Ψηφιακός έλεγχος και μοντελοποίηση συστήματος μέτρησης θερμοκρασίας αποστακτήρα και ανάπτυξη του στο πρόγραμμα matlab

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Ψηφιακός έλεγχος και μοντελοποίηση συστήματος μέτρησης θερμοκρασίας αποστακτήρα και ανάπτυξη του στο πρόγραμμα matlab ΔΙΓΚΑΣ ΜΑΡΙΟΣ ΑΕΜ: 7069 Επιβλέπων καθηγητής : Ξένος Θωμάς Θεσσαλονίκη, Μάρτιος

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΔΙΓΚΑΣ ΜΑΡΙΟΣ ΑΕΜ: 7069 Επιβλέπων καθηγητής : Ξένος Θωμάς Θεσσαλονίκη, Μάρτιος

3 3

4

5 Περιεχόμενα Contents Περιεχόμενα... 5 Ευχαριστίες... 7 Περίληψη... 9 Abstract... 9 Εισαγωγή Απόσταξη Βρασμός εξάτμιση συμπύκνωση Μέθοδοι απόσταξης Διαφορική απόσταξη Παραδοσιακός άμβυκας Αναπόσταξη Κλασματική στήλη Ανεπιθύμητες ουσίες κατά την απόσταξη Διαδικασία απόσταξης Η χρήση χαλκού στην κατασκευή του άμβακα Βραστήρας Θερμόμετρα τύπου RTD Τύποι PRT s Μέτρηση αντίστασης Διάταξη μέτρησης θερμοκρασίας μέσω της κάρτας ήχου υπολογιστή Το Θερμόμετρο Πλατίνας RTD PT Σύνδεση θερμομέτρου στην κάρτα ήχου To υπολογιστικό σύστημα ελέγχου Συμπεράσματα Βιβλιογραφία Παράρτημα Α

6

7 Ευχαριστίες Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή κύριο Ξένο Θωμά για την συνεχή ενθάρρυνση καθώς και για την πολύτιμη βοήθεια του στο πλαίσιο εκπόνησης της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Επίσης ένα μεγάλο ευχαριστώ στους γονείς μου για την υποστηρίξει τους καθ όλη την διάρκεια τον σπουδών μου, για την συνεχή τους ενθάρρυνση καθώς και για την υπομονή τους. 7

8

9 Περίληψη Στο πλαίσιο της διπλωματικής αυτής εργασίας υλοποιούμε τον κρίσιμο έλεγχο της θερμοκρασίας του βραστήρα ενός αποστακτήρα και κατ επέκταση της θερμαντικής εστίας του. Η υλοποίηση μας βασίζεται στο αναλογικό όργανο μέτρησης θερμοκρασίας RTD PT100 το οποίο συνδέουμε διά μέσω της κάρτας ήχου ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή. Έπειτα ακολουθεί η επεξεργασία του σήματος ώστε να αναχθεί ψηφιακά πλέον στην θερμοκρασία διά μέσου του προγράμματος matlab. Στο πρόγραμμα αυτό τέλος αναπτύσσεται το συνολικό μοντέλο λειτουργίας όπου επίσης ανάλογα με τη θερμοκρασία ελέγχεται και η λειτουργία της θέρμανσης του βραστήρα. Λέξεις κλειδιά: Αποστακτήρας, Απόσταξη, Βραστήρας, Θερμόμετρο RTD PT100, Έλεγχος θερμοκρασίας, Κάρτα ήχου, matlab Abstract As part of this diplomatic work implement the critical control of the boiler temperature of a distiller and therefore the heating of the outbreak. Our implementation is based on the analog thermometer RTD - PT100 which connect with through the sound card of a computer. Then follows signal processing to become more digital temperature through the matlab program. This program finally developed the overall operating model where also depending on the temperature is controlled and the operation of the heating boiler. Keywords: Distiller, Distillation, Boiler, RTD - PT100 thermometer, temperature control, pc sound card, matlab 9

10

11 Εισαγωγή Ο έλεγχος της θερμοκρασίας του βραστήρα κατά την απόσταξη στην παραγωγή αλκοολούχων ποτών, είναι ύψιστης σημασίας, δεδομένης της ευαισθησίας της διεργασίας στις μεταβολές της θερμοκρασίας αλλά και της απαίτησής της παρασκευής ενός αποδεκτού προϊόντος. Πέραν όμως της ποιότητας του τελικού προϊόντος, υπάρχει ο κίνδυνος εμφάνισης και τοξικών/ επικίνδυνων ή μη επιθυμητών ουσιών όπου θα πρέπει να αποφεύγονται. Η παρούσα εργασία, εξετάζει την δημιουργία ενός συστήματος ελέγχου της θερμοκρασίας στον βραστήρα (με απώτερο στόχο την διατήρηση του σε σταθερή θερμοκρασία) ενός αποστακτηρίου με χρήση θερμομέτρου τύπου RTD (Platinum Resistance Thermometer) και ενός υπολογιστή. Η μέτρηση του θερμομέτρου θα λαμβάνεται από τον υπολογιστή μέσω της κάρτας ήχου του, για τον οποίο σκοπό δημιουργήθηκε εξ ολοκλήρου το κατάλληλο κύκλωμα σύνδεσης. Στον υπολογιστή, και συγκεκριμένα στο περιβάλλον Simulink του Matlab δημιουργήθηκε το σύστημα ελέγχου της διαδικασίας. Εν τάχει, το σύστημα λαμβάνει την μέτρηση της θερμοκρασίας του αποσταγμένου υγρού, την ελέγχει με τα επιτρεπτά όρια, και ανάλογα θέτει σε λειτουργία το βραστήρα για την αύξηση της ή τον κλείνει για την διατήρηση ή πτώση της. Όλα τα παραπάνω, περιγράφονται αναλυτικά στα κεφάλαια της εργασίας. Στο πρώτο κεφάλαιο αναλύεται η διαδικασία της απόσταξης, η λειτουργία, οι περιορισμοί και οι απαιτήσεις. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η δομή και λειτουργία των RTD s καθώς και οι απαιτήσεις σύνδεσης τους για λήψη μέτρησης. Τέλος, στο τρίτο κεφάλαιο της εργασίας, παρουσιάζονται η συνδεσμολογία για την λήψη μέτρησης της θερμοκρασίας από τη κάρτα ήχου του υπολογιστή, καθώς και το σύστημα ελέγχου. Η εργασία κλείνει με τα ανάλογα συμπεράσματα, καθώς και την σχετική βιβλιογραφία. 11

12

13 1. Απόσταξη Η απόσταξη είναι ένα σύνθετο φαινόμενο, που παρουσιάζει αρκετές δυσκολίες στην προσέγγιση του, τόσο από θεωρητική όσο και από πρακτική άποψη. Ωστόσο είναι απαραίτητη η κατανόηση της προκειμένου να ελεγχθούν οι συνθήκες κάτω από τις οποίες λειτουργούν οι αποστακτικές συσκευές. Μόνο με τον τρόπο αυτό είναι δυνατό να συντελεστεί ο καλύτερος χειρισμός τους, ώστε η ποιότητα των παραγόμενων αποσταγμάτων να είναι σταθερά η καλύτερη δυνατή, όσον εξαρτάται από την αποστακτική διαδικασία, και με το μικρότερο ενεργειακό κόστος. Η εξασφάλιση των παραμέτρων αυτών σημαίνει τελικά μεγαλύτερη απόδοση της αποστακτικής διεργασίας. Η εμπειρία του αποστάκτη, παρ' όλα αυτά, είναι ένα σπουδαίο προσόν στην εφαρμογή της αποστακτικής διαδικασίας και συμπληρωματική στη θεωρητική κατάρτιση. 1.1 Βρασμός Εξάτμιση Συμπύκνωση Η απόσταξη αποτελεί μια φυσικοχημική διεργασία με την οποία διαχωρίζουμε υγρά μίγματα στα συστατικά από τα οποία αποτελούνται. Πιο συγκεκριμένα συνίσταται στην εξάτμιση δια βρασμού ενός υγρού και στη μετέπειτα συμπύκνωση των σχηματισθέντων ατμών σε υγρό, του οποίου η σύσταση διαφέρει από το αρχικό. Για να διαχωρίσουμε, δηλαδή, το πτητικότερο συστατικό που περιέχεται σε ένα υγρό, το υγρό θερμαίνεται κάτω από σταθερή πίεση μέχρι το σημείο βρασμού του. Στο σημείο βρασμού οι τάσεις των ατμών που δημιουργούνται είναι ίσες με την εξωτερική πίεση. Η θερμοκρασία που παρατηρείται τη στιγμή αυτή είναι η θερμοκρασία βρασμού ή ζέσεως του υγρού, η οποία βέβαια διαμορφώνεται ανάλογα με τη σύσταση του υγρού μίγματος. Σημειώνεται ότι στα μίγματα συστατικών ο βρασμός (η εμφάνιση της πρώτης φυσαλίδας) αρχίζει σε μια θερμοκρασία α και συνεχίζεται μέχρι να φτάσει σε μια υψηλότερη θερμοκρασία β, όπου εξαερώνεται η τελευταία φυσαλίδα. Δεν υπάρχει, δηλαδή, ένα σημείο βρασμού, όπως στις καθαρές ουσίες, αλλά μια περιοχή βρασμού, η οποία εκτείνεται μεταξύ των δυο καμπυλών, όπως φαίνεται στην εικόνα 1. Οι σχηματιζόμενοι ατμοί στην αρχή θα είναι πλουσιότεροι σε αυτό 13

14 το συστατικό, ενώ στη συνέχεια θα γίνονται προοδευτικά φτωχότεροι. Η υγρή και η αέρια φάση διέπονται από τους νόμους που αναλύονται πιο κάτω. Αν ψύξουμε τους παραγόμενους ατμούς παρατηρούμε ότι συμπυκνώνονται σε σταγόνες, οι οποίες συναθροισμένες ανασχηματίζουν μια υγρή φάση στην οποία το προς διαχωρισμό συστατικό περιέχεται σε μεγαλύτερη ποσότητα από ότι στο αρχικό υγρό. Η διαφορά σύστασης, λοιπόν, η οποία παρατηρείται μεταξύ του αρχικού και του τελικού υγρού - τουλάχιστο θεωρητικά - αποτελεί ένδειξη ότι η διεργασία της απόσταξης είναι η τεχνική η οποία δύναται να χρησιμοποιηθεί για να διαχωριστούν και να συλλεχτούν στη συνέχεια τα πτητικά συστατικά ενός μίγματος. Η δυνατότητα αυτή, εξάλλου, επιβεβαιώνεται από τη χρησιμοποίηση της απόσταξης - στην απλούστερη μορφή της - προκειμένου να προβούμε στο διαχωρισμό και παραλαβή της αιθυλικής αλκοόλης και των αρωματικών συστατικών, που περιέχονται σε ζυμωμένα υγρά ζαχαρούχων ή άλλων αμυλούχων υλών απ' όπου παράγονται τα αποστάγματα. Η σύσταση του ατμού, που βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία με υγρό ορισμένης σύστασης, υπολογίζεται πειραματικά και δίνεται από το διάγραμμα θερμοκρασίας - σύστασης (εικ. 1). Σε μια τυπική περίπτωση ενός υγρού μίγματος αποτελούμενο από δυο ουσίες Α και Β π.χ. βενζολίου - τολουολίου, που βρίσκεται σε βρασμό κάτω από σταθερή πίεση, η καμπύλη ABC δείχνει τη σύσταση του υγρού αυτού σε κάθε θερμοκρασία Τϊ, ενώ η ADC δείχνει την αντίστοιχη σύσταση του ατμού. Από τις δυο αυτές καμπύλες προκύπτει ότι όσο αυξάνει η θερμοκρασία βρασμού τόσο η περιεκτικότητα του υγρού καθώς και του ατμού στο πτητικότερο συστατικό μειώνεται. Παράλληλα φαίνεται ότι για την ίδια θερμοκρασία η φάση του ατμού είναι πλουσιότερη, στο εν λόγω συστατικό, σε σχέση με το υγρό από το οποίο αυτή προήλθε. 14

15 Εικόνα 1 Διάγραμμα θερμοκρασίας - σύστασης σε σταθερή πίεση για το δυαδικό μίγμα βενζολίου - τολουολίου Εικόνα 2 Διάγραμμα θερμοκρασίας - σύστασης σε σταθερή πίεση για το δυαδικό μίγμα ακετόνης - διθειάνθρακα Έτσι, στην εικ. 1, υγρό με συγκέντρωση χ-, σε κάποιο πτητικό συστατικό, που αντιστοιχεί στο σημείο Β, θα βράζει σε θερμοκρασία T1f ενώ ο ατμός που θα βρίσκεται σε ισορροπία με το 15

