1

Dr Božo Ilić

SENZORI I AKTUATORI

- Skripta za ispit u elektronskom obliku -

Visoka tehnička škola strukovnih studija

Novi Sad, 2019 god.

2

SADRŽAJ

1.1 Podela senzora prema prirodi merene veličine ..................................................... 4

1.1.1 Senzori blizine ............................................................................................... 4

1.1.1.1 Mehanički (kontaktni) senzori blizine ...................................................... 4

1.1.1.2 Magnetni (reed) senzori blizine ................................................................ 4

1.1.1.3 Induktivni senzori blizine .......................................................................... 4

1.1.1.4 Kapacitivni senzori blizine ........................................................................ 5

1.1.1.5 Optički senzori blizine .............................................................................. 5

1.1.1.6 Ultrazvučni senzori blizine ....................................................................... 6

1.1.2 Senzori pomeraja ........................................................................................... 6

1.1.2.1 Senzori linearnog pomeraja....................................................................... 7

1.1.2.2 Senzori ugaonog pomeraja ........................................................................ 8

1.1.2.3 Enkoderi .................................................................................................... 8

1.1.2.4 Selsini ...................................................................................................... 10

1.1.2.5 Rezolveri za merenje ugaonog pomeraja ................................................ 12

1.1.3 Senzori brzine i ubrzanja ............................................................................. 13

1.1.3.1 Senzori linearne brzine ............................................................................ 13

1.1.3.2 Senzori ugaone brzine (senzori brzine obrtanja) ..................................... 14

1.1.3.2.1 Jednosmerni tahogenerator za merenje brzine obrtanja ................... 14

1.1.3.2.2 Elektromagnetni (reluktantni) senzor ugaone brzine ....................... 16

1.1.3.2.3 Stroboskopski senzor ugaone brzine ................................................ 16

1.1.3.2.4 Senzor na bazi Holovog efekta za merenje ugaone brzine .............. 17

1.1.4 Senzori sile .................................................................................................. 18

1.1.4.1 Električni senzori sile .............................................................................. 19

1.1.5 Senzori momenta ......................................................................................... 25

1.1.6 Senzori pritiska ............................................................................................ 26

1.1.6.1 Električni senzori pritiska ....................................................................... 29

1.1.7 Senzori nivoa ............................................................................................... 36

1.1.7.1 Kontinualne metode merenja nivoa ........................................................ 36

1.1.7.2 Diskretne metode merenja nivoa (signalizatori diskretnih vrednosti

nivoa) 41

1.1.8 Senzori protoka ........................................................................................... 44

1.1.8.1 Senzori za merenje zapreminskog protoka ............................................. 44

1.1.8.1.1 Rotametar ......................................................................................... 44

1.1.8.1.2 Turbinski protokmetar ...................................................................... 45

1.1.8.1.3 Indukcioni (elektromagnetni) senzori protoka ................................. 47

1.1.8.2 Senzori za merenje masenog protoka ...................................................... 48

1.1.8.2.1 Termički senzori ............................................................................... 48

1.1.9 Senzori temperature ..................................................................................... 49

3

1.1.9.1 Ţivini termometri .................................................................................... 50

1.1.9.2 Bimetalni senzori temperature ................................................................ 51

1.1.9.3 Termoparovi ............................................................................................ 52

1.1.9.4 Otpornički senzori temperature od metala .............................................. 54

1.1.9.5 Otpornički senzori temperature od poluprovodnika (termistori) ............ 55

1.1.9.6 Optički pirometri ..................................................................................... 57

1.1.9.7 Termografske kamere .............................................................................. 57

2. Aktuatori (Izvršni organi) .................................................................................... 59

2.1 Električni aktuatori .............................................................................................. 61

2.1.1 Motori jednosmerne struje (DC motori)...................................................... 61

2.1.2 Motori naizmenične struje (AC motori) ...................................................... 62

2.1.2.1 Sinhroni motori ....................................................................................... 63

2.1.2.2 Asinhroni motori ..................................................................................... 63

2.1.3 Univerzalni motori ...................................................................................... 64

2.1.4 Koračni (step) motori .................................................................................. 64

2.1.5 Linearni električni motori ............................................................................ 66

2.2 Mehanički aktuatori ............................................................................................. 67

2.3 Pneumatski aktuatori ........................................................................................... 69

2.3.1 Pneumatski cilindri ...................................................................................... 71

2.3.2 Pneumatski motori ....................................................................................... 73

2.3.3 Pneumatski ventili ....................................................................................... 74

2.4 Hidraulički aktuatori ........................................................................................... 76

2.4.1 Hidraulični cilindri ...................................................................................... 78

2.4.2 Hidraulični motori ....................................................................................... 80

2.4.3 Hidraulični ventili ....................................................................................... 81

3. Literatura ............................................................................................................... 84

4

1.1 Podela senzora prema prirodi merene veličine

1.1.1 Senzori blizine

Senzori blizine (senzori diskretnog poloţaja) detektuju prisustvo nekog objekta (ili

njegovog dela) unutar odreĎenog područja, tj. daju informaciju da li se na odreĎenom području

(ili odreĎenoj udaljenosti) nalazi posmatrani objekt, pa se ponekad nazivaju binarni senzori.

Njihov izlaz je digitalan, “0“ ili “1”,

Beskontaktni senzori dele se prema principu rada na: optičke (fotoelektrične),

induktivne, kapacitivne, magnetne, ultrazvučne.

1.1.1.1 Mehanički (kontaktni) senzori blizine

U industrijskoj praksi za ove se senzore često koriste i sledeći nazivi: krajnji prekidači,

krajnje sklopke, mikroprekidači, graničnici itd. Osnovni delovi mehaničkog senzora diskretnog

poloţaja su aktuator (pokretni deo) i kontakti. Kada posmatrani objekt doĎe u dodir s

aktuatorom, uzrokuje njegovo pomeranje, a aktuator u tačno definisanoj tački detekcije

mehanički zatvara ili otvara izlazni kontakt senzora. Kada objekat više ne dodiruje aktuator,

aktuator se vraća u početni poloţaj, a kontakti ponovno poprimaju početno stanje nakon što

aktuator preĎe reset tačku.

1.1.1.2 Magnetni (reed) senzori blizine

Reed senzor blizine aktivira spoljnje magnetno polje. Sastoji se od dva kontakta

smeštena u staklenu cev ispunjenu inertnim gasom. Magnetno polje uzrokuje uključenje reed

senzora. Kontaktna pera se zatvaraju kada dovedemo permanentni magnet ili elektromagnet

ispod reed senzora.

Isključen kontakt senzora Uključen kontakt senzora

U slučaju kada sistem upravljanja zahteva da su kontakti reed senzora spojeni kada

nema spoljnjeg magnetnog polja (mirni kontakt), dodaje se konstrukcijski mali permanentni

magnet koji drţi kontakte u spojenom stanju. Kontakti se odspajaju kada se pojavi spoljnje jače

magnetno polje. Ova vrsta senzora ima dug vek trajanja, veliku pouzdanost i vrlo kratko vreme

spajanja (oko 0,2 ms). Loše strane su što se ne moţe upotrebljavati u okruţenju jakih magnetnih

polja, predviĎeni su za malu snagu (do 2 A) i osetljivi su na vibracije.

1.1.1.3 Induktivni senzori blizine

Induktivni senzor sluţi za detekciju metalnog predmeta koji moţe biti feritni ili

neferitni, a moguća je varijanta da senzor detektuje i grafitni predmet.

Induktivni senzor sastavljen je od: zavojnice s feritnim jezgrom, oscilatora, okidnog

stepena (engl. „trigger”) i izlaznog pojačala.

5

Slika Induktivni senzor blizine

Priključenjem napona na induktivni senzor oscilator napaja zavojnicu i generiše

visokofrekventno elektromagnetno polje koje se rasprostire u aktivnu sklopnu zonu senzora.

Ako se u tu zonu unese metalni predmet u njemu se indukuju vrtloţne struje koje troše energiju

oscilatora, što uzrokuje prigušenje oscilatornih titraja. To se prigušenje detektuje okidnim

stepenom, a pomoću izlaznog pojačala dobija se binarni signal odgovarajuće snage koji daje

informaciju o prisustvu metalnog predmeta.

1.1.1.4 Kapacitivni senzori blizine

Princip rada kapacitivnog senzora se zasniva na promeni kapaciteta kondenzatora sa

promenom dielektričnosti prostora ispred senzora.

U okviru senzora realizovan je RC oscilator, čija amplituda oscilacija zavise od

kapaciteta kondenzatora. Elektrostatičko polje kondenzatora prostire se u prostoru ispred

senzora. Dolaskom posmatranog predmeta u blizinu povećava se kapacitet kondenzatora, te se

menjaju amplitude oscilacija. Pomoću okidnog sklopa i pojačala generiše se binarni izlazni

signal.

Kapacitivni senzori blizine ne reaguju samo na materijale visoke vodljivosti (kao što su

metali) već i na izolatore s većom dielektričkom konstantom kao što su plastika, staklo,

keramika, tečnost i drvo.

Kapacitivni senzori reaguju i na pribliţavanje materijala čija je dielektrična konstanta

nešto veća od 1 (cement, šećer, brašno, granulati), ali se u tom slučaju posmatrani objekat

(materijal) mora pribliţiti više senzoru.

1.1.1.5 Optički senzori blizine

Optički senzori se zasnivaju na primeni optoelektronike. Većina senzora u sebi ima

ugraĎen optički predajnik (izvor svetlosti) i prijamnik, a postoji varijanta kada su predajnik i

prijemnik odvojeni delovi senzora.

6

Princip rada se zasniva na detekciji svetlosnog zraka koga generiše predajnik, a

detektuje prijemnik. Na svom putu zrak se odbija od odgovarajućeg reflektora (ako postoji) i

detektira se na prijamniku ako se na njegovom putu ne nalazi posmatrani objekat. Ako zrak

nailazi na posmatrani objekt, zrak se „prekida” i menja se stanje binarnog izlaza senzora, te se

na taj način detektuje prisustvo objekta u posmatranoj zoni.

Izvori svetlosti su obično poluprovodničke foto diode (LED) koje mogu generisati

infracrveno (nevidljivo) ili vidljivo (crveno, plavo ili zeleno) svetlo.

Kao prijemnici se obično koriste fototranzistori ili fotodiode, koji provedu kada na njih

padne dovoljna količina svetlosti.

Osim predajnika i prijemnika, u okviru senzora nalazi se elektronički logički sklop za

modulaciju napajanja LED diode, te obradu i pojačanje izlaznog signala.

Najkvalitetniji izvori svetlosti su LED diode s infracrvenom (nevidljivom) svetlosti, jer

emituju najviše svetlosti i najmanje se zagrevaju. Zbog toga se ovakvi senzori koriste za daljine

do čak nekoliko stotina metara.

1.1.1.6 Ultrazvučni senzori blizine

Princip rada temelji se na slanju ultrazvučnih talasa (kostantne brzine i frekvencije veće

od 20 kHz) iz odašiljača prema posmatranom objektu od koga se talasi odbijaju i vraćaju do

prijemnika. Merenjem vremena za koji signal proĎe od odašiljača do prijamnika, uz poznavanje

brzine signala, odreĎuje se udaljenost objekta od senzora.

Izlazni signal moţe biti digitalan (detektuje se prisustvo objekta na odreĎenoj

udaljenosti) ili analogan kada se kontinualno meri udaljenost objekta od senzora.

Područja primene ultrazvučnih senzora u procesnoj industriji su izrazito velika. Osim

merenja udaljenosti pokretnih objekata, koriste se za merenje nivoa, protoka, debljine i sastava

nekih materijala. Široko se primenjuju i u medicini.

Osnovni delovi ultrazvučnog senzora blizine su: predajnik, prijamnik, elektronički sklop

za obradu signala, izlazni krug.

1.1.2 Senzori pomeraja

Linearni pomeraj je promena duţine izmeĎu dve tačke koje leţe na pravoj liniji.

Primarna funkcija senzora pomeraja je merenje translatornog kretanja tela. Oni se mnogo

primenjuju i kao sekundarni senzori u mernim ureĎajima u kojima se merena fizička veličina

(mehaničko naprezanje, sila, pritisak, nivo, temperatura itd.) pomoću primarnog senzora prvo

pretvori u linearni pomeraj.

Ugaoni pomeraj je promena ugaonog poloţaja tela koje rotira oko neke ose.

Metode merenja linearnog i ugaonog pomeraja su:

- mehaničke,

- električne i

7

- radijacione.

Mehaničke metode merenja pomeraja primenjuju se za merenje linearnog pomeraja

od 10-6

m do 102 m. Merni ureĎaji namenjeni za donji deo opsega su mikrometri, a za gornji

deo opsega metalna traka ili ţica.

Radijacione (spektrometarske, talasne) metode merenja pomeraja zasnivaju se na

promeni elektromagnetnog i akustičnog zračenja koje se javlja na granici izmeĎu prenosnog

medija i merenog tela.

Električne metode merenja pomeraja baziraju se na neposrednoj konverziji pomeraja

u neki električni parametar. U lancu konverzija pomeraj moţe prvo da se pretvori u neku drugu

fizičku veličinu, koja onda deluje na promenu električnih parametara. Kao senzorski elementi

upotrebljavaju se kontakti, potenciometarski, tenzootpornički, induktivni, kapacitivni,

piezoelektrični, optoelektronski i drugi senzori kod kojih je ulazna veličina osetljiva na

pomeraj.

1.1.2.1 Senzori linearnog pomeraja

Senzori pomeraja pretvaraju mehanički pomeraj u električni signal, a najčešće se koriste

potenciometarski i transformatorski.

Za kontinualno merenje poloţaja ili pomeraja, osim ultrazvučnih senzora, moguće je

koristiti i druge vrste senzora kao što su:

- otpornički (poteciometarski, rastezne merne trake),

- kapacitivni,

- induktivni,

- optički (linearni enkoderi),

- elektromagnetni,

- magnetne trake itd.

1. Elektromagnetni senzori linearnog pomeraja

Elektromagnetni senzori pomeraja mogu biti:

- induktivni,

- meĎuinduktivni (transformatorski) i

- indukcioni senzori.

Induktivni i meĎuinduktivni (transformatorski) spadaju u pasivne, a indukcioni u

aktivne senzore.

2. Magnetorezistivni senzori lineranog pomeraja

Magnetorezistivni senzori su specijalni beskontaktni senzori poloţaja, izraĎeni od

poluprovodnika čiji se otpor menja u magnetnom polju (Gausov efekat). Zato se još nazivaju i

magnetoupravljivi ili Gausovi senzori. Materijali sa izraţenim magnetorezistivnim svojstvima

su permaloj (Ni81Fe19), heteroepitaksijalne strukture InSb-NiSb (indijum-antimonid i nikal-

antimonid), InSb-GaAs (indijum-antimonid i galijum-arsenid).

Priraštaj otpornosti MR-senzora u zavisnosti od magnetne indukcije B opisuje relacija:

(15.53)

8

gde je

R(0) - nominalni otpor (od 1 Ω do nekoliko kΩ) pri magnetnoj indukciji B=0

∆R(B)=R(B)−R(0) - prirast otpornosti koji karakteriše pretvaračku efikasnost

senzora

U zavisnosti od konkretne izvedbe, MR-čip sadrţi jedan ili nekoliko otporničkih

elemenata. Ako se dva magnetorezistivna elementa iste nominalne otpornosti spoje u seriju i

preko njih pomera magnetno polje indukcije B, dobija se delitelj napona:

(15.54)

Slika 15.32. Potenciometarski spoj magnetorezistivnog senzora

Kada se polje nalazi iznad magnetootpornika R1, tada je R1 >> R2 i izlazni napon ima

najmanju vrednost: Uimin ≠ 0.

Ako se polje pomeri nadole i prekrije jednak deo R1 i R2, tada se dobija Ui=0,5U0.

Kada je polje samo iznad R2, tada je R2 >> R1 i izlazni napon je maksimalan: Ui≈U0.

1.1.2.2 Senzori ugaonog pomeraja

Senzori ugaonog pomeraja detektuju pomeraj objekta oko neke ose. Često ovi senzori

sluţe i kao konvertori linearnog (translatornog) kretanja u rotaciono kretanje. Fizikalni principi

gradnje senzora linearnog pomeraja primenjuju se i u gradnji senzora ugaonog pomeraja. Na

primer, potenciometarski senzor ugaonog pomeraka razlikuje se od linearnog samo utoliko što

je napravljen na bazi kruţnog potenciometra.

1.1.2.3 Enkoderi

Enkoderi mogu meriti linijski ili ugaoni pomeraj.

Postoje:

- apsolutni enkoderi i

- inkrementalni enkoderi.

1. Inkrementalni enkoder za merenje ugaonog pomeraja

Inkrementalni enkoderi mogu meriti relativni poloţaj u odnosu na neku unapred poznatu

inicijalnu koordinatu (ugaonu ili linijsku).

Inkrementalni optoelektronski enkoder se sastoji od izvora svetlosti, od jednog diska

sa dva niza proreza ravnomerno rasporeĎenih po obodu i odgovarajućih elektronskih kola za

obradu signala sa prijemnika svetlosti. Izvori svetlosti najčešće su infracrvene LED diode, a kao

9

prijemnici odgovarajuće fotodiode. Prolaz svetlosti kroz proreze prilikom zakretanja osovine

detektuje se u fotodiodi i generišu se pravougaoni impulsi (kvadratura enkodera).

Na slici 15.23 detektori su fotonaponski elementi u reţimu kratkog spoja. Broj impulsa

proporcionalan je ostvarenom zakretanju. Izvor svetlosti (npr. foto dioda) šalje svetlosni impuls

koji prolazi kroz odgovarajuću matricu i aktivira fotoosetljivu komponentu (npr. foto

tranzistor), koja na svom izlazu daje jedinični ili nulti signal. Ugaonim ili pravolinijskim

pomerajem matrice (vezane za osetilo pomeraja) dobija se niz impulsa koji se broje pomoću

digitalnog brojača da bi se odredio pomeraj.

Slika 15.23. Inkrementalni optoelektronski senzor

Prorezi na unutrašnjoj stazi rotirajućeg diska pomereni su za 1/2 širine u odnosu na

proreze po obodu, pa impulsi fotoprijemnika na unutrašnjoj stazi kasne ili prednjače u

zavisnosti od smera rotacije (slika 15.24.a).

Slika 15.24. Generisanje impulsa na enkoderu: a) disk sa dve staze, b) meĎusobni poloţaj

impulsa za različite smerove rotacije

10

Danas ugaoni enkoderi obično imaju 6 izlaznih kanala. Osim osnovnog izlaznog signala

A, za 90o fazno je pomeren signal B, dok nulti signal Z ima jedan impuls po obrtaju kojim se

detektuje nulti poloţaj. Sva tri kanala imaju i svoje invertirane kanale.

Uobičajene izvedbe enkodera imaju 512 (29), 1024 (2

10) i 2048 (2

11) impulsa po obrtaju.

Digitalnom obradom (binarne operacije) signala A i B moţe se učetverostručiti broj impulsa po

obrtaju, a isto tako odrediti smer obrtanja enkodera.

2. Apsolutni enkoder za merenje ugaonog pomeraja

Apsolutni enkoder na svom izlazu daje n-bitni digitalni signal koji u svakom trenutku

odreĎuje poloţaj rotora.

Brzina obrtanja odreĎuje se na sličan način kao i kod inkrementalnog enkodera. Osim

opisanog enkodera s klasičnim binarnim kodom postoje i enkoderi s tzv. “gray” kodom.

