ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΣΤΑΘΜΗΣ ΕΛΕΥΘΕΡΙΟΥ ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ:

Transcript

1 ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΣΤΑΘΜΗΣ ΕΛΕΥΘΕΡΙΟΥ ΑΝΤΩΝΙΟΣ Α.Ε.Μ:4131 ΕΙΣΗΓΗΤΗΣ: ΘΑΛΑΣΣΙΝΟΣ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ ΚΑΒΑΛΑ

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα πτυχιακή εργασία αποτελεί ουσιαστικά τον επίλογο της φοίτησής μου στο ΤΕΙ Καβαλάς. Κατά τη συγγραφή της ένιωσα ότι συνθέτω ένα «πάζλ» και θυμήθηκα την απάντηση που μου είχε δώσει ένας πτυχιούχος συνάδελφος όταν στο δεύτερο έτος, βγαίνοντας από τη γραπτή εξέταση ενός μαθήματος, γκρίνιαξα για τη στείρα γνώση που προσφέρει το ΤΕΙ Καβάλας: «Το κάθε μάθημα είναι ένα κομμάτι του «πάζλ». Μόνο στο τέλος μπορείς να δεις ολόκληρη την εικόνα». Κι αυτή είναι η αλήθεια.κοιτάω τώρα το δικό μου «πάζλ». Κάποια κομμάτια είναι καλά τοποθετημένα τα θυμάμαι όταν τα έβαζα σπιθαμή προς σπιθαμή-κάποια δεν είναι στο σωστό σημείο και άλλα - ευτυχώς λίγα - λείπουν. Η εικόνα,όμως είναι ξεκάθαρη και όμορφη...και το κυριότερο είναι ότι πλαισιώνεται από τις ανεκτίμητες εμπειρίες που αποκόμισα τα χρόνια των σπουδών μου.εμπειρίες που με έκαναν να επαναπροσδιορίσω έννοιες όπως η γνώση, σκέψη, η αμφισβήτηση, η επιμονή, η αυτοπεποίθηση, η ηθική... Θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους καθηγητές που γνωρισα..και τον κ. Θαλασσινό που συμφωνήσαμε ώστε να εκπονήσω την πτυχιακή αυτή.τους γονείς μου για την αμέριστη συμπαρασταση όλα αυτά τα χρονια,καθως και τους φίλους μου συναδέλφους για τα χρόνια που περάσαμε στο ΤΕΙ Καβάλας Χωρίς αυτά κανενός το «πάζλ» δε θα ήταν τόσο όμορφο... 1

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ο σκοπός της πτυχιακής εργασίας είναι να παρουσιάσει τα όργανα εκεινα,αλλα και τους τρόπους που τα χρησιμοποιούμε, ώστε να μετρήσουμε και να ελέγχουμε την θερμοκρασία και την στάθμη. Ξεκινώντας από την θερμοκρασία στο πρώτο μέρος, με μια ιστορική αναφορά στα πρώτα θερμόμετρα, και έπειτα παρουσιάζοντας σύγχρονα όργανα και τρόπους μέτρησης. Στο δεύτερο μέρος με αντίστοιχο τρόπο, για την στάθμη. Με στόχο, ο αναγνώστης να έχει μια πλήρη και αναλυτική καταγραφή κάθε πιθανού οργάνου και τρόπου που χρησιμοποιείτε, ώστε να φτάσει στην καλύτερη επιλογή ανάλογα με την εφαρμογή που έχει. 2

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος...σελ. 1 Περίληψη...σελ. 2 Περιεχόμενα...σελ 3 ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟ 1.Γενικα περί θερμοκρασίας...σελ Μη ηλεκτρικές μέθοδοι...σελ Θερμόμετρα υγρου,πιεσης ατμων,αεριου...σελ 9 Θερμόμετρα υγρού σε γυαλί...σελ 9 Θερμόμετρα υγρού σε μέταλλο...σελ 10 Θερμόμετρα αερίου υπό σταθερό όγκο...σελ Θερμόμετρα με διμεταλλικό έλασμα...σελ Πυρίμαχοι κωνοι,χρωματα και κραγιόν...σελ Ηλεκτρικές μέθοδοι...σελ Θερμόμετρα ηλεκτρικής αντίστασης...σελ 18 Θερμίστορ...σελ Θερμόμετρα θερμοστοιχείων-θερμοζευγη.σελ 34 3

5 Μέτρηση θερμοκρασίας με ακτινοβολία...σελ 67 Πυρόμετρα ολικής ακτινοβολίας...σελ 72 Οπτικά πυρόμετρα...σελ 74 Φωτοηλεκτρικά πυρόμετρα...σελ 76 Θερμογραφικές κάμερες και υπέρυθρη ακτινοβολία...σελ 78 Αισθητήρες οπτικών ινών...σελ 88 ΜΕΡΟΣ ΔΕΥΤΕΡΟ 2. Γενικά περί στάθμης...σελ Σημειακή μέτρηση στάθμης...σελ 92 Δονητικός αισθητήρας...σελ 93 Χωρητικός αισθητήρας...σελ 95 Ηλεκτρόδια αγωγιμότητας...σελ 98 Μαγνητικός αισθητήρας...σελ 100 Πλωτήρες... σελ Συνεχείς μέτρηση στάθμης...σελ 105 Αισθητήρες υπερήχων...σελ 106 Αισθητήρες μικροκυμάτων...σελ 109 Αισθητήρες πίεσης...σελ 114 Μαγνητικοί αισθητήρες...σελ 118 4

6 Σύστημα plub bob σελ 120 Αισθητήρες Laser. σελ 122 Επίλογος- Συμπεράσματα...σελ 129 Βιβλιογραφία...σελ 130 5

7 ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟ:ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ 1.ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Θερμομετρία ονομάζεται η επιστήμη που μετρά την θερμοκρασία ενός υλικού ή την ικανότητα ενός αντικειμένου να μεταφέρει θερμότητα σε ένα άλλο. Η μέτρηση της θερμοκρασίας είναι ιδιαίτερα σημαντική στη Ηλεκτρολογία, στη Μηχανολογία αλλά και σε αρκετές άλλες ειδικότητες του Μηχανικού, του Φυσικού, την Μετεωρολογία, αλλά και στην Ιατρική. Τα θερμόμετρα είναι πολύ διαδεδομένα στην καθημερινή μας ζωή. Το πρώτο θερμόμετρο, που ήταν γνωστό ως θερμοσκόπιο, κατασκευάστηκε από τον Γαλιλαίο στις αρχές του 17ου αιώνα, και χρησιμοποιούσε αέρα ως εργαζόμενο μέσο (επομένως ήταν επιρρεπές στις μεταβολές του καιρού). Χρειάστηκαν ακόμη περίπου 50 χρόνια για να κατασκευαστούν τα πρώτα θερμόμετρα υγρού σε γυαλί, όπως αυτό που κατασκευάστηκε από τον Leopoldo, Cardinal dei Medici, γνωστό ως θερμόμετρο της Φλωρεντίας. H θερμοκρασία είναι μια έκφραση της μέσης κινητικής ενέργειας των μορίων ενός ρευστού, ή αντίστοιχα των ατόμων που συνιστούν τους κρυστάλλους ή άλλες δομικές μονάδες ενός στερεού σώματος. Γίνεται άμεσα αντιληπτή από το ανθρώπινο νευρικό σύστημα. Παρόλο που η θερμοκρασία αποτελεί βασική ιδιότητα όπως η μάζα, το μήκος ή ο χρόνος, δεν μπορεί να μετρηθεί με άμεση σύγκριση με κάποιο βασικό πρότυπο. Μπορεί μόνο να προσδιορισθεί με τη χρήση μιας πρότυπης βαθμονομημένης συσκευής ή συστήματος. 6

8 Διάγραμμα βασικής αρχής μιας συσκευής μέτρησης θερμοκρασίας. H μέτρηση της θερμοκρασίας ενός σώματος βασίζεται στην επίτευξη θερμοδυναμικής ισορροπίας μεταξύ του σώματος και του αισθητήρα. Η ισορροπία αυτή επιτυγχάνεται με την μετάδοση θερμότητας που προκύπτει λόγω διαφοράς θερμοκρασίας σώματος και αισθητήρα. Η μετάδοση θερμότητας μπορεί να γίνεται με τους τρεις γνωστούς τρόπους (αγωγή, συναγωγή και ακτινοβολία),και φυσικά, εφόσον επιθυμούμε γρήγορη απόκριση του αισθητήρα μας θα πρέπει να εντείνουμε τους τρόπους αυτούς μετάδοσης θερμότητας με κατάλληλο σχεδιασμό και τοποθέτηση του αισθητήρα. Τα θερμόμετρα (όργανα μέτρησης θερμοκρασιών γενικότερα), χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, ανάλογα με τη χρήση ή όχι ηλεκτρικά μεταδιδόμενου σήματος ή αισθητήρα 7

9 Πίνακας χαρακτηριστικών στοιχείων οργάνων μέτρησης θερμοκρασίας ΜΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ Τα θερμόμετρα της κατηγορίας αυτής βασίζονται στην περίπου γραμμική διαστολή που υφίσταται ένα ρευστό με την αύξηση της θερμοκρασίας. 1. Θερμόμετρα υγρού, πίεσης ατμών, αερίου 2. Θερμόμετρα με διμεταλλικό έλασμα 3. Πυρίμαχοι κώνοι, χρώματα και κραγιόν 8

10 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΥΓΡΟΥ, ΠΙΕΣΗΣ ΑΤΜΩΝ,ΑΕΡΙΟΥ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΥΓΡΟΥ ΣΕ ΓΥΑΛΙ Ένα θερμόμετρο γυαλιού περιέχει, ερμητικά κλεισμένη, μία ποσότητα υγρού σε ισορροπία με τους ατμούς του. Η αρχή λειτουργίας του θερμομέτρου γυαλιού βασίζεται στο ότι η πίεση στον θάλαμο που περιέχει το ρευστό και τους ατμούς του είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας και του όγκου του δοχείου. Με τα θερμόμετρα γυαλιού μπορούμε να μετρήσουμε θερμοκρασίες μέσα στην περιοχή που συνυπάρχει το ρευστό με τους ατμούς του. Για παράδειγμα το υδραργυρικό θερμόμετρο αποτελείται από το βολβό αποθήκευσης του θερμομετρικού υγρού, τον τριχοειδή σωλήνα όπου ανέρχεται το υγρό διαστελλόμενο, το θάλαμο εκτόνωσης στο άλλο άκρο, και, εξωτερικά, τη βαθμονομημένη κλίμακα. Θερμόμετρο υδραργύρου σε γυαλί. Η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί διαστολή του υγρού που υψώνεται μέσα στον τριχοειδή σωλήνα έως το σημείο που αντιστοιχεί στην υπό μέτρηση θερμοκρασία. Για θερμοκρασίες πάνω από το σημείο βρασμού του Hg (457 C σε πίεση 1 bar), μπορούμε να γεμίσουμε το χώρο πάνω από το υγρό με άζωτο υπό πίεση, ανυψώνοντας έτσι το σημείο βρασμού του Hg. 9

11 Τα πλεονεκτήματα των οργάνων αυτών είναι η απλότητα στην κατασκευή και το φθηνό κόστος. Επίσης μεταφέρονται εύκολα και είναι εύκολα στο χειρισμό χωρίς πρόσθετα ενδεικτικά όργανα. Τα μειονεκτήματά τους είναι ότι είναι εύθραυστα και έχουν σχετικά υψηλή θερμοχωρητικότητα, που προκαλεί καθυστέρηση απόκρισης του θερμομέτρου σε απότομες μεταβολές θερμοκρασίας ΥΓΡΟ ΕΥΡΟΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΩΝ (C) Υδράργυρος -35 έως 510 Αλκοόλη -80 έως 70 Τολουένιο -80 έως 100 Πεντάνιο -200 έως 30 Τυπικά υγρά πού χρησιμοποιούνται στα θερμόμετρα υγρού ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΥΓΡΟΥ ΣΕ ΜΕΤΑΛΛΟ Καθώς το ρευστό διογκώνεται αυξάνεται η πίεση του. Η αύξηση της πίεσης προκαλεί το ξετύλιγμα στον ελικοειδή θάλαμο Bourdon ο οποίος παρασύρει μαζί και την ενδεικτική βελόνα. Η διαστολή του βολβού και του περιεχόμενου, ασυμπίεστου υγρού λόγω της θερμοκρασιακής αύξησης, ανυψώνει σημαντικά την πίεση του συστήματος (μπορεί να φθάσει έως και bar), ώστε να καταφέρει να παραμορφώσει αντίστοιχα το μεταλλικό περίβλημα για να χωρέσει ο επιπλέον όγκος. Έτσι τείνει να ισιώσει τον κεκαμμένο σωλήνα του μετρητή Bourdon, όσο αυξάνει η θερμοκρασία. H μετακίνηση του ελεύθερου άκρου του σωλήνα, μεταβιβάζεται με κατάλληλο μηχανισμό σε μετακίνηση του δείκτη που κινείται σε βαθμονομημένη κλίμακα. 10

12 Θερμόμετρο υγρού σε μέταλλο Τα πλεονεκτήματα των οργάνων αυτών είναι το μεγάλο εύρος μέτρησης θερμοκρασιών και το γεγονός ότι επιτρέπονται μεγάλα μήκη τριχοειδούς σωλήνα, ώστε ο βολβός (σημείο μέτρησης) να μπορεί να βρίσκεται ακόμη και αρκετά μέτρα από το όργανο ένδειξης. Κύριο μειονέκτημα του οργάνου αυτού είναι η επίδραση της θερμοκρασίας περιβάλλοντος στον τριχοειδή σωλήνα. Αντιστάθμιση γίνεται μ' έναν τυφλό τριχοειδή σωλήνα κατά μήκος του κύριου σωλήνα, ο οποίος συνδέεται με δεύτερο σωλήνα Bourdon, μηχανικά συνδεδεμένο και σε αντίθετη φορά κίνησης με τον κύριο μετρητή Bourdon. ΥΓΡΟ ΕΥΡΟΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΩΝ (C) Υδράργυρος -39 έως 650 Ξυλένιο -40 έως 400 Αλκοόλη -46 έως 150 Αιθέρας -20 έως 90 Υγρά που συνήθως χρησιμοποιούνται. 11

