PROCESNA MJERENJA (podloge za vježbe) - nastava.tvz.hr · sekundarna svitka prikladno raspoređena oko rotora i spojena u zvijezda spoj tako da da su u nima inducirani naponi međusobno

TEHNIČKO VELEUČILIŠTE U ZAGREBU ELEKTROTEHNIČKI ODIJEL

PROCESNA MJERENJA (podloge za vježbe)

Procesna mjerenja – 1. Vježba - Mjerni pretvornici pomaka 1

1. VJEŽBA - MJERNI PRETVORNICI POMAKA

U osnovi razlikujemo dvije vrste pomaka – pravocrtni i kutni pomak. Pravocrtni ili linearan pomak jest takav pomak pri kojem je smjer gibanja tijela nepromjenjen. Kutni pomak ili zakret jest kut što određuje promjenu mjesta težišta tijela s obzirom na stajalište kao središte vrtnje. OTPORNIČKI PRETVORNICI POMAKA Pretvornike pomaka koji sa pomakom mijenjaju električni otpor nazivamo potenciometrima. Potenciometri su u stvari naprave koje se sastoje od otporničkog tijela uzduž kojeg se giba kliznik (klizni kontakt) spojen preko osjetila pomaka sa tijelom čiji pomak mjerimo. Otporničko tijelo može biti namotano žicom (nikal-krom, konstantan,srebro-paladij i platina-iridij), a može biti prevučeno filmom od ugljena, raznih metalnih slitina ili posebnom keramičko-metalnom smjesom zvanom cerment.

a) i b) potenciometarski pretvornici pravocrtnog pomaka c) i d) potenciometarski pretvornici kutnog pomaka Posebno je važna izvedba kliznika pa su razvijene brojne vrste. Od izvedbe kliznika ovisi razina šuma što se zbraja izlaznom signalu, a izvedba se kliznika također prilagođuje radnim uvjetima, posebice ako se očekuje da će tijekom primjene pretvornik biti izložen udarima i vibracijama.


Primjeri izvedbe kliznika a) ravni, b) ravni s kukom, c) jamičast, d) šiljast e),f) i l) u obliku oštrice, g) u obliku listastog pera, h) dvojni kliznik, i) i j) u obliku kuke, k) valjkast Važna je i valjana kombinacija materijala otporničkog tijela, posebice žice i kliznika, da termoelektromotorna sila razvijena na kontaktu ne bi unosila pogrešku. Za vrlo precizne pretvornike upotrebljava se dvojni kliznik, što usporedo klizi po otpornom tijelu i posebno učvršćenoj kliznoj šipki. Šipka je od takvog materijala da se elektromotorna sila razvijena na spojištu kliznik-otporničko tijelo kompenzira sa elektromotornom silom na spojištu kliznik-šipka. Također za precizna mjerenja posebice je važna kontaktna sila odnosno kontaktni pritisak kliznika. Kontaktna sila nam određuje vrijednost prijelaznog otpora (10 do 100 mΩ) Potenciometarski pretvornici linearnog pomaka imaju mjerno područje od 10mm do više metara (prijenos pomaka – poluga). Potenciometarski pretvornici kutnog pomaka imaju najmanje mjerno područje od 00 do 10, a najveće mjerno područje od 00 do više od 36000. Moguće su posebne izvedbe i s još većim mjernim područjem. Za mjerno područje veće od 3550 upotrebljavaju se višenavojni potenciometri (slika) ili se može ugraditi mehanički prijenos – povećanje osjetljivosti. Ne postoji izvedba jednonavojnog potenciometarskog pretvornika s mjernim područjem punih 3600, jer nekoliko stupnjeva zauzimaju izvodi priklučnih kontakata i razmak između njh (max 3550 do 3580)


Potenciometarski mjerni pretvornik primjenjuje se u električnom krugu prikazanom na slici. Statička karakteristika potenciometra zavisnost je napona UT što vlada između jedne od krajnjih stezaljki otporničkog tijela i kliznika (napon tereta - RT) i pomaka kliznika s. Označimo li cjelokupni hod kliznika sa 1, možemo postaviti omjer s:1=RS:R to jest RS=s*R

RtsRsRRt

RtRsRsRt

+=

+

[ ]URssRtRRtsR

RtsRsRRtRsR

UI)1()( −+

+=

++−

=

U

RtRss

sRtsR

sRRtIUt)1(1 −+

=+

=

Kada je otpor opterećenja velik, RT >, tada R/ RT →0 i UT = U * s. Statička karakteristika je pravac. To je karakteristika neopterećenog pretvornika ili idealna karakteristika. Stvarna statička karakteristika zavisna je od tereta i nije linearna (razlika idealne i stvarne).


U

RtRss

RtRss

RtRss

UsUs)1(1

)1(

)1(1

2

−+

−=

−+−=ε

KAPACITIVNI PRETVORNICI POMAKA U osnovi kapacitivnih pretvornike pomaka možemo podijeliti u tri grupe:

1. promjena kapaciteta ostvarena je promjenom razmaka između elektroda 2. kapacitet se mijenja promjenom radne površine elektroda 3. promjena dielektrika je uzrok promjeni kapaciteta

Glavna primjena kapacitivnih pretvornika pomaka jest pri mjerenjima u kojima je potrebno razlikovati vrlo male pomake do reda 1µm. Kapacitivni su pretvornici također pogodni za mjerenje dinamičkih pomaka i pomoću njih je lako slijediti pomake čak do frekvencija reda 1 kHz.

Tri načela primjene kapacitivnih pretvornika pomaka

Elekrtična shema Wienova mosta


ELEKTROMAGNETSKI PRETVORNICI POMAKA Primjenjuju se različite vrste pretvornika u kojima je pomak uzrok promjeni induktiviteta zavojnice.

Najvažnija načela prikazana su na slici – a)mjenja induktivitet zbog promjene geometrije uzrokovane pomakom, b), c), d) e) i f) prikazani su transformatori razlike u kojima se pomakom mijenja reluktancija magnetskog toka, h) spoj indukcijskog potenciometra, i) sinkropretvornik, g) i j) pomakom se mijenja međuinduktivitet. Transformator razlike ili diferencijski transformator sastoji se od primarnog svitka i dva podudarna sekundarna svitka što su smještena simetrično u odnosu na primarni svitak. Svici su namotani na šuplje tijelo (izolator) kroz koje se slobodno giba feromagnetka jezgra spojena s osjetilom pomaka. Primarni svitak je spojen na izmjenični napon, a izlazni napon je razlika napona što vladaju na sekundarnim svicima. Ako je jezgra u srednjem položaju taj napon razlike je neznatno većiod ništice. Giba li se jezgra u smijeru lijevo ili desno iduktivitet jednog svitka raste a drugog pada. Razlika napona na svicima proporcionalna je udaljenosti jezgre od srednjeg položaja. Mjerno područje obično ne prelazi od –250mm do +250mm.


Induktivni most se izvodi sa dva simetrična svitka namotana oko šupljeg tijela (izolatora), u kojem se slobodno giba jezgra od feromagnetskog materijala. Pomak jezgre iz središnjeg položaja povećava induktivitet u jednom svitku, a smanjuje u drugome. Svici čine dvije grane izmjeničnog mosta. Izlazni napon mosta razmjeran je pomaku jezgre.


Mjerni pretvornik pomaka s pomičnom kotvom spaja se u tzv. Izmjenični potenciometrijski krug. Pomak kotve uzrokuje promjenu reluktancije kruga i induktiviteta zavojnice pa time i promjenu struje u krugu. Kondenzator C dodaje se usporedno zavojnici da bi se poboljšala linearnost pretvornika.

Sinkropretvornici su skupina zakretnih (vrtivih) pretvornika i zapravo čine zasebnu skupinu transformatora. Osnovni dijelovi su rotor s jednim primarnim svitkom i stator sa tri sekundarna svitka prikladno raspoređena oko rotora i spojena u zvijezda spoj tako da da su u nima inducirani naponi međusobno fazno pomaknuti za 1200.


Zavisnost izlaznog napona induciranog na jednom svitku od položaja primarnog svitka prikazana je na slici. Kada se rotor giba kontinuirano, izlazni je napon sinusni val kojemu se amplituda mijenja zavisno od zakreta rotora. Amplituda napona na bilo kojem paru sekundarnih svitaka sinkropretvornika razlika je ili zbroj napona što vladaju na pojedinom svitku. Ona zavisi o sinusu kuta između rotora i osi svitka.


Često se pri daljinskim mjerenjima mogu primjeniti spoj dvaju sinkropretvornika. Pri tome se jedan zove'predajnik' a drugi 'prijemnik'. Kada se rotor sinkropredajnika zakreće induciraju se u statoru sinkroprijemnika takvi naponi da uzrokuju zakretni moment i pomak rotora. Tek kada se kutni položaj rotora sinkropredajnika i sinkroprijemnika izjednače, zakretni moment će se svesti na ništicu. Pretvornici pomaka sa digitalnim mjernim signalom izvode se za mjerenje kutnih i linearnih pomaka. Kao izlazni signal daju relativni pomak. Treba li mjeriti kutne pomake, na osovinu se učvršćuje ploča ili prikladni rotor koji nosi mnogo jednakih ili jednoliko razmaknutih prikladno izvedenih odsječaka ili segmenata. Ploča se vrti uz osjetilo koje osjeća prolazak odsječka (najčešće fototranzistor) i pri tome šalje električni signal u obliku impulsa. Razmak između dvaju odsječka odgovara određenom kutu, pa je broj impulsa na izlazu osjetila mjera veličine zakreta. Na isti način djeluje i pretvornik pravocrtnih pomaka.

Svjetlost se u vidljivom ili infracrvenom područjusvjetlosnog spektra emitira, a za usmjeravanje svjetla na odsječke upotrebljavaju se leće ili optička vlakna. Kao osjetila upotrebljavaju se fotodiode i fototranzistori. Jednako tako se mogu koristiti i induktivni davači.


Na slici je prikazan primjer digitalnog pretvornika linearnog pomaka pomoću svijetla (a) ili direktno preko elekričnog kontakta - četkica (b). Takve mjerače pomaka općenito nazivamo inkrementalni enkoderi.

Apsolutni enkoderi daju jednoznačni digitalni signal za svaki položaj s obzirom na neku čvrstu točku. Tako se za mjerenje kuta primjenjuje kodna ploča izrađena od visokokvalitetnog stakla ili ploče sa kontaktima. U radijalnom su smjeru nanizani maskirani i nemaskirani segmenti takvi da položak ploče ima jednoznačnu binarnu kombinaciju razumljivu računalu.

