Snímače V

Střední odborná škola Otrokovice

www.zlinskedumy.cz

Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je ing. František KociánDostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR.

Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze.

Charakteristika DUMNázev školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice

Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /7

Autor Ing. František Kocián

Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-PE-Am/2-EL-3/18

Název DUM Snímače VStupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání

Kód oboru RVP 26-41-L/52

Obor vzdělávání Provozní elektrotechnika

Vyučovací předmět Automatizace

Druh učebního materiálu Výukový materiál

Cílová skupina Žák, 19 – 20 let

Anotace

Výukový materiál je určený k frontální výuce učitelem, případně jako materiál pro samostudium, nutno doplnit výkladem, náplň: Snímače hladiny, ultrazvukový snímač, radarový snímač, ionizační snímač, reflektometrický snímač hladinysnímače hladiny s radioaktivním zářičem

Vybavení, pomůcky Dataprojektor

Klíčová slova Snímače hladiny, ultrazvukový snímač, radarový snímač , ionizační snímač, reflektometrický snímač hladiny, snímač hladiny s radioaktivním zářičem

Datum 29. 8. 2013

Náplň výuky

Snímače hladinyUltrazvukový snímačRadarový snímač Ionizační snímačReflektometrický snímač hladinySnímače hladiny s radioaktivním zářičem

Snímače V

Ultrazvukový snímač hladinySkládají se z vysílače ultrazvuku, přijímacího měniče vysokofrekvenčních paprsků a vyhodnocovací elektroniky vesměs na úrovni inteligentních snímačů. Odrazový ultrazvukový hladinoměr měřící kontinuálním způsobem je založen na měření časového intervalu mezi vysláním impulzu ultrazvukového vlnění a přijetím tzv. odraženého echa, tj. impulzu po odrazu od hladiny. Vysílač s úzkou vyzařovací charakteristikou i přijímač jsou umístěny buď nad hladinou nebo na dně nádoby. Vzdálenost L měřené hladiny od snímače (vysílač i přijímač v jednom pouzdře) lze určit z doby průchodu „t“ ultrazvukové vlny při známé rychlosti šíření ultrazvuku „c“ vrstvou měřené kapaliny, popř. prostředím nad hladinou kapaliny nebo sypké látky o výšce „h“.

Ultrazvukový snímač hladinyOvlivňující veličiny: hustota prostředí, teplota přítomnost míchadla, pěna na hladině

Obr. 1 : Princip ultrazvukového snímač e

Obr. 2: Cesta ultrazvukového signálu

Ultrazvukový snímač hladinyVýhody: nemají pohyblivé součásti bezkontaktní spojité měření možnost měření hladiny i znečištěných kapalin, kašovitých a pastovitých hmot v otevřených i uzavřených nádobách a jímkách nezávisí na elektrické vodivosti a dielektrických vlastnostech materiálu kompaktní provedení snímačů, jednoduché nastavení a údržba přesnost měření v řádu desetin % měřicího rozsahu rozlišovací schopnost je až 1 mmNevýhody: ovlivnění signálu prašné materiály, těžké páry turbulentní povrchy hladiny pěna a okolní znečištění nelze použít pro měření ve vakuu

Radarový snímač hladinyFunkční princip analogie ultrazvukových hladinoměrů využití odrazu mikrovlnných vln od měřené hladinyRADAR - Radio Detecting And RangingPrincipy radarového měření hladiny: metoda časová (pulzní) metoda frekvenční (rozmítaný spojitý signál)Mikrovlnné záření frekvence vyšší než asi 2 GHz (vlnová délka kratší než asi 0,15 m) příklady využití mikrovln v rozsahu 2 až 120 GHz družicová komunikace a vysílání rozhlasu a televize mikrovlnné trouby (2,45 ± 0,05 GHz) lodní a letecké radary měření rychlosti vozidel v silničním provozu měření hladiny v průmyslu

Radarový snímač hladinyRadarové snímače hladin lze rozdělit do dvou skupin:a. Bezkontaktní (pulzní nebo se spojitým frekvenčně modulovaným vf.

