procesna_mjerenja

TEHNIKO VELEUILITE U ZAGREBU ELEKTROTEHNIKI ODIJEL

PROCESNA MJERENJA (podloge za vjebe)

Procesna mjerenja 1. Vjeba - Mjerni pretvornici pomaka 1

1. VJEBA - 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 to odreuje promjenu mjesta teita tijela s obzirom na stajalite kao sredite vrtnje. OTPORNIKI PRETVORNICI POMAKA Pretvornike pomaka koji sa pomakom mijenjaju elektrini otpor nazivamo potenciometrima. Potenciometri su u stvari naprave koje se sastoje od otpornikog tijela uzdu kojeg se giba kliznik (klizni kontakt) spojen preko osjetila pomaka sa tijelom iji pomak mjerimo. Otporniko tijelo moe biti namotano icom (nikal-krom, konstantan,srebro-paladij i platina-iridij), a moe biti prevueno filmom od ugljena, raznih metalnih slitina ili posebnom keramiko-metalnom smjesom zvanom cerment.

a) i b) potenciometarski pretvornici pravocrtnog pomaka c) i d) potenciometarski pretvornici kutnog pomaka Posebno je vana izvedba kliznika pa su razvijene brojne vrste. Od izvedbe kliznika ovisi razina uma to se zbraja izlaznom signalu, a izvedba se kliznika takoer prilagouje radnim uvjetima, posebice ako se oekuje da e tijekom primjene pretvornik biti izloen udarima i vibracijama.


Primjeri izvedbe kliznika a) ravni, b) ravni s kukom, c) jamiast, d) iljast e),f) i l) u obliku otrice, g) u obliku listastog pera, h) dvojni kliznik, i) i j) u obliku kuke, k) valjkast Vana je i valjana kombinacija materijala otpornikog tijela, posebice ice i kliznika, da termoelektromotorna sila razvijena na kontaktu ne bi unosila pogreku. Za vrlo precizne pretvornike upotrebljava se dvojni kliznik, to usporedo klizi po otpornom tijelu i posebno uvrenoj kliznoj ipki. ipka je od takvog materijala da se elektromotorna sila razvijena na spojitu kliznik-otporniko tijelo kompenzira sa elektromotornom silom na spojitu kliznik-ipka. Takoer za precizna mjerenja posebice je vana kontaktna sila odnosno kontaktni pritisak kliznika. Kontaktna sila nam odreuje vrijednost prijelaznog otpora (10 do 100 m) Potenciometarski pretvornici linearnog pomaka imaju mjerno podruje od 10mm do vie metara (prijenos pomaka poluga). Potenciometarski pretvornici kutnog pomaka imaju najmanje mjerno podruje od 00 do 10, a najvee mjerno podruje od 00 do vie od 36000. Mogue su posebne izvedbe i s jo veim mjernim podrujem. Za mjerno podruje vee od 3550 upotrebljavaju se vienavojni potenciometri (slika) ili se moe ugraditi mehaniki prijenos poveanje osjetljivosti. Ne postoji izvedba jednonavojnog potenciometarskog pretvornika s mjernim podrujem punih 3600, jer nekoliko stupnjeva zauzimaju izvodi priklunih kontakata i razmak izmeu njh (max 3550 do 3580)


Potenciometarski mjerni pretvornik primjenjuje se u elektrinom krugu prikazanom na slici. Statika karakteristika potenciometra zavisnost je napona UT to vlada izmeu jedne od krajnjih stezaljki otpornikog tijela i kliznika (napon tereta - RT) i pomaka kliznika s. Oznaimo li cjelokupni hod kliznika sa 1, moemo 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 optereenja velik, RT >, tada R/ RT 0 i UT = U * s. Statika karakteristika je pravac. To je karakteristika neoptereenog pretvornika ili idealna karakteristika. Stvarna statika karakteristika zavisna je od tereta i nije linearna (razlika idealne i stvarne).


U

RtRss

RtRss

RtRss

UsUs)1(1

)1(

)1(1

2

+

=

+=

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

1. promjena kapaciteta ostvarena je promjenom razmaka izmeu elektroda 2. kapacitet se mijenja promjenom radne povrine 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 1m. Kapacitivni su pretvornici takoer pogodni za mjerenje dinamikih pomaka i pomou njih je lako slijediti pomake ak do frekvencija reda 1 kHz.

Tri naela primjene kapacitivnih pretvornika pomaka

Elekrtina shema Wienova mosta


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

Najvanija naela 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 meuinduktivitet. Transformator razlike ili diferencijski transformator sastoji se od primarnog svitka i dva podudarna sekundarna svitka to su smjetena simetrino u odnosu na primarni svitak. Svici su namotani na uplje tijelo (izolator) kroz koje se slobodno giba feromagnetka jezgra spojena s osjetilom pomaka. Primarni svitak je spojen na izmjenini napon, a izlazni napon je razlika napona to vladaju na sekundarnim svicima. Ako je jezgra u srednjem poloaju taj napon razlike je neznatno veiod nitice. 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 poloaja. Mjerno podruje obino ne prelazi od 250mm do +250mm.


Induktivni most se izvodi sa dva simetrina svitka namotana oko upljeg tijela (izolatora), u kojem se slobodno giba jezgra od feromagnetskog materijala. Pomak jezgre iz sredinjeg poloaja poveava induktivitet u jednom svitku, a smanjuje u drugome. Svici ine dvije grane izmjeninog mosta. Izlazni napon mosta razmjeran je pomaku jezgre.


Mjerni pretvornik pomaka s pominom kotvom spaja se u tzv. Izmjenini 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 poboljala linearnost pretvornika.

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


Zavisnost izlaznog napona induciranog na jednom svitku od poloaja 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 to vladaju na pojedinom svitku. Ona zavisi o sinusu kuta izmeu rotora i osi svitka.


esto se pri daljinskim mjerenjima mogu primjeniti spoj dvaju sinkropretvornika. Pri tome se jedan zove'predajnik' a drugi 'prijemnik'. Kada se rotor sinkropredajnika zakree induciraju se u statoru sinkroprijemnika takvi naponi da uzrokuju zakretni moment i pomak rotora. Tek kada se kutni poloaj rotora sinkropredajnika i sinkroprijemnika izjednae, zakretni moment e se svesti na niticu. 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 uvruje ploa ili prikladni rotor koji nosi mnogo jednakih ili jednoliko razmaknutih prikladno izvedenih odsjeaka ili segmenata. Ploa se vrti uz osjetilo koje osjea prolazak odsjeka (najee fototranzistor) i pri tome alje elektrini signal u obliku impulsa. Razmak izmeu dvaju odsjeka odgovara odreenom kutu, pa je broj impulsa na izlazu osjetila mjera veliine zakreta. Na isti nain djeluje i pretvornik pravocrtnih pomaka.

Svjetlost se u vidljivom ili infracrvenom podrujusvjetlosnog spektra emitira, a za usmjeravanje svjetla na odsjeke upotrebljavaju se lee ili optika vlakna. Kao osjetila upotrebljavaju se fotodiode i fototranzistori. Jednako tako se mogu koristiti i induktivni davai.


Na slici je prikazan primjer digitalnog pretvornika linearnog pomaka pomou svijetla (a) ili direktno preko elekrinog kontakta - etkica (b). Takve mjerae pomaka openito nazivamo inkrementalni enkoderi.

Apsolutni enkoderi daju jednoznani digitalni signal za svaki poloaj s obzirom na neku vrstu toku. Tako se za mjerenje kuta primjenjuje kodna ploa izraena od visokokvalitetnog stakla ili ploe sa kontaktima. U radijalnom su smjeru nanizani maskirani i nemaskirani segmenti takvi da poloak ploe ima jednoznanu binarnu kombinaciju razumljivu raunalu.

Vjeba: Pokazati rad induktivnog davaa (12-36 VDC,

Procesna mjerenje 2. Vjeba Mjerni pretvornici sile 11

2. VJEBA MJERNI PRETVORNICI SILE RASTEZNA OSJETILA Mjerenje sile openito se temelji na naelu ravnotee sila i veina pretvornika sile i momenta sila gradi se sa posebnim osjetilom elastinim tijelom u kojem se uspostavlja ravnotea sila. Osjetilo tada pretvara mjernu silu ili mjerni moment sila u mehaniku deformaciju, pa se daljnjim mjerenjem naprezanja ili pomaka uzrokovanog deformacijom dobije mjerni signal razmjeran mjerenoj sili. Najkoriteniji postupak mjerenja deformacije temelji se na primjeni otpornikih osjetila koja jo nazivamo i rastezna osjetila. Rastezno osjetilo je ica ili listi vodljivog ili poluvodljivog materijala to se uvruje na promatrano tijelo tako da se rastee ili stee podudarno s rastezanjem ili stezanjem tijela ako na tijelo djeluje sila. To uzrokuje mjerljivu promjenu elektrinog otpora rasteznog osjetila ono osjea promjene naprezanja na osnovi vlastite deformacije.