13 ΘΕΡΜOΜΕΤΡΑ ΑΕΡIΟΥ ΥΠO ΣΤΑΘΕΡΟ ΟΓΚΟ Στα θερμόμετρα αυτά χρησιμοποιείται αντί για υγρό, κάποιο αδρανές αέριο υπό πίεση. Μεταβολή της θερμοκρασίας προκαλεί μεταβολή της πίεσης πού μέτρα ένας μετρητής Bourdon. Το κύριο πλεονέκτημα ενός τέτοιου οργάνου είναι η γρήγορη απόκριση σε θερμοκρασιακές μεταβολές, επειδή τα αέρια έχουν χαμηλότερη θερμοχωρητικότητα από τα υγρά και τα στερεά. Παραλλαγή της συγκεκριμένης αρχής λειτουργίας χρησιμοποιείται σήμερα σε θερμοστάτες. Στοιχείο θερμομέτρου αερίου από θερμοστάτη. Η διαστολή του αερίου που βρίσκεται στον εύκαμπτο σωλήνα λόγω αύξησης της θερμοκρασίας, κινεί το άκρο της φυσούνας. 12

14 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΜΕ ΔΙΜΕΤΑΛΛΙΚΟ ΕΛΑΣΜΑ Ένα διμεταλλικό έλασμα (bimetallic strip) αποτελείται από δύο ελάσματα ίδιου μήκους, από διαφορετικά υλικά, στερεωμένα ακλόνητα το ένα με το άλλο με τη βοήθεια καρφώματος ή κάποιας μορφής συγκόλλησης cladding. Το ένα άκρο του ελάσματος είναι στερεωμένο και ακίνητο και όταν υπάρχει αύξηση της θερμοκρασίας το ευθύγραμμο αρχικά έλασμα κάμπτεται και λαμβάνει καμπύλο σχήμα. Αυτό οφείλεται στο διαφορετικό συντελεστή διαστολής των δύο μετάλλων. Το μέταλλο με το μεγαλύτερο συντελεστή διαστέλλεται περισσότερο ώστε να έχει μεγαλύτερο μήκος από το άλλο έλασμα. Η μετατόπιση του εξαρτάται από την μεταβολή της θερμοκρασίας. Διμεταλλικό έλασμα. 13

15 Το διμεταλλικό έλασμα μπορεί να τοποθετηθεί με τέτοιο τρόπο, ώστε τις στιγμές που θερμαίνεται, και επομένως κάμπτεται, ή τις στιγμές που ψύχεται, και επομένως ευθυγραμμίζεται, να ανοίγει ή να κλείνει τις επαφές ενός ηλεκτρικού κυκλώματος. Σ αυτή την αρχή, καθώς και στην αρχή λειτουργίας του θερμομέτρου αερίου, στηρίζονται οι θερμοστάτες (thermostats), που ελέγχουν έτσι με απλό τρόπο το άνοιγμα κλείσιμο της λειτουργίας πολλών συσκευών θέρμανσης ή ψύξης (ψυγεία, αερόθερμα κτλ). Πολλές φορές τυλίγουμε τα διμεταλλικά ελάσματα σε σπειροειδή μορφή. Το μεγάλο μήκος παρέχει έτσι επαρκή κίνηση του δείκτη. Θερμόμετρο διμεταλλικού ελάσματος. 14

16 Θερμόμετρο διμεταλλικού ελάσματος. Το διμεταλλικό θερμόμετρο χρησιμοποιείται σε φούρνους, σωληνώσεις ζεστού νερού και θαλάμους ατμού. Πλεονεκτήματα: συμπαγές, ευέλικτης σχεδίασης, σχετικά φθηνό. το ωφέλιμο θερμοκρασιακό εύρος είναι από 238 Κ έως 873 Κ με γενικά καλή ακρίβεια. Μειονεκτήματα: το διμεταλλικό έλασμα εμφανίζει γήρανση, οπότε χάνεται η ακρίβεια της αρχικής βαθμονόμησης με το πέρασμα του χρόνου. δεν προσφέρεται για χρήση από απόσταση. αποκρίνεται αργά στις μεταβολές της θερμοκρασίας. 15

17 ΠΥΡΙΜΑΧΟΙ ΚΩΝΟΙ,ΧΡΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΚΡΑΓΙΟΝ Η μέτρηση θερμοκρασίας με βάση τη μεταβολή της φυσικής κατάστασης των στερεών γίνεται με δύο τρόπους: 1. Μεταβολή του σχήματος ή του μεγέθους: Αυτή η κατηγορία περιλαμβάνει πυρομετρικούς κώνους, θερμοσκοπικές μπάρες, καταγραφείς θερμότητας και δαχτυλίδια. 2. Μεταβολή του χρώματος: Χρώματα (βερνίκια) και κραγιόν Πυρομετρικοί κώνοι: Κατασκευάζονται από μίγματα διαφόρων ουσιών, όπως πορσελάνη, τάλκη, άστριο, χαλαζία κ.ά., πού κατατάσσονται σε αριθμημένη σειρά πού αντιστοιχεί σε θερμοκρασίες C. Τοποθετούνται τουλάχιστο τρεις κώνοι με διαφορετικά σημεία τήξης πάνω σ' ένα πυρίμαχο δίσκο και τη ζητούμενη θερμοκρασία δείχνει ο μισοτηγμένος κώνος, του οποίου ή κορυφή μόλις ακουμπά στον δίσκο. Παρόμοια διαδικασία χρησιμοποιείται και στην περίπτωση των θερμοσκοπικών μπαρών και καταγραφέων θερμότητας. Βερνίκια και κραγιόν: Είναι χρήσιμα για απεικόνιση θερμοκρασιακών πεδίων σε επιφάνειες μετάλλων κτλ (πχ ζώνη συγκολλήσεων που επηρεάζεται από τη θερμότητα, σφυρηλασία εν θερμώ και θερμική κατεργασία μετάλλων και πολυμερών). Αλλάζουν χρώμα ή εμφάνιση σε μια καθορισμένη θερμοκρασία. Σήμερα συνδυάζονται αποτελεσματικά με τις σύγχρονες τεχνικές υπέρυθρης θερμογραφίας. 16

18 Θερμόμετρα τύπου κραγιόν, χαπιών και δεικτών σε υγρή μορφή. Τα κραγιόν περιέχουν ένα υγρό που λειώνει σε μορφή ράβδου. Είναι κατάλληλα για την μέτρηση θερμοκρασιών διαφόρων επιφανειών ακόμη και μεγάλης τραχύτητας. Τα θερμόμετρα τύπου χαπιών χρησιμοποιούνται κυρίως για τη μέτρηση της θερμοκρασίας σε φούρνους και κλιβάνους, όπου εφαρμόζεται θέρμανση για μεγάλο χρονικό διάστημα. Τα χάπια τοποθετούνται πριν αρχίσει η θέρμανση του συστήματος και μόλις αρχίσει η τήξη του χαπιού είναι δυνατός ο προσδιορισμός της θερμοκρασίας. Οι δείκτες σε υγρή μορφή περιέχουν τα ίδια υλικά που χρησιμοποιούνται στα κραγιόν και στα χάπια, αλλά σε μορφή λάκκας (αιώρημα σε διαλυτικό υγρό). Αφού αναδευτεί καλά η λάκκα, βάφουμε με αυτήν την επιφάνεια που θέλουμε να μετρήσουμε την θερμοκρασία της. Ο διαλύτης εξατμίζεται γρήγορα και απομένει το σχετικό ίχνος στην επιφάνεια. Όταν η επιφάνεια φτάσει στην θερμοκρασία, το ίχνος τήκεται εμφανώς και αλλάζει υφή, (από ματ αδιαφανή σε γυαλιστερή διαφανή), οπότε μπορεί να ταυτοποιηθεί εύκολα εκ των υστέρων. 17

19 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ Στη κατηγορία αυτή ανήκουν οι επόμενες ομάδες θερμομέτρων. Τα θερμόμετρα ηλεκτρικής αντίστασης, τα θερμοστοιχεία, τα πυρόμετρα και οι θερμογραφικές κάμερες ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ Η αρχή λειτουργίας των θερμομέτρων αντιστάσεως βασίζεται στο γεγονός ότι η ηλεκτρική αντίσταση ενός αγωγού είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας. Υπάρχουν δύο κατηγορίες τέτοιων θερμομέτρων: 1. Αυτά πού χρησιμοποιούν μέταλλα (υψηλής καθαρότητας), όπως Cu,Ni, Pt και πού έχουν θετικό θερμικό συντελεστή αντίστασης (η αντίσταση αυξάνεται με τη θερμοκρασία). 2. Αυτά πού είναι κατασκευασμένα από μίγματα μεταλλικών οξειδίων (μέσω sintering), κράματα Ge (ημιαγωγά υλικά) και έχουν αρνητικό συντελεστή αντίστασης (μείωση της αντίστασης με αύξηση της θερμοκρασίας). Τα ημιαγωγά υλικά με αρνητικό θερμικό συντελεστή αντίστασης ονομάζονται θερμίστορς. 18

20 Στο παρακάτω σχήμα παρατηρούμε ότι η αντίσταση του μεταλλικού στοιχείου είναι περίπου γραμμική συνάρτηση της θερμοκρασίας δηλαδή Rt = Rο (1 + at), όπου t η Θερμοκρασία σε οc και α ο γραμμικός συντελεστής αντίστασης. Σύγκριση της αντίστασης ενός μεταλλικού στοιχείου και της χαρακτηριστικής ενός Θερμίστορ. Το θερμόμετρο ηλεκτρικής αντιστάσεως βασίζεται στην αρχή ότι η αντίσταση των μετάλλων μεταβάλλεται, όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασίατους.η θερμοκρασία επομένως μπορεί να μετρηθεί από την αντίσταση,εφόσον προηγουμένως προσδιοριστεί η σχέση που υπάρχει μεταξύ της θερμοκρασίας και της αντιστάσεως ενός μετάλλου.τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται συνήθως για θερμόμετρα ηλεκτρικής αντιστάσεως είναι: ο λευκόχρυσος, το νικέλιο και ο χαλκός.τα περισσότερα θερμόμετρα ηλεκτρικής αντιστάσεως κατασκευάζονται από λευκόχρυσο διότι δεν αλλοιώνεται στον αέρα, έχει μεγάλη ειδική αντίσταση και υψηλό σημείο πήξης. Επίσης τα ηλεκτρικά θερμόμετρα 19

21 αντιστάσεως από λευκόχρυσο διακρίνονται για την απλότητα της βαθμολόγια τους και για την μεγάλη τους ακρίβεια.(θερμοηλεκτρικές στήλες). Ένα θερμόμετρο ηλεκτρικής αντίστασης σχηματίζεται τυλίγοντας μεταλλικό σύρμα γύρω από έναν κεραμικό σωλήνα, επικαλύπτοντας με κεραμικό υλικό και τοποθετώντας το σε προστατευτικό μεταλλικό μανδύα. Τα δύο άκρα του σύρματος συνδέονται στον ένα βραχίονα μίας γέφυρας Wheatstone και στη συνέχεια το θερμόμετρο τοποθετείται στο χώρο, του οποίου θέλουμε να μετρήσουμε τη θερμοκρασία. Μετά από χρόνο απόκρισης μερικών δευτερολέπτων μπορεί να μετρηθεί η θερμοκρασία του χώρου. Θερμόμετρα ηλεκτρικής αντίστασης. Θερμόμετρο ηλεκτρικής αντίστασης. 20

22 Για την κατασκευή των θερμομέτρων αυτών πρέπει η ηλεκτρική αντίσταση να είναι απαλλαγμένη από κάθε μηχανική τάση και να έχει τέτοια τοποθέτηση, ώστε να είναι αδύνατο στην υγρασία να έλθει σε επαφή με το σύρμα και να επηρεάσει την μέτρηση. Το υλικό πρέπει να είναι ανθεκτικό στην διάβρωση και να μην υπόκειται σε μεταβολές φάσεων στο πεδίο θερμοκρασιών που μας ενδιαφέρει. Η μέτρηση της αντίστασης γίνεται με έναν τύπο γέφυρας Wheatstone. Μια από τις βασικές πηγές σφάλματος είναι η επίδραση της αντίστασης των καλωδίων που συνδέουν το στοιχείο με το κύκλωμα της γέφυρας. Για την ελαχιστοποίηση του σφάλματος αυτού υπάρχουν διατάξεις αντιστάθμισης, (π.χ. μέθοδος Sieman, μέθοδος Callender). Θερμόμετρο ηλεκτρικής αντίστασης. 21

23 Στο σχήμα αυτό φαίνεται παραστατικά το σύστημα μετρήσεις θερμοκρασίας. Ο αισθητήρας RTD παράγει ένα αναλογικό σήμα- τάση, η οποία μεταφέρετε σε ένα μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό. Έτσι έχουμε λογική κατάσταση ένα και μηδέν, η οποία μεταφέρετε σε μικροελεκτη- μικροεπεξεργαστή και έπειτα απεικονίζετε στην εκαστοτε οθόνη που έχουμε. Στο παρακάτω κύκλωμα παρουσιάζετε ο τρόπος ανάγνωσης της θερμοκρασίας με τη βοήθεια ολοκληρωμένου κυκλώματος με τελεστικό ενισχυτή και την και μετατροπή του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό και απεικόνιση σε οθόνη υγρών κρυστάλλων. 22

24 Ολοκληρωμένο σύστημα μέτρησης θερμοκρασίας, με RTD μετατροπή σε ψηφιακό σήμα, μικροελεκτη και οθόνη υγρών κρυστάλλων. 23

25 Σχηματική απεικόνιση κυκλώματος του μετατροπέα A\D. Σχηματική απεικόνιση του κυκλώματος της LCD οθόνης. 24

