LVTS. Tehnične meritve. Študijsko gradivo. Tehnične meritve. Predavanja. Avtor: Marko Hočevar

Transcript

1 Študijsko gradivo Predavanja Avtor: Marko Hočevar Ljubljana, januar 009 1

2 Merilni inštrumenti Merilni inštrumenti so naprave, ki pretvarjajo fizično spremenljivko (npr. temperaturo mleka v kotlu, električno moč elektromotorja...) v izmerjeno vrednost z določeno enoto (stopinja celzija, watt). Signal iz merilnega inštrumenta se lahko prikaže, prenese v električni obliki na zapisovalnik, zapiše v analogni obliki, prenese v analogno digitalni pretvornik, zapiše v digitalni obliki, uporabi za regulacijo itd (sliki 1 in ). Včasih je potrebno signal iz merilnega inštrumenta dodatno obdelati, filtirati, ojačati (če je majhen po velikosti). Merilni inštrumenti so več vrst. Delimo jih lahko na več načinov, od katerih je v zadnjem času napogostejša delitev na klasične in na navidezne (virtualne) inštrumente. Klasični inštrumenti so inštrumenti, ki prikažejo vrednost na zaslonu na samem ohišju inštrumenta. Na tem zaslonu prav tako ni mogoče prikazovati drugih vrednosti kot izmerkov tega inštrumenta. Klasični inštrumenti so lahko mehanski ali električni. Navidezni inštrumenti so inštrumenti, ki prikazujejo rezultate na računalniškem zaslonu in jim je mogoče s programsko opremo spreminjati izgled, prikazane vrednosti, način merjenja itd. Obstajajo tudi inštumenti, ki lahko delujejo kot klasični ali navidezni. merjenec merjena spremeljivka senzor signal merjene spremenljivke prikazovalnik proces merilni inštrument Slika 1. Merjenje z merilnimi inštrumenti (klasični inštrumenti). merjenec merjena spre - menljivka senzor ojačevalnik filter analognodigitalni pretvornik računalnik z monitorjem za prikaz in regulacijo proces analogni del digitalni del merilni inštrument Slika. Merjenje z merilnimi inštrumenti (navidezni inštrumenti - merilna veriga z analogno digitalnim pretvornikom oz. merjenje z računalnikom).

3 Negotovost merilnih inštrumentov Negotovost merilnega inštrumenta je definirana kot razlika med dejansko vrednostjo in vrednostjo, ki jo pokaže merilni inštrument. Vedno dejansko vrednost definiramo kot referenčno glede na neko vrednost (npr. 1 meter, 1 sekunda, 1 kilogram). Merilna negotovost je sestavljena iz sistematične negotovosti in naključne negotovosti (slika 3), skupna negotovost pa je vsota sistematične in naključne negotovosti. Sistematična negotovost je negotovost meritve, ki je enaka ne glede na to, kolikokrat ponavljamo meritev, premik pa je v določeno smer k preveliki ali premajhni vrednosti (vendar ne vemo, ali inštrument pokaže preveč ali premalo). Primer: Pri meritvi teže jabolk je sistematična negotovost premik skale tehtnice, pri čemer tehtnica vedno pri merjenju teže 5 kg pokaže 7 kg, ne glede na to, če merimo desetkrat isti dan ali ob različnih dneh. Sistematično negotovost lahko popravimo, če poznamo, kako odstopa izmerjena vrednost od dejanske. To je mogoče izvesti s kalibracijo (npr. na tehtnico postavimo pet uteži po 5 kg in vidimo, da tehtnica pokaže 7 kg). Žal se lahko zgodi, da tehtnica pokaže namesto dejanske teže npr. 5 kg danes 7 kg in jutri 4 kg. Razlogi za sistematično negotovost : pokvarjen merilni inštrument (npr. premaknjena skala), umazan merilni inštrument, nepravilna uporaba ali priključitev, nepravilno čitanje inštrumenta itd. Naključna negotovost je negotovost meritve, ki odstopa od povprečne vrednosti enakomerno v vse smeri. Primer: če tehtamo jabolka, lahko postavimo jabolka na površino tehtnice na različne načine in pri zaporednih meritvah tehtnica pokaže 7,1 kg, 6,8 kg in 7,0 kg; če merimo temperaturo mleka pri sterilizaciji npr. 90 C, 91 C in 91,5 C. Razlogi za naključno negotovost : npr. različno mesto meritve temperature v posodi (v bližini grelnika ali stran od njega), časovno spreminjanje temperature v posodi (če je grelnik vklopljen, se temperatura neprestano veča), pri električnih inštrumentih šum motorjev in pogonov v bližini, itd. sistematična negotovost (premik ničle) naključna negotovost Slika 3. Merilna negotovost je sestavljena iz sistematične negotovosti in naključne negotovosti. 3

4 Lastnosti merilnih inštrumentov Merilnik označuje povezava med vrednostmi vhodnih spremenljivk (to je spremenljivk, ki jih merimo) in izhodnimi vrednostmi (to je vrednostmi, ki jih inštrument izmeri in prikaže). Lastnosti merilnih inštrumentov delimo na statične lastnosti (to so lastnosti, ki so neodvisne neodvisne od časovnega spreminjanja merjenega signala oziroma se nanašajo na meritve merjene spremenljivke, ki se s časom ne spreminja, z inštrumentom pa lahko merimo poljubno dolg čas) in na dinamične lastnosti (to so lastnosti, ki so odvisne od časovnega spreminjanja merjenega signala). Statične lastnosti merilnih inštumentov Najpomembnejše statične lastnosti merilnih inštrumentov so (slika 4) : vhodno območje (Vhodno območje je območje, ki ga inštrument lahko meri. Npr. merilnik vrtilne frekvence lahko meri vrtilno frekvenco od 0 do 1000 Hz - obratov na sekundo, torej je vhodno območje od 0 do 1000 Hz.) izhodno območje (O izhodnem območju inštrumenta je smiselno govoriti samo, če deluje kot navidezni merilnik in je v tem primeru senzor priključen na analogno digitalni pretvornik. V tem primeru je izhodno območje vrednost napetosti ali toka na izhodnih sponkah inštrumenta, npr. od 0 do 10 V ali 4-0 ma.) občutljivost (Občutljivost inštrumenta pomeni jakost spreminjanja izhodne vrednosti od merjene spremenljivke. Npr. bolj občutljiv je termometer, ki se mu za porast temperature za 10 C na izhodu spremeni vrednost iz 0 na 10 V, od termometra, ki se mu za isti porast temperature na izhodu spremeni napetost za 1 V, bolj občutljiva je tehtnica, ki tehta težo od 0 do 1 kg od tehtnice, ki tehta težo od 0 do 100 kg.) premik ničle (Premik ničle je od nič različen izhod inštrumenta, ko ne merimo ničesar. Npr. premik ničle je, če tehtnica pokaže 1 kg, ko na tehtalni plošči ni ničesar. Premik ničle se lahko spreminja s časom in je na začetku meritve lahko negativen, na koncu pa pozitiven. Do premika ničle pride zaradi zunanjih vplivov kot so sprememba temperature, vlažnosti, tlaka itd. Premik ničle je včasih tudi zaželen, npr senzorji delujejo v procesni industriji večinoma tako, da dajejo tok 4 ma, ko ni na tehtalni površini ničesar. To je dobro za to, da vemo, da senzor ni pokvarjen, hkrati pa ta tok napaja senzor.) nelinearnost (Nelinearnost je odmik od idealnega odziva senzorja. Npr. za senzor, ki za pretok 1 m 3 /h prikaže na zaslonu 1, pri 5 m 3 /h prikaže na zaslonu 5, bi pričakovali, da pri,5 m 3 /h pretoka pokaže na zaslonu,5. Če prikaže ta senzor,6 m 3 /h, je nelinearnost 0,1 m 3 /h.) 4