Otpor ice dok je neoptereena iznosi: AlR *=

Gdje je - specifini otpor, l duljuna , a A povrina presjeka ice. Optereti li se ica silom, ica e promjeniti dimenzije i kao posljedica na staje promjena njenog elektrinog otpora.

Oznaimo li deformaciju sa 0ll= kao i na slici moemo pisati:

)()()(

)1()()1()(

)1()(

0

20

0

AlR

AAll

=

+==

+=

Pa se pomou toga izraza moe odrediti i prirast vrijednosti otpora pri promjeni deformacije d


+

=

AlA

All

AddR

2

Deriviranjem i uvrtenjem gornjih izraza dobije se

++= )1(211

0

dRR

d je zapravo 0ldl

a omjer 00 ldl

RdR

je osjetljivost rasteznog osjetila i moemo je oznaiti sa

S. lan na desnoj strani izraza za osjetljivost moe se zanemariti, jer je mnogo manji od jedan, pa izraz za osjetljivost ianog osjetila glasi

++= 21S

gdje je Poissonov koeficijent, a koeficijent promjene otpora u zavisnosti od naprezanja. Za otpor veine kovina izloenih elastinoj deformaciji priblina osjetljivost na deformaciju je 2. Za ina rastezna osjetila najee se upotrebljavaju: advance-slitina, karma-slitine, iso-elastic-slitine, nikal-krom slitine, itd.


Na slici su prikazane osnovne izvedbe inih rasteznih osjetila. Tanka ica oblikovana je u cik-cak obliku i privrena (priljepljena) na osnovicu, listi prikladnog materijala. Promjer ice je 0,02 do 0,04 mm.

Uz ina rastezna osjetila primjenjuju se i osjetila od kovnih folija proizvedena jetkanjem. Takva se folijska rastezna osjetila mogu izvesti znatno manjih dimenzija od inih. Debljina folije je tek 3 do 8 m. Openito je jetkanjem mogue izvesti brojne razliite oblike rasteznih osjetila.

Spiralno rastezno osjetilo za mjerenje naprezanja u kovnim dijafragmama. Razvijena su i poluvodika rastezna osjetila. Glavna im je odlika visoka osjetljivost. Promjena otpora zbog deformacije izraena je u poluvodikim rasteznim osjetilima zbog njihovih dobrih piezootpornikih svojstava (velika promjena specifinog otpora. Gotovo se iskljuivo kao materijal upotrebljava silicij. Rastezna osjetila treba uvrstiti na mjerno mjesto tako da vijerno slijede deformacije tijela. Osjetilo se uvruje ljepljenjem, a posebne vrste osjetila i tokastim zavarivanjem. Nain ljepljenja, izbor ljepila s obzirom na materijal i povrinu mjernog mjesta presudni su za uspjeh mjerenja.


MJERNI PRETVORNICI SILE Pri mjerenju sile najee se sluimo rasteznim osjetilima, pa su na slici dani osnovni naini njihovog uvrivanja na gredicu. Osjetila su spojena u Wheatstoneov most. Ona to su izloena deformaciji nazivamo aktivna osjetila, a ona koja nisu pasivna osjetila. Pasivna osjetila moemo zamjeniti obinim otpornicima osim ako nije potrebna tempereturna kompenzacija.

Na slici a) prikazano je mjerenje sa etiri aktivna osjetila spojena u most tako da su dva optereena tlano (1 i 3), a dva vlano (2 i 4). Njihova se djelovanja meusobno podupiru, pa se tako postie najvea 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 etvrt-mosta samo sa jednim aktivnim osjetilom dok osjetilo 2 slui za temperaturnu kompenzaciju.

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

FbEhlA

A 2

6= FbEhlB

B 2

6= E je Yungov modul elastinosti, a l,b i h su izmjere osjetila prema slici. F je primjenjena sila, koja se moe izraunati iz razlike dvaju izraza.

)(62

BA

BA

llEbhF

=


Na slici je dan pregled razliitih naina povezivanja rasteznih osjetila u mosni spoj pri mjerenju tlanog i vlanog 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 dinamika 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 vea (idealno).

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

e) Dva aktivna mjerna osjetila u mosnom spoju prilagoenom za mjerenje tlanih i vlanih naprezanja. Umjerene vrijednosti izlaznog signala bez temperaturne kompenzacije.

f) Dva aktivna i dva pasivna rastezna osjetila u mosnom spoju prilagoenom za mjerenje tlanog i vlanog naprezanja. Umjereni izlazni signal i ostvarena temperaturna kompenzacija.


MJERNI PRETVORNICI ZAKRETNOG MOMENTA Mjerni pretvornici zakretnog momenta jesu posebna rastezna osjetila koja slue za osjeanje momenta u vratilu pri vrtnji. Ugrauju se izmeu 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 ukrueno a na drugoj djeluje torziono moment. Svaka zamiljena crta na povrini vratila, to je u neoptereenom stanju bila usporedna sa osi vrtnje, uvinut e se. Pri tom e nastupiti rastezanje, pri emu je najvea deformacija u smjeru 450 s obzirom na os vrtnje zbog vlanog naprezanja, a najvee stezanje za 450 u suprotnom smijeru zbog tlanog naprezanja.

Na slici su etiri rastezna osjetila priljepljena simetrino na plat vratila pod kutom 450. Otpor jednog para osjetila raste zbog vlanog naprezanja, dok se otpor drugog para osjetila smanjuje zbog tlanog naprezanja. Za prijenos mijernog signala sa vratila najee se koriste klizni prstenovi.


Vjeba Odreivanje krivulje ovisnosti el.otpora o sili za poluvodiko rastezno osjetilo spojeno na mjerni instrument

Ohmmetar

1. Izmjeriti otpor neoptereenog poluvodikog rasteznog osjetila 2. Mijenjati utege od manjeg prema veem te njima optereivati osjetilo i mjerene

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

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

Sila (N) 0

Otpor ()

R

F

Zakljua

Procesna mjerenja 3. Vjeba - Mjerni pretvornici tlaka 18

3. VJEBA - MJERNI PRETVORNICI TLAKA Tlak je definiran kao djelovanje sile na povrinu. 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 vei 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 klasini pretvornici i danas se upotrebljavaju uglavnom u laboratorijima. U-manometar klasini je primjer pretvorbe tlaka u pomak na naelu uravnoteenja mjernog tlaka s teinom stupca kapljevine.

Na slikama je prikazano kaku U-manometar iskoristiti za pretvorbu tlaka u elektrini mjerni signal. Na prvoj slici je prikazan potenciometrijski spoj u kojem stupac ive djeluje kao kliznik. Na drugoj slici prikazano je kapacitivno osjeanje pomaka razine ive u manometru s aicom. iva slui kao jedna elektroda kapacitivnog pretvornika pomaka. Ta se izvedba upotrebljava za mjerenje vrlo malih promjena tlaka. DEFORMACIJSKI PRETVORNICI TLAKA Ovi pretvornici tlaka imaju mehanika 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 krune ploe uvrene uzdu ruba tako da im se pri djelovanju tlaka na njhovu povrinu najvie uvija (izbouje) sredite. Mogi se mjeriti nastali pomaci sredita ili naprezanje izazvano deformacijom.

Na slici su prikazani primjeri izvedbe i uvrenja dijafragmi. Upotrebljavaju se dvije izvedbe ravna i valovita (naborana). Izrauju se od fosforne bronce, berilijeve bronce, titana, tantala i drugih materijala. Otklon dijafragme zavisi od promjere, debljine, oblika i broja nabora, modula elastinosti materijala i primjenjenog tlaka. Pri manjem mjernom opsegu vea se osjetljivost dobije uporabom ravnih dijafragmi. Kada se radi o irem mjernom podruju, vea su uvijanja i upotrebljava se valovita dijafragma.