Prednost enkodera s gray kodom je što se, za razliku od binarnog koda, kod svake promene

poloţaja menja samo jedan bit. To povećava njegovu robusnost, pošto greške (smetnje) kod

promene bita znače grešku samo jednog poloţaja.

1.1.2.4 Selsini

Selsini su indukcione električne mašine predviĎene za daljinski prenos ugaonog

pomeraja bez mehaničke veze izmeĎu osovina. Spoj dva selsina često se naziva i električnom

osovinom, u kojoj je jedan (davač) povezan sa mehanizmom čiji se pomeraj treba preneti do

drugog selsina (prijemnik), čiji rotor prati pomeranje selsina davača. U SAU selsini se povezuju

po tzv. transformatorskoj šemi, pri čemu se pobudni namotaj prijemnika ne priključuje na

mreţu, a rotor se ukoči. Inače, selsin se sastoji od jednofaznog pobudnog namotaja na statoru

(1) slika 15.29, trofaznog sekundarnog namotaja rotora (2) i prstenova sa četkicama (3), a moţe

da bude i obrnuto. Kada doĎe do zakretanja rotora selsina, usled zakretanja mehanizma čiji se

pomeraj prati, u njemu se indukuje elektromotorna sila, a signal se prenosi do drugog selsina

prijemnika).

Slika 15.29. Pincip rada selsina

Ako se na jednofazni rotorski namotaj dovede naizmenični pobudni napon:

E=Emsin(ωt) (15.47)

pobudni fluks indukuje u faznim namotajima statora elektromotorne sile, čije su

amplitude proporcionalne onom delu pobudnog magnetnog fluksa koji preseca pojedine fazne

namotaje (slika 15.29). Taj deo fluksa odreĎen je sinusom ugla izmeĎu pravca pobudnog i

faznog namotaja. Prema tome, indukovane elektromotorne sile su:

(15.48)

11

(15.49)

(15.50)

Selsin je veoma pogodan za daljinski prenos ugaonog poloţaja. Za ovu specifičnu

namenu potrebna su dva identična selsina: selsin-predajnik i selsin-prijemnik. Selsini se nalaze

u tzv. pozicionoj vezi, koja se ostvaruje spajanjem odgovarajućih trofaznih namotaja. Poziciona

veza omogućava da se zakretanje rotora predajnika za neki ugao θ prenese na daljinu do

prijemnika, kod kojeg će se za isti ugao zakrenuti magnetni fluks u njegovim faznim

namotajima.

Razlikuje se transformatorski i indikatorski reţim rada selsina-prijemnika.

Transformatorski režim rada dobio je naziv po načinu stvaranja izlaznog napona:

fazni namotaji statora prijemnika predstavljaju primar, a jednofazni namotaj rotora sekundar

transformatora (slika 15.30 a).

Slika 15.30. Transformatorski reţim rada selsina

Analiza je jednostavnija ako se pretpostavi da je rotor prijemnika fiksiran. Kada se rotor

predajnika zakrene za ugao θ, indukovane elektromotorne sile (15.48-15.50) prenose se do

odgovarajućih faznih namotaja prijemnika. Kako su oni nepokretni, u njima nastaje rezultujući

magnetni fluks čiji je pravac odreĎen ugaonim poloţajem θ rotora predajnika. U jednofaznom

namotaju prijemnika indukuje se ems sa amplitudom proporcionalnoj delu fluksa koji preseca

namotaj:

E0=E0mcosθ (15.51.)

Zavisnost E0=f(θ) je statička karakteristika dva selsina spregnuta u transformatorski

spoj. Za male neusaglašenosti cosθ≈1, pa naizmenični izlazni signal ima maksimalnu amplitudu

E0m. Iz praktičnih razloga izlazni napon treba da je direktno proporcionalan uglu θ.

Transformatorski reţim rada selsina primenjuje se u o pozicionim servosistemima za detekciju

ugaone razdešenosti θ - β dveju osovina koje nisu mehanički vezane. U tom slučaju rotori

selsina učvršćeni su na osovinama čije pomake prate θ i β, a izlazni napon je E0=E0mcos(θ − β).

Kod indikatorskog režima rada jednofazni namotaj prijemnika priključen je na isti

napon kao i jednofazni namotaj predajnika (slika 15.30b). Magnetni fluks u faznim namotajima

prijemnika odreĎen je poloţajem rotora selsina-predajnika.

12

Slika 15.30. Indikatorski reţim rada selsina

1.1.2.5 Rezolveri za merenje ugaonog pomeraja

Detektuje se ugao zakretanja rotora (α), a na rotoru se nalazi namot koji se napaja

naizmeničnim naponom visoke frekvencije (2-5 kHz):

Na statoru se nalaze dva namota s normanim osima u kojima se indukuju naponi visoke

frekvencije, a njihova amplituda zavisi od poloţaja rotora:

Pomoću specijalizovanih integrisanih krugova (R/D pretvarača) ili mikroprocesora

matematički se obraĎuju signali indukovanih napona statora. Kao rezultat dobija se digitalni

podatak o uglu zakretanja i brzini obrtanja rotora. R/D pretvarači kao izlazni signal imaju i niz

impulsa (kao inkrementalni enkoder). Rezolucija merenja ugla je obično 212

ili 216

.

Slika Konstrukcija rezolvera

13

1.1.3 Senzori brzine i ubrzanja

Translatorna brzina se meri u opsegu od 0 do 15.000 m/s.

Ugaona brzina se meri u opsegu od 0 do 20.000 rad/s. Pomoću pogodnog prenosnog

mehanizma translatorna brzina obično se pretvara u ugaonu brzinu. Zato se posebna paţnja

posvećuje senzorima za merenje ugaone brzine. Senzori za merenje ugaone brzine se nazivaju

tahometrima.

Senzori za merenje ubrzanja nazivaju se akcelerometri. Jedinica translatornog ubrzanja

je m/s2, a ugaonog rad/s

2.

Ako je poznat linearni (translatorni) pomeraj tela x = f(t), linearna brzina se dobija kao

prvi izvod pomeraja u vremenu v = dx / dt, a ubrzanje kao drugi izvod pomeraja u vremenu

a=d2x/dt

2 ili izvod brzine u vremenu a = dv / dt.

Ako je poznat ugaoni pomeraj α=f(t) diferenciranjem dobija se ugaona brzina ω = dα /

dt i ugaono ubrzanje aω = d 2α /dt

2 kao ili aω = dω / dt.

1.1.3.1 Senzori linearne brzine

Radari

Detekcija pokretnih objekata. Za izdvajanje pokretnih objekata iz mirujuće okoline

upotrebljavaju se radari sa Doplerovim efektom. Zbog malih dimenzija ovakvi radari

primenjuju se za merenje brzine vozila u saobraćaju, u beskontaktnom merenju vibracija, u

sistemima zaštite od provala, u automatskom praćenju (brojanju) elemenata na traci, u robotici,

u merenju nivoa i u drugim oblastima. Principijelna struktura radara sastoji se iz stabilnog

oscilatora mikrotalasa fiksne frekvencije u opsegu 1,6-30 GHz (λ=187-10 mm), pojačavača

snage i modulatora koji omogućavaju impulsni rad predajnika, tako da se pomoću antene

emituju impulsi trajanja 10-20 µs. Zadatak antenske skretnice je da izmeĎu emisije dva

uzastopna impulsa isključi predajnik, a uključi prijemnik. Prijemnik radi na bazi stepena za

mešanje frekvencije zračenja f i frekvencije odjeka fp kako bi se dobila kvalitetna selekcija

Doplerove frekvencije fD.

Doplerov efekat, je pojava promene frekvencije reflektovanog zvuka ili svetlosti sa

objekta koji se kreće u odnosu na izvor zvuka ili svetlosti.

Doplerov efekat manifestuje se kod reflektovanih talasa sa pokretnih objekata kao

promena frekvencije u odnosu na frekvenciju emitovanog talasa:

fD = fR - fE

gde je:

fD - promena Doplerove frekvencije

Za objekat koji se pribliţava izvoru fD ima pozitivan predznak, a za objekat koji se

udaljava predznak fD je negativan. Stacionarni objekat daje konstantan napon, dok pokretni

objekat daje naizmenični napon proporcionalno svojoj radijalnoj brzini, tj. brzini u smeru

zračenja. Doplerova frekvencija računa se pomoću jednačine:

fD = 2·v·λ = 2·v·f·c (16.53)

gde su:

v [m/s] - radijalna brzina objekta u smeru zračenja

f - frekvencija predajnika i

14

c - brzina elektromagnetnog zračenja

Radari za merenje brzine vozila u saobraćaju rade na ovom principu (slika 16.24). Kod

ovih radara relativna promena Doplerove frekvencije baţdari se u jedinacama brzine [km/h] i to

se pokazuje na ekranu ili se rezultat merenja preko interfejsa vodi na računar:

fD / f = k·v (16.54)

gde koeficijent k = 2·f/c zavisi od radne frekvencije radara.

Slika 16.24. Radarsko merenje brzine vozila u sabraćaju

Prethodne jednačine vrede pod pretpostavkom da je kretanje objekta radijalno prema

primopredajniku ili radijalno od njega. Kada se objekat kreće pod nekim uglom θ u odnosu na

primopredajnik, jednačina za Doplerovu frekvenciju postaje:

fd = 2ν(f / c)cosθ (16.55)

1.1.3.2 Senzori ugaone brzine (senzori brzine obrtanja)

Prema tipu konverzije energije razlikuju se: mehanički, magnetni, elektromehanički i

stroboskopski tahometri.

Pomoću senzora brzine moţe se kontrolisati smer obrtanja, minimalna ili nulta brzina i

maksimalna brzina obrtanja. IzraĎuju se na mehaničkom principu kao centrifugalni releji ili na

indukcionom principu, a mogu da se koriste i tahogeneratori.

1.1.3.2.1 Jednosmerni tahogenerator za merenje brzine obrtanja

Senzori brzine obrtanja obrtanje rotora pretvaraju u neku drugu veličinu i način kretanja,

kakav je npr. tahogenerator, koji stvara elektromotornu silu proporcionalnu ugaonoj brzini

rotora. Postoje tahogeneratori jednosmerne i naizmenične struje. Tahogenerator jednosmerne

struje ima oblik malog generatora jednosmerne struje, a na izlazu ovog tahogeneratora, na

svakih 1000 o/min, dobija se jednosmerni napon 10-20 V, uz linearnu karakteristiku.

Naizmenični tahogeneratori se izvode kao sinhroni i asinhroni tahogeneratori, na čijim

krajevima dolazi do stvaranja naizmenične elektromotorne sile.

Jednosmerni tahogenerator je generator jednosmerne struje koji stvara elektromotornu

silu proporcionalnu brzini obrtanja rotora. Pobuda tahogeneratora ostvaruje se pomoću stalnih

magneta (slika 16.6a) ili namotaja sa konstantnom i nezavisnom pobudom (slika 16.6b).

15

Slika 16.6. Jednosmerni tahogenerator: a) pobudno kolo sa stalnim magnetom, b) nezavisno

pobudno kolo, c) uticaj opterećenja na statičku karakteristiku, d) izgled tahogeneratora

Jednosmerni tahogenerator je senzor brzine obrtanja analognog tipa.

Rotorski (armaturni) namotaj preseca magnetno polje i indukuje se elektromotorna sila

E proporcionalna fluksu pobude Φ i brzini obrtanja ω:

E=c·Φ·ω (16.16)

Konstanta proporcionalnosti c odraţava konstruktivna svojstva mašine. U realnim

uslovima na izlazu tahogeneratora je priključeno neko opterećenje RL, pa je struja u kolu rotora:

gde je:

Rr - unutrašnji otpor tahogeneratora

Izlazni napon na opterećenju RL proporcionalan je brzini obrtanja, a polaritet mu se

menja s promenom smera obrtanja. Na stezaljkama daje jednosmerni napon proporcionalan

brzini obrtanja:

Koeficijent statičkog prenosa k iznosi 3-100 mV/ob/min. Na tačnost linearne

karakteristike najviše utiču opterećenje, prelazni otpor četkica i temperatura. Svakoj vrednosti

otpora opterećenja RL<∞ odgovara odreĎni dijapazon promene brzine ω od 0 do ωg za koji je

izlazni napon linearan. Sa porastom brzine rastu struja rotora i indukcija, ali za ω = ωg struja

rotora poprima takve iznose da indukcija dostiţe zasićenje, pa statička karakteristika postaje

nelinearna (slika 16.6). Zbog toga se opterećenje bira tako da struja rotora bude 0,01-0,02 A.

Prelazni otpor četkica utiče na pojavu zone neosetljivosti, jer se pri malim brzinama generiše

elektromotorna sila pribliţno istog reda, kao i pad napona na prelaznom otporu.

16

Slika 16.6. Statička karakteristika

1.1.3.2.2 Elektromagnetni (reluktantni) senzor ugaone brzine

Elektromagnetni (reluktantni) senzori ugaone brzine rade na principu promene

otpornosti magnetnog kola usled prolaska ţeleznih zubaca diska koji je montiran na rotirajuću

osovinu. To su indukcioni ili induktivni senzori, sa mnogobrojnim varijacijama u konstrukciji.

Indukcioni senzori ugaone brzine sastoje se iz dva dela. Prvi deo uvek je postavljen na

osovinu. IzgraĎen je u obliku diska od neferomagnetnog materijala po čijem se obodu nalaze

pravilno rasporeĎeni inserti od ţeleza (slika 16.9a) ili u obliku zupčanika od feromagnetnog

materijala.

Slika 16.9. Elektromagnetni indukcioni senzor ugaone brzine: a) principijelna šema, b)

vremenska promena magnetnog fluksa, c) promena izlaznog napona sa brzinom obrtanja

U neposrednoj blizini rotirajućeg dela, na rastojanju oko 0,5 mm, fiksiran je indukcioni

detektor pomeraja. Svojom magnetopobudnom silom M stalni magnet stvara magnetni fluks

Φ=M/Rm, gde je Rm magnetni otpor izmeĎu polova magneta. Primicanjem feromagnetnog

inserta na disku ili zupca na zupčaniku smanjuje se magnetni otpor i, prema tome, raste

magnetni fluks. Odmicanjem inserta ili zupca stvara se suprotni efekat. Tako nastaje vremenska

promena magnetnog fluksa Φ(t) (slika 16.9 b), odnosno indukuje se elektromotorna sila

e=−dΦ/dt (slika 16.9c). Karakteristično je da su i amplituda i frekvencija izlaznog napona

proporcionalne ugaonoj brzini.

1.1.3.2.3 Stroboskopski senzor ugaone brzine

Stroboskopski senzor ugaone brzine radi na principu stroboskopskog efekta, tj. na

prividnom zaustavljanju rotirajuće osovine kada se ona osvetljava impulsima svetlosti čija je

frekvencija jednaka frekvenciji obrtanja osovine. Na primer, osovina koja rotira brzinom 1.500

obrtaja u minuti prividno će da stoji ako je posmatramo na svetlosti koja bleska uniformno sa

1.500 bleskova u minuti. Ako svetlost ima 1.499 bleskova, izgledaće kao da osovina rotira

17

unapred 1 obrtaj u minuti, odnosno pri 1501 bljeskova osovina kao da rotira unazad za 1 obrtaj

u minuti. Bleskanje svetlosti podešava se potenciometrom, a poloţaj klizača kalibrisan je u

obrtajima u minuti.

Slika 16.15. Stroboskop: a) merenje sa stroboskopom, b) izgled stroboskopa

1.1.3.2.4 Senzor na bazi Holovog efekta za merenje ugaone brzine

Holov efekt poznat je od 1879. godine. Njegova praktična primena postaje sve izrazitija

zahvaljujući postojanju odgovarajućih poluprovodničkih materijala. Isto kao magnetorezistivni

senzori, senzori na bazi Holovog efekta spadaju u red specijalnih elektromagnetnih senzora.

Holov efekat nastaje kada se poluprovodnik kroz koji teče struja unese u magnetno polje. Ako

se poluprovodnička pločica nalazi u fiksiranom poloţaju okomito na magnetno polje indukcije

B i ako kroz pločicu protiče struja I (slika 16.17a), tada se u smeru poprečno na tok struje javlja

tzv. Holov napon:

VH = k·I·B / d (16.32)

gde su:

d - debljina pločice i

k - Holova konstanta, koja zavisi od karakteristika poluprovodnika i temperature

Holov efekat, je pojava razlike potencijala na površini poluprovodnika kada kroz njega

protiče električna struja i kada postoji magnetno polje normalno na smer električne struje.

Tipična vrednost Holovog napona je reda mV. Treba napomenuti da je povećanje

Holovog napona pomoću povećanja struje I ili smanjivanja debljine d ograničeno zbog

zagrevanja pločice. Senzor na bazi Holovog efekta pravi se u integrisanoj tehnologiji kao čip u

kome su ugraĎeni pojačavač i komparator sa TTL kompatibilnim izlazom, tj. izlaz sa otvorenim

kolektorom (slika 16.17b). U kolu je izvršena i temperaturna kompenzacija. Senzor je osetljiv

na promene polja od svega 0,1 mT, ali zbog nekompenzovanog drifta nule od 10 mT prag

komparatora postavlja se na vrednost 20-50 mT.

Senzor ugaone brzine pravi se jednostavno pomoću čipa sa Holovim senzorom i

odgovarajućeg stalnog magneta koji se pomera paralelno sa senzorom. Magneti su tada

postavljeni po obodu rotirajućeg diska. Moţe se napraviti i konstrukcija da su magnet i senzor u

fiksnom poloţaju, a disk da ima feromagnetne zupce. Prolaskom zubaca dolazi do periodične

promene magnetne indukcije B, tako da se dobija sled impulsa sa frekvencijom proporcionalnoj

merenoj ugaonoj brzini (slika 16.17c). Postoje čipovi koji imaju i četvrti izvod na koji se

priključuje kondenzator za formiranje visokopropusnog filtera kojim se popravlja distorzija

impulsa na izlazu.

18

Slika 16. 17. Senzor na bazi Holovog efekta: a) ilustracija Holovog efekta, b) senzor i kolo

za obradu signala u čipu, c) promena fluksa i izlazni signal, d) obrtomer sa Holovim senzorom

Prekidači na bazi Holovog efekta imaju veliku perspektivu u oblasti merenja ugaonog

poloţaja i ugaone brzine. Na slici 16.17d prikazane su dve praktične realizacije za merenje

ugaone brzine. U prvom slučaju na rotirajućem disku smešteni su mikromagneti, a u drugom

slučaju umesto diska koristi se propeler. Prolaskom magneta pored feromagnetnih krakova,

dobija se niz četvrtki, čija je frekvencija proporcionalna merenoj ugaonoj brzini. Posebno su

interesantni diskovi koji po obodu imaju veliki broj magneta, tako da se dobija tzv. prstenasti

magnet.

1.1.4 Senzori sile

Sila F se definiše kao proizvod mase m i ubrzanja a:

F = m⋅a kg·m/s2

= N (17.1)

Ako je masa poznata, sila se, prema jednačini (17.1), odreĎuje merenjem ubrzanja.

Metode merenja na ovoj osnovi nazivaju se akcelerometarske metode, a odgovarajući senzori

sile su, u suštini, akcelerometri.

Sila Zemljine teţe (teţina) je sila koja nastaje delovanjem gravitacionog ubrzanja g:

G = m⋅g

i uvek je usmerena prema centru Zemlje.