5 izhod dejanski odziv - črtkano izhodno območje nelinearnost idealni odziv - polna črta naklon je občutljivost premik ničle vhod vhodno območje izhod - tok v ma (miliamperi) 4-0 ma premik ničle (4mA) vhod - teža jabolk 0-50 kg Slika 4. Statične lastnosti merilnih inštrumentov. Graf prikazuje odvisnost izhodne spremenljivke od vhodne spremelnljivke (zgoraj) in primer tehtanja jabolk z inštrumentom z izhodnim območjem 4-0 ma. Dinamične lastnosti merilnih inštrumentov O dinamičnih lastnostih merilnih inštrumentov lahko govorimo samo v primeru, če se merjena spremenljivka spreminja s časom. Pri tehtanju jabolk se v času merjenja teža ne spremeni, pri merjenju višine tekočine v posodi, v katero ta tekočina priteka, pa se višina s časom povečuje. Prav tako se povečuje temperatura tekočine v posodi, če jo neprestano grejemo z grelnikom. V tem primeru se moramo vprašati, če želimo meriti povprečno vrednost ali trenutno vrednost. Primer : moč elektromotorja se spreminja s časom 50x na sekundo, vendar nas vedno zanima zgolj povprečna vrednost. V skladu s tem izberemo tip merilnega inštrumenta, ki ga potrebujemo. 5

6 Pri meritvi časovno spreminjajočih se signalov na izmerjeno vrednost vplivata skupno pojav, ki ga merimo, in merilni inštrument. Vpliv inštrumenta oz. njegov odziv imenujemo prenosna funkcija inštrumenta. Hitrost, s katero lahko inštrument meri, opišemo z izrazom hitrost odziva inštrumenta. Hitrost odziva inštrumenta in hitrost pojava tako skupaj določata, kakšno vrednost bomo izmerili. Hitro spreminjajoče se pojave lahko merimo samo z inštrumenti, katerih hitrost odziva je večja od hitosti pojava. V procesni industriji se večinoma uporabljajo inštrumenti s počasnim odzivom. To ima poleg slabosti tudi določene prednosti, in sicer povečano stabilnost meritev in regulacije. Npr. temperatura tekočine v 1000 l posodi se ne more povečati za 50 C v eni sekundi, lahko pa pride do šuma oz. drugih električnih motenj, tako da inštrument lahko za hip prikaže za 50 C preveliko vrednost. Hitrost odziva inštrumenta lahko ovrednotimo na dva načina. Prvi način je, da podamo čas v sekundah, v katerem inštrument doseže npr. 90% končne vrednosti. Drugi način je, da podamo frekvenčno območje ali frekvenčni obseg inštrumenta, v katerem lahko inštrument deluje. Npr. frekvenčno območje merilnika vibracij, ki ga uporabljamo za varovanje prezračevalnega ventilatorja, je lahko od 0 do 5000 Hz (1 Hz je 1 nihaj v sekundi). To pomeni, da je merilnik vibracij sposoben meriti vibracije stroja, če te vibracije niso hitrejše kot 5000x v sekundi. Proizvajalci merilnih inštrumentov podajajo hitrost odziva inštrumenta poljubno, vendar se običajno za pojave do frekvence 1 Hz običajno poda čas v sekundah, za pojave večje od 1 Hz pa se poda frekvenca v Hz. temperatura t0 čas Slika 5. Prikaz poteka meritve, ko senzor temperature ob času t 0 potopimo v tekočino. Hitrost odziva inštrumenta je razmeroma majhna, zato določen čas potem, ko smo inštrument že potopili v tekočino, odčitamo manjšo temperaturo od dejanske. Odziv inštrumenta na pojav je možno tudi izračunati, če poznamo odziv inštrumenta (prenosno funkcijo). Za to je potrebno znanje visokošolske matematike. V praksi se danes najpogosteje srečujemo z električnimi inštrumenti, pa naj bodo klasični ali navidezni. Pri električnih inštrumentih (glej sliki 1 in ) je v merilni verigi za senzorjem ojačevalnik, lahko pa tudi filter, linearizacijsko vezje itd. Ta lahko znatno spremeni odziv inštrumenta in izmerjeno vrednost. Tudi če poznamo teoretičen 6

7 odzin (prenosno funkcijo) senzorja, v veliki večini primerov prenosne funkcije inštrumentov kot celote ne poznamo. To je zato, ker električni inštrumenti vsebujejo analogno digitalni pretvornik in nato digitalno obdelajo merjeni signal na način, ki je za uporabnika neznan. temperatura dejanska izmerjena čas Slika 6. Merjenje temperature s počasnim senzorjem povzroči, da je največja izmerjena temperatura nižja od dejanske, dodatno pa je izmerjena temperature lahko še zamaknjena po času. Če bi bil pojav spreminjanja dejanske temperature počasnejši, bi bile razlike med dejansko in izmerjeno temperaturo manjše. 7

8 Merjenje razdalj, pomika, kotov in zasukov Pojem gibanja je povezan s spremembami lege točk izbranega telesa v času. Vsako gibanje lahko razdelimo na translatorno gibanje in zasuk okrog osi. Translatorno gibanje je sestavljeno iz gibanja v vseh treh smereh koordinatnega sistema, torej v smereh x, y in z. Zasuk je sestavljen iz zasukov po posameznih oseh. V nadaljevanju se bomo omejili samo na: - premočrtna ali linijska gibanja togih teles in - kotna gibanja (zasuki, rotacije) okrog ene osi Premočrtni, linearni ali linijski pomik je pomik, kjer se smer gibanja telesa ne spremeni. Primer za linearni pomik je gibanje pnevmatskega bata. Kotni pomiki pa so povezani z gibanjem, kjer se vrtišče gibanja telesa ne spreminja, spreminja pa se lega poljubne točke na telesu glede na vrtišče. Primer za kotni pomik je vrtenje kolesa okrog osi pri vozilu. Premočrtni premike bomo označevali označeni s simbolom s, kotne pomike pa s simbolom s ϕ. Z odvajanjem poti po času dobimo hitrost in pospešek. Z odvajanjem kota zasuka po času dobimo kotno hitrost in kotni pospešek ds v = = s& dt dϕ ω = = & ϕ dt dv d s a = = = && s dt dt dω d ϕ α = = = & ϕ dt dt Če poznamo, kako se je spreminjala pot telesa v času, lahko izračunamo iz nje hitrost ali pospešek. Enako velja za hitost, iz nje lahko z integriranjem izračunamo pot, z odvajanjem pa pospešek. To je pomembno pri merjenju, saj določeni merilni inštrumenti merijo npr. pospešek, vendar lahko iz njega izračunamo hitrost, če je to potrebno. V nadaljevanju bomo med inštrumente za merjenje lege in gibanja zajeli merilnike položajev, hitrosti in pospeškov(linearnih in kotnih), saj v smislu prejšnjega odstavka lahko npr. z merilnikom pospeška merimo tudi razdaljo. Merilniki so zasnovani na različnih fizikalnih zakonitostih, ki so povezane z gibanjem. Najpogostejši so mehanski, uporovni, induktivni, kapacitivni, piezoelektrični, ultrazvočni in optični princip. Za pretvorbo iz npr. merjenja lege v pospešek je potrebno poznati vse zaporedne čase, pri katerih so bili izmerjene vse zaporedne lege merjenega telesa. Pri mehanskih meritvah to ni mogoče, pri električnih pa je to mogoče le v primeru, če je merilnik priključen na računalnik kot virtualni inštrument, ali pa če je že sam inštrument v osnovi namenjen za integracijo ali odvajanje (torej pretvorbo iz lege v hitrost ali obratno). 8