16 υγρό αυτό θα περιέχει το εν λόγω συστατικό σε συγκέντρωση y1 η οποία αντιστοιχεί στο σημείο D. Γενικά μπορούμε να πούμε ότι σε δεδομένη θερμοκρασία Τ για κάθε συγκέντρωση χ του πιο πτητικού συστατικού στο υγρό, ο ατμός που σχηματίζεται από αυτό θα έχει αντίστοιχη συγκέντρωση γ η οποία θα είναι μεγαλύτερη από τη χ. Τούτο ισχύει βέβαια για ορισμένα όρια της θερμοκρασίας. Όπου χ είναι το μοριακό κλάσμα ή η συγκέντρωση του πιο πτητικού συστατικού στο υγρό και y η αντίστοιχη τιμή στον ατμό, τη δεδομένη στιγμή. Ωστόσο, υπάρχουν μίγματα υγρών όπου οι παραπάνω παρατηρήσεις δεν ισχύουν πάντα. Πράγματι, σε ένα άλλο δυαδικό μίγμα που αποτελείται από ακετόνη και διθειάνθρακα (εικ. 2), υπάρχει μία χαρακτηριστική συγκέντρωση xg, όπου ο ατμός έχει την ίδια σύσταση με το υγρό. Το γεγονός αυτό δείχνει ότι στην προαναφερόμενη συγκέντρωση με το βρασμό δεν επέρχεται καμία μεταβολή στο μίγμα και επομένως ούτε και διαχωρισμός των συστατικών του. Το φαινόμενο αυτό καλείται αζεοτροπισμός και τα ιδιόμορφα αυτά μίγματα αζεοτροπικά (α + ζέω + τροπή: δηλαδή βρασμός χωρίς μεταβολή) ενώ απαιτούνται ειδικές μέθοδοι για να επέλθει ο διαχωρισμός των συστατικών τους. Για συγκεντρώσεις διαφορετικές από την xg, ο ατμός που θα σχηματισθεί θα έχει διαφορετική σύσταση από ότι το υγρό, όπως φαίνεται στην εικ. 2. Παρόμοια περίπτωση αποτελεί το μίγμα αιθανόλης - νερού. Όπως φαίνεται στην εικ. 3, το δυαδικό μίγμα γίνεται αζεοτροπικό, όταν η αιθυλική αλκοόλη στο αποσταμένο υγρό και στο παραλαμβανόμενο απόσταγμα φθάνει στο 95,5% κ.β. στους 78,1 C. Πέραν αυτού του σημείου δεν είναι δυνατός ο διαχωρισμός των συστατικών και καταφεύγουμε σε άλλες μεθόδους για την απομάκρυνση της αλκοόλης. 16

17 Εικόνα 3 Διάγραμμα θερμοκρασίας - σύστασης σε σταθερή πίεση για το δυαδικό μίγμα αιθανόλης - νερού Εκτός από το διάγραμμα θερμοκρασίας - σύστασης μια άλλη βασική σχέση, που περιγράφει την ισορροπία ατμών - υγρού, είναι η σχέση των συγκεντρώσεων χ και y του πτητικού συστατικού στην υγρή και στην αέρια φάση, αντίστοιχα. Αυτή παριστάνεται με τα διαγράμματα των εικόνων 4, 5 και 6 για τα μίγματα βενζολίου - τολουολίου, ακετόνης - διθειάνθρακα και αιθανόλης - νερού αντίστοιχα. Στην εικ. 5, εκεί που τέμνεται η διαγώνιος από την καμπύλη ισορροπίας, έχουμε αζεοτροπικό μίγμα. Στην εικ. 6 αζεοτροπικό μίγμα έχουμε εκεί όπου καταλήγει η καμπύλη ισορροπίας. 17

18 Εικόνα 4 Διάγραμμα ισορροπίας ατμών - υγρού σε σταθερή πίεση για το δυαδικό μίγμα βενζολίου - τολουολίου Εικόνα 5 Διάγραμμα ισορροπίας ατμών - υγρού σε σταθερή πίεση για το δυαδικό μίγμα ακετόνης διθειάνθρακα 18

19 Αυτές οι καμπύλες (ή διαγράμματα) ισορροπίας αποδίδονται με τις ανάλογες εξισώσεις και είναι χαρακτηριστικές για κάθε δυαδικό μίγμα. Αναφέρονται δε σε συνθήκες σταθερής πίεσης, ενώ με την αλλαγή της πίεσης ανατρέπεται η ισορροπία τους και δεν ισχύουν με τη μορφή που απεικονίζονται. Σημειώνεται, επιπλέον, ότι η πλειοψηφία των αποστάξεων στην οινοπνευματοποιία και αποσταγματοποιία γίνεται ουσιαστικά σε σταθερή πίεση. Η ισορροπία του συστήματος ατμών - υγρού διέπεται από τους φυσικοχημικούς νόμους και τις εξισώσεις, στις οποίες βασίζεται η διεργασία της απόσταξης και που θα δούμε αμέσως μετά. Εικόνα 6 Διάγραμμα ισορροπίας ατμών - υγρού σε σταθερή πίεση για το δυαδικό μίγμα αιθανόλης - νερού 1.2 Μέθοδοι απόσταξης Οι μέθοδοι απόσταξης στηρίζονται στο θεμελιώδη κανόνα του Konowaloff, ότι δηλαδή: για ένα δυαδικό σύστημα, ο ατμός είναι πλουσιότερος στο πτητικότερο συστατικό από ότι το υγρό προέλευσής του (Γιαννακου- δάκης και Μάτης, 1983). Στην πράξη οι κύριες μέθοδοι απόσταξης διακρίνονται σε δυο ευρύτερες κατηγορίες: 19

20 στην απόσταξη χωρίς αναρροή, στη διάρκεια της οποίας ο ατμός - ως έχει ή συμπυκνωμένος απομακρύνεται από τον αποστακτήρα. Σε αυτήν περιλαμβάνονται η διαφορική απόσταξη και η απόσταξη με εκτόνωση. Η δεύτερη αυτή μέθοδος χρησιμοποιείται κυρίως στον πετροχημικό τομέα. στην απόσταξη με αναρροή (αναπόσταξη ή rectification), όπου μέρος του συμπυκνωμένου ατμού επιστρέφει στον αποστακτήρα ως κατερχόμενο υγρό ρεύμα, ενώ παράλληλα έρχεται σε επαφή με το ανερχόμενο ρεύμα του παραγόμενου ατμού. Στην απόσταξη αλκοόλης, που εφαρμόζεται στην οινοπνευματοποιία και στην αποσταγματοποιία, οι πιο συνήθεις μέθοδοι είναι οι δυο προηγούμενες. Ωστόσο, υπάρχουν και άλλες μέθοδοι, οι οποίες διαφέρουν ως προς την εφαρμοζόμενη τεχνική. Τέτοιες μέθοδοι είναι η απόσταξη με υδρατμούς, η απόσταξη υπό κενό και τώρα τελευταία οι διεργασίες διαχωρισμού με μεμβράνες. Από αυτές, οι δυο τελευταίες εφαρμόζονται λιγότερο στην απόσταξη αλκοόλης αλλά περισσότερο στην παραγωγή αιθέριων ελαίων. Η πορεία της απόσταξης, ανάλογα με τον τρόπο τροφοδοσίας της πρώτης ύλης προς απόσταξη, μπορεί να είναι συνεχής (distillation continue) ή ασυνεχής (distillation discontinue ή batch distillation). Η πρώτη εφαρμόζεται στη βιομηχανία οινοπνεύματος, εξαιτίας του αυξημένου όγκου παραγωγής, ενώ η δεύτερη στην αποσταγματοποιία. Η συνεχής απόσταξη χρησιμοποιείται, επίσης, και από την αποσταγματοποιία για την απόσταξη οίνου σε χώρες που έχουν αναπτύξει σημαντικά την τεχνολογία των αμπελοοινικών αποσταγμάτων. Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα αποτελούν η παραγωγή του αρμανιάκ (armagnac) στη Γαλλία, του μπράντι (brandy) στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής και σε ορισμένες περιπτώσεις η παραγωγή της γκράπας (grappa) στην Ιταλία. Στη χώρα μας δεν εφαρμόζεται η συνεχής απόσταξη σε επίπεδο αποσταγματοποιίας αλλά μόνο στη βιομηχανία οινοπνεύματος. Εμπεριστατωμένη ανάλυση των κυριότερων μεθόδων απόσταξης παρατίθεται στη συνέχεια Διαφορική απόσταξη Παραδοσιακός άμβυκας 20

21 Η μέθοδος της διαφορικής απόσταξης (distillation differentielle ή differential distillation) με ένα στάδιο είναι ασυνεχούς λειτουργίας. Το δοχείο του αποστακτήρα πληρούται με το προς απόσταξη μίγμα, το οποίο θερμαίνεται με σταθερό ρυθμό. Ο ατμός, που παράγεται κατά το βρασμό του υγρού μίγματος, απομακρύνεται αμέσως από το σύστημα (εικ. 7) και αφού συμπυκνωθεί μετατρέπεται σε απόσταγμα. Σύμφωνα με τα προλεγόμενα, αφού ο ατμός είναι πλουσιότερος στο πτητικότερο συστατικό σε σχέση με το υγρό που απομένει στον αποστακτήρα, συνάζεται ότι το υγρό αυτό γίνεται σταθερά πτωχότερο στο εν λόγω συστατικό και η σύσταση του αποστάγματος μεταβάλλεται με το χρόνο. Επειδή δε η πίεση είναι σταθερή και η σύσταση του υγρού μίγματος στον αποστακτήρα μεταβαλλόμενη, διαπιστώνεται ότι και η θερμοκρασία αυτού μεταβάλλεται συνεχώς. Εικόνα 7 Σχηματική απεικόνιση διαφορικής απόσταξης Η απόσταξη διακόπτεται, όταν η σύσταση του υπολείμματος στον αποστακτήρα φθάσει σε ένα επιθυμητό προκαθορισμένο σημείο. Στο σημείο αυτό το πτητικό συστατικό είναι πολύ φτωχό, με αποτέλεσμα η συνέχιση της απόσταξης να είναι ασύμφορη. Η διαχωριστική ικανότητα της διαφορικής απόσταξης είναι περιορισμένη και εξαρτάται από τη σχετική πτητικότητα του συστήματος. Η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται, όταν απαιτείται μόνον ένας πρώτος εμπλουτισμός του μίγματος ή όταν το μίγμα διαχωρίζεται πολύ εύκολα. Για το λόγο αυτό, προκειμένου να έχουμε καλύτερα αποτελέσματα, προχωράμε στο δεύτερο στάδιο δηλαδή στη δεύτερη απόσταξη. 21

22 Τυπική εφαρμογή των ανωτέρω αποτελεί η παραδοσιακή απόσταξη (εικ. 8) η οποία, όπως είδαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο, διεξάγεται σε άμβυκες ασυνεχούς λειτουργίας δηλαδή διεξάγεται με τη μέθοδο της διαφορικής απόσταξης. Παρόμοια περίπτωση παραγωγής αποστάγματος με τη μέθοδο αυτή αποτελεί η απόσταξη που εφαρμόζεται στη Charente της Γαλλίας, όπου χρησιμοποιείται ο ομώνυμος άμβυκας ασυνεχούς λειτουργίας (εικ. 9) και παράγεται το κονιάκ (cognac). Εικόνα 8 Το «κοζάνιν» και n «δάνη». Παραδοσιακός άμβυκας για την παραγωγή ζιβανίας στην Κύπρο Εικόνα 9 Άμβυκας τύπου Charentais για την παρασκευή του κονιάκ 22

23 1.2.2 Αναπόσταξη Κλασματική στήλη Με τη μεθοδική εφαρμογή διαδοχικών αποστάξεων μπορούμε να πολλαπλασιάσουμε το αποτέλεσμα μιας διαφορικής απόσταξης και να πετύχουμε καλύτερο διαχωρισμό της όποιας πτητικής ουσίας. Αν, όμως, οι διαδοχικές αυτές αποστάξεις συμβούν στην ίδια συσκευή, με ελάχιστη χρονική διαφορά η μια από την άλλη ώστε να θεωρούμε ότι γίνονται σχεδόν ταυτόχρονα, τότε μιλάμε για τη μέθοδο της αναπόσταξης (rectification) ή απόσταξη με αναρροή. Κύριο χαρακτηριστικό της είναι αφενός η αναρροή (ή επαναρροή), δηλαδή η επιστροφή μέρους των συμπυκνωμένων ατμών στην αποστακτική συσκευή, και αφετέρου οι διεργασίες που συμβαίνουν στην κλασματική στήλη. Οι συσκευές αυτής της μεθόδου αποτελούνται από τρία βασικά μέρη: 1. το λέβητα ή βραστήρα, όπου παράγονται οι ατμοί 2. την κλασματική στήλη, όπου γίνεται ο διαχωρισμός του μίγματος και 3. το συμπυκνωτή, όπου οι ατμοί υγροποιούνται και από 'κει απομακρύνονται ως απόσταγμα ή επαναρρέουν στη στήλη. Από αυτά τα μέρη το πιο σύνθετο είναι η στήλη, της οποίας η αρχή λειτουργίας είναι ίδια τόσο στα συνεχή όσο και στα ασυνεχή αποστακτικά συγκροτήματα. Αλλά ας πάρουμε τα πράγματα με τη σειρά τους. Το προς απόσταξη υγρό μίγμα τροφοδοτεί το βραστήρα, όπου με το βρασμό παράγονται οι ατμοί οι οποίοι διοχετεύονται στην κλασματική στήλη (εικ. 10). Αυτή είναι ένας κατακόρυφος κύλινδρος που διαιρείται σε τμήματα τα οποία καλούνται βαθμίδες. 23