26 ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ Τα Θερμίστορ είναι ημιαγωγοί των οποίων η ανάπτυξη έγινε τα τελευταία χρόνια. Είναι ιδιαίτερα καλοί για τη μέτρηση θερμοκρασίας διότι η ηλεκτρική τους αντίσταση μεταβάλλεται αισθητά με την θερμοκρασία. Η μεταβολή της αντίστασης των Θερμίστορ σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία μπορεί να είναι θετική ή αρνητική δηλαδή ενώ αυξάνει η θερμοκρασία η ηλεκτρική αντίσταση των Θερμίστορ μπορεί να αυξάνεται ή να μειώνεται. Κατασκευάζονται από μίγματα οξειδίων νικελίου, μαγγανίου, μαγνησίου, τιτανίου, κοβαλτίου, χαλκού. Τα οξείδια κονιοποιούνται και συγκολλούνται με ειδική αλοιφή σε συνθήκες ελεγχόμενης πίεσης και θερμοκρασίας. Χρησιμοποιούνται αντί για τα θερμόμετρα αντίστασης, έχουν μικρό όγκο και είναι κατάλληλα για τη μέτρηση θερμοκρασιών τριβέων και τυλιγμάτων κινητήρων. Τα θερμόμετρα ηλεκτρικής αντίστασης παρουσιάζουν μικρή ευαισθησία δηλαδή μεταβολή αντίστασης 5milliohm ανά βαθμό κελσίου. Γι αυτό το λόγο έχουν κατασκευαστεί θερμόμετρα ημιαγωγών που ονομάζονται Θερμίστορ (thermistors). Βασίζονται και αυτά στην αρχή της αλλαγής αντίστασης με τη θερμοκρασία. Τα Θερμίστορ παρουσιάζουν μεγάλη μεταβολή αντίστασης με τη θερμοκρασία. Κατασκευάζονται από μίγματα μεταλλικών οξειδίων συνήθως από μαγγάνιο, νικέλιο, χρώμιο και κοβάλτιο και σε διάφορες μορφές. Η αντίσταση των Θερμίστορ κανονικά μειώνεται με τη θερμοκρασία. Η καμπύλη αντίσταση θερμοκρασία όμως, δεν είναι γραμμική αλλά εκθετική. Τα Θερμίστορ μπορούν να καλύψουν περιοχές θερμοκρασίας -100 οc έως +300 οc. Έχουν μεγάλη διακριτική ικανότητα σε μικρές περιοχές θερμοκρασίας. Χρησιμοποιούνται σε ιατρικές εφαρμογές, σε ηλεκτρονικά κυκλώματα και μπορούν να ενσωματωθούν επάνω σε στερεά σώματα και να μετρήσουν την επιφανειακή τους θερμοκρασία. 25

27 Η θερμοκρασία του Θερμίστορ αυξάνει κατά 1οC για κάθε 1.5mW καταναλισκόμενης ισχύος Μέγιστη θερμοκρασία κάψουλας =200οC (εφόσον μεν η μέγιστη ισχύς δεν υπερβαίνεται). Μέγιστη συνεχής κατανάλωση ισχύος στον ελεύθερο αέρα και θερμοκρασία = 230mW κατά μέσο όρο, σε οποιοδήποτε χρονικό διάστημα 20ms. Σταθερό χρόνου ψύξης Τ στον ελεύθερο αέρα από την κατάσταση αυτοθέρμανσης. Βασικά πλεονεκτήματα των είναι ότι αντέχουν στην υψηλή θερμοκρασία διότι ο συντελεστής τους είναι 10 φορές μεγαλύτερος από τα μέταλλα, είναι μικρά σε μέγεθος, εύχρηστα, έχουν μεγάλη αντοχή, μεγάλη ακρίβεια σε χαμηλές θερμοκρασίες και γρήγορη απόκριση. Μειονεκτήματα είναι η εκθετική σχέση μεταξύ αντίστασης του Θερμίστορ και θερμοκρασίας δυσκολεύει τις μετρήσεις και είναι παράγων αστάθειας και ότι η μικρή θερμική μάζα των Θερμίστορ μπορεί να οδηγήσει σε αυτοθέρμανση με αποτέλεσμα την αλλοίωση των χαρακτηριστικών του. Πρόκειται για αντιστάτες, η τιμή των οποίων εξαρτάται από την θερμοκρασία στην οποία βρίσκονται. Κατασκευάζονται από την μίξη οξειδίων μετάλλων με χαρακτηριστικά ημιαγωγών και έχουν σχήμα κυλινδρικό, σφαιρικό, ορθογώνιο και λεπτού φιλμ. Διαιρούνται σε δύο κατηγορίες : αρνητικού συντελεστή θερμοκρασίας(negative temperature coefficient - NTC) και θετικού συντελεστή θερμοκρασίας(positive temperature coefficient - PTC). Βλέπουμε τις χαρακτηριστικές καμπύλες ενός PTC και ενός NTC Θερμίστορ, σε σύγκριση με ένα RTD αισθητήριο. Στα Θερμίστορ NTC η αντίσταση μειώνεται καθώς η θερμοκρασία αυξάνει, παρουσιάζουν δηλαδή αρνητικό θερμικό συντελεστή. Η σχέση μεταξύ της αντίστασης και της θερμοκρασίας είναι ισχυρά μη γραμμική. Στα Θερμίστορ PTC σε μια μεγάλη περιοχή θερμοκρασίας, η αντίστασή τους αυξάνει καθώς η θερμοκρασία αυξάνει, παρουσιάζουν δηλαδή θετικό θερμικό συντελεστή. Όλα τα μέταλλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή PTC, παρουσιάζουν όμως χαμηλό θερμικό συντελεστή. 26

28 Τα θερμίστορς που χρησιμοποιούνται για θερμοκρασιακές μετρήσεις, έχουν θερμικό συντελεστή αντίστασης σε απόλυτη τιμή μεγαλύτερο από ότι ο Cu ή η Pt (π.χ. στους 25 C ο θερμικός συντελεστής αντίστασης της Pt είναι 0,0036, ενώ των θερμίστορς 0,045). Επίσης η ειδική τους αντίσταση είναι πολύ υψηλότερη από εκείνη ενός καθαρού μετάλλου. Είναι επομένως υπερβολικά ευαίσθητα σε μικρές θερμοκρασιακές αλλαγές και έχουν γρήγορη απόκριση. Έχουν την μορφή χονδρών καθετήρων, δίσκων, ραβδίων. Συνήθως περιβάλλονται με γυαλί ή τοποθετούνται σε λεπτό μεταλλικό κάλυμμα. Καθετήρες σε μέταλλο ή γυαλί με διάμετρο μικρότερη από 2 mm χρησιμοποιούνται για την μέτρηση της θερμοκρασίας επιφανειών μετάλλων, αερίων και υγρών. Θερμίστορ. 27

29 Κύρια χαρακτηριστικά των αισθητηρίων θερμοκρασίας που βασίζονται στα thermistors είναι: πολύ μικρό μέγεθος. ταχεία απόκριση στις μεταβολές θερμοκρασίας. μεγάλο εύρος θερμοκρασίας όπου μπορούν να λειτουργήσουν. υψηλή διακριτική ικανότητα σε μικρές περιοχές θερμοκρασίας και έτσι χρησιμοποιούνται σε ιατρικές εφαρμογές. μπορούν να ενσωματωθούν επάνω σε στερεά σώματα και να μετρούν την επιφανειακή τους θερμοκρασία. Διάφορα είδη Θερμίστορ. 28

30 ΝΤC Θερμίστορ. PTC Θερμίστορ. 29

31 Τα Θερμίστορ βρίσκουν ευρεία χρήση για μέτρηση θερμοκρασίας σε ηλεκτρονικά κυκλώματα, υπολογιστές κτλ. Όπως επεισεις στη μέτρηση θερμοκρασίας της ροής ρευστών, τη χρονική καθυστέρηση, την προστασία μπαταριών από υπερφόρτωση. Τα Θερμίστορ χρησιμοποιούνται όπως και τα RTD σε σειρά με πηγή ρεύματος η σε γέφυρα. Θερμίστορ σε γέφυρα Wheatstone. 30

32 Μέτρηση θερμοκρασίας επεξεργαστή ηλεκτρονικού υπολογιστή με Θερμίστορ. 31

33 Τα Θερμίστορ όπως και τα RTD δίνουν ένα αναλογικό σήμα- τάση, το όποιο πρέπει να μετατραπεί σε ψηφιακό. Ηλεκτρονικό κύκλωμα εισόδου αναλογικού σήματος και εξόδου σε ψηφιακό. Διάγραμμα του κυκλώματος του μετατροπέα της παραπάνω πλακέτας. 32

34 Ηλεκτρονικός θερμοστάτης με αισθητήρα Θερμίστορ. Το κύκλωμα του ηλεκτρονικού θερμοστάτη. 33

35 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΘΕΡΜΟΣΤΟΙΧΕΙΩΝ-ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ Σε ορισμένες περιπτώσεις είναι δυνατό η θερμότητα να μετατραπεί απ' ευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια ή και το αντίθετο. Θερμοηλεκτρικά φαινόμενα παρατηρούνται συνήθως εξαιτίας της διαφοράς δυναμικού που αναπτύσσεται πάντα μεταξύ δύο ανόμοιων μετάλλων σε επαφή καθώς επίσης και της κλίσης δυναμικού που αναπτύσσεται ακόμη και στο ίδιο μέταλλο, όταν υπάρχει θερμοκρασιακή διαφορά.. Έτσι αν δύο ανόμοια μέταλλα ενωθούν, ώστε να αποτελέσουν ένα κλειστό κύκλωμα (Θερμοστοιχείο) και η μια επαφή διατηρείται σε διαφορετική θερμοκρασία απ' ότι η άλλη, θα έχουμε αυτόματα ροή ηλεκτρικού ρεύματος στο κύκλωμα (φαινόμενο Seebeck). ΤJ1 = ΤJ1 e1 = e2 ΤJ1 ΤJ1 e1 e2 34

36 Το μέγεθος και ή φορά του ρεύματος εξαρτώνται από τα θερμοηλεκτρικά χαρακτηριστικά των δύο μετάλλων και σχετίζονται με τη θερμοκρασία των επαφών. Μεταβολή της συνιστάμενης θερμοηλεκτρεγερτικης με την θερμοκρασία. Εμφανής η θερμοκρασία αναστροφής. Από το παραπάνω σχήμα είναι φανερό ότι το εύρος θερμοκρασίας που μετριέται από ένα θερμοστοιχείο δεν θα πρέπει να περιέχει θερμοκρασίες μικρότερες από την θερμοκρασία αναστροφής. 35

37 Διάφορα είδη θερμοστοιχείων με διαφορετικά πάχη μανδύα, (το τύπου Κ στο κάτω μέρος της εικόνας έχει εξωτερική διάμετρο μανδύα μόλις 0.1 mm), καθώς και γυμνό cement on θερμοστοιχείο για συγκόλληση σε επιφάνεια. Η συνισταμένη (e1 e2) θα προκαλέσει την ροή ηλεκτρικού ρεύματος στο κύκλωμα. 36

38 ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΕΝΟΣ ΘΕΡΜΟΣΤΟΙΧΕΙΟΥ Στο πρώτο διάγραμμα φαίνεται η σύγχρονη μέθοδος μέτρησης θερμοζευγους ενώ δίπλα παλαιότερη μέθοδος. Αγωγοί σύνδεσης: επιτρέπουν στο όργανο μέτρησης, να βρίσκεται μακριά από το θερμοστοιχείο. Οι αγωγοί σύνδεσης κατασκευάζονται από φθηνότερο υλικό από εκείνο του θερμοστοιχείου. 37

39 Αντίσταση ballast: ενσωματώνεται στο mv/μέτρο και η μεγάλη της αντίσταση σε σχέση με εκείνη του κυκλώματος του θερμοστοιχείου, έχει σαν αποτέλεσμα αλλαγή της θερμοκρασίας και επομένως μεταβολή της αντίστασης των αγωγών σύνδεσης, έτσι ώστε, να επηρεάζει ελάχιστα την ακρίβεια του συστήματος. Το όργανο μέτρησης βαθμονομείται για ορισμένη θερμοκρασία ψυχρής επαφής (0 C). Γι αυτό το λόγο, παλαιότερα, έπρεπε να διατηρείται η ψυχρή επαφή στους 0 C κατά τη μέτρηση (π.χ. με βύθιση σε δοχείο με πάγο). Στα σύγχρονα θερμοστοιχεία αυτό δεν είναι απαραίτητο. Υπάρχουν ειδικά ηλεκτρονικά κυκλώματα αντιστάθμισης. Στα κυκλώματα αυτά, η θερμοκρασία της ψυχρής επαφής (συνήθως η θερμοκρασία περιβάλλοντος του ενισχυτή θερμοστοιχείων), μετριέται με ενσωματωμένο θερμόμετρο αντίστασης. Στο σχήμα φαίνεται ενισχυτής σημάτων από 8 θερμοστοιχεία, ο οποίος μεταβιβάζει το ενισχυμένο και αντισταθμισμένο σήμα στην κάρτα on-line data acquisition. 38

40 Θερμοστοιχείο συνδεδεμένο σε πειραματικές διατάξεις σωληνώσεων εξαγωγής ΜΕΚ. Τύποι θερμοστοιχείων Θερμοστοιχεία από βασικό μέταλλο χρησιμοποιούνται όποτε είναι δυνατόν, επειδή είναι ευαίσθητα, φτηνά και έχουν περίπου γραμμικά χαρακτηριστικά. Η χρήση τους περιορίζεται σε χαμηλές σχετικά θερμοκρασίες, λόγω του χαμηλού σημείου τήξης και της τάσης τους προς οξείδωση σε μεγάλες θερμοκρασίες. 39

41 Τύπος θερμοστοιχείου Υλικά κατασκευής Περιοχή μέτρησης B Platinum30% Rhodium (+) F Platinum 6% Rhodium ( ) C C W5Re Tungsten 5% Rhenium (+) F W26Re Tungsten 26% Rhenium ( ) C E Chromel (+) F Constantan ( ) C J Iron (+) F Constantan ( ) C K Chromel (+) F Alumel ( ) C N Nicrosil (+) F Nisil ( ) C R Platinum 13% Rhodium (+) F Platinum ( ) C S Platinum 10% Rhodium (+) F Platinum ( ) C T Copper (+) F Constantan ( ) C 40