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


Piezoelektrini pretvornici tlaka primjenjuju se pri mjerenju dinamikih tlanih promjena. Imaju vrlo malu vremensku konstantu reda veliine < 1ms. Mjerno podruje ovih mijernih pretvornika obuhvaa najmanje tlakove 0-10kPa do visokih tlakova od 0-10 Mpa. Temperaturno im je mjerno podruje od 160 do +325 0C uz toplinsku osjetljivost 0,01% po 0C. Moe se postii linearnost 0,1%. MIJEH

To osjetilo tlaka je limena cijev s tankom stijenkom i platom u obliku dubokih nabora. Na jednom je kraju zatvorena, a na drugom kraju je ugraen prikljuak za mjereni tlak. Broj i dubina nabora zavisi od potrebne osjetljivosti, a prosjeni promjer moe 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 veih tlakova upotrebljavaju se u sklopu sa elastinim perom kako je prikazano na slici. Pomaci se pretvaraju u elektrini signal pomou potenciometarskog ili induktivnog osjetila. BOURDONOVA CIJEV Cijev zakrivljena u obliku srpa, na jednom kraju zatvorena, a na drugome sa ugraenim prikljukom za mjereni tlak jest osjetilo tlaka kojeg nazivamo Bourdonova cijev. Meutim taj je naziv proiren na itavu skupinu mjernih osjetila koja djeluju na istom naelu.

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


Raljasto osjetilo (a) na mjerno podruje 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 veom osjetljivou od jednostavne Bourdonove cijevi. Materijal za Bourdonove cijevi je isti kao i a dijafragme.


Vjeba Odreivanje krivulje ovisnosti napona o razlici tlakova za diferencijalni piezoelektrini mjera tlaka Motorola MPX-5100 koji je spojen na mjerni instrument prema slici.

+5 VDC IZLAZ

MASA

MPX 5100 DP

Pa Mjereni tlak

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

4. Izmjeriti napon neoptereenog piezoelektrinog mjerea tlaka 5. Mijenjati pritiske od manjeg prema veem te njima optereivati osjetilo i mjerene

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

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

Tlak (Pa) 0

Napon (V)

Zakljuak:


U

P

Procesna mjerenja 4. Vjeba - Mjerni pretvornici protoka 25

4. VJEBA - MJERNI PRETVORNICI PROTOKA Protjecanje je gibanje tekuina: kapljevina i plinova. Koliinu tekuine to protjee u stanovitom vremenu zovemo protok. Obujam tekuine to protjee u jedinici vremena zove se volumni ili obujmni protok. Masa tekuine koja protjee u stanovitom vremenu zove se maseni protok. Mjerni pretvornici protoka sadre osjetila protoka koja djeluju na razliitim naelima, ali veina se u osnovi svodi na jednog od ve poznatih pretvornika, tj. na mjerenje razlike tlaka, mjerenje pomaka ili mjerenje brzine vrtnje pa se i pretvornici mogu svrstati prema tome:

- osjetila protoka na naelu razlike tlaka - mehanika osjetila protoka, pomina i rotacijska - osjetila protoka na osnovi svojstva tekuine

MJERNI PRETVORNICI PROTOKA SA PROMJENJIVIM PADOM TLAKA NA SUENJU Na suenju prikladno smjetenom u cjevovod kojim protjee tekuina nastaje pad tlaka koji se mijenja u zavisnosti od protoka. Mjeren pomou pretvornika razlike tlaka, taj je pad tlaka mjera protoka. Zahvaljujui jednostavnosti, taj se nain mjerenja protoka najvie upotrebljava. Tome jo pridonose niska cijena izvedbe i dovoljno podataka primjenjivih za proraun. Najjednostavniji oblik suenja 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 jednadbe koja glasi za vodoravnu cijev

konstpv =+2

2

gdje je gustoa, v brzina i p tlak na promatranom mjestu. Na suenju je smanjena povrina kojom protjee tekuina, pa se poveava brzina protjecanja. Uzme li se dva presjeka prema slici A1 i A2 tada moemo pisati

2

22

1

21

22p

vp

v +=+


Nastali pad tlaka na suenju jest

( )2

22

2121

vvppp =+= Budui da u cijevi pri protjecanju nema akumulacije tvari, jednadba bilance tvari na mjestu suenja glasi v1A1=v2A2. Kada uredimo jednadbu dobijemo brzinu tekuine na suenju

p

AA

v

=2

1

2

22

1

2

prema tome volumni protok

p

AA

AAvqt

== 2

12

1

2

222

i maseni protok

p

AA

Aqq tm

== 21

2

1

2

2

Dodatne korekcije ovih jednadbi su potrebne jer se radi o realnim tekuinama i razliitim uvjetima njihova strujanja. Uz to pojedine tekuine su stiljive (plinovi) pa i tu okolnost treba uzeti u obzir.

Kad mjerena tekuina nosi krute estice, te e se estice skupljati na donjem stranjem dijelu zaslona i bit e uzrok mjernoj pogreci. Za mjerenje protoka takvih tekuina upotrebljavaju se zato ekscentrini i segmentni zasloni s otvorom smjetenim tako da se sprijei skupljanje estica na mjernom mjestu.


Izvodi za mjerenje razlike tlaka ili tlani izvodi smjeteni su na mjestima s malim vrtloenjem i stalnijomom vrijednosti tlaka (ne varira ako je protok konstantan). Nain smjetana izvoda prema slici a) izvodi na prirubnici i b) izvodi vena contracta. Izvodi vena contracta upotrebljavaju se onda kad se eli najvea razlika tlaka. Poloaj drugog izvoda pri tom zavisi od promjera cijevi i suenja. Mnogo se upotrebljavaju i c) cjevni tlani izvodi postavljeni na udaljenosti 2,5 promjera cijevi ispred suenja i 8 promjera cijevi iza suenja. Tada je mjerni tlak znatno manji nego u dva prethodna primjera, pa je mogue mjeriti velike protoke s pretvornikom razlike tlaka malog opsega (plinovodi).

Na slici je prikazan najjednostavniji nain mjerenja razlike tlaka pomou U-manometra. Zavisnost je visine stupca ive u U-manometru i protoka nelinearna. Protok je razmjeran drugom korjenu razlike tlaka ili visine stupca ive u U-manometru. Obino se iza pretvornika razlike tlaka kada je to mogue ugrauje slog za kvadriranje kvadrator, pa se dobije linearna zavisnost mjernog signala od protoka.


MJERNI PRETVORNICI PROTOKA SA STALNIM PADOM TLAKA I PROMJENIVOM POVRINOM SUENJA Djelovanje ove vrste pretvornika temelji se na neprekidnom usklaivanju prolaznog presjeka suenja prema padu tlaka na tom suenju, bilo da se tlak odrava na stalnoj vrijednosti, bilo da se mijenja mjesto suenja.

Na slici su prikazani pretvornici protoka u kojima pad tlaka nastaje na prikladno oblikovanom tijelu, lebdilu to se slobodno giba (lebdi) u struji tekuine u koninoj cijevi i pri tome mijenja mjesto (poloaj) suenja. Tekuina (kapljevina ili plin) tee od dna prema vrhu cijevi i pri tome na lebdilo djeluje uzgon i sila zbog pada tlaka koji nastaje na prstenastom suenju izmeu lebdila i cijevi. Lebdilo je nainjeno iz materijala vee gustoe od tekuine koja protie pa svojom teinom uspostavlja ravnoteu sila. Uzrok promjeni ravnotee jest porast ili pad protoka i time nastala promjena pada tlaka. Lebdilo e se gibati sve dok se u nekom novom poloaju ne uspostavi ravnotea. Poloaj lebdila mjera je protoka, a takvi pretvornici su openito 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 elinom cijevi do 350 bara. Vrijeme potrebno da se lebdilo smiri pri prelazu iz jednog u drugi poloaj jest 2 do 10 sekundi. Na slici je prikazano nekoliko naina pretvorbe pomaka lebdila u elektrini signal. TURBINSKI PRETVORNICI PROTOKA Smjesti li se vijak s lopaticama (turbina) u cjevovod kojim protie tekuina njegova brzina vrtnje zavisi od volumnog protoka qv prema relaciji =k qv gdje je k koeficijent koji cjelovito obuhvaa sve parametre to utjeu na zavisnost brzine vrtnje vijka od protoka (linearna ovisnost).


Vijak se smijeta u cijev od nemagnetskog materijala da bi se brzina vrtnje mogla mjeriti brojanjem prolaza lopatica kraj induktivnog osjetila ugraenog u stijenku. Izlaz iz induktivnog osjetila brzine vrtnje jest izmjenini 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 zahvaaju sa ulaznog dijela odreeni obujam kapljevine i isputaju ga na izlaznom dijelu, potiskujui ga na gibanje. Pri tome se broji ukupna koliina 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 uvlai tekuinu iz ulaznog cjevovoda u stapni valjak, a zatim pri promjeni smjera gibanja stapa ju potiskuje u izlazni cjevovod. Pri tome se uvijek prenosi obujam odreen promjerom stapnog valjka i hodom stapa (hod stapa se moe mijenjati). Ukupni prenjeti obujam odreuje se brojanjem stapnih ciklusa.