24 Εικόνα 10 Σχηματική απεικόνιση κλασματικής στήλης απόσταξης συνεχούς λειτουργίας Οι βαθμίδες επικοινωνούν μεταξύ τους και επιτρέπουν την ανοδική ροή του ατμού και την καθοδική ροή του υγρού που προέρχεται από τη συμπύκνωση του ατμού. Στο εσωτερικό της στήλης και σε κάθε βαθμίδα, οι ατμοί έρχονται σε επαφή με την υγρή φάση, η οποία προέρχεται από αναρροή, αναμιγνύονται και μετά διαχωρίζονται. Δηλαδή σχηματίζονται δυο ρεύματα, το ένα ατμών και το άλλο υγρού, που κινούνται αντίθετα σε δυναμική ισορροπία μεταξύ τους σε όλο το μήκος της στήλης. Σε κάθε βαθμίδα έχουμε διαφορετικής σύστασης προϊόν (κλάσμα) εξ' ου και κλασματική στήλη. Ο ατμός που εξέρχεται από την κορυφή της στήλης οδηγείται στον συμπυκνωτή, ο οποίος ψύχεται με νερό απομακρύνοντας ένα μέρος της θερμότητας (qd). Η ψύξη έχει ως αποτέλεσμα τη μετατροπή του ατμού σε συμπύκνωμα, μέρος του οποίου επιστρέφει στη στήλη ως αναρροή (R), ενώ το υπόλοιπο παραλαμβάνεται ως απόσταγμα (ή προϊόν) κορυφής (D) το οποίο περιέχει κυρίως το πτητικότερο συστατικό. Σε όλο το μήκος της στήλης, υγρό και ατμός είναι σε θερμοκρασία συμπύκνωσης κι εξάτμισης αντίστοιχα. Οι ανερχόμενοι ατμοί αναγκάζονται να περάσουν μέσα από την υγρή φάση, όπως φαίνεται στην εικ. 11. Εκεί το πτητικότερο συστατικό - δηλαδή εκείνο με το χαμηλότερο σημείο 24

25 ζέσεως - διαχέεται εκ του υγρού προς τον ατμό, έτσι ώστε στις ανώτερες βαθμίδες ο ατμός να είναι πλουσιότερος στο συστατικό αυτό (τμήμα εμπλουτισμού). Αντίθετα, το υψηλότερου σημείου ζέσεως συστατικό διαχέεται από τον ατμό προς το υγρό που έχει καθοδική πορεία, ώστε τελικά το πτητικότερο συστατικό να μεταφέρεται προς τα άνω ως ατμός και το λιγότερο πτητικό προς τα κάτω ως υγρό (τμήμα εξάντλησης) Όσο ο ατμός ανέρχεται, από βαθμίδα σε βαθμίδα, εμπλουτίζεται στο πτητικότερο συστατικό και όσο το υγρό κατέρχεται, από βαθμίδα σε βαθμίδα, εξαντλείται από το πτητικότερο συστατικό. Στην εικ. 11 βλέπουμε ένα διάτρητο δίσκο, μέσα από τον οποίο οι ατμοί ανέρχονται με ταχύτητα και πίεση τέτοιες που δεν επιτρέπουν την κάθοδο του υγρού από τις οπές αλλά μόνο από την υπερχείλιση των αγωγών Γ και Δ. Εικόνα 11 Πλάγια όψη δίσκου (πιάτο) στήλης απόσταξης. Α: δίσκος, Β: διατρήσεις, Γ: σωλήνας καθόδου (υπερχείλιση) προς τον κάτω δίσκο, Δ: σωλήνας καθόδου από τον πάνω δίσκο Έτσι, το υγρό ρέει προς τα κάτω μέσω των σωλήνων υπερχείλισης, ενώ οι ατμοί οδεύουν προς τα άνω μέσω των διατρήσεων. Το υγρό του κάθε δίσκου, στην πραγματικότητα, είναι μια ζέουσα αφρώδη μάζα εξαιτίας των φυσαλίδων του ανερχόμενου ατμού. Το υγρό της βάσης της κλασματικής στήλης, που προέρχεται από την αναρροή, θερμαίνεται (qw) στον αναβραστήρα (εικ. 10), όπου ένα μέρος ατμοποιείται και επιστρέφει στην κλασματική στήλη, ενώ το υπόλοιπο απομακρύνεται ως προϊόν πυθμένα ή υπόλειμμα (W). Η τροφοδοσία της στήλης μπορεί να είναι συνεχής, όπως αυτή που περιγράφηκε (εικ. 10) ή ασυνεχής (εικ. 12). Η συνεχής τροφοδοσία συνήθως εφαρμόζεται στην οινοπνευματοποιία. 25

26 Ωστόσο, μπορεί να εφαρμοστεί και στην αποσταγματοποιία (παραγωγή αλκοολούχων ποτών), όταν η πρώτη ύλη είναι σε υγρή μορφή (π.χ. οίνος), όπως συμβαίνει στην περίπτωση παραγωγής του αρμανιάκ (εικ. 10). Αντίθετα, η συνεχής τροφοδοσία δεν ενδείκνυται για την απόσταξη στεμφύλων, όπου εφαρμόζεται ο ασυνεχής τρόπος. Εικόνα 12 Ασυνεχής απόσταξη σε κλασματική στήλη Οι διεργασίες, που συμβαίνουν στη συνεχή τροφοδοσία και συγκεκριμένα στη στήλη, διαφέρουν ελάχιστα από αυτήν της ασυνεχούς και αφορούν στη σταθερότητα παροχής των προϊόντων. Οι παράγοντες που διαμορφώνουν τη λειτουργία της στήλης, είναι: α) ο αριθμός των πιάτων που απαιτούνται για να επιτευχθεί ο επιθυμητός διαχωρισμός, 26

27 β) η διάμετρος της στήλης, γ) ο τύπος των πιάτων που επιλέγεται, δ) η θερμότητα που προσδίδεται στον αναβραστήρα, ε) η θερμότητα που απομακρύνεται από το συμπυκνωτή, και στ) άλλες λεπτομέρειες που αφορούν στην κατασκευή των πιάτων Εικόνα 13 Ο άμβυκας του αρμανιάκ, όπου φαίνεται η συνεχούς λειτουργίας κλασματική στήλη Βασικά μέρη της συσκευής Εξαρτήματα Ροές Α: δεξαμενή τροφοδοσίας F: ξηρό πιάτο ατμός Β: ψυκτήρας 0: μετρητής απόδοσης απόσταγμα C: (προ)θερμαντήρας Ρ: συμπυκνωτής κεφαλών οίνος D: τροφοδοσία οίνου στη στήλη Q: ψυκτήρας κεφαλών υπόλοιπα απόσταξης 27

28 Ε: στήλη R: ψυκτήρας στην κορυφή κεφαλές F: πιάτο απόσταξης S: συμπυκνωτής ουρές G: καμπανάκια U: ψυκτήρας ουρών Η: υπερχείλιση V: ανακύκλωση ζεστού οίνου J: εστία θέρμανσης W: εκτονωτής ή απομάκρυνση Κ: αποχωρισμός υπολειμμάτων οίνου L: «λαιμός του κύκνου» Μ:σερπαντίνα προθέρμανσης οίνου, Ν: ροή αποστάγματος και υποδοχή αλκοολομέτρου Στην αποστακτική στήλη συνεχούς λειτουργίας (εικ. 10), το ρεύμα της τροφοδοσίας (F) εισάγεται συνήθως στο μέσον της στήλης ή λίγο χαμηλότερα. Τα πιάτα που βρίσκονται πάνω από το σημείο τροφοδοσίας αποτελούν το τμήμα εμπλουτισμού (section d'enrichissement ή rectifying section), ενώ τα πιάτα που βρίσκονται κάτω από το σημείο τροφοδοσίας αποτελούν το τμήμα εξάντλησης (section d'epuisement ή stripping section). Η στήλη αυτή μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να εξασφαλίζει υψηλό ποσοστό σε αλκοόλη, σχεδόν μέχρι τα όρια του αζεοτροπικού μίγματος. Στο σχεδιασμό των αποστακτικών στηλών λαμβάνεται υπόψη η παραλαβή σταθερής ποιότητας αποστάγματος με το μικρότερο κόστος. Έτσι, οι αποστακτικές στήλες σχεδιάζονται με τη μεγαλύτερη δυνατή χωρητικότητα και ταυτόχρονα με τη μικρότερη κατάληψη δαπέδου, ενώ 28

29 ανάλογος με τις απαιτήσεις για το διαχωρισμό ενός μίγματος είναι ο αριθμός των στηλών που συνδυάζονται. Οι στήλες αυτές είναι μάλλον βιομηχανικές και περισσότερο αυτοματοποιημένες. Στην αποστακτική στήλη ασυνεχούς ή κατά κύκλους λειτουργίας, όπως συμβαίνει στην αποσταγματοποιία του τσίπουρου, η τροφοδοσία της γίνεται από το κάτω μέρος (βλ. εικ. 14). Η συγκέντρωση του προϊόντος της κορυφής εξαρτάται, όπως και στη συνεχούς λειτουργίας απόσταξη, από τη σύσταση του προϊόντος της βάσης, τον αριθμό των πιάτων της στήλης και το χρησιμοποιούμενο λόγο αναρροής (r). Σε αυτές τις στήλες, επίσης, είναι δυνατός ο διαχωρισμός του αποστάγματος στα κλάσματα: «κεφαλή», «καρδιά» και «ουρά». Η διόρθωση δε του αποστάγματος είναι τόσο μεγαλύτερη, όσο μικρότερη είναι η παραλαβή του αποστάγματος σε σχέση με τον όγκο του επιστρεφόμενου στη στήλη μέρους αυτού. Αλλά ας εξετάσουμε μερικά χαρακτηριστικά που είναι σημαντικά για την απόδοση της στήλης. Και πρώτα - πρώτα ας δούμε τι συμβαίνει μέσα στους δίσκους. Εικόνα 14 Αποστακτικό συγκρότημα παρασκευής τσίπουρου 1.3 Ανεπιθύμητες ουσίες κατά την απόσταξη 29