42 - Το Θερμοζευγος τύπου Τ είναι κατάλληλο για υγρό περιβάλλον καθώς και για ελαφρά οξειδωτικό περιβάλλον. Συνίσταται για μετρήσεις χαμηλών θερμοκρασιών. - Το Θερμοζευγος τύπου Ε μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κενό καθώς και σε ελαφρύ οξειδωτικό περιβάλλον. Για χαμηλές θερμοκρασίες δεν υφίσταται διάβρωση. - Το Θερμοζευγος τύπου J είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο στη βιομηχανία. - Το Θερμοζευγος τύπου Κ μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οξειδωτικό περιβάλλον. - Τα θερμοζευγη με λευκόχρυσο τύπου Β, R, S έχουν μεγάλη αντοχή σε οξείδωση και διάβρωση. Το υδρογόνο ο άνθρακας και οι ατμοί μετάλλων όπως ο σίδηρος επιδρούν στο Θερμοζευγος σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. 41

43 Θερμοζευγος τύπου Β Platinum- Rhodium. Κατάλληλο για μετρήσεις υψηλής θερμοκρασίας έως 1800 C 0. Ο συγκεκριμένος τύπος δίνει την ίδια απόδοση έως 50 C 0 οπότε είναι άχρηστο για χαμηλές θερμοκρασίες. Έχει ευαισθησία περίπου 10 μv / στους 300 C 0. Χρώμα ακροδεκτών : Γκρι- Κόκκινο. 42

44 Θερμοζευγος τύπου C Tungsten- Rhenium Ιδανικό για θερμοκρασίες εύρους C 0. Είναι κατάλληλο για φούρνους σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες. Χρώμα ακροδεκτών : Κόκκινο- Πράσινο. 43

45 Θερμοζευγος τύπου Ε Chromel- Constantan Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κενό, καθώς και σε ελαφρά οξειδωτικό περιβάλλον. Έχει υψηλή απόδοση περίπου 68 μv. Είναι μη μαγνητικό και συνίσταται για χρήση έως 870 C o. Χρώμα ακροδεκτών : Μωβ- Κόκκινο. 44

46 Θερμοζευγος τύπου J Iron- Constantan Είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο στη βιομηχανία. Έχει απόδοση περίπου 50 μv. Το καλώδιο σιδήρου είναι μαγνητικό. Χρώμα ακροδεκτών : Λευκό- Κόκκινο. 45

47 Θερμοζευγος τύπου Κ Chromel- Alumel Το Θερμοζευγος αυτό δημιουργεί ηλεκτρικά σήματα όταν τα καλώδια κάμπτονται και έτσι δεν πρέπει να χρησιμοποιείτε σε δονούμενα συστήματα. Έχει απόδοση 40 μv. και ο αγωγός αlumel είναι μαγνητικός. Χρώμα ακροδεκτών : Κίτρινο- Κόκκινο. 46

48 Θερμοζευγος τύπου Ν Nicrosil- Nisil Έχει υψηλή σταθερότητα, αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και στην οξείδωση. Έτσι είναι κατάλληλο για τέτοιες μετρήσεις χωρίς να έχει το κόστος της πλατίνας. Μπορεί να αντέξει παν από τους 1200 C o. Εχει απόδοση 38 μv περίπου. Χρώμα ακροδεκτών : Πορτοκαλί- Κόκκινο. 47

49 Θερμοζευγος τύπου R Platinum- Rhodium Κατάλληλο για υψηλές θερμοκρασίες έως 1600 C o. Έχει χαμηλή απόδοση 10 μv αλλά υψηλό κόστος πράγμα που το καθίστα ακατάλληλο για γενική χρήση. Χρώμα ακροδεκτών : Μαύρο- Κόκκινο. 48

50 Θερμοζευγος τύπου S Platinum Rhodium Παρόμοιο με το Θερμοζευγος τύπου R. Όμως λόγο της υψηλής σταθερότητας του, το Θερμοζευγος τύπου S χρησιμοποιείτε ως πρότυπο αναφοράς για το σημείο τήξης του χρυσού. (1064,43 C o ). Χρώμα ακροδεκτών : Μαύρο- Κόκκινο. 49

51 Θερμοζευγος τύπου Τ Copper- Constantan Κατάλληλα για μέτρηση χαμηλών θερμοκρασιών. Η απόδοση τους είναι περίπου 40 μv. Χρώμα ακροδεκτών : Μπλε- Κόκκινο. 50

52 Ενισχυτής σημάτων θερμοστοιχείων: φαίνονται οι κενές θέσεις σύνδεσης για οκτώ τυποποιημένες πρίζες θερμοστοιχείων. 51

53 Τα θερμοζευγη υπόκεινται σε διάβρωση και οξείδωση. Η διάρκεια ζωής τους εξαρτάται από την θερμοκρασία λειτουργίας τους, το περιβάλλον λειτουργίας τους, την διάμετρο των καλωδίων τους και από τον τύπο του θερμοστοιχειου.τα θερμοζευγη με ευγενή μέταλλα έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωης.για τα άλλα, η διάρκεια ζωής τους είναι μερικές χιλιάδες ώρες για θερμοκρασίες κοντά στο ανώτερο σημείο της περιοχής μέτρησης. Τα σήματα των θερμοζευγων μπορούν αναγιγνώσκονται από ένα βολτόμετρο και η θερμοκρασία να προσδιορίζετε από τον πινάκα αναφοράς, αλλά μπορούν και να διαβιβαστούν σε ηλεκτρονικό υπολογιστή για επεξεργασία και προσδιορισμό της θερμοκρασίας μέσο λογισμικού. Θερμοζευγος τύπου Τ. 52

54 PID ελεγκτής όπου συνδέεται με θερμοστοιχείο. Σύνδεση θερμοζευγους σε PID ελεγκτή. 53

55 Έτσι λοιπόν, με την σύνδεση του θερμοστοιχείου με έναν PID ελεγκτή, μπορούμε να ελέγχουμε κάθε στιγμή τη θερμοκρασία. Τα θερμοζευγη χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές που εκτείνονται από βιομηχανικές και επιστημονικές έως ιατρικές. Έτσι χρησιμοποιούνται σε διάφορα περιβάλλοντα όπως σε κλίβανους, θαλάμους ψύξης, πυρηνικούς αντιδραστήρες, αλλά και εγχειρήσεις για την παρακολούθηση της εσωτερικής θερμοκρασίας των οργάνων. Αυτό συμβαίνει καθώς το Θερμοζευγος συνίσταται στην ουσία σε μια επαφή δυο μετάλλων, που μπορεί να λάβει μικροσκοπικές διαστάσεις και να κατευθυνθεί με τη βοήθεια δυο ευλύγιστων καλωδίων σε οποιοδήποτε σημείο μας ενδιαφέρει. Γιαυτο άλλωστε αποτελεί την πρώτη μας επιλογή για τη μέτρηση θερμοκρασίας. Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν τα θερμοζευγη είναι κυρίως η ικανοποιητική ακρίβεια, η δυνατότητα χρήσης σε μεγάλο ευρος θερμοκρασιών, η εύκολη τοποθέτηση τους και το χαμηλό κόστος που έχουν. Επίσης δεν απαιτούν τροφοδοσία καθώς παράγουν μονά τους τάση, ιδιότητα πολύ χρήσιμη σε πολλές εφαρμογές. Η χρονική τους σταθερά είναι μικρή συνήθως 0,1-3 sec. Το κύριο μειονέκτημα τους είναι η πολύ χαμηλή τάση εξόδου τους, που είναι της τάξης των 40μV και έτσι χρειάζεται βαθμονόμηση-ενίσχυση. 54

56 ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ-ΕΝΙΣΧΥΣΗ Τα θερμοζευγη όπως αναφέρθηκε παραπάνω έχουν το μειονέκτημα ότι η τάση που δημιουργούν είναι πολύ μικρή της τάξης του μv. Έτσι πρέπει να ενισχύσουμε το σήμα-τάση. Ωστόσο η τάση είναι ένα αναλογικό σήμα και θα πρέπει να μετατραπεί σε ψηφιακό. Αυτό επιτυγχάνετε με την χρήση ενός A/D μετατροπέα (analogical-digital conversion). Η μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (A/D conversion) είναι η πλέον σημαντική διεργασία σε ένα ψηφιακό σύστημα που διασυνδέεται με τον πραγματικό κόσμο. Τα διάφορα φυσικά μεγέθη (πίεση, θερμοκρασία, τάση, απόσταση κλπ) μεταβάλλονται με αναλογικό τρόπο. Κατά συνέπεια, η μετατροπή τους σε τάση μέσω κάποιου αισθητηρίου δημιουργεί ένα αναλογικό σήμα τάσης, το οποίο για να εισαχθεί σε κάποιο ψηφιακό σύστημα επεξεργασίας πρέπει να κωδικοποιηθεί κατάλληλα. Το κύκλωμα που χρησιμοποιούμε γι αυτήν την κωδικοποίηση το αποκαλούμε μετατροπέα Α/D (A/D converter). Ένας μετατροπέας A/D έχει κατ αρχήν μία απλή ή διαφορική είσοδο, στην οποία τοποθετείται η αναλογική τάση που θέλουμε να μετατρέψουμε σε ψηφιακή, και έναν αριθμό από ακροδέκτες εξόδου που θα οδηγηθούν σε κατάλληλες λογικές καταστάσεις 0 ή 1 μετά τη μετατροπή. Σε πρακτικά κυκλώματα ο ελάχιστος αριθμός των δυαδικών ψηφίων από τα οποία αποτελείται η ψηφιακή λέξη μετά την μετατροπή είναι οκτώ, οπότε λέμε ότι το σύστημα είναι οκτάμπιτο και μπορεί να διακρίνει συνολικά 256 στάθμες. Αντίστοιχα, μπορεί να έχουμε μετατροπείς 55

57 Α/D 10 bits (οπότε οι στάθμες είναι 1024), 12 bits (4096 στάθμες), των 16 bits, (65536 στάθμες) κ.ο.κ. Οι τιμές αυτές είναι ενδεικτικές, διότι δεν αποκλείεται να συναντήσουμε μετατροπείς με διάφορες αναλύσεις, αν και πρακτικά τα 24 bits θεωρούνται αρκετά για να μας δώσουν εξαιρετικά καλή διακριτική ικανότητα, σχεδόν σε κάθε εφαρμογή. Στα συστήματα μετρήσεων σπάνια συντρέχει κάποιος πρακτικός λόγος για ανάλυση καλύτερη από 16 bits. Σχηματική απεικόνιση τρόπου μέτρησης θερμοκρασίας με θερμοζευγους. Η ενίσχυση αυτή επιτυγχάνεται με το LM 741 μέσω κατάλληλης συνδεσμολογίας διαφορικού ενισχυτή που απεικονίζεται στο παραπάνω σχήμα. 56

58 Α\D μετατροπέας ΥΗ45 της Shenzhen Yehai Sci. & Τech. Deve., Ltd 57

59 Έτσι λοιπόν η τάση μας ενισχύετε και μετατρέπεται σε ψηφιακή μορφή, δηλαδή λογική κατάσταση ένα και μηδέν. Με τον τρόπο αυτό το ψηφιακό σήμα μπορεί να αναγνωστεί από μια LCD οθόνη. 58

60 Ηλεκτρονικό κύκλωμα με ολοκληρωμένο max To τσιπ διαβάζει την τάση σε μv, την μετατρέπει από αναλογική που παράγει ένα Θερμοζευγος σε ψηφιακή μέσο τελεστικών ενισχυτών και μετατρέπεται σε λογικό ένα και μηδέν. 59

61 A\D μετατροπέας για θερμοζευγη J, K, R, S, T, B, E, N της SENECA μοντέλο Z-4TC-D. 60

62 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΘΕΡΜΟΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Σφάλματα στην μέτρηση προέρχονται από μεταβολή των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των θερμοστοιχείων π.χ. μηχανικές τάσεις στους αγωγούς, δηλητηριασμός από ατμούς μετάλλων αερίων, εγκλείσματα οξειδίων στην θερμή επαφή κλπ. Το PLC EM-231 της UniMAT με 8 εισόδους θερμοζευγων. 61

63 Το PLC FX-4AD-TC της MITSUBISHI με 4 εισόδους θερμοζευγων τύπου J και Κ. Παραπάνω παρουσιάζονται ενδεικτικά δυο PLC (προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές). Έτσι το PLC διαβάζει της τιμές από το Θερμοζευγος στις εισόδους του και μέσω προγραμματισμού δίνει εντολές στις εξόδους ώστε το οποιοδήποτε θερμαντικό στοιχείο η στοιχείο ψύξης να λειτουργήσει και να φέρει (πχ τον χώρο, προϊόν) στην επιθυμητή θερμοκρασία. 62

64 Όταν θέλουμε να επεξεργαστούμε ένα αναλογικό σήμα η τιμή της τάσης, ρεύματος ή αντίστασης της εξόδου του μετατροπέα πρέπει να μετατραπεί σε ψηφιακή πληροφορία. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται A/D conversion και είναι απαραίτητη καθώς η CPU μπορεί να διαχειριστεί μόνο ψηφιακές πληροφορίες. Αυτό σημαίνει ότι η τιμή τάσης π.χ. 40μV θα πρέπει να αποθηκευθεί ως ψηφιακή πληροφορία σε μία σειρά διαδοχικών δυαδικών ψηφίων. Όσο περισσότερα χρησιμοποιούνται για να απεικονίσουν ψηφιακά την τιμή τόσο καλύτερη είναι η διακριτική ικανότητα. Αυτόν τον ρόλο αναλαμβάνουν να τον κάνουν οι λεγόμενες αναλογικές κάρτες οι οποίες κάνουν συνήθως τη μετατροπή σε 8-bit ή 16-bit. Οι αναλογικές κάρτες εισόδου λοιπόν αναλαμβάνουν τον ρόλο να μετατρέψουν τις διάφορες τιμές των αναλογικών σημάτων σε αριθμούς με ψηφιακή μορφή και αυτούς τους αριθμούς τους αποθηκεύουν σε μια ξεχωριστή περιοχή μνήμης για τα αναλογικά σήματα εισόδου. Η περιοχή αυτή χαρακτηρίζεται με τα γράμματα PIW (Peripheral Input Word). Από αυτήν την περιοχή η CPU είναι σε θέση να διαβάσει την τιμή μιας αναλογικής εισόδου με την εντολή L (Load). 63