Na slici je prikazan vrtivi potisni pretvornik protoka koji spada u posebno veliku skupinu pretvornika pa postoji i vie izvedbi. Zakretanjem rotora zahvaa se odreena kolicina tekuine koja se prenosi u izlazni cjevovod. Broj okretaja rotora nam govori koliinu prenjete tekuine. Primjenjuju se u irokom mjernom podruju za mjerenje protoka plinova i kapljevina, posebice za mjerenje vrlo viskoznih kapljevina. Odlikuju se malom pogrekom pri velikim protocima 0,2 % dok im je pri malim protocima greka vea. PRETVORNICI PROTOKA S OSJETILIMA NA OSNOVI SVOJSTAVA TEKUINA Toplinski pretvornici protoka temelje se na zavisnosti protoka i topline predane tekuini. Takvi pretvornici se nazivaju i Thomasovi pretvornici.


U cjevovod kojim protjee tekuina dovodi se konstantna koliina topline Q. Mjeri se razlika temperature ispred i iza grijala. Maseni protok je

( )12 TTcQq

pm =

gdje je cp specifina toplina, T1 temperatura ispred, a T2 temperatura iza grijala. Za toan rad pretvornika vana je stalnost specifine topline mjerene tekuine, a takoer se pretpostavlja da su gubici topline neznatni i zanemarljivi. Elektromagnetski pretvornik protoka slui za mjerenje protoka elektriki vodljivih kapljevina. Djeluje na naelu Faradayeva zakona elektromagnetske indukcije, prema kojemu je elektromotorna sila inducirana u vodiu to se giba kroz magnetsko polje razmjerna brzini promjene magnetskog toka.

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

dBvE = gdje je B gustoa magnetskog toka, a d razmak izmeu elektroda (unutranji promjer cijevi). Primjena elektromagnetskog pretvornika protoka neprikladna je za slabo vodljive kapljevine (najee taline, korozivne kapljevine te kaaste i neiste tvari).


Protok takoer moemo mjeriti preko ultrazvunog pretvornika. Dva para pretvornika, predajnik i prijemnik, smjeteni su i razmaknuti na udaljenosti d u tekuinu koja tee brzinom v. Brzina emitiranog akustikog vala je c, pa se trajanje putovanja akustikog 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 moe uzeti 22cdvt

pa je odatle tdcv 2

2

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

Tada je

222

2ctgvc

Dvctgt = Postoje brojne izvedbe ultrazvunih pretvornika i primjena im je razliita i iroka (medicina). Istiu se po visokoj tonosti, brzom odzivu, linearnosti, vrsta tekuine ne utjee na mjerenu vrijednost.


Vjeba odreivanje karakteristike impulsnog mjeraa protoka proizvoaa DIGMESA koji je spojen na mjerni instrument prema slici.

+5 VDC IZLAZ

MASA

Q

Q

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

1. Kroz mjera protoka protjerati 1 litru vode te postupak ponoviti 6 puta 2. Nakon svakog mjerenja izmjeriti konani broj dobivenih impulsa 3. Odrediti koliko mjera daje impulsa po jednoj litri tekuine 4. Napisati zakljuak i nain na koji biste kontinuirano mjerili protok

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

Broj impulsa

Impulsni mjera protoka daje _____________ impulsa/litri tekuine Zakljuak:

Procesna mjerenja 5. Vjeba - Mjerni pretvornici razine 35

5. VJEBA - MJERNI PRETVORNICI RAZINE Mjerenje razine kapljevina i krutina u spremnicima i posudama slui u osnovi kao mjera njihova obujma ili mase. Razliite karakteristike tvari te razliite posude i uvijeti u kojima se te tvari nalaze u tim posudama ine katkad zadatak mjerenja razine vrlo sloenim. Razvijeni su brojni postupci osjeanja promjene razine prilagoeni danim okolnostima. MJERNI PRETVORNICI RAZINE KAPLJEVINA

Plovak ili ronilo su osjetila koja djeluju na naelu Arhimedova zakona. Plovak se izvodi od materijala manje gustoe nego li je gustoa kapljevine, pa pliva na povrini kapljevine slijedei neposredno njene promjene. Pomaci se plovka prenose na pretvornik pomaka i pretvaraju u elektrini signal. Ronilo je izvedeno iz materijala vee gustoe od gustoe kapljevine, pa je pri mjerenju uronjeno u kapljevinu i 'lebdi'. Ronilo ne slijedi neposredno pomake razine, ve promjene razine djeluju na ravnoteu sila sustava ronilo-pero, a pri tome nastali pomaci ronila mjera su razine.


Na slici su prikazani razliiti naini osjeanja razine pomou hidrostatskog tlaka. Osnovna zavisnost na kojoj se temelji primjena ovih osjetila jest p=gh; p je hidrostatski tlak na danoj referentnoj razini, - gustoa kapljevine, g ubrzanje zemljine tee, a h mjerena razina. Promjenjiva gustoa kapljevine uzrok je pogreci mjerenja, pa tada treba primjeniti drugaije osjetilo. Slika a) mjerenje hidrostatskog tlaka na referentnoj razini, b) mjerenje hidrostatskog tlaka propuhivanjem zraka c) mjerenje hidrostatskog tlaka u zatvorenoj posudi. Elektrina osjetila razine izvode se na naelu promjene elektrinog otpora ili kapaciteta izmeu elektroda uronjenih u kapljevinu.

Otpornika osjetila razine primjenjuju se za mjerenje razine vodljivih kapljevina. Primjer na slici a) je pogodniji za mjerenje nemirne povrine tekuine dok primjer na slici b) za dojavu gornje i donje razine pri mirnoj povrini.


Kapacitivna osjetila razine upotrebljavaju se za mjerenje dielektrinih i slabo vodljivih kapljevina. Za kapacitivna osjetila razine primjenjuju se obino elektrode zatiene slojem izolacijskog materijala. Vodljivost i dielektrina konstanta kapljevina mijenjaju se u zavisnosti od temperature pa znatnije promjene temperature pri mjerenju mogu unositi velike pogreke.

Za mjerenje razine (dubine) u dubokim bunarima esto se koristimo piezoelektrinim osjetilom tlaka.

Na slici je prikazano nekoliko naela uporabe ultrazvunih osjetila razine. Potrebno je raspolagati s predajnikom i prijemnikom ultrazvuka kao i pri opisanom mjerenju protoka pomou ultrazvuka. Trajanje putovanja zvunog vala mjera je razine.


Na slici su prikazani primjeri mjerenja razine izvedenog na naelu apsorpcije radioaktivnih zraka. Zrake iz prikladno smjetenog izvora zraenja prolaze kroz posudu do detektora radioaktivnog zraenja. to je razina via, to je vea apsorpcija radioaktivnih zraka i signal na izlazu iz detektora je manji. Najee se upotrebljavaju izvori -zraka Cs137, Co60, Ra226, u posebnim, olovom zatienim kutijama, izvedenim tako da daju usmjereno zraenje i djeluju kao radioaktivna zatita prema okolini. Radioaktivni pretvornici razine prikladni su za mjerenje svih vrsta tvari i jedino iz zdravstvenih razloga se ne koriste u prehrambenij industriji.


Optiko osjeanje razine temelji se bilo na apsorpciji svjetlosnih zraka u kapljevini ili na refleksiji (odbijanju) svjetlosnih zraka od povrine kapljevine. Zadani nain omoguuje izvanredno tono mjerenje, posebice uz uporabu laserskog izvora svjetlosti. Slika prikazuje nain optike dojave razine. MJERNI PRETVORNICI RAZINE SIPINA I KRUTINA Mjerenje razine sipina i krutina, a takoer i prakastih tvari moe se provesti pomou osjetila izvedenih na istim naelima kao i osjetila razine kapljevina. Potrebne su meutim stanovite prilagodbe, a postoje i okolnosti u kojima je potrebno pronai neko drugo rijeenje.

Na slici su prikazani naini mjerenja razine sipina

a) u plovak je ugraen vibrator, pa neprekidne vibracije to ih proizvodi omoguuju plovku 'plivanje' na povrini materijala

b) plovak se moe periodiki dizati i sputati do povrine materijala c) tlak materijala na metalnu dijafragmu ugraenu u plat spremnika ili posude kao

osjetilo tlaka mjera je razine materijala d) razina se moe uiniti i razmjerna teini, pa je spremnik oslonjen na hidrauliki

pretvornik sile


Pri mjerenju razine sipkih i prakastih materijala u metalurgiji esta je upotreba radioaktivnih i ultrazvunih mjerila Vjeba Pomou piezoelektrinog mjerea tlaka Motorola MPX-5100 odrediti hidrostatski tlak na dnu posude sa vodom iz kojeg emo izraunati razinu.

