak je tlak měřený od absolutní tlakové nuly. Přetlak a podtlak se měří od okamžitého barometrického tlaku  p_b . Normální barometrický tlak je podle konvence tlak  p_N = 1,01325.10⁵ Pa. U proudících kapalin a plynů přistupuje k tlaku statickému  p_s  ještě tlak dynamický  p_d. Pro celkový tlak  p_c  a pro dynamický tlak  p_d  platí

eq. 4.5

kde je  v  rychlost proudícího média  (m s^-1),  r  hustota (kg m^-3).

Statický tlak má charakter skaláru, dynamický tlak je vektorem, u něhož orientace směru je totožná s vektorem rychlosti proudění.

Přístroje pro měření tlaku se nazývají tlakoměry. Tlakoměry na měření přetlaků se označují zpravidla jako manometry, na měření podtlaků jako vakuometry a na měření tlakových rozdílů jako diferenční tlakoměry. Přístroje určené pro měření barometrického tlaku se označují jako barometry.

Pro měření tlaku se využívá různých fyzikálních principů, které se liší podle charakteru převodu tlaku na výstupní signál. Technické tlakoměry můžeme rozdělit podle principu na tlakoměry hydrostatické, deformační, pístové a elektrické.

Hydrostatické tlakoměry

Princip činnosti je založen na účinku hydrostatického tlaku, který vyvozuje sloupec kapaliny o výšce  h  a hustotě  r

eq. 4.6

Mírou tlaku je výška kapalinového sloupce  h  a měření tlaku je tak převedeno na měření délek. Protože hustota kapaliny je funkcí teploty, je i údaj hydrostatického tlakoměru závislý na teplotě. Jako tlakoměrné kapaliny se používá nejčastěji rtuti, vody, příp. alkoholu či tetrachloru. Délka trubic bývá maximálně 1,5 m, a tím je dán i rozsah měření tj. např. 0,2 MPa pro rtuť, nebo 15 kPa pro vodu.

Hydrostatické tlakoměry jsou většinou jednoduché, spolehlivé a přesné přístroje, používané zejména k laboratorním účelům, jejich nevýhodou je skutečnost, že neposkytují signál vhodný pro dálkový přenos a pro další zpracování v řídicích obvodech.

Deformační tlakoměry

Princip funkce deformačních tlakoměrů je založen na pružné deformaci, a tím i na změně geometrického tvaru vhodných tlakoměrných prvků, vlivem působení měřeného tlaku. Nejčastěji používanými deformačními prvky jsou Bourdonova trubice, membrána, krabice a vlnovec (obr. 4.6) Deformační prvky se zhotovují z uhlíkových a niklových ocelí, z mosazi, z fosforového a beryliového bronzu a dalších vhodných slitin.

fig 4.6

Trubicové tlakoměry (tlakoměry Bourdonovy) jsou nejpoužívanějším typem deformačních tlakoměrů. Tlakoměrným prvkem je Bourdonova trubice (obr. 4.6 a), což je trubice eliptického průřezu stočená do kruhového oblouku, spirály nebo šroubovice. Jedním koncem je trubice pevně spojena s tělesem, opatřeným závitem pro připojení tlaku. Volný konec trubice je uzavřen a spojen přes převodové ústrojí s ukazovatelem na stupnici. Při působení tlaku se snaží eliptický průřez změnit v kruhový a zakřivení oblouku, do kterého je trubice stočena, se přitom zvětšuje. Uspořádání měřicího prvku trubicového tlakoměru je znázorněno na obr. 4.7a. Pro nízké tlaky je trubice mosazná a má plošší profil, pro vysoké tlaky je ocelová a blíží se kruhovému profilu (obr. 4.7 b). Měřicí rozsahy trubicových tlakoměrů bývají od 0 do 0,5 MPa až 2 000 MPa. Těmito přístroji lze měřit i podtlaky. Vyrábějí se ve třídách přesnosti 0,6 a 1 (kontrolní manometry) a dále ve třídách přesnosti 1,5; 2,5 a 4 (provozní přístroje).

obr. 4.7

Membránové tlakoměry používají jako tlakoměrného elementu kovové membrány kruhového tvaru zvlněné soustředěnými kruhy (obr. 4.6 b). Membrána je sevřena mezi dvěma přírubami a z jedné strany je přiváděn měřený tlak. Ten vyvolá průhyb membrány, který se přenáší na ukazatel. Závislost zdvihu na tlaku je přibližně lineární.