Vježba: Pokazati rad induktivnog davača (12-36 VDC, <200

Procesna mjerenje – 2. Vježba – Mjerni pretvornici sile 11

2. VJEŽBA – MJERNI PRETVORNICI SILE RASTEZNA OSJETILA Mjerenje sile općenito se temelji na načelu ravnoteže sila i većina pretvornika sile i momenta sila gradi se sa posebnim osjetilom – elastičnim tijelom u kojem se uspostavlja ravnoteža sila. Osjetilo tada pretvara mjernu silu ili mjerni moment sila u mehaničku deformaciju, pa se daljnjim mjerenjem naprezanja ili pomaka uzrokovanog deformacijom dobije mjerni signal razmjeran mjerenoj sili. Najkorišteniji postupak mjerenja deformacije temelji se na primjeni otporničkih osjetila koja još nazivamo i rastezna osjetila. Rastezno osjetilo je žica ili listić vodljivog ili poluvodljivog materijala što se učvršćuje na promatrano tijelo tako da se rasteže ili steže podudarno s rastezanjem ili stezanjem tijela ako na tijelo djeluje sila. To uzrokuje mjerljivu promjenu električnog otpora rasteznog osjetila – ono osjeća promjene naprezanja na osnovi vlastite deformacije.

Otpor žice dok je neopterećena iznosi: AlR *δ

=

Gdje je δ - specifični otpor, l – duljuna , a A – površina presjeka žice. Optereti li se žica silom, žica će promjeniti dimenzije i kao posljedica na staje promjena njenog električnog otpora.

Označimo li deformaciju sa 0ll∆

=ε kao i na slici možemo pisati:

)()()(

)1()()1()(

)1()(

0

20

0

εεεδ

βεδεδµεε

εε

AlR

AA

ll

=

+=−=

+=

Pa se pomoću toga izraza može odrediti i prirast vrijednosti otpora pri promjeni deformacije dε


εδ

δδ

εδ

ε ∆∆

+∆∆

−∆∆

=AlA

All

AddR

2

Deriviranjem i uvrštenjem gornjih izraza dobije se

βµεµε

+−+=∆

)1(211

0

dRR

dε je zapravo 0ldl

a omjer 00 ldl

RdR

je osjetljivost rasteznog osjetila i možemo je označiti sa

S. Član µε na desnoj strani izraza za osjetljivost može se zanemariti, jer je mnogo manji od jedan, pa izraz za osjetljivost žičanog osjetila glasi

βµ ++= 21S

gdje je µ Poissonov koeficijent, a β koeficijent promjene otpora u zavisnosti od naprezanja. Za otpor većine kovina izloženih elastičnoj deformaciji približna osjetljivost na deformaciju je 2. Za žična rastezna osjetila najčešće se upotrebljavaju: advance-slitina, karma-slitine, iso-elastic-slitine, nikal-krom –slitine, itd.


Na slici su prikazane osnovne izvedbe žičnih rasteznih osjetila. Tanka žica oblikovana je u cik-cak obliku i pričvršćena (priljepljena) na osnovicu, listić prikladnog materijala. Promjer žice je 0,02 do 0,04 mm.

Uz žična rastezna osjetila primjenjuju se i osjetila od kovnih folija proizvedena jetkanjem. Takva se folijska rastezna osjetila mogu izvesti znatno manjih dimenzija od žičnih. Debljina folije je tek 3 do 8 µm. Općenito je jetkanjem moguće izvesti brojne različite oblike rasteznih osjetila.

Spiralno rastezno osjetilo za mjerenje naprezanja u kovnim dijafragmama. Razvijena su i poluvodička rastezna osjetila. Glavna im je odlika visoka osjetljivost. Promjena otpora zbog deformacije izražena je u poluvodičkim rasteznim osjetilima zbog njihovih dobrih piezootporničkih svojstava (velika promjena specifičnog otpora. Gotovo se isključivo kao materijal upotrebljava silicij. Rastezna osjetila treba učvrstiti na mjerno mjesto tako da vijerno slijede deformacije tijela. Osjetilo se učvršćuje ljepljenjem, a posebne vrste osjetila i točkastim zavarivanjem. Način ljepljenja, izbor ljepila s obzirom na materijal i površinu mjernog mjesta presudni su za uspjeh mjerenja.


MJERNI PRETVORNICI SILE Pri mjerenju sile najčešće se služimo rasteznim osjetilima, pa su na slici dani osnovni načini njihovog učvršćivanja na gredicu. Osjetila su spojena u Wheatstoneov most. Ona što su izložena deformaciji nazivamo aktivna osjetila, a ona koja nisu pasivna osjetila. Pasivna osjetila možemo zamjeniti običnim otpornicima osim ako nije potrebna tempereturna kompenzacija.

Na slici a) prikazano je mjerenje sa četiri aktivna osjetila spojena u most tako da su dva opterećena tlačno (1 i 3), a dva vlačno (2 i 4). Njihova se djelovanja međusobno podupiru, pa se tako postiže najveća osjetljivost – zato taj spoj nazivamo puni most. Na slici b) je prikazan spoj polumosta gdje se mjeri samo sa dva osjetila. Na slici c) prikazan je spoj četvrt-mosta samo sa jednim aktivnim osjetilom dok osjetilo 2 služi za temperaturnu kompenzaciju.

Na slici je prikazan slog rasteznih osjetila na jednostavnom grednom osjetilu sile, koje se odlikuje po tome što nije osjetljivo na položaj hvatišta sile. Naime, deformacije u presjeku A i B grednog osjetila jesu

FbEhlA

A 2

6=ε F

bEhlB

B 2

6=ε

E je Yungov modul elastičnosti, a l,b i h su izmjere osjetila prema slici. F je primjenjena sila, koja se može izračunati iz razlike dvaju izraza.

)(62

BA

BA

llEbhF

−−

=εε


Na slici je dan pregled različitih načina povezivanja rasteznih osjetila u mosni spoj pri mjerenju tlačnog i vlačnog naprezanja i naprezanja zbog savijanja.

a) Primjenjeno je samo jedno aktivno osjetilo: izlazni signal je malen i ne postoji kompenzacija temperaturnih utjecaja. Spoj je prikladan samo za dinamička mjerenja.

b) Jedno aktivno rastezno osjetilo i jedno pasivno osjetilo za kompenzaciju temperaturnih utjecaja.

c) Dva aktivna rastezna osjetila i dva pasivna rastezna osjetila. Ostvarena je kompenzacija temperature i vrijednost izlaznog signala je veća (idealno).

d) Dva aktivna rastezna osjetila u susjednim granama mosta prilagođenog za mjerenje naprezanja zbog savijanja. Umjerena vrijednost izlaznog signala, temperaturna kompenzacija.

e) Dva aktivna mjerna osjetila u mosnom spoju prilagođenom za mjerenje tlačnih i vlačnih naprezanja. Umjerene vrijednosti izlaznog signala bez temperaturne kompenzacije.

f) Dva aktivna i dva pasivna rastezna osjetila u mosnom spoju prilagođenom za mjerenje tlačnog i vlačnog naprezanja. Umjereni izlazni signal i ostvarena temperaturna kompenzacija.


MJERNI PRETVORNICI ZAKRETNOG MOMENTA Mjerni pretvornici zakretnog momenta jesu posebna rastezna osjetila koja služe za osjećanje momenta u vratilu pri vrtnji. Ugrađuju se između izvora snage (motora) i tereta. Kada se motor starta i kada je u pogonu na pogonskom vratilu se pojavljuje deformacija kao posljedica uvijanja ili torzije.

Zamislimo situaciju na slici gdje je valjkasto vratilo na jednoj strani ukrućeno a na drugoj djeluje torziono moment. Svaka zamišljena crta na površini vratila, što je u neopterećenom stanju bila usporedna sa osi vrtnje, uvinut će se. Pri tom će nastupiti rastezanje, pri čemu je najveća deformacija u smjeru 450 s obzirom na os vrtnje zbog vlačnog naprezanja, a najveće stezanje za 450 u suprotnom smijeru zbog tlačnog naprezanja.

Na slici su četiri rastezna osjetila priljepljena simetrično na plašt vratila pod kutom 450. Otpor jednog para osjetila raste zbog vlačnog naprezanja, dok se otpor drugog para osjetila smanjuje zbog tlačnog naprezanja. Za prijenos mijernog signala sa vratila najčešće se koriste klizni prstenovi.


Vježba – Određivanje krivulje ovisnosti el.otpora o sili za poluvodičko rastezno osjetilo spojeno na mjerni instrument

Ohmmetar

1. Izmjeriti otpor neopterećenog poluvodičkog rasteznog osjetila 2. Mijenjati utege od manjeg prema većem te njima opterećivati osjetilo i mjerene

rezultate upisati u tablicu 3. Nacrtati krivulju na graphu R=ƒ(F)

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Sila (N) 0

Otpor (Ω)

R

F

Zaključa

Procesna mjerenja – 3. Vježba - Mjerni pretvornici tlaka 18

3. VJEŽBA - MJERNI PRETVORNICI TLAKA Tlak je definiran kao djelovanje sile na površinu. Mjeren s obzirom na vakum naziva se apsolutnim tlakom. Razlika tlaka jest bilo koja razlika tlakova mjerenih na dva mjesta u prostoru. Tlak mjeren s obzirom na atmosferski naziva se relativni tlak. Tako ako je relativni tlak veći od atmosferskog onda ga nazivamo nadtlak, a ako je manji onda ga nazivamo podtlak. Vakum ili praznina je prazan prostor i u njemu je apsolutni tlak jednak nuli. KAPLJEVINSKI PRETVORNICI TLAKA To su klasični pretvornici i danas se upotrebljavaju uglavnom u laboratorijima. U-manometar klasični je primjer pretvorbe tlaka u pomak na načelu uravnoteženja mjernog tlaka s težinom stupca kapljevine.

Na slikama je prikazano kaku U-manometar iskoristiti za pretvorbu tlaka u električni mjerni signal. Na prvoj slici je prikazan potenciometrijski spoj u kojem stupac žive djeluje kao kliznik. Na drugoj slici prikazano je kapacitivno osjećanje pomaka razine žive u manometru s čašicom. Živa služi kao jedna elektroda kapacitivnog pretvornika pomaka. Ta se izvedba upotrebljava za mjerenje vrlo malih promjena tlaka. DEFORMACIJSKI PRETVORNICI TLAKA Ovi pretvornici tlaka imaju mehanička osjetila koja pretvaraju tlak u male pomake ili deformacije. Osjetila su izvedena tako da slijede Hookov zakon, da bi pomak ili deformacija bili razmjerni primjenjenom mjernom tlaku.


DIJAFRAGME Dijafragme su kružne ploče učvršćene uzduž ruba tako da im se pri djelovanju tlaka na njhovu površinu najviše uvija (izbočuje) središte. Mogi se mjeriti nastali pomaci središta ili naprezanje izazvano deformacijom.

Na slici su prikazani primjeri izvedbe i učvršćenja dijafragmi. Upotrebljavaju se dvije izvedbe – ravna i valovita (naborana). Izrađuju se od fosforne bronce, berilijeve bronce, titana, tantala i drugih materijala. Otklon dijafragme zavisi od promjere, debljine, oblika i broja nabora, modula elastičnosti materijala i primjenjenog tlaka. Pri manjem mjernom opsegu veća se osjetljivost dobije uporabom ravnih dijafragmi. Kada se radi o širem mjernom području, veća su uvijanja i upotrebljava se valovita dijafragma.