Prema Hukovom zakonu deformacija tela ε uzrokovana delovanjem sile F direktno je

proporcionalna toj sili F:

F = c⋅ε

gde je:

19

c - koeficijent krutosti tela, je ustvari koeficijent proporcionalnosti

ε - deformacija (promena duţine) tela

Ako je poznat koeficijent krutosti tela c, onda je silu F moguće izmeriti merenjem

deformacije ε. Najveći broj senzora sile radi na ovom principu. Ovakvi senzori imaju elastični

(deformacioni) element čija je deformacija (promena duţine) ε proporcionalna sili F koja deluje

na taj elastični element.

Merenje sile pomoću elastičnog (deformacionog) elemenat u senzoru se moţe se

realizovati na više načina, i to:

- Merenjem deformacija elastičnog elementa u senzoru koje se menjaju sa promenom

sile. Elastični elementi mogu biti opruge, prstenovi, cilindri i specijalno profilisani

elementi. Elastični senzori sile po ovoj metodi su, zapravo, senzori pomeraja.

- Merenjem električnih parametara elastičnog elementa u senzoru koji se menjaju sa

promenom sile. Takvi parametri su: električni i magnetni otpor, frekvencija vlastitih

oscilacija i drugi, a senzori sile se označavaju kao pijezoelektrični, magnetootporni,

magnetoelastični itd.

- Merenjem karakteristika elastičnog elementa u senzoru koje se menjaju sa promenom

sile. Takve karakteristike su: brzina prostiranja zvuka, provoĎenje toplote, električni i

magnetni otpor, prelamanje svetlosti, a senzori se označavaju kao ultrazvučni,

termoelastični, magnetoelastični, fotoelastični, jonizacioni, interferometarski i drugi.

Ovi senzori najviše se upotrebljavaju za detekciju mehaničkog naprezanja.

Najjednostavniji elastični (deformacioni) element za merenje sile je opruga, a koriste se

i drugi elastični elementi, kao što su:

- prsten,

- ram,

- dvostruki prsten,

- cilindar,

- prizma,

- konzola

- tenzootpornik itd.

Korišćenjem elastičnih elemenata u senzorima mogu se meriti mahaničke veličine, kao

što su: sila, deformacija, pomeraj, pritisak, itd. Sila se meri u opsegu 0-107 N, a tačnost i opseg

instrumenta zavise od vrste elastičnog elementa i senzora koji detektuje nastalu deformaciju.

Opruga omogućava merne opsege 0,1−10 kN i malu tačnost, a prsten omogućava merne opsege

od 2 kN do 2 MN i tačnost ± 0,2-0,5%.

1.1.4.1 Električni senzori sile

Električni senzori sile se najčešće nazivaju prema električnom parametru elastičnog

senzora koji se menja sa promenom sile koja deluje na elastični element, i to:

- otpornički (sa tenzootpornicima, sa ugljenim otpornikom, poluprovodnički sa p-n

prelazom, potenciometarski),

- kapacitivni,

- elektromagnetni (induktivni, transformatorski sa LVDT pretvaračem),

20

- pijezoelektrični,

- magnetoelastični (aktivni, sa promenljivim permeabilitetom, anizotropski),

- rezonantni (sa strunom),

- kompenzacioni itd.

1. Otpornički senzori sile

Otpornički senzori sile mogu biti sa tenzootpornicima, sa potenciometrom i sl.

a) Otpornički senzori sile sa tenzootpornicima

Tenzootpornici (tenzoelementi) su ustvari merne trake (folije) ili ţice od metala ili

poluprovodnika koje se pod delovanjem sile deformišu (isteţu ili sabijaju) usled čega se menja

njihova otpornost. Pomoću mernih traka ili ţica se pored sile mogu meriti i druge mehaničke

veličine koje mogu da dovedu do deformacije materijala na kome su zalepljene, kao što su:

naprezanje u materijalu, deformacija (pomeraj), ubrzanje, vibracije, moment, pritisak itd.

Na slici 1.1 je prikazana merna žica koja se koristi kao tenzootpornik.

Slika 18.13. Merna ţica se pod delovanjem sile isteţe usled čega se menja njena otpornost

Osnovne karakteristike tenzootpornika mogu se uočiti proučavanjem ţičanog otpornika

duţine l i prečnika d (slika 18.13). U nenapregnutom stanju vrednost otpora računa se prema

poznatoj formuli:

R = ρ·l / S (18.21)

gde je:

l - duţina ţice

S - površina poprečnog preseka

ρ - specifična otpornost materijala od koga je napravljena merna ţica, u Ωm

U opštem slučaju, sve veličine u jednačini (18.21) zavise od naprezanja, odnosno:

R = R(σ)

l = l(σ)

ρ = ρ(σ)

S = S(σ)

Otpor merne trake prikazane na slici je:

R = ρ·l / A

gde je:

21

l - duţina merne

A – površina poprečnog preseka merne trake

ρ - specifična otpornost materijala od koga je napravljena merna traka, u Ωm

Slika Merna traka se pod delovanjem sile isteţe usled čega se menja njena otpornost

Pod delovanjem sile otpor merne trake se menja za ΔR prema izrazu:

Za merenje malih promena otpora trake se spajaju u različite mosne spojeve.

Merna traka se obično lepi na element čiju deformaciju merimo ili taj element koristimo

kao senzor pomeraja. Ako se merne trake lepe potrebno je koristiti specijalizovana lepila, te

posebnu paţnju treba posvetiti postupku lepljenja. U suprotnom često se kao problem javlja

povećani histerezis, koji je inače svojstven rasteznim mernim trakama.

22

Slika 13. Tenzootprnici u obliku rastezne merne trake

b) Otpornički senzor sile sa potenciometrom

Slika Otpornički senzor sile sa potenciometrom

c) Otpornički kontaktni senzor sile

Slika Otpornički kontaktni senzor sile

2. Kapacitivni senzori sile

23

Slika Kapacitivni senzor sile

3. Elektromagnetni senzori sile

Slika Induktivni LVD senzor sile

4. Pijezoelektrični senzori sile

Slika Pijezoelektrični senzor sile

5. Magnetoelastični senzori sile

Magnetoelastični senzori rade na principu obrnutog magnetostrikcijskog efekta, koji

predstavlja promenu stanja magnetisanog materijala pod uticajem mehaničkih naprezanja. Kao

materijal u gradnji magnetoelastičnih senzora upotrebljavaju se: legure ţeleza i nikla sa

sadrţajem nikla 50-70%, legure ţeleza i silicija sa 2- 4% silicija, te specijalni materijali kao što

su legure ţeleza i aluminijuma. Po načinu rada razlikuju se:

- aktivni,

- parametarski i

- anizotropski senzori.

24

Kod aktivnih magnetoelastičnih senzora elastični element je stalni magnet sa

navojima n. Mehaničko naprezanje σ koje nastaje delovanjem merene sile F uzrokuje promenu

magnetne indukcije za iznos:

∆B = f(σ) ≈ aB·σ (17.17)

pa se u namotajima indukuje napon:

Slika Aktivni magnetoelastični senzor sile

Parametarski magnetoelastični senzori imaju konstantno magnetno polje, ali se

magnetna permeabilnost elastičnog elementa menja zbog delovanja sile. Po načinu rada i

principima gradnje ne razlikuju se od induktivnih senzora sa promenljivim magnetnim

permeabilitetom. U tehničkoj praksi ovi senzori odavno se upotrebljavaju za merenje

dinamičkih sila. Iz jednačine (17.18) vidi se da je statička karakteristika kvazistacionarna.

Slika Parametarski magnetoelastični senzor

Kod anizotropnih magnetoelastičnih senzora elastični element je napravljen tako da

se slika magnetnog polja pomera u prostoru pod delovanjem sile. Element ima dva navoja:

pobudni, koji sluţi za stvaranje magnetnog polja, i izlazni, na kojem se dobija izlazni napon.

Promena induktivnosti pobudnog navoja zbog deformacije relativno je mala, ali promena

meĎuinduktivnosti moţe biti velika. To zavisi od uzajamne orijentacije magnetnog polja i polja

mehaničkih naprezanja, pa se orijentacija magnetnog polja odreĎuje kada nema naprezanja. U

tehničkoj praksi najviše je primena anizotropskih magnetoelastičnih senzora sile sa uglom

izmeĎu polja od 45o, 90

o i 0

o.

25

Slika Anizotropni magnetoelastični senzor

1.1.5 Senzori momenta

Moment je izvedena mehanička veličina koja predstavlja proizvod sile F i njenog

rastojanja l do referentne ose:

M = F⋅ l = I⋅α Nm (17.19)

gde je:

I = Σmr2 - moment inercije tela kojim se telo opire ugaonom ubrzanju α. Masa m

odnosi se na jednu česticu tela koja rotira na rastojanju r od ose tela.

Merenje momenta je od posebnog značaja za obrtne električne mašine. Snaga P koju

motor sa ugaonom brzinom ω pomoću osovine prenosi na opterećenje je:

P = M ·ω (17.21)

Merenje momenta pomoću torzionog naprezanja. - Torziono naprezanje τ osovine

proporcionalno je momentu, odnosno:

M = τ·I (17.22)

gde je:

I = πr3/2 - moment inercije osovine poluprečnika r

Za merenje torzionog naprezanja koriste se tenzootpornici. Tenzootpornici se

postavljaju u pravcu najvećeg naprezanja, tj. pod uglom od 45o u odnosu na osu osovine (slika

17.11).

26

Slika 17.11. Senzor momenta sa tenzootpornicima i kontaktnim prstenovima

Potrebna su četiri tenzootpornika koja formiraju puni most. Na taj način postiţe se

najveća osetljivost, te najbolja temperaturna kompenzacija i eliminacija uticaja progiba na

tačnost merenja. Tipična tačnost ovakvih tenzootpornika je ±1-2%. Praktični problemi prisutni

su kod realizacije spoja mernog mosta i mernog ureĎaja. Klasično rešenje je pomoću kontaktnih

prstenova. Prelazni otpor kontakata i termoelektromotorna sila, koja nastaje zbog zagrevanja

kontakata, smanjuju tačnost tonzootpornika. Ovi problemi uspešno se rešavaju kod

beskontaktnih senzora.

1.1.6 Senzori pritiska

Pritisak je skalarna veličina koja se u mehanici definiše kao odnos sile i površine na

koju ta sila deluje:

p = F / S N/m2 = Pa

gde je:

F - sila, u N

S - površina na koju sila deluje, u m2

U praksi se koriste mnogo veće jedinice od Pa, kao što su: kPa, MPa (SI), kao i merne

jedinice koje ne pripadaju SI, kao što je 1 bar = 105 Pa.

U teoriji fluida, pritisak se definiše kao:

p = ρ·g·h

gde je:

ρ - gustina fluida, u kg/m3

g - gravitaciono ubrzanje, u m/s2

h - visina stuba fluida iznad date lokacije, u m

Kod merenja pritiska, razlikuju se četiri merna područja:

27

- Područje apsolutnog pritiska

- Područje atmosferskog (barometarskog) pritiska: standardna vrednost odgovara

visini stuba ţive od 760 mm, na nivou morske površine,

- Područje diferencijalnog pritiska: razlika izmeĎu dva pritiska

- Područje relativnog pritiska, kao poseban slučaj diferencijalnog, označava da je

jedan pritisak atmosferski (podpritisak p − pa < 0 i nadpritisak p − pa > 0).

Usko sa pritiskom p povezana je i mehanička deformacija (promena oblika i zapremine)

tela ε uzrokovana delovanjem spoljne sile F. Spoljna sila nastoji da razdvoji ili pribliţi pojedine

čestice tela, čemu se telo suprotstavlja unutrašnjim silama koje postoje izmeĎu njegovih čestica.

Unutrašnja sila podeljena sa površinom na koju deluje predstavlja naprezanje i izraţava se u

paskalima. Naprezanje je, dakle, unutrašnji pritisak. Sa porastom spoljne sile F raste naprezanje

σ i deformacija ε.

Ustanovljeno je da za sve vrste materijala postoji područje direktne proporcionalnosti

izmeĎu naprezanja σ i deformacije ε, što je poznato kao Hukov zakon:

σ = E·ε (18.6)

gde je:

E - Jangov modul elastičnosti posmatranog materijala

Kao elastični (deformacioni) elementi u senzorima pritiska koriste se:

- ravne membrane,

- talasaste membrane,

- kapsule,

- mehovi,

- cevi,

- cilindri,

- tenzootpornici itd.

Membrane su pogodne za merenje pritiska od najniţih pa do najviših vrednosti, cevi se

primenjuju za merenje relativnog natpritiska 0-1 bar pa do 10.000 bar, a mehovi za manje

relativne pritiske.

Od tačnosti elastičnog (deformacionog) elementa zavisi i tačnost senzora pritiska.

Slika Ravne membrane

28

Slika Talasaste membrane

Slika Kapsule

Slika Meh

Slika Burdonove cevi

29

Slika Elastični Cilindar

Membrana je kruţnog oblika učvršćena po celom obodu. Delovanjem pritiska p

membrana se deformiše u kalotu. Membrane se prave od posebnih materijala kao što su

berilijeva bronza (legura od bakra, tantala, titana i specijalnih čelika) i konstantan (legura bakra,

nikla i mangana).

Najpoznatiji manometar (instrument za merenje pritiska) ima elastični (deformacioni)

element u obliku Burdonove cevi. To je posebno profilisana cev, savijena u luk, na jednom

kraju zatvorena, a na drugom učvršćena. Posebnim kinematskim vezama pomeranje slobodnog

kraja prenosi se u ugaoni pomak indikacione kazaljke ili se pomoću senzora pomeraja pretvara

u električni signal. Tačnost statičke karakteristike pritisak - pomeraj vrha Burdonove cevi je ±1-

5%, a u najboljem slučaju do ± 0,6%.

1.1.6.1 Električni senzori pritiska

Većina električnih senzora pritiska kao elastične elemente koristi:

- membrane,

- mehove,

- Burdonove cevi,

- tenzootpornike itd.

Od karakteristika elastičnog elementa zavise merni opseg, prirodna frekvencija i

osetljivost senzora. Deformacija elastičnog elemenata uzrokovana delovanjem pritiska

(diferencijalnog pritiska), pretvara se dalje u izlazni električni signal.

Na osnovu toga kako deformacija elastičnog elementa u senzoru uzrokovana

delovanjem pritiska uzrokuje promenu električnih parametara elastičnog elementa, razlikuju se:

- otpornički,

- kapacitivni,

- elektromagnetni,

- pijezoelektrični i

- optoelektronski senzori.

Dobre osobine savremenih električnih senzora pritiska su njihove male dimenzije, brz

odziv, visoka linearnost, mali histerezis, neosetljivost na preopterećenje, mehanićke udare i

vibracije, te primenljivost u širokom temperaturnom području.

1. Otpornički senzori pritiska

30

a) Otpornički senzori pritiska sa tenzootpornicima

Prema načinu izrade, razlikuju se četiri tipa tenzootpornika koji se koriste u otporničkim

senzorima pritiska:

1. Tenzootpornik u obliku nezalepljene ţice od konstantana odreĎene duţine i debljine

se zateţe izmeĎu pokretnog i nepokretnog dela rama. Delovanjem pritiska dolazi do pomeranja

pokretnog dela rama a time i do istezanja ili sabijanja ţice (slika 18.11). Proporcionalno

nastaloj deformaciji menja se otpor ţice, što se moţe detektovati odgovarajućim Vitstonovim

mostom.

Slika 18.11. Senzor pritiska sa nezalepljenom ţicom

2. Metalni ili poluprovodnički tenzootpornik u obliku folije je čitavom duţinom

zalepljen na deformacionu površinu (slika 18.12).

Slika 18.12. Senzor pritiska sa zalepljenom trakom (folijom)

Tenzootpornik u obliku folije u tehnici senzora najviše se primenjuju. Oblici

tenzootpornika prilagoĎeni su pravcima u kojima se meri deformacija (slika 18.13). Ţica od

koje se pravi tenzootpornik ima debljinu 0,003-0,01 mm, veliki specifični otpor i mali

temperaturni koeficijent otpora. Na trţištu su prisutni tenzootpornici sa nominalnim otporom

120, 300, 350, 600 i 1.000 Ω. Veći otpor poţeljan je da bi se smanjio uticaj otpora priključnih

vodova na tačnost merenja. Otpornički materijal nanesen je na traku od plastičnog materijala

koja se lepi na mesto merenja deformacije.

3. Tankoslojni metalni otpornik trajno deponovan na deformacionoj površini

4. Poluprovodnički otpornik unesen difuzionim postupkom u deformacioni element od

silicijuma. Takav tenzootpornik naziva se piezorezistivni senzor. Piezootpornički senzor

pritiska su poluprovodnički otpornici vakuumski deponovani u silicijumsku membranu ili u

ukleštenu polugu.

Merna šema sa tenzootpornikom. - Za merenje pritiska najčešće se koristi

tenzootpornik postavljen u Vitstonov most. Izlazni napon mosta proporcionalan je merenom

pritisku. Tri su osnovne konfiguracije Vitstonovog mosta sa tenzootpornicima: četvrtinski most,

polumost i puni most.

31

Slika Merna šema sa tenzootpornikom

Četvrtinski most ima tenzootpornik samo u jednoj grani mosta. Ovo se koristi kod

jednoosnog istezanja ili sabijanja. U nenapregnutom stanju izlaz mosta jednak je nuli. Kada

doĎe do istezanja ili sabijanja, tenzootpornik imaće otpor R+ΔR, dok će ostali otpori ostati

nepromenjeni. Izlazni napon tada će biti:

b) Otpornički senzori pritiska sa Burdonovom cevi i potenciometarom

Deformacija elastičnog elementa moţe se detektovati pomoću potenciometra (slika 18.7

a).

Slika 18.7. Potenciometarski senzor pritiska sa Burdonovom cevi: a) konstrukcija, b) izgled

Osnovne prednosti ovih senzora su: visoka vrednost izlaza (0-100% napona napajanja),

za prenos na daljinu nije potrebno pojačavanje ili impedantno prilagoĎavanje izlaza,

pristupačna cena, jednostavnost ugradnje, te mogućnost napajanja jednosmernom i

naizmeničnom strujom. Loše osobine su: velike dimenzije, pojava šuma zbog habanja, sila za

pomeranje klizača potenciometra relativno velika zbog trenja i mala frekventna propusnost.

2. Kapacitivni senzori pritiska

Suština rada ovih senzora je da se metalna membrana koristi kao pokretna elektroda

kondenzatora.

32

Na slici 18.8 prikazana je principijelna realizacija kapacitivnog senzora apsolutnog

pritiska: sa jedne strane metalne membrane je priključak za mereni pritisak, a sa druge strane je

izolovana komora sa referentnim vakuumom.

Slika 18.8. Principijelna realizacije kapacitivnog senzora apsolutnog pritiska i industrijska

realizacija

Promena kapaciteta, odnosno pritiska detektuje se mernim mostom ili pomoću

oscilatora RC ili LC. Efektivne vrednosti kapaciteta su:

gde je:

C1 - vrednost kapaciteta koji odgovara referentnom pritisku (apsolutnom

vakuumu ili atmosferskom)

C2 - mereni kapacitet, koji je proporcionalan merenom pritisku

d0 - početno rastojanje izmeĎu membrane i fiksne elektrode

Δd - pomeranje membrane

S - efektivna površina elektroda

Cp - ukupni parazitni kapacitet

Lako se dobija se da je relativno pomeranje membrane:

Na slici 18.6 b je kapacitivni senzor diferencijalnog pritiska koji ima po jedan priključak

na svakoj strani membrane.