Membránové tlakoměry se vyrábějí pro tlaky do 4 MPa. Jejich výhodou je vyšší citlivost než tlakoměrů trubicových. Pro nízké tlaky se využívá pryžových membrán s textilní vložkou s kovovými příložkami, kde však deformačním prvkem je pružina z ocelového drátu. Je-li tlak přiveden na obě strany membrány, lze využít membránových tlakoměrů i pro měření tlakových diferencí. Proti korozi je možno membránu snadno chránit povlakem či fólií z vhodného materiálu.

Výhodou membránových tlakoměrů jsou malé setrvačné hmoty systému. Takové snímače jsou vhodné pro měření velmi rychle pulsujících tlaků. Membrána snímače je velmi tenká, má malý průměr a její deformace jsou snímány elektricky (např. kapacitně, indukčně či piezoelektricky).

Krabicové tlakoměry se používají pro měření malých přetlaků, podtlaků či tlakových diferencí. Měřicím prvkem je krabice tvořená dvěma zvlněnými membránami o průměru 50 až 100 mm (obr. 4.6c). Deformace se přenáší pákovým převodem na ukazovatel. Měřicí rozsah bývá 10 Pa až 1 000 Pa. Pro zvýšení citlivosti se spojuje několik krabic v jeden konstrukční celek.

Tlakoměrné krabice se používá i v přístroji sloužícím pro měření barometrického tlaku, v tzv. aneroidu. V tomto případě je prostor krabice neprodyšně uzavřen, evakuován a měřený barometrický tlak působí na krabici zvnějšku.

Vlnovcové tlakoměry se používají pro měření přetlaků a tlakových diferencí do 0,4 MPa. Schéma tlakoměru je na obr. 4.8. Tlakoměrným prvkem je tenkostěnný kovový měch - vlnovec, který je umístěn v pouzdře, do něhož je přiváděn měřený tlak. Deformace vlnovce se přenáší táhlem na ukazovatel. Odolnost proti deformaci (tuhost vlnovce) lze snadno zvětšit vložením pružiny. Dojde tak úpravě charakteristiky a měřicího rozsahu tlakoměru. V případě měření tlakové diference se větší tlak přivádí do pouzdra, menší do vlnovce. Někdy se místo kovového měchu používá měchu z umělé hmoty (např. teflonu); funkci deformačního prvku pak zcela přebírá pružina.

Hlavní použití kovových vlnovců s pružinou je v regulační technice, kde se jich používá v pneumatických vysílačích, převodnících, přijímačích apod.

fig.4.8

Hodnotíme-li celkově deformační tlakoměry, pak jednou z jejich hlavních předností je velká přestavující síla. Měřicí systémy mohou být robustní a umožňují připojení dalších přídavných zařízení jako zapisovacího ústrojí a převodníků pro dálkový přenos. Z převodníků  jsou vhodné způsoby pneumatické, odporové, indukční, tenzometrické a kapacitní. Dalšími výhodami jsou malé rozměry, malá hmotnost, velký měřicí rozsah, dostatečná přesnost, jednoduchost a spolehlivost i v těžkých provozech. Deformační manometry patří k nejčastěji používaným typům tlakoměrů v průmyslu. Deformačních tlakoměrných prvků se používá rovněž při konstrukci manostatů. Jsou to přístroje vybavené jedním nebo více elektrickými kontakty a používá se jich pro dvoupolohovou regulaci tlaku. Na manostatu lze nastavit velikost tlaku. Na manostatu lze nastavit velikost tlaku a spínací hysterezi. Nevýhodou těchto tlakoměrů je elastické dopružování, popřípadě trvalé deformace měřicího prvku během provozu. Nevýhodou je i ovlivňování údaje okolní teplotou. Teplota ovlivňuje modul pružnosti materiálu deformačního prvku a teplotní roztažností převodového ústrojí pozměňuje mechanický převod. Deformační tlakoměry vyžadují pravidelnou kalibrační kontrolu, zvláště při měření pulsujících tlaků. Kontrola se provádí pomocí pístového tlakoměru. Měřicí rozsah deformačního tlakoměru se volí tak, aby pomalu kolísající měřený tlak dosáhl maximálně dvou třetin rozsahu přístroje a rychle se měnící tlak aby dosahoval maximálně poloviny měřicího rozsahu.