Ravne dijfragme imaju danas puno veću primjenu. Kao osjetila deformacija i pomaka upotrebljavaju se rastezna, piezoelektrična, induktivna i kapacitivna osjetila. Posebno su brojne izvedbe s rasteznim osjetilima: žičnim, folijama i poluvodičkim. Na slici je prikazana jedna takva izvedba gdje se rastezna osjetila lijepe ili naparuju na dijfragmu.


Piezoelektrični pretvornici tlaka primjenjuju se pri mjerenju dinamičkih tlačnih promjena. Imaju vrlo malu vremensku konstantu reda veličine < 1ms. Mjerno područje ovih mijernih pretvornika obuhvaća najmanje tlakove 0-10kPa do visokih tlakova od 0-10 Mpa. Temperaturno im je mjerno područje od –160 do +325 0C uz toplinsku osjetljivost 0,01% po 0C. Može se postići linearnost 0,1%. MIJEH

To osjetilo tlaka je limena cijev s tankom stijenkom i plaštom u obliku dubokih nabora. Na jednom je kraju zatvorena, a na drugom kraju je ugrađen priključak za mjereni tlak. Broj i dubina nabora zavisi od potrebne osjetljivosti, a prosječni promjer može biti od 2 do 150 mm. Materijali su isti kao i za dijafragme.


Mijehovi se upotrebljavaju za mjerenje malih tlakova, a zatim i u uvjetima kad su potrebni veliki pomaci za male promjene tlaka. Za mjerenje većih tlakova upotrebljavaju se u sklopu sa elastičnim perom kako je prikazano na slici. Pomaci se pretvaraju u električni signal pomoću potenciometarskog ili induktivnog osjetila. BOURDONOVA CIJEV Cijev zakrivljena u obliku srpa, na jednom kraju zatvorena, a na drugome sa ugrađenim priključkom za mjereni tlak jest osjetilo tlaka kojeg nazivamo Bourdonova cijev. Međutim taj je naziv proširen na čitavu skupinu mjernih osjetila koja djeluju na istom načelu.

Porastom unutrašnjeg tlaka Bourdonova cijev mijenja oblik i nastoji se ispraviti pa se njen zatvoreni kraj giba. Pomak se pretvara u električni signal induktivnim ili potenciometarskim pretvornicima


Rašljasto osjetilo (a) na mjerno područje otprilike 0,03 do 100 Mpa. Uvijeno osjetilo (d) primjenjuje se za mjerenje visokih tlakova do 200 Mpa. Spiralno (b) i hekloidno (c) osjetilo odlikuju se većom osjetljivošću od jednostavne Bourdonove cijevi. Materijal za Bourdonove cijevi je isti kao i a dijafragme.


Vježba – Određivanje krivulje ovisnosti napona o razlici tlakova za diferencijalni piezoelektrični mjerač tlaka Motorola MPX-5100 koji je spojen na mjerni instrument prema slici.

+5 VDC IZLAZ

MASA

MPX 5100 DP

Pa Mjereni tlak

Mjerno područje 0 do 100 kPa Ulazni napon +5 VDC Izlazni napon 0,5 do 4,5 VDC Izlazna struja 8mA Temperaturno područje 0 do 85 0C Potrebno je:

4. Izmjeriti napon neopterećenog piezoelektričnog mjereča tlaka 5. Mijenjati pritiske od manjeg prema većem te njima opterećivati osjetilo i mjerene

rezultate upisati u tablicu 6. Nacrtati krivulju na graphu U=ƒ(∆P)

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Tlak (Pa) 0

Napon (V)

Zaključak:


U

P

Procesna mjerenja – 4. Vježba - Mjerni pretvornici protoka 25

4. VJEŽBA - MJERNI PRETVORNICI PROTOKA Protjecanje je gibanje tekućina: kapljevina i plinova. Količinu tekućine što protječe u stanovitom vremenu zovemo protok. Obujam tekućine što protječe u jedinici vremena zove se volumni ili obujmni protok. Masa tekućine koja protječe u stanovitom vremenu zove se maseni protok. Mjerni pretvornici protoka sadrže osjetila protoka koja djeluju na različitim načelima, ali većina se u osnovi svodi na jednog od već poznatih pretvornika, tj. na mjerenje razlike tlaka, mjerenje pomaka ili mjerenje brzine vrtnje pa se i pretvornici mogu svrstati prema tome:

- osjetila protoka na načelu razlike tlaka - mehanička osjetila protoka, pomična i rotacijska - osjetila protoka na osnovi svojstva tekućine

MJERNI PRETVORNICI PROTOKA SA PROMJENJIVIM PADOM TLAKA NA SUŽENJU Na suženju prikladno smještenom u cjevovod kojim protječe tekućina nastaje pad tlaka koji se mijenja u zavisnosti od protoka. Mjeren pomoću pretvornika razlike tlaka, taj je pad tlaka mjera protoka. Zahvaljujući jednostavnosti, taj se način mjerenja protoka najviše upotrebljava. Tome još pridonose niska cijena izvedbe i dovoljno podataka primjenjivih za proračun. Najjednostavniji oblik suženja jest mjerni zaslon. Osim zaslona upotrebljavaju se i druge izvedbe: Venturijeva cijev, Dallova cijev itd. Ali je princip isti.

Zavisnost tlaka i brzine protjecanja izvodi se iz Bernoulijeve jednadžbe koja glasi za vodoravnu cijev

konstpv=+

2

2δ

gdje je δ gustoća, v brzina i p tlak na promatranom mjestu. Na suženju je smanjena površina kojom protječe tekućina, pa se povećava brzina protjecanja. Uzme li se dva presjeka prema slici A1 i A2 tada možemo pisati

2

22

1

21

22p

vp

v+=+

δδ


Nastali pad tlaka na suženju jest

( )2

22

2121

δvvppp −=+=∆

Budući da u cijevi pri protjecanju nema akumulacije tvari, jednadžba bilance tvari na mjestu suženja glasi v1A1=v2A2. Kada uredimo jednadžbu dobijemo brzinu tekućine na suženju

p

AA

v ∆

−

=2

1

2

22

1

2

δ

prema tome volumni protok

p

AA

AAvqt ∆

−

==δ2

12

1

2

222

i maseni protok

p

AA

Aqq tm ∆

−

== δδ 2

12

1

2

2

Dodatne korekcije ovih jednadžbi su potrebne jer se radi o realnim tekućinama i različitim uvjetima njihova strujanja. Uz to pojedine tekućine su stišljive (plinovi) pa i tu okolnost treba uzeti u obzir.

Kad mjerena tekućina nosi krute čestice, te će se čestice skupljati na donjem stražnjem dijelu zaslona i bit će uzrok mjernoj pogrešci. Za mjerenje protoka takvih tekućina upotrebljavaju se zato ekscentrični i segmentni zasloni s otvorom smještenim tako da se spriječi skupljanje čestica na mjernom mjestu.


Izvodi za mjerenje razlike tlaka ili tlačni izvodi smješteni su na mjestima s malim vrtloženjem i stalnijomom vrijednosti tlaka (ne varira ako je protok konstantan). Način smještana izvoda prema slici a) izvodi na prirubnici i b) izvodi vena contracta. Izvodi vena contracta upotrebljavaju se onda kad se želi najveća razlika tlaka. Položaj drugog izvoda pri tom zavisi od promjera cijevi i suženja. Mnogo se upotrebljavaju i c) cjevni tlačni izvodi postavljeni na udaljenosti 2,5 promjera cijevi ispred suženja i 8 promjera cijevi iza suženja. Tada je mjerni tlak znatno manji nego u dva prethodna primjera, pa je moguće mjeriti velike protoke s pretvornikom razlike tlaka malog opsega (plinovodi).

Na slici je prikazan najjednostavniji način mjerenja razlike tlaka pomoću U-manometra. Zavisnost je visine stupca žive u U-manometru i protoka nelinearna. Protok je razmjeran drugom korjenu razlike tlaka ili visine stupca žive u U-manometru. Obično se iza pretvornika razlike tlaka kada je to moguće ugrađuje slog za kvadriranje – kvadrator, pa se dobije linearna zavisnost mjernog signala od protoka.


MJERNI PRETVORNICI PROTOKA SA STALNIM PADOM TLAKA I PROMJENIVOM POVRŠINOM SUŽENJA Djelovanje ove vrste pretvornika temelji se na neprekidnom usklađivanju prolaznog presjeka suženja prema padu tlaka na tom suženju, bilo da se tlak održava na stalnoj vrijednosti, bilo da se mijenja mjesto suženja.

Na slici su prikazani pretvornici protoka u kojima pad tlaka nastaje na prikladno oblikovanom tijelu, lebdilu što se slobodno giba (lebdi) u struji tekućine u koničnoj cijevi i pri tome mijenja mjesto (položaj) suženja. Tekučina (kapljevina ili plin) teče od dna prema vrhu cijevi i pri tome na lebdilo djeluje uzgon i sila zbog pada tlaka koji nastaje na prstenastom suženju između lebdila i cijevi. Lebdilo je načinjeno iz materijala veće gustoće od tekućine koja protiče pa svojom težinom uspostavlja ravnotežu sila. Uzrok promjeni ravnoteže jest porast ili pad protoka i time nastala promjena pada tlaka. Lebdilo će se gibati sve dok se u nekom novom položaju ne uspostavi ravnoteža. Položaj lebdila mjera je protoka, a takvi pretvornici su općenito poznati pod imenom rotametri.


Rotametri su posebno prikladni za mjerenje malih protoka, pa se upotrebljavaju za mjerenje protoka kapljevina manjih od 0,1 cm3/min i protoka plinova manjih od 1 cm3/min (kuglasto lebdilo). Maksimalni tlak za rotametre sa staklenom cijevi jest 45 bar, a za rotametre sa čeličnom cijevi do 350 bara. Vrijeme potrebno da se lebdilo smiri pri prelazu iz jednog u drugi položaj jest 2 do 10 sekundi. Na slici je prikazano nekoliko načina pretvorbe pomaka lebdila u električni signal. TURBINSKI PRETVORNICI PROTOKA Smjesti li se vijak s lopaticama (turbina) u cjevovod kojim protiče tekućina njegova brzina vrtnje ω zavisi od volumnog protoka qv prema relaciji ω=k qv gdje je k koeficijent koji cjelovito obuhvaća sve parametre što utječu na zavisnost brzine vrtnje vijka od protoka (linearna ovisnost).


Vijak se smiješta u cijev od nemagnetskog materijala da bi se brzina vrtnje mogla mjeriti brojanjem prolaza lopatica kraj induktivnog osjetila ugrađenog u stijenku. Izlaz iz induktivnog osjetila brzine vrtnje jest izmjenični napon kojemu je frekvencija razmjerna brzini vrtnje i broju lopatica. Lopatice se mogu oblikovati tako da daju sinusni oblik naponskog signala. Mjerni opseg takvih pretvornika protoka je od 0,01 lit/min do 250000 lit/min. Linearnost standardnih pretvornika je ±0,25 %, a temperaturni opseg od –230 0C do 540 0C. POTISNI PRETVORNICI PROTOKA Potisni pretvornici protoka djeluju kao pumpe. Pri djelovanju zahvaćaju sa ulaznog dijela određeni obujam kapljevine i ispuštaju ga na izlaznom dijelu, potiskujući ga na gibanje. Pri tome se broji ukupna količina takvih radnih ciklusa i dobije se mjerni signal. Takav se pretvornik naziva i mjerna ili volumetrijska pumpa

Stapni potisni pretvornik protoka pomicanjem stapa u jednom smijeru uvlači tekućinu iz ulaznog cjevovoda u stapni valjak, a zatim pri promjeni smjera gibanja stapa ju potiskuje u izlazni cjevovod. Pri tome se uvijek prenosi obujam određen promjerom stapnog valjka i hodom stapa (hod stapa se može mijenjati). Ukupni prenjeti obujam određuje se brojanjem stapnih ciklusa.


