1

PROCESNA MJERENJA

2.1. Uvod u mjerenje veličina Primjeri mjerenja neelektričnih veličina koje se mjere: 1. U području upravljanja elektromotornim pogonima

Kutni i linearni pomak, kutna i linearna brzina, kutno i linearno ubrzanje, zakretni moment, mehanička snaga, temperatura namotaja, protok fluida, tlak ulja,

2. U području gibajućih objekata: Sve gore navedene i još visina, udaljenost od drugog objekta, položaj, relativna i apsolutna brzina, sile, masa.

3. U kemijskoj tehnologiji, strojarstvu i nuklearnoj tehnici. Sve navedeno i još volumen, razina tekućine i sipine, vlaga, pH vrijednost, gustoća, viskoznost, kemijski sastav tvari, vibracije, jakost zvuka, toplinska vodljivost, toplinski kapacitet, količina topline, koeficijent trenja, ionizacijska zračenja, jakost svjetla itd.

Neelektrične veličine pretvaramo u električne zbog niza razloga:

2

- informacijski uređaji su elektronički - točnost - osjetljivost - daljinski prijenos podataka - memoriranje - indikacija, signalizacija - registriranje - mogućnost nadzora - inteligentni integrirani mjerni uređaji

- A/D i D/A pretvornici

3

4

Najopćenitija blok shema procesnog mjerenja:

TEHNIČKI PROCES

MJERNO OSJETILO I

PRETVARAČ

ELEKTRIČNI INFORMACIJSKI UREĐAJ

NEELEKTRIČNA VELIČINA

ELEKTRIČNA VELIČINA

5

Detaljnija blok shema procesnog mjerenja i regulacije:

1. Specijalizacija tehničkih stručnjaka 2. Standardizacija :

a) strujni (istosmjerni): 0-1 mA; 0-5 mA; 0-20 mA; 4-20 mA; 0-50 mA.

b) naponski (istosmjerni i izmjenični): 0-1 mV; 0-5 mV; 0-100 mV; 0-30 mV.

Osnovni pojmovi: Mjerenje: dobivanje podataka o stanju (fizičkim i kemijskim karakteristikama) određenog procesa. Svrha mjerenja: promatranje, vođenje ili eksperimentalno istraživanje i analiziranje procesa.

TEHNIČKI

PROCES

MJERNO

OSJETILO

MJERNI PRETVO

RNIK

OBLIKOVANJE (OBRADA ILI

KONDICIONIRANJE)

ANALOGNOG SIGNALA

A/D

KOMPARATOR I REGULATOR

(µR)

IZVRŠNI ČLAN

POKAZIVANJE (INDIKACIJA I SIGNALIZACIJ

A)

ZAPISIVANJE

(REGISTRACIJA)

ZAŠTITA

NEELEKTRIČNA

VELIČINA

ANALOGNI ELEKTRIČNI

SIGNAL

IZMJERENA

VRIJEDNOST

ZADANA

VRIJEDNOST

POMOĆNI IZVOR ENERGIJE

+

-

6

Mjerna osjetila (senzori) - elementi koji reagiraju na fizikalnu veličinu Mjerni pretvornici (pretvarači) – pretvaraju promatranu fizikalnu veličinu u drugi oblik (drugu fizikalnu veličinu) prikladan za daljnju obradu Mjerni rezultat – informacija dobivena mjerenjem (uz određenu točnost) Mjerna pogreška – uzrok činjenice da je rezultat mjerenja različit od prave vrijednosti pogreške: - grube

- sistemske - slučajne

7

Osnovne osobine mjernih slogova 1. Ulazne osobine

- mjerna veličina, mjerno područje, mjerni opseg

2. Izlazne osobine - mjerni signal (analogni i digitalni)

3. Radni uvjeti 20±5°C; 60±20%; 101,325±2,66 kPa 4. Statičke karakteristike - odnos izlazne i ulazne veličine

a) Različite nelinearnosti

b) Ponovljivost karakteristike c) Histereza

x

y

x

y

x

y

x

y

8

d) Razlučivost

e) Prag osjetljivosti

5. Dinamičke karakteristike prijelazna karakteristika, frekvencijska karakteristika

Pregled mjernih pretvornika Opća podjela: 1. pasivni (potreban dodatni izvor energije) 2. aktivni (nije potreban dodatni izvor napajanja - pretvornici energija) Opća podjela pasivnih mjernih pretvarača