Tlakoměry se silovým účinkem

Měření tlaku se převádí na měření síly, jejíž účinky jsou vyvažovány např. závažím či pružinou. Do této skupiny tlakoměrů patří tlakoměr pístový a zvonový.

U pístového tlakoměru je podstatnou součástí píst přesného průřezu, umístěný ve válci (obr. 4.9). Tlak na píst se přenáší obvykle olejem, kterým je celý systém tlakoměru vyplněn. Síla, vzniklá působením měřeného tlaku na píst, je kompenzována tíhou pístu a závaží. Rovnováhy sil se dosáhne v okamžiku, kdy se píst nepohybuje ve směru osy.

Uvažujeme-li tíhu pístu  G_p,  tíhu závaží  G_M (N) a čelní plochu pístu  S  (m²), pak pro měřený tlak  p  (Pa)  platí  

eq. 4.7

Pro dosažení kapalinového tření mezi pístem a válcem musí se píst nebo válec otáčet. Protože kompenzační sílu vyvozenou závažím lze určit s vysokou přesností, využívá se pístových tlakoměrů pro ověřování a kalibraci deformačních tlakoměrů. Ověřovací zařízení pak obsahuje kromě pístového tlakoměru ještě čerpadlo a zásobník oleje, příslušné ventily a připojovací šroubení pro ověřovaný manometr. Zjednodušené schéma je na obr. 4.10.

fig. 4.9 a fig. 10

Rozsah měření pístovými tlakoměry je od 0,05 do 2 000 MPa a i více. U vysokotlakých přístrojů je použito pákového převodu mezi pístem a závažím. Podrobnější popis ověřovacího zařízení s pístovým manometrem najde čtenář v návodech pro laboratorní cvičení.

U provozního pístového tlakoměru je kompenzační síla vyvozována pružinou. Výhodou tohoto přístroje je, že lze potlačit libovolnou část rozsahu použitím přídavného závaží.

Zvonový tlakoměr je nízkotlakou modifikací pístového tlakoměru. Měřený tlak působí na dno zvonu, který je ponořen do nádobky částečně naplněné kapalinou. Působí-li uvnitř zvonu přetlak, zvon se vynořuje. Rovnováha se zajišťuje buď působením tíhy závaží, deformací pružiny anebo změnou vztlaku. Podobně jako pístový tlakoměr může sloužit zvonový tlakoměr k ověřování a kalibraci tlakoměrů, v tomto případě s rozsahem do 1 000 Pa.

Tlakoměry elektrické

Do této skupiny jsou zařazeny takové snímače tlaku, které poskytují elektrický výstupní signál. Jedná se vesměs o moderní a perspektivní snímače doplněné moderními elektronickými vyhodnocovacími obvody.

Snímače s odporovými tenzometry

Odporový tenzometr je odporový senzor, u něhož se využívá tzv. piezorezistivního jevu. Při mechanickém namáhání v oblasti pružných deformací dochází u kovových vodičů nebo polovodičů ke změnám jejich elektrického odporu. Pružnými deformacemi rozumíme takové síly, které působí v mezích platnosti Hookova zákona a jsou zpravidla vyvolány tlakem nebo tahem. Při deformaci vodičů a polovodičů dochází ke změnám geometrických rozměrů a ke změnám krystalografické orientace, které vedou ke změně odporu.

