AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
5. Własno ci statyczne i dynamiczne pneumatycznych przetworników
pomiarowych
Cel wiczenia:
Celem ćwiczenia jest poznanie budowy, własności metrologicznych i zasad eksploatacji
wybranych przetworników pomiarowych.
Wst p
Zastosowanie przetworników pomiarowych:
Powszechne zastosowanie regulacji automatycznej w przemyśle przyczyniło się do
powstania systemów blokowych. Pozwalają one na tworzenie dowolnych prostych
i złożonych układów regulacji automatycznej poprzez dobór typowych elementów.
Zastosowanie typowych elementów pozwala na unifikację sygnałów pośredniczących. Na
przykład w pneumatycznym systemie blokowym PNEFAL zakres sygnałów wynosi 20-100
[kPa], a ciśnienie zasilania 140 [kPa].
Blokowe układy regulacji automatycznej zawierają takie grupy (bloki) elementów:
1. Urządzenia pomiarowe- czujniki oraz przetworniki pomiarowe.
2. Urządzenia przetwarzania i utrwalenia sygnałów pomiarowych- urządzenia liczące:
sumatory, bloki mnożące, pierwiastkujące, dzielące itp. Do tej grupy należą również
wskaz
niki, rejestratory sygnałów i przetworniki międzysystemowe.
3. Urządzenia kształtowania sygnałów- różnego rodzaju regulatory oraz związane z nimi
zadajniki.
4. Urządzenia wykonawcze- wzmacniacze mocy, siłowniki pneumatyczne, hydrauliczne lub
elektryczne sterujące nastawnikami w postaci zaworów, przepustnic lub innych urządzeń
kształtujących sygnał wejściowy obiektu.
5. Urządzenia uzupełniające- np. ogranicznik sygnału, wybierak wartości ekstremalnej.
6. Urządzenia pomocnicze  zasilacze, stabilizatory, filtry, zawory odcinające itp.
y
w + e
R S N O
-
-
UW
PP
Rys.5.1. Schemat blokowy układu regulacji: y  sygnał regulowany, w  sygnał zadający, R  regulator, UW-
urządzenie wykonawcze, N  nastawnik, S  siłownik, O  obiekt regulacji, PP  przetwornik pomiarowy
Budowa i zadania przetworników pomiarowych.
Zadaniem przetwornika pomiarowego jest zamiana wielkości mierzonej na sygnał,
który może być wykorzystany przez regulator względnie urządzenie pomiarowe czy
sygnalizacyjne.
Instrukcje laboratoryjne

Własno ci statyczne i dynamiczne pneumatycznych przetworników pomiarowych
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
W budowie pneumatycznych przetworników pomiarowych można wyróżnić dwa elementy:
- czujnik pomiarowy;
- przetwornik pośredni.
Przetwornik pomiarowy
y Przetwornik ym
Czujnik
wielkość pośredni sygnał
mierzona wyjściowy
Rys.5.2. Schemat strukturalny przetwornika pomiarowego
Czujniki ciśnienia i różnicy ciśnień:
- Czujniki ciśnienia z membraną wiotką. Membrany wiotkie wykonywane są z gumy
naturalnej lub syntetycznej, z tkanin i tworzyw sztucznych powleczonych gumą.
Membrany wiotkie stosowane są do ciśnień lub różnicy ciśnień w zakresie 0-200 [kPa].
Rys.5.3. Membrany wiotkie: a) membrana płaska, b) membrana z falą, c) membrana podwójna
- Czujniki ciśnienia z membraną sprężystą. Przeznaczone są do przetwarzania ciśnienia lub
różnicy ciśnień w przesunięcie liniowe. Wykonywane są z różnych gatunków stali
sprężystych i brązów. Membrany sprężyste stosowane są do ciśnień rzędu 3[MPa].
Rys.5.4. Membrany sprężyste: a) faliste, b) w kształcie puszki membranowej
- Czujniki ciśnienia mieszkowe. Sygnałem wyjściowym może być przesunięcie "h lub
siła F. Gdy sygnałem wyjściowym jest przesunięcie to siła pochodząca od ciśnienia
równoważona jest siłą sprężystości zależną od ugięcia mieszka, natomiast w przypadku
sygnału wyjściowego w postaci siły F to siła zewnętrzna nie pozwala na zmianę długości
mieszka. Mieszki wykonywane są z materiałów sprężystych takich jak stal nierdzewna,
mosiądz, brąz. Mieszki wytrzymują ciśnienia rzędu 25 [MPa] (w wykonaniu specjalnym).
Instrukcje laboratoryjne