signálem).b. Kontaktní (reflexní).Měření hladiny pulzním radarem elektromagnetické vlnění je vysíláno anténou v podobě krátkých

impulzů na rozhraní dvou prostředí (na hladině) se vlna částečně odrazí zpět a částečně prochází do druhého prostředí z časového údaje mezi vyslanou a přijatou vlnou se stanoví vzdálenost

c – rychlost šíření mikrovln [ms-1]t – čas [s]L – vzdálenost [m]

Obr. 3: Radarový snímač hladiny

Radarový snímač hladinyRadar s rozmítaným spojitým signálemMetoda frekvenční – FMCW elektromagnetické vlnění je vysíláno spojitě frekvence vysílaného signálu je modulována (obvykle pilovitě) přijímaný signál je směšován s vysílaným a hodnota mezifrekvenčního kmitočtu je mírou vzdálenosti cíle

Obr. 4: Radar s rozmítaným spojitým signálem

Radarový snímač hladinyMetoda frekvenční – FMCW přijímaný odražený signál je proti vysílanému zpožděn o dobu potřebnou k průchodu vlnění po dráze od vysílací antény k hladině a zpět při příjmu signálu o frekvenci f0 vysílá anténa signál o frekvenci f1

diferenci Δ f = f1 − f0 odpovídá Δ t = t1 − t0 pro vypočet vzdálenosti rozdíl frekvence (řádově v kHz) je možno stanovit velmi přesně

Obr. 5: Frekvenční metoda měření radarem

Radarový snímač hladinyAplikační možnosti radarových snímačů• vhodné pro měření médií s relativní permitivitou ε > 2• materiálem s nízkou permitivitou (izolanty např. oleje) mikrovlnnézáření proniká a odráží se až od rozhraní s vyšší permitivitou(dno nádoby)• parazitní odrazy od stěn či míchadla se odlišují softwarově• vysoká přesnost měření (až ± 1 mm)Výhody: vysoká přesnost, spolehlivost bez pohyblivých mechanických součástí bez kontaktu s měřenou látkou (neinvazivní metoda) možnost využití při náročných provozních podmínkách (vysoká teplota, přetlak i vakuum, mlha, agresivní prostředí)Nevýhody: nevhodné pro měření medií s nízkou permitivitou poměrně vysoká cena

Reflektometrický snímač hladiny zvláštní skupinu mezi mikrovlnnými hladinoměry tvoří zařízení s vedeným mikrovlnným signálem (reflektometrické nebo reflexní radarové hladinoměry) mikrovlny jsou "vedeny" tělesem z pevného materiálu (tyčí, lanem, koaxiál), které je ponořeno do média v rovině hladiny dochází k odrazu mikrovlnného záření intenzita odraženého signálu závisí na permitivitě média vyhodnocuje se časový rozdíl mezi vysláním impulsu a přijetím impulsu

odraženého tento princip se nazýváTDR – Time Domain Reflection

Obr. 6: Reflektometrický snímač hladiny

Reflektometrický snímač hladinyVlastnosti reflektometrických hladinoměrůVýhody impulsy se šíří po vedení, nejsou tlumeny prostředím na přesnost měření nemá vliv prach, páry, pěna, teplota ani tlak je možno měřit kapaliny i práškové a granulované materiály lze použít i pro měření rozhraní dvou kapalin signál není ovlivňován falešnými a vícenásobnými odrazy vysoká spolehlivost a opakovatelnost měření možnost aplikace při teplotách od –50 do +200 °C a tlaku od -0,1 do 10 MPaNevýhoda kontakt antény s měřeným médiem

Snímače hladiny s radioaktivním zářičemprincip:– měření zeslabení svazku ionizujícího záření při jeho průchodu monitorovaným hmotným prostoremradioaktivní zářiče:– zdroje gama záření (proniká materiálem, nevyvolává jeho radioaktivitu)– izotopy s delším poločasem rozpadu, např. Co60, Cs137, aby nebylo nutno často kalibrovatdetektory– Geiger-Müllerův detektor, scintilační detektory s fotonásobičem

Obr. 7: Snímače hladiny s radioaktivním zářičem

Snímače hladiny s radioaktivním zářičemPoužití radioizotopových hladinoměrů měření hladiny kapalin i sypkých látek, viskózní média v náročných provozních podmínkách, u nichž jiné metody nevyhovují: vysoké teploty, velmi vysoké tlaky nebo vakuum vysoká agresivita či toxicita pracovního média vysoká prašnost, vibrace nádobyVýhody: bezkontaktní měření (montáž vně nádrže) nezávislost na teplotě nezávislost na tlaku a jeho změnách nezávislost na změnách chemického složení média minimální poruchovost i ve ztížených podmínkáchNevýhody: nutnost ochrany před radioaktivním zářením povinnost zajištění kontroly ve smyslu zákona 18/97 Sb.