Princip odporového tenzometrického snímače si ukážeme na deformaci odporového drátku o délce  l, průřezu  S  (průměru d) a měrném odporu  r, který je podroben účinku síly  F  tak, že se prodlouží o délku  Dl  (obr. 4.11).

fig. 4.11

Původní odpor vodiče  R = r l / S  se v důsledku působící síly změní o  DR, a to proto, že se změní jeho délka o  Dl, průřez o  DS  a vlivem strukturálních změn i měrný odpor o  Dr. Pro malé změny bude platit

eq. 4.8

Například při namáhání tahem se zvětšuje délka a při zachování objemu se zmenšuje průřez; odpor vodiče tedy roste. Uvažujeme-li relativní deformaci  e = Dl / l, pak pro relativní změnu odporu v oblasti pružných deformací je možno odvodit vztah

eq 4.9

kde je   k  koeficient deformační citlivosti, jehož velikost závisí na materiálu vodiče. Z hlediska měřicí techniky by měl být koeficient deformační citlivosti stálý, nezávislý na deformaci, teplotě a na technologické přípravě deformačního materiálu. Hodnota  k  v praxi se téměř vždy určuje experimentálně. Pro konstantan a některé druhy chromniklových slitin, jejichž teplotní závislost odporu je zanedbatelná, je hodnota  k = 2. Protože při vyhodnocování odporu tenzometru neměříme poměrnou změnu odporu, ale přímo diferenci  DR, která závisí na změně  Dl, je výhodné, aby délka  l  vodiče byla co největší. Proto se odporovým tenzometrickým snímačům dává tvar např. podle obr. 4.12a.

fig. 4.12

Kovové odporové tenzometry se zhotovují z odporových drátků průměru 0,02 až 0,05 mm, který je nalepen ve tvaru mnohonásobné vlásenky na tenký podklad z papíru nebo z plastické hmoty. Konce drátku jsou připájeny na tlustší vývody. Celý tenzometrický snímač se na měřenou součást přilepí speciálním lepidlem.

Tenzometrické snímače složitých tvarů (radiální, spirálové aj.) se dnes vyrábějí odleptáváním tenké odporové fólie, tj. shodným postupem s výrobou plošných spojů. Takto zhotovené fóliové tenzometrické snímače (obr. 4.12b) mají lepší vlastnosti než snímače drátkové.

Polovodičové tenzometry se vyrábějí z křemíku, a to buď řezáním, broušením či leptáním monokrystalu, nebo planární technologií na křemíkovém nebo jiném substrátu. Tenzometry z monokrystalu se buď lepí na fenolformaldehydovou podložku, nebo přímo na měřicí mechanický člen. Působením mechanického namáhání v určité krystalografické ose monokrystalu polovodiče nebo v difúzní vrstvě polovodiče dochází ke změně elektrické vodivosti. Změna odporu závisí na typu polovodiče i na koncentraci příměsí. Polovodičové tenzometry vykazují nelineární závislosti odporu na deformaci i na teplotě. Závislost relativní změny odporu na relativní deformaci se vyjadřuje obvykle vztahem:

eq. 4.10

Koeficient deformační citlivosti  k´  polovodičových tenzometrů je vzhledem k rovnici (4.9) vyjádřen vztahem:

eq. 4.11

U polovodičů typu p nabývá konstanta C₁ kladných hodnot a odpor tenzometru při namáhání tahem roste, u polovodičů typu n je  C₁  záporná a odpor při namáhání tahem klesá. Kombinací různých typů tenzometrů se mohou vytvářet můstky se zvýšenou citlivostí.

V porovnání s kovovými tenzometry jsou polovodičové mnohem citlivější. Koeficient deformační citlivosti dosahuje hodnot  k´ = 50 až 175. Nevýhodou je však odchylka od lineární charakteristiky a značná teplotní závislost. Při aplikaci polovodičových tenzometrů je tedy nutno vždy teplotní závislost kompenzovat vhodným zapojením měřicího můstku nebo pomocným obvodem. 