30 Εκτός από την αιθυλική αλκοόλη και τις αρωματικές ουσίες που παίρνουμε με την απόσταξη, που είναι τα επιθυμητά συστατικά, συνυπάρχουν και ανεπιθύμητες ουσίες. Κάποιες από τις ουσίες αυτές που μπορεί να αποσταχθούν: Η cis-ανηθόλη. Είναι προϊόν κεφαλής και πρέπει να διαχωρίζεται με τα υπόλοιπα προϊόντα της κεφαλής που αποστάζονται. Έχει μέχρι και 20 φορές μεγαλύτερη τοξικότητα από την transανηθόλη και πρέπει να βρίσκεται μέχρι 1% της συνολικής ανηθόλης. Προέρχεται από το γλυκάνισο που χρησιμοποιείται στην απόσταξη κάποιον οινοπνευματωδών (τσίπουρο ούζο). H εστραγόλη. Είναι συστατικό της κανέλας που χρησιμοποιείται στην απόσταξη και επίσης ανιχνεύεται σε ποσοστό 2,1% στο αιθέριο έλαιο του γλυκάνισου. Θεωρείται προϊόν ουράς. Η μεθανόλη. Δεν αποτελεί προϊόν ζύμωσης των σταφυλιών. Προέρχεται από τις πηκτίνες των σταφυλιών και βρίσκεται περισσότερο στις χονδρόφλουδες ποικιλίες, στα κοτσάνια και όταν χρησιμοποιούμε πιεστήριο. Βρίσκεται, επίσης, στα σάπια σταφύλια και εμφανίζεται κατά τη μεγάλη χρονική διάρκεια της παραμονής των στεμφύλων πριν την απόσταξη, με το μούστο. Προσβάλλει το οπτικό νεύρο και το περιφερειακό νευρικό σύστημα. Άλλη ανεπιθύμητη ιδιότητά της είναι, ότι εμποδίζει το μεταβολισμό της αιθυλικής αλκοόλης στον ανθρώπινο οργανισμό. Η μεθανόλη είναι πολύ υδατο-διαλυτή, με αποτέλεσμα να παρατηρείται αύξηση της συγκέντρωσής της προς το τέλος της απόσταξης, αν και έχει χαμηλό σημείο βρασμού. Η ιδιότητά της να αποστάζεται μαζί με το νερό μετά την αιθυλική αλκοόλη, την κάνει να θεωρείται περισσότερο προϊόν ουράς. Η μεθανόλη και η εστραγόλη πρέπει να διαχωρίζονται με κόψιμο της ουράς στα 18 γράδα ή σε αντίστοιχους αλκοολικούς βαθμούς. H φουρφουράλη. Η παρουσία της στο τσίπουρο οφείλεται στην κακή οινοποίηση. Αποστάζεται καθόλη τη διάρκεια της απόσταξης, κυρίως στο τμήμα της καρδιάς. Υπάρχουν ποσότητες φουρφουράλης και παραγώγων της στο τσίπουρο, από ζάχαρα που έμειναν αζύμωτα (εξόζες), από τα μη ζυμώσιμα ζάχαρα (πεντόζες) και από τα κοτσάνια που δεν έχουν διαχωριστεί. Η ωχρατοξίνη Α. Ανιχνεύεται στα τσίπουρα που προέρχονται από τα σάπια σταφύλια. Είναι καρκινογόνος ουσία και είναι υπεύθυνη για το νεφρο-παθολογικό σύνδρομο. Η νόσος είναι μη 30

31 αναστρέψιμη και συνοδεύεται από όγκους του ουροποιητικού συστήματος. Ο έλεγχος της ωχρατοξίνης Α επιτυγχάνεται με την καταπολέμηση του βοτρύτη στο αμπέλι. Οι χαμηλές θερμοκρασίες είναι αυτές που επιτρέπουν την απόσταξη των συστατικών σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα, στάδια, με αποτέλεσμα να είναι δυνατή η απομάκρυνση των ανεπιθύμητων ουσιών. Έτσι διαχωρίζεται το απόσταγμα στις κεφαλές, την καρδιά και τις ουρές. Παρεμβαίνουμε στο χρόνο κοψίματος, με στόχο να πάρουμε καθαρό προϊόν, την καρδιά, που περιέχει τα επιθυμητά συστατικά. Με το κόψιμο κεφαλής ουράς απομακρύνονται από το απόσταγμα: Προϊόντα κεφαλής: Αλδεϋδες, οξικός αιθυλεστέρας, cis-ανηθόλη, trans-ανηθόλη κ.ά Προϊόντα ουράς: Μεθανόλη, εστραγόλη, ευγενόλη, γαλακτικός αιθυλεστέρας κ.ά Οι ουσίες αυτές εάν παραμείνουν, επιβαρύνουν ποιοτικά το τσίπουρο. Οι επιπτώσεις των τοξικών ουσιών μπορούν να είναι άμεσες με χημική δηλητηρίαση ή και μακροχρόνιες με συσσώρευση στον ανθρώπινο οργανισμό, για μεγάλα χρονικά διαστήματα, δρώντας αθροιστικά. 1.4 Διαδικασία απόσταξης Γεμίζουμε το ψυγείο του άμβυκα με νερό από την κάτω είσοδο. Αφού βγάλει νερό από την πάνω έξοδο κλείνουμε την είσοδο. Στη συνέχεια, γεμίζουμε το καζάνι με τα στέμφυλα, προσέχοντας το μίγμα να είναι αρκετά αραιό, γιατί υπάρχει κίνδυνος να κολλήσουν τα στέμφυλα στο καζάνι και να απελευθερωθεί μυρωδιά που καταστρέφει το απόσταγμα (τσίκνισμα). Το αραίωμα γίνεται με νερό (περίπου 20%). Το καζάνι δεν πρέπει να γεμίζει πολύ, γιατί υπάρχει ο κίνδυνος να γίνει υπερχείλιση και ακόμη χειρότερα να περάσει το μίγμα στο απόσταγμα (ξέρασμα). Ιδιαίτερη προσοχή χρειάζεται στα παλιά καζάνια με λουλά, όπου η απόσταση ανάμεσα στο καζάνι και το σωλήνα που φεύγει ο ατμός (μανίκι) είναι πολύ κοντά. Στα καινούργια καζάνια με τόξο ο κίνδυνος είναι μικρότερος. Τοποθετούμε το καπάκι (καμπάνα) και το τόξο που συνδέει το καζάνι με το ψυγείο. Ανάβουμε δυνατή φωτιά περιμένοντας να φτάσει στους 45 βαθμούς κελσίου και ύστερα χαμηλώνουμε λίγο τη φωτιά για να μπορούμε να ελέγξουμε την θερμοκρασία. Ο ρυθμός της απόσταξης έχει σχέση με την ένταση της θέρμανσης. Εκτός από την πιθανότητα ξεράσματος ή τσικνίσματος από την κακή διαχείριση της θέρμανσης, έχει και 31

32 μεγάλη επίδραση στην ποιότητα του αποστάγματος. Η ήπια θέρμανση, όπως είπαμε, έχει καλύτερα αποτελέσματα, γιατί γίνεται πιο αρμονικά η εξάτμιση των πτητικών ουσιών και αποφεύγονται οι δυσάρεστες μυρωδιές. Επίσης, καθ όλη τη διάρκεια της απόσταξης, ελέγχουμε τη θερμοκρασία του ψυγείου. Το θερμόμετρο πρέπει να παραμείνει στους βαθμούς κελσίου. Αυτό το επιτυγχάνουμε ανοίγοντας την είσοδο του νερού τόσο όσο χρειάζεται. Στους πειραματικούς αποστακτήρες προσέχουμε με το χέρι μας να είναι κρύα τουλάχιστον τα 2/3 και κάτω του ψυγείου. Μόλις πέσουν οι πρώτες σταγόνες από το ψυγείο, χαμηλώνουμε τη φωτιά για να κρατήσουμε όσο μπορούμε σταθερή τη θερμοκρασία που δείχνει εκείνη την στιγμή το θερμόμετρο του καπακιού (60-70 βαθμούς κελσίου). Με αυτόν τον τρόπο θα πάρουμε τα συστατικά της κεφαλής διαχωρισμένα από της καρδιάς που αρχίζουν στους 75 περίπου βαθμούς. Όταν περάσουμε στο στάδιο της καρδιάς, κρατάμε τη θερμοκρασία από 75 έως 82 βαθμούς. Εδώ χρειάζεται πολλή προσοχή, γιατί σ' αυτό το στάδιο, που διαρκεί περισσότερο από τα υπόλοιπα, παίρνουμε το τσίπουρο που τελικά θα πιούμε. Μετράμε συνεχώς το απόσταγμα στον ψύκτη και όταν τελικά φτάσουμε στα 18 γράδα, σταματάμε την απόσταξη. Το τσίπουρο απλής απόσταξης είναι έτοιμο. Το φιλτράρουμε με φίλτρο γαλλικού καφέ, μετράμε τα γράδα και το αραιώνουμε όσο θέλουμε με καθαρό, χωρίς χλώριο και άλατα, νερό. Αν θέλουμε να κάνουμε διπλή απόσταξη ακολουθούμε τα ίδια βήματα, ρίχνοντας στο καζάνι όλο το τσίπουρο (κεφαλή, καρδιά, ουρές) και νερό σε αναλογία 3 προς 1. Εδώ διαχωρίζουμε την καρδιά από τα υπόλοιπα στάδια και όταν μετρήσουμε 18 γράδα στον ψύκτη, σταματάμε την απόσταξη, φιλτράρουμε, μετράμε και αραιώνουμε με νερό. Αναλυτικότερα τα στάδια (για την κατανόηση της αναγκαιότητας της παρέμβασης κατά τη διάρκεια της απόσταξης) Το απόσταγμα που αρχίζει να τρέχει από το ψύκτη δεν έχει την ίδια σύνθεση ούτε φυσικά και τον ίδιο αλκοολικό βαθμό σε όλη τη διάρκεια της απόσταξης. Ένα μέσο κανονικό απόσταγμα ξεκινάει γύρω στα 25 γράδα (67 αλκοολικοί βαθμοί) και θεωρητικά μπορεί να σταματήσει, όταν μηδενίζεται το οινόπνευμα. Συνήθως, σταματάμε την απόσταξη όταν το απόσταγμα είναι 18 γράδα (45 βαθμοί αλκοόλ περίπου) στην απλή απόσταξη, στα 15 (32 βαθμοί περίπου) στη διπλή -στην πρώτη απόσταξη, στα 18 (45 βαθμοί) στη διπλή στη δεύτερη απόσταξη. Σε γενικές γραμμές τα συστατικά του τσίπουρου συμπεριφέρονται ως εξής: Η αιθυλική αλκοόλη αποστάζεται αρκετά στην αρχή, αυξάνεται ελαφρά στη συνέχεια και ελαττώνεται στο τέλος. Το 32

33 ίδιο συμβαίνει και με τις ανώτερες αλκοόλες (αμυλικές). Η ακεταλδεϋδη και ο οξικός αιθυλεστέρας βγαίνουν πολύ υψηλά στην αρχή και πολύ γρήγορα μειώνονται. Αντίθετα, η μεθανόλη ξεκινάει σε σχετικά χαμηλή ποσότητα στην αρχή, στη συνέχεια αυξάνεται και κορυφώνεται προς το τέλος. Η φουρφουράλη αποστάζεται το ίδιο σε όλη τη διάρκεια της απόσταξης. Σύμφωνα με αυτά, λοιπόν, μπορούμε να χωρίσουμε την απόσταξη σε τρία στάδια: Τις κεφαλές, την καρδιά και τις ουρές. Κεφαλές ή κεφαλή. Έτσι ονομάζεται το πρώτο τσίπουρο που βγαίνει από τον ψύκτη, έχει τους υψηλότερους βαθμούς αλλά συνοδεύεται και από ουσίες που υποβαθμίζουν την ποιότητα. Ανάλογα με τη χωρητικότητα του άμβυκα πετάμε το 3% της αρχής του αποστάγματος. Π.χ. στα 100 λίτρα μίγμα πετάμε τα 1000 ml. Υπενθύμιση: μετράμε με γραδόμετρο τους βαθμούς που ξεκινάει και ελέγχουμε πάντα τη θερμοκρασία καπακιού (60-70 βαθμούς κελσίου) και θερμοκρασία ψυγείου. Η καρδιά. Η μεσαία και μεγαλύτερη χρονικά και ποσοτικά φάση της απόσταξης. Το τσίπουρο όπου βγαίνει η καλύτερη ποιότητα. Αυτό που πίνουμε στην απλή απόσταξη. Η περιεκτικότητα σε αλκοόλη ελαττώνεται αλλά με αργό ρυθμό και συνοδεύεται από ουσίες που αρχίζουν να αποστάζονται αργότερα. Μετά τη συλλογή της κεφαλής, η θερμοκρασία καπακιού αυξάνεται σημαντικά μέχρι περίπου τους 75 βαθμούς κελσίου. Τότε αρχίζει η απόσταξη της αιθυλικής αλκοόλης (το τσίπουρο ). Στην απόσταξη τσίπουρου, η αιθυλική αλκοόλη παίρνεται τελικά σε μια ευρύτερη περιοχή θερμοκρασιών, ήτοι στους βαθμούς. Στην περιοχή αυτή της θερμοκρασίας των βαθμών, πρέπει να χαμηλώσουμε τη φωτιά, ώστε να πάρουμε ομαλά όσο γίνεται περισσότερη από την περιεχόμενη αλκοόλη, πριν αρχίσουν άλλες ουσίες να αποστάζονται. Όταν μετρήσουμε περίπου 18 γράδα ή 45 βαθμούς αλκοολικούς(στον ψυκτή, όχι στο συνολικό τσίπουρο) σταματάμε την απόσταξη, γιατί φτάνουμε στις ουρές. Οι ουρές. Το τελευταίο τσίπουρο της απόσταξης. Μπορούμε να το ελέγξουμε με το γραδόμετρο και να το απορρίψουμε (ή να το μεταφέρουμε στη δεύτερη απόσταξη). Περιέχει την επικίνδυνη μεθανόλη 33

