Jste zde

Historické snímače - jde to i bez elektřiny a integrovaných obvodů

Antonín Vojáček, 30. Říjen 2009 - 0:01

I když výrobci stále chrlí nové integrované snímače stále menších rozměrů, je dobré si někdy připomenout i jejich předchůdce. Některé principy jsou velmi zajímavé a ukazují, že třeba i bez elektřiny lze provádět automatickou regulaci.

V posledním desetiletí jsme si již tak nějak zvykli (zvláště my, mladší ročníky) na miniaturní snímače v podobě různých integrovaných obvodů, kde vlastně ani přesně není vidět, co to „dělá“ a bez katalogového listu často ani nejsme schopni zjistit k čemu to vlastně je dobré. Integrované snímače teploty, tlaku, vlhkosti, otáčení, zrychlení, přiblížení atd. najdete v nabídkách mnoha výrobců. Ještě však v době nedávno minulé nebyly integrované součástky a přesto se měřilo a regulovalo. Ono totiž pro vytvoření regulované soustavy není v mnoha případech nutná ani elektřina, protože v mnoha jednoduchých aplikacích lze vystačit jen s mechanikou. Již parní stroje, vozidla a lokomotivy měly automatickou regulaci a to i bez elektrické energie, jen čistě mechanicko-pneumatickou. Ale vždyť jednu takovou jednouchou čistě mechanickou automatickou regulovanou soustavu má každý doma v podobě splachovacího zařízení vašeho WC. Plno zajímavých elektromechnických snímačů a regulovaných soustav pak také najdete ve 20 a více let starých automobilech.

Pojďme si tak připomenout některé málo nebo již vůbec nepoužívané zajímavé principy provedení snímačů některých veličin, které mě zaujaly při listování již 25 starým skriptem pro SOU (Střední odborná učiliště) s názvem „Měření a regulace 1“ od autora Pavola Nemece. Ty jsem náhodou našel při stěhování. Všechny uvedené principy pak mají jedno společné: Jsou až geniálně jednoduché a využívají jen základní fyzikální principy ve své plné „nahotě“.

Mechanický odstředivý otáčkoměr

Asi jedním z nejznámějších plně mechanických snímačů, který je typický pro parní lokomobily a lokomotivy, je odstředivý otáčkoměr. Pro něj jsou typická dvě závaží připevněná na ramenech s pružinou, které můžete otáčející se vidět na jmenovaných parních strojích.

Odstředivý otáčkoměr pracuje na principu měření silového účinku odstředivé síly, která právě působí na zmíněná závaží (z). Čím rychleji se snímač otáčí, tím větší odstředivá síla na závaží působí a tím větší síla se přenáší přes ramena / tyče (t) na objímky O1 a O2, které jsou k sobě přitahovány. Proti volnému pohybu jim brání vinutá pružina (pr) umístěná mezi oběma objímkami. Zajišťuje tak zpětný tah působící proti odstředivé síle závaží. Tak zatímco při zvyšování otáček odstředivá síla přemáhá tuhost pružiny a objímka O2 se přibližuje k O1, tak při opětovném snižování otáček pružina obě objímky opět oddaluje a tím je vrací do původní pozice. Pak už stačí jen posuvný pohyb objímky O2 převody (tč + ko) změnit například na rotační pohyb, který buď je spojen s ručkou ukazující na stupnici otáčky nebo je připojen na nějakou vačku či ventil, kterým se ve zpětné vazbě reguluje například přísun poháněcí energie (páry).

Vlasový vlhkoměr

Mezi dříve velmi využívané principy pro měření vzdušné vlhkosti patřilo využití vlastností lidských vlasů. On totiž odmaštěný lidský vlas má při změně relativní vlhkosti od 0 do 100% schopnost prodloužení asi o 2,5 % původní délky. Závislost však není lineární. Takový jednoduchý vlhkoměr pak může vypadat jako na následujícím obrázku.

Zde je jeden konec vlasů (vs) zachycen na vahadle (va), u kterého lze kalibračním šroubem (kš) nastavit ukazatel „nulu“ měřidla. Druhý konec vlasu působí na osu ručky ukazatele (ru), takže při prodloužení dochází k jejímu vychýlení. Proti síle, kterou generuje vlas pak působí pružina, která vrací ručku při zpětné změně délky vlasů.

Nevýhodou vlasového vlhkoměru je nutnost časté kalibrace a v případě, že jsou vlasy delší dobu vystaveny suchému prostředím, je nutné je regenerovat (na cca 1 až 2 hod. umístit do prostředí se 100% vlhkostí a korekčním šroubem se nastaví na stupnici 100%).

Mechanický prstencový tlakoměr

Prstencový trubicový tlakoměr je zajímavý a velmi jednoduchý princip plně mechanického diferenčního snímače tlaku, který je již v základním provedení vhodný pro potřeby regulace.