Polovodičové tenzometry se vyrábí ve formě pásků, získaných rozřezáním výbrusu monokrystalu křemíku (obr. 4.12c). Aktivní část, proužek z polovodiče se lepí vhodným lepidlem na plochu podléhající deformaci. Přívody jsou kovové. Polovodičové tenzometry se vyrábí i difúzní technologií, jak o tom bude pojednáno dále.

Pro vyhodnocení tenzometrických měření se používá nejčastěji zapojení tenzometrů do Wheatstoneova můstku. Vhodným umístěním tenzometrů na zařízení, jakož i vhodným uspořádáním tenzometrů do měřicího můstku, je možno zvýšit citlivost měření, potlačit nelinearitu snímače a potlačit vliv ovlivňujících veličin, zejména teploty. příklad základního zapojení je na obr. 4.13. V jedné větvi je tenzometrický snímač R_M, vystavený účinkům síly  F.  V druhé větvi je srovnávací tenzometr  R_S, kterým eliminujeme vliv teploty. Tento tenzometr musí mít stejné vlastnosti jako snímač  R_M, musí být nalepen v jeho blízkosti, aby měl shodnou teplotu, ale nesmí být mechanicky namáhán. Napájecí napětí můstku  U_n  může být jak stejnosměrné, tak střídavé.

fig. 4.13

Základním úkolem odporového tenzometru je, aby reagoval příslušnou změnou odporu na mechanickou deformaci vyvolanou působící silou. Velmi často využívaným zařízením je siloměrný člen, tvořený vetknutým nosníkem, na němž jsou nalepeny tenzometry, přičemž síla působí na volný konec nosníku (obr. 4.14). Působící silou je nosník namáhán v oblasti pružných deformací.

fig 4.14

Vlivem pružné deformace jsou povrchová vlákna nosníku namáhána na straně působící síly  F  tahem a na straně odvrácené tlakem. Tenzometr A se tedy natahuje a tenzometr B se smršťuje. Zapojením těchto tenzometrů do různých větví můstku dochází ke zvýšení citlivosti měření a současně ke kompenzaci teplotní závislosti odporu.

Odporových tenzometrů se používá k měření malých i velkých deformací, mechanických napětí, sil, momentů, namáhání a ostatních veličin, které můžeme převést na výše uvedené veličiny. Tenzometrů je tedy možno využít např. pro měření tlaku ve spojení s deformačními manometry nebo pro měření výšky hladiny a měření množství na základě tíhových účinků. Pro zjišťování směru měřeného mechanického napětí se používá více jednoduchých snímačů vzájemně úhlově pootočených.

Odporové tenzometry patří mezi snímače s vynikající přesností a velmi dobrými dynamickými vlastnostmi. Na údaj tenzometru působí však řada parazitních vlivů (např. teplota, velikost procházejícího proudu), které mohou ovlivnit přesnost měření.

Při provozním měření tlaků se využívá velmi často deformačních tlakoměrů. K dálkovému přenosu informace nebo pro automatické řízení jsou požadovány tlakoměry s elektrickým výstupním signálem a tuto funkci mohou plnit deformační manometry vybavené odporovými tenzometry, které slouží k převodu mechanického signálu na signál elektrický. Tlak plynu nebo kapaliny je snímán vlnovcem či membránou, která je spojena s pružným siloměrným členem. Příklad takového snímače tlaku s polovodičovými tenzometry je nakreslen na obr. 4.15.

fig. 4.15

Na každé straně nosníku siloměrného členu jsou nalepeny dva polovodičové tenzometry zapojené do měřicího můstku. Při působení síly, vyvolané účinkem tlaku, jsou tenzometry  R₁  a  R₂  namáhány na tah, tenzometry  R₃  a  R₄  jsou namáhány na tlak. V měřicím můstku jsou tenzometry zapojeny tak, že tenzometry namáhané stejným směrem jsou umístěny v protilehlých větvích můstku. Výsledná citlivost je potom čtyřnásobná ve srovnání s použitím jednoho tenzometru. Signál z diagonály můstku je zpracován zesilovačem na unifikovaný proudový výstup 0 až 20 mA.