9 težišče težišče težišče težišče S S Slika 1. Linearni pomik in vrtenje teles. Levo linearni premik, desno vrtenje. 1. Mehanski merilniki razdalj Najpogostejši merilniki razdalj so mehanski: tračni metri, merilne palice, ravnila, kljunasta merila, merilniki izvrtin, kotomeri itd. Pri vsakdanjih strojniških in kmetijskih opravilih so neobhodni potrebni, zanesljivi in razmeroma natančni. Slika. Merilnik izvrtin. Desno na sliki je mehanski merilnik, levo pa električni.. Uporovni merilniki razdalj in zasukov Uporovnim merilnikom z drugo besedo rečemo tudi potenciometri. Potenciometri so naprave, v katerih je kontaktni element (drsnik), ki drsi po uporovni površini. Uporovna površina je lahko na jedro navita žica ali plast prevodnega materiala (običajno prevodna plastika). Za določanje pomika je običajno kontaktni element (drsnik) vezan kot delilnik napetosti. Potenciometre najdemo v velikem številu radijskih aparatov npr. za regulacijo glasnosti. Če označimo celotni hod potenciometra z L, lahko postavimo razmerje (za oznake glej sliko 3): 9

10 s L R s =. R Pri tem postopamo, kot da upornost bremena ne vpliva na rezultat, kar je običajno pri merilnikih z visoko notranjo upornostjo. Iz tega sledi, da določenem položaju drsnika odgovarja merjeni upor R m, R je skupni upor in pomik s lahko zapišemo na naslednji način s L R m =. R Prednosti uporovnih merilnikov pred ostalimi vrstami je enostavnost uporabe, razmeroma nizka cena, zanesljivost, visoka ločljivost (modeli s prevodno plastiko) in velika največja dovoljena električna obremenitev (modeli z navito žico), slabost pa to, da je za merjenje potreben kontakt, zato niso primerni za velike hitrosti spreminjanja (frekvence). Zaradi tega niso primerni za merjenje hitrosti in pospeškov (linearnih in kotnih). U L (hod potenciometra s skupno upornostjo R) s (lega drsnika potenciometra) Rs (upornost dela potenc.) Rb (breme) Slika 3. Vezava uporovnega merilnika pomika v delilnik napetosti. 10

11 Slika 4. Uporovni merilnik linearnega pomika (levo) in uporovni merilnik vrtenja (desno). 3. Induktivni merilniki razdalj, hitrosti in pospeškov Induktivni merilniki delujejo na principu magnetnega kroga in spremembe induktivnosti tuljave, sprememba položaja pa spremeni induktivnost v merilniku. Uporabljajo se za merjenja premočrtnih gibanj. Natančnejša razdelitev induktivnih merilnikov pomika omogoča razdelitev v dve skupini: - merilniki, kjer sprememba položaja povzroči, da se v magnetnem krogu inducira napetost (princip magnetne indukcije kot v generatorju, električno napajanje tuljave ni potrebno), - merilniki, kjer sprememba položaja povzroči, da se spremeni induktivnost tuljave (npr. jedro pomaknemo iz tuljave), za napajanje tuljave pa je potreben izmenični tok. V procesni industriji in za stojniške meritve se običajno uporablja večinoma drugi tip merilnikov. Slika 5. Shema delovanja induktivnega merilnika. Jedro tuljave ni nameščeno v sredini tuljave, temveč zaključuje magnetni krog. Jedro mora biti iz feromagnetne snovi (npr. železo). Za merjenje večjih razdalj ali vrtilnih hitrosti se uporablja induktivne merilnike v inkrementalnem načinu. Na ta način induktivne senzorje uporabljamo za merjenje vrtilne hitrosti gredi. Gred oblikujemo tako, da ima zobe (slika 6 ali na gred npr. namestimo vijak ali drug feromagnetni material) da se vrti skupaj z grednjo in nanj usmerimo induktivni merilnik. Induktivni merilnik bo pri vsakem prehodu feromagnetnega materiala zaznal gibanje in bo na izhodu sprožil pulz. Hitrost teh pulzov je sorazmerna hitrosti vrtenja gredi, razmik med dvema pulzoma pa odgovarja določenemu pomiku ali kotu. Podobno v inkrementalnem načinu delujejo tudi optični senzorji. Induktivni in optični senzorji, uporabljeni na navedeni način, imajo digitalne izhode. 11

12 Za merjenje manjših razdalj in hitrosti počasi se spreminjajočih se gibanj, uporabljamo induktivne merilnike na način, kakršen je predstavljen na sliki 7. Slika 6. Induktivni senzor vrtilne frekvence, ki deluje inkrementalno. Senzorji, uporabljeni na ta način, imajo digitalni izhod Slika 7. Induktivni senzor pomika. Senzorji, uporabljeni na ta način, imajo analogni izhod. 4. Kapacitivni merilniki Kapacitivni senzorji delujejo na pricipu spreminjanja kapacitete (lastnost električnih kondenzatorjev, da so lahko nabiti z električnim poljem). V osnovi kapacitivni senzor sestavljata dve plošči z znano površino S, razmaknjeni za določeno razdaljo d in materialom med ploščama s permeabilnostjo ε. Kapacitivni senzorji so večinoma majhni in merijo majhne pomike. Kapacitivnost kondenzatorja z vzporednima ploščama se zapiše z enačbo εε S C = 0 d kjer je ε 0 dielektrična konstanta. Oblik kapacitivnih senzorjev je veliko število (1-spreminjanje razmika med ploščama, -izvlečenje dielektričnega materiala, 3-premikanje plošč in s tem zmanjšanje površine prekrivanja, 4-diferencialni kapacitivni senzorji z vmesno premično tretjo ploščo, 5-senzorji z variabilnim dielektrikom). Na sliki sta predstavljena dva tipa 1

13 kapacitivnih merilnikov pomika, s spreminjanjem razmika med ploščama in z izvlečenjem dielektričnega materiala. Kapacitivni senzorji se poleg merjenja lege in pomika uporabljajo še za mnoge druge namene, npr. za mikrofone, merjenje vlažnosti, tlaka itd. pomik pomik Slika 8. Delovanje kapacitivnih senzorjev za pomik. Levo: senzorju se spreminja kapacitivnost s spreminjanjem razdalje med ploščama kondenzatorja. Desno: senzorju se spreminja kapacitivnost z izvlečenjem sredice s permeabilnostjo ε. 5. Piezoelektični senzorji pomika Piezoelektrični senzorji delujejo na principu, da določene snovi razvijejo električni naboj, če jih deformiramo (jim spremenimo obliko). Ker je razviti električni naboj sorazmeren deformaciji, lahko naboj in s tem deformacijo izmerimo. Piezoelektrični materiali so kristali različnih vrst, keramika in polimeri. Ojačevalniki za piezoelektrične senzorje so zaradi majhne količine naboja, ki se pri deformaciji pretoči, zelo zapleteni in dragi. Imenujemo jih nabojni ojačevalniki. Njihova slabost je tudi ta, da v primeru mirovanja, ko se ne pretaka nič naboja med ojačevalnikom in sezorjem, njihovo delovanje ni stabilno, izhodni signal pa t.i plava. Piezoelektični merilniki so zelo hitri in jih uporabljamo za merjenje zelo hitrih in zelo majhnih pomikov, npr. vibracij. Piezoelektrični senzorji pomika so lahko navadni pospeškomeri, pri čemer moramo za določanje pomika pospešek integrirati po času. Druga področja uporabe so za mikrofone, hidrofone in dinamične merilnike sile. 13