34 και έλαια με πολύ δυσάρεστες μυρωδιές. Αποστάζεται από γράδα (40-32 αλκοολικοί βαθμοί περίπου). 1.5 Η χρήση χαλκού στην κατασκευή του άμβακα Ο χαλκός, καλός αγωγός της θερμότητας είναι το αναντικατάστατο υλικό κατασκευής των αποστακτικών μηχανημάτων. Έχει επί πλέον το πλεονέκτημα να είναι εύκολα κατεργάσιμος. Τα τμήματα που έρχονται σε επαφή με το αποσταγμένο υγρό πρέπει να είναι χωρίς πόρους. Δηλαδή να είναι απόλυτα λεία με σκοπό την επίτευξη ομοιόμορφης θέρμανσης. Ο χρησιμοποιούμενος χαλκός πρέπει να είναι ηλεκτρολυτικός ώστε να είναι ενεργοποιημένος. Δηλαδή μπορεί να αντιδράσει με ανεπιθύμητα συστατικά του αποστάγματος όπως τα λιπαρά οξέα και θειούχες ενώσεις δημιουργώντας αδιάλυτες ενώσεις. Κατ αυτό τον τρόπο τα συστατικά αυτά κατά την διάρκεια της απόσταξης απομακρύνονται. Ο χαλκός δεν πρέπει να έχει προσμίξεις που προσβάλλονται από τα οξέα του κρασιού. Αυτό έχει αποτέλεσμα να δημιουργούνται αναγωγικές ενώσεις με δυσάρεστο χαρακτήρα. Κατά την διάρκεια της απόσταξης πραγματοποιούνται αντιδράσεις που οδηγούν στο σχηματισμό νέων συστατικών ή ακόμη στην απομάκρυνση ανεπιθύμητων συστατικών. Οι κυριότερες αντιδράσεις είναι, υδρόλυση συστατικών του κρασιού, σχηματισμός μικρής ποσότητας οξικού αιθυλεστέρα, σχηματισμός ιχνών φουρφουράλης, απομάκρυνση λιπαρών οξέων με την δέσμευσή τους από τον χαλκό του άμβυκα. Τα αποστάγματα κατά την έξοδό τους από τον άμβυκα περιέχουν πάντοτε μικρή ποσότητα χαλκού. Η παρουσία του στο απόσταγμα δεν οφείλεται στα άλατα χαλκού του κρασιού. Οφείλεται στον χαλκό της αποστακτικής συσκευής. Προς το τέλος της απόσταξης εμφανίζεται ένα πράσινο καστανό ελαιώδες υγρό. Η δημιουργία του οφείλεται σε ενώσεις του χαλκού με οξέα όπως βουτυρικό, καπροικό, καπρυλικό, καπρινικό και λαυρικό που είναι οξέα με δριμεία και δεικτική οσμή. Ο χαλκός του άμβυκα δεσμεύει τα οξέα αυτά και τα απομακρύνει σαν αδιάλυτα συστατικά. Με αυτό τον τρόπο βελτιώνει την ποιότητα του αποστάγματος. 1.6 Βραστήρας 34

35 Ο πυθμένας του βραστήρα, ιδιαίτερα όταν η θέρμανση γίνεται με γυμνή φλόγα πρέπει να είναι αρκετά παχύς ώστε να αποφεύγεται ο ακανόνιστος βρασμός. Για αυτό το πάχος στον πυθμένα πρέπει να είναι τουλάχιστον 5 mm για βραστήρες χωρητικότητας μικρότερης από 5 εκατόλιτρα. Για βραστήρες μεγαλύτερης χωρητικότητας πρέπει να αυξάνει κατά 1 mm για κάθε επιπλέον hl. Ο πυθμένας πρέπει να έχει ελαφριά καμπυλότητα προς τα επάνω ώστε να αδειάζει τελείως. Να μην έχει τοπικά κυρτώματα. Τέτοιου είδους κυρτώματα συνήθως οφείλονται σε ανεπαρκές πάχος. Το μέγεθος του βραστήρα είναι ένας πολύ σημαντικός τεχνολογικός παράγοντας. Μεγάλοι άμβυκες έχουν φυσικά υψηλό κόστος κατασκευής. Παρουσιάζουν δυσκολίες στην κατασκευή, στην θέρμανση και στην λειτουργία. Η εμπειρία έχει δείξει ότι πολύ μεγάλοι άμβυκες οδηγούν σε απόσταγμα μειωμένης ποιότητας έτσι με την αντίληψη αυτή οι Ιρλανδοί για την παραγωγή αποσταγμάτων χρησιμοποιούν όπως είδαμε άμβυκες μεγάλης χωρητικότητας. Σε ένα τέτοιο άμβυκα έχουμε αναλογική μείωση της επιφάνειας επαφής ατμών και χαλκού. Αυτό έχει αποτέλεσμα την μείωση της επαναρροής και άρα μείωση του ανακαθορισμού. Με αυτό τον τρόπο περνούν περισσότερα ανεπιθύμητα συστατικά στο απόσταγμα. Μεγάλοι άμβυκες συνεπάγονται αναλογική μείωση στην επιφάνεια θέρμανσης του υγρού προς απόσταξη. Γι αυτό απαιτείται μεγαλύτερη ποσότητα θερμότητας για να διατηρηθεί ο βρασμός. Η τοπική αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί πυρόλυση συστατικών του κρασιού και φυσικά υποβάθμιση του παραγόμενου αποστάγματος. Μέγεθος πάνω από το οποίο γίνεται αντιληπτή υποβάθμιση της ποιότητας είναι τα 18hl. Η θέρμανση του βραστήρα πρέπει να γίνεται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να είναι όμοια κατανεμημένη και όχι μόνο τοπικά στον πυθμένα. Παλιότερα γινόταν αποκλειστικά με γυμνή φλόγα. Για τον σκοπό αυτό κατασκευάζεται φούρνος με εστία που τροφοδοτείται με ξύλα, κάρβουνο ή υγραέριο. Ανάλογα με το είδος του χρησιμοποιούμενου συστήματος θέρμανσης ρυθμίζεται το σχήμα και η απόσταση της φλόγας από τον βραστήρα ώστε να αποφεύγεται η τοπική υπερθέρμανση. Η φλόγα δεν πρέπει να έρχεται σε επαφή με τοιχώματα τα οποία δεν καλύπτονται εσωτερικά από υγρό. Σε αντίθετη περίπτωση η υπερθέρμανση δημιουργεί δυσάρεστες οσμές καμένου. Αφήνοντας ένα περιθώριο ασφάλειας 6-8 εκατοστά,συμπεραίνουμε ότι η φλόγα δεν πρέπει να 35

36 έχει επαφή με τον πυθμένα που να υπερβαίνει τα εκατοστά. Η θέρμανση του άμβυκα μπορεί να γίνει με ατμό που διοχετεύεται μέσα από σερπαντίνα που βρίσκεται στην βάση του βραστήρα, λίγο πιο πάνω από τον πυθμένα. Στην περίπτωση αυτή ο πυθμένας του βραστήρα μπορεί να είναι επίπεδος. Η θέρμανση μπορεί επίσης να γίνει με διαβίβαση του ατμού μέσω διπλότοιχου πυθμένα. Πάνω από τον βραστήρα είναι τοποθετημένο ένα κάλυμμα (κάλυμμα άμβυκα,κώδωνας,κράνος και καπέλο) που καταλήγει σε μια σωλήνωση. Η σωλήνωση αυτή καταλήγει στη σερπαντίνα ψύξης. Το κάλυμμα επιτρέπει κατά αρχήν την ρύθμιση των συνθηκών απόσταξης. Χάρη σε αυτό αποφεύγεται η υπερχείλιση κατά την διάρκεια του βρασμού. Λειτουργεί και σαν ψυκτήρας επαναροής. Για την ακρίβεια σαν αεροψυκτήρας επιτρέποντας μερική κλασμάτωση του αποστάγματος. Τα λιγότερο πτητικά συστατικά των ατμών ψύχονται, συμπυκνώνονται και επαναρρέουν καθώς εξέρχονται σε επαφή με το κάλυμμα. Η θερμοκρασία των τοιχωμάτων του καλύμματος είναι σχετικά χαμηλή. Μικρό μέγεθος καλύμματος επιτρέπει την παραγωγή αποσταγμάτων με χαρακτηριστικότερη γεύση δεδομένου ότι μικρό μόνο μέρος συστατικών επαναρρέουν στον βραστήρα μεγαλύτερο μέγεθος μειώνει τα συστατικά που θα περάσουν μαζί με τους υδροαλκοολικούς ατμούς. Η κλασμάτωση είναι πληρέστερη όσο η επιφάνεια του καλύμματος είναι μεγαλύτερη. Από ένα μέγεθος και πάνω όπως είδαμε έχουμε μείωση της επαναρροής. Ενδεικτικά μια κανονική αναλογία είναι 1 τετραγωνικό μέτρο για κάθε 10 εκατόλιτρα χωρητικότητα βραστήρα ή περίπου το 10% της χωρητικότητας του βραστήρα Ο ψυκτήρας αποτελείται από μια οφιοειδή (ελισσόμενη σπειροειδώς ) σερπαντίνα με μεγαλύτερη διάμετρο στην αρχή και μικρότερη στο τέλος. Για παράδειγμα ένας βραστήρας 13 εκατόλιτρων είναι εφοδιασμένος με σερπαντίνα μήκους 42 μέτρων. Έχει αρχική διάμετρο 6 εκατοστά και τελική 4εκατοστά. Η σερπαντίνα αυτή βρίσκεται σε ένα κυλινδρικό δοχείο όγκου περίπου διπλάσιου από αυτού του βραστήρα. Τροφοδοτείται συνεχώς με νερό σχετικά χαμηλής θερμοκρασίας. Η παροχή νερού στον ψυκτήρα ρυθμίζεται κατά τρόπο ώστε το εξερχόμενο απόσταγμα να μην υπερβαίνει σε θερμοκρασία τους 20 C. 36

37 Σε υψηλότερες θερμοκρασίες έχουμε απώλειες από εξάτμιση. Η θερμοκρασία του αποστάγματος κατά την έξοδό του από τον ψυκτήρα δεν πρέπει επίσης να είναι χαμηλότερη από 16 C. Έχει διαπιστωθεί ότι δίνει ένα απόσταγμα με σκληρούς οργανοληπτικούς χαρακτήρες. Σε περίπτωση έλλειψης ποσότητας νερού, όταν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος είναι υψηλή, πρέπει να χρησιμοποιείται εφεδρικό ψυκτικό μηχάνημα για την μείωση της θερμοκρασίας του νερού ψύξης. Το νερό ψύξης δεν πρέπει να έχει υψηλή σκληρότητα γιατί αποθέτονται άλατα στις σπείρες της σερπαντίνας με αποτέλεσμα την μείωση της απόδοσης ψύξης. Οι συμπυκνωμένοι ατμοί, δηλαδή το απόσταγμα,θα πρέπει να εξέρχονται από την σερπαντίνα με συνεχή ομαλή ροή. Για τον λόγο αυτό η μέγιστη κλίση των σπειρών θα πρέπει να είναι 35 mm ανά μέτρο. Για αποφεύγεται η ακανόνιστη ροή η σερπαντίνα δεν πρέπει να έχει πολύ μεγάλη διάμετρο. Επίσης το νερό ψύξης δεν πρέπει να έχει πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Το απόσταγμα θα πρέπει να συλλέγεται σε ανοξείδωτα δοχεία, τα δοχεία συλλογής 37