Použitím různých siloměrných členů i deformačních elementů se dosahuje u snímačů tlaku s odporovými tenzometry měřicích rozsahů např. 0 - 10 kPa až 0 - 40 MPa. Na stejném principu pracují i snímače diferenčního tlaku, u kterých je měřicím prvkem membrána.

Vedle snímačů tlaku s lepenými tenzometry se vyrábí i snímače s polovodičovými tenzometry, které se zhotovují difúzní technologií. Základem snímače tlaku s polovodičovými tenzometry difundovanými je čidlo, které je bezprostředním převodníkem tlaku na elektrický signál. Podstatnou součástí je kruhová křemíková membrána vetknutá do válcového pouzdra. Membrána, na jejímž povrchu jsou vytvořeny polovodičové tenzometry, je současně pružným elementem pro snímání tlaku. Osový řez membránou je schematicky znázorněn na obr. 4.16.

fig. 4.16

fig. 4.17

Podle nauky o pružnosti a pevnosti mluvíme o kruhové tenké membráně konstantní tloušťky vetknuté do obvodu a namáhané tlakem rovnoměrně rozloženým po celé ploše. Na obrázku je plně zakreslena membrána v nezatíženém stavu a čárkovaně ve stavu zatíženém tlakem  p.  V zatíženém stavu je možno na membráně identifikovat místa, kde jsou povrchová napětí v tlaku. Napětí povrchových vláken se měří tenzometricky.

Technologie výroby křemíkové tenzometrické membrány je obdobná technologii integrovaných obvodů. Průměr membrány činí asi  5 mm. Odpory na základní křemíkové destičce jsou vytvořeny planárně difúzní technologií. Přitom je pomocí difúze vpraveno na vymezená místa v křemíkové membráně určité množství dotační přísady a dojde tak ke vzniku difúzních odporů. Uspořádání difúzních odporů a povrchové kon­centrace difúzní vrstvy jsou voleny optimálně z hlediska citlivosti, teplotní závislosti a linearity. Difúzní odpory, orientované ve směru povrchových napětí, jsou vytvořeny jednak na obvodu, tj. v místech, kde dochází podle obr. 6.16 k namáhání tlakem a jednak ve středu membrány, kde dochází k namáhání tahem. Difúzní odpory jsou zapojeny do můstku, který je napájen konstantním proudem a jehož signál je napěťový. Lineární vztah mezi tlakem na membránu a mechanickým napětím je platný pouze pro deformace, které jsou malé ve srovnání s tloušťkou membrány.

Snímače tlaku s křemíkovou membránou s nadifundovaným systémem odporů se používají k měření přetlaku v rozsazích 0 - 0,16 MPa až 0 - 3 MPa. Tlakový senzor s tenzometry vytvořenými technologií tenkých vrstev je znázorněn na obr. 4.17. Měřené médium, které by mohlo mít nepříznivé účinky na měřicí membránu s tenzometry, působí na citlivý element nepřímo přes kovovou membránu a prostor vyplněný sili­konovým olejem.

Snímačů s polovodičovými tenzometry, vytvořenými vhodnou technologií na měřicí membráně, lze použít pro měření jak absolutního tlaku, tak i přetlaku, podtlaku či tlakové diference. Uspořádání je zřejmé z obr. 4.18.