Na slici je prikazan vrtivi potisni pretvornik protoka koji spada u posebno veliku skupinu pretvornika pa postoji i više izvedbi. Zakretanjem rotora zahvaća se određena kolicina tekućine koja se prenosi u izlazni cjevovod. Broj okretaja rotora nam govori količinu prenjete tekućine. Primjenjuju se u širokom mjernom području za mjerenje protoka plinova i kapljevina, posebice za mjerenje vrlo viskoznih kapljevina. Odlikuju se malom pogreškom pri velikim protocima ±0,2 % dok im je pri malim protocima greška veća. PRETVORNICI PROTOKA S OSJETILIMA NA OSNOVI SVOJSTAVA TEKUĆINA Toplinski pretvornici protoka temelje se na zavisnosti protoka i topline predane tekućini. Takvi pretvornici se nazivaju i Thomasovi pretvornici.


U cjevovod kojim protječe tekućina dovodi se konstantna količina topline Q. Mjeri se razlika temperature ispred i iza grijala. Maseni protok je

( )12 TTcQq

pm −=

gdje je cp specifična toplina, T1 temperatura ispred, a T2 temperatura iza grijala. Za točan rad pretvornika važna je stalnost specifične topline mjerene tekućine, a također se pretpostavlja da su gubici topline neznatni i zanemarljivi. Elektromagnetski pretvornik protoka služi za mjerenje protoka električki vodljivih kapljevina. Djeluje na načelu Faradayeva zakona elektromagnetske indukcije, prema kojemu je elektromotorna sila inducirana u vodiču što se giba kroz magnetsko polje razmjerna brzini promjene magnetskog toka.

Sastoji se od para elektromagneta smještenih izvan cijevi i para elektroda koje su u dodiru sa kapljevinom. Elektromagnetsko polje proizvedeno elektromagnetima okomito je na smijer protjecanja kapljevine, a elektrode su smještene okomito na elektromagnetsko polje i na smjer protjecanja. Tako se na elektrodama javlja električni potencijal E, razmjeran brzini protjecanja kapljevine v

dBvE = gdje je B gustoća magnetskog toka, a d razmak između elektroda (unutrašnji promjer cijevi). Primjena elektromagnetskog pretvornika protoka neprikladna je za slabo vodljive kapljevine (najčešće taline, korozivne kapljevine te kašaste i nečiste tvari).


Protok također možemo mjeriti preko ultrazvučnog pretvornika. Dva para pretvornika, predajnik i prijemnik, smješteni su i razmaknuti na udaljenosti d u tekućinu koja teče brzinom v. Brzina emitiranog akustičkog vala je c, pa se trajanje putovanja akustičkog vala niz struju dobije kao omjer puta i zbroja brzina

vcdt A +

=

a uz struju kao omjer puta i razlike brzina

vcdtB −

=

Razlika trajanja jest vrijeme

22

2vcdvttt AB −

=−=∆

razmjerno brzini protjecanja. Ako je v mnogo manji od c, tada se može uzeti 2

2cdvt ≈∆

pa je odatle tdcv ∆≈2

2

U cjevovodima u kojima se ne želi neposredan dodir pretvornika sa tvari, postavljaju se pretvornici izvan cijevi križno prema slici

Tada je ϑ

ϑ222

2ctgvc

Dvctgt−

=∆

Postoje brojne izvedbe ultrazvučnih pretvornika i primjena im je različita i široka (medicina). Ističu se po visokoj točnosti, brzom odzivu, linearnosti, vrsta tekućine ne utječe na mjerenu vrijednost.


Vježba – određivanje karakteristike impulsnog mjerača protoka proizvođača DIGMESA koji je spojen na mjerni instrument prema slici.

+5 VDC IZLAZ

MASA

Q

Q

Mjerač protoka na izlazu daje impulsni naponski signal ovisno o protoku. Potrebno je:

1. Kroz mjerač protoka protjerati 1 litru vode te postupak ponoviti 6 puta 2. Nakon svakog mjerenja izmjeriti konačni broj dobivenih impulsa 3. Odrediti koliko mjerač daje impulsa po jednoj litri tekućine 4. Napisati zaključak i način na koji biste kontinuirano mjerili protok

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Broj impulsa

Impulsni mjerač protoka daje _____________ impulsa/litri tekućine Zaključak:

Procesna mjerenja – 5. Vježba - Mjerni pretvornici razine 35

5. VJEŽBA - MJERNI PRETVORNICI RAZINE Mjerenje razine kapljevina i krutina u spremnicima i posudama služi u osnovi kao mjera njihova obujma ili mase. Različite karakteristike tvari te različite posude i uvijeti u kojima se te tvari nalaze u tim posudama čine katkad zadatak mjerenja razine vrlo složenim. Razvijeni su brojni postupci osjećanja promjene razine prilagođeni danim okolnostima. MJERNI PRETVORNICI RAZINE KAPLJEVINA

Plovak ili ronilo su osjetila koja djeluju na načelu Arhimedova zakona. Plovak se izvodi od materijala manje gustoće nego li je gustoća kapljevine, pa pliva na površini kapljevine slijedeći neposredno njene promjene. Pomaci se plovka prenose na pretvornik pomaka i pretvaraju u električni signal. Ronilo je izvedeno iz materijala veće gustoće od gustoće kapljevine, pa je pri mjerenju uronjeno u kapljevinu i 'lebdi'. Ronilo ne slijedi neposredno pomake razine, već promjene razine djeluju na ravnotežu sila sustava ronilo-pero, a pri tome nastali pomaci ronila mjera su razine.


Na slici su prikazani različiti načini osjećanja razine pomoću hidrostatskog tlaka. Osnovna zavisnost na kojoj se temelji primjena ovih osjetila jest p=δgh; p je hidrostatski tlak na danoj referentnoj razini, δ - gustoća kapljevine, g – ubrzanje zemljine teže, a h mjerena razina. Promjenjiva gustoća kapljevine uzrok je pogrešci mjerenja, pa tada treba primjeniti drugačije osjetilo. Slika a) mjerenje hidrostatskog tlaka na referentnoj razini, b) mjerenje hidrostatskog tlaka propuhivanjem zraka c) mjerenje hidrostatskog tlaka u zatvorenoj posudi. Električna osjetila razine izvode se na načelu promjene električnog otpora ili kapaciteta između elektroda uronjenih u kapljevinu.

Otpornička osjetila razine primjenjuju se za mjerenje razine vodljivih kapljevina. Primjer na slici a) je pogodniji za mjerenje nemirne površine tekućine dok primjer na slici b) za dojavu gornje i donje razine pri mirnoj površini.


Kapacitivna osjetila razine upotrebljavaju se za mjerenje dielektričnih i slabo vodljivih kapljevina. Za kapacitivna osjetila razine primjenjuju se obično elektrode zaštićene slojem izolacijskog materijala. Vodljivost i dielektrična konstanta kapljevina mijenjaju se u zavisnosti od temperature pa znatnije promjene temperature pri mjerenju mogu unositi velike pogreške.

Za mjerenje razine (dubine) u dubokim bunarima često se koristimo piezoelektričnim osjetilom tlaka.

Na slici je prikazano nekoliko načela uporabe ultrazvučnih osjetila razine. Potrebno je raspolagati s predajnikom i prijemnikom ultrazvuka kao i pri opisanom mjerenju protoka pomoću ultrazvuka. Trajanje putovanja zvučnog vala mjera je razine.


Na slici su prikazani primjeri mjerenja razine izvedenog na načelu apsorpcije radioaktivnih zraka. Zrake iz prikladno smještenog izvora zračenja prolaze kroz posudu do detektora radioaktivnog zračenja. Što je razina viša, to je veća apsorpcija radioaktivnih zraka i signal na izlazu iz detektora je manji. Najčešće se upotrebljavaju izvori γ-zraka Cs137, Co60, Ra226, u posebnim, olovom zaštićenim kutijama, izvedenim tako da daju usmjereno zračenje i djeluju kao radioaktivna zaštita prema okolini. Radioaktivni pretvornici razine prikladni su za mjerenje svih vrsta tvari i jedino iz zdravstvenih razloga se ne koriste u prehrambenij industriji.


Optičko osjećanje razine temelji se bilo na apsorpciji svjetlosnih zraka u kapljevini ili na refleksiji (odbijanju) svjetlosnih zraka od površine kapljevine. Zadani način omogućuje izvanredno točno mjerenje, posebice uz uporabu laserskog izvora svjetlosti. Slika prikazuje način optičke dojave razine. MJERNI PRETVORNICI RAZINE SIPINA I KRUTINA Mjerenje razine sipina i krutina, a također i praškastih tvari može se provesti pomoću osjetila izvedenih na istim načelima kao i osjetila razine kapljevina. Potrebne su međutim stanovite prilagodbe, a postoje i okolnosti u kojima je potrebno pronaći neko drugo riješenje.

Na slici su prikazani načini mjerenja razine sipina

a) u plovak je ugrađen vibrator, pa neprekidne vibracije što ih proizvodi omogućuju plovku 'plivanje' na površini materijala

b) plovak se može periodički dizati i spuštati do površine materijala c) tlak materijala na metalnu dijafragmu ugrađenu u plašt spremnika ili posude kao

osjetilo tlaka mjera je razine materijala d) razina se može učiniti i razmjerna težini, pa je spremnik oslonjen na hidraulički

pretvornik sile


Pri mjerenju razine sipkih i praškastih materijala u metalurgiji česta je upotreba radioaktivnih i ultrazvučnih mjerila Vježba – Pomoću piezoelektričnog mjereča tlaka Motorola MPX-5100 odrediti hidrostatski tlak na dnu posude sa vodom iz kojeg ćemo izračunati razinu.