33

Slika 18.6. Principijelna realizacija senzora diferencijalnog ili relativnog pritiska i

industrijska realizacija

Kod senzora relativnog pritiska jedan priključak je otvoren prema atmosferi. Promena

kapaciteta u zavisnosti od pritiska najčešće se detektuje pomoću mosta koji daje amplitudno

modulisani izlazni signal, što je razmatrano u poglavlju o kapacitivnim senzorima. U tom

slučaju neophodna je demodulacija da bi se dobio jednosmerni signal i obavila temperaturna

kompenzacija, te podešavanje nule i pojačanja. Veća rezolucija merenja dobija se

priključivanjem kapacitivnog senzora na oscilator RL ili LC, koji daje frekventno modulisan

izlazni signal.

3. Elektromagnetni senzori pritiska

Detekcija deformacije elastičnog elementa ovih senzora ostvaruje se pomoću

elektromagnetnih senzora pomeraja.

Najviše se primenjuje prosti induktivni senzor pritiska sa relativnim pomerajem jezgra i

jednim navojem (slika 18.5). Promena induktivnosti pretvara se u električni signal pomoću

mosne šeme ili pomoću oscilatora.

Slika 18.5. Prosti induktivni senzor pritiska

Induktivni senzor diferencijalnog pritiska pravi se sa dva identična navoja, izmeĎu kojih

se pomera metalna membrana, čime se menja otpor magnetnog kola (slika 18.6).

34

Slika 18.6. Induktivni senzor diferencijalnog pritiska

4. Pijezoelektrični senzori pritiska

Kod jednostavnijih pijezoelektričnih senzora pritiska sila preko elastičnog

(deformacionog) elementa deluje na piezoelektrik, na kome se javlja naelektrisanje (slika 18.8).

Pomoću pojačavača naelektrisanja dobija se izlazni signal, proporcionalan merenom pritisku.

Slika 18.8. Standardna izvedba piezoelektričnog senzora pritiska

5. Optoelektronski senzori pritiska

Deformacijom elastičnog elementa moduliše se intenzitet svetla koje pada na

fotoprijemnik. Najčešće se IRLED-dioda koristi izvor svetlosti, a PIN fotodioda ili

fotopotenciometar kao prijemnik.

Osnovne prednosti ovih senzora su jednostavnost, visok izlaz, te mogućnost statičkih i

dinamičkih merenja. Nedostaci su: ograničen temperaturni opseg, nestabilnost statičke

karakteristike sa starenjem, mogućnost praćenja samo velikih deformacija i mala frekventna

propustljivost.

Značajna poboljšanja dobijaju se u kombinaciji sa optičkim vlaknima. Nagrizanjem

silicijumskog vafera pomoću kalijumove baze moţe se dobiti membrana debljine do 10 µm i

prečnika manjeg od 1 mm, a progib membrane prati se senzorom pomeraja na bazi optičkog

vlakna (slika 18.9).

35

Slika 18.9. Fiberoptički senzor sa detektorom pomeraja

6. Senzori sa strunom

Senzori sa strunom imaju zategnutu volframovu ţicu koja je jednim krajem pričvršćena

za elastični (deformacioni) element, a drugim krajem za kućište. Senzor se pravi tako da porast

pritiska dovodi do smanjenja zategnutosti ţice, odnosno do smanjenja rezonantne frekvencije

oscilovanja ţice, kao što se vidi iz jednačine (15.18).

Slika 18.10. Senzor pritiska sa strunom (oscilujućom ţicom)

Na slici 18.10 a prikazana je konstrukcija sa elektromagnetom za pobuĎivanje oscilacija

i elektrodinamičkim indukcionim senzorom za detekciju oscilacija.

Slika 18.10. LVD senzor pritiska sa povratnom spregom

36

1.1.7 Senzori nivoa

Nivo je visina tečnog ili usitnjenog (sipkastog, praškastog) materijala u posudi. U suštini

nivo predstavlja graničnu površinu izmeĎu dve sredine različitih gustina u odnosu na neku

horizontalnu površinu uzetu kao referentnu. Granična površina je obično izmeĎu tečne i gasne

faze, a reĎe izmeĎu dve tečne faze (slika 19.1). Senzori za merenje nivoa nazivaju se

nivometrima. Iz definicije nivoa proizilazi da je merenje nivoa merenje rastojanja, odnosno

debljine. Prema tome, nivo se izraţava u jedinicama duţine.

Slika 19.1. Nivo tečnosti

Merenje nivoa usitnjenog materijala, kao što je ugalj, brašno, ţito, cement i drugo, sa

tehničkog aspekta značajno se razlikuje od merenja nivoa tečnosti, jer nivo takvih materijala

najčešće nije horizontalan (slika 19.2). Za tačno merenje neophodno je poznavanje kretanja

materijala, veličine i oblika zrna, načina punjenja i praţnjenja, kao i oblika rezervoara.

Slika 19.2. Nivo sipkastih materijala

Merenje količine (zapremine) tečnog i usitnjenog materijala u rezervoaru vrši se na

osnovu informacije o nivou jednačinom:

V = S·h m2m=m

3

Metode merenja nivoa mogu se podeliti u dve grupe:

- u prvu grupu spadaju metode merenja nivoa u odabranim (diskretnim) tačkama,

- u drugu grupu spadaju kontinualne metode merenja.

1.1.7.1 Kontinualne metode merenja nivoa

Izbor kontinualnih metoda praćenja nivoa zavisi od vrste medijuma, od toga da li je

zatvoreni rezervoar pod nadpritiskom ili podpritiskom. U automatizaciji tehnoloških procesa

najviše se upotrebljavaju:

- senzori na principu plovka ili ronila

- hidrostatički

37

- električni

- ultrazvučni i

- radijacioni.

1. Senzori nivoa sa plovkom

Plovak je loptastog oblika, prečnika 80-200 mm. Pliva na površini tečnosti čiji se nivo

meri. Mehaničkom vezom poloţaj plovka prenosi se na kazaljku ili senzor ugaonog pomeraja.

Plovak je smešten uza zid rezervoara ili u posebnoj komori sa spoljne strane rezervoara (slika

19.2). Minimalni opseg za ove senzore je od 0 do ±200 mm, a tipična tačnost je opsega. ±1,5%.

Slika 19.2. Senzori nivoa sa plovkom: a) plovak u rezervoaru i sa vanjske strane rezervoara

2. Hidrostatički senzori nivoa

Merenje nivoa uz pomoć diferencijalnog hidrostatičkog pritiska se bazira na principu

razlike pritisaka koji vladaju na samom vrhu stuba tečnosti i na njegovom dnu i povezana je sa

gustinom tečnosti i visinom stuba tečnosti (tj. samim nivoom).

Princip rada ovih senzora zasniva se na primeni Paskalovog zakona, gde vrednost

pritiska zavisi od gustine i visne fluida u rezervoaru:

p = ρ·g·h

Postoje tri tipa hidrostatičkih senzora nivoa:

- hidrostatički senzori nivoa koji se realizuju kao senzori relativnog pritiska koji meri

pritisak stuba tečnosti na dnu rezervoara.

- hidrostatički senzori nivoa koji se pravi kao senzor diferencijalnog pritiska, što je

pogodno za zatvorene rezervoare kod kojih se iznad tečne faze nalazi gasna faza pod

pritiskom.

- hidrostatički senzori nivoa pneumatskog tipa za otvoreni rezervoar, kod koga se

ubacuje vazduh pod pritiskom.

38

3. Električni senzori nivoa

1. Kapacitivni senzori nivoa prave se kao pločasti ili cilindrični kondenzatori, izmeĎu

kojih se nalazi tečnost čiji se nivo meri. Tečnost moţe biti provodna ili neprovodna.

Neprovodne tečnosti imaju specifičnu provodnost manju od 10-6

S/cm. Metalne

elektrode kapacitivne sonde fiksirane su pomoću zaptivača od izolatorskog materijala i

potopljene u tečnost do visine h, a ostatak prostora izmeĎu elektroda H-h ispunjen je gasnom

fazom (slika 19.5).

Slika 19.5. Kapacitivni cilindrični senzor nivoa neprovodnih tečnosti

Sonda je najčešće cilindrična (koaksijalna), pri čemu kao spoljna elektroda moţe da

posluţi i metalni zid rezervoara. Za neprovodne tečnosti, kao što su nafta i njeni derivati, otpor

R izmeĎu elektroda je beskonačan, pa je ekvivalentni kapacitet:

Ce = C1 + C2 + C3 (19.6)

gde je:

C1 - kapacitet izmeĎu elektroda na segmentu gde je izmeĎu njih izolator zatvarača

C3 - kapacitet izmeĎu elektroda u tečnoj fazi

C2 - kapacitet u gasnoj fazi

Na osnovu relacije za kapacitet cilindričnog kondenzatora, dobija se da je ekvivalentni

kapacitet proporcionalan sa merenim nivoom h:

39

(19.7)

gde je:

εg - dielektrična konstanta gasa ili pare

εt - dielektrična konstanta tečnosti

U proračunima statičke karakteristike (19.7) kapacitivnog senzora za neprovodne

tečnosti uzima se da je C1 konstanta i da je dielektrična konstanta gasa ili pare εg pribliţno

jednaka jedinici.

Za merenje nivoa provodnih tečnosti, tj. tečnosti sa specifičnom provodnošću većom

od 10-4

S/cm, unutrašnja elektroda presvučena je slojem kvalitetnog čvrstog izolacionog

materijala, obično plastikom ili teflonom (slika 19.6).

Slika 19.6. Kapacitivni cilindrični senzor nivoa provodnih tečnosti (srednja elektroda

izolovana)

Zbog izolacije otpor tečnosti nema uticaja na merenje i takva sonda primenljiva je za

provodne i za neprovodne tečnosti. Ekvivalentni kapacitet proporcionalan je merenom nivou:

()

Praktični problemi nastaju kada se na oblogu unutrašnje elektrode nataloţe provodljive

nečistoće. Sa opadanjem nivoa, vlaţni deo elektrode spaja se na masu, pa izlaz ostaje

proporcionalan staroj, a ne aktuelnoj vrednosti nivoa. Uzemljenje moţe da se ostvari i zbog

prodora vodene pare na mestu gde je priključen kabl ili zbog kondenzacije.

2. Otpornički senzori nivoa primenjuje se za provodne tečnosti, za nivoe do 60 m, sa

tačnoću ±20-100 mm. To su jednostavni i relativno jeftini senzori. Najbolji rezultati ovim

senzorima postiţu se u kontinualnom merenju suvih granulastih materijala u silosima.

Otpor izmeĎu elektroda je nelinearna funkcija nivoa h:

(19.9)

i meri se pomoću ommetra izbaţdarenog u jedinicama nivoa (slika 19.6).

40

Slika 19.6. Princip rada otporničkog senzora nivoa

3. Induktivni senzor nivoa sastoji se od kalema, čiji se induktivet menja sa nivoom

tako što vodljiva tečnost kratko spaja potopljene navoje ili tako tečnost menja koeficijent

samoindukcije jednog namotaja, ili koeficijent meĎuindukcije dvaju namotaja.

Slika 19.7. Princip rada induktivnog senzora nivoa

4. Ultrazvučni senzori nivoa

Ultrazvučni senzori nivoa emituju zvučne talase, a površina tečnosti te iste talase

reflektuje nazad ka izvoru (slika 19.12).

41

Slika 19.12. Princip rada ultrazvučnog senzora nivoa

Vreme za koje putuje talas do površine tečnosti i nazad je proporcionalno udaljenosti

izmeĎu predajnika i površine tečnosti.

Kod ovih senzora, koristi se princip da je mereni nivo tečnosti u rezervoaru

proporcionalan vremenu T, za koje talas preĎe od izvora do prijemnika zračenja. Nivo tečnosti

u rezervoaru dat je izrazom:

(19.33)

gde je:

v - brzina zvučnih talasa, zavisna od mernog medijuma i temperature

5. Mikrotalasni (radarski) senzori nivoa

Rade na istom principu slanja mikrotalasa nadole sa senzora koji se nalazi na vrhu

rezervoara ili neke druge posude. Kod ovog tipa radarske tehnologije udaljenost (nivo) se

izračunava iz razlike u frekvencijama predatog (emitovanog) i primljenog (reflektovanog)

signala u bilo kom vremenskom trenutku.

1.1.7.2 Diskretne metode merenja nivoa (signalizatori diskretnih vrednosti

nivoa)

Diskretne vrednosti markiraju kritične vrednosti nivoa, kao što su minimalna ili

maksimalna vrednost. Senzori koji rade na ovom principu sluţe za signalizaciju alarma

(prepunjen ili prazan rezervoar).

Detekcija diskretnih vrednosti nivoa ima veliki značaj u procesnoj tehnici. Signalizatori

diskretnih vrednosti su u suštini prekidači koji detektuju minimalni ili maksimalni nivo u

rezervoaru. Sa više signalizatora u nizu povećava se rezolucija, a izlazni signal tada moţe biti

kodiran.

Najjednostavnija izvedba za provodne tečnosti je u obliku kontaktnog otpornika.

Prisutnost provodne tečnosti svodi otpor izmeĎu kontakata na nulu, a kada nivo tečnosti opadne

ispod signalizatora, otpor izmeĎu kontakata postaje beskonačan (slika 19.14).

42

Slika 19.14. Otpornički signalizatori diskretnih vrednosti nivoa

Za neprovodne tečnosti upotrebljavaju se pločasti kondenzatori umesto prekidača (slika

19.15).

Slika 19.15. Kapacitivni signalizatori diskretnih vrednosti nivoa

OdvoĎenje toplote sa otpornika kroz koji teče struja je 4-5 puta veće u tečnosti nego u

vazduhu, pa je njegova temperatura tada manja. Promenom otpornosti dolazi do narušavanja

ravnoteţe Vitstonovog mosta (slika 19.16).

Slika 19.16. Termički signalizatori diskretnih vrednosti nivoa

Optoelektronski signalizatori su beskontaktni i pogodni su za signalizaciju nivoa

zapaljivih i eksplozivnih tečnosti. Optoelektronski signalizatori sastoje se od optičke prizme i

optoelektronskog para LED-diode i fotodiode. Prizma je obraĎena tako da se zrak iz LED-

diode u potpunosti reflektuje do fotodiode kada je prizma u vazduhu. Ako je prizma potopljena

u tečnost, svetlost iz LED-diode prelama se i rasipa u tečnost, a samo mali deo dolazi do

fotodiode (slika 19.17).

43

Slika 19.17. Optoelektronski signalizatori diskretnih vrednosti nivoa

Ultrazvučni signalizatori pogodni su i za provodne i neprovodne tečnosti. Zvučni otpor

izmeĎu predajnika i prijemnika zvuka u vazduhu je veći nego u tečnosti, pa je vreme preleta

kraće (slika 19.18).

Slika 19.18. Ultrazvučni signalizatori diskretnih vrednosti nivoa

Za detekciju kritičnih vrednosti nivoa često se primenjuju magnetni senzori na bazi rid-

releja (reed-switch), (slika 19.19). Elastični kontakti releja napravljeni su od feromagnetnog

materijala i hermetički zatvoreni u staklenoj kapsuli. Kapsula je fiksirana na definisanom nivou.

Kada prstenasti plovak sa stalnim magnetom dostigne taj nivo, elastični kontakti releja se

magnetišu i privlače. Konstrukcija signalizatora na bazi rid-releja obezbeĎuje visoku

pouzdanost, veliki broj preključivanja, te neosetljivost na vibracije i temperaturu okoline.

Tačnost preključivanja je ±0, 5-3% opsega.

Slika 19.19. Magnetni signalizatori diskretnih vrednosti nivoa

44

1.1.8 Senzori protoka

Protok predstavlja količinu sipkastog materijala, tečnosti ili gasa koja protekne kroz

posmatrani poprečni presek za jedinicu vremena.

Količina se izraţava u jedinicama mase ili zapremine, pa se razlikuje:

- maseni protok:

Qm = m/t kg/s

- zapreminski protok:

QV = V/t m3/s

QV=vS (m/s)·m2=m

3/s

Egzaktniji je maseni protok jer opisuje stvarnu količinu materije u kretanju.

Zapreminski protok zavisi od gustine, pritiska i temperature materije, te od lokalne gravitacije.

Protok sipkastog materijala obavezno se izraţava kao maseni, a protok tečnosti i gasova

obično kao zapreminski.

Maseni i zapreminski protok povezani su relacijom:

Qm=ρ·QV (kg/m3)·(m

3/s)=kg/s

Senzori protoka se nazivaju protokometrima.

1.1.8.1 Senzori za merenje zapreminskog protoka

Zapreminsko merenje protoka zasniva se na tretiranju zapremine supstance koja protiče

kroz posmatrani poprečni presek na osnovu merenja nekog parametra. Merni parametar rezultat

je meĎusobnog delovanja toka fluida i tela postavljenog u tok. Telo moţe biti fiksirano ili

pokretno. Nepokretno telo je tzv. prigušnica, a merni parametar tada je diferencijalni pritisak.

Oko 66% svih senzora protoka su ovoga tipa.

Zapreminski senzori sa pokretnim telom su:

- rotametarski,

- turbinski,

- rotacioni zapreminski,

- elektromagnetni,

- ultrazvučni,

- senzori sa Doplerovim efektom, i

- vrtloţni senzori.

Doplerov efekat je pojava da usled kretanja prijemnika ili predajnika dolazi do menjanja

frekvencije talasa, na strani prijemnika. Ako se prijemnik i predajnik kreću jedan ka drugom, frekvencija

se pomera na više (raste), a ako se prijemnik i predajnik kreću jedan od drugog, frekvencija se pomera

na niţe (opada).

1.1.8.1.1 Rotametar

Rotametar je komercijalni naziv za senzor protoka sa lebdećim plovkom kao

pokretnim delom (slika 20.3 a). IzmeĎu plovka i konusnog tela rotametra formira se suţenje -

45

prsten sa površinom koja se menja zavisno od visine plovka. Suţenje ima ulogu prigušnice. Pad

pritiska na suţenju ne zavisi od protoka, pa se rotametar označava kao senzor sa konstantnim

padom pritiska i promenljivom površinom. Proticanjem tečnosti ili gasa kroz rotametar na

plovak deluju tri sile: rezultantna sila statičkog pritiska, teţina plovka i sila uzgona.

Slika 20.3. Rotametar - protokometar sa sa konstantnim padom pritiska: a) princip rada, b)

izgled

Konusna cev rotametra karakteriše se malim nagibom, tj. k=0,001-0,01, tako da je,

konačno, zapreminski protok QV pribliţno direktno proporcionalan visini plovka h:

QV = K1 + K2h (20.15)

Konusna cev obično je izraĎena od stakla. Na cevi je ugravirana skala, a očitanje

protoka vrši se u odnosu na gornju površinu plovka. Na plovku su narezani kosi kanali kako bi

se omogućila njegova rotacija i centriranje. Kod nekih varijanti plovak se kreće po voĎici.

Poloţaj plovka detektuje se najčešće pomoću induktivnog senzora pomeraja.

Zapreminski senzori protoka sa merenjem brzine fluida

Kod zapreminskih senzora brzinskog tipa (elektromagnetni, ultrazvučni, vrtloţni,

senzori sa Doplerovim efektom) meri se srednja brzina fluida v u poprečnom preseku S, a

protok QV se dobija pomoću jednostavne jednačine:

QV = vS

1.1.8.1.2 Turbinski protokmetar

Zapreminski senzori protoka sa merenjem brzine fluida imaju aksijalnu ili poprečno

postavljenu turbinu kao osetilni element. Zbog toga su i dobili naziv turbinski protokometri.