MPX-5100

cijevica

posuda(prozirna)

izlaz U(V)

razina

Mjerni pretvara (elektroniki 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 pretvarau tlaka kada je posuda prazna 8. Doljevati vodu u posudu tako da se kolskim mjerilom mjeri razina tekuine u posudi,

a u isto vrijeme mjeri napon na izlazu iz pretvaraa 9. Budui da znamo ovisnost dobivenog napona i tlaka preko izraza p=gh odrediti

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

Visina (m) 0

Napon (V)

Tlak (Pa)

Raunska Visina (m)


U

h

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

Procesna mjerenja 6. Vjeba - Mjerni pretvornici temperature 42

6. VJEBA - MJERNI PRETVORNICI TEMPERATURE Temperatura je veliina kojom izraavamo toplinsko stanje tijela i njegovu sposobnost prijenosa topline na druga tijela. Toplina je energija to se zbog razlike temperatura izmjenjuje izmeu tijela i okoline odnosno izmeu dvaju tijela. Govorei o tijelu podrazumijeva se kruta tijela, kapljevine i plinovi. Prijenos topline moe se ostvariti provoenjem, prenoenjem i zraenjem. Provoenje topline je prostiranje topline kroz krutinu. Prenoenje topline se zbiva gibanjem kapljevine ili plina. Zraenje je prijenos topline elektromagnetskim valom. Promjene toplinskog stanja tijela uzrok su razliitim fizkalnim pojavama od kojih mi koristimo

- zavisnost obujma tijela (dilatacija tijela) od temperature - zavisnost elektrinog otpora vodia i poluvodia od temperature - zavisnost energije zraenja tijela od temperature tijela - zavisnost elektromotorne sile razvijene na spojitu dvaju vodia od

temperature spojita DILATACIJSKI MJERNI PRETVORNICI TEMPERATURE Zavisnost obujma V od prirasta temperature T odreuje se eksperimentom za svaku tvar zasebno, pa se zatim trai matematiki izraz koji najbolje opisuje tu zavisnost. Uzima se izraz u obliku polinoma

( ) ( ) ( )[ ]...1 320 ++++= TTTVV i za svaku tvar se izraunavaju koeficijenti , , ... Za kovni tap ili icu esto se ta zavisnost pie samo za duljinu

( ) ( ) ( )[ ]...1 320 ++++= TTTll U navedenim izrazima su V0 i l0 obujam i duljina pri odreenoj 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 razliitih materijala, pa kad se izloi promjeni temperature, savija se zbog razliitih koeficijenata toplinskih irenja tih materijala.

Uvrsti li se jedan kraj bimetala, otklon drugog kraja bit e mjera temperature. U linearnom dijelu statike karakteristike veliina tog otklona razmjerna je kvadratu duljine trake, a recipronoj 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 naelu primjenjuju u najednostavnijim regulacijskim krugovima (najrairenija). Mjerno podruje im je od 1850C do 4000C s ukupnom mjernom pogrekom 1%. Materijali za bimetale su INVAR, slitina nikla i eljeza 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 ive dostigne odreenu visinu u kapilari, uspostavlja se kontakt ive i platinske ice (elektrode) i zatvara elektrini krug. Upotrebljavaju se u mjernom podruju od 380C do 6500C, a ukupna mjerna pogreka im je manja od 0,5%.


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

2

22

1

11

TVp

TVp =

Materijal se lukovice i kapilare bira takav da bi promjene njihova obujma u mjernom podruju temperatura bile to manje i da bi se moglo pretpostaviti V1V2 pa se moe pisati

221

12 aTTT

pp ==

to pokazuje da se tlak u prostoru mijenja u zavisnosti od temperature (izohora). OTPORNIKA OSJETILA TEMPERATURE Kod otpornikih osjetila zavisnost otpora od promjene temperature odreuje se eksperimentom. Tako dobivena zavisnost moe se opisati izrazom:

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


Na prvoj slici su prkazane te zavisnosti za nekoliko kovina i lako je razabrati da su vrlo linearne. Za veinu istih kovina ta se zavisnost moe s dobrim priblienjem opisati izrazom ( )TRR += 10

gdje je R0 otpor pri referentnoj temperaturi T0, T=T-T0, T je mjerena temperatura, , i su temperaturni koeficijenti elektrinog otpora kovina. Na drugoj slici je prikazana zavisnost elektrinog otpora poluvodikih otpornikih osjetila-termistora, gdje se vidi da im vrijednost otpora nelinearno pada sa porastom temperature. Metalna otpornika osjetila izvode se namatanjem ice ili naparivanjem tankog sloja kovine na izolator. Materijali za ina otpornika osjetila temperature jesu platina, nikal, volfram i bakar. Slojna otpornika osjetila temperature izrauju se obino naparivanjem platine na keramiki izolator.

Na slici je prikazan primjer izvedbe ianog otpornikog osjetila. Posebnu vanost imaju platinska ina otpornika osjetila temperature koja se u skladu s meunarodnim dogovorom upotrebljavaju za precizna mjerenja temperature u podruju od 1830C do 6300C. U principu platinsko otporniko osjetilo se upotrebljava kao badarno osjetilo gdje je poznata vrijednost otpora pri odreenoj temperaturi (obino 00C). Na primjer otporniko osjetilo oznaeno Pt100 je osjetilo od platinske ice i pri 00C ima otpor 100. Poluvodika otpornika osjetila temperature ili termistori smjesa su sulfida, selenida ili oksida kovina takvih kao magnezij, nikal, kobalt, bakar, eljezo i uran. Glavne su im znaajke veliki otpor, veliki negativni temperaturni koeficijent otpora, nelinearna statika karakteristika i mala vremenska konstanta. Ne smiju se optereivati strujama veim od 100A, jer su uzrok velikoj mjernoj pogreci. Statika karakteristika ima oblik:

= 0

11

0TTeRR

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


Termistori se izvode u obliku a)ploica, b) i c)tapia i d)kuglica ili zrna. Kuglasti ili zrnasti termistori upotrebljavaju se najvie kao osjetila temperature, izrauju se obloena staklom. Mogue su izvedbe minijaturnog promjera tek reda 0,1mm, to se odlikuju posebno dobrim dinamikim svojstvima. Mjerno podruje im je 750C do 2500C.

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


na dvije susjedne grane mosta. Trei je spoj s etiri ice (c) u kojem su u usporednu granu mosta u kojoj je osjetilo stavljene 'slijepe ice'. Na taj nain je pogreka zbog promjene otpora spojnih ica potpuno kompenzirana. TERMOPAROVI Njemaki fiziar Thomas Johann Seebeck 1821. godine je otkrio da se u zatvorenom krugu to ga tvore dva metala stvara kontinuirana elektrina struja kada su spojita ovih metala izloena razliitim temperaturama.

Taj se tzv. Seebeckov efekt tumai preko slike na kojoj su ice od materijala A i B spojene u krug pa im je jedno spojite izloeno temperaturi T1, a drugo temperaturi T2. Pomou ampermetra beskonano malog unutarnjeg otpora motri se nastala termoelektrina struja I, ili se motri termoelektromotorna sila E, pomou voltmetra beskonano velikog unutarnjeg otpora. Takvim spojem ostvarujemo pretvorbu toplinske energije u elektrinu, a mjerni pretvornik nazivamo termopar.

Pri mjerenju jedno se spojite termopara izlae nepoznatoj temperaturi i njega zovemo mjerno spojite. Istodobno temperatura kojoj je izloeno drugo spojite mora biti poznata i stalna pa to spojite zovemo referentno spojite. Mjerenjem elektromotorne sile mogue je odrediti nepoznatu temperaturu. Najjednostavniji spoj termopara (a) jest takav u kojemu su dvije ice to ine termopar provuene od mjernog spojita do referentnog spojita na mjestu gdje je prikljuen voltmetar. U praksi (b) se izvodi mjerno spojite sa kraim icama, u naelu najvie do 1m duljine, a na njihove krajeve se onda nadovezuje produni vod. Ugradnjom produnih vodova nastaju etiri dodatna termoelektrina spojita. U tim se spojitima takoer stvaraju elektromotorne sile i pri mjerenju su uzrok mjerne nesigurnosti. U praksi se ta potekoa rijeava uporabom tzv. kompenzacijskih produnih vodova. Materijali ovih vodova odabiru se tako da na spojitima daju elektromotorne sile jednakih vrijednosti a suprotnih predznaka. Svakom termoparu prilagoen je poseban kompenzacijski vod. Ipak su ti vodovi najee od bakra.