14 Slika 9. Shema piezoelektričnih senzorjev. 6. Optični merilniki Z optičnimi (večinoma laserskimi) merilniki merimo razdalje običajno na principu triangulacije, v manjši meri pa delujejo senzorji tudi na principu merjenja časa preleta. Triangulacija je geometrijska metoda za merjenje razdalj. Razdalja od merilnika do odbojnega telesa je enaka R in je inverzno proporcionalna razdalji na senzorski plošči b f R =, u kjer je R razdalja do merjenega objekta, b oddaljenost oddajne odprtine od sprejemne odprtine na merilniku, f oddaljenost plošče od odprtine in u razdalja na senzorski plošči (glej sliko). S povečevanjem razdalje se kot med sevanim in odbitim žarkom manjša, zato se natančnost meritve poslabšuje. Slika 10. Levo: uporaba merilnikov z metodo triangulacije. Desno: izvedbe merilnikov razdalje za uporabo v procesni industriji. 14

15 Metoda merjenja časa preleta temelji na dejstvu, da je hitrost potovanja svetlobe konstantna, zato lahko za določanje razdalje uporabimo enačbo za enakomerno gibanje v t s =, kjer s razdalja, v hitrost in t čas preleta. Merilnik razdalje vsebuje izvor svetlobe in odbojno površino, ki jo namestimo na telo, katerega razdaljo merimo (slika). Izvor svetlobe izvorom svetlobe na odbojno prvšino Merilniki, ki delujejo na merjenju časa preleta se zaradi velike hitrost svetlobe uporabljajo za merjenje velikih razdalj nad 100 m. Glede na frekvence, kjer merilniki časa preleta delujejo, imajo imena kot so radar, sonar, lidar itd. Slika 11. Princip delovanja merilnikov na principu časa preleta 7. Ultrazvočni merilniki Ultrazvočni merilniki razdalje delujejo na principu merjenja časa preleta med senzorjem in tarčo. Princip merjenja razdalje časa preleta je opisan zgoraj. 15

16 Slika 1. Ultrazvočni industrijski merilnik nivoja tekočine v rezervoarju. 8. GPS merilniki - merjenje lege objekta z GPS navigacijo V kmetijstvu narašča potreba po določanju pozicije točk v prostoru in po iskanju točk v prostoru, ki ustreza določeni koordinat, čemur pravimo tudi precizno kmetijstvo. Uporabna vrednost takšnega sistema je v dejstvu, da je mogoče opravljati različna kmetijska dela (doziranje gnojil in škropil) na zelo velikih poljih, ki med seboj niso ločena s potmi ali mejami. V ta namen se uporablja satelitske sisteme GPS (global positioning system). Sistem GPS deluje na podobnem principu kot je princip triangulacije. Sateliti pošiljajo na zemljo signale o legi satelitov, podatek o času, kdaj je bil signal poslan, in podatke o medsebojnem gibanju satelitov (hitrosti). Na podlagi časa zakasnitve sprejema signala posameznega satelita sprejemnik na tleh iz signalov štirih satelitov reši sistem enačb za x, y in z. Če je na nebu vidnih več satelitov kot štirje, je natančnost meritve večja. Slika 13. Triangulacija sprejemnika GPS za določanje natančne lege sprejemnika. Slika kaže primer, ko dobi sprejemnik podatke od treh satelitov, s čimer določi dve možni točki nahajanja sprejemnika. 16

17 Merjenje mehanskih spremenljivk V sklop merjenja mehanskih spremenljivk sodijo meritve mase, teže, gostote, sile, navora in moči. Merjenje mase, teže in gostote Masa in teža sta večinoma zamenljivi spremenljivki. Masa je merilo za inercijo telesa pri mirovanju Maso je produkt gostote in volumna snovi m = V ρ kjer je m masa [kg], V volumen in ρ gostota. Teža je masa, pomnožena z zemeljskim gravitacijskim pospeškom g in ima enoto [N]. Merjenje mase je torej ekvivalentni merjenju teže, ker je gravitacijski pospešek znan. Pri izražanju smo večinoma netočni in zamenjujemo izraza za maso in težo. Gostoto merimo preko merjenja mase (teže) in volumna. Teža se meri s tehtanjem, ki je eden izmed najstarejših postopkov merjenja. Uporaba na področju kmetijstva in predelovalne industrije zajema tehtnice: - v mesnopredelovalni industriji (tirne tehtnice, talne tehtnice, zidne tehtnice) - cestne in vagonske tehtnice (tehtanje tovornjakov pri transportu krme, živali itd.) - tehtnice za tehtanje cistern in silosov (z merilnimi celicami za silo in senzorji za montažo v izvrtine) - žerjavne tehtnice - tehtnice za kontinuirno tehtanje (v predelovalni industriji za montažo na tekoči trak) - avtomatske kontrolne in etiketirne tehnice (kontrola dejanske mase predpakiranih proizvodov, izločanje proizvodov z maso izven tolerančnih meja) - tehtnice za polnjenje v vreče Princip delovanja: Preproste tehtnice so mehanske tehtnice z ročkami (lekarniške tehtnice), z vijačnimi listnatimi in torzijskimi vzmetmi. Elektronske tehtnice delujejo na principu merjenja sile z merilnimi celicami za silo. Merilna celica za silo je osnovni element pri meritvi teže, pri čemer pa je lahko merilna celica vgrajena na najrazličnejše načine, lahko pa se uporablja več merilnih celic za silo. Princip merjenja sile je opisan v naslednjem poglavju Merjenje sile. Sila F in masa m sta povezani z naslednjo zvezo F = m g kjer g gravitacijski pospešek. 17

18 Slika. Mehanske tehtnice za merjenje teže. Slika. Elektronske tehtnice. Zgoraj z leve: etiketirna tehtnica, tehtnica za polnjenje v vreče, cestna oz. vagonska tehtnica. Spodaj z leve: tirna tehtnica za uporabo v mesnopredelovalni industriji, talna tehtnica za uporabo v mesnopredelovalni industriji. Merjenje sile Merjenje sile se večinoma izvaja na principu merjenja deformacije (druge metode so predstavljene v nadaljevanju). Deformacija je posledica raztezka materiala zaradi delovanja sile. Kadar material obremenimo, se pri majhnih obremenitvah linearno raztegne. Velike obremenitve in deformacije materiala niso več linearne in nelinearno območje deformacij materiala za meritve ni primerno. Po prenehanju nelinearne obremenitve se material ne povrne več v prvotno stanje. Za izdelavo merilnih celic za silo izbiramo materiale, ki so trdni in imajo veliko elastičnost. Deformacijo lahko popišemo z Hookovim zakonom raztezka F = k x, 18