1. otpornički 2. induktivni 3. kapacitivni

x

y

x

y

9

Aktivni mjerni pretvornici = pretvornici energije 1. mehanička u električnu 2. toplinska u električnu 3. svjetlosna u električnu 4. kemijska u električnu

10

Mjerenje pomaka Mjerenje kutnog i linearnog pomaka. 1. Reostatski spoj

'1α⋅= kI

2. Potenciometarski spoj

AU +

- RT

α' R'α

R RR

I

'α⋅=kUT

11

Mjerenje brzine vrtnje Mjerenje pomoću tahogeneratora i pomoću impulsnih pretvornika 1. Tahogeneratori

1.1. Izmjenični: a) asinkroni - rijetko se koriste, zastarjeli b) sinkroni - zastarjelo rješenje

1.2. Istosmjerni: 1.2.1 kolektorski (napon ~ brzina vrtnje)

- uzbuda: a) permanentnomagnetska; b) elektromagnetska

Potreban povremeni remont. Transmisija - nužna kod sporohodnih strojeva Filtriranje napona - djelovanje izmjenične komponente Montaža - pomoću fleksibilnih spojki

Karakteristike: a) osjetljivost 19V / 1000o/min b) valovitost napona oko 2%

c) nmax = 2000 o/min 1.2.2. bezkolektorski

Bezkontaktni elektromehanički pretvarači a) osjetljivost 5V / 1000 o/min

b) valovitost napona oko 0,5% c) nmax = 20 000 o/min

2. Impulsni pretvornici

Digitalni izlazni signal; Izvedba bez mehaničkih kontakata. 2.1. Stroboskop - koristi se samo u otvorenim sustavima (čovjek)

12

2.2. Mehanički impulsni pretvornici - električni kontakti. 2.3. Magnetski impulsni pretvarači - magnetska indukcija

Resolveri - koriste se u slijednim sustavima, visoka

točnost, Ugradnja u istom kučištu s motorom.

2.4. Optički impulsni pretvornici = optički enkoderi

Načelo prekidanja snopa svjetlosti. a) apsolutni enkoderi - mjere pomake u odnosu na neki referentni položaj b) inkrementalni enkoderi - mjere relativan pomak

13

Mjerenje sile Sila je uzrok gibanja tijela. Neravnoteža sila-POMAK; Ravnoteža sila-DEFORMACIJA. Različite vrste opterećenja: tlak, vlak, torzija, savijanje

- otporna, kapacitivna, induktivna, piezoelektrična, magnetoelastična, elektrolitička, hidraulička metoda.

1. Otporna metoda - mjerni pretvornik – kapsula s ugljenom

prašinom

- tenzootpornici - rastezna osjetila – poluvodičke

i metalne vrpce – otpor je ovisan o sili (sl.2.31. str. 79.)

14

2. Induktivna metoda

- mjerenje većih sila – elektromagnet s pomičnom kotvom – promjena širine zračnog raspora. - struja je proporcionalna širini zračnog raspora

(greška mjerenja do ±2%).

3. Piezoelektrična metoda.

15

- kristal kvarca - piezoelektrično svojstvo – djelovanjem sile na kristal na njegovim se plohama javlja napon (sl. 2.33. str.80.)

- mjerenje impulsnih sila – i do 15 kHz.

4. Magnetoelastična metoda

- promjena permeabilnosti feromagnetika kada na njega djeluje sila

- jezgra je izvedena od limova slitine FeNi oko koje je namotan svitak

- mjerenje velikih sila – do nekoliko desetaka kN. - presduktori – mjerenje tlačnog opterećenja. - greška mjerenja oko 1%.

16

Mjerenje tlaka Tlak je sila na jedinicu površine. Apsolutni tlak – tlak mjeren u odnosu na vakuum – barometar. Relativni tlak – tlak mjeren u odnosu na standardni atmosferski tlak – manometar. Nadtlak (pretlak) i podtlak.

Mjerna jedinica za tlak: Pa = N/m2. MPa = N/mm2. Mjerenje tlaka svodi se na mjerenje sile, pomaka... Koriste se membrane i mjehovi uz:

- otporničke - kliznik potenciometra, - kapacitivne - pomicanje ploča kondenzatora

17

- induktivne - pomicanje željezne jezgre - piezoelektrične pretvornike - mjerenjem napona

posredno se mjeri tlak.