65 Καρτέλα Inputs εδώ βλέπουμε τις αναλογικές εισόδους και μπορούμε να επέμβουμε στα εξής σημεία. Οι αναλογικές τιμές εισάγονται στο PLC ως πληροφορίες που καταλαμβάνουν μέγεθος 1word=16bit. Συνεπώς, η πρόσβαση σε αυτή τη word γίνεται με τις εντολές Load και Transfer (ή Move στη Ladder): L PIWx : Φόρτωσε την αναλογική λέξη εισόδου x Τ PQWx : Μετέφερε την αναλογική λέξη εισόδου x Κάθε αναλογική τιμή ( κανάλι ) αναθέτεται σε μία περιφερειακή λέξη εισόδου ή εξόδου (PIW,PQW). Το format της είναι τύπου integer (INT). Δηλαδή μία αναλογική κάρτα διαβάζει την αναλογική τιμή ρεύματος ή τάσης (0-40μV, 4-20mA) που προέρχεται από τον μετρητικό μετατροπέα και την ψηφιοποιεί δημιουργώντας ένα INT αριθμό από 0 ως

66 Έπειτα με την συνάρτηση FC105 έχουμε: ΕΝ IΝ HI-LIM LO-LIM BIPOLAR RET VAL OUT Μόνο στην Ladder εάν θέλουμε το FC105 να εκτελείται υπό συνθήκη Γράφουμε την διεύθυνση της αναλογικής εισόδου που θέλουμε να κάνουμε scaling π.χ PIW300 Γράφουμε το πάνω όριο του φυσικού μεγέθους στο οποίο θέλουμε να αντιστοιχήσουμε την αναλογική είσοδο σε real μορφή. Γράφουμε το κάτω όριο του φυσικού μεγέθους στο οποίο θέλουμε να αντιστοιχήσουμε την αναλογική είσοδο σε real μορφή. Η είσοδος bipolar καθορίζει εάν θα πρέπει να μετατρέπονται ακόμη και αρνητικοί αριθμοί ή όχι. Όταν η επαφή που βάζουμε σαν συνθήκη έχει κατάσταση «0» η τιμή εισόδου είναι τύπου unipolar Η έξοδος ret val έχει την τιμή «0» όταν η εκτέλεση του μπλοκ γίνεται χωρίς σφάλματα. Στην έξοδο αυτή δίνουμε την διεύθυνση μιας MW όπου αποθηκεύεται η τιμή ret val. Εδώ δίνουμε την διεύθυνση μιας double word όπου θα αποθηκεύεται η κλιμακοποιημένη τιμή της αναλογικής εισόδου. O χώρος μνήμης πρέπει να είναι double word διότι η νέα τιμή είναι σε real μορφή. 65

67 Παράδειγμα χρήσης της συνάρτησης FC105. Δίνουμε δηλαδή τις παραμέτρους που έχουμε, και η συνάρτηση αυτή μας βγάζει το αποτέλεσμα, ανάλογα με την είσοδο που δέχεται. Η λογική δηλαδή που βασίζεται όλη η λειτουργιά είναι στο να μετατρέψει η αναλογική κάρτα την τάση, σε ψηφιακή μορφή και να την αποθηκεύσει σε μια ξεχωριστή περιοχή της μνήμης. Έπειτα δίνοντας της παραμέτρους εμείς του φυσικού μεγέθους που έχουμε (μεγίστη τιμή ελάχιστη τιμή) και καλώντας τη συνάρτηση το PLC μας εμφανίζει το αποτέλεσμα που έχουμε. 66

68 ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΜΕ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Ακτινοβολία λέγεται η μετάδοση ενέργειας μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Αλλά και η ενέργεια που ακτινοβολείται έτσι, λέγεται πολλές φορές ακτινοβολία. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα χαρακτηρίζονται από το μήκος κύματος ή τη συχνότητα τους, όπου η συχνότητα είναι αντιστρόφως ανάλογη με το μήκος κύματος. Το μήκος κύματος είναι αυτό που χρησιμοποιείται συνήθως στην ανάλυση της μετάδοσης θερμότητας με ακτινοβολία. Το παρακάτω σχήμα δείχνει το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα και τα ονόματα που δίνουμε στην ακτινοβολία στις διάφορες περιοχές του. Η φύση της ακτινοβολίας και της μεταφοράς της, δεν μπορούμε να πούμε ότι είναι πλήρως κατανοητές ακόμη και σήμερα, αλλά μπορούν να περιγραφούν ικανοποιητικά είτε με την κυματική, είτε με την κβαντομηχανική. Με απλά λόγια, η ακτινοβολία ταξιδεύει στο διάστημα με την ταχύτητα του φωτός (ταχύτητα διάδοσης ηλεκτρομαγνητικών διαταραχών), και δεν απαιτεί κανένα μέσον για να μπορέσει να διαδοθεί. Η ταχύτητα του φωτός, είναι η σταθερά αναλογίας που συσχετίζει το μήκος κύματος (λ) με τη συχνότητα (ν): λ = c/ν Η ακτινοβολία στην περιοχή μήκους κύματος 0.1 έως 100 μm (μικρά), όταν πέσει πάνω σ'ένα σώμα, το θερμαίνει, και γι' αυτό λέγεται θερμική ακτινοβολία. Και αντιστρόφως, θερμική ακτινοβολία είναι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα σώμα σαν αποτέλεσμα της θερμοκρασίας του. Διαφοροποιείται από άλλους τύπους ακτινοβολίας, όπως οι ακτίνες Χ, τα ραδιοκύματα κλπ. που δεν εκπέμπονται σαν αποτέλεσμα της θερμοκρασίας. 67

69 Φάσμα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Επιπρόσθετα, επειδή η ακτινοβολία στην περιοχή μήκους κύματος από 0.38 έως 0.76 μππ ερεθίζει το οπτικό νεύρο, μπορούμε να δούμε τη θερμική ακτινοβολία σ'αυτή τη ζώνη σαν φως. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι δεν μπορούμε να δούμε τη θερμική ακτινοβολία από ένα σώμα θερμοκρασίας κάτω από 500 C, αλλά μπορούμε να αισθανθούμε τη θερμότητα που μας ακτινοβολεί. Επίσης, η θερμική ακτινοβολία μπορεί να θεωρηθεί ότι διαδίδεται σε ευθείες γραμμές όπως και όλες οι ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες, οπότε ένα σώμα μπορεί να δέχεται θερμική ακτινοβολία μόνο από σώματα τα οποία "βλέπει". 68

70 Όλα τα σώματα με θερμοκρασία μεγαλύτερη από το απόλυτο μηδέν, εκπέμπουν θερμική ακτινοβολία και συνεπώς χάνουν ενέργεια. Εάν ήταν δυνατόν να απομονώσουμε ένα σώμα εντελώς στο κενό, αυτό θα συνέχιζε να ακτινοβολεί και να χάνει ενέργεια, μέχρι να πέσει η θερμοκρασία του στο απόλυτο μηδέν. Όμως η τέλεια απομόνωση δεν είναι δυνατή, κι έτσι το σώμα θερμαίνεται από το περιβάλλον του (με αγωγή, συναγωγή και ακτινοβολία). Εάν ένα σώμα τοποθετηθεί σε περιβάλλον ίδιας θερμοκρασίας με τη δική του, η θερμοκρασία του δεν πρόκειται να μεταβληθεί, αφού θα δέχεται από το περιβάλλον του ακριβώς όση ενέργεια ακτινοβολεί (αρχή ανταλλαγής του Prevost). Όταν προσπίπτει ακτινοβολία πάνω σ'ένα σώμα, (στερεό, υγρό ή αέριο), ένα κλάσμα της απορροφάται, ένα άλλο κλάσμα της ανακλάται, και το υπόλοιπο διαπερνά το σώμα. Ισχύει: α+ρ+τ =1 Όπου α είναι ο συντελεστής απορρόφησης, ρ ο συντελεστής ανάκλασης και τ ο συντελεστής διάδοσης. Τα περισσότερα στερεά υλικά απορροφούν πρακτικά όλη την ακτινοβολία σε ένα πολύ λεπτό εξωτερικό στρώμα τους, πάχους μικρότερου του 1mm. Γι'αυτά τα αδιαφανή υλικά είναι τ = 0 και ισχύει: α+ρ =1 69

71 Ορισμένα στερεά και υγρά μεταδίδουν την ακτινοβολία σε συγκεκριμένα μήκη κύματος, εκτός και αν είναι πολύ μεγάλου πάχους. Τα υλικά αυτά (γυαλί, κρύσταλλοι ανόργανων ουσιών κτλ), είναι διαφανή στην ακτινοβολία της συγκεκριμένης περιοχής μήκους κύματος. Σε άλλα μήκη κύματος είναι αδιαφανή. Έτσι, το κοινό καθαρό γυαλί είναι διαφανές στην ορατή περιοχή του φάσματος καθώς και στην υπέρυθρη μέχρι τα 2.5 μm, ενώ πολύ λεπτές στρώσεις ημιαγωγών υλικών όπως το πυρίτιο και το γερμάνιο, είναι αδιαφανείς στην ορατή περιοχή αλλά διαφανείς σε τμήματα της υπέρυθρης πέρα από το 1.0 μm και 1.8 μm αντίστοιχα. Η επιφάνεια ενός στερεού που είναι πολύ λεία και ομαλή, συμπεριφέρεται σαν κάτοπτρο στη θερμική ακτινοβολία, δηλαδή n γωνία πρόσπτωσης είναι ίση με τη γωνία ανάκλασης. Στην περίπτωση αυτή, μιλάμε για κανονική ή κατοπτρική ανάκλαση. Τα περισσότερα βιομηχανικά υλικά, έχουν τραχείες επιφάνειες, δηλαδή οι επιφανειακές ανωμαλίες τους έχουν μεγάλο μέγεθος σε σχέση με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Η ανάκλαση ακτινοβολίας από αυτό το είδος επιφάνειας συμβαίνει αδιακρίτως σε όλες τις διευθύνσεις και λέγεται διάχυτη. Μια μαύρη ματ επιφάνεια, απορροφά όλο το φώς που προσπίπτει πάνω της. Κατ'αναλογία, μια επιφάνεια που απορροφά όλη τη θερμική ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω σ'αυτήν, καλείται μαύρη επιφάνεια, και αντίστοιχα ένα σώμα που απορροφά όλη την προσπίπτουσα ακτινοβολία λέγεται μέλαν σώμα. Στην πράξη, το απολύτως μέλαν σώμα ή επιφάνεια δεν υπάρχει, αλλά υπάρχουν σώματα που προσεγγίζουν τη συμπεριφορά του μέλανος σώματος. Για παράδειγμα, η επιφάνεια ενός σώματος μπορεί να βαφεί με κάρβουνο, κι έτσι να προκύψει μια μαύρη εξωτερική επιφάνεια όσον αφορά τη θερμική ακτινοβολία. Σε οποιαδήποτε περίπτωση, η 70

72 έννοια του μέλανος σώματος ή επιφάνειας είναι πολύ χρήσιμη στην ανάλυση προβλημάτων μετάδοσης θερμότητας με ακτινοβολία. Συνεπώς, μπορούμε να συσχετίσουμε τη συμπεριφορά του υλικού που εξετάζεται, μ'αυτήν του μέλανος σώματος σε παρόμοιες περιπτώσεις. Το μέλαν σώμα εκπέμπει τη μέγιστη δυνατή ποσότητα ακτινοβολίας που αντιστοιχεί στην απόλυτη θερμοκρασία του, ενώ αντίστοιχα απορροφά όλη την ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω του. Ο ρυθμός που ακτινοβολεί ενέργεια ένα μέλαν σώμα, είναι ανάλογος της 4ης δύναμης της απόλυτης θερμοκρασίας του: Εb= στ 4 όπου Eb είναι η ακτινοβολούμενη θερμορροη ανά μονάδα επιφανείας ενός μέλανος σώματος (b από το black) θερμοκρασίας Τ προς τον ημισφαιρικό χώρο υπεράνω αυτού, και ο η λεγόμενη σταθερά Stefan Boltzmann n ( kw/m 2 K 4 ). Για τους υπολογισμούς, είναι πιό βολικό να χρησιμοποιούμε την παραπάνω εξίσωση με τη μορφή: Εb= 56.7 (T/1000) 4 (kw/m2) 71

73 ΠΥΡΟΜΕΤΡΑ ΟΛΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Τα πυρόμετρα ολικής ακτινοβολίας χρησιμοποιούνται για μετρήσεις στην περιοχή θερμοκρασιών από C. Το προτέρημά τους είναι ότι δεν έρχονται σε άμεση επαφή με το θερμό σώμα. Συλλαμβάνουν ολόκληρο το φάσμα της ακτινοβολίας του μετρούμενου σώματος και είναι βαθμονομημένα για συνθήκες μέλανος σώματος (ορισμένα έχουν ειδική ρύθμιση για επιφάνειες με ε<1). Η ακτινοβολία που εκπέμπεται για παράδειγμα από ένα φούρνο, συγκεντρώνεται πάνω στην θερμή επαφή ενός θερμοστοιχείου ή μιας θερμοστήλης ή ενός στοιχείου αντίστασης με πλατίνα, τα οποία έχουμε μαυρίσει για να απορροφούν καλύτερα την ακτινοβολία. Η θερμοκρασία που μετράει το πυρόμετρο είναι, σύμφωνα με τον νόμο των Stefan- Boltzmann, ανάλογη με την τέταρτη δύναμη της θερμοκρασίας της πηγής. Οι κυριότερες πηγές σφαλμάτων κατά την χρήση των πυρομέτρων είναι: 1.Η παρεμβολή αερίων, φλόγας, καπνού και ατμών μεταξύ πηγής και πυρομέτρου με αποτέλεσμα την ελάττωση της ποσότητας ακτινοβολίας πού προσπίπτει στο όργανο. 2.Η απορρόφηση της ακτινοβολίας (λόγω του παρεμβαλλόμενου αέρα, σκόνης κλπ.) μεταξύ του σώματος και του οργάνου. 3.Η ελλείπεις κάλυψη της πηγής από το οπτικό πεδίο του οργάνου και 4.Υπερθέρμανση του πυρομέτρου. 72