fig. 4.18

Působí-li na křemennou destičku rovnoměrně rozložená síla  F_x  podél elektrické osy X (obr. 4.19), hovoříme o tzv. podélném piezoelektrickém jevu a náboj Q, vznikající na každé stěně, kolmé k elektrické ose, bude

eq. 4.12

kde  K_p  je piezoelektrická konstanta (piezoelektrický modul)  (C N^-1). Z rovnice (4.12) je vidět, že velikost nábojů, vznikajících při působení síly podél elektrické osy X, nezávisí na rozměrech krystalů. Působí-li na krystal síla  F_y  ve směru mechanické osy Y, vznikají náboje opět na plochách kolmých na elektrickou osu, avšak směr polarizačního vektoru je záporný a velikost náboje závisí na geometrických rozměrech krystalu. Hovoříme o tzv. příčném piezoelektrickém jevu. Velikost náboje  Q  je dána vztahem

eq 4.13

kde  b, a  jsou rozměry destičky (obr. 4.19).

Piezoelektrický modul křemene má poměrně malou hodnotu, avšak předností křemene je lineární statická charakteristika, nepatrná závislost piezoelektrické konstanty na teplotě, velký měřicí rozsah, který je dán mechanickou pevností krystalu a široké teplotní rozmezí (maximálně do 550 ˚C).

Piezoelektrický snímač je vytvořen z krystalového výbrusu, který je opatřen vodivými elektrodami. Snímač se při působení neelektrické veličiny chová jako generátor náboje. Představuje zdroj napětí s velkým vnitřním odporem, protože dielektrikum má značný izolační odpor. Náboj, vznikající při působení měřené veličiny, se převádí na napětí a ze vztahu (4.12) dostaneme

eq. 4.14

kde je  U  výstupní napětí snímače,  C  kapacita čidla včetně přívodů. Výstupní napětí snímače je poměrně vysoké, k měření však není možno použít přímo ukazovacího měřicího přístroje. Mezi měřicí přístroj a snímač je nutno zařadit zesilovač s velkým vstupním odporem, jehož hlavním úkolem je impedanční přizpůsobení, méně již vlastní zesílení signálu. Běžně se využívá obvodů realizovaných s tranzistory řízenými elektrickým polem.

Kapacitní snímače tlaku

Základem kapacitního snímače je dvou nebo víceelektrodový systém, jehož parametry se mění v důsledku působení měřené neelektrické veličiny. Uvažujeme-li jednoduchý deskový kondenzátor, bude pro jeho kapacitu  C platit

eq 4.15

kde je  S plochá elektrod,  d  vzdálenost elektrod,  e₀  permitivita vakua,  e'_r  poměrná permitivita. Působením neelektrických veličin se může u kapacitního snímače měnit vzdálenost mezi deskami, plocha desek nebo dielektrikum.

Pro měření tlaku se využívá kapacitního snímače, u něhož dochází ke změně vzdálenosti mezi deskami. Např. jedna elektroda kondenzátoru je pevná a druhá je tvořena membránou, jež mění svou polohu v důsledku působení měřeného tlaku. Uvažujeme-li, že ve vztahu (4.15) se mění je  d, a tím ostatní veličiny zahrneme do konstanty k₁, pak dostaneme

eq.4.16

Jak je patrno z průběhu charakteristiky na obr. 4.21, je průběh charakteristiky nelineární. Poněvadž se jedná o hyperbolickou závislost, budou změny kapacity, a tím i citlivost, největší při malých mezerách  d.

fig. 4.21

Na obr. 4.22 je membránový senzor tlaku, pracující na principu diferenčního kapacitního senzoru. Tento senzor se využívá při vyhodnocování tlakového rozdílu při měření průtoku tekutin škrticími orgány.

Elektrické vyhodnocovací obvody, které převádí změny kapacity na výstupní signál bývají doplněny obvody pro potlačení vlivů parazitních kapacit, které jsou způsobeny kapacitami kabelu, přívodů a stínicího krytu.