MPX-5100

cijevčica

posuda(prozirna)

izlaz U(V)

razina

Mjerni pretvarač (elektronički sklop sa senzorom) tlaka ulazni tlak od 0 do 100kPa pretvara linearno u naponski signal od 0 do 10 VDC. Potrebno je:

7. Izmjeriti napon na mjernom pretvaraču tlaka kada je posuda prazna 8. Doljevati vodu u posudu tako da se školskim mjerilom mjeri razina tekućine u posudi,

a u isto vrijeme mjeri napon na izlazu iz pretvarača 9. Budući da znamo ovisnost dobivenog napona i tlaka preko izraza p=δgh odrediti

računsku visinu i usporediti je sa stvarnom visinom izmjerenom školskim mjerilom 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Visina (m) 0

Napon (V)

Tlak (Pa)

Računska Visina (m)


U

h

U dijagram treba ucrtati krivulju napon-mjerena visina i napon-stvarna visina. Zaključak:

Procesna mjerenja – 6. Vježba - Mjerni pretvornici temperature 42

6. VJEŽBA - MJERNI PRETVORNICI TEMPERATURE Temperatura je veličina kojom izražavamo toplinsko stanje tijela i njegovu sposobnost prijenosa topline na druga tijela. Toplina je energija što se zbog razlike temperatura izmjenjuje između tijela i okoline odnosno između dvaju tijela. Govoreći o tijelu podrazumijeva se kruta tijela, kapljevine i plinovi. Prijenos topline može se ostvariti provođenjem, prenošenjem i zračenjem. Provođenje topline je prostiranje topline kroz krutinu. Prenošenje topline se zbiva gibanjem kapljevine ili plina. Zračenje je prijenos topline elektromagnetskim valom. Promjene toplinskog stanja tijela uzrok su različitim fizkalnim pojavama od kojih mi koristimo

- zavisnost obujma tijela (dilatacija tijela) od temperature - zavisnost električnog otpora vodiča i poluvodiča od temperature - zavisnost energije zračenja tijela od temperature tijela - zavisnost elektromotorne sile razvijene na spojištu dvaju vodiča od

temperature spojišta DILATACIJSKI MJERNI PRETVORNICI TEMPERATURE Zavisnost obujma V od prirasta temperature ∆T određuje se eksperimentom za svaku tvar zasebno, pa se zatim traži matematički izraz koji najbolje opisuje tu zavisnost. Uzima se izraz u obliku polinoma

( ) ( ) ( )[ ]...1 320 +∆+∆+∆+= TTTVV γβα

i za svaku tvar se izračunavaju koeficijenti α, β, γ... Za kovni štap ili žicu često se ta zavisnost piše samo za duljinu

( ) ( ) ( )[ ]...1 320 +∆+∆+∆+= TTTll γβα

U navedenim izrazima su V0 i l0 obujam i duljina pri određenoj referentnoj temperaturi T0, a V i L obujam i duljina pri mjerenoj temperaturi - ∆T=T-T0 Bimetalno dilatacijsko osjetilo je osjetilo sastavljeno od dviju traka različitih materijala, pa kad se izloži promjeni temperature, savija se zbog različitih koeficijenata toplinskih širenja tih materijala.

Učvrsti li se jedan kraj bimetala, otklon drugog kraja bit će mjera temperature. U linearnom dijelu statičke karakteristike veličina tog otklona razmjerna je kvadratu duljine trake, a recipročnoj vrijednosti njene debljine.


Trake se mogu oblikovati u a) spiralu, b) hekloidu, c) bihekloidno, pa se tada dobije zakret kao mjera temperature (d). Bimetalna osjetila se u načelu primjenjuju u najednostavnijim regulacijskim krugovima (najraširenija). Mjerno područje im je od –1850C do 4000C s ukupnom mjernom pogreškom ±1%. Materijali za bimetale su INVAR, slitina nikla i željeza s malim koeficijentom dilatacije, te mjed ili slitina nikla i kroma sa velikim koeficijentom dilatacije.

Kapljevinski mjerni pretvornik na slici poznat je po nazivu kontaktni termometar jer djeluje kao sklopka. Pri danoj temperaturi, kad stupac žive dostigne određenu visinu u kapilari, uspostavlja se kontakt žive i platinske žice (elektrode) i zatvara električni krug. Upotrebljavaju se u mjernom području od –380C do 6500C, a ukupna mjerna pogreška im je manja od ±0,5%.


Znatna je industrijska primjena tlačnih mjernih pretvornika temperature, u kojima kapljevina ili plin potpuno ispunjavaju zatvoreni prostor, a tlak što ga u tom prostoru stvaraju, kad su izloženi mjernoj temperaturi, mjera je temperature. Na slici su prikazane izvedbe a)kapljevinskog, b)parnog i c)plinskog tlačnog pretvornika temperature. Zatvoreni prostor tlačnog pretvornika čine lukovice, kapilara i osjetilo tlaka, pa za tekućinu vrijedi izraz:

2

22

1

11

TVp

TVp

=

Materijal se lukovice i kapilare bira takav da bi promjene njihova obujma u mjernom području temperatura bile što manje i da bi se moglo pretpostaviti V1≈V2 pa se može pisati

221

12 aTT

Tp

p ==

što pokazuje da se tlak u prostoru mijenja u zavisnosti od temperature (izohora). OTPORNIČKA OSJETILA TEMPERATURE Kod otporničkih osjetila zavisnost otpora od promjene temperature određuje se eksperimentom. Tako dobivena zavisnost može se opisati izrazom:

( ) ( ) ( )[ ]...1 320 +∆+∆+∆+= TTTRR γβα


Na prvoj slici su prkazane te zavisnosti za nekoliko kovina i lako je razabrati da su vrlo linearne. Za većinu čistih kovina ta se zavisnost može s dobrim približenjem opisati izrazom

( )TRR ∆+= α10

gdje je R0 otpor pri referentnoj temperaturi T0, ∆T=T-T0, T je mjerena temperatura, α, β i γ su temperaturni koeficijenti električnog otpora kovina. Na drugoj slici je prikazana zavisnost električnog otpora poluvodičkih otporničkih osjetila-termistora, gdje se vidi da im vrijednost otpora nelinearno pada sa porastom temperature. Metalna otpornička osjetila izvode se namatanjem žice ili naparivanjem tankog sloja kovine na izolator. Materijali za žična otpornička osjetila temperature jesu platina, nikal, volfram i bakar. Slojna otpornička osjetila temperature izrađuju se obično naparivanjem platine na keramički izolator.

Na slici je prikazan primjer izvedbe žičanog otporničkog osjetila. Posebnu važnost imaju platinska žična otpornička osjetila temperature koja se u skladu s međunarodnim dogovorom upotrebljavaju za precizna mjerenja temperature u području od –1830C do 6300C. U principu platinsko otporničko osjetilo se upotrebljava kao baždarno osjetilo gdje je poznata vrijednost otpora pri određenoj temperaturi (obično 00C). Na primjer otporničko osjetilo označeno Pt100 je osjetilo od platinske žice i pri 00C ima otpor 100Ω. Poluvodička otpornička osjetila temperature ili termistori smjesa su sulfida, selenida ili oksida kovina takvih kao magnezij, nikal, kobalt, bakar, željezo i uran. Glavne su im značajke veliki otpor, veliki negativni temperaturni koeficijent otpora, nelinearna statička karakteristika i mala vremenska konstanta. Ne smiju se opterećivati strujama većim od 100µA, jer su uzrok velikoj mjernoj pogrešci. Statička karakteristika ima oblik:

−

= 0

11

0TTeRR

β

gdje je R otpor pri mjernoj temperaturi T, a R0 pri referentnoj temperaturi T0=298,15K. Konstanta βse uzima oko 4000.


Termistori se izvode u obliku a)pločica, b) i c)štapića i d)kuglica ili zrna. Kuglasti ili zrnasti termistori upotrebljavaju se najviše kao osjetila temperature, izrađuju se obložena staklom. Moguće su izvedbe minijaturnog promjera tek reda 0,1mm, što se odlikuju posebno dobrim dinamičkim svojstvima. Mjerno područje im je –750C do 2500C.

Na slici su prikazana tri osnovna spoja otporničkih osjetila. Prvi se naziva spoj s dvije žice (a), jer je osjetilo neposredno spojeno s dvije žice u jednu granu Wheatstoneova mosta. Spojne su žice bakrene. U pogonu su ove žice izložene promjenama temperature okoline, pa se pri tome mijenja njihov otpor. Pribraja se otporu osjetila i proidonosi mjernoj pogrešci. Bolji mjerni spoj je spoj sa tri žice (b) u kojem su dvije žice u susjednim granama mosta, a treća je spojena na pokazni instrument. Tako je promjena otpora spojnih žica raspodjeljena jednako


na dvije susjedne grane mosta. Treći je spoj s četiri žice (c) u kojem su u usporednu granu mosta u kojoj je osjetilo stavljene 'slijepe žice'. Na taj način je pogreška zbog promjene otpora spojnih žica potpuno kompenzirana. TERMOPAROVI Njemački fizičar Thomas Johann Seebeck 1821. godine je otkrio da se u zatvorenom krugu što ga tvore dva metala stvara kontinuirana električna struja kada su spojišta ovih metala izložena različitim temperaturama.

Taj se tzv. Seebeckov efekt tumači preko slike na kojoj su žice od materijala A i B spojene u krug pa im je jedno spojište izloženo temperaturi T1, a drugo temperaturi T2. Pomoću ampermetra beskonačno malog unutarnjeg otpora motri se nastala termoelektrična struja I, ili se motri termoelektromotorna sila E, pomoću voltmetra beskonačno velikog unutarnjeg otpora. Takvim spojem ostvarujemo pretvorbu toplinske energije u električnu, a mjerni pretvornik nazivamo termopar.

Pri mjerenju jedno se spojište termopara izlaže nepoznatoj temperaturi i njega zovemo mjerno spojište. Istodobno temperatura kojoj je izloženo drugo spojište mora biti poznata i stalna pa to spojište zovemo referentno spojište. Mjerenjem elektromotorne sile moguće je odrediti nepoznatu temperaturu. Najjednostavniji spoj termopara (a) jest takav u kojemu su dvije žice što čine termopar provučene od mjernog spojišta do referentnog spojišta na mjestu gdje je priključen voltmetar. U praksi (b) se izvodi mjerno spojište sa kraćim žicama, u načelu najviše do 1m duljine, a na njihove krajeve se onda nadovezuje produžni vod. Ugradnjom produžnih vodova nastaju četiri dodatna termoelektrična spojišta. U tim se spojištima također stvaraju elektromotorne sile i pri mjerenju su uzrok mjerne nesigurnosti. U praksi se ta poteškoća riješava uporabom tzv. kompenzacijskih produžnih vodova. Materijali ovih vodova odabiru se tako da na spojištima daju elektromotorne sile jednakih vrijednosti a suprotnih predznaka. Svakom termoparu prilagođen je poseban kompenzacijski vod. Ipak su ti vodovi najčešće od bakra.


Za točnost mjerenja posebno je važno održavanje stalne temperature referentnog spojišta. Može se održavati ili na sobnoj temperaturi ili na temperaturi ledene kupke (00C). Ako referentno spojište nije termostatirano i ako je ostavljeno na temperaturi okoline – u praksi su to obično stezaljke instrumenta – promjene temperature okoline bit će uzrok znatnoj mjernoj nesigurnosti. Zato se u krug ugrađuje poseban korekcijski most na način prikazan slikom. Namjena ovog mosnog spoja jest da zavisno od temperature okoline dodatnim naponom korigira termoelektromotornu silu referentnog spojišta. Tri grane mosta temperaturno su nezavisni otpornici R1, R2 i R3, dok je u četvrtoj grani otporničko osjetilo temperature, kojemu je otpor zavisan o temperaturi okoline. Promjenjivim otpornikom ugodimo most na temperaturu okoline i možemo početi sa mjerenjem.

