Snímače – Základní pojmy
Snímače – Základní pojmy
Snímače (senzory) jsou základní prvky informující o stavu a činnosti technického zařízení. Převádějí zvolenou technickou veličinu na vstupu na tzv. měronosnou veličinu na svém výstupu. Snímače tím tvoří vazební členy mezi technickým zařízením a jeho řídicím systémem.
Měření veličin
Technická veličina na vstupu snímače může být měřena dvěma způsoby:
A) Přímo
Na základě definice veličiny (např. měření objemu kapaliny v nádobě pomocí kalibrovaného měřítka, měření délky posuvným měřítkem).
B) Nepřímo
Nepřímé metody vycházejí ze známé jednoznačné funkční závislosti měřené veličiny na jiné měřené veličině.
Příklady nepřímého měření:
- Průtok z tlakové diference na škrticím orgánu (Venturiho trubice, clona, rotametr)
- Teplota z měření elektrického odporu (RTD, termistor)
- Hladina z hydrostatického tlaku
- Rychlost z Dopplerova jevu
- Vlhkost z kapacity dielektrika
Důvod transformace: Snazší zpracování transformované veličiny ve srovnání s původní měřenou veličinou. Přímé měření je často nepraktické, nepřesné nebo nemožné v reálném čase.
Měronosné veličiny
Nejčastěji se pro zpracování signálů snímačů užívají elektrické veličiny, méně často veličiny mechanické.
Elektrické veličiny
| Veličina | Typické použití | Příklady snímačů |
|---|---|---|
| Napětí | Termočlánky, fotodioda, Hallova sonda | Termočlánek, fotodioda, piezoelektrický snímač (s nabitím) |
| Proud | Fotodioda v režimu zkratu, fototranzistor | Fotodioda, fototranzistor, Hallův snímač |
| Odpor | Termistory (NTC/PTC), tenzometry, fotorezistory | Pt100, termistor, tenzometr, fotorezistor (LDR) |
| Kapacita | Kapacitní snímače hladiny, vzdálenosti, vlhkosti | Kapacitní snímač hladiny, kapacitní snímač vzdálenosti |
| Indukčnost | Indukční snímače polohy, LVDT, RVDT | Indukční snímač polohy, LVDT (Linear Variable Differential Transformer) |
Mechanické veličiny
- Pohyb / poloha – posuvné a rotační enkodéry, potenciometry
- Síla / krouticí moment – tenzometrické snímače síly, dynamometry
- Tlak – piezoelektrické, tenzometrické, kapacitní snímače tlaku
Důvody použití elektrických veličin
-
Dálkový přenos dat včetně jejich soustředění do jediného centra
- Signál lze přenést na velké vzdálenosti po kabelu (RS-232, RS-485, Ethernet, 4–20 mA)
- Centralizované zpracování v řídicím systému (PLC, DCS, SCADA)
-
Snadné provádění operací s elektrickými signály
- Analogové: zesilování, filtrování, sčítání, násobení, integrace, derivace
- Digitální: A/D převod, mikroprocesorové zpracování, komunikace
-
Možnost použití unifikovaného regulačního obvodu
- Standardizované signály (4–20 mA, 0–10 V, HART) umožňují výměnu snímačů bez změny řídicího systému
- Univerzální vstupní moduly PLC
-
Vysoká citlivost s použitím techniky zesilování elektrických signálů
- Bezdotyková měření (optické, kapacitní, indukční)
- Rychlá reakce elektrických snímačů (mikrosekundy)
- Měření malých veličin (nV, pA, fF)
Související poznámky
- Snímače – Konstrukce a blokové schéma – čidlo, zesilovač, zpětná vazba
- Snímače – Klasifikace – aktivní vs. pasivní snímače
- Snímače – Požadavky a vlastnosti – přesnost, dynamika, parazitní vlivy
- Snímače – MOC – mapa snímačů
- Zdroj:
snímače_úvod_zkráceno.docx(kapitola 3.1 Úvod)
Čidla (sensing elements / transdukce)
Čidlo je základní prvek snímače, který převádí měřenou (fyzikální) veličinu na veličinu dále zpracovatelnou zesilovačem (elektrickou, mechanickou, pneumatickou). Čidlo tedy realizuje transdukci – převod jedné formy energie/veličiny na jinou.