Za tonost mjerenja posebno je vano odravanje stalne temperature referentnog spojita. Moe se odravati ili na sobnoj temperaturi ili na temperaturi ledene kupke (00C). Ako referentno spojite nije termostatirano i ako je ostavljeno na temperaturi okoline u praksi su to obino stezaljke instrumenta promjene temperature okoline bit e uzrok znatnoj mjernoj nesigurnosti. Zato se u krug ugrauje poseban korekcijski most na nain prikazan slikom. Namjena ovog mosnog spoja jest da zavisno od temperature okoline dodatnim naponom korigira termoelektromotornu silu referentnog spojita. Tri grane mosta temperaturno su nezavisni otpornici R1, R2 i R3, dok je u etvrtoj grani otporniko osjetilo temperature, kojemu je otpor zavisan o temperaturi okoline. Promjenjivim otpornikom ugodimo most na temperaturu okoline i moemo poeti sa mjerenjem.

Mnogi materijali pokazuju termoelektrini potencijal u odnosu na platinu, ali tek ih manji broj ima praktinu primjenu. Najvaniji termoparovi u iroj primjeni jesu: eljezo-konstantan, bakar-konstantan, rodij-platina, krom-nikal i krom-alumel. Svaki par ovih materijala pokazuje neka svojstva koja ga ine prikladnim za odreenu primjenu. Njihova je i osjetljivost razliita npr najveu ima par bakar-konstantan(oko 60 V/0C), a najmanju platina-rodij(oko 6 V/0C).


Vana je i izvedba spojita. Spojita se izvode zavarivanjem, lemljenjem ili preanjem ica. Spojite moe biti kuglasto ili zaobljeno, elno zavareno, itd.

ice mjernog spojita mogu biti izolirane prikladnim vatrostalnim materijalom (azbest, porculan, kvarcno staklo, itd). Pomou zatitnog tuljca titi se mjerno spojite od okoline. Materijali za zatitni tuljac su najee ljevano aljezo, razni elici, silicijev karbid itd.

Na slici je prikazan smjetaj mjernog spojita u zatitnu cijev.


PIROMETRI ZRAENJA Svojstvo tijela (krutina, kapljevina i plinova) da isijavaju energiju u obliku elektromagnetskog zraenja iskoriteno je kao naelo mjerenja pomou pirometra zraenja. Nama je ovdje zanimljivo zraenje prouzroeno toplinom, i to ono kojem valne duljine lee u vidljivom (0,3 do 0,75) i infracrvenom (0,72 do 1000 m) podruju spektra elektromagnetskih valova. Savreno toplinsko zrailo zovemo crnim tijelom. Takvo bi tijelo emitiralo najvei mogui iznos toplinske energije pri odreenoj temperaturi. Zamisao crnog tijela je matematika apstrakcija, jer stvarna fizika tijela zrae manju snagu. Zraivnost ili emisivnost stvarnog necrnog tijela je omjer energije njegova zraenja i zraenja idealnog crnog tijela na danoj temperaturi. Optiki ili svjetlosni pirometri

Kako je na slici prikazano za referentni svjetlosni izvor uzimamo aruljicu, s niti od istog volframa. Nit je ugraena u staklenu lukovicu iz koje je isisan zrak, jer se u vakumu na najmanju moguu mjeru svodi voenje i izmjena topline. aruljica je u elektrinom krugu s ugodivom strujom, pa se po volji mogu namjetati temperature niti. Vri se svjetlosno usklaivanje referentnog izvora svjetlosti sa ispitivanim tijelom (slika), da bi mjerei temperaturu referentnog svjetlosnog izvora zakljuili o temperaturi ispitivanog tijela. Naime na skalu A-metra koji se nalazi u krugu aruljice su nanjete vrijednosti temperature u 0C ili K. Da bi se postiglo bolje svjetlosno usklaivanje, mjerenje je ogranieno samo na zraenje jedne valne duljine, ugradivi ispred okulara crveni stakleni filter. Dakle pri danoj valnoj duljini , obino pri valnoj duljini crvene svjetlosti =o,65m., usporeuje se jakost zraenja referentnog svjetlosnog izvora i ispitivanog tijela.

CTT zt

ln11 =

Motritelj e na instrumentu pirometra proitati temperaturu arulje T, a zatim pomou jednadbe dobivene iz Planckovog zakona izraunati temperaturu tijela Tt (konstanta C=1,4388 10-2 Km). Za svako mijerno tijelo potrebno je znati zraivnost (). Za crno tijelo ono je =1, a za ostala tijela pri odreenim valnim duljinama ona se odreuje eksperimentalno i mi ju uzimamo iz gotovih tablica. Radijacijski pirometar Ukupno zraenje tijela pri danoj temperaturi mjerena je veliina radijacijskog pirometra. Pod ukupnim zraenjem podrazumjevamo zraenje na svim valnim duljinama.


Slogom lea (a) ili zrcalom (b) sabiru se u arite zrake to ih zrai tijelo. Prikladno osjetilo zraenja postavljeno u arite daje elektrini mjerni signal razmjeran sabranoj energiji zraenja. Izmjerimo temperaturu arita T i prema Stefan-Boltzmannovom zakonu moemo izraziti

41

tzt TT =

gdje je t ukupna ili totalna zraivost i po vrijednosti se razlikuje od zraivisti pri odreenoij valnoj duljini. Odreuje se eksperimentalno, a mi ju uzimamo iz tablica. Vjeba mjerenje temperature Openito o NTC otpornicima Termistori su grupa temperaturnih senzora s visokim iznosom temperaturnog koeficijenta otpora . Rije termistor je akronim od Thermally Sensitive Resistor [TSR] (termiki osjetljiv otpornik). Termistori su poluvodii od metalnih oksida kao to su oksidi kobalta , magnezija, mangana ili nikla s dodacima kako bi se postigla karakteristika koju zahtjeva tehnoloki 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. to je vei temperaturni koeficijent to je vea 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 prikljuimo na stezaljke mjernog osjetila - NTC termistora. Termistor postavimo u blizinu promjenjivog izvora topline i mijenjajui temperaturu pratimo promjene otpora termistora. Izmjerene rezultate upisujemo u tablicu. Nakon toga crtamo karakteristiku R = f (T). Snimanje emo vriti prema sljedeoj shemi: t [C]

RNTC [k]

Nacrtajte snimljenu karakteristiku R = f (T):

Q

Temperatura [C]

Otp

or [

k]


2) Snimanje promjena napona na mjernom osjetilu UNTC = f (T) i promjene izlaznog napona mjernog lana UIZ = f (T) pri promjeni temperature Mjerno osjetilo (NTC termistor) prikljuimo na mjerni lan (stezaljke oznaene s NTC). Voltmetar V1 prikljuimo paralelno NTC termistoru, a voltmetar V2 prikljuimo na stezaljke oznaene s V. Zatim ukljuimo napajanje (24V) i mjerno osjetilo pribliimo promjenjivom izvoru topline. Pri promjeni temperature mijenjaju se i napon na mjernom osjetilu i izlazni napon mjernog lana. Podatke biljeimo u tablicu. Shema mjernog lana: 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) : Zakljuak:

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. Vjeba - Mjernje jakosti osvjetljenja 55

7. VJEBA MJERENJE JAKOSTI OSVJETLJENJA

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

Boja Valna duljina Ljubiasta 400 420 nm Indigo(modra) 420 460 nm Plava 460 510 nm Zelena 510 560 nm uta 560 590 nm Naranasta 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 podruje a ispod 400 nm nalazi se ultraljubiasto podruje. Crvenu toku na infracrvenom reflektoru koja radi na 715 nm vidjet ete iz razloga to ljudsko oko vidi i iznad 700 nm ali vrlo slabo. Oko je najosjetljivije na valnu duinu 555 nm (zelena boja), a da bi razabralo boje vee ili manje valne duljine od navedene, oko se mora jae naprezati (ljubiasta i crvena boja).