Tvoří jej trubice v podobě uzavřeného kruhu, která je uložena na hrotovém ložisku, podobně jako třeba pákové váhy. Polovina trubice je vyplněna kapalinou a prostor nad kapalinou je rozdělen přepážkou na dvě komory. Každá komora pak má vlastní vstup, do které je přiveden pružnými hadičkami tlak.

Dvě komory = diferenční tlak. Rozdíl tlaku pak mezi oběma otvory způsobí vychýlení sloupce kapaliny a díky gravitaci dojde k pootočení celého prstence. Na prstenec je ještě připevněna dodatečná zátěž G. Rovnováha pak nastane při rovnosti momentů tíhy závaží G a při přetlaku (p1-p2), který působí na přepážku o ploše S. Vzorcem to lze vyjádřit takto:

(p1 – p2) . S . r = G R sin alfa,

kde (p1 – p2) je diferenční tlak, S je průřez trubice, r je poloměr trubice, G je tíha závaží, R vzdálenost závaží od středu uložení (hrotového ložiska) a alfa je úhel, o který se prstenec pootočí. Rozsah měření lze měnit hmotností závaží nebo jeho vzdáleností (R). Dříve se vyráběly jako nízkotlaké do 0,1 MPa a vysokotlaké do 4 MPa.

Na obrázku a) je ukázka snímače v základní poloze a
na obrázku b) je stav v přítomnosti rozdílového (diferenčního) tlaku.

Tlakové teploměry

Tlakové teploměry dříve představovaly běžné snímače všude tam, kde bylo potřeba automaticky regulovat soustavu dle teploty. Typicky se jich například využívalo v regulaci výměníkových stanic a určitě v Praze byste je ještě někde i našli. Osobně jsem je v 90.letech demontoval při brigádách při přestavbě výměníkových stanic na starších pražských sídlištích.

Tlakové teploměry se pak rozdělují podle média, které obsahují, na kapalinové a plynové. Mezistupněm jsou pak parní verze, kde měřící médium je tvořeno směsí kapaliny a její částečně nasycenou párou.

Obecně je však jejich princip stejný a tvoří je nádobka (n), kapiláry (k) dlouhé až několik metrů a tlakoměru. Tlakoměr pak může být řešen například na principu tzv. Bourdonovy zatočené trubice fungující jako pružina Bp, která se při rostoucím tlaku narovnává, dále řešen jako vlnovec, který se tlakem mění svojí výšku, nebo jako membránový tlakoměr. Nezávisle na použitém principu je pohyb tlakoměru přenášen na ukazatel v podobě ručky nebo může být dále mechanicky nebo elektricky spojen s regulovanou soustavou. Ve výměníkových stanicích pak převažuje provedení jako termostat, kde ručka se v nastavených mezích dotýká kontaktů a uzavírá elektrický obvod.

U kapalinových teploměrů se pro měření teplot od -30 do 600°C využívala rtuťová náplň. Někdy též xylen nebo methanol.

Magnetický analyzátor kyslíku

Tento snímač sice není mechanický, ale již elektrický, ale pracuje na zajímavém principu. Jde o analyzátor obsahu kyslíku v plynných směsích využívající magnetických vlastností plynů. Kyslík má totiž ze všech plynů největší magnetickou susceptibilitu (hodnota > 1) a patří tak mezi paramagnetické látky. Většina ostatních plynů (mimo NO, NO2, ClO2 a ClO3) pak je diamagnetických, tj. susceptibilita je menší než 1. Princip funkce analyzátoru, uvedeného na obrázku, je založena na ztrátě paramagnetismu kyslíku při ohřátí na Curieho teplotu.

Studený O2, který se nacházejí v analyzovaném plynu, vstupuje do takového 4rameného trubicového můstku s horizontální trubicí. Nejdříve tedy plyn více proudí levou stranou, protože plyn je z pravé strany vtahován do magnetickým polem magnetu (S-J) do horizontální trubice. Zde však zahřátím kyslíku v plynu platinovou spirálou ztrácí paramagnetismus a magnet již na něj nepůsobí. Proto je studeným plynem téměř bez odporu vytlačován z horizontální trubice do vertikální trubice na pravé straně. Tím vzniká v horizontální trubici analyzátoru proudění a mění se tak odpor jednotlivých spirál horizontální trubice, které jsou zapojeny do ramen elektrického odporového můstku, na kterém vzniká nerovnováha. Ta je pak úměrná obsahu kyslíku v měrném magnetickém poli.

Závěr

V záplavě nových technologií bychom neměli zapomínat na již dříve používané principy, které by při správném skloubení s moderní elektronikou a MEMS by mohly znamenat i vznik „nových“ senzorů, které mohou dobře posloužit v aplikacích, ve kterých současné „populární“ technologie nepracují optimálně. Prostě není dobré zatracovat dřívější principy jen proto, že je to již historie. Fyzikální zákony stále platí stejně, a proto by každý konstruktér a vývojář měl mít hlavu otevřenou a pro danou aplikaci zvolit nejvhodnější řešení.

Antonín Vojáček