74 Σταθερό πυρόμετρο. Πυρόμετρο που χρησιμοποιείτε σε διυλιστήρια. 73

75 Πυρόμετρα κατά τη χρήση τους της εταιρίας IMPAC. ΟΠΤΙΚΑ ΠΥΡΟΜΕΤΡΑ Υπάρχουν δύο κατηγορίες πυρομέτρων τα οπτικά και τα φωτοηλεκτρικά. Τα οπτικά πυρόμετρα βασίζονται στην αρχή ότι η ένταση της ακτινοβολίας ενός μήκους κύματος(στην περίπτωση του ορατού φωτός, ενός συγκεκριμένου χρώματος του φάσματος),είναι μια συνάρτηση της θερμοκρασίας της πηγής. Ενώ τα φωτοηλεκτρικά πυρόμετρα βασίζονται στις μεταβολές που επιφέρει το φως όταν προσπίπτει σε ορισμένα υλικά. Τα οπτικά πυρόμετρα βασίζονται στην αρχή ότι η ένταση της ακτινοβολίας ενός μήκους κύματος (στην περίπτωση του ορατού φωτός, ενός συγκριμένου χρώματος του φάσματος), είναι μια συνάρτηση της θερμοκρασίας της πηγής. Συγκρίνουν την ενεργεία που ακτινοβολείτε από το θερμό σώμα σε ένα μήκος κύματος, με εκείνη μιας ρυθμιζόμενης λυχνίας, που μπορεί να θεωρηθεί ως μέλαν σώμα. Χρησιμοποιούνται σε θερμοκρασιακό ευρος C. 74

76 Τα οπτικά πυρόμετρα είναι πιο ακριβή από εκείνα της ολικής ακτινοβολίας, άλλα παρουσιάζουν δυο σύμφυτους περιορισμούς: Α) περιορίζονται σε θερμοκρασίες στις οποίες εκπέμπεται ορατή ακτινοβολία.(> C) Β) απαιτείται η ύπαρξη χειριστή για την ρύθμιση του ροοστάτη. Η ακρίβεια τους είναι της τάξης του C για υψηλές θερμοκρασιακές τιμές. Σχηματική παράσταση οπτικού πυρομέτρου. 75

77 Οπτικό πυρόμετρο DPF 2000 της SPECTRODYNE. ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΠΥΡΟΜΕΤΡΑ Τα φωτοηλεκτρικά πυρόμετρα βασίζονται στις μεταβολές που επιφέρει το φως όταν προσπίπτει σε ορισμένα υλικά. Ο χρησιμοποιούμενος τύπος φωτοηλεκτρικού κελίου είναι το φωτοβολταικο. Ο μηχανισμός της διεργασίας είναι ο έξης: όταν πέφτει φως στο κελί, απελευθερώνονται ηλεκτρόνια, ώστε έχουμε την δημιουργία μιας ηλεκτρεγερτικής δύναμης στο συνδεόμενο κύκλωμα. Η δύναμη αυτή δημιουργεί που μετριέται με τη βοήθεια ενός βαλλιστικού γαλβανόμετρου. Τα φωτοηλεκτρικά στοιχειά δεν αντιδρούν σε όλα τα μήκη κύματος άλλα μόνο σε αυτά που είναι <λ cr. To λ cr εξαρτάται από το ακτινοβολούμενο υλικό. Για λ<λ cr η απόκριση βελτιώνετε καθώς ελαττώνεται το μήκος κύματος και αυξάνουμε την ένταση της ακτινοβολίας. 76

78 Η μορφή της διάταξης ενός φωτοηλεκτρικού πυρομέτρου είναι παρομοια με εκείνη των μερικών και ολικών πυρομέτρων. Τα πλεονεκτήματα του τύπου αυτού είναι ότι: A) Η μεγάλη ακρίβεια (+-0,2%) B) Η σταθερότητα καθώς έχουμε μικρή απόκλιση από τη ρυθμιζόμενη κλίμακα με τον χρόνο C) Η γρήγορη απόκτηση της τάξης του msec. Για αυτό άλλωστε χρησιμοποιούνται στα συστήματα αυτομάτου έλεγχου. Aperture Stop, CL: Collimating Lens, CPD: Cooled Photomultiplier Detector, DL: Diverging Lens, 77

79 FS: 0.6 mm x 0.8 mm Rectangular Field Stop, GPBB: Gold point Blackbody, GPL: Gold point Lamp, IF: Interference Filters, OL: Objective Lens, TL: Test Lamp, VTBB: Variable Temperature Blackbody, WSL: Working Standard Lamp Φωτοηλεκτρικό πυρόμετρο. Υπάρχουν 3 τύποι φωτοηλεκτρικών στοιχείων και είναι οι φωτοεκπέμπουσες, οι φωτοαγώγιμες και τα φωτοβολταικά στοιχεία. Τα φωτοβολταικά στοιχεία μετατρέπουν την ακτινοβολία του μετρούμενου σώματος σε τάση. Η τάση προκαλεί ρεύμα που μετριέται με γαλβανόμετρο. Έτσι έχουμε μέτρηση θερμοκρασίας. Τα πυρόμετρα αυτά τα χρησιμοποιούμε συνηθέστερα για την μέτρηση μικρών πηγών ακτινοβολίας, είναι πολύ σταθερά και ακριβή και έχουν μικρό χρόνο απόκρισης. ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΚΑΜΕΡΕΣ ΚΑΙ ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΙΑ Τα αντικείμενα που έχουν θερμοκρασία επιφανείας υψηλότερη από 0 Κ, εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Εφόσον μπορούμε να μετρήσουμε την ένταση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, μπορούμε σύμφωνα με τις αρχές της μετάδοσης θερμότητας με ακτινοβολία που παρουσιάστηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο, να εκτιμήσουμε τη θερμοκρασία της επιφανείας. Εκτός από τα πυρόμετρα που παρουσιάστηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο, την τελευταία δεκαετία, με την ανάπτυξη κεφαλών (CCD) ευαίσθητων σε υπέρυθρη ακτινοβολία, αναπτύχθηκε ως παραλλαγή της συνηθισμένης βιντεοκάμερας, η βιντεοκάμερα υπερύθρων. Έτσι εξελίχθηκε μία νέα επιστήμη μετρήσεων θερμοκρασιών με πολύπλευρες δυνατότητες, που ονομάζεται υπέρυθρη θερμογραφία. 78

80 Αρχή λειτουργιάς υπέρυθρης θερμογραφίας. Θερμογραφία, ή θερμική απεικόνιση, είναι μια μέθοδος προσδιορισμού της χρονικής εξάρτησης και της χωρικής κατανομής της θερμότητας στα υπό εξέταση αντικείμενα. Το σύστημα που χρησιμοποιείται για αυτόν το σκοπό πρέπει να είναι σε θέση να μετασχηματίσει μια υπέρυθρη εικόνα σε μια ορατή εικόνα. Η λειτουργία του είναι να δημιουργεί μια ορατή εικόνα με μια κατανομή ακτινοβολίας που είναι ανάλογη με την υπέρυθρη κατανομή ακτινοβολίας του αντικειμένου, δηλαδή τη χωρική κατανομή της θερμοκρασίας του Τ(Υ, z) ή την κατανομή εκπεμπτικότητάς του ε(υ, z). Αυτή η μετατροπή επιτυγχάνεται συνήθως από τη γρήγορη διαδοχική ανίχνευση του αντικειμένου με ένα ραδιόμετρο. Η υπέρυθρη θερμογραφία είναι μία μη καταστρεπτική τεχνική κατά την οποία μετρείται και καταγράφεται η θερμική ακτινοβολία που εκπέμπεται από την επιφάνεια ενός υλικού ή ενός σώματος, στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το αποτέλεσμα τέτοιων μετρήσεων είναι το θερμογράφημα, μία «θερμική» εικόνα (σε έγχρωμη ή ασπρόμαυρη μορφή) της εξεταζόμενης επιφάνειας. Η αρχή των υπέρυθρων θερμογραφικών 79

81 τεχνικών βασίζεται στο γεγονός ότι η ροή θερμότητας σε ένα υλικό διαφοροποιείται με την παρουσία ορισμένων τύπων ατελειών. Μεταβολές στη ροή θερμότητας προκαλούν τοπικές θερμοκρασιακές διαφορές στο εξεταζόμενο υλικό. Ουσιαστικά η θερμογραφία είναι η μελέτη και η απεικόνιση ανάλογων θερμικών δεδομένων. Θερμογραφικές κάμερες. Η υπέρυθρη θερμογραφία μπορεί να αναλυθεί σε δύο προσεγγίσεις, την παθητική προσέγγιση και την ενεργητική προσέγγιση. Η παθητική προσέγγιση εξετάζει υλικά και δομές που είναι από την φύση σε διαφορετική (συχνά υψηλότερη) θερμοκρασία από αυτή του περιβάλλοντος ενώ στην περίπτωση της ενεργητικής προσέγγισης, ένα εξωτερικό ερέθισμα είναι απαραίτητο για να προκαλέσει σχετικές θερμοκρασιακές διαφορές. 80

82 Παθητική θερμογραφία. Κατά την μέθοδο αυτή καταγράφεται η εκπεμπόμενη από το σώμα υπέρυθρη ακτινοβολία, χωρίς την εφαρμογή κάποιας εξωτερικής πηγής θερμότητας. Οι σημαντικές εφαρμογές της παθητικής προσέγγισης είναι στην παραγωγή, προληπτική συντήρηση, ιατρική, πυρανίχνευση δασών, προγράμματα θερμικής αποδοτικότητας κτιρίων, έλεγχος οδικής κυκλοφορίας, γεωργία και βιολογία, ανίχνευση αερίου και σε μη καταστρεπτικές δοκιμές (non destructive testing, NDT). Σε όλες αυτές τις εφαρμογές, μη κανονικά θερμοκρασιακά αποτελέσματα δείχνουν ένα πιθανό πρόβλημα που πρέπει να προσεχθεί. Ενεργητική θερμογραφία. Σε αντίθεση με την παθητική προσέγγιση, στην ενεργητική προσέγγιση, απαιτείται ένα εξωτερικό ερέθισμα για να παραγάγει τις σχετικές διαφορές θερμοκρασίας που αλλιώς δε θα εμφανιζόταν. Γνωστά χαρακτηριστικά αυτού του εξωτερικού ερεθίσματος επιτρέπουν τον ποσοτικό χαρακτηρισμό όπως για παράδειγμα την ανίχνευση του βάθους μιας ρωγμής. Βασιζόμενοι σε εξωτερικό ερέθισμα έχουν αναπτυχθεί διαφορετικές τεχνικές ενεργητικής θερμογραφίας, όπως Θερμογραφία παλμού (PT), Βηματικής θέρμανσης (SH), Θερμογραφία ασφαλείας (LT), Θερμογραφία ταλαντώσεων (VT). Η ενεργητική προσέγγιση βρίσκει πολυάριθμες εφαρμογές σε μη καταστρεπτικές δοκιμές. 81

83 Κάθε μη καταστρεπτική τεχνική έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της. Στην περίπτωση της υπέρυθρης θερμογραφίας, τα πλεονεκτήματα είναι τα ακόλουθα : γρήγορη επιθεώρηση μεγάλων επιφανειών(μέχρι μερικά m2 κάθε φορά) επιθεώρηση χωρίς επαφή η ασφάλεια του προσωπικού (δεδομένου ότι δεν υπάρχει καμία σχετική επιβλαβής ακτινοβολία) τα αποτελέσματα είναι σχετικά εύκολο να μελετηθούν δεδομένου ότι οι εικόνες μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία για να εξαχθούν περισσότερες πληροφορίες ευρεία έκταση των εφαρμογών είναι ίσως το μοναδικό εργαλείο επιθεώρησης σε κάποιες περιπτώσεις (π.χ. όπως στην περίπτωση μερικών κεραμικών επιστρωμάτων που επιθεωρούνται μετά βίας με άλλες η καταστρεπτικές τεχνικές ή στην περίπτωση ερευνών στη διάρκεια συντήρησης). Από την άλλη, υπάρχουν μερικά μειονεκτήματα όπως : δυσκολία απόκτησης μιας γρήγορης, ομοιόμορφης και ιδιαίτερα ενεργητικής θερμικής διέγερσης πάνω σε μια μεγάλη επιφάνεια. Επίδραση των θερμικών απωλειών (εκ μεταφοράς, ακτινοβολίας) που συνήθως προκαλούν ψεύτικες μεταβολές θερμοκρασίας και έχουν επιπτώσεις στην αξιοπιστία της μέτρησης. Υψηλό κόστος του εξοπλισμού. δυνατότητα επιθεώρησης ένα περιορισμένου πάχους υλικού κάτω από την επιφάνεια. 82

84 προβλήματα εκπεμπτικότητάς. Η εφαρμογή της υπέρυθρης θερμογραφίας σε ηλεκτρολογικές εγκαταστάσεις (σε εσωτερικό ή εξωτερικό χώρο) περιλαμβάνει μεταξύ άλλων την ανίχνευση «θερμών σημείων»,χαλαρών συνδέσεων,«καμένων επαφών» καθώς και τον έλεγχο της κατάστασης της μόνωσης. Στις μηχανολογικές εγκαταστάσεις η υπέρυθρη θερμογραφία χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό «θερμών περιοχών», περιοχών υψηλού βαθμού τριβών και των «ελαττωματικών» εξαρτημάτων διαφόρων μηχανημάτων. Επίσης χρησιμοποιείται στις σωληνώσεις, σε συστήματα εναλλακτών και σε δοχεία για την ανίχνευση διαρροών, τη μέτρηση στάθμης και τον έλεγχο της σωστής λειτουργίας των ατμοπαγίδων. Απεικόνιση θερμογραφικης υπέρυθρης κάμερας. 83

85 Θερμοκαμερα P 45 της FLIR SYSTEMS. Σύστημα θερμογραφικης κάμερας σε σύνδεση με ηλεκτρονικό υπολογιστή. 84

86 Απεικόνιση θερμοκρασίας σε εξειδικευμένο λογισμικό. 85

87 Θερμογραφικη απεικόνιση κτηρίου. Θερμογραφικη απεικόνιση αερολεβητα. Απεικόνιση θερμαινόμενου δαπέδου. 86