Broj obrtaja turbine u jedinici vremena n proporcionalan je brzini fluida v u posmatranom

poprečnom preseku S:

n = k·v (20.16)

gde je:

k - koeficijent proporcionalnosti

Ako se eliminiše brzina fluida v pomoću poznate relacije za zapreminski protok QV =

v·S, dobija se da je:

46

(20.17)

Imajući u vidu definiciju zapreminskog protoka (20.2), jednačina (20.17) postaje:

(20.18)

Integriranjem u vremenu od dobija se:

gde je:

N2-N1 - pokazivanje brojača, odnosno broj obrtaja turbine u intervalu t2- t1

Merenjem ukupnog broja obrtaja dobija se informacija o zapreminskoj količini

proteklog fluida.

Zapreminski protok odreĎuje se merenjem brzine obrtanja turbine, najčešće pomoću

elektromagnetnog tahometra reluktantnog tipa. U tom slučaju lopatice rotora su od

feromagnetnog, a kućište protokometra od neferomagnetnog materijala (slika 20.4). Prolazom

lopatice turbine kroz magnetno polje stalnog magneta tahometra indukuje se jedan impuls.

Ukupan broj impulsa I na intervalu ∆t jednak je broju izmerenih obrtaja pomnoţen sa brojem

lopatica:

Slika 20.4. Turbinski protokomer: a) funkcionalna šema, b) izgled

Statička karakteristika turbinskog merača protoka odreĎuje se tako da se na celom

opsegu utvrĎuje koliko ima izlaznih impulsa pri protoku tačno odreĎene količine fluida.

Vrednost iz jednačine K=nLk/S (20.20) je karakteristična veličina koja se označava kao

koeficijent protokometra. Njegova vrednost daje se kao broj impulsa po jedinici volumena ili

kao broj impulsa u sekundi po jedinici zapreminskog protoka. Navedeni postupak kalibracije

pokazuje da realna statička karakteristika odstupa od idealnog pravca (slika 20.5 a). Iznad

vrednosti protoka Qmin≈0,1 Qmax realna statička karakteristika ima pribliţno konstantan

nagib. Ona je linearna za ±A% dati opseg ako je promena koeficijenta K unutar specificirane

tolerancije ±A% . ProizvoĎači obično daju i podatak o proširenom radnom području sa B-

linearnošću, pri čemu je B>A (slika 20.5b).

47

Slika 20.5. Statička karakteristika turbinskog protokomera: a) realna karakteristika, b)

standardna baţdarna kriva

1.1.8.1.3 Indukcioni (elektromagnetni) senzori protoka

To su elektromagnetni senzori koji rade na principu Faradejevog zakona indukcije. Kao

što je poznato, ovaj zakon kaţe da se relativnim kretanjem provodnika i magnetnog polja pod

pravim uglom na provodniku indukuje napon. Na ovom principu rade istosmerni i naizmenični

generatori napona. Za merenje protoka princip je primenljiv samo za provodne tečnosti. Takva

tečnost ekvivalentna je provodniku duţine jednake unutrašnjem prečniku cevi D (slika 20.8a).

Provodnik se kreće srednjom brzinom toka v u magnetnom polju B, zbog čega se na krajevima

provodnika, tj. na elektrodama indukuje napon:

Poslednja jednačina moţe se napisati u obliku:

Elektomagnetni senzori protoka se primenjuju za merenje zapreminskog protoka

provodnih tečnosti (uključujući i vodu) gde je potreban visok kvalitet merenja i malo

odrţavanje sistema.

Slika 20.8. Indukcioni senzor: a) princip rada, b) konstrukcija, c) izgled

Kod indukcionih senzora protoka sa elektromagnetom koji se napaja jednosmernim

naponom na elektrodama se javlja galvanska ems i ems polarizacije. One suštinski utiču na

tačnost merenja. To je glavni razlog da su indukcioni senzori protoka modifikacije

naizmeničnog generatora. Kada se elektromagnet napaja naizmeničnim naponom, tada se dobija

promenljivo magnetno polje B = Bmsinωt, a indukovani napon je:

48

(20.32)

Smanjenje efekta polarizacije postiţe se povećanjem frekvencije napona napajanja.

MeĎutim, glavni nedostatak indukcionih senzora sa naizmenčnim napajanjem je

transformatorski efekt izmeĎu navoja elektromagneta i radnog provodnika. Zbog toga se u

izlaznom krugu i kada tečnost miruje indukuje napon:

koji se moţe smanjiti samo smanjivanjem površine kruga S.

Navoji elektromagneta smešteni su inače sa spoljne strane cevovoda (slika 20.8 b).

Postoje i izvedbe sa navojima na unutrašnjoj strani cevovoda. Elektrode su postavljene u zid

cevovoda.

Višestruke su prednosti indukcionih senzora protoka: bezinercionost, linearna zavisnost

izlaza od protoka, nezavisnost izlaza od temperature i pritiska tečnosti i neremećenje toka.

Nedostaci indukcionih senzora su: nemogućnost merenja protoka neprovodnih tečnosti,

potrošnja energije 40-700 W, te relativno visoka cena.

1.1.8.2 Senzori za merenje masenog protoka

1.1.8.2.1 Termički senzori

1. Kalorimetarski senzor tipa grejana cev

Ispred i iza grejača postavljeni su termootporni senzori temperature. Prolaskom pored

grejača fluid se zagreva, tako da se dobije temperaturna razlika ∆T = T2 - T1 (slika 20.12a).

Slika 20.12. Kalorimetarski senzor protoka: a) princip rada, b) statička karakteristika

49

Ako je snaga grejača konstantna W = const i ako je cev izolovana, tako da se sva

energija grejača troši na zagrevanje fluida, tada jednačina toplotne ravnoteţe glasi:

W = k·Qm·cp·∆T (20.46)

gde je:

k - korekcioni koeficijent, koji uzima u obzir gubitke toplote u okolini i greške

merenja ∆T, nastale zbog neravnomerne raspodele temperatura po poprečnom

preseku,

cp - specifični toplotni kapacitet fluida (gasa pri konstantnom pritisku) na temperaturi

(T1 + T2) / 2.

Razlika temperatura ∆T je nelinearna funkcija masenog protoka Qm (slika 20.12b).

Linearnost statičke karakteristike (20.46) postoji samo za male brzine. Povećanje osetljivosti

postiţe se većom snagom grejača. Ukoliko bi se odrţala konstantna razlika temperatura

∆T=const prilagoĎavanjem snage grejača W, tada bi statička karakteristika snaga grejača –

protok bila linearna.

2. Termoanemometri

Princip rada termoanemometra zasniva se na činjenici da odvoĎenje toplote sa

zagrejanog tela zavisi od brzine fluida u kome se telo nalazi. Zagrejano telo termoanemometra

je termootpornik, koji radi u reţimu sa konstantnom strujom grejanja ili u reţimu sa

konstantnom temperaturom. U prvom slučaju meri se otpor R = R(v), a u drugom slučaju struja

I = I(v). Kada je termoanemometar u stacionarnom toku fluida brzine v, uspostavlja se

ravnoteţa izmeĎu dovedene električne snage i toplotnog toka koji odvodi fluid:

(20.51)

gde je:

h [W/m2K] - koeficijent prelaza toplote

S [m2] - površina termootpornika

T [K] - temperatura površine termootpornika

Tf [K] - temperatura fluida

1.1.9 Senzori temperature

Temperatura je fizička veličina koja predstavlja stepen zagrejanosti nekog tela.

Prema drugom zakonu termodinamike, pri uzajamnom delovanju dva tela sa različitim

temperaturama, prelazi toplota sa tela sa višom temperaturom na telo sa niţom temperaturom.

Prelaţenje toplote vrši se kondukcijom, konvekcijom i radijacijom.

U praksi se koriste Farenhajtova, Reomirova, Termodinamička (Kelvinova) i

Celzijusova temperaturna skala. Veza izmeĎu temperature izraţene u kelvinima K i temperature

izraţene u stepenima Celzijusa oC je data relacijom:

T =273,15 + t K

Odavde je:

T = T - 273,15 oC

gde je:

50

t - temperatura izraţena u stepenima Celzijusa oC

T - temperatura izraţena u kelvinima K

Senzori temperature pretvaraju toplotnu energiju u neki drugi oblik energije, kojom se

moţe iskazati stepen zagrejanosti nekog tela. Postoji mnogo mernih pretvarača temperature

pomoću kojih se moţe ostvariti merenje temperature i njeno pretvaranja u električni signal, bilo

pomoću kontakata, bilo promenom otpornosti ili stvaranjem elektromotorne sile.

U merne pretvarače temperature spadaju:

- ţivini termometri,

- bimetalni merni pretvarači temperature,

- termoparovi,

- otpornički merni pretvarači temperature od metala,

- otpornički merni pretvarači temperature od poluprovodnika (termistori),

- optički pirometri,

- termografske kamere itd.

Merni pretvarači temperature mogu biti:

- kontaktni (ţivini termometri, bimetalni merni pretvarač temperature, termoparovi,

otpornički merni pretvarači temperature od metala, otpornički merni pretvarači

temperature od poluprovodnika (termistori) i sl.), rade na principu toplotne

ravnoteţe izmeĎu njih i objekta čija se temperatura ţeli meriti, zbog čega je za tačno

merenje temperature neophodno ostvariti njihov dobar kontakt sa objektom ili

sredinom, čija se temperatura meri.

- beskontaktni (optički pirometri, termografske kamere, radijacioni pirometari,

termometarski pištolji itd.), rade na principu merenja energije toplotnog zračenja,

koja se emituje sa posmatranog objekta. Njihova primena ne zahteva prekid niti

ometanje normalnog rada postrojenja ili sistema. Pogodni su za ocenu tehničkog

stanja nekog sistema, naročito termografske kamere koje daju sliku raspodele

temperaturnog polja.

- indikatorski (boje, temperaturne krede, papir i sl.), rade na principu topljenja

materijala ili promene boje pri odreĎenim temperaturama.

1.1.9.1 Živini termometri

Ţivini termometri, slika 5.1., rade na principu širenja ţive kada se zagreva i skupljanja

kada se hladi. Zavisnost zapremine ţive od temperature data je relacijom:

Vt = V0(1 + αt)

gde je:

V0 – zapremina ţive na temperaturi 0oC,

Vt – zapremina ţive na merenoj temperaturi t

α – temperaturni koeficijent širenja ţive

51

Slika 5.1. Ţivin termometar

Zapreminski koeficijent širenja ţive je 0,00018 1/oC. Donja granica mernog opsega

odreĎena je tačkom mrţnjenja (-38,8oC), a gornja tačkom ključanja ţive (357

oC). Pored ţive,

upotrebljava se još i toluol, etil-alkohol, pentan itd. Merni opseg je tada znatno manji (kreće se

od 150 do 300oC), ali je u principu donja granica mernog područja niţa, na primer, kod pentana

čak -200oC.

1.1.9.2 Bimetalni senzori temperature

Bimetalni senzori rade na principu izduţenja (povećanja dimenzija) čvrstog tela sa

porastom temperature. U odreĎenom temperaturnom intervalu zavisnost duţine tela od

temperature pribliţno je linearna:

lt = l0(1 + αt)

gde je:

l0 - duţina na temperaturi 0oC,

lt - duţina na merenoj temperaturi t

α – temperaturni koeficijent izduţenja (linearnog širenja - diletacije) tvrdog tela

Bimetalni merni pretvarači se prave u obliku trake, spirale ili helikoide od dva sloja

različitih metala, na primer invar-mesing, invar-čelik itd, slika 5.2. Zbog različitih koeficijenata

izduţenja (linearnog širenja) pri porastu temperature bimetalna traka se savija na stranu metala

sa manjim koeficijentom izduţenja (linearnog širenja).

Slika 5.2. Bimetalni senzor temperature

52

Bimetalni merni pretvarači temperature se obično prave od bakra (α=15,3⋅10-6

1/o

C),

mesinga (α=18,3⋅10-6

− 23,6⋅10-6

1/oC), legure ţeleza (64%) i nikla (36%) – invara (α=0,9⋅10

-6

1/oC) itd. Merna područja mernih pretvarača od navedenih metala su: 0-150

oC, 0-400

oC,

odnosno, 0-200 oC, rezolucija im je do 0,1

oC, a tipična tačnost u mernom opsegu ± 1,5-25%.

1.1.9.3 Termoparovi

Termopar se sastoji od dva provodnika od različitih materijala, slika 5.3.

Slika 5.3. Termopar

Ako se krajevi dva provodnika od različitih materijala spoje u jednu tačku, i ta tačka se

podvrgne temperaturi T2 napon na slobodnim krajevima termopara koji nastaje kao rezultat

temperaturne razlike toplog i hladnog kraja, naziva se termoelektrični napon UAB:

UAB = α(T2-T1)

gde je:

UAB - Zebekov napon

α[µV/K] - Zebekova konstanta, koja zavisi od karakteristika dva provodnika

Efekat pojave termoelektričnog napona poznat je pod nazivom Zebekov termoelektrični

efekat.

Zebekov efekat, je pojava generisanja elektromotorne sile u kolu sa dva metala, pri

čemu su temperature spojeva različite.

Termoparovi rade na principu zavisnosti termoelektromotorne sile termopara od razlike

temperatura toplog i hladnog kraja termopara.

Termoparovi sluţe za merenje temperatura od -200oC do +1600

oC.

Termoelementi obezbeĎuju lokalnu indukciju (termometri) ili kontrolišu odreĎenu

funkciju temperature (termostati), a glavni uslov je da se ostvari dobar termički kontakt, bilo da

se merni pretvarač utisne u površinu ili uroni u fluid.

Svi termoelementi prave se na isti način: dve ţice od termoelektričnog materijala spoje

se na toplom kraju i zaštite keramičkim izolacionim materijalom i metalnim oklopom (slika

5.4).

53

Slika 5.4. Izgled standardnog industrijskog termopara

Termparovi se se izraĎuju od:

- platina + 13% rodijum/platina,

- platina + 10% rodijum/platina,

- platina + 30% rodijum/platina + 6% rodijum,

- gvoţĎe/bakar + nikl,

- bakar/bakar + nikl,

- nikl + hrom/bakar + nikl,

- nikl + hrom/nikl + aluminijum itd.

Kada su krajevi provodnika na različitim temperaturama T2 > T1 izmeĎu njih nastaje

toplotni tok od toplijeg prema hladnijem kraju (slika 21.3).

Slika 21.3. Nastanak termoelektričnog napona

Napon koji nastaje kao rezultat temperaturne razlike T2 - T1 izmeĎu krajeva posmatranog

provodnika naziva se termoelektrični napon, a njegova vrednost dobija se integracijom

jednačine (21.14):

gde je:

K =-(KT/Ke) - termoelektrični koeficijent koji zavisi od materijala od kojeg je izraĎen

provodnik

Za male promene temperature moţe se smatrati da je:

UT2 - UT1 = K(T2 - T1) (21.16)

Struja ne moţe da se zatvori kroz jedan provodnik duţ kojeg se dovodi toplota.

Neophodno je zatvoreno termoelektrično kolo od dva različita provodnika A i B sa

termoelektričnim konstantama KA i KB (slika 21.4).

54

Slika 21.4. Termoelektrični efekt: b) zatvoreno termoelektrično kolo

Spojevi su na temperaturama T1 i T2, pa će svaki provodnik postati izvor

termoelektričnog napona. Ako se kolo prekine u centru prvog spoja (slika 21.5), dobija se

napon na otvorenim krajevima:

UAB=K(T2-T1)

Slika 21.5. Termoelektrični efekt: c) otvoreno termoelektrično kolo sa dva

1.1.9.4 Otpornički senzori temperature od metala

Otpornički senzori temperature od metala rade na principu porasta električnog otpora

metalnih otpornika sa porastom temperature. Mere temperature od -268oC do 1064

oC. Senzori

temperature koji rade na ovom principu često se označavaju akronimom RTD (Resistance

Temperature Detector). Otpornički senzori od metala prave se u obliku kalema, po pravilu sa

bifilarnim navojima, slika 5.5 i slika 5.6.

Slika 5.5. Ţičana spirala

Slika 5.6. Izgled otporničkog mernog pretvarača temperature od metala

55

Zavisnost otpornosti metalnog otpornika od temperature data je relacijom:

Rt =R0(1+αt)

gde je:

R0 - otpor na temperaturi t=0oC

Rt - otpor na merenoj temperaturi t

α - temperaturni koeficijent otpora

Statičke karakteristike mernih pretvarača temperature od platine, bakra i nikla prikazane

su na slici 5.7:

Slika 5.7. Statičke karakteristike mernih pretvarača temperature od platine, bakra i nikla

Otpornički senzor temperature od platine, slika 5.8., se koristi za merenje temperature u

opsegu od −260oC do 650

oC (maksimalno do 1500

oC) sa tačnošću od ±0,2%. Platina je najbolji

materijal za izradu otporničkih mernih presenzora temperature od metala, jer se moţe dobiti sa

čistoćom do 99,999%, hemijski je neutralna, ima linearni temperaturni koeficijent otpora

(α=0,00392 1/oC).

Slika 5.8. Konstrukcija otporničkog senzora temperature od platine

1.1.9.5 Otpornički senzori temperature od poluprovodnika (termistori)

Termistori rade na principu promene otpornosti poluprovodnika sa promenom

temperature. Koriste se za merenje temperature od -100oC do +180

oC.

Termistor je temperaturno osetljivi otpornik, koji se pravi od čistog germanijuma,

oksida metala hroma, kobalta, ţeljeza, nikla i drugih. Promena otpora sa promenom temperature

izrazito je nelinearna i u širem temperaturnom opsegu (od -50oC do 100

oC) moţe se opisati

jednačinom:

56

gde je:

T - temperatura u K

A, b i B - konstante zavise od vrste materijala i konstrukcije termistora

Za termistore je promena otpora u istom temperaturnom intervalu čak 10–70 puta veća

od njihove nominalne vrednosti (slika 5.9).

Slika 5.9. Statičke karakteristike termistora

Osetljivost termistora označava se kao temperaturni koeficijent otpornosti α.

Kod većine termistora otpornost opada sa porastom temperature, što znači da je njihov

temperaturni koeficijent otpornosti negativan. Takvi termistori se nazivaju NTC-termistori

(Negative Temperature Coefficient). MeĎutim, kod nekih termistora temperaturni koeficijent

otpornosti moţe biti pozitivan. Takvi termistori se nazivaju PTC-termistori (Positive

Temperature Coefficient).

Na strmom delu karakteristike osetljivost je izrazito velika, što je dobro za uključivanje

ili isključivanje u odnosu na kritičnu temperaturu. Termistori najčešće imaju oblik diska,

prstena ili cilindra (slika 5.10.

Slika 5.10. Izgled termistora

57

1.1.9.6 Optički pirometri

Optički pirometri rade na principu da svako telo na temperaturi iznad apsolutne nule

zrači toplotnu energiju koja je srazmerna ukupnoj temperaturi tog tela i koja se moţe izborom

odgovarajućeg detektora precizno izmeriti i pretvoriti u informaciju o temperaturi, slika 5.11.

Optički pirometar koristi fenomen da se nevidljivo zračenje na temperaturama iznad 500°C

pretvara u vidljive učestalosti.

Slika 5.11. Optički pirometar

U slučajevima gde je nemoguće obezbediti direktan kontakt sa objektom čija se

temperatura meri, bilo zbog toga što se on kreće ili zato što je pod visokim naponom ili je iz

drugih razloga nepristupačan, kao i tamo gde je prenos toplote sa kontrolisanog medija na merni

pretvarač (npr. termoelektrični) loš, pirometri su idealano, a često i jedino rešenje.

