Měření kolem nás (24)
Ing. Martin Havlíček | Orbit Merret, spol. s r. o. | www.orbit.merret.cz
Digitální měřicí přístroje – 1
Měření elektrických veličin a jevů je stále se rozvíjející kategorie. Začátek měl základy v analogových přístrojích, dnešek je především digitální. Základem měření jsou snímače, které využívají velkou škálu různých principů a technik pro převod měřené veličiny na elektrický signál.
Základní princip elektrických měření
Svět měření je dnes rozdělen na analogové měření, měřicí metody a přístroje a na digitální měření. S jistou nadsázkou lze princip měření elektrických veličin popsat následovně: najdi vazbu proudu nebo napětí na veličinu, kterou měříš. Pak veličinu uprav na rozumný (rozuměj snadno měřitelný) rozsah nebo úroveň, odečti hodnotu na analogovém přístroji nebo digitalizuj odpovídající proud nebo napětí a na displeji si přečti výsledek.
Komponenty digitálního měřicího přístroje
Lze říci, že měřicí zařízení je možné charakterizovat jednoduchým schématem: Senzor → Převodník → Zařízení pro zpracování dat → Zobrazovací zařízení → Záznamové zařízení (volitelně). Pro digitální měřicí zařízení (přístroj) lze upřesnit, že obvykle obsahuje analogový senzor a analogově-digitální převodník (A/D převodník).
Měřená veličina je v kontaktu s primárním snímacím prvkem měřicího systému (senzorem). Tento senzor dává výstup v analogové formě. Výstupem primárního snímacího prvku může být elektrický signál jakékoliv formy – může to být napětí, frekvence nebo jiné elektrické napětí. Tento analogový výstup je poté převodníkem převeden na elektrický signál.
Elektrický signál v digitální podobě je dále zpracován podle povahy měření – podle toho, co má být měřeno, jako počet, velikost, detekce změny apod. Často jde o různé podoby čítačů. Do zpracování lze zahrnout i pokročilejší manipulace s daty, jako je průměrování, integrování, vzorkování, filtrování a různé typy analýz. Tuto funkci v jednodušších přístrojích řeší čítače, ve složitějších je to obvykle procesor, který umožňuje např. parametrizovat zpracování dat.
Snímače, senzory
Senzor je zařízení určené k měření určité fyzikální nebo technické veličiny nebo události. Tuto veličinu senzor převádí na signál, který lze dálkově přenášet a dále zpracovat v měřicích a řídicích systémech. Nejčastěji jde o elektrický signál (časový průběh napětí nebo proudu); jestliže měřená veličina není elektrická, hovoří se o elektrickém měření neelektrické veličiny.
Typickými senzory měřícími veličinu jsou teploměry, senzory síly, senzory vibrací, rychlosti, tlaku, radiace nebo vlhkosti.
Další skupinou jsou senzory událostí. Obvykle jde o detekci polohy, např. koncový spínač, ale také o detekci přítomnosti obrobku v zásobníku, detekci průchodu (průjezd automobilu, průchod osoby, průchod obrobku, uvolnění dopravníku apod.) či detekci kapaliny (déšť, přetečení, dosažení úrovně hladiny apod.). Nejjednodušším senzorem události jsou dva dráty, které se při ponoření do vody elektricky propojí. Takto lze detekovat vodu ve sklepě, úroveň hladiny ve studni nebo třeba naplnění jímky.
Naopak asi nejsložitějším senzorem je kamera a následná analýza obrazu, kdy je na obraze detekována událost (průchod, průjezd) nebo objekt zájmu a ten je dále analyzován na specifickou vlastnost. Příkladem může být detekce čistoty a celistvosti hrdla nádoby na plnicí lince nebo identifikace automobilu, nalezení místa s registrační značkou a rozpoznání čísla registrační značky. Dalším příkladem je identifikace osoby a rozpoznání jejího obličeje nebo jiných částí (např. duhovka, pohybové charakteristiky, papilární linie apod.). Pro ilustraci budou některé druhy senzorů popsány podrobněji.
Tab. 1. Porovnání vlastností snímačů různých principů – dosahy snímačů
Odporové snímače
Snímač polohy převádí změnu polohy sledovaného objektu na elektrický signál. Typické jsou odporové snímače polohy pro zjišťování změny lineární nebo úhlové polohy objektu, kdy se pohybem jezdce po odporové dráze mění odpor snímače. Sem patří i koncové spínače, kde pohybem dochází ke skokové změně odporu (zajímavostí je, že sem spadají i snímače stisknutí kláves na klávesnici).
Magnetické snímače
Mezi magnetické snímače polohy patří jazýčkové relé, kde se využívá silových účinků magnetického pole permanentního magnetu na jazýčky z magneticky měkkého materiálu zatavené do skleněné trubičky plněné inertním plynem. Sem se řadí také různé varianty využití Hallovy sondy (viz předchozí díly tohoto seriálu).