88 Θερμογραφικές κάμερες. 87

89 ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ Οι αισθητήρες οπτικών ινών μετρούν διάφορες παραμέτρους χρησιμοποιώντας λεπτές οπτικές ίνες ως το μόνο μέσο για τη διέγερση και ανάγνωση του αισθητήριου στοιχείου. Οι χρησιμοποιούμενες ίνες είναι οι ίδιες με αυτές των τηλεπικοινωνιών. Χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις όπου δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι αισθητήρες που εξετάσαμε στις προηγούμενες ενότητες. Ένα παράδειγμα είναι η μέτρηση της θερμοκρασίας στις περιελίξεις ενός μετασχηματιστή ισχύος υψηλής τάσης. Η τάση μπορεί να φθάνει έως και τα 500 kv, οπότε η χρήση αισθητήρων που επικοινωνούν με μεταλλικούς αγωγούς είναι αδύνατη για λόγους ασφαλείας. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιούνται αισθητήρες οπτικών ινών. Οι οπτικές ίνες διαθέτουν διάφορα χαρακτηριστικά, τη μεταβολή των οποίων εκμεταλλευόμαστε για να τις χρησιμοποιήσουμε ως αισθητήρες. Τέτοια χαρακτηριστικά είναι οι μικροκάμψεις (micro bendings), συμβολομετρικά φαινόμενα, η μεταβολή του δείκτη διαθλάσεως, η αλλαγή της πόλωσης, η μεταβολή του μήκους κύματος, τα περιθλαστικά φράγματα καθώς και το φαινόμενο Sagnac το οποίο εφαρμόζεται για την ανίχνευση περιστροφικής κίνησης. Η θερμοκρασία υπολογίζεται έμμεσα αφού μετρηθούν μεταβολές μήκους κύματος ή διαφορές φάσης και μετατραπούν σε θερμοκρασία, μέσω κατάλληλων ηλεκτρονικών διατάξεων. Οι οπτικές ίνες δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αισθητήρες αυτόνομοι, όπως τα θερμοζεύγη, ή οι αντιστάτες. 88

90 Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται στην καταγραφή θερμοκρασίας σε: Α) Εξερεύνηση πετρελαίου αερίου Β) Έλεγχος γραμμών καλωδίων Γ) Πυρανίχνευση σε σήραγγες και κτήρια Δ) Βιομηχανική επιτήρηση φούρνων επαγωγής Ε) Έλεγχος θερμοκρασίας σε εγκαταστάσεις Στ) Σε δεξαμενές αποθήκευσης σε σκάφη Οπτική ίνα. 89

91 ΜΕΡΟΣ ΔΕΥΤΕΡΟ 2.ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΣΤΑΘΜΗΣ Μαζί με την θερμοκρασία, η μέτρηση στάθμης βρίσκεται στην κορυφή των μετρητικών αναγκών στην βιομηχανία, ναυτιλία αλλά και στην καθημερινή μας ζωή. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι αποτελεί τη βάση για την διαχείριση και έλεγχο στην χημική, πετροχημική βιομηχανία, περιβαλλοντικές εφαρμογές και άλλες σχετιζόμενες βιομηχανίες. Με την πάροδο των ετών, η πληθώρα των εφαρμογών και η πολυπλοκότητα των συστημάτων επίβλεψης, αυξήθηκε τόσο που οδηγεί την κοινότητα των τεχνικών σε συνεχή έρευνα, επέκταση και βελτίωση των εφαρμοζόμενων αρχών μέτρησης στάθμης. Ας δούμε αρχικά μερικούς βασικούς ορισμούς στην μέτρηση στάθμης: Στάθμη: Η απόσταση της επιφάνειας του μετρούμενου υλικού από ένα σημείο αναφοράς Ελάχιστο (minimum) : Η χαμηλότερη αποδεκτή στάθμη Μέγιστο (maximum) : Η υψηλότερη αποδεκτή στάθμη Η μέτρηση της στάθμης κατηγοριοποιείται σε: Σημειακή μέτρηση: Η ανίχνευση συγκεκριμένης στάθμης Συνεχής μέτρηση: Μέτρηση της ακριβούς τιμής εντός μιας συγκεκριμένης περιοχής μέτρησης (π.χ. Στάθμη καυσίμων στα αυτοκίνητά μας) 90

92 Ενδεικτική και παραστατική εικόνα τροπών μέτρησης της στάθμης και οργάνων που χρησιμοποιούνται. Αισθητήρες στάθμης Αναλογικό Σήμα ΑDC Ψηφιακό Σήμα Μικροεπεξε ργαστής LCD Οθόνη 91

93 Σχηματική απεικόνιση τρόπου μέτρησης στάθμης. Οθόνη LCD μέτρησης στάθμης ΣΗΜΕΙΑΚΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΤΑΘΜΗΣ Είναι η επίβλεψη του εάν έχει επιτευχθεί ή ξεπεραστεί ένα προκαθορισμένο όριο στάθμης ή εάν η στάθμη έχει πέσει κάτω από ένα κρίσιμο σημείο. Χρησιμοποιείται συνήθως για αποφυγή υπερχείλισης ή εν ξηρών λειτουργίας καθώς και για τήρηση κανονισμών ελαχίστου-μεγίστου ορίου στάθμης. Οι βασικές μέθοδοι και πλέον διαδεδομένες για την σημειακή μέτρηση στάθμης είναι: 92

94 ΔΟΝΗΤΙΚΟΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ (VIBRATOR) Αρχή Μέτρησης: Το μετρούμενο φυσικό μέγεθος είναι η ολίσθηση συχνότητας. Ένα δίχαλο ή βέργα δονείται ηλεκτρονικά με συγκεκριμένη συχνότητα από πιεζοκεραμικό κρύσταλλο ή αντίστοιχο. Όταν έλθει σε επαφή με το μετρούμενο μέσο, αυτή η συχνότητα μειώνεται. Το ηλεκτρολογικό μέρος της συσκευής αναγνωρίζει την αλλαγή της συχνότητας και δημιουργεί σήμα εξόδου βάση αυτής της αλλαγής. Το σήμα αυτό που είναι αναλογικό μετατρέπεται σε ψηφιακό μέσω a\d μετατροπέα με την βοήθεια τελεστικών ενισχυτών. Πλεονεκτήματα: Πρόκειται για όργανο εύκολο και απλό στη χρήση. Χωρίς ιδιαίτερες ή καθόλου ρυθμίσεις, χωρίς κινούμενα μέρη, χωρίς περιορισμό στην εγκατάστασητοποθέτηση, ανεπηρέαστο από τα φυσικά χαρακτηριστικά του μετρούμενου μέσου, δυνατότητα-τεστ ορθής λειτουργίας. Μειονεκτήματα: Υλικά παχύρρευστα ή κολλώδη μπορούν να δημιουργήσουν πρόβλημα, καθώς και στερεά με μεγάλη κοκομετρία μπορούν να φράξουν το δίχαλο (και τα δύο αυτά μειονεκτήματα ελαχιστοποιούνται με τη χρήση δονητικού διακόπτη τύπου βέργας-vibration ROD) Εφαρμογές: Συναντά εφαρμογές σε υγρά και στερεά για έλεγχο στάθμης, έλεγχο μέγιστου-ελάχιστου, προστασία υπερχείλισης κλπ. 93

95 Δονούμενος διακόπτης στάθμης για Σκόνες Κοκκώδη Στερεά και υγρά. Της SIGMA HELLAS μοντέλο

96 ΧΩΡΙΤΙΚΟΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ (CAPACITIVE) Αρχή Μέτρησης: Το μετρούμενο φυσικό μέγεθος είναι η χωρητικότητα. Ο αισθητήρας (probe) με το μεταλλικό τοίχωμα της δεξαμενής δημιουργεί ένα πυκνωτή που μεταβάλλει τη τιμή του καθώς προσθαφαιρείται υλικό στην δεξαμενή. Η τιμή αυτή αποτελεί ένα σήμα το οποίο ένας μετατροπέας αναλογικού σήματος το μετατρέπει σε ψηφιακό και έτσι έχουμε την ένδειξη της στάθμης που υπάρχει. Πλεονεκτήματα: Αποτελεί μέθοδο γενικής χρήσης, χωρίς κινούμενα μέρη και με αρκετά καλή ακρίβεια. Είναι όργανα κατάλληλα και για στερεά υλικά. Μειονεκτήματα: Τα κολλώδη υλικά μπορούν να δημιουργήσουν πρόβλημα. Η εγκατάσταση μπορεί να είναι δύσκολη λόγω εξωτερικών παραμέτρων όπως το υλικό της δεξαμενής, επιρροή του καλωδίου (π.χ. χωρητικότητα). Η διηλεκτρική σταθερά (Εν) του προς μέτρηση υλικού πρέπει να είναι περίπου μεγαλύτερη από 1,4 (Εν>1,4) Μερικές τιμές Εν: Τσιμέντο (1,5 4), Αλεύρι (4,5), Οινόπνευμα (3), Βενζίνη (1,3 3), Νερό (80), Λάδι (2,1) Εφαρμογές: Συναντά εφαρμογές σε υγρά και στερεά, αγώγιμα και μη αγώγιμα. Καλύπτουν ευρεία γκάμα εφαρμογών σημειακής μέτρησης. 95

97 Οι χωρητικοί διακόπτες μπορούν να ανιχνεύσουν και τα αγώγιμα και τα μη αγώγιμα αντικείμενα όπως το νερό και άλλα υγρά, τα πλαστικά, το ξύλο, το γυαλί και ποικίλα άλλα υλικά χωρίς επαφή. Οι χωρητικοί διακόπτες προσέγγισης είναι ιδανικοί για την ανίχνευση προϊόντων λόγω της δυνατότητάς τους να ανιχνεύσουν τους μη αγώγιμους στόχους. Ο χωρητικός διακόπτης έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε ένα ηλεκτροστατικό πεδίο σχηματίζεται μεταξύ του ενεργού ηλεκτροδίου και του ηλεκτροδίου γείωσης. Οποιοδήποτε αντικείμενο που εισέρχεται σ αυτό το πεδίο θα αυξήσει την χωρητικότητα. Η αύξηση της χωρητικότητας εξαρτάται από τους ακόλουθους παράγοντες: την απόσταση και θέση του αντικειμένου μπροστά από το ενεργό ηλεκτρόδιο, Οι διαστάσεις του αντικειμένου, η διηλεκτρική σταθερά του αντικειμένου. Όταν η αύξηση στην χωρητικότητα είναι αρκετά μεγάλη, αρχίζει μία ταλάντωση. Αυτή η ταλάντωση ανιχνεύεται από το κύκλωμα αξιολόγησης, το οποίο αλλάζει την κατάσταση του κυκλώματος. Ο διακόπτης μπορεί να εγκατασταθεί κάθετα ή οριζόντια για να ανιχνεύσει τη στάθμη προϊόντων. Προσαρμοσμένος χωρητικός διακόπτης. 96

98 Χωρητικός διακόπτης. Μοντέλο Α02 της SIGMA HELLAS. Χωρητικός διακόπτης. Μοντέλο Α75 της SIGMA HELLAS. 97

99 ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΑ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ (CONTUCTIVEELECTRODES) Αρχή Μέτρησης: Ένα ή περισσότερα ηλεκτρόδια διαμορφώνουν ένα probe (στέλεχος μέτρησης) και έχουν διαφορετικά μήκη. Τοποθετούνται σε δοχεία με αγώγιμο υγρό. Εάν η στάθμη του υλικού ανέβει έως το ηλεκτρόδιο κλείνει κύκλωμα μεταξύ δύο ηλεκτροδίων και δημιουργία σήματος εξόδου. Έτσι το σήμα αυτό ανοίγει η κλείνει μια επαφή ενός ρελε. Εφαρμογές: Συναντά εφαρμογές στον έλεγχο στάθμης, έλεγχο ελάχιστου-μέγιστου για εύκολες και χαμηλού κόστους λύσεις. 98

100 Hλεκτροδιο για μέτρηση σταθμης.μοντελο LP-04 της SPIRAX SARCO. 99

101 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ (MAGNETIC IMMERSION PROBE) Αρχή Μέτρησης: Το μέσο μέτρησης είναι ένας οδηγούμενος πλωτήρας που φέρει ενσωματωμένο μαγνήτη. Καθώς ο πλωτήρας κινείται βάση της στάθμης επάνω σε μία βέργα, ο μόνιμος μαγνήτης που περιέχεται μέσα στο πλωτήρα, ενεργοποιεί επαφές reed τοποθετημένες εντός της βέργας, με αποτέλεσμα αντίστοιχες ενεργοποιήσεις εξόδων. Πλεονεκτήματα: Πρόκειται για απλή μέθοδο, εύκολη στην εγκατάσταση, χωρίς ανάγκες συντήρησης και με μεγάλη αξιοπιστία μετρήσεων. Μειονεκτήματα: Η πλευστότητα εξαρτάται από το μέγεθος του πλωτήρα (float), τα μήκη δεν ξεπερνούν τα 3 με 5 μέτρα. Η πυκνότητα του υλικού θα πρέπει να είναι συνήθως μεγαλύτερη από 0.6 με 0.7 g/cm3. Εφαρμογές : Συναντά εφαρμογές ευρείας γκάμας σε σημειακή μέτρηση στάθμης σε υγρά. 100

102 Μαγνητικός αισθητήρας της SIGMA HELLAS μοντέλο 100. Μαγνητικός αισθητήρας της SIGMA HELLAS μοντέλο

103 ΠΛΩΤΗΡΕΣ (FLOAT SWITCHES) Η κίνηση /θέση του πλωτήρα καθώς βυθίζεται και ανυψώνεται βάση της στάθμης του υγρού, ανιχνεύεται από ένα ενσωματωμένο διακόπτη που δίνει σήμα εξόδου. Εφαρμογές: Συναντά εφαρμογές στον έλεγχο αντλιών, σε βιολογικούς καθαρισμοί και αποτελεί γενικά απλή και οικονομική λύση για σημειακή μέτρηση στάθμης. Έχουν αναπτυχθεί και ειδικές μέθοδοι για ιδιάζουσες εφαρμογές όπως: διακόπτες υπερήχων, ραδιομετρικός διακόπτης στάθμης, φωτοαισθητήρια στάθμης, διακόπτης πτερωτής, κλπ. 102