Typy čidel podle principu převodu
| Princip | Čidlo | Měřená veličina → výstup | Příklady |
|---|---|---|---|
| Termoelektrický | Termočlánek | Teplota → napětí (Seebeckův jev) | K, J, T typ termočlánky |
| Termorezistivní | RTD (Pt100/Pt1000), termistor (NTC/PTC) | Teplota → odpor | Pt100, NTC 10 kΩ |
| Piezoelektrický | Piezoelektrický krystal | Tlak/síla/zrychlení → náboj/napětí | Piezo snímač tlaku, akcelerometr |
| Piezorezistivní | Tenzometr (strain gauge) | Mechanická deformace → změna odporu | Tenzometr na kovové fólii, MEMS |
| Kapacitní | Kapacitní čidlo | Vzdálenost/hladina/vlhkost → kapacita | Kapacitní snímač hladiny |
| Indukční | Indukční čidlo, LVDT/RVDT | Poloha → indukčnost/vzájemná indukčnost | Indukční snímač polohy, LVDT |
| Optický | Fotodioda, fototranzistor, fotorezistor | Světlo → proud/odpor | Fotodioda, LDR |
| Magnetický | Hallova sonda, magnetorezistivní čidlo | Magnetické pole → napětí/odpor | Hallův snímač proudu/polohy |
| Elektrochemický | pH elektroda, plynový senzor | Koncentrace → napětí/proud | pH sonda, CO₂ senzor |
Aktivní vs. pasivní čidla
- Aktivní (generátorická) čidla – při působení měřené veličiny se chovají jako zdroj elektrické energie (termočlánek, fotodioda v režimu napětí, piezoelektrický krystal, indukční čidlo). Nepotřebují externí napájení.
- Pasivní (parametrická) čidla – účinkem měřené veličiny mění některý ze svých elektrických parametrů (odpor, kapacitu, indukčnost). Vyžadují externí napájení (měřicí proud/napětí). Příklady: termistor, tenzometr, kapacitní snímač.
Požadavky na čidlo
- Citlivost – velká strmost (dY/dX), aby bylo možné měřit malé změny vstupu
- Linearita – výstup co nejblíže ideální přímce (viz Snímače – Požadavky a vlastnosti)
- Stabilita – časová nezávislost parametrů (minimální drift)
- Selektivita – citlivost především na měřenou veličinu, minimální reakce na parazitní vlivy
- Rychlost odezvy – krátká časová konstanta
- Robustnost – odolnost vůči okolním podmínkám (teplota, vlhkost, vibrace)
Čidlo v blokovém schématu
Čidlo je prvním článkem měřicího řetězce: převádí měřenou veličinu na měřitelnou veličinu, kterou dále zpracovává zesilovač (s/bez zpětné vazby), filtrace, A/D převod a řídicí systém.
Blokové schéma snímače
Popis bloků:
- Čidlo – převádí měřenou veličinu na elektrickou (napětí, proud, odpor, kapacitu, indukčnost)
- Zesilovač – zesiluje slabý signál z čidla na použitelnou úroveň; se zápornou zpětnou vazbou stabilizuje přenosovou charakteristiku
- Zpětnovazební člen – určuje celkový přenos obvodu (1 / přenos zpětnovazebního členu), eliminuje vlivy nelinearity zesilovače
- Řídicí systém – PLC, DCS, SCADA – zpracování, vizualizace, řízení
Kompenzační a diferenční metody
- Kompenzační metoda – měřicí signál se porovnává s referenčním (standardním) signálem; snímač pracuje v nulovém bodě (minimalizace nelinearity)
- Diferenční metoda – snímač měří rozdíl dvou veličin (např. diferenční tlak, diferenční teplota); potlačuje společný rušivý vliv (common-mode rejection)
- Bridge (můstková) zapojení – Wheatstoneův můstek pro tenzometry, RTD; zvyšuje citlivost a potlačuje vliv teploty