1.1.9.7 Termografske kamere

Termografija je metoda beskontaktnog merenja temperature površine objekta,

snimanjem infracrvenog spektra zračenja površine. Svaki objekat sa svoje površine odaje

toplotnu energiju infracrvenim zračenjem čija talasna duţina zavisi od temperature objekta.

Termografska kamera, slika 5.12., je ureĎaj koji omogućava da se snimi zračenje sa površine

nekog objekta i prikaţe u čoveku vidljivom (optičkom) spektru. Jednostavno rečeno,

termografija omogućava da se sazna, te vizuelno prikaţe temperatura objekta bez potrebe za

kontaktnim merenjem.

Slika 5.12. Termografska kamera marke FLIR Therma CAM SC640

Zahvaljujući okolnosti da se termografske kontrole izvode bez uticaja na rad pogona i

činjenici da se radi o ureĎajima sa velikom osetljivošću neispravnosti na tehničkim sistemima

se mogu otkriti u ranoj fazi nastanka, čime se stvaraju mogućnosti da se pravovremenim

preduzimanjem odgovarajućih aktivnosti odrţavanja spreči pojava otkaza. Vrednosti

temperature - njena visina, raspodela ili odstupanje od normalne vrednosti, daju mogućnosti za

ocenu stanja tehničkih sistema, slika 5.13.

Praćenjem temperature moţe se oceniti termičko stanje tehničkog sistema, što

omogućava blagovremeno pronalaţenje neispravnih delova na tehničkom sistemu i sprečavanje

teţih otkaza. Istovremeno se dobijaju i veoma vaţni podaci za statističku analizu, procenu

kvaliteta, postojanost sistema, kao i potrebno vreme za aktivnosti odrţavanja.

58

Neprekidno se moţe vršiti praćenje termičkog stanja sloţenih i za proces proizvodnje

vaţnih tehničkih sistema, čiji otkaz moţe izazvati značajne smetnje u eksploataciji.

Termografija se nezamenljivo potvrdila i našla svoju primenu u svakodnevnoj praksi u:

industriji čelika, cementa i sličnim industrijama, postoje brojni postupci koji su vezani za

stvaranje, očuvanje i distribuciju toplotne energije, a mnogi procesi delovanja rada i kontrole

vezani za temperaturu. Primenjuje se u energetici, graĎevinarstvu, ali i u zdravstvu, veterini,

razvoju, nauci i drugim oblastima.

Otkrivanje promena u provoĎenju toplote kroz ili van nekog aparata, izazvane

neispravnim radom samog aparata ili stvaranje barijera u provodnim delovima su jedan od

ciljeva praćenja temperature.

Slika 5.43. Fotografska i termografska slika provodnih izolatora transformatora na 10 kV

strani

Slika 7.18. Fotografski i termografski snimak razvodnog ormara sa osiguračem koji se

prekomerno zagrejao

Slika 5.13. Fotografska i termografska slika elektromotora, koja omogućava ocenu stanja

elektromotora

59

2. AKTUATORI (IZVRŠNI ORGANI)

Aktuator (izvršni organ), je element koji na osnovu regulacionog signala u(t) koga

generiše regulator daje postavnu veličinu u1(t) koja direktno deluje (utiče) na objekat regulacije

tako da signal greške svede na nulu. U američkoj literaturi izvršni organ se najčešće naziva

aktuator (actuator).

Izvršni organi (aktuatori) su ureĎaji koji generišu akciju (npr. pomeraj) na račun energije

koja im se dovede na ulaz. Oni pretvaraju električnu energiju ili energiju fluida (npr. energiju

komprimovanog vazduha ili ulja pod pritiskom) u mehaničke izlaze, kao što su: pomeraj, sila,

moment itd., čime ostvaruju povratni uticaj na objekat regulacije. Aktiviranje izvršnog organa

se ostvaruje standardnim strujnim signalima (4-20 mA), standardnim naponskim signalima (0-

10 V, 24 V) ili standardnim hidrauličnim i pneumatskim signalima.

Izvršni organi (aktuatori) se u automatizovanim proizvodnim procesima koriste za

pokretanje: pokretnih linija, rotacionih stolova, manipulatora, robota, kompleksnih sistema koji

su sastavljeni od niza automatizovanih mašina itd.

Izvršni organi se sastoje od, slika 7.1:

- pogonskog ureĎaja (PU), koji izlaznu veličinu regulatora pretvara u mehaničku

snagu za pokretanje izvršnog ureĎaja (to su: elektromotori, pneumatski i hidraulički

motori, solenoidi, servomotori itd.). Npr. pogonski ureĎaj je neki elektromotor koji

pokreće neki ventil kao izvršni ureĎaj. Prilikom izbora izvršnih organa posebnu

paţnju treba obratiti na karakteristike pogonskih ureĎaja, koji mogu da prave velika

kašnjenja i druga nepovoljna dejstva.

- izvršnog (mehaničkog) ureĎaja (IU), koji direktno deluje na tok mase ili energije u

objektu regulacije (to su: ventili, klapne, zasuni, zaklopke, zatvarači itd.).

Slika 7.1. Šema izvršnog organa

S obzirom na to koja se vrsta energije koristi za pogon pogonskih ureĎaja izvršni organi

(akuatori) se dele na:

- električne, koriste električnu energiju (to su: motori jednosmerne struje, motori

naizmenične struje, univerzalni motori, koračni motori, linearni motori,

elektromagneti, piezoelektrični, magnetostriktivni, elektrohemijski, termalni,

memorijskometalni, tranzistorska i tiristorska pojačala itd.),

- mehaničke, koriste mehaničku energiju

- hidraulične, koriste energiju ulja pod pritiskom (to su: cilindri, motori, ventili itd.),

i

- pneumatske, koriste energiju komprimovanog vazduh (to su: cilindri, motori,

ventili itd.),

- i njihove kombinacije

S obzirom na način kretanja postoje:

60

- rotacioni i

- linearni aktuatori.

1. Rotacion aktuatori

Rotacioni aktuatori su pogonski ureĎaji izvršnih organa koji neposredno ostvaruju

rotaciono kretanje. Rotacioni aktuatori su ustvari rotacioni motori (elektromotori, hidraulički i

pneumatski motori). Koriste se na svim mestima gde se javlja potreba za nekim vidom

rotacionog kretanja.

2. Linearni aktuatori

Linearni aktuatori su pogonski ureĎaji izvršnih organa koji neposredno ili posredno

ostvaruju pravolinijsko kretanje. Koriste se na svim mestima gde se javlja potreba za nekim

vidom linearnog kretanja, kao što su: alatne i industrijske mašine, CNC mašine (eng. computer

numerical control), automatizovane linije, manipulatori, računarske periferije (kao što su: CD

rom (Compact Disk Rom), hard disk, štampač), kućna automatizacija, automatizovan klizna

vrata, klizne kapije, liftove, električni ili pneumatski podizači prozora, itd.

Linearni aktuatori se prema načinu izvedbe dele na:

- indirektne linearne aktuatore, koji neki drugi vid kretanja, primenom pretvarača,

pretvaraju u pravolinijsko kretanje i

- direktne linearne aktuatore, koji direktno proizvode linearno kretanje.

a) Indirektni linearni aktuatori

Primenom indirektnih linearnih aktuatora moguće je dobiti linearno kretanje

pretvaranjem drugih vidova kretanja, kao što je npr. rotaciono kretanje, u linearno upotrebom

mehaničkih prenosnika. Indirektni linearni aktuatori kao pogonski ureĎaj mogu da koriste

rotacioni elektromotor, a linearno kretanje se dobija indirektno korišćenjem nekog mehaničkog

prenosnika.

Konstrukcijski gledano, ovi aktuatori su komplikovaniji od direktnih linearnih pogona.

Indirektni linearni aktuatori se nazivaju i mehaničkim linearnim aktuatorima jer se zapravo

linearno mehaničko kretanje postiţe upotrebom mehaničkog prenosnika, npr. navojnog vretena,

kaiša, zupčanika itd.

b) Direktni linearni aktuatori

Konstrukcija direktnih linearnih aktuatora je mnogo jednostavnija od konstrukcije

indirektnih jer nemaju pretvaračkog dela, nego se na izlazu aktuatora odmah dobija linearno

kretanje. U ovaj tip aktuatora svrstavaju se linearni električni motori, piezoelektrični pogoni,

hidraulični i pneumatski cilindri.

Tipični primeri direktnih linearnih aktuatora su hidraulični i pneumatski cilindri koji se

koriste za direktno generisanje linearnog kretanja korišćenjem energije uskladištene unutar

fluida ili gasa pod pritiskom. Kod ovih aktuatora se utroškom energije koja pokreće aktuator

dobija linearni pomeraj bez korišćenja dodatnih mehaničkih prenosnika kretanja.

Pored konvencionalnih direktnih linearnih aktuatora kao što su hidraulični i pneumatski

cilindri, treba pomenuti i piezoelektrične aktuatore, kao i linearne električne motore koji svojim

jednostavnim dizajnom, i mogućnošću postizanja velikih brzina, ubrzanja i velike preciznosti

pariraju ostalim linearnim aktuatorima.

61

2.1 Električni aktuatori

Električni aktuatori pretvaraju električnu energiju (koju definišu struja i napon) u

mehaničko kretanje (koje definišu moment i ugaona brzina).

Ako radni mehanizam treba da vrši linearno (translatorno) kretanje onda se koristi puţni

prenos ili zupčasta letva koji pretvaraju rotaciono u linearno (translatorno) kretanje. Kod

linearnih elektromotora nije potreban mehanički prenos izmeĎu motora i radnog mehanizma.

Elektromotori uglavnom rade na pricipu elektromagnetne indukcije, ali postoje druge

vrste elektromotora koji koriste druge elektromehaničke fenomene (elektrostatička sila i

piezoelektrični efekat).

S obzirom na princip rada elektromotori se dele na:

- motore jednosmerne struje - DC (direct current) motore, koji mogu biti:

o motori jednosmerne struje sa četkicama i

o motori jednosmerne struje bez četkica.

- motore naizmenične struje - AC (alternate current) motore, koji mogu biti:

o sinhroni motori i

o asinhroni motori.

- univerzalne motore,

- koračne (step) motore i

- linearne električne motore.

2.1.1 Motori jednosmerne struje (DC motori)

Motori jednosmerne struje - DC (direct current) motori, su električne mašine koje

pretvaraju jednosmernu struju električne energije u mehaničku energiju. Dobijena mehanička

energija je u obliku rotacionog kretanja, koje se kasnije korišćenjem raznih mehaničkih

prenosnika moţe transformisati u druge tipove pomeranja. Motori jednosmerne struje mogu

biti:

- sa četkicama i

- bez četkica.

1. Motori jednosmerne struje sa četkicama

Motori jednosmerne struje sa četkicama - BDC (Brushed DC) motori, su osnovna

izvedba motora jednosmerne struje. Osnovne komponente motora jednosmerne struje sa

četkicama su: stator (mirujući deo), rotor (obrtni deo), komutator (kolektor) i četkice.

62

Slika 7.2. Motor jednosmerne struje sa četkicama

Nedostaci motora jednosmerne struje sa četkicama su mali obrtni moment motora i

trošenje komutatora i četkica usled varničenja pri uključenju i prekidanju strujnog kola. Zamena

komutatora na velikim motorima je veoma skupa i zahteva preciznu demontaţu i montaţu

velikog broja sitnih delova. Kod malih motora je komutator obično integrisan sa rotorom, pa se

u tom slučaju umesto komutatora menja ceo motor.

2. Motori jednosmerne struje bez četkica

Motori jednosmerne struje bez četkica - BLDC (Brushless DC) motori, sve više

zamenjuju motore jednosmerne struje sa četkicama zbog mnogo veće efikasnosti iskorišćenja

rada motora (faktor korisnog dejstva iznosi i do 95%), bolje karakteristike obrtnog momenta,

mogućnosti rada na mnogo većim brzinama okretanja i duţem radnom veku. Ovi motori mogu

da se koriste i u sredinama u kojima postoje zapaljiva isparenja, jer nema varničenja pri radu i

vrlo su tihi.

Naziv bezkolektorski motor jednosmerne struje (BLDC) upućuje na to da je funkcija

kolektora s četkicama (mehanički komutator) zamenjena sa energetskim pretvaračem s mernim

članom poloţaja rotora (elektroničkim komutatorom). Zbog toga je naziv elektronički

komutovani motor (EKM) često upotrebljivan naziv, za ovakav motor, u stranoj pa i domaćoj

literaturi (engl. Electronically Commutated Motor). Konstrukcija BLDC motora prikazana je sa

slici 7.3.

Slika 7.3. Elektronički komutovani motor EKM

2.1.2 Motori naizmenične struje (AC motori)

Motori naizmenične struje - AC (alternating current) motori, se napajaju naizmeničnom

električnom energijom koju pretvaraju u rotaciono mehaničko kretanje.

Motori naizmenične struje se dele na:

63

- sinhrone

- i asinhrone (indukcione).

2.1.2.1 Sinhroni motori

Sinhroni motor ima trofazne namotaje na statoru dok je rotor ili u obliku stalnog

magneta ili u obliku namotaja napajanih jednosmernom strujom. U savremenim servosistemima

se, po pravilu, sreću motori sa stalnim magnetima.

Slika 7.4. Princip rada sinhronog motora

Stator sa trofaznom strujom stvara u motoru obrtno magnetno polje sinhrone brzine ns .

Ovo polje deluje na polove stalnog magneta stvarajući momenat oko osovine motora. Rotor će

se obrtati istom brzinom kao i polje ns ali će zaostajati za odreĎeni ugao δ koji je utoliko veći

ukoliko je veće opterećenje na osovini motora.

Brzina obrtanja rotora u minuti se odreĎuje po jednačini (7), po kojoj je brzina obrtanja

rotora jednaka brzini obrtnog (Teslinog) elektromagnetnog polja. Iz ove zavisnosti potiče i sam

naziv sinhrone mašine.

Brzina obrtanja rotora se računa po jednačini:

(7.1)

gde je:

- brzina obrtanja rotora

- frekvencija statorskih struja

- broj pari polova

2.1.2.2 Asinhroni motori

Asinhroni motori su od Teslinog pronalaska 1887. godine, do danas, jedni od

najvaţnijih pogonskih motora u industrijskim i drugim primenama u pogonima konstantne

brzine.

Osnovni elementi asinhronih motora su stator i rotor. Stator se sastoji iz magnetnog kola

i namotaja. Magnetno kolo je napravljeno od tankih i meĎusobno izolovanih feromagnetnih

limova, koji su po unutrašnjoj strani oţlebljeni. U ţlebove statora je smešten pobudni namotaj.

Namotaj je trofazni, spregnut u zvezdu ili trougao. Počeci i krajevi statorskih namotaja su

izvedeni u priključnu kutiju mašine. Ceo stator se stavlja u kućište mašine, koje je kod manjih

mašina obično izliveno od aluminijuma ili livenog gvoţĎa. Spoljašnji deo kućišta je sa rebrima

64

radi povećanja površine hlaĎenja. Na vratilo motora je ugraĎen ventilator koji pomaţe u

odvoĎenju toplote sa površine kućišta. Rotor se sastoji od magnetnog kola i namotaja.

Magnetno kolo je izraĎeno od tankih i meĎusobno izolovanih feromagnetnih limova,

oţlebljenih po spoljašnjoj strani. U ove ţlebove je smešten namotaj rotora.

S obzirom na izvedbu namotaja rotora asinhroni motori se dele na:

- asinhrone motore sa kaveznim (kratkospojenim) rotorom i

- asinhrone motore sa namotanim rotorom (sa kliznim prstenovima).

2.1.3 Univerzalni motori

Univerzalni motori su motori jednosmerne struje sa rednom pobudom koji mogu da rade

i na jednosmernu i na naizmeničnu struju. Princip rada im je isti kao i motora jednosmerne

struje, ali u pogledu konstrukciji se razlikuju od njih, jer su dosta prostiji.

U principu se motori jednosmerne struje mogu priključiti na naizmeničnu mreţu i oni će

imati iste fizičke osobine kao da su priključeni na jednosmernu mreţu, ali je zato potrebno da

kompletno magnetno kolo (statora i rotora) bude napravljeno od tankih feromagnetnih limova,

kako bi se smanjili gubici uzrokovani vrtloţnim strujama koje se javljaju kod mašina

naizmenične struje.

Slika 7.5. Izgled (levo) i magnetno kolo univerzalnog motora (desno)

Prednosti univerzalnih motora su: malih su dimenzija i mogu postići visok broj obrtaja.

Zbog male cene, dobrih pogonskih karakteristika i jednostavnog odrţavanja univerzalni

motori se koriste u elektromotornim pogonima i u električnim aparatima u domaćinstvima.

Primenjuju se za pokretanje ručnih bušilica, usisivača, miksera, mlinova za kafu, ventilatora itd.

IzraĎuju se za snage do oko 1 kW i za brzine obrtanja preko 10.000 ob/min za ručne alate i

druge ručne elektromotorne ureĎaje, oko 15.000 ob/min i više za usisivače i miksere, te oko

30.000 ob/min za mlinove za kafu.

2.1.4 Koračni (step) motori

Koračni (step) motori (engl. stepper motors), su mašine koje pretvaraju električne

impulse u mehaničko obrtanje, gde svaki električni impuls (takt) dovodi do zakretanja motora

za odreĎeni fiksni ugaoni pomeraj. Pri malim brzinama okretanja, rotor se zaustavlja na svakom

koračnom poloţaju. Najčešće ih pokreće jednosmerna struja, ali postoje slučajevi gde se koriste

step motori koje pokreće naizmenična struja. Ovi motori se koriste u aplikacijama kod kojih je

precizno pozicioniranje od velikog značaja, kao što su, na primer: precizne računarski voĎene

mašine, roboti, medicinska oprema, računarske periferije, kao i stariji modeli računarskih

diskova.

65

Naziv koračni motori dolazi otuda što se kreću u vidu niza diskretnih uglova pomeraja -

koraka. Kako se brojem ovih koraka moţe upravljati, to na taj način ostvarujemo i upravljanje

poloţajem i nije potrebna povratna sprega. Zato kaţemo da se ovi motori koriste u otvorenoj

sprezi. S obzirom na to da se upravlja diskretnim pomeranjima, ovi motori su veoma pogodni

za sprezanje sa upravljačkim računarom.

Princip rada koračnih motora se moţe objasniti na osnovu slike 7.6. Kada se kroz

namotaje AA' propusti struja, tada kraj A postane juţni pol elektromagneta. Rotor sa stalnim

magnetom će se tada postaviti tako da mu severni pol (N) bude naspram tačke A. Ako se sada

struja propusti kroz namotaje BB', a ostavi se da teče kroz AA', tada će A i B biti juţni polovi.

Rotor će se sada obrnuti za 45° i postaviti tako da severni pol bude izmeĎu A i B. Sada se

isključuje struja u namotajima AA', pa će se rotor obrnuti još za 45° da bi severni pol bio

naspram tačke B. Ovakav postupak se nastavlja dok se rotor ne obrne za pun krug. Tako

dobijamo obrtanje rotora sa korakom koji iznosi 45°. Korak se moţe smanjiti povećavanjem

broja polova na statoru.

Slika 7.6. Koračni motor sa korakom od 45o

Step motori predstavljaju elektromotore bez komutatora pri čemu se svi namotaji nalaze

na statoru. Rotor moţe biti sa permanentnim magnetima ili blok zupčanika od mekog

magnetnog materijala (step motor sa promenljivom reluktansom). Primena otvorene

upravljačke petlje je uobičajena kod ove vrste motora, iako se kod novijih tipova step motora

koristi povratna sprega koja se ostvaruje upotrebom senzora (npr. rezolver ili enkoder).