19 kjer je F sila, k vzmetna konstanta in x raztezek. Za merjenje raztezka materialov v merilnih celicah za silo uporabljamo merilne lističe. Merilni listič je na tanko folijo nanešena zelo dolga tanka žica, ki je zvita zako, da se ji pri raztezku v eno smer močno spremeni upornost, pri raztezku v drugo smer pa skoraj nič. Če merilni listič skrbno nalepimo na podlago, se mu upornost poveča, ko material obremenimo na nateg ali stisk. Pri meritvi je pomembna motilna spremenljivka temperatura. Merilnim lističem se upornost ne spreminja samo zaradi raztezka, temveč se kot vsaki kovini povečuje s povečanjem temperature. Merilne lističe zato poovezujemo v merilnih celicah tako, da se medsebojno kompenzirajo, zato jih je v merilnih celicah vedno vgrajenih več hkrati. Dodatne merilne lističe imenujemo tudi pasivni. Razlike v upornosti pri raztezkih so majhne, zato moramo meriti spremembo upornosti zelo natančno, to naredimo s t.i. Wheatstonovim mostičkom. Pri merjenju sile z merilnimi lističi lahko s pravilno razporeditvijo merilnih lističev zagotovimo natančno merjenje tudi v primeru, ko prijemališče ni natančno določeno (npr. tehtanje živega bika v primerjavi s tehtanjem svinjske polovice, obešene na kavlju). x F F elastično področje raztezkov porušitev materiala plastično področje raztezkov x Slika. Princip raztezka snovi, na katerem temelji meritev sile. Slika. Različne oblike merilnih lističev, desno je merilni listič s tremi elementi. 19

20 merilni listič R meritev napetosti U R R napajanje - izvor napetosti Slika. Wheatstonov mostiček za merjenje upornosti izbranega merilnega lističa. Zaradi napajanja mostička skozenj steče tok. Če je upornost merilnega lističa velika, je padec napetosti na njem v skladu z Ohmovom zakonom večji. Z modro barvo je predstavljen aktivni, s črno pa so predstavljeni pasivni merilni lističi. Slika. Merilni listič. Slika. Levo: merilna celica za silo (obremenitev na stisk ali nateg), v sredini: merilna celica za napetost, desno: merilna celica za vzvojno obremenitev. Velikost deformacij v materialu je odvisna od načina pritrditve in izvedbe merilnika sile. Izhajajoč iz tega so se razvili trije različni principi: 0

21 - konzolne izvedbe merilnikov, - opnaste izvedbe, - obročaste izvedbe. Merilne celice za silo so na voljo v različnih izvedbah glede na velikost sile in sicer od približno 30 N pa do več 10 kn. Merilna negotovost merilnih celic za silo je majhna in znaša pri dobrih merilnih celicah nekaj desetink % obsega. Cene zmerilnih celic za industrijsko rabo se gibljejo od 300 EUR dalje. Slika. Različne namestitve merilnih lističev v merilnih celicah. Zgoraj : konzolna izvedba, spodaj : obročasta izvedba. Poleg merjenja sile z merilnimi celicami z vgrajenimi merilnimi lističi uporabljamo za merjenje sile hidravlični princip, kapacitivne senzorje, piezoelektrične senzorje, induktivne senzorje itd. Piezoelektrični in kapacitivni senzorji so primerni za hitro se spreminjajoče obremenitve, niso pa primerni za merjenje statičnih obremenitev. Induktivni senzorji se uporabljajo v področju merjenja majhnih sil v območju nekaj N. Pri hidravličnem principu meritve sile merimo silo preko meritve tlaka v deformabilnem prostoru, na katerega merjena sila pritiska. Uporabljamo posode s togimi stenami, razen na mestu pritiska, kjer je nameščena deformabilna membrana. 1

22 Slika : Dva primera hidravličnega principa meritve sile. Meritev sile F pretvorimo v meritev tlaka p s tlačnim pretvornikom. Merjenje navora in moči Merjenje navora poteka na podoben način kot merjenje sile, le da gre pri merjenju sile za natezne ali tlačne deformacije, pri navoru pa za vzvojne. Pri vzvojni deformaciji je navor M produkt sile F in ročice r, na kateri deluje moment, enak M = F r Pri vrtenju nas pogosto zanima moč P, ki jo navor M ustvarja pri vrtilni frekcenci ω. Za merjenje moči moramo zato poznati tudi vrtilno frekvenco ω: P = M ω Navor in prek navora tudi moč lahko merimo na različne načine. Najpogostejši princip je z merilnimi celicami za navor. Ostali postopki so našteti v nadaljevanju. Merilne celice za navor delujejo na podobnem principu kot merilne celice za silo. Sestavljene so zaradi kompenzacije iz več merilnih lističev, ki so vsi nalepljeni na gred. Ločimo statične merilne celice (statični princip merjenja) in dinamične merilne celice (dinamični princip merjenja) za navor. Statična merilna celica se ne vrti, dinamična pa se vrti. Statično merilno celico vgradimo med uležajen mirujoči del (npr. elektromotor) in ohišje, dinamično merilno celico pa npr. med elektromotor in porabnik. Na gred valjaste oblike deluje sila, ki generira torzijski moment M. Pri torzijski obremenitvi pride do kotne deformacije, ki je največja v prečnih ravninah pod kotom 45. Glede na to so pod takim kotom postavljeni merilni lističi, ki merijo deformacije nastale pri zasuku merilnika. Pri deformaciji pojavljajo natezne in tlačne sile odnosno raztezki in skrčki odvisno od smeri obremenitve. Z ustrezno vezavo dosežemo seštevanje obeh fenomenov, kar povečuje občutljivost inštrumenta.

23 Slika: Izvedba merilne celice za merjenje navora z merilnimi lističi. merilna celica za navor ležaj sklopka elektromotor breme sklopka merilna celica za navor elektromotor breme Slika: Statični (zgoraj) in dinamični (spodaj) princip merjenja. Pri statičnem načinu merjenja je elektromotor uležajen in ni trdno pritrjen na tla. Merilna celica za navor preprečuje, da bi se elektromotor zavrtel. 3

24 Slika: Meritev navora - statični princip preko merjenja sile. Pri takem načinu merjenja moramo natančno določiti ročico - to je prijemališče sile na merilni celici za silo. Poleg merjenja navora z merilnimi lističi poznamo tudi načine meritve z merjenjem kota zasuka preko zelo finih dajalnikov kota, na magnetnem, hidravličnem principu itd. 4

25 Merjenje časa in frekvence Sekunda je ena izmed štirih osnovnih enot (poleg kelvina - temperatura, kilograma - masa in metra - dolžina). Merjenje časa je med vsemi merjenji najnatančnejše. Merjenje časa Meritve časa lahko razdelimo na dva različna tipa meritve : - merjenje časa dneva - relativno merjenje časovne razlike med dvema dogodkoma Merjenje časa dneva vsebuje merjenje dneva, ure, minute, sekunde itd. (npr. vprašanje koliko je ura). Meritev časa dneva je pomemna (omogoča delovanje) npr. pri sistemu za določanje lege GPS, a je omejena na natančno uro na satelitih. Za tehniške meritve mnogo bolj pomebno je relativno merjenje časovne razlike med dvema dogodkoma. Čas merimo s štetjem nekega periodičnega dogodka. To je npr. lahko nihaj nihala, ki zaniha enkrat na sekundo. Če je vsak nihaj obremenjen z določeno merilno negotovostjo, se absolutna negotovost z daljšanjem časa merjenja povečuje. Naprava, ki ponavlja določeno periodično dogodek ali nihanje, imenujemo tudi resonator. Ker resonator potrebuje energijo, da ponavlja periodično gibanje, mu je potrebno energijo dodajati. Prve ure so bila nihala različnih tipov (matematično nihalo, nihalo na vzmet, nihalo na polžasto vzmet itd.). V dvajsetem stoletju se je pojavil kvarčni kristalni oscilator, ki deluje na principu piezoelektričnih lastnosti kristala. Če električni tok priključimo na kvarčni kristal, bo začel nihati z lastno frekvenco, ki je odvisna od velikosti in oblike kristala. Kristali so zelo natančen način merjenja časa (negotovost okrog 100 mikrosekund na dan), a so občutljivi na okoljske pogoje kot so vlažnost in temperatura. Za najnatančnejše meritve se danes uporabljajo atomski oscilatorji (negotovost nekaj 10 nanosekund na dan). Pomemben element merjenja časa je sinhronizacija časa na velike razdalje. Merjenje frekvence Frekvenca je hitrost ponavljanja določenega dogodka. Frekvenco ν merimo tako, da merimo čas t med dvema zaporednima dogodkoma 1 ν =. t Merjenje frekvence opravljamo z (1) induktivnimi, kapacitivnimi in optičnimi senzorji, ki so priključeni na števec ali pretvornik iz frekvence v napetost, ter s () stroboskopi. Navedeni induktivni, kapacitivni in optični senzorji na svojem izhodu dajejo pravokotne signale. Zaradi tega ni dovolj, da jih uporabimo same zase, ker ne vemo, 5