38

39 2. Θερμόμετρα τύπου RTD Η ειδική ηλεκτρική αντίσταση των μετάλλων είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας. Άρα η μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης μπορεί να οδηγήσει στον προσδιορισμό της θερμοκρασίας. Θεωρητικά αντιστάτες θερμόμετρα μπορούν να κατασκευαστούν από πληθώρα υλικών. Επειδή όμως η συνάρτηση μεταξύ ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης και θερμοκρασίας δεν είναι η ίδια για όλα τα υλικά, στη θερμομετρία χρησιμοποιούνται, κατά φθίνουσα σημασία, ο λευκόχρυσος, το νικέλιο και ο χαλκός. Οι αντιστάτες λευκόχρυσου (Platinum Resistance Thermometers ή PRT s), είναι ίσως οι καλύτεροι αισθητήρες επαφής. Σε διάφορες μορφές τους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μετρήσεις θερμοκρασίας από 14 Κ έως 960 C, με ακρίβεια η οποία προσεγγίζει το 1 mk. Ο ίδιος αισθητήρας μπορεί να χρησιμοποιείται σε διάφορες περιοχές θερμοκρασιών χωρίς να εμφανίζει φαινόμενα υστέρησης. Τα χαρακτηριστικά του παραμένουν ιδιαίτερα σταθερά, ακόμη και μετά από πολλούς κύκλους χρήσης. Υπάρχουν διάφορες μορφές PRT s, ξεκινώντας από τον πρότυπο αισθητήρα της Διεθνούς Θερμομετρικής Κλίμακας, μέχρι PRT s βιομηχανικών εφαρμογών, οι οποίοι είναι ιδιαιτέρως ανθεκτικοί και με ακρίβεια της τάξης μεγέθους του δεκάτου του βαθμού. Το χαμηλό κόστος καθώς και η πολύ καλή ακρίβεια των PRT s τους έχει κάνει τους πιο διαδεδομένους αισθητήρες μέτρησης θερμοκρασίας. Σε εφαρμογές δε υψηλών απαιτήσεων ακριβείας, χρησιμοποιούνται κατ αποκλειστικότητα. Οι αντιστάτες λευκόχρυσου, σε αντιδιαστολή με τα θερμοζεύγη, για να λειτουργήσουν απαιτούν εξωτερική διέγερση. Η διέγερση αυτή μπορεί να είναι είτε ρεύμα είτε τάση, η μέτρηση των οποίων οδηγεί στον υπολογισμό της τιμής της ηλεκτρικής τους αντίστασης και, μέσω μιας διαδικασίας βαθμονόμησης, στη θερμοκρασία. Για το λόγο αυτό πρέπει για τον υπολογισμό της ακρίβειας μιας μέτρησης θερμοκρασίας, να παίρνουμε υπόψη μας, εκτός από τις αβεβαιότητες του ίδιου του αισθητήρα και τις αβεβαιότητες που σχετίζονται με τα όργανα μέτρησης της αντίστασης. Η εξάρτηση της αντίστασης από τη θερμοκρασία περιγράφεται από τη σχέση R(T) = R(0 C) (1 + α T) (1) 39

40 όπου α ο θερμικός συντελεστής ειδικής αντίστασης (για το λευκόχρυσο α = 3,92 x 10-3 C-1). Στην εικ. 15 δίνεται η μεταβολή του λόγου R(T) / R (0 C), συναρτήσει της θερμοκρασίας Εικόνα 15 Η αντίσταση νικελίου, χαλκού και λευκόχρυσου συναρτήσει της θερμοκρασίας Στο σχήμα αυτό παρατηρούμε την πολύ καλή γραμμικότητα στη μεταβολή της αντίστασης του λευκόχρυσου, γεγονός που ερμηνεύει, μεταξύ άλλων, την καταλληλότητα του μετάλλου αυτού στη θερμομετρία. Η μη γραμμική συμπεριφορά των άλλων δύο μετάλλων περισσότερο του Ni και λιγότερο του Cu, ερμηνεύεται κυρίως από την ύπαρξη προσμίξεων και τις ατέλειες του πλέγματός τους. Εκτός από τη γραμμική συμπεριφορά, για να μπορεί ένα μέταλλο να χρησιμοποιηθεί ως αισθητήρας θερμοκρασίας πρέπει να έχει και άλλες ιδιότητες, όπως αντοχή στις υψηλές θερμοκρασίες, να είναι χημικώς αδρανές και να μπορεί να βρεθεί εύκολα σε χημικώς καθαρή μορφή. Ο λευκόχρυσος ικανοποιεί το σύνολο των απαιτήσεων αυτών. Η εξ. 1 ισχύει γενικά για τα περισσότερα μέταλλα. Ειδικά για τις αντιστάσεις πλατίνας, χρησιμοποιείται η ακριβέστερη σχέση Callendar van Dusen: R(T) = R(0 C) (1 + A T + B T 2 + C (T 100) T 3 ). (2) Ο συντελεστής C λαμβάνει την τιμή 0 για θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 0 C. Τυπικές τιμές των συντελεστών αυτών είναι (πρότυπο IEC751 (Pt100)): Α = 3,985 x 10-3 / C B = -5,85 x 10-7 / C 2 C = 4,27 x / C 4 40

41 α = 3,927 x 10-3 / C ρ = 1,11814 Για ένα βιομηχανικού τύπου PRT, οι αντίστοιχες τιμές είναι (πρότυπο SAMA RC-4): Α = 3,908 x 10-3 / C B = -5,80 x 10-7 / C 2 C = 4,27 x / C 4 α = 3,85 x 10-3 / C ρ = 1,1158. Η παράμετρος α στις ανωτέρω τιμές, ονομάζεται τιμή άλφα του αισθητήρα και ορίζεται ως εξής: R C R C (3) 0 0 (100 ) (0 ) R(0 C) Η παράμετρος αυτή προκύπτει μετρώντας την αντίσταση στο σημείο πήξεως του ύδατος (0 C) και στο σημείο βρασμού του (100 C). Υπάρχουν διάφοροι ισοδύναμοι τρόποι αναγραφής της παραμέτρου άλφα: 0,385 Ω/ C για PRT 100 Ω 3,85 χ 10-3/ C 0,385%/ C 3850 ppm/ C. Η τιμή άλφα εξακολουθεί να χρησιμοποιείται και σήμερα ως μέτρο της καθαρότητας του λευκόχρυσου. Στη θερμομετρία όμως, επειδή το σημείο βρασμού του ύδατος δεν χρησιμοποιείται πλέον στη Διεθνή Θερμομετρική Κλίμακα, η τιμή άλφα έχει αντικατασταθεί από την τιμή ρ (σημείωση: διαβάζεται τιμή ρο ), η οποία ορίζεται ως εξής: 41

42 R (4) 0 ( C) 0 R(0 C) όπου 29,7646 C, το σημείο τήξης του γαλλίου. Η ανοχή των αισθητήρων, που ακολουθούν το πρότυπο IEC751, ταξινομείται σε τέσσερεις κλάσεις, όπως φαίνεται και στον ακόλουθο πίνακα. Το σύμβολο t υποδηλώνει την απόλυτη τιμή της θερμοκρασίας σε βαθμούς Κελσίου. 2.1 Τύποι PRT s Τα PRT s κατασκευάζονται σε διάφορες μορφές. Οι αισθητήρες γενικής χρήσης αποτελούνται από σύρμα πλατίνας (εικ. 16α). Τα τελευταία χρόνια όμως έχουν αναπτυχθεί και PRT s λεπτών υμενίων, τα οποία κερδίζουν συνεχώς έδαφος (εικ. 16α). Εικόνα 16 Μορφές PRT s Οι αισθητήρες σύρματος αποτελούνται από ελικοειδές πολύ λεπτό σύρμα πλατίνας τοποθετημένου στο εσωτερικό κεραμικού σωληνίσκου, ώστε να προστατεύεται και να στηρίζεται. Το σύρμα μπορεί να είναι ενωμένο με το σωληνίσκο. Οι αισθητήρες σύρματος είναι κατά κανόνα ακριβέστεροι από αυτούς των λεπτών υμενίων, επειδή και η καθαρότητα του μετάλλου ελέγχεται καλύτερα και δεν αναπτύσσονται σφάλματα λόγω διάτμησης. Είναι όμως ακριβότεροι. 42

43 Οι αισθητήρες υμενίου αποτελούνται από ένα λεπτό μεταλλικό υμένιο το οποίο εναποτίθεται σε κεραμικό ή υαλώδες υπόστρωμα. Είναι λιγότερο ακριβείς σε σχέση με τους αισθητήρες σύρματος. Είναι όμως σχετικά φθηνοί, διατίθενται σε μικρά μεγέθη και αντέχουν περισσότερο σε μηχανικές καταπονήσεις. Οι αισθητήρες δεν μπορούν γενικά να χρησιμοποιηθούν στη βασική μορφή τους, όπως δηλαδή απεικονίζονται στην εικ. 16, γιατί είναι ευαίσθητοι. Εισάγονται συνήθως σε κάποια προστατευτική διάταξη - θήκη, ώστε να μπορούν να αντέξουν στα περιβάλλοντα στα οποία θα λειτουργήσουν. Συνήθως πρόκειται για κυλίνδρους από ανοξείδωτο χάλυβα, οι οποίοι γεμίζονται με ειδικό γράσο αυξημένης θερμικής αγωγιμότητας (εικ. 17). Ο αισθητήρας βυθίζεται τέλος μέσα στο γράσο. Η διάταξη αυτή προστατεύει τον αισθητήρα και από κραδασμούς. Οι τυποποιημένες διάμετροι των σωλήνων αυτών είναι 3, 4.5, 6, 8, 10, 12 και 15 mm και τα τυποποιημένα μήκη 250, 300, 500, 750 και 1000 mm. Εικόνα 17 Τυπική διάταξη PRT με θήκη Κατά τη χρήση των PRT s δημιουργούνται επαφές δύο μετάλλων: της πλατίνας και των χάλκινων αγωγών μέσω των οποίων μεταφέρονται τα σήματα στη μετρητική διάταξη. Άρα, δημιουργείται θερμοζεύγος. Επομένως αν κατά μήκος του συστήματος αυτού δημιουργηθεί θερμοβαθμίδα, αναπτύσσεται τάση Seebeck της τάξης των 7 μv / C. Η τιμή αυτή δεν επηρεάζει την ακρίβεια των μετρήσεων, εκτός αν πρόκειται για μετρήσεις ιδιαίτερης ακριβείας οι οποίες διεξάγονται με πολύ μικρή ένταση ρεύματος. 2.2 Μέτρηση αντίστασης Όπως αναφέραμε στην προηγούμενη ενότητα, η παράμετρος άλφα ενός PRT 100 Ω ισούται με 0,385 Ω/ C. Για να μετρήσουμε την αντίσταση ενός αισθητήρα, άρα και τη θερμοκρασία, πρέπει να τον ενώσουμε με μια κατάλληλη διάταξη. Η ένωση γίνεται με χάλκινους αγωγούς, η αντίσταση των οποίων, αναλόγως του απαιτουμένου μήκους, μπορεί να κυμαίνεται από μερικά 43

44 Ω, ως μερικές δεκάδες Ω. Παρατηρώντας ότι η τιμή της παραμέτρου άλφα είναι μικρή, καταλαβαίνουμε ότι ακόμα και μια μικρή πρόσθετη αντίσταση των αγωγών, αν δεν ληφθεί υπ όψη, μπορεί να επιφέρει σημαντικό σφάλμα στη μέτρηση. Έστω για παράδειγμα το κύκλωμα της εικ. 18, με το οποίο μετράται η αντίσταση ενός PRT 100 Ω. Αν η αντίσταση καθενός από τους δύο αγωγούς ισούται με 5 Ω, η συνολική επιπλέον αντίσταση θα είναι 10 Ω. Άρα η διαφορά θερμοκρασίας που αντιστοιχεί θα είναι 10 C / 0,385 Ω. C -1 = 26 C. Εικόνα 18 Επίδραση της αντίστασης των αγωγών Ο κλασσικός τρόπος για την αποφυγή αυτού του προβλήματος είναι η χρήση της γέφυρας Wheatstone (εικ. 19). Η τάση εξόδου Vout της γέφυρας είναι μια έμμεση μέτρηση της τιμής της ζητούμενης αντίστασης Rg. Η χρήση της γέφυρας απαιτεί μία εξωτερική πηγή τάσης και τρεις αντιστάτες, μηδενικού συντελεστή άλφα. Εικόνα 19 Γέφυρα Wheatstone, για μέτρηση PRT Για να μην εκτίθενται οι τρεις αντιστάτες στην ίδια θερμοκρασία με το PRT, χρησιμοποιείται στην πράξη το διαφοροποιημένο κύκλωμα της εικ

45 Εικόνα 20 Πρακτικό κύκλωμα μέτρησης PRT με γέφυρα Τώρα όμως εμφανίζεται ξανά ίδιο το πρόβλημα: η αντίσταση των δύο προεκτεταμένων αγωγών επιδρά στη μέτρηση της θερμοκρασίας. Το πρόβλημα αντιμετωπίζεται χρησιμοποιώντας τη λεγόμενη τεχνική των τριών αγωγών (εικ. 21). Αν οι αγωγοί Α και Β έχουν ακριβώς το ίδιο μήκος, οι αντιστάσεις τους αλληλοαναιρούνται, δεδομένου ότι ανήκουν σε αντίθετα σκέλη της γέφυρας. Εικόνα 21 Τεχνική τριών αγωγών Το κύκλωμα της εικ. 21 έχει ως αποτέλεσμα η μεταβολή της τάσης εξόδου της γέφυρας με την αντίσταση του PRT να μην είναι γραμμική. Αυτή η μη γραμμικότητα έρχεται να προστεθεί στην ήδη μη γραμμική εξάρτηση μεταξύ θερμοκρασίας και αντίστασης του PRT. Τα προβλήματα που σχετίζονται με τη χρήση της γέφυρας, λύνονται αν η μέτρηση γίνει χρησιμοποιώντας αντί της εξωτερικής πηγής τάσης, μία πηγή ρεύματος. Ένα τέτοιο κύκλωμα φαίνεται στην εικ. 22. Εικόνα 22 Μέτρηση PRT με πηγή ρεύματος και βολτόμετρο Για την υλοποίηση του κυκλώματος αυτού απαιτούνται τέσσερεις αγωγοί, γι' αυτό και ονομάζεται τεχνική των τεσσάρων αγωγών ή τεσσάρων συρμάτων (four wire technique). Η τάση 45