Mnogi materijali pokazuju termoelektrični potencijal u odnosu na platinu, ali tek ih manji broj ima praktičnu primjenu. Najvažniji termoparovi u široj primjeni jesu: željezo-konstantan, bakar-konstantan, rodij-platina, krom-nikal i krom-alumel. Svaki par ovih materijala pokazuje neka svojstva koja ga čine prikladnim za određenu primjenu. Njihova je i osjetljivost različita npr najveću ima par bakar-konstantan(oko 60 µV/0C), a najmanju platina-rodij(oko 6 µV/0C).


Važna je i izvedba spojišta. Spojišta se izvode zavarivanjem, lemljenjem ili prešanjem žica. Spojište može biti kuglasto ili zaobljeno, čelno zavareno, itd.

Žice mjernog spojišta mogu biti izolirane prikladnim vatrostalnim materijalom (azbest, porculan, kvarcno staklo, itd). Pomoću zaštitnog tuljca štiti se mjerno spojište od okoline. Materijali za zaštitni tuljac su najčešće ljevano žaljezo, razni čelici, silicijev karbid itd.

Na slici je prikazan smještaj mjernog spojišta u zaštitnu cijev.


PIROMETRI ZRAČENJA Svojstvo tijela (krutina, kapljevina i plinova) da isijavaju energiju u obliku elektromagnetskog zračenja iskorišteno je kao načelo mjerenja pomoću pirometra zračenja. Nama je ovdje zanimljivo zračenje prouzročeno toplinom, i to ono kojem valne duljine leže u vidljivom (0,3 do 0,75) i infracrvenom (0,72 do 1000 µm) području spektra elektromagnetskih valova. Savršeno toplinsko zračilo zovemo crnim tijelom. Takvo bi tijelo emitiralo najveći mogući iznos toplinske energije pri određenoj temperaturi. Zamisao crnog tijela je matematička apstrakcija, jer stvarna fizička tijela zrače manju snagu. Zračivnost ili emisivnost stvarnog necrnog tijela je omjer energije njegova zračenja i zračenja idealnog crnog tijela na danoj temperaturi. Optički ili svjetlosni pirometri

Kako je na slici prikazano za referentni svjetlosni izvor uzimamo žaruljicu, s niti od čistog volframa. Nit je ugrađena u staklenu lukovicu iz koje je isisan zrak, jer se u vakumu na najmanju moguću mjeru svodi vođenje i izmjena topline. Žaruljica je u električnom krugu s ugodivom strujom, pa se po volji mogu namještati temperature niti. Vrši se svjetlosno usklađivanje referentnog izvora svjetlosti sa ispitivanim tijelom (slika), da bi mjereći temperaturu referentnog svjetlosnog izvora zaključili o temperaturi ispitivanog tijela. Naime na skalu A-metra koji se nalazi u krugu žaruljice su nanjete vrijednosti temperature u 0C ili K. Da bi se postiglo bolje svjetlosno usklađivanje, mjerenje je ograničeno samo na zračenje jedne valne duljine, ugradivši ispred okulara crveni stakleni filter. Dakle pri danoj valnoj duljini λ, obično pri valnoj duljini crvene svjetlosti λ=o,65µm., uspoređuje se jakost zračenja referentnog svjetlosnog izvora i ispitivanog tijela.

CTT zt

ελ ln11=−

Motritelj će na instrumentu pirometra pročitati temperaturu žarulje Tž, a zatim pomoću jednadžbe dobivene iz Planckovog zakona izračunati temperaturu tijela Tt (konstanta C=1,4388 10-2 Km). Za svako mijerno tijelo potrebno je znati zračivnost (ε). Za crno tijelo ono je ε=1, a za ostala tijela pri određenim valnim duljinama ona se određuje eksperimentalno i mi ju uzimamo iz gotovih tablica. Radijacijski pirometar Ukupno zračenje tijela pri danoj temperaturi mjerena je veličina radijacijskog pirometra. Pod ukupnim zračenjem podrazumjevamo zračenje na svim valnim duljinama.


Slogom leća (a) ili zrcalom (b) sabiru se u žarište zrake što ih zrači tijelo. Prikladno osjetilo zračenja postavljeno u žarište daje električni mjerni signal razmjeran sabranoj energiji zračenja. Izmjerimo temperaturu žarišta Tž i prema Stefan-Boltzmannovom zakonu možemo izraziti

41

tzt TT

ε=

gdje je εt ukupna ili totalna zračivost i po vrijednosti se razlikuje od zračivisti pri određenoij valnoj duljini. Određuje se eksperimentalno, a mi ju uzimamo iz tablica. Vježba – mjerenje temperature Općenito o NTC otpornicima Termistori su grupa temperaturnih senzora s visokim iznosom temperaturnog koeficijenta otpora α. Riječ termistor je akronim od Thermally Sensitive Resistor [TSR] (termički osjetljiv otpornik). Termistori su poluvodiči od metalnih oksida kao što su oksidi kobalta , magnezija, mangana ili nikla s dodacima kako bi se postigla karakteristika koju zahtjeva tehnološki proces (kupac). Mogu biti s pozitivnim temperaturnim koeficijentom otpora (PTC – Positive Temperature Coefficient) ili s negativnim temperaturnim koeficijentom otpora (NTC – Negative Temperature Coefficient). NTC termistori daju relativno veliku promjenu otpora pri maloj promjeni temperature. Što je veći temperaturni koeficijent to je veća promjena otpora pri promjeni temperature i krivulja temperatura-otpor ( )TfR = je strmija.


0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

1) Snimanje promjene otpora mjernog osjetila pri promjeni temperature R = f (T) Ohmmetar priključimo na stezaljke mjernog osjetila - NTC termistora. Termistor postavimo u blizinu promjenjivog izvora topline i mijenjajući temperaturu pratimo promjene otpora termistora. Izmjerene rezultate upisujemo u tablicu. Nakon toga crtamo karakteristiku R = f (T). Snimanje ćemo vršiti prema sljedećoj shemi: t [°C]

RNTC [kΩ]

Nacrtajte snimljenu karakteristiku R = f (T):

Ω

Q

Temperatura [°C]

Otp

or [

kΩ]


2) Snimanje promjena napona na mjernom osjetilu UNTC = f (T) i promjene izlaznog napona mjernog člana UIZ = f (T) pri promjeni temperature Mjerno osjetilo (NTC termistor) priključimo na mjerni član (stezaljke označene s NTC). Voltmetar V1 priključimo paralelno NTC termistoru, a voltmetar V2 priključimo na stezaljke označene s V. Zatim uključimo napajanje (24V) i mjerno osjetilo približimo promjenjivom izvoru topline. Pri promjeni temperature mijenjaju se i napon na mjernom osjetilu i izlazni napon mjernog člana. Podatke bilježimo u tablicu. Shema mjernog člana: Mjerna shema:

V1 V2

V


0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

t [°C]

UNTC[V]

UIZ[V]

Nacrtajte snimljene karakteristike UNTC = f (T) i UIZ = f (T) : Zaključak:

Temperatura [°C]

Nap

on n

a se

nzor

u [V

]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Temperatura [°C]

Izla

zni n

apon

[V

]

Procesna mjerenja – 7. Vježba - Mjernje jakosti osvjetljenja 55

7. VJEŽBA – MJERENJE JAKOSTI OSVJETLJENJA

Vidljivo svjetlo je spektar elektromagnetskog zračenja (radijacija) na koju je osjetljivo ljudsko oko. Elektromagnetski valovi se kreću brzinom od 300 000 km/s i nije im potreban medij za gibanje. Sve boje svjetla možemo dobiti kombinacijom crvene, zelene i plave boje. Ako bijelo svjetlo propustimo kroz prizmu ono se razdvaja na sedam boja:

Boja Valna duljina Ljubičasta 400 – 420 nm Indigo(modra) 420 – 460 nm Plava 460 – 510 nm Zelena 510 – 560 nm Žuta 560 – 590 nm Narančasta 590 – 610 nm Crvena 610 – 760 nm

Ljudsko oko razaznaje valne duljine svjetlosti u rasponu od 400 do 700 nm. Iznad 700

nm nalazi se infra crveno područje a ispod 400 nm nalazi se ultraljubičasto područje. Crvenu točku na infracrvenom reflektoru koja radi na 715 nm vidjet ćete iz razloga što ljudsko oko vidi i iznad 700 nm ali vrlo slabo. Oko je najosjetljivije na valnu dužinu 555 nm (zelena boja), a da bi razabralo boje veće ili manje valne duljine od navedene, oko se mora jače naprezati (ljubičasta i crvena boja).

Graf valnih duljina

U praksi se susrećemo s dva glavna izvora svjetla: 1.Primarni izvori: sunce, razna rasvjetna tijela, svjetleće reklame, TV i monitori, iskrenja, el. luk ... 2.Sekundarni izvori: svi objekti koji ne generiraju svjetlo, nego ga samo reflektiraju Da bi mogli razumjeti svojstva svijetlosti potrebno je poznavati njezine fizikalne karakteristike. To su:


Svjetlosni tok [ Ф ] Pod svjetlosnim tokom podrazumijeva se ona količina svjetlosne energije koju promatrani izvor isijava u okolni prostor u trajanju od 1 sekunde. Svjetlosni tok se mjeri u lumenima [lm]. Lumen je izvedena jedinica SI sustava i definirana kao svjetlosni tok kojeg u prostorni kut 1 steradijana zrači točkasti izvor svjetlosti, čija je svjetlosna jačina u svim smjerovima prostora jednaka 1 candeli. Jakost svjetlosti [ I ] Jakost svjetlosti je jednaka gustoći isijavanog svjetlosnog toka u odgovarajućem prostornom kutu. I=∆Ф/∆ω

Da bi se svjetlosni izvor mogao smatrati točkastim, udaljenost r obasjane površine S od svjetlosnog izvora mora biti najmanje 3 puta veća od njegova promjera (sl.1.). Pretpostavimo da snop zraka koje tvore tok ∆Ф ima oblik stošca čiji vrh leži na površini svjetlosnog izvora. Prostor omeđen ovim stošcem zove se prostorni kut ∆ω (sl.2.).

Sl.1.) Uvjet za smatranje izvora točkastim Sl.2.) Definicija jakosti svjetlosti

d - promjer svjetlosnog izvora ∆ω - prostorni kut u steradijanima S - obasjana površina ∆Ф - svjetlosni tok koji prolazi kroz ∆ω r - udaljenost obasjane plohe od I - jakost svjetlosti

svjetlosnog izvora Ne postoji ni jedan svjetlosni izvor, ni prirodni ni umjetni, koji bi svijetlio jednako jako u svim smjerovima, gdje bi jakost isijavane svjetlosti bila u svim pravcima ista. U stvarnosti svaki izvor zrači kroz jednak prostorni kut ∆ω u raznim smjerovima razne svjetlosne tokove (sl.3). Zamislimo da je oko svjetlosnog izvora kao središta opisana kugla polumjera 1 m, to je tzv. jedinična kugla (sl.3). Površina S kalote koja iz oplošja jedinične kugle izrezuje prostorni kut ω je: S=ω*r2= ω*1= ω

I


Ako je ta površina S= 1 m2, onda se odgovarajući prostorni kut zove jedinični prostorni kut . Jedinični prostorni kut je prostor unutar stošca ili piramide čiji se vrh nalazi u središtu jedinične kugle, a baza mu je kuglina kalota površine 1 m2 (sl.4.).