18

Mjerenje razine tekućine Razina tekućine – volumen. Metode: - pomoću mehaničkog plovka

- otporna, kapacitivna i induktivna metoda - radioaktivna metoda - optička metoda - ultrazvučna metoda - piezoelektrična metoda (osjetilo tlaka)

Najčešće se mjeri razina (volumen) vode i nafte. 1. Kapacitivna metoda

- između dviju elektroda nalaze se dva dielektrika: zrak i tekućina čija se razina mjeri.

19

– smještaj goriva u putničkom zrakoplovu – više mjernih mjesta, crpka premješta gorivo između spremnika za vrijeme leta

20

2. Ultrazvučna metoda Nema pokretnih dijelova, a mjerni uređaj je odvojen od tekućine.

21

Mjeri se vrijeme između slanja i prijema ultrazvučnih valova (poznata brzina rasprostiranja valova u tekućini) l = c ⋅ t l = l1 + l2 c – poznata brzina valova l – put valova pomoću koje se izračuna nepoznanica h t – vrijeme putovanja signala (izmjereno vrlo točno).

22

Mjerenje protjecanja fluida Fluid – zajednički naziv za tekućine (kapljevine) i plinove. Maseni protok (kg/h, kg/min, kg/s). Volumni protok (m3/h, m3/min, m3/s). Rafinerije, plinovodi, naftovodi, vodovodi, električne centrale, vozila, kemijska industrija, rudarstvo, itd. 1. Ultrazvučna metoda (sl. 2.43. str. 87.)

- dva para predajnika i prijemnika - poznate veličine su promjer cijevi D i razmak d - Dopplerov efekt: brzina valova u smjeru gibanja je

veća od brzine valova u suprotnom smjeru. - Mjeri se vrijeme potrebno za prolazak kroz cijev oba

vala, a razlika je razmjerna brzini protjecanja. - nema ometanja protjecanja, visoka točnost, brzi odziv,

mjerenje protoka različitih fluida, linearnost, nema pokretnih dijelova

23

2. Elektromehanička metoda U cijevi postavljen vijak (elisa,propeler) ili turbina a na vrhu kraka je smješten elektromagnet. Uz stijenku cjevovoda smještena je zavojnica – elektromagnetska indukcija – impuls pri prolazu magneta kraj nje – Schmittov okidni sklop. Osim elektromagnetskog prijenosa koristi se i mehanički sklop.

3. Metoda mjerenja protjecanja pomoću suženja cjevovoda.

24

Protjecanje kroz suženje – pad tlaka razmjeran protoku. Mjerenje protjecanja svodi se na mjerenje tlaka. Suženjem se ometa protjecanje fluida. Izvedbe suženja: - zaslon, mlaznica, Venturijeva cijev, Dallova cijev, kapilara – standardizirano. Bitno: Zbroj dinamičkog i statičkog tlaka je konstantan po Bernoullijevoj jednadžbi.

25

Mjerenje temperature Toplina – energija. Temperatura – mjera za određivanje toplinskog stanja nekog tijela. Mjerne skale: Celzijusova °C; Kelvinova K; Fahrenheitova °F; Reaumirova u °Re; Rankinova °R. Prijenos topline: 1. Vođenjem ili kondukcijom. 2. Strujanjem ili konvekcijom u fluidima. 3. Zračenjem, isijavanjem ili radijacijom. 1. Mjerne metode zasnovane na radijaciji toplinske

energije. - pirometri (optički i radijacijski) – znanstvene i

industrijske svrhe. 2. Mjerne metode zasnovane na termoelektričnoj

pojavi - termoparovi – pretvorba toplinske energije u

električnu (η=1%) - dva različita materijala – mjerno spojište i

referentno spojište (sl 2.48. str. 90) - termopar željezo-konstantan ( -150 °C do 1000

°C); Pt10Rh-Pt; bakar-konstantan; kromel-alumel; nikrom-niokal; volfram-tantal...

26

3. Mjerne metode zasnovane na promjeni

električnog otpora. - promjena otpora s temperaturom (bakar, volfram,

nikal, platina) –veće mjerno područje - metalni i poluvodički (nelinearni otpornici,

termistori-NTC; pozistori-PTC - manje mjerno područje

4. Mjerne metode zasnovane na promjeni dimenzija - promjena volumena, promjena duljine (metala,

tekućina i plinova) - bimetalni mjerni član – termobimetal (INVAR)

- linearne, spiralne i helikoidalne izvedbe. - mjerno područje: -185 °C do 400 °C; mjerna

pogreška oko ±1%.. - sl. 2.50. str. 92.

27