Graf valnih duljina

U praksi se susreemo s dva glavna izvora svjetla: 1.Primarni izvori: sunce, razna rasvjetna tijela, svjetlee 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 [ ] Pod svjetlosnim tokom podrazumijeva se ona koliina 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 zrai tokasti izvor svjetlosti, ija je svjetlosna jaina u svim smjerovima prostora jednaka 1 candeli. Jakost svjetlosti [ I ] Jakost svjetlosti je jednaka gustoi isijavanog svjetlosnog toka u odgovarajuem prostornom kutu. I=/

Da bi se svjetlosni izvor mogao smatrati tokastim, udaljenost r obasjane povrine S od svjetlosnog izvora mora biti najmanje 3 puta vea od njegova promjera (sl.1.). Pretpostavimo da snop zraka koje tvore tok ima oblik stoca iji vrh lei na povrini svjetlosnog izvora. Prostor omeen ovim stocem zove se prostorni kut (sl.2.).

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

d - promjer svjetlosnog izvora - prostorni kut u steradijanima S - obasjana povrina - svjetlosni tok koji prolazi kroz 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 zrai kroz jednak prostorni kut u raznim smjerovima razne svjetlosne tokove (sl.3). Zamislimo da je oko svjetlosnog izvora kao sredita opisana kugla polumjera 1 m, to je tzv. jedinina kugla (sl.3). Povrina S kalote koja iz oploja jedinine kugle izrezuje prostorni kut je: S=*r2= *1=

I


Ako je ta povrina S= 1 m2, onda se odgovarajui prostorni kut zove jedinini prostorni kut . Jedinini prostorni kut je prostor unutar stoca ili piramide iji se vrh nalazi u sreditu jedinine kugle, a baza mu je kuglina kalota povrine 1 m2 (sl.4.).

Sl.3.) Jedinina kugla Sl.4.) Jedinini prostorni kut

- prostorni kut u steradijanima - svjetlosni tok S - povrina krune kalote na kugli r = 1m - polumjer jedinine kugle Jedinica za mjerenje jakosti svjetlosti je candela [cd]. Candela je jaina svjetlosti jednaka 1/60 jakosti svjetlosti to je isijava 1 cm2 apsolutno crnog tijela uarenoga na temperaturu skruivanja rastaljene platine od 2046 K odnosno 1773C, pod tlakom od 101325 Pa. Prije uvoenja ove jedinice u upotrebi su bile druge dvije jedinice i to internacionalna svijea i Hefnerova svijea. Jakost rasvjete - osvjetljenost [ E ] Osvjetljenost predstavlja mjerilo za intenzitet svjetlosti, koja pada na odreenu povrinu. Ovo je najvanija i najkoritenija karakteristika. E= /S Jedinica za osvjetljenost je lux [Lux]. Jakost rasvjete 1 Lux ima povrina 1 m2 ako na nju pada svjetlosni tok od 1 lumen. Vano je napomenuti da dobre slike nema bez dobrog osvjetljenja.


Sjaj svjetlee plohe [ B ] Pod sjajem ili gustoom svjetlosti svjetlee plohe u nekom smjeru podrazumjeva se jakost svjetlosti I to je u tom smjeru isijava 1 cm2 prividne povrine promatrane plohe. B = I/S = I/S*cos

Prikaz prividne plohe S

Jedinica za sjaj je stilb [sb=cd/cm2]. Jedinicu sjaja, 1 sb, ima ravna ploha povrine 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 Iskoritenje svjetlosnoga izvora [ ] Pod iskoritenjem svjetlosnoga izvora podrazumjeva se omjer izmeu ukupnog svjetlosnog toka to ga svjetlosni izvor isijava i elektrine snage P koju za to troi. = / P [ lm/W ] Iskoritenje svjetlosnog izvora vrlo je vana veliina jer nam slui kao mjerilo za prosuivanje ekonominosti raznih svjetlosnih izvora. Specifini potroak svjetlosnog izvora [ ] Pod specifinim potrokom svjetlosnog izvora podrazumjeva se omjer izmeu utroene elektrine snage P u vatima i proizvedenog svjetlosnog toka u lumenima. = P / [ W/lm ] Taj nam podatak pokazuje koliko vata mora svjetlosni izvor utroiti da bi proizveo svjetlosni tok od 1 lumen. Korisnost rasvjete [ ] Korisnost rasvjete je omjer izmeu svjetlosnog toka i koji stvarno pada na obasjanu plohu (iskoriteni svjetlosni tok) i svjetlosnoga toka to ga proizvode goli svjetlosni izvori (bez armature). = i /


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 povrine S upravo je razmjerna s jakou svjetlosti I, a obrnuto razmjerna s kvadratom udaljenosti r te povrine od svjetlosnog izvora. E = I/ r2

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

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 e na njoj svjetlosni snop obasjavati krunu povrinu S1 i davati joj jakost rasvjete E1= /S1 = /R12 *

Ako tu istu plohu odmaknemo u smjeru osi svjetlosnog snopa na udaljenost r2=2r1, u istom razmjeru e porasti i polumjer krune plohe to je svjetlosni snop obasjava (R2=2R1). Istovremeno e veliina obasjane povrine S2 porasti etverostruko. U zatvorenim prostorijama ovaj zakon ne vrijedi ako izvjestan dio svjetlosnoga toka dolazi na osvjetljenu plohu refleksijom od zidova i stropa. U tom sluaju 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 sredita svjetlosnog izvora u pripadnim smjerovima. Spajanjem krajnjih toaka tih vektora dobit emo prostorno (trodimenzionalno) tijelo koje se naziva fotometrijsko tijelo dotinog izvora.

Svjetlosna karakteristika ili krivulja intenziteta Ako fotometrijsko tijelo prereemo ravninom poloenom 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 moe konstruirati za razne rasvjetne armature pa nam omoguuje da odaberemo rasvjetnu armaturu kakva najbolje odgovara za svaki pojedini sluaj.

a) Svjetlosna karakteristika b) Svjetlosna karakteristika U sreditu dijagrama zamiljamo svjetlosni izvor. Ako je njegova karakteristika simetrina s obzirom na vertikalnu os onda je dovoljno prikazati samo jednu njenu polovicu. Karakteristike se redovito odnose na svjetlosni tok od 1000 lm. Iz ishodita dijagrama opisane su koncentrine krunice iji polumjeri u istom mjerilu pokazuju odreenu jakost svjetlosti, te su povueni 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 vei dio svjetlosnog toka u prostor ispod sebe, dok znatno manji dio odlazi u prostor iznad horizontale povuene kroz svjetlosni izvor. Takva bi rasvjeta bila prikladna za prostor gdje se eli osvjetliti i strop. Iz slike b vidimo na prvi pogled da takva armatura dolazi u obzir na onim mjestima gdje itav svjetlosni tok mora biti usmjeren na obasjanu plohu direktno (najkraim putem). Koristimo je za osvjetljavanje donjeg dijela prostorija ili pojedinih radnih mjesta. Raspodjela jaine osvjetljenja najee se prikazuje u vidu polarnog dijagrama koji se daje u internacionalnom C- sistemu ravnina. Pojedine poluravnine C- sistema oznauju se s obzirom na njihov kut od 0do 360.


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

Dijagram raspodjele jaine svjetlosti sadri vie krivulja, od kojih se svaka odnosi na drugu karakteristinu ravninu odnosno poluravninu (0 180; 90 - 270)

Dijagram raspodjele jaine svjetlosti s obzirom na vie krivulja Izocandelin dijagram sadri skup krivulja iste svjetlosne jaine i primjenjuje se u tehnici vanjskog osvjetljenja kod prorauna osvjetljenja na kolniku ili kod prorauna osvjetljenosti kod reflektorskog osvjetljenja. Dijagram se daje u vidu plone projekcije.

Izocandelin dijagram

Svjetlosna karakteristika moe nam korisno posluiti za odreivanje svjetlosnog toka pomou tzv. Rousseauova dijagrama.


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

Rousseauov dijagram

Krivulja svjetlosnog toka konstruira se na ovaj nain: lijevo i desno od svjetlosne karakteristike povue se ordinata A-B, koja s apscisom kroz svjetlosni izvor tvori koordinatni sustav. Iz sredita karakteristike opie se krunica bilo kojeg polumjera, i ona nam predouje jedininu krunicu. Nakon toga iz sredita karakteristike povue se zraka koja s vertikalom (glavna os svjetlosnog izvora) zatvara neki kut . Iz toke C, u kojoj ta zraka sjee jedininu krunicu, povue se apscisa i na nju se od ordinate A-B nanese jakost svjetlosti I izvora u smjeru nacrtane zrake. Na taj nain se dobije toka D krivulje svjetlosnog toka. Postupak ponovimo za razne kutove i dobit emo niz toaka krivulje (E,F,G...). Spajanjem tih toaka dobije se krivulja svjetlosnog toka. Iz ovog dijagrama nai emo srednju prostornu jakost svjetlosti I0 kao visinu pravokutnika ija je baza jednaka ordinati A-B, a povrina mu je jednaka povrini Rousseauova dijagrama A-E-X-B. Oitat emo je u istom mjerilu u kojem su izraene pojedine jakosti svjetlosti u karakteristici.