Sl.3.) Jedinična kugla Sl.4.) Jedinični prostorni kut

∆ω - prostorni kut u steradijanima ∆Ф - svjetlosni tok ∆S - površina kružne kalote na kugli r = 1m - polumjer jedinične kugle Jedinica za mjerenje jakosti svjetlosti je candela [cd]. Candela je jačina svjetlosti jednaka 1/60 jakosti svjetlosti što je isijava 1 cm2 apsolutno crnog tijela užarenoga na temperaturu skrućivanja rastaljene platine od 2046 °K odnosno 1773°C, pod tlakom od 101325 Pa. Prije uvođenja ove jedinice u upotrebi su bile druge dvije jedinice i to internacionalna svijeća i Hefnerova svijeća. Jakost rasvjete - osvjetljenost [ E ] Osvjetljenost predstavlja mjerilo za intenzitet svjetlosti, koja pada na određenu površinu. Ovo je najvažnija i najkorištenija karakteristika. E= Ф/S Jedinica za osvjetljenost je lux [Lux]. Jakost rasvjete 1 Lux ima površina 1 m2 ako na nju pada svjetlosni tok od 1 lumen. Važno je napomenuti da dobre slike nema bez dobrog osvjetljenja.


Sjaj svjetleće plohe [ B ] Pod sjajem ili gustoćom svjetlosti svjetleće plohe u nekom smjeru podrazumjeva se jakost svjetlosti I što je u tom smjeru isijava 1 cm2 prividne površine promatrane plohe. B = I/S´ = I/S*cos α

Prikaz prividne plohe S´

Jedinica za sjaj je stilb [sb=cd/cm2]. Jedinicu sjaja, 1 sb, ima ravna ploha površine 1 cm2 koja u okomitom smjeru isijava svjetlost jakosti 1 cd. 1 sb je prevelika jedinica pa je umjesto nje uvedena manja, apostilb [asb]. 1asb = 1/ 31400 sb Iskorištenje svjetlosnoga izvora [ ζ ] Pod iskorištenjem svjetlosnoga izvora podrazumjeva se omjer između ukupnog svjetlosnog toka Ф što ga svjetlosni izvor isijava i električne snage P koju za to troši. ζ = Ф/ P [ lm/W ] Iskorištenje svjetlosnog izvora vrlo je važna veličina jer nam služi kao mjerilo za prosuđivanje ekonomičnosti raznih svjetlosnih izvora. Specifični potrošak svjetlosnog izvora [ ε ] Pod specifićnim potroškom svjetlosnog izvora podrazumjeva se omjer između utrošene električne snage P u vatima i proizvedenog svjetlosnog toka Ф u lumenima. ε = P / Ф [ W/lm ] Taj nam podatak pokazuje koliko vata mora svjetlosni izvor utrošiti da bi proizveo svjetlosni tok od 1 lumen. Korisnost rasvjete [ η ] Korisnost rasvjete je omjer između svjetlosnog toka Фi koji stvarno pada na obasjanu plohu (iskorišteni svjetlosni tok) i svjetlosnoga toka Ф što ga proizvode goli svjetlosni izvori (bez armature). η = Фi / Ф


Zakon udaljenosti Kada svjetlosne zrake padaju na obasjanu plohu okomito, a njena je udaljenost r od svjetlosnog izvora velika prema dimenzijama izvora vrijedi tzv. zakon udaljenosti. On glasi: Jakost rasvjete E obasjane površine S upravo je razmjerna s jakošču svjetlosti I, a obrnuto razmjerna s kvadratom udaljenosti r te površine od svjetlosnog izvora. E = I/ r2

Ako imamo točkasti svjetlosni izvor Z na slici i promatramo snop svjetlosnih zraka koje on isijava kroz prostorni kut ω u vodoravnom smjeru, u tom će smjeru svjetlost imati jakost: I= Ф /ω

Zavisnost jakosti rasvjete o udaljenosti od svjetlosnog izvora Ako na udaljenosti r1 od svjetlosnog izvora postavimo neku ravnu plohu, okomito na os svjetlosnog snopa, onda će na njoj svjetlosni snop obasjavati kružnu površinu S1 i davati joj jakost rasvjete E1= Ф/S1 = Ф/R1

2 * π

Ako tu istu plohu odmaknemo u smjeru osi svjetlosnog snopa na udaljenost r2=2r1, u istom razmjeru će porasti i polumjer kružne plohe što je svjetlosni snop obasjava (R2=2R1). Istovremeno će veličina obasjane površine S2 porasti četverostruko. U zatvorenim prostorijama ovaj zakon ne vrijedi ako izvjestan dio svjetlosnoga toka dolazi na osvjetljenu plohu refleksijom od zidova i stropa. U tom slučaju promjena udaljenosti svjetlosnoga izvora od obasjane plohe uzrokuje razmjerno manju promjenu jakosti rasvjete E.


Fotometrijsko tijelo Svjetlosni izvori imaju u raznim smjerovima razne jakosti svjetlosti. Ako mjerenjem utvrdimo jakosti svjetlosti u svim smjerovima te ih onda u odabranom mjerilu nanesemo kao vektore od središta svjetlosnog izvora u pripadnim smjerovima. Spajanjem krajnjih točaka tih vektora dobit ćemo prostorno (trodimenzionalno) tijelo koje se naziva fotometrijsko tijelo dotičnog izvora.

Svjetlosna karakteristika ili krivulja intenziteta Ako fotometrijsko tijelo prerežemo ravninom položenom kroz glavnu os izvora, dobivamo kao presjak krivulju koja se zove svjetlosna karakteristika ili krivulja intenziteta. Svjetlosna karakteristika u rasvjetnoj tehnici pokazuje nam kako se svjetlost promatranog izvora raspodjeljuje po okolnom prostoru. Ona se može konstruirati za razne rasvjetne armature pa nam omogućuje da odaberemo rasvjetnu armaturu kakva najbolje odgovara za svaki pojedini slučaj.

a) Svjetlosna karakteristika b) Svjetlosna karakteristika U središtu dijagrama zamišljamo svjetlosni izvor. Ako je njegova karakteristika simetrična s obzirom na vertikalnu os onda je dovoljno prikazati samo jednu njenu polovicu. Karakteristike se redovito odnose na svjetlosni tok od 1000 lm. Iz ishodišta dijagrama opisane su koncentrične kružnice čiji polumjeri u istom mjerilu pokazuju određenu jakost svjetlosti, te su povučeni pravci pod raznim kutovima, tako da se iz dijagrama odmah vidi kolika je svjetlosna emisija pod izvjesnim kutom prema glavnoj osi svjetlosnog izvora. Iz karakteristike, (slika a), vidi se da armatura usmjerava veći dio svjetlosnog toka u prostor ispod sebe, dok znatno manji dio odlazi u prostor iznad horizontale povučene kroz svjetlosni izvor. Takva bi rasvjeta bila prikladna za prostor gdje se želi osvjetliti i strop. Iz slike b vidimo na prvi pogled da takva armatura dolazi u obzir na onim mjestima gdje čitav svjetlosni tok mora biti usmjeren na obasjanu plohu direktno (najkraćim putem). Koristimo je za osvjetljavanje donjeg dijela prostorija ili pojedinih radnih mjesta. Raspodjela jačine osvjetljenja najčešče se prikazuje u vidu polarnog dijagrama koji se daje u internacionalnom C- sistemu ravnina. Pojedine poluravnine C- sistema označuju se s obzirom na njihov kut od 0°do 360°.


Polarni dijagram s obzirom na kut vrtnje od 0°do 360°.

Dijagram raspodjele jačine svjetlosti sadrži više krivulja, od kojih se svaka odnosi na drugu karakterističnu ravninu odnosno poluravninu (0° – 180°; 90° - 270°)

Dijagram raspodjele jačine svjetlosti s obzirom na više krivulja Izocandelin dijagram sadrži skup krivulja iste svjetlosne jačine i primjenjuje se u tehnici vanjskog osvjetljenja kod proračuna osvjetljenja na kolniku ili kod proračuna osvjetljenosti kod reflektorskog osvjetljenja. Dijagram se daje u vidu plošne projekcije.

Izocandelin dijagram

Svjetlosna karakteristika može nam korisno poslužiti za određivanje svjetlosnog toka pomoću tzv. Rousseauova dijagrama.


Rousseauov dijagram Iz svjetlosne karakteristike Rousseau je konstruirao krivulju svjetlosnog toka i pomoću nje odredio srednju prostornu jakost svjetlosti.

Rousseauov dijagram

Krivulja svjetlosnog toka konstruira se na ovaj način: lijevo i desno od svjetlosne karakteristike povuče se ordinata A-B, koja s apscisom kroz svjetlosni izvor tvori koordinatni sustav. Iz središta karakteristike opiše se kružnica bilo kojeg polumjera, i ona nam predočuje jediničnu kružnicu. Nakon toga iz središta karakteristike povuče se zraka koja s vertikalom (glavna os svjetlosnog izvora) zatvara neki kut α. Iz točke C, u kojoj ta zraka sječe jediničnu kružnicu, povuče se apscisa i na nju se od ordinate A-B nanese jakost svjetlosti Iα izvora u smjeru nacrtane zrake. Na taj način se dobije točka D krivulje svjetlosnog toka. Postupak ponovimo za razne kutove α i dobit ćemo niz točaka krivulje (E,F,G...). Spajanjem tih točaka dobije se krivulja svjetlosnog toka. Iz ovog dijagrama naći ćemo srednju prostornu jakost svjetlosti I0 kao visinu pravokutnika čija je baza jednaka ordinati A-B, a površina mu je jednaka površini Rousseauova dijagrama A-E-X-B. Očitat ćemo je u istom mjerilu u kojem su izražene pojedine jakosti svjetlosti u karakteristici.


Fotometrijska mjerenja

S pomoću fotometrijskih mjerenja određuje se: 1. jakost svjetlosti I 2. svjetlosni tok Ф 3. jakost rasvjete E obasjane površine 1. Mjerenje jakosti svjetlosti I Kod ovog mjerenja se koristi se poznati zakon udaljenosti. Princip mjerenja sastoji se u tome da se jedna te ista glatka bijela ploha osvijetli istovremeno s obje strane. Na jednoj strani obasjava je svjetlosni izvor čiju jakost svjetlosti poznajemo, dok je s druge strane obasjava svjetlosni izvor čiju jakost mjerimo. Kod mjerenja se mjenja udaljenost mjerne plohe od oba dva svjetlosna izvora tako dugo dok nam se ne učini da je ona s obje strane jednako jako obasjana. U tom je trenutku jakost rasvjete jednaka s obje strane plohe (Ep=Ex).

