Aktuální vydání

celé číslo

08

2021

Digitální transformace a konvergence provozních, informačních a inženýrských systémů

Výzkum, vývoj a vzdělávání v automatizaci

celé číslo

Snímače tlaku

Automa 4/2000

Ing. František Vdoleček, CSc.,
VUT v Brně – FSI, Ústav automatizace a informatiky

Snímače tlaku

Obr. 1.

1. Měření tlaku
Tlak je jednou ze základních fyzikálních veličin v technice. Pro potřeby běžné praxe je definován jako podíl elementární síly dF, působící ve směru normály na elementární kolmou plochu dSN:

p=dF/dSN   (Pa)

U tuhých látek nelze docílit, aby povrchy stykových ploch byly ideální, a tento vztah přechází v jistou formu střední hodnoty styčného tlaku a bývá nazýván měrným tlakem. S realizací výše uvedené definice nejsou naopak žádné problémy v tekutinách, ale zde se objevuje i jiné pojetí definice tlaku jako tlaku hydrostatického:

p=r·g·h   (Pa)

kde:
r je hustota tekutiny (kg·m–3),
g místní tíhové zrychlení (m·s–2),
h výška hladiny od měřeného místa (m).

Tlak je mezi ostatními fyzikálními veličinami jistou anomálií, protože na rozdíl od nich má dvě definiční metody měření. Principem provedení definiční metodu realizují tlakoměry kapalinové i pístové.

V proudících tekutinách navíc rozlišujeme tlak kinematický pk, a jsou-li stlačitelné, ještě tlak dynamický pd, pro něž platí:

pk=1/2r · w2, resp. pd = pk · s    (Pa)

V soustavě SI je základní jednotkou tlaku pascal (Pa).

Obr. 2.

Svůj název tato jednotka dostala po významném francouzském fyzikovi, matematikovi a filozofovi Blaise Pascalovi, který žil v letech 1623 až 1662. Protože pascal je jednotkou velmi malou, používá se v praxi zejména jejích násobků, což je kPa, MPa, v meteorologii je povoleno použít jednotku hPa (1 hPa = 102 Pa, což je vlastně jednotka co do velikosti totožná s 1 mbar, používaným v minulosti). V každodenní praxi se i u nás můžeme setkat se širokou škálou dalších jednotek, které ale z pohledu mezinárodních i našich norem již několik desetiletí není dovoleno používat. Podle nejnovějších harmonizovaných norem je vedle Pa povoleno používat pouze jednotku bar (1 bar = 1·105 Pa).

Z hlediska vyjádření můžeme tlak udávat vůči dvěma vztažným hodnotám, absolutní tlakové nule a atmosférickému tlaku. Podle tohoto kritéria můžeme hovořit o:

  • tlaku absolutním,
  • přetlaku,
  • podtlaku (vakuu),
  • tlaku rozdílovém (diferenčním).

Absolutní nulový tlak (absolutní vakuum) je teoretický nulový tlak v prostoru dokonale zbaveném jakýchkoli hmotných částic.

Absolutní tlak je tlak měřený k absolutní tlakové nule.

Barometrický (atmosférický) tlak je tlak vzduchu v daném místě a za skutečných podmínek (fyzikální hodnota normálního barometrického tlaku přepočtená na 0 °C na hladinu moře je 101 325 Pa).

Přetlak je rozdíl absolutního tlaku vyššího než barometrický tlak a barometrického tlaku.

Podtlak je rozdíl barometrického tlaku a absolutního tlaku, který je nižší než barometrický tlak. Malé podtlaky blízké barometrickému tlaku bývají často označovány jako tah.

Vakuum je ve fyzikálním pojetí označení pro jakýkoli tlak nižší, než je barometrický tlak.

Rozdílový tlak (tlaková diference) je rozdíl dvou tlaků, z nichž ani jeden se neshoduje s barometrickým tlakem.

Rozsah měřených tlaků se v technické praxi pohybuje v rozsahu 10–12 až 1012 Pa. Rozsah tlaků a použití příslušných tlakoměrů názorně ukazuje obr. 1.

2. Tlakoměry
Přístroje pro měření tlaku – tlakoměry – dělíme ze dvou základních hledisek. Prvním hlediskem je rozdělení podle jejich určení, druhé kritérium zohledňuje princip činnosti.