Fig. 4.22

Inteligentní převodníky tlaku

Inteligentní převodníky, často označované jako „smart-převodníky“ se v sou­časné době používají nejen u snímačů tlaku, ale i u dalších provozních veličin. Ačkoliv se inteligentní převodníky pro jednotlivé měřené veličiny v detailech liší, mají celou řadu vlastností společných a bude o nich ještě zmínka v kapitole o měření teploty. Většina inteligentních převodníků tlaku využívá senzorů s elektrickým principem a je charakterizována aplikací mikroprocesorů a miniaturních elektronických obvodů, které slouží pro ukládání důležitých údajů do paměti. Jedná se o údaje o měřicím rozsahu, kalibraci, nastavení signalizačních mezí apod. Software, využívaný pro řízení procesu měření, umožňuje i automatickou diagnostiku funkce zařízení, ukládání naměřených dat do paměti, vyhodnocování extrémních i průměrných hodnot atd. Důležitou vlastností inteligentních převodníků je jejich konfigurovatelnost podle požadavků uživatele. K dálkovému přenosu lze využít podle přání unifikovaného, analogového či digitálního signálu.

Inteligentní převodníky jsou prosté driftu nulové linie, perioda pro nutnou kalibrační kontrolu je výrazně delší než u klasických přístrojů. Zatím jsou cenově dražší, ale představují moderní technické prostředky řízení technologického procesu.

Zabudování a ověřování tlakoměrů

Při měření statického tlaku je nutno volit místo odběru tak, aby měřený tlak nebyl zkreslován dynamickou složkou tlaku proudícího prostředí. Odběrové místo na potrubí musí být dostatečně vzdáleno od rušivého vlivu armatur (ventily, kolena apod.); obvykle postačí vzdálenost rovná desetinásobku průměru potrubí. Stěna potrubí v místě odběru musí být hladká, odběrová trubka nesmí zasahovat dovnitř potrubí (obr. 4.23). U potrubí uloženého vodorovně a šikmo se u plynů odebírá tlak v horní části potrubí, u kapalin ze strany.

fig. 4.23

fig. 4.24

Při dálkovém měření se propojuje tlakoměr s místem odběru signálním potrubím, které je často nevhodně označováno jako impulsní potrubí. Doporučuje se potrubí o světlosti 6 až 10 mm. Potrubí nemá mít ostré ohyby a má být položeno tak, aby se zabránilo usazování kondenzátu při měření tlaku plynů a par nebo vytváření parních či plynových bublin při měření tlaku kapalin. Z toho důvodu musí mít signální potrubí vždy určitý spád, přičemž na nejnižším, resp. nejvyšším místě musí být odkalovací, resp. odvzdušňovací ventily. Délka signálního potrubí by neměla přesáhnout 50 m.

Při měření tlaku vodní páry při vysokých teplotách musíme zajistit, aby se pára nedostala do tlakoměru, který by se tím poškodil. Před tlakoměr se proto zařazuje kondenzační nádobka nebo kondenzační smyčka (obr. 4.23).

Při měření tlaku agresivních látek se používá oddělovacích nádobek naplněných oddělovací kapalinou anebo se k oddělení obou prostorů používá gumová oddělovací membrána (obr. 4.24).

Funkci provozních tlakoměrů je nutno pravidelně kontrolovat. Kalibrační kontrola statických charakteristik se provádí buď absolutní nebo srovnávací metodou. Při absolutní metodě se používá do tlaku 0,2 MPa a hydrostatických tlakoměrů či zvonového tlakoměru, pro vyšší tlaky se používají pístové tlakoměry. Při srovnávací metodě se používá etalonových tlakoměrů. Nejčastěji jsou to přesné deformační tlakoměry s třídou přesnosti 1; 0,6; 0,4; 0,25. Etalonové tlakoměry nemají u nuly kolík, o který se ukazovatel při odlehčení opřel. Ukazovatel musí po odlehčení ukazovat nulu. Při ověřování postupně přístroj zatěžujeme až na maximální hodnotu a potom odlehčujeme. Počet bodů proměřované charakteristiky je závislý na udávané přesnosti. U přístrojů o třídě přesnosti 0,6 se ověřuje 10 bodů, u méně přesných přístrojů 5 bodů. Jedním z kontrolovaných bodů musí být koncový bod stupnice.