46 που μετρά το βολτόμετρο είναι η πτώση τάσης στα άκρα στα άκρα του PRT και είναι ευθέως ανάλογη της αντίστασής του, αλλά ανεξάρτητη από το μήκος των χρησιμοποιουμένων αγωγών. Η τεχνική των τεσσάρων αγωγών είναι η ακριβέστερη για τη μέτρηση της θερμοκρασίας με PRTs. Εκτός από το λευκόχρυσο, για την κατασκευή αντιστατών αισθητήρων θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται και άλλα μέταλλα όπως νικέλιο, χαλκός και μολυβδένιο. Οι χρήσεις τους όμως είναι εξειδικευμένες και οι συνολικές τους δυνατότητες δεν καλύπτουν αυτές των αισθητήρων λευκόχρυσου. Κατά τα λοιπά, ο τρόπος χρήσης και οι συνδεσμολογίες μέτρησης είναι οι ίδιες 46

47 3. Διάταξη μέτρησης θερμοκρασίας μέσω της κάρτας ήχου υπολογιστή Για τις ανάγκες της εργασίας δημιουργήθηκαν δύο συστήματα, ένα υπολογιστικό και ένα φυσικό. Το φυσικό σύστημα της εργασίας περιελάμβανε ένα θερμόμετρο τύπου RTD (RTD PT100), καλώδια και αντιστάσεις, καθώς και δύο βύσματα για την σύνδεση στην κάρτα ήχου του υπολογιστή, ένα για τη θύρα των ακουστικών (είσοδος) και ένα για την θύρα του μικροφώνου (έξοδος). Το φυσικό σύστημα χρησιμοποιεί την κάρτα ήχου του υπολογιστή τόσο ως συσκευή μέτρησης όσο και ως A/D μετατροπέα (analog to digital). Η έξοδος αυτού του συστήματος, αποτελεί και την είσοδο στο υπολογιστικό σύστημα, το οποίο αναλαμβάνει τον έλεγχο του συστήματος απόσταξης, ρυθμίζοντας τη λειτουργία του επαγωγικού θερμαντήρα, διατηρώντας σε κατάλληλα επίπεδα την θερμοκρασία στο βραστήρα. Η ολοκληρωμένη διάταξη παρουσιάζεται στο διάγραμμα που ακολουθεί. Θερμόμετρο Επαγωγικός Θερμαντήρας Κάρτα Ήχου (A/D) Control System Η βασική είσοδος στο σύστημα ελέγχου είναι η θερμοκρασία που μετρά το θερμόμετρο. Αυτή λαμβάνεται από την κάρτα ήχου και ψηφιοποιείται, και εισάγεται σαν είσοδος στο υπολογιστικό σύστημα ελέγχου. Το σύστημα ελέγχου, ελέγχει κατά πόσο η θερμοκρασία βρίσκεται στο εύρος 47

48 που είναι απαιτητό και ρυθμίζει ανάλογα την λειτουργία του θερμαντήρα, ώστε αυτή να ανέβει, να μείνει σταθερή ή και να πέσει ανάλογα με την περίσταση. Το Θερμόμετρο Πλατίνας RTD PT100 Οι RTDs (Resistance temperature detectors) είναι αισθητήρες, των οποίων η αντίσταση είναι ανάλογη της θερμοκρασίας. Πιο συνηθισμένοι είναι αυτοί από πλατίνα, εξαιτίας της ακρίβειάς τους. Οι αισθητήρες πλατίνας RTDs αναφέρονται και σαν PT-RTDs. Οι RTDs κατασκευάζονται επίσης από άλλα υλικά όπως νικέλιο (Ni), χαλκό (Cu). Τα χαρακτηριστικά των RTDs πλατίνας είναι η μεγάλη έκταση θερμοκρασιών που µπορούν να μετρήσουν (ως πάνω από +800ºC), η εξαιρετική ακρίβεια και επαναληψιµότητα, όπως και η γραµµικότητα σχέσης αντίστασηςθερμοκρασίας, η οποία φαίνεται στην καµπύλη της εικ. 23. Αξίζει να επισημανθεί ότι για την περιοχή θερμοκρασιών, που θα λειτουργήσει το σύστημα, ή συμπεριφορά των RTDs είναι απόλυτα γραμμική. Εικόνα 23 Γραµµικότητα αντίστασης/θερµοκρασίας RTD PT100 Το θερμόμετρο που χρησιμοποιήθηκε είναι πλατίνας τύπου PT100 (RTD PT100) και έχει µήκος 20 cm. Η κεφαλή είναι στεγανοποιημένη. Εκεί βρίσκονται οι απολήξεις του αισθητήρα (εικ. 24, 25), οι οποίες θα συνδεθούν µέσω διάταξης µε την κάρτα ήχου του υπολογιστή. 48

49 Εικόνα 24 Το θερμόμετρο PT100 (RTD PT100) Σύνδεση θερμομέτρου στην κάρτα ήχου Εικόνα 25 Η κεφαλή σύνδεσης του θερμομέτρου 49

50 Η μέτρηση της θερμοκρασίας από το θερμόμετρο μπορεί να γίνει μέσω της μεταβολής της αντίστασης αυτού λόγω της μεταβολής της θερμοκρασίας. Ωστόσο, το θερμόμετρο συνδέεται σε σειρά με μια σταθερή αντίσταση, και είναι η τάση στα άκρα αυτής της αντίστασης που ελέγχεται άμεσα (όχι της αντίστασης του θερμομέτρου). Αυτή η μέθοδος δεν καθιστά μόνο τη καταγεγραμμένη τάση περίπου ανάλογη με τη θερμοκρασία (μειώνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία), αλλά επίσης απλοποιεί τη διαδικασία προσαρμογής του σήματος αργότερα στο σύστημα ελέγχου. Η εικόνα 26 δείχνει το απλό δυναμικό κύκλωμα διαιρέτη τάσης που χρησιμοποιείται. Εικόνα 26 Συνδεσμολογία διαιρέτη τάσης Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η είσοδος μικροφώνου μιας τυπικής κάρτας ήχου υπολογιστή είναι συνδεδεμένη σε AC ρεύμα καθιστώντας αδύνατη την χρήση DC ρεύματος για την μέτρηση της τάσης και τη λειτουργία της διάταξης. Παρ' όλα αυτά, ακόμη και με τον περιορισμό αυτό είναι δυνατόν να γίνει χρήση της δυνατότητας μέτρησης AC τάσης για έναν αριθμό εφαρμογών. Στο [4] προσδιορίζεται η επιτάχυνση της βαρύτητας g, χρησιμοποιώντας μια απλή και χαμηλού κόστους πειραματική συσκευή που βασίζεται στην κάρτα ήχου. Ο χρόνος που απαιτείται ώστε μια μεταλλική μπάλα να διανύσει μία προκαθορισμένη απόσταση μετρήθηκε και καταγράφηκε από μια σειρά οπτικών αισθητήρων, που τοποθετήθηκαν κατά μήκος της εξωτερικής επιφάνειας ενός κατακόρυφου σωλήνα σε τακτά χρονικά διαστήματα. Καθώς η μπάλα περνούσε μέσα από το σωλήνα διέκοπτε την πορεία του υπέρυθρου φωτός που ακτινοβολούταν μεταξύ κάθε αισθητήρα και τη αντίστοιχη φωτο-δίοδου. Ως αποτέλεσμα, ένα ηλεκτρικό σήμα λαμβανόταν 50

51 από ένα μικρόφωνο εισόδου, ψηφιοποιούνταν και στη συνέχεια υποβαλλόταν σε επεξεργασία από λογισμικό στον υπολογιστή. Στο [5] παρουσιάστηκε μια μέθοδος για τη μέτρηση της περιόδου ταλάντωσης ενός απλού εκκρεμούς αυτόματα. Η θέση του εκκρεμούς μετατρεπόταν σε συχνότητα σήματος χρησιμοποιώντας ένα απλό ηλεκτρονικό κύκλωμα που ανίχνευε την ένταση του υπερύθρου φωτός που ανακλώταν από το εκκρεμές. Το σήμα που παραγόταν από το ηλεκτρονικό κύκλωμα ήταν η είσοδος στη θύρα μικροφώνου της κάρτας ήχου και καταγραφόταν ως ένα αρχείο 16-bit wav. Στη συνέχεια το σήμα υποβαλλόταν σε επεξεργασία για να ληφθεί η περίοδος. Στο [6] παρουσιάστηκαν οι αρχές πίσω από δύο διαφορετικά σχέδια ενός επαγωγικού μετρητή ισχύος. Και οι δύο έκαναν χρήση της εισόδου μικροφώνου του υπολογιστή που ταυτόχρονα με ένα υπολογιστικό μοντέλο κατέγραφαν τη στιγμιαία ισχύ οικιακών ηλεκτρικών συσκευών. Στο [7], παρουσιάζονται μερικά πειράματα φυσικής όπου ένας υπολογιστής χρησιμοποιείται ως συσκευή μέτρησης, μαζί με διαθέσιμα φυσικές συσκευές, όπως ένα λέιζερ, ένα ηλιακό κύτταρο ή ένα μικρόφωνο. Στο [8], παρουσιάζεται ένα απλό επαγωγικό βαρυτόμετρο κατασκευασμένο από ένα άκαμπτο πλαστικό σωλήνα και μονωμένο χάλκινο σύρμα. Όταν ένας μαγνήτης έπεφτε μέσα από τον κάθετα τοποθετημένο σωλήνα προκαλούσε μια μικρή εναλλασσόμενη τάση. Αυτά τα μικρά σήματα τροφοδοτούταν στην είσοδο μικροφώνου ενός υπολογιστή ακολουθούσε δειγματοληψία του παραγόμενου σήματος, με στόχο τον υπολογισμό της επιτάχυνσης της βαρύτητας. Στο [9], περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο ένα μικρόφωνο συνδεδεμένο σε έναν υπολογιστή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την καταγραφή της ώθησης μιας μπάλας που αναπηδά πάνω σε ένα τραπέζι. Τα διαστήματα μεταξύ της εμφάνισης της ώθησης αντιπροσωπεύουν το «χρόνο πτήσης» της μπάλας. Επειδή κάποια ενέργεια χανόταν σε κάθε αναπήδηση, τα χρονικά διαστήματα ήταν σταδιακά μικρότερα. Μέσω υπολογισμών ήταν δυνατός ο υπολογισμός του ποσοστού της ενέργειας που χανόταν μετά από κάθε αναπήδηση, και κατ επέκταση ήταν δυνατόν να εκτιμηθεί το ύψος από το οποίο έπεσε η μπάλα. Κατ' αρχήν, θα ήταν δυνατόν να χρησιμοποιηθεί μια εξωτερική πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος για την τροφοδοσία του κυκλώματος, ωστόσο, δεδομένου ότι η εφαρμογή αυτή χρησιμοποιεί ένα πολύ μικρό ρεύμα (<1 ma), είναι βολικό να χρησιμοποιηθεί η έξοδος των ηχείων ή ακουστικών της κάρτας ήχου για την παροχή AC τάσης διέγερσης στο κύκλωμα. Η εικόνα 27 51

52 δείχνει το τρόπο με τον οποίο τα βύσματα μικροφώνου και ηχείου\ακουστικού συνδέονται με τη σταθερή αντίσταση και το θερμόμετρο. Εικόνα 27 Σύνδεση του θερμομέτρου και της σταθερής αντίστασης με τα βύσματα μικροφώνου και ακουστικών. Το χρώμα των καλωδίων δείχνει και πού συνδέεται τί στα δύο jack, το ένα για το βύσμα του μικροφώνου και το άλλο για τα ακουστικά. Μόνο η σύνδεση με το άκρο (κόκκινο) και τον άξονα (πράσινο) χρησιμοποιούνται. 52

53 Εικόνα 28 Το βύσμα των ακουστικών Εικόνα 29 Το βύσμα του μικροφώνου Είναι χρήσιμο να συνδεθεί το θερμόμετρο στο άκρο μεγάλου μήκους καλωδίου από το ζεύγος ακροδεκτών (~ 70 cm), έτσι ώστε οι μετρήσεις της θερμοκρασίας να μπορούν να γίνουν σε κάποια απόσταση από το σώμα του συνδέσμου. Με την συγκεκριμένη συνδεσμολογία: Μια αύξηση της θερμοκρασίας θα προκαλέσει μια αύξηση στην αντίσταση του θερμομέτρου (εικόνα 26), και αυτό θα προκαλέσει την μείωση του ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα. Μια μείωση σε αυτό το ρεύμα θα παράγει μια μείωση της 53