Fotometrijski stol

Najjednostavniji fotometar sastoji se od bijelog papira na kojemu je uljem načinjena masna mrlja koja propušta više, a reflektira manje svjetlosti nego ostala površine papira. Ovisno s koje strane promatramo papir, mrlja će nam se činiti svijetlija ili tamnija od ostalog dijela papira. Ako je papir jače obasjan sa strane koja je suprotna promatraču onda će se njemu mrlja činiti svjetlijom od ostalog dijela papira i obrnuto, ako je papir jače obasjan sa strane promatrača njemu će se mrlja činiti tamnija. Mjerenje se vrši tako da se papir pomiče u vodoravnom smjeru sve dok nam se ne učini da je čitava njegova površina obasjana potpuno jednolično. Tada se izmjri udajenost papira od svjetlosnih izvora P i X (rp i rx), pa kako poznajemo jakost svjetlosti Ip možemo izračunati jakost svjetlosti Ix : Ix= Ip * (rx/rp)2 Od stacionarnih najviše se upotrebljava Lummer-Brodhunov fotometar, dok se od prenosivih najviše upotrebljava Weberov fotometar.


Kontrastni Lummer-Brodhunov fotometar Glavni dio ovog fotometra su dvije jednake prizme s ravnim hipotenuzama. U hipotenuzi prizme I napravljena su udubljenja 1 i 2 (prikazana na sl.1.) gdje je ostvaren tanak sloj zraka. Na ostalom dijelu svoje površine prizma I potpuno priliježe uz prizmu II. Fotometar se postavi na fotometrijsku klupu tako da svjetlosne zrake iz poznatog izvora P ulaze u nj kroz otvor O1, a iz mjerenog svjetlosnog izvora X kroz O2. Svjetlosne zrake iz izvora P padaju najprije na bijeli neprovidni zaslon Z od sadre koji ima zadaću da upadno svijetlo difuzno rasprši. Difundirane zrake padaju na zrcalo Z2 čija je površina paralelna s uzdužnom osi fotometra. Od njega se one reflektiraju na sustav prizama I i II.

Sl.1.) Kontrastni Lummer-Brodhunov fotometar Sl.2.) Prizme I i II One zrake koje padnu na dodirnu površinu obiju prizama nastavljaju svoj put bez promjene i padaju na suprotnu stijenu kućišta fotometra koja je crne boje i apsorbira zrake tako da ne sudjeluju pri mjerenju. Zrake koje padnu na udubljenje 1 i 2 reflektiraju se po zakonu pravilne refleksije i odlaze u okular gdje ih oko promatrača vidi onako kako prikazuje šrafirana površina na sl.2.a (površina 1 i 2). Zrake svjetlosti koje iz mjerenog izvora dolaze u fotometar kroz otvor O2 padaju najprije na drugu stranu sadrenog zaslona Z, od koje se difuzno raspršuju. Jedan dio zraka odlazi prema zrcalu Z1, koje ih reflektira prema prizmama. Zrake koje padnu na poleđinu udubljenja 1 i 2 pravilno se reflektiraju (zrake s1, s2 i s3) prema crnoj stijeni kućišta koja ih asorbira. Zrake koje padnu na dodirnu površinu obiju prizama prolaze bez promjena i kroz okular ulaze u oko promatrača (stvara se slika koju prikazuje svjetla površina 3 i 4 na sl.2.a). Za vrijeme mjerenja pomiče se fotometar na fotometrijskoj klupi tako dugo dok plohe 1 i 3 ne budu jednako osvijetljene i dok unutrašnje površune 2 i 4 ne kontrastiraju jednako prema njima. Radi postizanja tog kontrasta stavljaju se staklene pločice P1 i P2; one apsorbiraju jedan dio svjetlosti tako da su površine 2 i 4 osvijetljene oko 8% slabije nego površine 1 i 3. Kad je to postignuto, u oku promatrača, nastaje slika koju prikazuje sl.2.b. S pomoću ovog fotometra može se odrediti jakost svjetlosti s točnošću od ±0.25%.


2. Mjerenje svjetlosnog toka pomoću Ulbrichtove kugle Ulbrichtova kugla je šuplja željezna kugla, bijele boje iznutra kako bi se svjetlosne zrake difuzno reflektirale uz što manju apsorpciju. Promjer kugle je od 0.5 do 3 m ovisno o jakosti svjetlosnog izvora. Za male izvore upotrebljavaju se kugle malog promjera, a za velike izvore kugle većih promjera.

Ulbrichtova kugla

Na kugli u visini ekvatora načinjen je otvor O, promjera oko 5 cm koji je zatvoren poklopcem od opal-stakla. Kroz taj poklopac se vrši mjerenje jakosti izvora smještena u kugli. Za točnost mjerenja vrlo je bitno da mjerna zraka ne padne na poklopac direktno iz izvora. Zbog toga se između izvora S i poklopca nalazi svjetlonepropusni zaslon Z od bijelog ocakljenog željeznog lima. Izvor S čiji tok želimo odrediti montira se u gornji dio kugle. Zrake svjetlosti što ih isijava reflektiraju se od unutarnje površine kugle potpuno difuzno na sve strane. Jakost rasvjete je zato na svim mjestima jednaka pa tako i na poklopcu. Kroz poklopac izlazi jedan dio toka iz kugle tako da vanjska površina poklopca ima izvjestan sjaj koji je proporcionalan jakosti rasvjete unutar kugle. Na poklopac se montira senzor koji mjeri jakost rasvjete koja je proporcionalna svjetlosnom toku.


3. Mjerenje jakosti rasvjete E obasjane površine Ovakvo mjerenje se vrši pomoću luxmetra čiji je glavni dio foto-ćelija koja ima zadaću da svjetlosnu energiju koja padne na nju pretvori na električnu. Zahvaljujući foto-ćeliji, današnji luxmetri ne trebaju dodatni izvor el. struje. Foto-ćelija može biti sa bakrenim oksidom ili sa selenom.

1- opna 2- bakreni oksid Cu2O 3- bakrena pločica

Sl. 1. Foto-ćelija s bakernim oksidom

Na sl.1. je prikazana foto-ćelija koja se sastoji od tanke bakrene pločice koja je s jedne strane prevučena s tankim slojem bakrenog oksida preko kojeg dolazi tanka opna od bakra, srebra i zlata. Na bakrenu pločicu priključi se jedan, a na metalnu opnu drugi kraj osjetljivog galvanometra s okretnim svitkom. Kad svjetlosne zrake prođu kroz opnu padnu na bakreni oksid u elementu Cu2O-Cu javit će se EMS, koja će protjerati određenu struju kroz strujni krug. Smjer struje je suprotan smjeru upadne svjetlosti. Na sl.2. je foto-ćelija koja se sastoji od tanke željezne ili aluminijske pločice na koju se stavi vrlo tanak sloj selena preko kojeg dolazi opna od platine ili srebra. Pri obasjavanju selena preko metalne opne javi se u elementu EMS, koja u strujnom krugu foto-ćelija-galvanometar izazove el. struju. Smjer struje je identičan sa smjerom upadne svjetlosti, dakle opna-selen. 1- opna 2- selen 3- pločica od željeza ili aluminija

Sl.2. Selenska foto-ćelija Zbog veće osjetljivosti uglavnom se upotrebljava selenska ćelija. Do 10 000 Lux jakosti osvjetljenja, struje su približno proporcionalne s jakosti mjerenog osvjetljenja. Ovaj proporcionalitet je to točniji što je manji otpor foto-ćelije, kao i otpor galvanometra. Ako se skala galvanometra baždari u lux-ima, jakost osvjetljenja može se očitati izravno sa skale. Sa skale instrumenta očitavamo veći broj lux-a nego što ih daju vidljive zrake. Upotrebom prikladnih obojenih filtera greške se danas skoro potpono odstranjuju, tako da je osjetljivost foto-ćelije praktički jednaka osjetljivosti oka. Luksmetri ne mogu biti potpuno točni zato što je jakost struje u foto-ćeliji zavisna o boji svjetlosti. Dnevna svjetlost sadrži više plavih zraka nego većina umjetnih cvjetlosnih izvora, pa izaziva jaču struju nego jednaka količina svjetlosti crvene boje. Danje svjetlo, kao i svjetlost živinih sijalica, sadrži osim vidljivih još i nevidljive ultraljubičaste zrake koje naše oko ne zapaža, ali ih registrira foto-ćelija luksmetra. Rezultat mjerenja je zato veći nego što to odgovara sadržaju vidljivih zraka.


Razne izvedbe luxmetara

Određeni vremenski uvijeti i mjesta koja se osvjetljavaju

Preporučena jakost rasvjete [Lux]

Sunčan dan 100 000 Kišovit - tmuran dan 1 000 - 10 000 Suton 100 - 1000 Sumrak 1 - 10 Pun mjesec 0.3 Noć 0.1 Uredi 350 - 700 Trgovine 100 - 300 Robne kuće 30 - 100

Blagavaonica, dnevna soba 100 - 200 Spavaonica 20 - 50 Kuhinja 50 - 100

Stanovi

Kupaonica 50 - 100 Razredi 150 - 300 Velike predavaonice 150 - 300 Laboratoriji, radionice 250 - 500

Škole

Hodnici, stubišta 50 - 100 Kina i kazališta 20 - 50 Čitaonice 150 - 300 Muzeji 100 - 300 Garaže 50 - 100 Centar grada noću oko 10

Auto - putevi 20 Ceste sa slabim prometom 3 Glavne trgovačke ulice 50

Ulice i ceste

Trgovi 35 Košarkaško igralište 100 Nogometno igralište 200 Teniski teren 250

Sportske površine

Za televizijski prijenos najmanje 1500


Foto-senzor TSL 250

Izgled senzora i raspored pinova

Kod senzora TSL 250 su zajednički integrirani foto dioda i operacijsko pojačalo. Aktivno područje foto diode je 1 mm2. Napon napajanja ovog senzora može biti od 3 do 9 V, a preporučeno je od proizvođača 5 V. Senzor pravilno radi na temperaturi od -25°C do +85°C. Jakost osvjetljenja je proporcionalna izlaznom naponu. Senzor je najosjetljiviji na valnoj duljini od 780 nm.

Test shema Ovisnost izlaznog napona o jakosti osvjetljenja Osjetljivost foto-diode na valnu duljinu svjetlosti


Ovisnost maksimalnog izlaznog napona o naponu napajanja

Foto-senzor TSL 245 U senzoru je integrirana foto dioda i pretvornik struja/frekvencija. To omogučuje da na izlazu dobijemo pravokutne impulse, pa zato senzor možemo direktno spojiti na mikrokontroler ili neki drugi logički sklop. Napon napajanja iznosi od 2.7 do 6 V, a preporučeni iznos je 5 V. Senzor pravilno radi na temperaturi od -25°C do 70°C. Radno područje senzora je od 800 nm do 1100 nm (infracrveno područje).

zgled senzora i raspored pinova


Način spajanja na mikrokontroler

Ovisnost izlazne frekvencije o jakosti osvjetljenja Osjetljivost foto-diode na valnu duljinu svjetlosti

Ovisnosrt izlazne frekvencije o naponu napajanja

Documents

PROCESNA MJERENJA (podloge za vježbe) - nastava.tvz.hr · sekundarna svitka prikladno raspoređena oko rotora i spojena u zvijezda spoj tako da da su u nima inducirani naponi međusobno