Obr. 3.

Podle určení dělíme tlakoměrné přístroje zpravidla na:

  • manometry – přístroje pro měření přetlaků,
  • barometry – přístroje výhradně určené pro měření barometrického tlaku,
  • vakuometry – přístroje pro měření podtlaků, přičemž přístroje pro měření malých podtlaků také často označujeme jako tahoměry,
  • manovakuometry – přístroje, které mohou měřit jak podtlaky, tak přetlaky.

Princip činnosti rozděluje tlakoměry rovněž do čtyř základních skupin.

Kapalinové tlakoměry jsou měřidla, která ke své činnosti využívají tlakoměrnou kapalinu a v principu se opírají o definici hydrostatického tlaku. Tlakoměrnou kapalinou je nejčastěji rtuť, voda, líh, popř. další speciální kapaliny. Podstatnou vlastností, která ovlivňuje možné použití a zejména rozsah přístroje, je hustota kapaliny.

Pístové tlakoměry jsou další skupinou tlakoměrů, která splňuje definiční rovnici tlaku, tentokrát ve tvaru prvního definičního vztahu. Přístroje většinou využívají kompenzační metodu a pracují na principu vyrovnání tlakové síly, která působí na jedné straně pístu, s vnější silou, která je vyvolána pružinou či závažím.

Deformační tlakoměry jsou v běžné technické praxi nejrozšířenější. Jejich základem je deformační prvek – tlakoměrná pružina v podobě trubice, membrány, krabice či vlnovce. Této skupině se budeme v dalším textu věnovat podrobněji.

Elektrické tlakoměry. Přístrojů, které přímo využívají elektrických vlastností, resp. přímé závislosti mezi tlakem a některou elektrickou veličinou, je sice široká škála, ale význam pro praxi mají především ty z nich, jež svým použitím obsáhnou extrémní hodnoty tlaků. Používají se k měření velmi vysokých přetlaků nebo naopak extrémního vakua, což jsou vysoce specializované oblasti použití.

2.1 Tlakoměry kapalinové
Jak již bylo uvedeno, jsou to přístroje, které využívají hydrostatického tlaku sloupce kapaliny. Jejich použití je tedy značně omezeno. Rozsah měření je závislý především na hustotě použité kapaliny. Hustoty některých kapalin jsou v tab. 1. Jistou nevýhodu představuje velký rozdíl hustot rtuti a vody. Další nevýhodou je to, že líh je těkavý a rtuť jedovatá. Jedovatost kapalné rtuti i jejích par v současné době značně omezuje její použití. Problémy způsobují také kapilární jevy i výrazná teplotní závislost hustoty.

Své místo tyto přístroje nyní mají především v metrologických laboratořích, protože splňují jednu z definičních rovnic tlaku při definování jednotek a kalibrační návaznosti měřidel. Nezastupitelné jsou rovněž jako přesné barometry. Většinou je známe jako nádobkové přístroje, U manometry, kompenzační mikromanometry, zvonové, prstencové a plovákové manometry či manovakuometry, kompresní vakuometry a samozřejmě jako nejrůznější provedení barometrů. Mnohé mají své nezastupitelné místo v metrologii tlaku, ale potkáváme je i v jiných laboratořích.

V každodenní praxi jsme i v automatizačních aplikacích dříve vídali především přístroje plovákové a prstencové, ale v současné době je až na výjimky plně nahradily modernější tlakoměry, zejména deformační přístroje s elektrickým výstupem.

Obr. 4.

2.2 Tlakoměry pístové
Stejně jako předešlá skupina tlakoměrů, i pístové přístroje si udržují své postavení především ve výkonné metrologii. Většina etalonových přístrojů a kalibračních zařízení je postavena právě na bázi pístových tlakoměrů. Dosahují velké přesnosti až v řádech setin procenta, a proto jsou vhodné právě k těmto aplikacím, avšak současně pro náročnost na přesnost výroby pístu a válce i jejich vzájemného těsnění za provozu jsou to přístroje velmi nákladné. V běžné praxi se v masovém měřítku stále používají především jako kontrolní měřidla tlaku nahuštění pneumatik. Tyto přístroje pracují výchylkovou metodou a tlaková síla na jedné straně pístu je vyrovnána stejným silovým účinkem stlačené pružiny na jeho druhé straně.