104 Πλωτήρας της BILGE μοντέλο LS

105 Τα ηλεκτρικά σήματα που δίνουν οι παραπάνω αισθητήρες μπορούν απ ευθείας μέσω ρελε να δώσουν μια εντολή σε κάποιο μέσο ώστε να έχουμε την επιθυμητή στάθμη που χρειαζόμαστε. Επίσης τα σήματα αυτά μπορούν να σταλθούν σε ελεγκτές PID ώστε να έχουμε την πραγματική τιμή της στάθμης και την επιθυμητή και μέσω του ελεγκτή να δώσει της εντολές εκείνες σε κάποιο πχ μοτέρ, αντλία ώστε να επιτευχτεί η επιθυμητή στάθμη που έχουμε ορίσει. Παρομοίως έτσι και με τα PLC. PID ελεγκτής LS30 της BILGE. 104

106 2.2.1 ΣΥΝΕΧΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΣΤΑΘΜΗΣ Είναι η συνεχής μέτρηση της τρέχουσας της στάθμης υγρών ή στερεών καθώς αυτή αυξομειώνεται. Χρησιμοποιείται συνήθως για την συνεχή επίβλεψη, διαμόρφωση στρατηγικού ελέγχου, έλεγχο διεργασιών, εξαγωγή στατιστικών και πληροφοριών σχετικών με την κατανάλωση, αποφυγή απωλειών κλπ. Οι βασικές μέθοδοι και πλέον διαδεδομένες για την συνεχή μέτρηση στάθμης είναι: 105

107 ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΥΠΕΡΗΧΩΝ (ULTRASONIC) Αρχή Μέτρησης: Ο αισθητήρας μετρά το χρόνο που χρειάζεται το κύμα υπερήχου για να ταξιδέψει από τον αισθητήρα έως την επιφάνεια του υλικού και να ανακλαστεί πίσω στον αισθητήρα. Ο χρόνος αυτός έχει άμεση σχέση με την απόσταση και άρα τη στάθμη του υλικού. Η ηλεκτρονική μονάδα της συσκευής μεταφράζει αυτή τη τιμή σε αναλογικό σήμα. Έπειτα το σήμα περναει σε μετατροπέα και γίνετε ψηφιακό, οπού μπορεί να απεικονιστεί σε μια LCD οθόνη. Πλεονεκτήματα: Ο αισθητήρας δεν έρχεται σε επαφή με το μετρούμενο υλικό. Η μέτρηση είναι ανεξάρτητη από την πυκνότητα του υλικού. Δεν έχει κινητά μέρη, έχει στιβαρή κατασκευή. Μειονεκτήματα: Η ταχύτητα του ήχου εξαρτάται κατά πολύ από τη θερμοκρασία και πίεση. Ο σχηματισμός αερίου επάνω από την επιφάνεια του υλικού μπορεί να επηρεάσει τη ταχύτητα του ήχου, ύπαρξη αφρού απορροφά μεγάλο μέρος των υπερήχων. Μηχανικά μέρη στην δεξαμενή (π.χ. άλλα εσωτερικά αισθητήρια, αναδευτήρες, προεξοχές κ.α.) μπορούν να παρεμποδίσουν το σήμα. Οι σύγχρονοι αισθητήρες διαθέτουν συστήματα αντιστάθμισης θερμοκρασίας, υπολογισμού απορρόφησης σήματος, καθώς και απόρριψης ζωνών μέτρησης για να μειωθούν οι πιθανότητες εσφαλμένης μέτρησης. Εφαρμογές: Συναντά εφαρμογές σε μετρήσεις στάθμης σε υγρά και στερεά υλικά. Μεγάλο πεδίο εφαρμογών σε βιολογικούς καθαρισμούς, σιλό δημητριακών, άμμο, τσιμέντο, δεξαμενές υγρών κλπ. 106

108 Σχηματική αναπαράσταση μέτρησης στάθμης με υπέρηχους. 107

109 Υπερηχητικός αισθητήρας της SIGMA HELLAS μοντέλο 098. κλίμακες ανίχνευσης mm mm mm mm mm 108

110 ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΜΙΚΡΟΚΥΜΜΑΤΩΝ Αρχή Μέτρησης: Η φυσική παράμετρος που μετράται είναι οι παλμοί οδηγούμενων μικροκυμάτων. Ο εκπεμπόμενος παλμός μικροκυμάτων κινείται επάνω στην μεταλλική βέργα και ανακλάται πίσω, επάνω στην επιφάνεια του υλικού. Η στάθμη του υλικού υπολογίζεται από την ηλεκτρονική μονάδα και βασίζεται στον συνολικό χρόνο αποστολής-λήψης του παλμού. Πλεονεκτήματα: Η βαθμονόμηση μπορεί να γίνει και χωρίς να έχει τοποθετηθεί. Δεν έχει κινούμενα μέρη. Κατάλληλο και για στερεά υλικά (σε μορφή πούδρας, σκόνης, κόκκων). Υψηλή ακρίβεια μέτρησης. Ανεπηρέαστο από τη θερμοκρασία, πίεση. Μειονεκτήματα: Κολλώδη υλικά μπορεί να δημιουργήσουν πρόβλημα. Η διηλεκτρική σταθερά του μετρούμενου υλικού θα πρέπει να είναι μικρότερη από 1,8 (Εν<1,8). Δεν ισχύει αυτός ο περιορισμός για τα radar sensors. Η αρχή του radar είναι αντίστοιχη με την αναφερθείσα, μόνο που η εκπομπή γίνεται στον αέρα και όχι επάνω σε βέργα μεταλλική. 109

111 Σχηματική παράσταση μέτρηση στάθμης με μικροκύματα. Μέτρηση στάθμης με μικροκύματα. 110

112 Σχηματική αναπαράσταση μέτρησης στάθμης με αισθητήρα τύπου RADAR. 111

113 Αισθητήρας τύπου ραντάρ. Μοντέλο 2000 της SIGMA HELLAS. Αισθητήρας τύπου ραντάρ. Μοντέλο 2000 της SIGMA HELLAS. 112

114 Αισθητήρας τύπου ραντάρ. Μοντέλο 5000 της SIGMA HELLAS. Αισθητήρας τύπου ραντάρ. Μοντέλο 5000 της SIGMA HELLAS. 113

115 ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΠΙΕΣΗΣ (HYDROSTATIC PRESSURE) Αρχή Μέτρησης: Η μετρούμενη φυσική παράμετρος είναι η πίεση (μέσω κεραμικού χωρητικού αισθητήρα ή αντίστοιχου) του υγρού η οποία μεταβάλλεται σε σχέση με τη στάθμη. Το σήμα εξόδου του μεταδότη είναι ανάλογο της στάθμης του προς μέτρηση υγρού. Πλεονεκτήματα: Προσφέρει μεγάλη ακρίβεια στη μέτρηση. Δεν έχει κινούμενα μέρη, δεν απαιτεί συντήρηση, κατάλληλο για μέτρηση σε απόβλητα, παχύρρευστα υλικά κλπ. Μειονεκτήματα: Η αντιστάθμιση της θερμοκρασίας είναι απαραίτητη για τη μεταβολή της πυκνότητας. Σε κλειστά δοχεία πρέπει να γίνεται αντιστάθμιση της πίεσης του αερίου επάνω από τη στάθμη του υγρού. Μεταβολές της πυκνότητας μπορεί να οδηγήσουν σε εσφαλμένη μέτρηση. Εφαρμογές: Συναντά εφαρμογές σε μετρήσεις σε υγρά και παχύρρευστα υγρά, δεξαμενές αποβλήτων κλπ. 114

116 Σχηματική παράσταση μέτρησης στάθμης με πίεση. Σχηματική παράσταση μέτρησης στάθμης με πίεση. 115

117 Αισθητήρες πίεσης για μέτρηση στάθμης. 116

118 Αισθητήρας πίεσης μοντέλο SPT 400 της SIGMA HELLAS. 117

119 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ (MAGNETIC IMMERSION PROBE) Αρχή Μέτρησης: Οδηγούμενος πλωτήρας. Καθώς ο πλωτήρας κινείται ανάλογα με τη στάθμη του υγρού, επάνω σε μία βέργα, ο μόνιμος μαγνήτης που περιέχεται μέσα στο πλωτήρα, ενεργοποιεί επαφές reed τοποθετημένες εντός της βέργας που μεταβάλλουν την συνολική αντίσταση (μέσω των ανοιγο-κλεισιμάτων των reed διακοπτών). Αυτή η συνολική αντίσταση μετατρέπεται από την ηλεκτρονική μονάδα σε σήμα εξόδου ανάλογο της στάθμης υγρού. Σχετικά με τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα ισχύει ότι και για τους μαγνητικούς αισθητήρες για σημειακή μέτρηση στάθμης. 118

120 Μαγνητικός μετρητής στάθμης 100S της SIGMA HELLAS. Μαγνητικός μετρητής στάθμης 26S της SIGMA HELLAS. 119

121 ΣΥΣΤΗΜΑ PLUMB BOB Το σύστημα Plumb Bob χρησιμοποιείται για την "κατ 'αίτησιν" μέτρηση στάθμης σε σιλό και δοχεία. Εφαρμογές για ογκομετρικές μετρήσεις ακριβείας και μετρήσεις μεγάλων αποστάσεων δεν αποτελούν κανένα απολύτως πρόβλημα. Το μοντέλο αυτό είναι ένα ήλεκτρο-μηχανικό σύστημα συνεχούς μέτρησης στάθμης σε χοάνες, σιλό ή δεξαμενές. Αυτό το εγκατεστημένο στο πάνω μέρος σύστημα σύστημα χρησιμοποιείται για την επιτήρηση στάθμης σε εφαρμογές, όπως σκόνες, μικρών κόκκων, χύδην υλικών ή χύδην σιτηρών. Ένα βαρίδι είναι τοποθετημένο στο τέλος ενός σχοινιού ή ταινίας μέτρησης, που είναι τυλιγμένο σε ένα μηχανοκίνητο κύλινδρο. Κατά την επαφή με το χύδην υλικό, το βαρίδι τραβιέται πίσω και επιστρέφει στην θέση του επάνω. Δεν επηρεάζεται από αλλαγές στην πυκνότητα του προϊόντος, σκόνη στο Σιλό, μεταβολές στην υγρασία του υλικού και προϊόντα που έχουν την τάση να κολλάνε. 120

122 Σύστημα plumb bob της SIGMA HELLAS.Mοντέλο SLT. 121

123 ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ LASER Τα Φωτοκύτταρα έχουν έναν πολύ σημαντικό ρόλο σε εφαρμογές αυτοματισμού, επειδή επιτρέπουν την ανίχνευση αντικειμένων με ακρίβεια σε μεγάλες αποστάσεις. Όπου υπάρχει περιορισμός χώρου ή και υψηλές θερμοκρασίες, η χρήση των οπτικών ινών επιτρέπει την υλοποίηση ιδιαίτερα αποτελεσματικών συστημάτων ανίχνευσης. Η βασική αρχή πάνω στην οποία στηρίζεται η λειτουργία των φωτοκύτταρων είναι η εξής: ένας δέκτης λαμβάνει το εκπεμπόμενο φως (ορατό ή μη ορατό, υπέρυθρο) και το μετατρέπει σε ηλεκτρικό σήμα.[9] Οι αισθητήρες laser αποτελούν τη λύση σε αμέτρητες βιομηχανικές εφαρμογές ειδικά, όταν το μέγεθος του προς ανίχνευση αντικειμένου είναι πολύ μικρό ή όταν αυτό βρίσκεται σε πολύ μεγάλη απόσταση. Η μέτρηση ροής υγρών είναι απαραίτητη σε πολλές βιομηχανίες. Η ροή διακρίνεται σε ροή ανοιχτού καναλιού και σε ροή κλειστού αγωγού. Τα περισσότερα όργανα μετράνε την ροή έμμεσα και διαχωρίζονται σε αυτά που μετράνε ταχύτητα και σε αυτά που μετράνε πίεση ή στάθμη. Οι αισθητήρες ροής λέιζερ doppler (φαινόμενο Doppler) μετρούν τη στάθμη μέσω δετού αισθητήρα. Εκπέμπουν συνεχώς υπέρηχους στα 640 khz. Ο ήχος ανακλάται πίσω στον αισθητήρα από σωματίδια ή φυσαλίδες που υπάρχουν στο υγρό η στέρεο. Οι μετρητές στάθμης doppler μετρούν διαρκώς αυτές τις μεταβολές συχνότητας για να υπολογίσουν τη στάθμη. 122

124 Το «φαινόμενο doppler» παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1842 από έναν Αυστριακό φυσικό, τον Christian Doppler. Η τεχνική doppler εφαρμόζεται μόνο σε υγρά που περιέχουν σωματίδια ή φυσαλίδες που αντανακλούν το σήμα. Υπάρχουν ορισμένα «δύσκολα» υγρά που μπορεί να προκαλέσουν ζημιά στους κανονικούς μετρητές ροής: παχύρρευστα, κατακάθια, λήμματα, στιλβωτικά, διαβρωτικά χημικά κλπ. Επιπλέον, λόγω της εξωτερικής εγκατάστασης του αισθητήρα δεν προκαλείται πτώση της πίεσης ή παρεμπόδιση του υγρού. Για καλύτερα αποτελέσματα οι αισθητήρες doppler πρέπει να τοποθετούνται μακριά από αναταράξεις και διαταραχές της ροής, όπως γωνίες σωληνώσεων και μακριά από εξαρτήματα επιτάχυνσης της ροής, όπως πχ βαλβίδες ελέγχου και αντλίες. Η τυπική ακρίβεια είναι ±2% της πλήρους κλίμακας. Το σύστημα περιλαμβάνει ένα δετό αισθητήρα, καλώδιο σύνδεσης και μονάδα ελέγχου, που μπορεί να τοποθετηθεί σε μια βολική θέση (εντός 150 m). Οι αισθητήρες αυτού του είδους θεωρούνται εξαιρετικά ασφαλείς για εφαρμογές σε επικίνδυνες περιοχές. Έχει ευρεία εφαρμογή όπως σιλό σιτηρών, Βιομηχανία επεξεργασίας τροφίμων, σιλό σπαστήρων & πέτρας, εξωτερικές/εσωτερικές εφαρμογές θέσης- γερανογέφυρες, οχήματα. 123

125 Σχηματική αναπαράσταση μέτρησης στάθμης με αισθητήρα Laser. 124

126 Αισθητήρας λέιζερ της SIGMA HELLAS μοντέλο 80. Αισθητήρας λέιζερ της SIGMA HELLAS μοντέλο