26 kakšen je časovni interval med zaporednima pravokotnima signaloma. Tega je potrebno izmeriti, kar opravijo števci ali pretvorniki iz frekvence v napetost. Pretvorniki iz frekvence v napetost so sistemi za pretvorbo signalov, ki v svojem jedru v resnici skrivajo števec, imajo pa običajno še možnosti priključitve različnih tipov senzorjev (induktivni, optični...). Na sliki je predstavljeno delovanje induktivnega senzorja pri priključitvi na vrtečo gred. Slika. Delovanje induktivnega senzorja za vrtilno frekvenco. Slika. Uporaba induktivnih senzorjev za vrtilno frekvenco 6

27 Induktivni senzorji delujejo tako, da ustvarjajo v svoji okolici magnetno polje. Velikost magnetnega polja je od nekaj mm do nekaj cm od senzorja. Ko v to magnetno polje vstopi feromagnetni material (železo), se induktivnost tuljave spremeni, kot če bi vanjo vstavili železno jedro. Spremembo induktivnosti tuljave zazna dodani ojačevalnik, ki reagira na vse ali nič (izhod npr. 0 V ali 1 V, pri tokovnem izhodu npr. 0 ma ali 0 ma). Optični senzorji delujejo na principu oddajanja svetlobe iz oddajnika in merjenje (1) odbite () prepuščene svetlobe na sprejemniku. Izhodi optičnih merilnikov so po lastnostih podobni izhodom induktivnih merilnikov. Kapacitivni senzorji so podobni kot induktivni, vendar zaznavajo različne snovi, ne samo feromagnetnih snovi (železa). U(V) analogni izhod iz pretvornika f-u (pretvornik iz frekvence v napetost) hitro vrtenje srednje hitro vrtenje počasno vrtenje t(s) Slika. Vrednost izhoda induktivnega senzorja (črni pravokotni signali) in izhoda iz pretvornika iz frekvence v napetost. Delovanje števcev deluje na principu merjenja časa. Ko števec na vhodu dobi signalpulz npr. iz induktivnega merilnika, začne s štetjem z interno (vgrajeno) uro. Ura teče z zelo veliko frekvenco in na ta način zelo natančno izmeri čas med dvema pulzoma. Frekvence ure so od približno 10 khz do 100 MHz. Ko števec na vhodu izmeri naslednji pulz iz induktivnega merilnika, prekine štetje in na ta način izmeri čas med obema pulzoma. Nato števec začne z novim štetjem. 7

28 prvi pulz iz induktivnega merilnika drugi pulz iz induktivnega merilnika... števec čaka števec šteje z znano hitrostjo ure števec spremeni vrednost na izhodu in nadaljuje s štetjem Slika. Delovanje števca za merjenje časa med dvema pulzoma. Če pulza npr. ustrezata enemu obratu gredi stroja, je frekvenca vrtenja inverzna vrednost časa med pulzoma. Meritev s stroboskopom je naslednja možnost meritev vrtilne frekvence. Stroboskop ima vgrajeno natančno uro, ki sproži hitro luč (bliskavica, bliskavica se mora prižgati brez zakasnitve in hitro ugasniti). Človek, ki s stroboskopom upravlja, nato spreminja frekvenco osvetljevanja stroboskopa. Ko je frekvenca vrtenja gredi enaka frekvenci osvetljevanja, stroboskop osvetli vrtečo gred vedno ob enakem zasuku in navidezno se gred takrat ne vrti. Takrat lahko odčitamo frekvenco vrtenja gredi z zaslona stroboskopa ali na izhodu iz stroboskopa. t(s) 8

29 Merjenje lastnosti tekočin Pri merjenju lastnosti tekočin si bomo ogledali merjenje lastnost stacionarnih tekočin (tlak) in gibajočih se tekočin (hitrost in pretok). Tekočine so voda, olje, mleko, razne mešanice, zrak, tehnični plini itd. Merjenje tlaka Tlak p je definiran kot po površini enakomerno porazdeljena sila F na enoto površine S F p = S Enota za tlak je pascal (Pa), Pa je 1 bar. Tlak merimo lahko na dva načina, absolutno in relativno. Absolutna meritev tlaka je glede na vakuum, relativna pa glede na neko drugo točko, torej gre pri relativnem merjenju za merjenje razlike tlakov. Relativno meritev imenujemo tudi diferencialna meritev. Merimo lahko nadtlak (tlak, ki je višji kot v okolici) ali podtlak (tlak, ki je nižji kot v okolici). Merilnike tlaka imenujemo manometri. Mehanski merilniki tlaka Mehanski merilniki tlaka delujejo na principu, da npr. tekočinski stolpec uravnoteži merjeno tlačno razliko (take merilnike tlaka zato imenujemo tudi kapljevinski manometri), npr. da tlak upogne membrano itd. Mehanski merilniki tlaka so najnatančnejši možni inštrumenti za merjenje tlaka in jih uporabljamo za etalonska merjenja (etalon je natančna mera, ki se uporablja za umerjanje drugih merilnikov). Mehanski merilniki tlaka so - kapljevinski U cevni manometri - kapljevinski manometri s posodo - deformacijki manometri kapljevinski U cevni manometri Kapljevinski U cevni manometri delujejo na principu gravitacijskega uravnoteženja tlačne razlike z vodnim ali drugim tekočinskim stolpcem p = ρgh kjer je ρ gostota tekočine v manometru, g gravitacijski pospešek in h razlika višin tekočinskega stolpca. Posoda, v kateri je tekočina, je cevka, oblikovana v obliki črke U. Pri priključitvi dveh tlakov na vsak priključek U cevke se gladina v obeh krakih 9