2.3 Tlakoměry deformační
Deformační tlakoměry jsou nejrozšířenějšími měřidly tlaku v technické praxi. Používají přesně definovaný deformační člen, jehož výchylka, resp. deformace, je úměrná působícímu tlaku. Vhodnou volbou tvaru, rozměru a dalších parametrů lze dosáhnout toho, že funkční závislost je lineární nebo linearizaci umožňuje. Podle použitého deformačního členu je dělíme do čtyř základních skupin. Zjednodušené provedení ukazuje obr. 2.

Základem trubicových tlakoměrů je trubice nekruhového průřezu, nejčastěji stočená do kruhového oblouku. Po přivedení přetlaku dovnitř trubice se ta nejprve snaží oválný, event. oválu podobný průřez změnit na průřez kruhový a přitom se současně napřimuje kruhový oblouk. Výchylka konce trubice je převedena na výchylku ručičky nebo na signál pro dálkový přenos. Nejčastější použití těchto snímačů je v rozsazích 103 až 1010 Pa.

Membránové tlakoměry využívají membrány, kruhové desky vetknuté po svém obvodu, k převodu tlaku na průhyb jejich středu. Mohou být s vlastní tuhostí (např. kovové) a s nevlastní tuhostí (nejčastěji pryžové). U membrán s nevlastní tuhostí je charakteristika definována vnější silou, dodanou např. deformací (stlačením) pružiny, jež se opírá o vyztužený střed membrány.

Membrány s vlastní tuhostí vyrovnávají účinek tlaku svou pružnou deformací. Jen výjimečně jsou to rovinné desky, protože ty vykazují značnou nelinearitu a rovněž se u nich potýkáme s tzv. lupáním při průchodu membrány nulovou polohou. Oba nedostatky odstraňuje soustředné zvlnění membrán. Velkými výhodami membránových tlakoměrů je jejich snadná aplikace pro měření všech druhů tlaku a rovněž snadné a spolehlivé převádění výchylky středu membrány na elektrický signál. Membrány jsou základem většiny diferenčních manometrů a jejich rozsah použití se zpravidla pohybuje v rozmezí 102 až 108 Pa.

Obr. 5.

Krabicové tlakoměry jsou vytvořeny spojením dvou membrán. Tím se mimo jiné ve srovnání s jednoduchou membránou zdvojnásobí průhyb středu dna krabice. Měřený tlak se většinou přivádí dovnitř krabice. Krabicové tlakoměry jsou velmi vhodné i pro měření malých podtlaků, popř. technického vakua, zejména u sériového řazení několika krabic v tzv. krabicový měch.

Jinou variantou uspořádání je aneroidní systém. V tomto uspořádání je vzduchotěsně uzavřen prostor krabice, z níž byl odčerpán vzduch, a bylo v ní tak dosaženo extrémního vakua, blízkého absolutní tlakové nule. Měřený tlak působí vně krabice a tlakoměr pracuje jako měřidlo absolutního tlaku, popř. deformační barometr.

Vlnovcové tlakoměry mají za základ vlnovec, který býval zejména v minulosti označován jako „kovový měch“. Výhodou těchto přístrojů je to, že při vhodném tvarovém a materiálovém provedení lze dosáhnout lineární charakteristiky. Vlnovcové tlakoměry se z tohoto důvodu častěji než pro měření používaly jako součásti regulačních pneumatických systémů. V praxi jsou často kombinovány v měřicích systémech, převodnících i samostatných regulátorech s pákovými převody a přídavnými vnějšími pružinami. Pracují většinou v rozsazích tlaků 103 až 106 Pa.

2.4 Elektrické tlakoměry
Tyto tlakoměry mají z pohledu automatizace velkou výhodu v tom, že využívají přímé funkční závislosti mezi tlakem a elektrickou veličinou a díky tomu mohou dosahovat větší přesnosti než měření nepřímá, kdy může být přesnost čidla zkreslena použitým převodníkem. Přímé závislosti elektrických veličin ale nevyužijeme v běžných rozsazích přetlaků, ale pouze u speciálních odporových manometrů pro tlaky řádově kolem stovek megapascalů.