54 τάσης στα άκρα του σταθερού αντιστάτη. Έτσι, η τάση συσχετίζεται αρνητικά με τη θερμοκρασία. Πριν από την κατασκευή του κυκλώματος είναι χρήσιμο να διαμορφωθεί η αναμενόμενη απόκριση, ιδιαίτερα να εξεταστεί ο τρόπος που η επιλογή της τιμής του σταθερού αντίσταση θα επηρεάσει την ευαισθησία και την απόκριση του κυκλώματος. Το κλάσμα της εφαρμοζόμενης τάσης η οποία θα μετράται κατά μήκος του σταθερού αντιστάτη δίδεται από Vr R0 Vapp R0 R(T) Όπου οι τάσεις όπως στο σχήμα και Ro η σταθερή αντίσταση που βάλαμε και R(T) η αντίσταση του θερμομέτρου. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα από την παραπάνω σχέση, είναι δυνατόν να παραχθούν διαγράμματα που θα δείχνουν την απόκριση του συστήματος με βάση την τιμή του αντιστάτη. Χονδρικά η γραμμική απόκριση του θερμομέτρου (αντίστασης) δίνεται ως R(T)=0.3750T+100. Το διάγραμμα που ακολουθεί δείχνει την μεταβολή της τιμής του κλάσματος στην παραπάνω σχέση συναρτήσει της θερμοκρασίας για τιμές του σταθερού αντιστάτη από Ω. 54

55 Εικόνα 30 Μεταβολή της τιμής του κλάσματος τάσεων συναρτήσει της τιμής του σταθερού αντιστάτη συναρτήσει της θερμοκρασίας Από το διάγραμμα (σημειώνεται ότι η πιο υψηλή καμπύλη είναι αυτή που έχει την μικρότερη τιμή και η κατώτερη την μέγιστη) προκύπτει ότι κατά βάση, υπάρχει μια σχεδόν γραμμική μεταβολή της τιμής του κλάσματος συναρτήσει της τιμή της σταθερής αντίστασης που προφανώς είναι αποτέλεσμα της (σχεδόν) γραμμικής συμπεριφοράς της αντίστασης του θερμομέτρου σε σχέση με την θερμοκρασία. Συνεπώς, και βάση των παραπάνω παρατηρήσεων, επιλέγεται η τιμή της σταθερής αντίστασης ίσης με το άνω όριο των 100 Ω. Συνεπώς, η σύνδεση είναι η ακόλουθη. 55

56 Εικόνα 31 Σύνδεση του αντιστάτη στις αντίστοιχες συνδέσεις του θερμομέτρου 56

57 Εικόνα 32 Σύνδεση κυκλώματος στην μεριά του θερμομέτρου. Τα καλώδια καταλήγουν στα βύσματα μικροφώνου ακουστικών, όπως στην εικ. 27. Για την λειτουργία του συστήματος, δημιουργήθηκε ένα πρόγραμμα στην Simulink του Matlab προκειμένου να παραχθεί ένα σταθερής συχνότητας και πλάτους σήμα εξόδου από την κάρτα ήχου μέσω της υποδοχής των ακουστικών. Την ίδια στιγμή, το πρόγραμμα καταγράφει τον «ήχο» για ένα σύντομο χρονικό διάστημα. Το καταγεγραμμένο σήμα αναλύεται, και σε μια προσπάθεια να ελαχιστοποιηθούν οι επιπτώσεις παρασιτικών θορύβων και κάθε παρεμβολής, υπολογίζεται το φάσμα Fourier, και το πλάτος μετράται μόνο στην ίδια συχνότητα με τον ήχο που η κάρτα έχει σαν έξοδο. Το σύστημα θα παρουσιαστεί παρακάτω. Για τον πλήρη έλεγχο του πλάτους, είναι απαραίτητο να εξασφαλιστεί ότι ο έλεγχος της έντασης για την έξοδο των ακουστικών του υπολογιστή βρίσκεται σε σταθερή θέση κατά τη διάρκεια της βαθμονόμησης. Τυχόν μεταβολές μπορεί να αλλοιώσουν τα αποτελέσματα της μέτρησης. Εάν το σύστημα πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για έναν αριθμό ημερών, είναι σημαντικό η έντασης της εξόδου των ακουστικών του υπολογιστή να παραμείνει αμετάβλητη καθ 'όλη τη διάρκεια. Για αυτό το λόγο τα χειριστήρια θέτονται στο μέγιστο. Με αυτόν τον τρόπο, ακόμα και αν ο υπολογιστής εκτελέσει επανεκκίνηση, είναι δυνατόν να τεθεί το ίδιο επίπεδο έντασης στην έξοδο της κάρτας ήχου και έτσι διατηρηθεί η βαθμονόμηση. Το ίδιο ισχύει και για το κέρδος της υποδοχής μικροφώνου (ή γραμμή-in). Σημειώνεται ότι ενδέχεται να υπάρχουν κάποιες 57

58 επιπτώσεις που εξαρτώνται από τη συχνότητα (frequency dependent) αντίστασης λόγω των μη τυπικών χωρητικοτήτων μεταξύ καλωδίων ή άλλων εξαρτημάτων. Για να εξασφαλιστεί ότι τυχόν επιδράσεις διατηρούνται όσο το δυνατό σταθερές, το σύστημα έχει κατασκευαστεί για να λειτουργεί σε σταθερή συχνότητα 2 khz,. Τυπικά το μέγεθος των τάσεων που καταγράφονται από την είσοδο του μικροφώνου είναι πολύ μικρότερο από τις τάσεις εξόδου από την κάρτα ήχου μέσω της υποδοχής των ακουστικών. Είναι σημαντικό συνεπώς να λειτουργεί με σήματα που είναι αρκετά μικρά για να αποφευχθεί το φαινόμενο της αποκοπής (clipping). Για να εξασφαλισθεί αυτό, θερμαίνεται το θερμόμετρο στο μέγιστο της περιοχής θερμοκρασίας. Το πλάτος του σήματος στην υποδοχή ακουστικών στη συνέχεια μειώνεται μέχρι η οθόνη να δείχνει σαφώς ότι το σήμα εισόδου του μικροφώνου δεν υφίσταται αποκοπή. Δεδομένης της μοντελοποιημένης απόκρισης στην εικ. 30, θα πρέπει να αναμένεται μια μείωση του λόγου τάσης από 0,96 σε Μόλις βρεθεί αυτό κατάλληλο επίπεδο πλάτους, θα πρέπει να διατηρείται σταθερό Σημείωση: Η απόδοση των καρτών ήχου σε διαφορετικούς υπολογιστές διαφέρει παρά πολύ. Αυτό υπογραμμίζει το γεγονός ότι πρέπει να βαθμονομηθεί ξεχωριστά κάθε σύστημα. To υπολογιστικό σύστημα ελέγχου Όπως αναφέρθηκε, το σύστημα ελέγχου υλοποιήθηκε στο περιβάλλον Simulink του Matlab. Η δομή του παρουσιάζεται στην εικόνα που ακολουθεί. Όπως φαίνεται στην εικ 33,34, το σύστημα απαρτίζεται από τρία υποσυστήματα. Το μικρό υποσύστημα που βρίσκεται κάτω περιλαμβάνει μόνο μια γεννήτρια σήματος και τον καταγραφέα της κάρτας ήχου και στην ουσία είναι αυτό που στέλνει και ελέγχει το σήμα στην θύρα των ακουστικών της κάρτας ήχου. Το σύστημα παράγει, στην κάρτα ήχου, έναν ήχο με σταθερό πλάτος και συχνότητα 58

59 Εικόνα 33 To υπολογιστικό σύστημα ελέγχου του επαγωγικού θερμαντήρα Το block με το σχήμα του μικροφώνου μετρά συνεχώς την τάση στην σταθερή αντίσταση του συστήματος μέτρησης (όπως περιγράφηκε παραπάνω), και την εισάγει σαν είσοδο στο υποσύστημα μέτρησης της θερμοκρασίας. Εικόνα 34To υπολογιστικό σύστημα μέτρησης της θερμοκρασίας. 59

60 Η είσοδος συνεπώς στο υποσύστημα έχει ημιτονοειδή μορφή, και για αυτό μετράται μόνο το πλάτος της στα επόμενα block του κώδικα. Η έξοδος του υποσυστήματος είναι η τιμή της τάσης Vr. Η τιμή αυτή έπειτα εισάγεται σα είσοδος στο υποσύστημα ελέγχου. Εικόνα 35 Το υποσύστημα ελέγχου Με δεδομένη την τάση του ήχου εισόδου, δύναται να υπολογισθεί η τιμή του κλάσματος των δύο τάσεων και με δεδομένη επίσης την τιμή της σταθερής αντίστασης, είναι δυνατόν να υπολογισθεί η αντίσταση του θερμομέτρου. Τέλος, η συνάρτηση της αντίστασης του θερμομέτρου ως προς τη θερμοκρασία που παρουσιάστηκε παραπάνω, επιλύεται για να προκύψει η θερμοκρασία μέτρησης. Η θερμοκρασία μετά εισάγεται σε έναν έλεγχο όπου αν είναι κάτω από ένα κατώφλι η έξοδος του ελέγχου είναι το λογικό 1 και αν είναι πάνω από το κατώφλι είναι αντίστοιχα το λογικό 0. Η έξοδος αυτή συνδυάζεται με την τάση από το δίκτυο και οδηγεί μια ελεγχόμενη πηγή τάσης που τροφοδοτεί τον επαγωγικό θερμαντήρα (αν είναι 1 η έξοδος του ελέγχου ο θερμαντήρας τροφοδοτείται με τάση ενώ στο 0 αντίστοιχα όχι). Σαν παράδειγμα για την επάρκεια της μέτρησης, μελετήθηκε νερό που αφέθηκε να κρυώσει μετά από βρασμό. Η μέτρηση παρουσιάζεται στο διάγραμμα χρόνου θερμοκρασίας που ακολουθεί. Επίσης τοποθετήσαμε το θερμόμετρο σε νερό θερμοκρασίας 70 βαθμών κελσίου και επιβεβαιώσαμε όντως τη θερμοκρασία του από τα αποτελέσματα του simulink καθώς και την αντίστοιχη αντίσταση του ( =140 Ω, από τύπο βλέπε simulink) όπως φαίνεται παρακάτω. 60

61 61

62

63 63

64

65 4. Συμπεράσματα Κατά βάση η διάταξη που δημιουργήθηκε μπορεί να θεωρηθεί ότι απέδωσε καλώς στην διατήρηση της θερμοκρασίας ενός βραστήρα σταθερή. Εντούτοις, υπάρχουν ορισμένα σημεία που θα χρειαστεί σε μετέπειτα εργασίες να αντιμετωπιστούν: Το lag (καθυστέρηση) στην απόκριση του βραστήρα σε σχέση με την εντολή του υπολογιστή, που οφείλεται όμως σε φυσικούς περιορισμούς, καθώς ο βραστήρας που χρησιμοποιήθηκε δεν ήταν δυνατό να επιτύχει άμεσα την τελική του θερμοκρασία Η διενέργεια πειραμάτων με πραγματικές ουσίες αποστακτηρίου και όχι με νερό όπως στην δική μας περίπτωση. Σε αυτή τη περίπτωση το σύστημα θα πρέπει να καλιμπραριστεί ανάλογα. 65

66

67 Βιβλιογραφία [1] Nicholas J.V., White D.R., Traceable Temperatures An Introduction to Temperature Measurement and Calibration, John Wiley & Sons, [2] Omega Temperature Measurement Handbook & Encyclopedia, Omega Engineering Inc, 1992 [3]. [4] Abellan-Garcıa F.J. and Garcıa-Gamuz J.A Gravity acceleration measurements using a soundcard Eur. J. Phys. 33,1271 [5] Khairurrijal, Widiatmoko E, Srigutomo W and Kurniasih N 2012 Measurement of gravitational acceleration using a computer microphone port Phys. Educ. 47, 709 [6] Nunn J 2013 Educational electrical appliance power meter and logger Phys. Educ. 48, [7] Kodejška Č, De Nunzio G, Kubínek R and Říha J 2015 Low cost alternatives to commercial lab kits for physics experiments Phys. Educ. 50, 597 [8] Nunn J 2014 Educational inductive gravimeter Phys. Educ. 49, 41 [9] Nunn J 2014 The bounce meter Phys. Educ. 49, 303 [10] [11] 67

68

69 Παράρτημα Α 69

70 70

71 71

72 72

73 73

74 74

75 75

76 76