30 spremeni. Tekočina v cevki deluje kot zaporni organ. Ker je presek v celotni cevki enak, se enaka količina vode, ki se v enem delu spusti, v drugem delu dvigne. Možno je tudi, da merimo samo en tlak, za drugega v tem primeru pravimo, da je priključen na okolico oz. atmosfero (meri tlak okolice ali atmosfere). Če izmerimo višinsko razliko tekočin v posodi, lahko po gornji enačbi izračunamo tlačno razliko med nadtlačnim in podtlačnim priključkom. Kot tekočino se uporablja vodo, petrolej in živo srebro. kapljevinski manometri s posodo Kapljevinski manometri s posodo so podobni kot U cevni manometri, vendar je en krak cevke nadomeščen s posodo. Posoda ima zelo velik presek, zato se v njej gladina skoraj nič ne spremeni, tudi ko se gladina v drugem kraku dvigne. Zaradi tega je merjenje višine enostavnejše, ker je ničla nepremična (ustreza gladini v posodi). V kapljevinskih manometrih s posodo je včasih cevka nagnjena npr. pod kotom 30. Zaradi nagnjene cevke se za enak tlak (višina tekočine ostane enaka), olajša odčitavanje, saj je cevka daljša. Manometer z nagnjeno cevko je primeren za merjenje manjših tlačnih razlik. podtlačni priključek nadtlačni priključek h nadtlačni priključek h Slika. Kapljevinski U cevni manometer (levo) in kapljevinski manometer s posodo. deformacijski manometri Deformacijski manometri delujejo na principu deformacije različnih cevk, kadar je v njih tlak. Deformacija je v skladu s Hookovim zakonom raztezka linearna v linearnem področju raztezka cevk. Raztezno karakteristiko določimo z umerjanjem, kar večinoma naredi proizvajalec manometra. Takšne manometre poznamo pod imenom peresni manometi ali tudi Bourdonovi manometri (cevko imenujemo Bourdonova cevka). Bourdonova cevka je na eni strani zaprta in zakrivljena cevka, na drugi strani pa je priključek za tlak. Ko je vnjej visok tlak, se cevka izravna. S tem ko se cevka izravna, premakne kazalec na številčnici. S takšnimi manometri merimo lahko samo tlake proti atmosferi, ne moremo pa meriti tlačne razlike (diferencialno) kot npr. pri U cevnih manometrih, so pa zelo zanesljivi in zelo poceni. 30

31 Slika. Bourdonova cevka, a) oblika Bourdonove cevke, b) skica različnih možnih presekov Bourdonovih cevk. Med mehanske deformacijske merilnike prištevamo tudi mehanske manometre na opne in merilnike na meh. Električni merilniki tlaka Električni merilniki tlaka delujejo na principu merjenja linearne deformacije membrane pri obremenitvi s tlakom. Meritev deformacije poteka električno z merilnimi lističi na podoben način kot smo opisali pri merjenju sil. Merilniki tlaka imajo v številnih primerih prigrajen zaslon, elektroniko, ki skrbi za komunikacijo z ostalimi napravami, možnost povprečenja, preračunavanja... Merilni obsegi za električne merilnike tlaka so od zelo majhnih tlakov (obseg od 0 do 10 mbar) do zelo velikih tlakov (nekaj 100 bar). Pomembno je, da senzorje vgradimo na pravilen način. Paziti moramo npr. da se nam v priključnih cevkah ne nabira kondenz ali da nam v merilno celico ne teče kondenz. V tem primeru je potrebno dodati v napeljavo izločevalnike kondenza. Sodobni električni merilniki tlaka so zelo natančnosti in dosegajo merilne negotovosti 0,075% merjenega obsega (pri obsegu 1 bar = Pa to ustreza 75 Pa). Slika. Shema merilnega dela eketričnega tlačnega merilnika. Številke ob skici predstavljajo 1- votlina, ki je povezavi z vhodnim tlakom (+ ali nadtlak), - procesni priključek, 3 - tesnilo, 4 - ohišje merilne celice, 5 - tlačni senzor, 6 - membrana (za preprečevanje preobremenitve ima obliko, da se membrana nasloni na ohišje), 7 - tesnilna membrana, 8 - polnilna tekočina (večinoma silikonsko olje), 9 - votlina, ki je povezavi z vhodnim tlakom (- ali podtlak) 31

32 Slika. Električni merilnik tlaka. Levo absolutni merilnik, desni štirje tlačni merilniki so diferencialni. Merjenje pretoka Merjenje pretoka je prisotna v procesni industriji na vsakem koraku. Potreba po merjenju pretoka se pojavi vselej, kjer se transportirajo fluidi (bencin, olje, mleko, vroč ali hladen zrak, vodna para,...). Pretok je večinoma po zaprtih ceveh in le redko po odprtih kanalih. Povezava med hitrostjo toka v cevi in je V& = v A kjer je V& pretok, v hitrost in A površina oziroma presek cevi. Meritve pretoka ne sodijo med zelo zanesljive meritve, % natančnost je pri meritvah pretoka zelo visoka. Pogosto se pri stisljivih fluidih ali flidih, ki se jim spreminja gostota, uporablja meritev masnega pretoka. Povezava med masnim in volumskim pretokom je m & = V & ρ kjer je m & masni pretok in ρ gostota. Pri plinih je gostota odvisna od tlaka in temperature, pri tekočinah pa je približno konstantna. Pri merjenju pretoka plinov je zato pomembno, da navedemo tudi gostoto (ali tlak in temperaturo). Pri različnih tipih merilnikov pretoka se srečamo z različnimi zahtevami glede na tip toka v cevi in zahteve cevovodnega in prečrpovalnega sistema. Pomembne lastnosti so - padec tlaka nekateri merilniki predstavljajo upor za tok. V tem primeru je potrebno ob vgradnji takšnega merilnika upoštevati, da se bo pretok fluida ob vgraditvi merilnika pretoka zmanjšala oziroma bo potrebno za vzdrževanje enakega pretoka povečati moč črpalke. - turbulentnost toka : turbulentnost (neravnovesnost) toka vpliva na merilno negotovost. Če je npr. na enem delu cevi hitost toka različna kot na drugem delu cevi, se pri meritvi pojavi dodatna merilna negotovost, niso pa vsi merilniki enako občutljivi na spremembe v turbulentnosti toka. 3

33 Merilniki pretoka delujejo na različnih fizikalnih principih, zato merilnike pretoka delimo na naslednje vrste: - merilniki na principu tlačne razlike na zožitvah - rotametri - volumetrični in turbinski merilniki pretoka - merilniki na principu spremembe smeri masnega toka - korelacijski merilniki - akustični merilniki - kalorimetrični merilniki Merilni pretvorniki na principu tlačne razlike na zožitvah Na zožitvah, ki so vgrajene v pretočne cevovode nastaja pri pretoku tlačna razlika, ki je proporcionalna trenutnemu volumskemu ali masnemu pretoku. Glede na enostavnost merjenja je ta postopek zelo razširjen. Zaslonka je ena od najpogosteje uporabljenih konstrukcijskih izvedb zožitev. Poleg te se uporabljajo tudi zožitve v obliki»venturijeve cevi«ali normiranih šob. Odvisnost med tlačno diferenco in hitrostjo fluida na merilniku pretoka je podana z Bernoulijevo enačbo: ρv + p = cons kjer je: v - hitrost p - tlak ρ - gostota medija Na zožitvi se hitrost poveča, tlak pa zmanjša. Ob predpostavki, da je gostota fluida konstantna lahko za merilni ravnini 1 in na merilnku pretoka zapišemo: v 1 A 1 p = = v p 1 A p = ( v v1 ) ρ in izrazimo hitrost v poljubno izbranem preseku v odvisnosti od izmerjene tlačne diference na merilniku: v = p ρ 1 A A 1 Volumski pretok je določen z: 33