Velmi zajímavé je využití Wiegandova efektu, který je založen na Barkhausenově jevu. Heinrich Barkhausen v roce 1919 objevil nespojitosti ve změnách magnetizace. Přesněji jde o nespojitý vzrůst magnetizace feromagnetických látek při spojité změně intenzity vnějšího magnetického pole, způsobený náhlým přeorientováním vektorů magnetizace magnetických domén do jeho směru. Projevuje se drobnými „schody“ na magnetizační křivce. V Německu narozený John. R. Wiegand využil tento jev a podařilo se mu vyrobit drát ze slitiny 52 % kobaltu, 37 % železa a 10 % vanadu, jehož jádro a vnější část jsou díky metalurgickému zpracování magneticky opačné – jádro je magneticky měkké a obvod magneticky tvrdý. Tento drát při změně magnetického pole skokově změní svoji magnetickou polaritu, takže je-li v cívce, generuje v ní napěťový pulz. Nejčastěji se Wiegandův drát používal v prvních verzích magnetických karet, předchůdkyních dnešních čipových karet. Kombinací různé orientace drátků zalitých v kartě byla při průchodu magnetickým polem čtečky generována řada pulzů, takže karta byla schopna předat ucelenou číslicovou informaci.
V případě senzoru je Wiegandův drát zasunutý do cívky, na které se měří pulzní napětí, vznikající skokovou změnou polarity drátu. Jeho polarita se mění při změně polarity vnějšího magnetického pole. Výhodou je absence pohyblivých částí a schopnost funkce bez vnějšího napájení. Tímto senzorem je proto možné měřit např. počty otáček nebo průchodů.
Mezi magnetické snímače rovněž patří indukční snímače polohy, které převádějí změnu polohy na změnu vlastní nebo vzájemné indukčnosti. U transformátorových snímačů polohy se pohybuje jádro a tím se mění i výstupní napětí.
Další snímače
Množství principů, na kterých jsou založeny různé snímače a senzory, je obrovské. Do této části jsou zařazeny nejrůznější senzory a některé principy, na kterých jsou postaveny. Lze také říci, že senzorem může být většina přístrojů, které byly popsány v předchozích dílech. Buď přímo, kdy na vstup do převodníku jde výstup z přístroje, nebo nepřímo, kdy je snímač napojen na výstup z přístroje (např. na membránu barografu).
Elektrické snímače snímají elektrický proud, který je ovlivňován chemickými reakcemi nebo vzniká jako důsledek různých jevů. Příkladem může být senzor kyselosti (pH metr), který měří napětí, jež vzniká mezi referenční a měřicí elektrodou. Na měřicí elektrodu je přenášen náboj z iontů obsažených v roztoku. Referenční elektroda je oproti měřicí navržena tak, aby byla vzhledem k iontům v roztoku neutrální. Velikost elektrického potenciálu je přímo úměrná pH roztoku.
Zajímavý je detektor kyslíku, který využívá vznik elektrického proudu na základě chemické reakce. Zde jde o elektrogalvanický palivový článek založený na oxidaci olova. Proud z článku je úměrný množství měřeného kyslíku (obvykle ve vodě). Touto metodou lze měřit také parciální tlak kyslíku ve směsi (vzduch, heliokyslíkové směsi pro potápěče apod.). Důležité je, že tento palivový článek má omezenou životnost, podobně jako baterie.
Snímače tlaku mohou být založeny na odporovém principu měření (přenos průhybu měřicí membrány na odporovou dráhu), ale také na jiných principech. Velmi zajímavým principem je využití optiky – buď změna indexu lomu v optickém vlákně při jeho protažení způsobeném tlakem, nebo změna vlnové délky odráženého světla tenkým filmem citlivým na tah.
Velkou oblastí je snímání veličin s využitím piezoelektrického jevu, kdy mechanická změna rozměru snímače na základě tlaku nebo tahu generuje elektrické napětí na výstupu.
Tab. 2. Porovnání vlastností snímačů – odolnost vůči rušení
Zajímavost
K zajímavým senzorům, na kterých přímo závisejí lidské životy, patří senzor bublin. Jestliže se bubliny vyskytnou v tekutinách při mimotělním oběhu nebo infuzi, je život pacienta v ohrožení. Proto byly vyvinuty senzory bublin (spíše bublinek) využívající detekci ultrazvukem. Tyto senzory jsou schopny detekovat bublinky už od velikosti jednoho mikrolitru (1 μl).
Zdroje: Wikipedia http://www.edumat.cz/texty/poloha.pdf
https://www.te.com/global-en/products/sensors.html