Snímače hladiny

Výběr vhodného typu snímače hladiny• fyzikální a chemické vlastnosti měřeného média• charakter okolního prostředí a podmínky měření• požadavek na spojité či nespojité snímání stavu hladiny• účel měření– signalizace mezních stavů– regulace úrovně hladiny– zjišťování množství náplně (bilanční účely)• měřicí rozsah• požadovaná přesnost• cena zařízení

Kontrolní otázky:1. Ultrazvukový snímač hladiny?

a) Skládají se z vysílače ultrazvuku, přijímacího měniče vysokofrekvenčních paprsků a vyhodnocovací elektroniky.

b) Založeny na využití principu Ohmova zákona.c) Prvkem na měření je membrána kruhového tvaru uložená mezi příruby komory .

2. Měření hladiny pulzním radarem ?d) Měřicím principem je využití tlakové závislosti odporu. e) Měřená veličina je výstupní vysoká frekvence. f) Elektromagnetické vlnění je vysíláno anténou v podobě krátkých impulzů

3. Radioaktivní zářiče ?

a) Zdroje gama záření (proniká materiálem, nevyvolává jeho radioaktivitu)

b) K měření přetlaků i podtlaků

c) K měření teploty kapaliny

Kontrolní otázky – řešení 1. Ultrazvukový snímač hladiny?

a) Skládají se z vysílače ultrazvuku, přijímacího měniče vysokofrekvenčních paprsků a vyhodnocovací elektroniky.

b) Založeny na využití principu Ohmova zákona.c) Prvkem na měření je membrána kruhového tvaru uložená mezi příruby komory .

2. Měření hladiny pulzním radarem ?d) Měřicím principem je využití tlakové závislosti odporu. e) Měřená veličina je výstupní vysoká frekvence. f) Elektromagnetické vlnění je vysíláno anténou v podobě krátkých impulzů

3. Radioaktivní zářiče ?

a) Zdroje gama záření (proniká materiálem, nevyvolává jeho radioaktivitu)

b) K měření přetlaků i podtlaků

c) K měření teploty kapaliny

Seznam obrázků:

Obr. 1: Princip ultrazvukového snímače [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/predn/txt-Mgr/5-FPBT09-Hladina.pdfObr. 2: Cesta ultrazvukového signálu [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/predn/txt-Mgr/5-FPBT09-Hladina.pdfObr. 3: Radarový snímač hladiny [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/predn/txt-Mgr/5-FPBT09-Hladina.pdfObr. 4: Radar s rozmítaným spojitým signálem [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/predn/txt-Mgr/5-FPBT09-Hladina.pdfObr. 5: Frekvenční metoda měření radarem [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/predn/txt-Mgr/5-FPBT09-Hladina.pdfObr. 6: Reflektometrický snímač hladiny [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/predn/txt-Mgr/5-FPBT09-Hladina.pdfObr. 7:Snímače hladiny s radioaktivním zářičem [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/predn/txt-Mgr/5-FPBT09-Hladina.pdf

Seznam použité literatury:

[1] Automatizace [online]. [cit. 6.7.2013]. Dostupné z: http://web.spscv.cz/~madaj/skra4.pdf

[2] CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., 2009 ISBN: 978-80-251-2523-6

[3] NĚMEC, Z., Prostředky automatického řízení (Elektrické), Skripta VUT Brno 2002

[4] JENČÍK, J., VOLF,J., a kol., Technická měření, Skripta ČVUT 2003

[5] GARZINOVÁ, R., Prvky řídících systémů, Skripta VŠB-TU Ostrava 2012

[6] Měření výšky hladiny [online]. [cit. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/F4/F4k44-hlad.htm

Děkuji za pozornost