1. Step motori sa permanentnim magnetom

Koračni motori sa permanentnim magnetom imaju radijalni rotor sa permanentnim

magnetom i višefazno izvedeni elektromagnetni stator. Uzastopnim uključivanjem ili

okretanjem smera struja pojedinih statorskih faza ili njihovih kombinacija po odreĎenom

redosledu, rezultantno magnetno polje statora skokovito se okreće u jednom ili drugom smeru.

Rotor sa permanentnim magnetom se postavlja u smeru rezultantnog statorskog polja i na taj

način se obavlja koračna rotacija.

2. Step motori promenljive reluktancije

Reluktantni koračni motori imaju nazubljeni višefazni namotani (lameliran) stator i

nazubljen višepolni rotor od mekog gvoţĎa koji nije trajno namagnetisan. Koračni ugao αk

zavisi od broja zuba statora i rotora, kao i od načina motanja statorskih namotaja (faza) i od

načina njihove pobude. Ovi motori imaju koračne uglove (uglove koraka) od 15°, mali moment

inercije rotora i veoma brz odziv, što za posledicu ima mali moment inercije radnog predmeta.

66

Princip funkcionisanja ove vrste motora identičan je principu funkcionisanja BLDC

motora (motora jednosmerne struje bez četkica). Prednost koračnih motora sa promenljivom

reluktansom u odnosu na BLDC motore je što koračni motori mogu dugo da stoje u nekom

poloţaju bez pregrevanja.

Okretanje rotora se postiţe napajanjem pojedinačnih namotaja statora, kada dolazi do

stvaranja magnetnih polova statora koji privlače metalne zube rotora, pri čemu se rotor pomera

za jedan korak. Naizmeničnim napajanjem namotaja statora dolazi do rotacije rotora (Slika 7.7).

Slika 7.7. Primer okretanja reluktantnog motora sa jednopaketnim statorom u smeru

kazaljke na satu

3. Hibridni step motori

Hibridni step motori su kombinacija step motora sa permanentnim magnetom i

promenljivom reluktansom. Sastoje se od nazubljenog statora sa namotajima i nazubljenog

metalnog rotora sa permanentnim magnetima. Na ovaj način se postiţu dobra svojstva

promenljive reluktanse i permanentnog magnetnog polja. Zubi su najčešće istoimeni

permanentni magneti a ponekad su i bez pobude.

Ovaj tip koračnih motora je najprecizniji i sa najboljim performansama, od pomenute tri

vrste, ali je i najskuplji. Ovi motori ostvaruju manje koračne uglove (uglove koraka) i odlični

su za primenu u aplikacijama gde je potreban visok stepen ponovljivosti, veliki moment i

brzine, a male gabaritne dimenzije motora.

2.1.5 Linearni električni motori

Linearni električni motor je tako izveden da ima razmotan stator i umesto rotora

poseduje klizač koji klizi iznad statora, tako da umesto obrtnog momenta (rotacije) proizvodi

silu duţ svoje duţine (pravolinijsko kretanje). Rotor rotacionog motora se obrće oko svoje ose i

stalno koristi iste statorske polove, dok se kod linearnog motora statorski namotaji postavljaju

duţinom konzole statora. Statorska konzola teoretski moţe da bude beskonačno dugačka, kao

što je slučaj kod elektromagnetnih brzih pruga koje koriste ovaj način za proizvodnju linearnog

kretanja za pokretanje kompozicije voza. Pošto linearni motor u praktičnoj realizaciji uglavnom

ima ograničenu duţinu statora, na krajevima hoda javljaju se ivični efekti (eng. end-effect).

Princip rada linearnih motora zasniva se na delovanju elektrodinamičke sile

(Lorencovom zakonu). Lorencov zakon, odreĎuje silu koja deluje na pokretna naelektrisanja

(struju) u magnetnom polju.

Na slici 7.8. je prikazan presek linearnog motora koji se sastoji od reakcione ploče

(rotora) koja je na klizaču i sadrţi niz permanentnih (stalnih) magneta sa jedne strane i statora

67

sa namotajima koji stvaraju elektromagnetno polje sa druge strane. Reakciona ploča klizi

(„leti“) iznad statorske konzole usled delovanja stalnog magnetnog polja reakcione ploče

(rotora) i magnetnog polja stvorenog pomoću statorskih namotaja. Poloţaj klizača se kontroliše

promenom električne struje kroz statorske namotaje. Princip rada je sličan principu rada

rotacionih motora bez četkica. Ova konfiguracija dozvoljava da se na statorskoj konzoli

istovremeno pokreće više nezavisnih reakcionih ploča (rotora), naravno ukoliko je to podrţano

od strane upravljačkog sistema koji kontroliše statorske namotaje.

Slika 7.8. Presek linearnog motora sa permanentnim magnetima u reakcionoj ploči

2.2 Mehanički aktuatori

Pretvaranje rotacionog kretanja u linearno (pravolinijsko) vrši se posredstvom

mehaničkih prenosnika. S obzirom na konstrukciju mehanički prenosnici za pretvaranje

rotacionog kretanja u linearno se mogu podeliti na:

1. mehaničke prenosnike sa navojnim vretenom i navrtkom,

2. mehaničke prenosnike sa zupčanikom i zupčastom letvom i

3. mehaničke prenosnike sa remenim kaišem i remenicom (sajlom i koturom ili lancem i

lančanikom).

1. Mehanički prenosnik sa navojnim vretenom i navrtkom

Mehanički prenosnici koji rotaciono kretanje pretvaraju u pravolinijsko posredstvom

navojnog vretena i navrtke su jedni od najpreciznijih ali i najsporijih mehaničkih prenosnika.

Na slici 7.9. je prikazan primer mehaničkog prenosnika sa navojnim vretenom i

navrtkom. Elektromotor, ili drugi aktuator koji proizvodi rotaciono kretanje, je preko spojnice

pričvršćen za navojno vreteno koje se obrće oko svoje ose. Navojno vreteno je na svojim

krajevima uleţišteno, uglavnom kotrljajućim leţajevima, koji onemogućavaju uzduţno

pomeranje. Na navojno vreteno je navrnuta specijalna navrtka koja je u sklopu sa klizačem koji

treba da vrši translatorno kretanje.

68

Slika 7.9. Mehanički prenosnik sa navojnim vretenom i navrtkom

2. Mehanički prenosnik sa zupčanikom i zupčastom letvom

Mehanički prenosnici koji rotaciono kretanje pretvaraju u pravolinijsko posredstvom

zupčanika i zupčaste letve su manje precizni od mehaničkih prenosnika sa navojnim vretenom i

navrtkom, ali obezbeĎuju veću brzinu lineranog kretanja na istom broju obrtaja motora koji

sluţi kao pogonski element.

Na slici 7.10 je prikazana mehanički prenosnik sa zupčanikom i zupčastom letvom. Na

vratilo elektromotora koji proizvodi rotaciono kretanje pričvršćen je zupčanik koji se obrće

zajedno sa vratilom elektromotora. Svojim obrtanjem zupčanik pomera zupčastu letvu levo-

desno u zavisnosti od smera rotacije. Zupčasta letva je pričvršćena na klizač koji klizi po

linearnoj voĎici koja omogućava samo jedan stepen slobode kretanja, tako da se dobija linearno

kretanje uzduţ te voĎice.

Slika 7.10. Mehanički prenosnik sa zupčanikom i zupčastom letvom

3. Mehanički prenosnik sa remenim kaišem i remenicom (sajlom i koturom ili

lancem i lančanikom)

Mehanički prenosnici koji rotaciono kretanje pretvaraju u pravolinijsko posredstvom

remenog kaiša i remenice (sajle i kotura, ili lanca i lančanika) obezbeĎuju najveću brzinu

lineranog kretanja, na istom broju obrtaja motora koji sluţi kao pogonski element, od sva tri

tipa mehaničkih prenosnika. Princip rada ove tri kombinacije mehaničkih elemenata je isti,

samo što se koristi druga kombinacija elemenata.

Na slici 7.11. je prikazan prenosnik sa remenim kaišem i remenicom. Na vratilo na

kojem je pogonska remenica priključuje se izlazno vratilo aktuatora koji proizvodi rotaciono

kretanje. Ukoliko je potrebno smanjivati broj obrtaja rotacionog aktuatora, izmeĎu aktuatora i

remenice se dodaje dodatni reduktor obrtaja. Na pogonsku remenicu sa jedne strane i pasivnu

remenicu sa druge strane postavljen je remeni kaiš za koji je spojen klizač koji klizi na

linearnim voĎicama.

69

Slika 7.11. Skica mehaničkog prenosnika sa remenim kaišem i remenicom

2.3 Pneumatski aktuatori

Pneumatski sistem je skup meĎusobno povezanih pneumatskih komponenti, čiji je

zadatak da mehaničku energiju pretvori u pneumatsku energiju, a zatim tu energiju u

odgovarajući rad. U opštem slučaju, pneumatski sistem sastoji se od kompresorske stanice,

pripremne grupe za vazduh, upravljačkih i izvršnih komponenti. Rad pneumatskog sistema

sastoji se u tome što kompresor mehaničku energiju pretvara u pneumatsku energiju (sabijen

vazduh), koji se dovodi izvršnim elementima koji pneumatsku energiju pretvaraju u rad.

Slika 7.12. Princip rada pneumatskog sistema

Elementi pneumatskih sistema su:

- elementi za proizvodnju i razvod vazduha, osiguravaju potrebne količine vazduha

pod pritiskom (kompresor, rezervoar i razvod);

- elementi za pripremu vazduha, obavljaju pripremu vazduha što uključuje čišćenje,

podmazivanje i regulaciju pritiska (filter, zauljivač i regulator pritiska),

- upravljački elementi, upravljaju tokovima energije i informacija (ventili),

- izvršni elementi, snagu vazduha pretvaraju u mehanički rad (cilindri i motori);

- upravljačko-signalni elementi, dobavljaju informacije o stanju sistema (senzori i

indikatori);

- uomoćni elementi, ispunjavaju različite dodatne funkcije (priključne ploče,

prigušivači buke);

Prednosti pneumatskih sistema su:

- sirovina (okolni vazduh) je uvek i slobodno na raspolaganju,

70

- vazduh se moţe skladištiti i transportovati u rezervoarima,

- vazduh je neosetljiv na promenu temperature, radijaciju, magnetna i el. polja,

- sigurnost, jer vazduh nije eksplozivan niti zapaljiv,

- ne zagaĎuje okolinu,

- nema povratnih vodova (ispuštanje u atmosferu),

- neosetljivost elemenata na preopterećenje i vibracije,

- trajnost i robusnost pouzdanih elemenata,

- jednostavna ugradnja elemenata,

- jednostavno odrţavanje ureĎaja,

- lako se postiţe visoka brzina kretanja elemenata,

- visok stepen snage i mase elemenata itd.

Karakteristike pneumatskih sistema su:

- pritisak vazduha za napajanje je od 1-15 bara (uobičajeno 7 bara),

- pogonske temperature vazduha od -10 do 600C (maks. oko 200

0C),

- optimalna brzina strujanja vazduha 40 m/s,

- pomeranje elemenata – pravolinijsko i rotaciono,

- brzina cilindra – 1 do 2 m/s (maks. oko 10 m/s),

- maksimalna ostvariva sila oko 40 kN,

- maksimalna snaga oko 30 kW itd.

Pneumatski sklopovi i sistemi i grafički se predstavljaju pomoću pneumatskih šema,

koje se crtaju prema normi DIN/ISO 1219.

Neka pravila za crtanje simbola i šema:

- vod (cev za vazduh)

- spoj vodova

- rotaciona mašina

- ventil, izmenjivač

- mogućnost podešavanja

- sklop od više elemenata

- mimoilaţenje vodova

- upravljački vod

- vratilo, osovina

- zglob na poluzi

71

Pneumatski aktuatori sluţe za pretvaranje energije komprimovanog gasa (u najvećem

broju slučaja vazduha pod pritiskom) u mehaničku energiju, odnosno u linearno ili rotaciono

kretanje.

Pneumatski aktuatori imaju dobre karakteristike u aplikacijama gde je potrebno linearno

kretanje, naročito ako se iskoriste prednosti proporcionalne pneumatike. Ovi aktuatori su

jednostavne konstrukcije i lako se odrţavaju i imaju dobar odnos snaga/masa radnog predmeta

koji se pomera.

Za razliku od električ

. Kao i kod elektromotora, pneumatski aktuatori u

radu ne prljaju okolinu i mogu da deluju direktno na radni predmet. Vazduh je kompresibilan,

što znači da aktuator ne stoji uvek čvrsto u poziciji i moţe da postoji kašnjenje u odzivu, ovo je

jedan od nedostataka peumatskih aktuatora.

U pneumatske aktuatore spadaju:

- pneumatski cilindri,

- pneumatski motori i

- pneumatski ventili.

2.3.1 Pneumatski cilindri

Pneumatski cilindri sluţe za pretvaranje energije komprimovanog gasa u mehaničku

energiju, odnosno u pravolinijsko kretanje. Pneumatski cilindri se sastoje od pokretnih delova

(kao što su klip i klipnjača) i nepokretnih delova (kao što su kućište i priključci za pneumatska

creva koji sluţe za dovod/odvod pogonskog gasa).

Prema smeru delovanja dele se na:

- pneumatske cilindre jednosmernog i

- pneumatske cilindre dvosmernog dejstva.

1. Pneumatski cilindri jednosmernog dejstva

Kod pneumatskog cilindra jednosmernog dejstva, slika 7.13, vazduh pod pritiskom se

dovodi samo sa jedne strane klipa cilindra (postoji samo jedan priključak za dovod/odvod

vazduha u komoru cilindra). Posledica delovanja vazduha pod pritiskom samo sa jedne strane

klipa je da klip moţe ostvariti koristan rad samo pri kretanju u jednom smeru (tokom hoda za

koji koristi vazduh pod pritiskom), kretanje u suprotnom smeru (povratni hod, vraćanje u

početni poloţaj) klipa se ostvaruje dejstvom sile povratne opruge koja deluje sa druge strane

klipa, pri čemu priključak za dovod vazduha postaje priključak za odvod vazduha iz cilindra

(ispuštanje vazduha iz komore u atmosferu (spoljašnju sredinu)). Naime, kod pneumatskog

pogona, za razliku od hidrauličnog, radni fluid se ne vraća u rezervoar pa nema povratnog voda.

Sila opruge u cilindru je proračunata tako da se klip cilindra moţe vratiti u početni

poloţaj odgovarajućom brzinom, ali ne i da vrši neki rad. Hod cilindara jednosmernog dejstva

je ograničen zbog ograničenja u duţini opruge koja vraća klip u početni poloţaj. Sila kojom

deluje cilindar jednosmernog dejstva je odreĎena prečnikom njegovog klipa.

72

Sl. 7.13. Pneumatski cilindar jednosmernog dejstva

Slika 7.14. Poprečni presek pneumatskog cilindra jednosmernog dejstva i simbol

2. Pneumatski cilindri dvosmernog dejstva

Kod pneumatskog cilindra dvosmernog dejstva (slika 7.15), za razliku od pneumatskog

cilindra jednosmernog dejstva, vazduh pod pritiskom se dovodi sa obe strane klipa cilindra.

(postoje priključci za dovod/odvod vazduha sa obe strane klipa). Posledica delovanja vazduha

pod pritiskom sa obe strane klipa je da cilindar moţe ostvariti koristan rad u oba smera (i u

povratnom hodu). Za pokretanje klipa dovodi se vazduh pod pritiskom u komoru s jedne strane

klipa, pri čemu se istovremeno sa druge strane klipa ispušta vazduh iz komore u atmosferu.

Nosivost cilindra (sila kojom deluje) je odreĎena prečnikom klipa. Hod cilindra

dvosmenog dejstva je u teoriji neograničen, ali treba obratiti paţnju da ne bude preveliki, jer

zbog prevelike duţine klipnjače moţe doći do njenog savijanja (za velike hodove potrebno je

dodati voĎice za klipnjaču).

Sl. 7.15. Pneumatski cilindar dvosmernog dejstva

Slika 7.16. Poprečni presek cilindra dvosmernog dejstva i simbol

73

2.3.2 Pneumatski motori

Pemumatski motori sluţe za pretvaranje energije komprimovanog gasa u mehaničku

energiju, odnosno u rotaciono kretanje.

a) Obratnje u jednom smeru b) Obrtanje u oba smera

Slika 7.17. Simbol pneumatskog motora

Prema konstrukciji pneumatski motori se dele na:

1. pneumatske klipne motore,

2. pneumatske krilne (lamelne) motore,

3. pneumatske motore sa zupčanicima i

4. pneumatske turbine.

Pneumatski motori sluţe uglavnom za pogon radnih mašina (bušilica, brusilica i sl.).

Mogu biti konstantne ili promenljive brzine obrtanja.

1. Klipni pneumatski motori

Klipni pneumatski motori se koriste u procesima gde je potrebno ostvariti veliku snagu,

velik početni obrtni moment i preciznu kontrolu brzine. Dele se na radijalne i aksijalne motore.

Klipni motori mogu da imaju od dva do šest cilindara postavljenih aksijalno ili radijalno u

odnosu na kućište. Izlazni obrtni moment se dobija kada pritisak vazduha deluje na klipove koji

se kreću naizmenično unutar cilindara. Snaga koju moţe da razvije klipni motor zavisi od

ulaznog pritiska, broja klipova, površine klipa, hoda i brzine klipova. Faktori koji ograničavaju

brzinu su inercija pokretnih delova (što je veći problem kod radijalnih nego kod aksijalnih

pneumatskih motora) i dizajn ventila koji upravlja dovodom i odvodom vazduha pod pritiskom

u/iz cilindara. Radijalni i aksijalni klipni motori imaju manu, a to je da se moraju povremeno

podmazivati.

2. Krilni (lamelasti) pneumatski motori

Kod krilnih pneumatskih motora rotacioni element predstavlja rotor sa prorezima koji je

montiran na pogonsku osovinu. U svaki prorez je postavljen pravougaoni klip (krilce) koji

moţe slobodno da klizi unutar proreza. Rotor i krilca su zatvoreni unutar kućišta čija je

unutrašnja površina pomerena u odnosu na osu pogonske osovine. Kada se rotor okreće, krilca

teţe da izaĎu izvan proreza usled dejstva centrifugalne sile. Površina po kojoj se krilca kreću je

ograničena oblikom kućišta rotora. Ovaj motor funkcioniše na principu razlike površina. Kada

se vazduh pod pritiskom dovede na ulazni priključak, rasporeĎuje se jednako u svim pravcima.

Površina klipa na koju deluje vazduh utiče na smer rotacije rotora. Potencijalna energija

vazduha pod pritiskom prelazi u kinetičku energiju u obliku rotacionog kretanja i sile. Vazduh

čiji je pritisak umanjen izlazi u atmosferu. Osovina motora se povezuje sa ureĎajem koji

pogoni.

Krilini (lamelasti) pneumatski motor sastoji se od kućišta u kojemu je ekscentrično

smešten rotor s lamelama. Ulaskom vazduha on potiskuje lamelu što uzrokuje okretanje rotora.

Dolaskom na izlazni otvor vazduh izlazi, a u to vreme se puni nova komora i okretanje se

74

nastavlja. Brzina obrtanja se menja primicanjem i odmicanjem ose kućišta u odnosu na osu

rotora. Što je komora koja se puni veća, brzina obrtanja rotora je manja.