Własno ci statyczne i dynamiczne pneumatycznych przetworników pomiarowych
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
Rys.5.5. Mieszki sprężyste: a) walcowy, b) spawany
- Czujniki ciśnienia z rurką sprężystą. Mają one na wyjściu sygnał w postaci przesunięcia h
niekiedy również i siły F. Rurki wykonywane są z materiałów sprężystych nie
podlegających korozji. Przez koniec nieruchomy do wnętrza doprowadza się mierzone
ciśnienie. Pod wpływem tego ciśnienia rurka zmienia krzywiznę, w wyniku czego
następuje przesunięcie wolnego (zaślepionego) końca rurki. W granicach odkształceń
sprężystych przesunięcia te są wprost proporcjonalne do ciśnienia. Rurki Bourdona
stosuje się do pomiaru ciśnień do 100 [MPa].
Rys.5.6. Rurki sprężyste: a) Bourdona, b) Spiralna, c) Helikoidalna, d) przekroje poprzeczne rurek sprężystych
Pływakowe czujniki poziomu. Sygnałem wyjściowym czujników pływakowych może być
przesunięcie lub siła. Czujniki tego typu są stosowane do pomiaru poziomu cieczy
o niezmiennej gęstości, w zbiornikach otwartych lub ciśnieniowych.
Rys.5.7. Pływakowe czujniki poziomu: a) o wyjściu w postaci przesunięcia, b) o wyjściu w postaci siły
Instrukcje laboratoryjne

Własno ci statyczne i dynamiczne pneumatycznych przetworników pomiarowych
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
Czujniki temperatury.
- Czujniki dylatometryczne. Sygnałem wyjściowym takiego czujnika jest przesunięcie.
Zakres mierzonych temperatur 0-900 [oC]. Czujnik składa się z tulei (1) i pręta (2)
wykonanych z materiałów o różnych współczynnikach rozszerzalności liniowej. Przy
zmianach temperatury następuje przesunięcie końca pręta względem tulei.
Rys.5.8. Dylatometryczne czujniki temperatury wykorzystujące wydłużenie: a) tulejki, b) rurociągu
- Manometryczne czujniki temperatury składają się ze zbiorniczka 1, rurki kapilarnej 2 i
czujnika ciśnienia 3. Cały układ wypełniony jest cieczą, gazem lub parą nasyconą cieczy o
niskiej temperaturze wrzenia. Wraz ze zmianą temperatury ośrodka, w którym znajduje
się zbiorniczek zmienia się ciśnienie płynu wypełniającego czujnik. Zmiany tego ciśnienia
mierzone są przez rurkę sprężystą, mieszek lub puszkę membranową. Sygnałem
wyjściowym czujnika może być przesunięcie h lub siła F.
- Bimetaliczny czujnik temperatury. Sygnałem wyjściowym jest przesunięcie h.
Podstawowym elementem tych czujników jest płytka, składająca się z dwóch warstw
metali o różnych współczynnikach rozszerzalności liniowej.
Rys.5.9. Czujniki temperatury: a) manometryczny bez kompensacji temperatury otoczenia, b) manometryczny
z kompensacją temperatury otoczenia, c) bimetaliczny
Czujniki natężenia przepływu.
- Czujniki zwężkowe. Miarą objętościowego natężenia przepływu Q jest różnica ciśnień
przed i za zwężką "p = p1 - p2 , przy czym "p = CQ2 ( gdzie C  jest stałą przyrządu
zależną od wymiarów geometrycznych rurociągu i zwężki oraz parametrów
przepływającego czynnika).
Instrukcje laboratoryjne