Fotometrijska mjerenja

S pomou fotometrijskih mjerenja odreuje se: 1. jakost svjetlosti I 2. svjetlosni tok 3. jakost rasvjete E obasjane povrine 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 iju jakost svjetlosti poznajemo, dok je s druge strane obasjava svjetlosni izvor iju jakost mjerimo. Kod mjerenja se mjenja udaljenost mjerne plohe od oba dva svjetlosna izvora tako dugo dok nam se ne uini 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 nainjena masna mrlja koja proputa vie, a reflektira manje svjetlosti nego ostala povrine papira. Ovisno s koje strane promatramo papir, mrlja e nam se initi svijetlija ili tamnija od ostalog dijela papira. Ako je papir jae obasjan sa strane koja je suprotna promatrau onda e se njemu mrlja initi svjetlijom od ostalog dijela papira i obrnuto, ako je papir jae obasjan sa strane promatraa njemu e se mrlja initi tamnija. Mjerenje se vri tako da se papir pomie u vodoravnom smjeru sve dok nam se ne uini da je itava njegova povrina obasjana potpuno jednolino. Tada se izmjri udajenost papira od svjetlosnih izvora P i X (rp i rx), pa kako poznajemo jakost svjetlosti Ip moemo izraunati jakost svjetlosti Ix : Ix= Ip * (rx/rp)2 Od stacionarnih najvie se upotrebljava Lummer-Brodhunov fotometar, dok se od prenosivih najvie 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 povrine prizma I potpuno prilijee 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 zadau da upadno svijetlo difuzno raspri. Difundirane zrake padaju na zrcalo Z2 ija je povrina paralelna s uzdunom 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 povrinu obiju prizama nastavljaju svoj put bez promjene i padaju na suprotnu stijenu kuita 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 promatraa vidi onako kako prikazuje rafirana povrina na sl.2.a (povrina 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 raspruju. Jedan dio zraka odlazi prema zrcalu Z1, koje ih reflektira prema prizmama. Zrake koje padnu na poleinu udubljenja 1 i 2 pravilno se reflektiraju (zrake s1, s2 i s3) prema crnoj stijeni kuita koja ih asorbira. Zrake koje padnu na dodirnu povrinu obiju prizama prolaze bez promjena i kroz okular ulaze u oko promatraa (stvara se slika koju prikazuje svjetla povrina 3 i 4 na sl.2.a). Za vrijeme mjerenja pomie se fotometar na fotometrijskoj klupi tako dugo dok plohe 1 i 3 ne budu jednako osvijetljene i dok unutranje povrune 2 i 4 ne kontrastiraju jednako prema njima. Radi postizanja tog kontrasta stavljaju se staklene ploice P1 i P2; one apsorbiraju jedan dio svjetlosti tako da su povrine 2 i 4 osvijetljene oko 8% slabije nego povrine 1 i 3. Kad je to postignuto, u oku promatraa, nastaje slika koju prikazuje sl.2.b. S pomou ovog fotometra moe se odrediti jakost svjetlosti s tonou od 0.25%.


2. Mjerenje svjetlosnog toka pomou Ulbrichtove kugle Ulbrichtova kugla je uplja eljezna kugla, bijele boje iznutra kako bi se svjetlosne zrake difuzno reflektirale uz to 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 veih promjera.

Ulbrichtova kugla

Na kugli u visini ekvatora nainjen je otvor O, promjera oko 5 cm koji je zatvoren poklopcem od opal-stakla. Kroz taj poklopac se vri mjerenje jakosti izvora smjetena u kugli. Za tonost mjerenja vrlo je bitno da mjerna zraka ne padne na poklopac direktno iz izvora. Zbog toga se izmeu izvora S i poklopca nalazi svjetlonepropusni zaslon Z od bijelog ocakljenog eljeznog lima. Izvor S iji tok elimo odrediti montira se u gornji dio kugle. Zrake svjetlosti to ih isijava reflektiraju se od unutarnje povrine 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 povrina 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 povrine Ovakvo mjerenje se vri pomou luxmetra iji je glavni dio foto-elija koja ima zadau da svjetlosnu energiju koja padne na nju pretvori na elektrinu. Zahvaljujui foto-eliji, dananji luxmetri ne trebaju dodatni izvor el. struje. Foto-elija moe biti sa bakrenim oksidom ili sa selenom.

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

Sl. 1. Foto-elija s bakernim oksidom

Na sl.1. je prikazana foto-elija koja se sastoji od tanke bakrene ploice koja je s jedne strane prevuena s tankim slojem bakrenog oksida preko kojeg dolazi tanka opna od bakra, srebra i zlata. Na bakrenu ploicu prikljui se jedan, a na metalnu opnu drugi kraj osjetljivog galvanometra s okretnim svitkom. Kad svjetlosne zrake prou kroz opnu padnu na bakreni oksid u elementu Cu2O-Cu javit e se EMS, koja e protjerati odreenu struju kroz strujni krug. Smjer struje je suprotan smjeru upadne svjetlosti. Na sl.2. je foto-elija koja se sastoji od tanke eljezne ili aluminijske ploice 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-elija-galvanometar izazove el. struju. Smjer struje je identian sa smjerom upadne svjetlosti, dakle opna-selen. 1- opna 2- selen 3- ploica od eljeza ili aluminija

Sl.2. Selenska foto-elija Zbog vee osjetljivosti uglavnom se upotrebljava selenska elija. Do 10 000 Lux jakosti osvjetljenja, struje su priblino proporcionalne s jakosti mjerenog osvjetljenja. Ovaj proporcionalitet je to toniji to je manji otpor foto-elije, kao i otpor galvanometra. Ako se skala galvanometra badari u lux-ima, jakost osvjetljenja moe se oitati izravno sa skale. Sa skale instrumenta oitavamo vei broj lux-a nego to ih daju vidljive zrake. Upotrebom prikladnih obojenih filtera greke se danas skoro potpono odstranjuju, tako da je osjetljivost foto-elije praktiki jednaka osjetljivosti oka. Luksmetri ne mogu biti potpuno toni zato to je jakost struje u foto-eliji zavisna o boji svjetlosti. Dnevna svjetlost sadri vie plavih zraka nego veina umjetnih cvjetlosnih izvora, pa izaziva jau struju nego jednaka koliina svjetlosti crvene boje. Danje svjetlo, kao i svjetlost ivinih sijalica, sadri osim vidljivih jo i nevidljive ultraljubiaste zrake koje nae oko ne zapaa, ali ih registrira foto-elija luksmetra. Rezultat mjerenja je zato vei nego to to odgovara sadraju vidljivih zraka.


Razne izvedbe luxmetara

Odreeni vremenski uvijeti i mjesta koja se osvjetljavaju

Preporuena jakost rasvjete [Lux]

Sunan dan 100 000 Kiovit - tmuran dan 1 000 - 10 000 Suton 100 - 1000 Sumrak 1 - 10 Pun mjesec 0.3 No 0.1 Uredi 350 - 700 Trgovine 100 - 300 Robne kue 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

kole

Hodnici, stubita 50 - 100 Kina i kazalita 20 - 50 itaonice 150 - 300 Muzeji 100 - 300 Garae 50 - 100 Centar grada nou oko 10

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

Ulice i ceste

Trgovi 35 Koarkako igralite 100 Nogometno igralite 200 Teniski teren 250

Sportske povrine

Za televizijski prijenos najmanje 1500


Foto-senzor TSL 250

Izgled senzora i raspored pinova

Kod senzora TSL 250 su zajedniki integrirani foto dioda i operacijsko pojaalo. Aktivno podruje foto diode je 1 mm2. Napon napajanja ovog senzora moe biti od 3 do 9 V, a preporueno je od proizvoaa 5 V. Senzor pravilno radi na temperaturi od -25C do +85C. 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 omoguuje da na izlazu dobijemo pravokutne impulse, pa zato senzor moemo direktno spojiti na mikrokontroler ili neki drugi logiki sklop. Napon napajanja iznosi od 2.7 do 6 V, a preporueni iznos je 5 V. Senzor pravilno radi na temperaturi od -25C do 70C. Radno podruje senzora je od 800 nm do 1100 nm (infracrveno podruje).

zgled senzora i raspored pinova


Nain spajanja na mikrokontroler

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

Ovisnosrt izlazne frekvencije o naponu napajanja

procesna_mjerenja

Documents