Slika 7.18. Krilni (lamelasti) pneumatski motor

3. Pneumatski motori sa zupčanicima

Kod motora sa zupčanicima, obrtni moment nastaje tako što vazduh pod pritiskom udara

u evolventu zuba dva meĎusobno uzupčena zupčanika, gde je jedan od njih čvrstom vezom

povezan sa osovinom motora. Ovi pneumatski motori se koriste kao pogonske mašine u

procesima gde je neophodno ostvariti veliku snagu u ograničenom prostoru, a pogodni su i za

rad u opasnim sredinama.

4. Pneumatske turbine

Turbine predstavljaju vrstu pneumatskih motora koji koriste vazduh koji udara u

lopatice turbine i polako pokreće osovinu motora. U toku rada vazduh visokog pritiska i male

brzine prolazi kroz mlaznicu stvarajući mlaz vazduha niskog pritiska i velike brzine. Mlaz

vahduha udara o rotor turbine stvarajući obrtni moment.

2.3.3 Pneumatski ventili

Pneumatski ventili sluţe za upravljanje (regulaciju) tokom kretanja vazduha pod

pritiskom. Prema funkciji koju obavljaju dele se na:

- pneumatske razvodnike,

- pneumatske nepovratne ventile,

- pneumatske ventile pritiska,

- pneumatske ventile protoka i

- pneumatske slavine.

1. Pneumatski razvodnici

Razvodnici predstavljaju vrstu ventila koji sluţe za usmeravanje toka vazduha pod

pritiskom izmeĎu komponenti pneumatskog sistema. Razlikuju se prema broju poloţaja,

priključaka, načinu aktiviranja i konstrukciji.

Simboli razvodnika koji se koriste u pneumatskim šemama prikazuju njihovu funkciju.

Kvadratni simbol predstavlja razvodnik pri čemu je broj kvadrata jednak broju poloţaja (stanja)

u kojem razvodnik moţe da se naĎe. Smer protoka vazduha pod pritiskom kroz razvodnik se

označava strelicama. Zatvoren vod se označava u obliku precrtanog voda.

75

Razvodnik moţe biti normalno otvoren (vazduh slobodno prolazi kroz razvodnik kada

on nije aktiviran odnosno kada se nalazi u početnom poloţaju) ili normalno zatvoren (vazduh

ne prolazi kroz razvodnik dok on ne bude aktiviran) u početnom poloţaju.

Slika 7.19. Klipni pneumatski razvodnik

Slika 7.20. Šema pneumatskog razvodnika i cilindra

2. Pneumatski nepovratni ventili

Nepovratni ventili predstavljaju ventile konstruisane tako da u jednom smeru propuštaju

vazduh pod pritiskom, dok u drugom ne. Zatvaranje ventila moţe da se ostvari kuglicom,

konusom, membranom. Nepovratni ventili mogu da se kombinuju sa prigušnim ventilima.

Slika 7.21. Nepovratni ventil sa mogućnošću mehaničkog otvaranja

3. Pneumatski ventili pritiska

Ventili pritiska se dele na regulatore pritiska, sigurnosne ventile i uslovno aktivirane

ventile. Regulatori pritiska sluţe da odrţe ţeljeni pritisak u sistemu. Ulazni pritisak mora biti

76

veći od ţeljenog pritiska na izlazu regulatora. Sigurnosni ventili osiguravaju da ne doĎe do

prekoračenja pritiska u sistemu. Ako ulazni pritisak poraste iznad podešene vrednosti, dovodni

vod se spaja sa odzračnim vodom u sigurnosnom ventilu sve dok se ulazni pritisak ne vrati

podešenu vrednost. Uslovno aktivirani ventili pritiska imaju istu kontrukciju kao sigurnosni

ventili, ali se koriste u sistemima gde je za funkcionisanje nekog elementa potreban propisani

pritisak.

4. Pneumatski ventili protoka

Ventili protoka se koriste za regulaciju brzine vazduha pod pritiskom. Postoje prigušni

ventili sa konstantnim i promenljivim prigušenjem.

5. Pneumatske slavine

Slavine predstavljaju vrstu ventila koji sluţi za potpuno zatvaranje protoka vazduha pod

pritiskom kroz sistem (npr. radi remonta sistema).

2.4 Hidraulički aktuatori

Zadaci hidrauličkog sistem su pretvaranje, prenos i upravljanje hidrauličkom

energijom. Osnovni elementi tog sistema su: pumpa, radni fluid, cevovod, upravljački elementi,

hidraulički motor.

Slika 7.22. Pretvaranje energije u hidrauličkom sistemu

Energija pumpe se prilagoĎava potrebnoj energiji motora prigušivanjem pritiska fluida

ili regulacijom protoka. Potreban je i pogon pumpe koji je obično elektromotor, a ponekad i

dizel motor (npr. kod graĎevinskih mašina).

Za prikazivanje hidrauličkih sistema koriste se hidrauličke šeme, koje su normirane

odgovarajućim standardnim simbolima (slično kao i kod pneumatike).

Na slici je prikazana hidraulička šema jednog jednostavnog sistema za pogon cilindra u

oba smera. Glavni razvodnik cilindra je tzv. 4/3 razvodnik koji se aktivira električki, a centriran

je oprugama. U centralnom poloţaju protok pumpe preusmerava se preko razvodnika nazad u

rezervoar ulja.

77

Slika 7.23.Šema hidrauličkog sistema

Zbog zaštite pumpe od prevelikog pritiska ugraĎuje se limiter pritiska. Nepovratni ventil

iza pumpe sprečava povratno strujanje ulja i pojavu preniskog pritiska. Filtar ulja postavlja se u

povratnu granu pre rezervoara, a paralelno njemu i nepovratni ventil. Nepovratni ventil proradi

pri odgovarajućem pritisku i na taj način štiti povratni vod od prevelikog pritiska zbog

začepljenja filtra. Kada razvodnik ima levi poloţaj klip cilindra ide u desno, a desni poloţaj

razvodnika znači da ulje pod poritiskom dolazi u desnu komoru cilindra i klip ide u levo.

Područja primene hidrauličnih sistema su:

- alatne mašine,

- graĎevinske i poljoprivredne mašine,

- drumska i šinska vozila,

- brodogradnja,

- avioindustrija,

- energetika,

- rudarstvo,

- vojna industrija itd.

Prednosti hidrauličkih sistema su:

- velike sile,

- velika gustina snage po zapremini,

- mala inercija,

- moguće pokretanje pod punim teretom;

- jednostavno i kontinualno podešavanje brzine, sile i momenta,

- moguće velike brzine,

78

- moguće ekstremno niske brzine,

- precizno pozicioniranje,

- jednostavna zaštita od preopterećenja,

- mogućnost akumulacije energije,

- jednostavno podmazivanje i odvoĎenje toplote,

- visoka pouzdanost u radu,

- visoka ekonomičnost u radu itd.

Nedostaci hidrauličnih sistema su:

- potrebno je generisati hidrauličku energiju,

- potrebni su povratni vodovi,

- relativno visoka cena ureĎaja i elemenata,

- specifičnost i preciznost izvedbe,

- ograničene brzine strujanja ulja,

- promena karakteristike ulja s temperaturom i pritiskom,

- relativno prljav pogon itd.

Hidraulični aktuatori sluţe za pretvaranje energije fluida pod pritiskom u mehaničku

energiju, odnosno u linearno ili rotaciono kretanje. Kao fluid najčešće se upotrebljava

mineralno ulje, ali kao pokretački energent mogu se koristiti i drugi fluidi (npr. voda).

Hidraulične aktuatore karakteriše: povoljan odnos sila/brzina i mogu se direktno

povezati sa radnim predmetom koji treba da pomeraju. S druge strane, upotreba hidrauličnih

aktuatora često dovodi pojave opasnih situacija na radnom mestu: radnici koji rade u blizini

hidraulične pumpe zahtevaju zaštitu sluha, a neretko se javlja curenju hidraulične tečnosti.

Hidraulični aktuatori se koriste na mestima gde se velike sile, brzine i ubrzanja, mali

jednolični pomaci, visoka tačnost pozicioniranja u meĎupoloţajima itd. Hidraulični aktuatori se

koriste u vrlo širokom području primene, koje obuhvata: alatne mašine, poljoprivredne mašine,

šumarske mašine, graĎevinske mašine itd.

U hidraučine aktuatore spadaju:

- hidraulični clinidiri i

- hidraulični motori i

- hidraulični ventili..

2.4.1 Hidraulični cilindri

Hidraulični cilindri sluţe za pretvaranje energije fluida pod pritiskom u mehaničku

energiju, odnosno u pravolinijsko kretanje. Hidraulični cilindri se sastoje od pokretnih delova

(kao što su klip i klipnjača) i nepokretnih delova (kao što su kućište i priključci za dovod/odvod

fluida).

Princip rada hidrauličnih cilindara je isti kao i pneumatskih, s tim da se radni medijum

razlikuje (pneumatika – vazduh pod pritiskom, hidraulika – ulje, voda). TakoĎe, hidraulični

cilindri su jače konstrukcije, jer rade na pritiscima koji su mnogostruko veći od pritisaka u

pneumatskim cilindrima.

79

Pošto je radni medijum ulje (ili voda, itd.), pojavljuje se problem sa curenjem ulja kroz

zaptivače, pa je potrebno predvideti odvod tog ulja. TakoĎe, prilikom praţnjenja cilindra, ulje

mora da se odgovarajućim vodovima vrati u rezervoar sa uljem.

Prema smeru delovanja, dele se na:

- hidraulične cilindre jednosmernog dejstva i

- hidraulične cilindre dvosmernog dejstva.

1. Hidraulični cilindar jednosmernog dejstva

Kod hidrauličnog cilindra jednosmernog dejstva, slika 7.24, fluid pod pritiskom se

dovodi samo sa jedne strane klipa cilindra (postoji samo jedan priključak za dovod/odvod fluida

u komoru cilindra). Posledica delovanja fluida pod pritiskom samo sa jedne strane klipa je da

klip moţe ostvariti koristan rad samo pri kretanju u jednom smeru (tokom hoda za koji koristi

fluid pod pritiskom), kretanje u suprotnom smeru klipa (povratni hod, vraćanje u početni

poloţaj) se ostvaruje dejstvom sile povratne opruge koja deluje sa druge strane klipa, pri čemu

priključak za dovod fluida postaje priključak za odvod fluida iz cilindra.

Sila kojom hidraulični cilindar jednosmernog dejstva deluje na radni predmet je

odreĎena prečnikom klipa i pritiskom fluida.

Slika 7.24. Hidraulični cilindar jednosmernog dejstva

2. Hidraulični cilindar dvosmernog dejstva

Kod hidrauličnog cilindra dvosmernog dejstva, slika 7.25., za razliku od hidrauličnog

cilindra jednosmernog dejstva, fluid pod pritiskom se dovodi sa obe strane klipa cilindra

(postoje priključci za dovod/odvod fluida sa obe strane klipa cilindra). Posledica delovanja

fluida pod pritiskom sa obe strane klipa je da klip moţe ostvariti koristan rad u oba smera

kretanja (i u povratnom hodu). Za pokretanje klipa dovodi se fluid pod pritiskom u komoru s

jedne strane klipa, pri čemu se istovremeno sa druge strane klipa odvodi fluid iz komore.

S obzirom na to da su površine sa klipne i klipnjačine strane različite, sila izvlačenja i

uvlačenja klipnjače će biti različite i zavisiće od pritiska radnog medijuma (fluida).

80

Slika 7.25. Hidraulični cilindar dvosmernog dejstva u oba poloţaja

2.4.2 Hidraulični motori

Hidraulični motori sluţe za pretvaranje hidraulične energije (energije fluida) u

mehaničku energiju (mehanički rad). Zavisno od kretanja radnog elementa dele se na:

- rotacone (obrtne) i

- translatorne.

Konstrukcija obrtnih hiraduličnih motora i pumpi je u osnovi identična, pa se ureĎaj

često moţe prema potrebi koristiti kao pumpa ili motor. Hidraulične pumpe sluţe za

pretvaranje mehaničke energije u hidrauličnu.

Hidraulični rotacioni motori se prema konstrukciji dele na:

- zupčaste

- krilne

- klipne

- i zavojne

Zupčasti hidraulički motori

Radna tečnost pod pritiskom ulazi u motor i deluje na spregnute zupce zupčanika, usled

čega se oni obrću. Gonjeni zupčanik povećava obrtni moment radnog zupčanika, koji se nalazi

na radnom vratilu koje izlazi van kućišta motora. Radno vratilo vrši obrtno kretanje čime je

dobijena mehanička energija, kojom moţe da se izvrši mehanički rad.

Zupčasti hidromotori rade na srednjim pritiscima, imaju veliki obrtni moment i dobar

stepen iskorišćenja. Jednostavne su konstrukcije, malih masa i dimenzija

Slika 7.26. Zupčasti hidraulički motor

81

2.4.3 Hidraulični ventili

Hidraulični ventili sluţe za upravljanje tokom kretanja fluida. Prema funkciji koju

obavljaju dele se na:

- hidraulične razvodnike,

- hidraulične nepovratne ventile,

- hidraulične ventile pritiska i

- hidraulične ventile protoka.

1. Hidraulični razvodnici

Razvodnici su upravljački elementi, koji utiču na kretanje radnog fluida. Zaustavljaju

ga, uspostavljaju ga ili mu menjaju smer.

Princip rada hidrauličnih i pneumatskih razvodnika je sličan kao i njihove oznake.

Moţemo ih grupisati prema: broju poloţaja, broju priključaka, načinu aktiviranja, konfiguraciji

i konstrukciji. Prema funkciji koju treba da vrše razvodnici mogu imati dva, tri, četiri ili pet

priključaka kao i dva, tri ili četiri poloţaja. Razvodnici se kao i ostali elementi hidrauličnog

sistema crtaju u neutralnom poloţaju (poloţaj u kom nisu aktivirani). Prema konstrukciji

razvodnici se dele na:

- razvodnike sa uzduţno pokretnim klipom,

- razvodnike sa sedištem,

- razvodnike sa zakretnim klipom i

- razvodnike sa odbojnom pločom.

Klipni razvodnici. - Radni element klipnog razvodnika je klip najčešće cilindričnog

oblika, po kome je razvodnik i dobio ime. Klipni razvodnici mogu biti sa aksijalnim

(translatornim) i sa obrtnim kretanjem klipa. Kod aksijalnih klipnih razvodnika klip sa

prstenastim ţljebovima je razvodni element koji svojim kretanjem u cilindru otvara i zatvara

priključke za dovod i odvod radne tečnosti.

Slika 7.27. Klipni razvodnik

Na slici vidimo sledeće delove klipnog razvodnika: telo razvodnika, prstenasti kanali,

upravljačka ivica, razvodni element – klip, opruga, mehanizam za aktiviranje. Klip (razvodni

element) je u srednjem (neutralnom poloţaju), čime su prstenasti kanali meĎusobno odvojeni pa

nema protoka, odnosno potisni vod (P) je zatvoren. Ako se klip pomeri udesno, ostvariće se

veza izmeĎu kanala P i B, čime je omogućen prolaz radne tečnosti iz potisnog voda ka radnom

82

cilindru sa jedne strane klipa. Istovremeno se ostvaruje veza izmeĎu kanala A i T (rezervoar),

čime je omogućen prolaz radne tečnosti iz radnog cilindra u rezervoar.

Aksijalni klipni razvodnici se najčešće koriste u praksi.

Karakteristike:

- pouzdanost u radu na svim pritiscima,

- sloţena konstrukcija i

- visoka nabavna cena.

Slika 7.28.

2. Hidraulični nepovratni ventili

Nepovratni ventili se koriste u slučaju kada u jednom smeru treba propustiti fluid pod

pritiskom, dok u drugom ne. Način funkcionisanja ovih ventila je isti kao kod razvodnika sa

sedištem. U hidrauličnim sistemima se najčešće koriste nepovratni ventili sa konusnim sedištem

jer imaju najbolje zaptivanje. UgraĎuju se na sledeći način:

- zajedno sa regulatorom protoka,

- na vodu koji izlazi iz pumpe da se fluid ne bi mogao vratiti u pumpu,

- u obilaznom vodu kod usisnog filtera i povratnog filtera da bi protok fluida bio

obezbeĎen u slučaju zagušenja filtera,

- izmeĎu pumpe visokog i niskog pritiska radi obezbeĎenja protoka ako ne radi

pumpa niskog pritiska

- i oko regulatora protoka ako je neophodna regulacija protoka u oba pravca toka.

Nepovratni ventili mogu biti i hidraulično i elektro upravljani.

3. Hidraulični ventili pritiska

Ventili pritiska se koriste za regulaciju i upravljanje pritiskom fluida. Prema njihovoj

funkciji mogu se podeliti na:

- ventile za ograničenje pritiska,

- redosledne ventile i

- regulatore pritiska.

4. Hidraulični ventili protoka

83

Ventili protoka se koriste za regulaciju protoka fluida pod pritiskom u hidrauličnom

sistemu. Promena protoka fluida se vrši povećanjem ili smanjenjem površine kroz koju fluid

protiče. Kod izbora ventila potrebno je znati oblik i veličinu površine kroz koju fluid pod

pritiskom treba da protiče. Ventili protoka kod kojih su oblik i površina nepromenljivi su:

mlaznica i blenda. Ako su oblik i površina promenljivi onda se su to regulacioni ventili.

Hidraulični ventili protoka se dele na:

- prigušne ventile i

- regulatore protoka.

Leptir ventili se koriste za otvaranje, zatvaranje i ručno regulisanje protoka radne

tečnosti. Element za zatvaranje je u obliku diska, čijim zaokretanjem za 90 stepeni dolazi do

zatvaranja protoka. Zaptivni materijal, čija je uloga da obezbedi nepropusnost, obično se

izraĎuje od sintetičkog kaučuka. Leptir ventil nalazi najveću primenu u sistemima za grejanje,

hlaĎenje i vodosnabdevanje i to u oblastima niţih pritisaka.

Slika 7.29. Leptir ventil

84

3. LITERATURA

[1] Mladen Popović, Senzori i merenja, Zavod za udţbenike i nastavna sredstva Srpsko

Sarajevo, 2004.

[2] Mladen Popović, Slobodan Lubura, Specijalni senzori i industrijska merenja,

Elektrotehnički fakultet, Istočno Sarajevo, 2013.

[3] Mladen Popović, Senzori tečnosti i gasova, Zavod za udţbenike i nastavna sredstva

Srpsko Sarajevo, 2003.

[4] Mladen Popović, Senzori u robotici, Viša elektrotehnička škola, Beograd, 1996.

[5] Predrag Duduković, Merni pretvarači, I deo, Elektrotehnički fakultet, Beograd,

1973.

[6] Predrag Duduković, Merni pretvarači, II deo, Elektrotehnički fakultet, Beograd,

1979.

[7] Dragan Stanković, Fizičko tehnička merenja – senzori, Univerzitet u Beogradu,

1997.

[8] Dragan Stanković, Aleksandra Đurišić, Fizičko tehnička merenja – senzori,

Laboratorijumski praktikum, Elektrotehnički fakultet, Beograd, 1996.

[9] Dragan Stanković, Zbirka zadataka iz fizičko-tehničkih i industrijskih merenja,

Naučna knjiga, Elektrotehnički fakultet, Beograd, 1990.

[10] Boţo Ilić, Senzori i aktuatori, Visoka tehnička škola strukovnih studija,

Skripta, Novi Sad, 2016