Własno ci statyczne i dynamiczne pneumatycznych przetworników pomiarowych
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
Rys.5.10. Zwężkowy czujnik natężenia przepływu
Przetwornik ró nicy ci nie .
Przetwornik ten składa się z puszkowego czujnika różnicy ciśnień o wyjściu w postaci
siły i przetwornika pośredniego siły, działającego na zasadzie kompensacji sił. Mierzona
różnica ciśnień oddziałuje na puszkę 1 utworzoną z dwóch metalowych membran wypełnioną
cieczą manometryczną. Siła od membran przez cięgła 2 i 3 oraz dz
wignie 4 i 5 działa na
przysłonę 6. Dz
wignia 4 wychodzi z komory ciśnieniowej przez membranę sprężystą 7,
stanowiącą zarazem punkt podparcia dz
wigni. Przetwornik pośredni składa się z dz
wigni 5,
przesuwnego wspornika 8 oraz kaskady pneumatycznej 9, mieszka sprzężenia zwrotnego 10,
mieszkowego wzmacniacza mocy 11 i stabilizatora ciśnienia zasilania kaskady 12.
Zakres mierzonej różnicy ciśnień zależy od położenia wspornika 8. Nastawienie
początkowej wartości sygnału wyjściowego dokonuje się sprężyną 13.
Przetwornik ten służy do przetwarzania różnicy ciśnień na sygnał pneumatyczny o
zakresie 20-100 [kPa].
Rys.5.11. Przetwornik różnicy ciśnień typu A124 (PAP  Falenica)
Przetwornik temperatury.
Przetwornik zawiera manometryczny czujnik temperatury o sygnale wyjściowym w
postaci siły i przetwornik pośredni siły działający na zasadzie kompensacji sił. Czujnik jest
wypełniony helem. Zmiana mierzonej temperatury wywołuje zmianę ciśnienia cieczy, a
następnie zmianę siły działającej na dz
wignię 3. Moment wywołany tą siłą jest
kompensowany przez moment pochodzący od ciśnienia wyjściowego pm. działającego na
mieszek 4 ujemnego sprzężenia zwrotnego. Istnieje tutaj możliwość wprowadzenia
Instrukcje laboratoryjne

Własno ci statyczne i dynamiczne pneumatycznych przetworników pomiarowych
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
inercyjnego sprzężenia zwrotnego (komora 5 i opór nastawny 6). Sprzężenie to skraca stałą
czasową przetwornika obciążonego długą linią sygnałową.
Przetwornik ten przetwarza temperaturę na standardowy sygnał pneumatyczny o
zakresie 20-100 [kPa].
Rys.5.12. Przetwornik temperatury typu A123 (PAP  Falenica)
Przetwornik rednich ci nie .
Przetwornik działa na zasadzie równowagi momentów (kompensacji sił). Czujnikiem
pomiarowym jest mieszek sprężysty 1 przetwarzający mierzone ciśnienie na sygnał siły.
Dz
wignia pośrednicząca 4 umożliwia zmianę zakresu pomiarowego. Za pomocą sprężyny
zerującej 5 możliwe jest przesunięcie zakresu pomiarowego .
Przetwornik ten służy do zamiany mierzonego ciśnienia na sygnał pneumatyczny 20-
100 [kPa]. Przetwornik średnich ciśnień może być stosowany do pomiaru ciśnienia cieczy i
gazów agresywnych oraz wybuchowych.
Rys.5.13. Przetwornik średnich ciśnień typu A101(PAP  Falenica)
Własności metrologiczne przetworników.
Charakterystyką statyczną przetwornika pomiarowego nazywamy zależność sygnału
wyjściowego ym. od sygnału przetwarzanego y, wyznaczoną w stanach ustalonych.
Instrukcje laboratoryjne

Własno ci statyczne i dynamiczne pneumatycznych przetworników pomiarowych
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
Rys.5.14. Charakterystyka statyczna przetwornika: 1  krzywa otrzymana przy wzroście y, 2  krzywa
otrzymana przy maleniu y, 3  prosta o równaniu ym = ymin + ky , 4  charakterystyka idealna (teoretyczna)
przetwornika
Zakresem pomiarowym przetwornika nazywa się zakres wartości wielkości mierzonej
y, dla której przetwarzanie odbywa się z określoną dokładnością.
Błędem bezwzględnym pomiaru nazywa się różnicę pomiędzy wartością rzeczywistą
ym. a wartością teoretyczną (idealną) yt.
"ym = ym - yt
Błędem względnym nazywa się iloraz błędu bezwzględnego i wartości mierzonej
sygnału ym.
"ym
� =
ym
Błędem podstawowym nazywa się maksymalną wartość błędu bezwzględnego "ymmax
odniesioną do zakresu sygnału wyjściowego ymz.
"ym max "ym max
� = =
p
ym max - ym min ymz
Błędem histerezy nazywa się stosunek największej różnicy wartości sygnałów
wyjściowych odpowiadających tej samej wartości wielkości mierzonej do zakresu sygnału
wyjściowego ymz.
"hmax
�h =
ymz
Klasa dokładności jest liczbowo równa wartości błędu podstawowego, np. klasa
dokładności 1 oznacza, że błąd podstawowy może wynosić ą1%.
Instrukcje laboratoryjne