34 V& = v A = A A 1 A 1 p ρ Dejanski volumski in masni pretok se razlikujeta od teoretične vrednosti. Ta odstopanja so povezana z realnimi karakteristikami toka. Glede na to so oblikovane empirične relacije, ki jih uporabimo namesto prvega dela gornje enačbe. Končna enačba za pretok se glasi V& = k p ρ Slika. Izvedba zaslonke v skladu s standardom DIN (levo) in struktura toka na zaslonki (desno) Merilniki za principu zožitve se uporabljajo predvsem pri merjenju pretokov površinskih vod. V tem primeru pretok merimo preko višine vode pred zastojnim telesom. Slika. Merjenje pretoka komunalne odpadne vode na čistilni napravi Ptuj z venturijevo zožitvijo. Na levi strani je vidna roka z ultrazvočnim merilnikom višine vode na delu kanala pred zožitvijo. Rotametri 34

35 Rotameter je zanesljiv in preprost merilnik pretoka za tekočine in pline in se ga veliko uporablja za cevi premera do 100 mm. V osnovni obliki je rotameter sestavljen iz koničnega transparentnega konične steklene cevke, ki vsebuje zastojno telo. Rotameter je dobil ime po tem, ker so nekatera zastojna telesa oblikovana tako, da se v toku vrtijo, zaradi česar so v toku stabilnejša (ne nihajo). Zastojno telo se s povečanjem pretoka v cevi dvigne in s tem se poveča špranja okrog zastojnega telesa. Telo se stabilizira na višini, kjer je doseženo ravnovesje med silami gravitacije, upora in vzgona.. Rotametri so zanesljivi, preprosti in imajo majhen tlačni padec. Njihova slabost je težavno povezovanje v merilne sisteme. Kljub temu na trgu obstajajo izvedbe, ki imajo stikala za mejne velike ali male pretoke ali celo analogne izhode za vrednost pretoka. Slika. Rotameter (levo) in možne oblike teles (desno). Volumetrični in turbinski merilniki pretoka Volumetrični merilniki pretoka delujejo na principu, da na eni strani merilnika vzamejo določeno količino fluida in jo prenesejo na drugo stran merilnika. Volumen prenešenega fluida je enak volumnu votline v merilniku in je vedno enak. Prenešeni volumen je pri prenašanju ločen od ostaliega fluida. Merilnik pretoka šteje prenešene dele fluida in na ta način izmeri skupen pretok. Pomembno je, da je pri takšnem tipu merilnika tesneje kvalitetno izvedeno, da se prenešeni volumen po špranjah ne pretaka na eno ali na drugo stran merilnika. Zaradi dejstva, da pri enem obratu merilnik prenese en volumski element, so merilniki v veliki meri neodvisni od tipa toka na vstopu (laminaren, turbulenten), zato jih lahko montiramo takoj za koleni, ventili itd. Volumetrični merilniki so zelo natančni, vendar dragi in veliki. Slika. Volumetrični merilniki pretoka, zaporedne slike delovanja. Prikazana je izvedba z dvema rotorjema. 35

36 Turbinski merilniki delujejo na principu merjenja vrtilne frekvence rotorja (vetrnice), ki je vgrajena v merilnik. V nasprotju z volumetričnimi merilniki tu tesnenje ni bistvenega pomena. Vrtilna frekvenca rotorja je proporcionalna volumskemu pretoku fluida. V & = k ω Konstanta k vsebuje vse lastnosti merilnika pretoka, in se določi na etalonskih preskuševališčih. Značilno za to konstanto je, da je v celotnem obratovalnem področju konstantna. Turbinski pretvorniki se uporabljajo v merilnem področju od 0.01 l/min do l/min. Najpogosteje se uporabljajo v naftovodnih in plinovodnih sistemih. So izredno odporni na tlačne obremenitve, kemijske vplive in hitrostne pulzacije. Izhod iz merilnika pretoka je največkrat električni induktivni ali optični, torej pulzirajoč. Slabost je trenje v ležajnih ohišjih, ki je po naravi nelinearno s histereznimi efekti in se s časom spreminja. Zaradi tesnenja ne moremo meriti toka z velikim deležem nečistoč, kar še posebej velja za volumetrične merilnike. Slika. Turbinski merilniki pretoka, sheme različnih izvedb. 36

37 Slika. Turbinski merilniki pretoka, izvedba z dvema turbinama. Merilniki pretoka na principu spremembe smeri toka (Coriolisovi merilniki) Merilniki pretoka na principu spremembe smeri toka so namenjeni merjenju masnega toka. Imenujemo jih tudi Coriolisovi merilniki. To je npr. zelo pomembno pri meritvah dotoka goriva v porabnike, kjer se gostota goriva običajno spreminja. Merilnik pretoka na principu spremembe smeri merijo direktno masni tok, to pa pomeni, da gostote ni potrebno poznati. Dodatno na pretok ne vplivajo temperatura, tlak, viskoznost itd. Merilniki delujejo na principu merjenja sil na cevko, ki jo vibriramo z električnimi sredstvi. Ko teče skozi vibrirajočo cevko tok fluida, se pojavi na cevki navor, ki skuša cevko zviti, kar lahko izmerimo (glej sliko). Coriolisovi merilniki nimajo vrtečih delov, zato niso podvrženi obrabi. Cene Coriolisovih merilnikov so zelo visoke. Ta tip merilnikov pretoka slovi po natančnosti, ki znaša od 0.5 % do %. Slika. Delovanje Coriolisovega merilnika pretoka. Zgoraj: reakcijska sila fluida na cev pri nihanju cevi. V sredini pogled od spredaj v primeru, ko skozi merilnik tok ne teče. Spodaj pogled od spredaj, ko skozi merilnik teče tok. 37

38 Korelacijski merilniki pretoka Korelacijski merilniki pretoka temeljijo na meritvi časovne zakasnitve med dvema merilnima točkama na transportnem sistemu glede na izbrano opazovano lastnost. Opazovana lastnost je lahko: - kemična sestava, - temperatura, - radioaktivnost.. Volumski ali masni pretok je ocenjen z izmerjeno hitrostjo širjena lastnosti in presekom (površino cevi). Akustični merilniki Akustični merilniki pretokov delujejo na principu širjenja zvočnih valov v pretočnem polju merilnika. Kalorimetrični merilniki Pri kalorimetričnih merilnikih se z dovajanjem konstantnega toplotnega toka lahko določi z meritvijo temperaturne diference pred in za merilnikom masni pretok snovi. Pri tem je potrebno upoštevati termodinamske in snovne lastnosti pretočnega medija. Merjenje hitrosti toka Hitrost toka merimo s točkovnimi metodami, med katerimi se največkrat uporabljajo Pitotove cevi, anemometri na vetrnico in anemometri na vročo žičko. Anemometer je naprava za merjenje hitrosti vetra. Meritve hitrosti toka s Pitotovo cevjo Pitotova cev je votla dvojna cev, ki ima na merilnem delu luknjice na sprednjem delu in na steni. Pri meritvi hitrosti toka s Pitotovo cevjo moramo meriti tlak na dveh priključkih, (1) za statični tlak in za () titalni tlak. Statični tlak je tlak v prostoru, ki ni zvezan s hitrostjo. Merimo ga na stranskih priključkih Ptitotove cevi. Totalni ali skupni tlak je tlak, ki ga namerimo na sprednji odprtini Pitotove cevi in je vsota statičnega tlaka in dinamičnega tlaka. Dinamični tlak je tlak, ki je razlika med totalnim in statičnim tlakom in je hkrati merilo za hitrost toka. Pitotove cevi priključimo tako, da na + priključek tlačnega pretvornika ali kapljevinskega manometra priključimo totalni tlak, na - priključek tlačnega pretvornika pa statični tlak. Tlačni pretvornik na prikaže njuno razliko, to pa je dinamični tlak. 38