Mnohem širší škálu elektrických manometrů nalezneme v oblastech extrémního vakua. Příkladem může být ionizační vakuometr, nejvhodnější pro měření absolutních tlaků 10–6 až 10–12 Pa. Jeho výhodou, podobně jako u mnoha dalších elektrických tlakoměrů, je lineární závislost. Mřížkový proud Ig je přímo úměrný absolutnímu tlaku pa. Schematicky ukazuje ionizační vakuometr, konstrukcí velmi podobný elektronce, obr. 3.

3. Tlakoměry v automatizaci
V automatizačních aplikacích se uplatňují taková měřidla, která jsou upravena pro dálkový přenos signálu, popř. obsahují další obslužné obvody, které je určují k použití v automatizačních systémech. Protože většina řídicích systémů je v současné době postavena na elektronickém základě, budeme i po tlakoměrech požadovat elektrický, popř. digitální výstup. V některých speciálních případech, kdy má být systém použit např. v prostředí s nebezpečím výbuchu, můžeme požadovat i výstup v podobě unifikovaných pneumatických signálů.

Obr. 6.

3.1 Tlakoměry s elektrickým výstupem
Přístroje této skupiny bývají často ne zcela správně označovány jako elektrické tlakoměry. Ve skutečnosti bychom je správněji měli nazývat deformační tlakoměry s elektrickým výstupem. Základem je některý z deformačních tlakoměrných členů, nejčastěji membrána, někdy také trubice nebo krabice. Příklad uspořádání modulu senzorů tlakoměru 3051C SMART je na obr. 4. Posunutí (průhyb) měrného bodu tlakoměrné pružiny je pomocí jednoduchého mechanicko-elektrického převodníku přetransformováno na unifikovaný elektrický signál. Ve většině případů je to proudový výstup 4 až 20 mA (výjimečně ještě i 0 až 20 mA), popř. 0 až 10 V DC.

Co se týče principu, lze využít téměř všech dostupných principů elektrických aktivních i pasivních převodů. U trubicových manometrů je častým řešením prodloužená hřídelka ručičky spojená s odporovým potenciometrickým vysílačem. U membrán je možné s výhodou převádět průhyb jejich středu pomocí indukčních, indukčnostních (obr. 5), kapacitních nebo potenciometrických snímačů posunutí. Tam, kde měříme dynamické změny tlaků, se s výhodou uplatní piezoelektrické převodníky.

Nejrozšířenější úpravou je ale aplikace tenzometrů. Odtud také plynou nesprávné, často nejen obchodní názvy tlakoměrů mnoha dodavatelů, které nesou označení „tenzometrické manometry“. Přitom i zde je zachován základ v podobě deformované tlakoměrné membrány, popř. krabice. Ta je opatřena tenzometrickým můstkem (úplným nebo polovičním) z drátkových nebo polovodičových tenzometrů.

Nevýhodou snímačů tlaku využívajících tenzometrů je především nízká úroveň výstupního signálu, protože rozvážení tenzometrického můstku dosahuje hodnot řádově µV/V až mV/V. U mnohých typů je tato nevýhoda odstraněna vestavěným předzesilovačem, takže snímač dává výstupní signál v úrovni vhodné k přenosu.

Další nevýhodou je značná citlivost na vliv prostředí a potřeba profesionálně nalepit drátkové či fóliové tenzometry. Posledně jmenovaný nedostatek by připadal v úvahu pouze u amatérských úprav senzorů; firmy dodávající tenzometrické snímače tlaku mají tuto technologii dokonale zvládnutu. Často jsou jednotlivé měřicí rezistory tenzometrů, popř. další čidla parametrů prostředí, především teploty, vytvářeny vakuovým naprašováním přímo na kovovou membránu.

V poslední době se do popředí dostávají nové typy snímačů, které kovovou membránu nahrazují membránou křemíkovou. Na té je technologií výroby polovodičové elektroniky přímo nanesen příslušný můstek včetně korekčních teploměrů. Nevýhodou těchto snímačů je malá odolnost proti dynamickému přetížení.