Własno ci statyczne i dynamiczne pneumatycznych przetworników pomiarowych
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
Przebieg wiczenia.
1. Wykonanie charakterystyki statycznej przetwornika różnicy ciśnień.
Rys. 5.15. Schemat układu pomiarowego do badania przetwornika różnicy ciśnień A105
Wyniki pomiarów należy zapisać wg. wzoru tabeli 5.1. a następnie sporządzić
charakterystykę. Wyznaczyć błąd podstawowy, błąd histerezy i wzmocnienie przetwornika.
Tab. 5.1. Charakterystyka statyczna przetwornika różnicy ciśnień.
Lp S1[mm] S2[mm] Py[kPa]
"h=�ł S1-S2�ł [mm]
1.
2.
3.
4,
Instrukcje laboratoryjne

Własno ci statyczne i dynamiczne pneumatycznych przetworników pomiarowych
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
2. Wykonanie charakterystyki statycznej przetwornika średnich ciśnień.
Rys. 5.16. Schemat układu pomiarowego do badania przetwornika średnich ciśnień A124
Wyniki pomiarów należy zapisać wg. wzoru tabeli 5.2. a następnie sporządzić
charakterystykę. Wyznaczyć błąd podstawowy, błąd histerezy i wzmocnienie przetwornika.
Tab. 5.2. Charakterystyka statyczna przetwornika średnich ciśnień.
Lp Pm[kPa] Py[kPa]
1.
2.
3.
3. Wykonanie charakterystyki awaryjnej przetwornika średnich ciśnień.
Wyniki pomiarów należy zapisać wg. wzoru tab. 5.3. a następnie sporządzić charakterystykę.
Tab. 5.3. Charakterystyka awaryjna przetwornika średnich ciśnień
Lp Pzas[kPa] Py[kPa]
1. 140
2. 130
3. 120
4. 110
5. 100
6. 95
Instrukcje laboratoryjne

Własno ci statyczne i dynamiczne pneumatycznych przetworników pomiarowych
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
4. Wykonanie charakterystyki skokowej przetwornika temperatury.
Rys. 5.17. Schemat układu pomiarowego do badania przetwornika średnich ciśnień A101.
Na podstawie charakterystyki wyznaczyć stałą czasową przetwornika, czas ustalania się
odpowiedzi oraz wzmocnienie przetwornika.
Uwagi o sprawozdaniu:
W sprawozdaniu należy zamieścić:
" schemat stanowiska pomiarowego;
" narysować charakterystykę statyczną przetwornika różnicy ciśnień, wyznaczyć błąd
podstawowy, błąd histerezy i wzmocnienie przetwornika;
" narysować charakterystykę statyczną i awaryjną przetwornika średnich ciśnień,
wyznaczyć błąd podstawowy, błąd histerezy i wzmocnienie przetwornika;
" określić klasę dokładności badanych przetworników pomiarowych;
" na podstawie zarejestrowanej charakterystyki skokowej przetwornika temperatury
określić jego stałą czasową oraz wzmocnienie;
" dokonać analizy wykresów;
Literatura
[1]. Maczyński K., Kłosiński J., Pikoń S., Suwaj S.: Podstawy automatyki w przykładach i
ćwiczeniach laboratoryjnych. Skrypty dla szkół wyższych. Politechnika A
ódzka, A
ódz

1989.
Instrukcje laboratoryjne

Własno ci statyczne i dynamiczne pneumatycznych przetworników pomiarowych
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
[2]. Awrajcewicz J., Wodzicki W.: Podstawy automatyki. Teoria i przykłady. A
ódz
, 2001.
[3]. Bogumił T.: Elementy urządzeń automatyki. PWSZ 1972.
Instrukcje laboratoryjne

Własno ci statyczne i dynamiczne pneumatycznych przetworników pomiarowych