Stále častěji se setkáváme i s využitím vláknové optiky. Základem snímačů s vláknovou optikou je opět membrána, která při své deformaci zasouvá clonku mezi dva konce optických vláken, popř. přímo deformuje optický kabel a tím mění některý charakteristický parametr světelného paprsku. Vzhledem k celkovému pojetí vláknové optiky musejí být průhyby membrány velmi malé. Tak lze vytvořit velmi spolehlivé tlakové spínače, kdy posunutá clonka přeruší světelný paprsek, a spínač změní svůj stav.

Obr. 7.

3.2 Inteligentní přístroje
V současné době se stále více uplatňují tzv. inteligentní snímače, které jsou známější pod označením SMART (chytrý). Tyto snímače v sobě sdružují velké množství funkcí. Od předchozí skupiny se odlišují především tím, že obsahují procesor a kromě analogových i číslicových převodníků jsou doplněny rovněž příslušnou pamětí, v níž mohou být uloženy korekční a kalibrační tabulky. Snímač tlaku bývá rovněž doplněn měřením a korekcí vlivů teploty, popř. dalších parametrů prostředí, takže výsledky lze velmi výrazně zpřesnit.

Tlakový snímač SMART zpravidla umožňuje vybrat mezi režimem měření absolutního tlaku, přetlaku či tlakové diference. Dovoluje plynule nastavit nulu a měnit rozsah. Přitom veškeré operace nejsou realizovány mechanicky, ale programově, buď pomocí speciálního softwaru prostřednictvím nadřízeného počítače, nebo pomocí speciálního ručního komunikátoru. Toto vše samozřejmě také zvyšuje cenu těchto měřidel. Co takový snímač obsahuje, ukazuje blokové schéma na obr. 6. Příklad inteligentního snímače pro procesní výrobu je na obr. 7. Je to snímač 3051C SMART firmy Fisher-Rosemount. Výhodou je široký výběr výstupních veličin, při použití patřičného programového vybavení snadné přeprogramování výstupů, obsáhlá paměť pro korekce a upřesnění výsledků atd. V podstatě jedinou nevýhodou je několikanásobně vyšší cena oproti předchozí skupině snímačů s jednoduchým elektrickým výstupem. V této ceně zaplatí zákazník nejen veškerý komfort měření, širokou nabídku funkcí, lokální zobrazení i dálkový přenos dat, vysokou třídu přesnosti měření, ale rovněž dostatečné krytí použité elektroniky vůči vlivu průmyslového prostředí.

4. Závěr
Článek svým rozsahem nemohl postihnout celou šíři měření tlaku ani škálu nejrůznějších typů měřicích přístrojů a snímačů tlaku. Cílem bylo pouze základní uvedení do problematiky obsažené v tomto čísle časopisu AUTOMA. Bližší podrobnosti mohou čtenáři nalézt ve specializovaných firemních článcích. Zájemcům o obecnou problematiku měření tlaku lze mimo množství dalších publikací doporučit i tituly uvedené v seznamu literatury.

Tab. 1. Základní tlakoměrné kapaliny

Kapalina Hustota při 0 °C r0 (kg·m–3) Hustota při 20 °C r20 (kg·m–3)
líh (C2H6O) 806,3 789,0
voda (H2O) 999,8 998,0
rtuť (Hg) 13 595,0 13 546,0

Literatura:

[1] CHUDÝ, V. – PALENČÁR, R. – KUREKOVÁ, E. – HALAJ, M.: Meranie technických veličín. Bratislava, Vydavatelstvo STU 1999.

[2] JENČÍK, J. – KUHN, V.: Technická měření ve strojnictví. Praha, SNTL 1982.

[3] SLÁDEK, Z. – VDOLEČEK, F.: Technická měření. Brno, Nakladatelství VUT 1992.

[4] ŠINDELÁŘ, V. – SYNÁČ, J. : Tlak, jeho měření a jednotky. Praha, Vydavatelství Úřadu pro normalizaci a měření 1988.

[5] ŠINDELÁŘ, V.: Současná struktura Mezinárodní soustavy jednotek SI. Metrologie, 4/1999, s.13-27.

[6] ČSN – ISO 31. Veličiny a jednotky.