1) MJERENJE U DI STROJARSTVU

Transcript

1 1 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo 1) MJERENJE U DI STROJARSTVU 1.1) Uvod Mjerenje skup poslova obavljenih radi određivanja odre ivanja vrijednosti neke veličine. velič Veličina svojstvo pojave tijela ili tvari koje se može kvalitativno razlikovati i količinski koli odrediti. Osnovne veličine (slika 1.) veličine koje su dogovorno prihvaćene kao funkcijski neovisne od bilo kojih drugih veličina. Izvedene veličine veličine koje su definirane kao funkcije osnovnih veličina veli velič tog sustava. Slika 1. Osnovne veličine veli ine SI sustava i njihove jedinice Ispitna sredstva (slika 2.) možemo razvrstati u 3 grupe: mjerni uređaji, đaji, kontrolni uređaji i pomoćna sredstva. Mjerni uređaji se dijele na čvrsta i pokazna mjerila. Kontrolni uređaji su tijela s određenom odre enom mjerom ili mjerom i oblikom ispitnog predmeta. Pomoćna sredstva su prizme, stalci, sta podloge i držači. Slika 2. Ispitna sredstva

2 2 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo Greške pri mjerenju Obzirom na preciznost izrade alata moguće su greške mjerenja (slika 3.). Najčešći uzroci su: - neprikladno mjerilo u pogledu točnosti mjerenja: +/-0,001, +/-0,01 ili +/-0,1mm - istrošeno mjerilo: potrebno umjeravanje (baždarenje), popravak ili zamjena - utjecaj topline: ista temperatura mjerila i proizvoda (20+/- 0,5 C), utjecaj temp. čovjeka - utjecaj vlage i prašine: povećane mjere - utjecaj vibracija: isključiti uređaj na kojem se mjeri, odvojiti prostoriju za precizna mjerenja - nedovoljno iskustvo: koso postavljanje, krivo očitavanje, prejaki pritisak, masnoća ) Mjerenje dužina Pomično mjerilo Slika 3. Greške pri mjerenju Pomično mjerilo (mjerka) - (slika. 4) - (germanizam šubler) je ručni mjerni instrument za mjerenje vanjskih i unutarnjih dimenzija raznih predmeta. Pomičnim mjerilom mjerimo dimenzije pravilnih tijela s preciznošću do 0,1; 0,05 ili 0,02 milimetra. Sastoji se štapa s upisanim skalama (na donjem dijelu je ucrtana milimetarska, a na gornjem skala u inčima), klizača s noniusom, krakova za mjerenje vanjskih dimenzija tijela, šiljaka za mjerenje unutarnjih dimenzija, te izbočenja za mjerenje dubine. Radi preciznijeg očitavanja dimenzija, pomično mjerilo ima i kočni mehanizam (obično se radi o vijku kojim se klizač pričvrsti za štap). Izrađuje se od čelika, plastike kao i od drveta za mjerenja predmeta većih dimenzija (npr. šumari ga koriste za mjerenje promjera stabala). Slika 4. Pomično mjerilo

3 3 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo Osnovni oblici pomičnih mjerila su: (slika 5.) s noniusom, s mjernim satom i digitalnim pokazivačem. a) b) Pomičnim mjerilima mogu se mjeriti: c) Slika 5. Podjela pomičnih mjerila: a) s noniusom; b) s mjernim satom; c) s digitalnim pokazivačem vanjske dimenzije tijela (stavljanjem tijela između velikih krakova na donjoj strani mjerila) unutarnje dimenzije cijevi, prstena ili otvorene kutije (uvlačenjem gornjih krakova mjerila u šupljinu tijela) dubina (guranjem šipke na desnoj strani mjerila do dna provrta) Štap ima na sebi milimetarsku skalu, a na klizaču se nalazi posebna skala koja se naziva nonius (Nonius, 1542; Vernier). Točnost do na dio milimetra postignuta je uporabom noniusa, posebne skale koju je još davne osmislio Portugalac Pedro Nunes (lat. Nonius), koji je svoju skalu primijenio na astrolab. Do kraja je nonius skalu usavršio Francuz Pierre Vernier (zato se nonius ponekad naziva i vernierom). Kada je klizač pomaknut do kraja ulijevo, poklapaju se oznake za nulu (0) na objema skalama. Za grubo mjerenje dovoljno je na milimetarskoj skali štapa očitati iznos koji odgovara novom položaju oznake 0 na klizaču. Tako možemo očitati iznos duljine u milimetrima i procijeniti desetinke milimetra. Za točnije mjerenje duljine moramo poznavati princip noniusa (slika 6.). Noniusova je ideja bila vrlo dosjetljiva. Umjesto da se svaki milimetarski razmak ispuni mnoštvom vrlo tankih zareza za finiju podjelu, napravio je jednu pomičnu skalu s N zareza s točno određenim svojstvom (u našem slučaju N=20 ukupno ima 21 zarez ali lijevu oznaku 0 ne brojimo jer je analogna pomaku od 1 mm ulijevo od desne oznake 0). Kada se klizač pomakne do kraja ulijevo tako da se poklope oznaka 0 na milimetarskoj skali s lijevom oznakom 0 na noniusu, vidimo da se desna oznaka 0 na noniusu nalazi 1 mm lijevo od oznake 4 cm na štapu. To znači da se oznaka 25 na noniusu nalazi 0.25 mm lijevo od oznake 1 cm na štapu, oznaka 50 na noniusu nalazi se na 0.50 mm lijevo od oznake 2 cm na štapu itd. Zamislimo da mjerimo debljinu nekog listića koja iznosi točno 0.25 mm. Očito je da će se pritom oznaka 25 na noniusu poklopiti s oznakom 1 cm na štapu, dok se ostale oznake na dvjema skalama neće poklapati. Lako zaključujemo da se mjerenjem debljine n/20 mm, gdje je n=1,2,..,19, mora poklopiti n-ta oznaka na noniusu s nekom od oznaka na skali štapa. Ako mjerimo debljinu pločice koja iznosi npr mm, onda će oznaka 0 na noniusu biti malo pomaknuta udesno od oznake 1 mm na štapu, a oznaka 25 na noniusu poklopit će se s oznakom 1.1 cm na štapu, tj. sve se zbiva s pomakom od 1 mm u odnosu prema gornjem slučaju listića debljine 0.25 mm. Dakle, za mjerenje duljine bitno je očitati cijeli broj milimetara pomoću noniusove oznake 0 i dodati n/20 milimetara ako se n-ta oznaka noniusa poklapa s nekom(nije bitno kojom) oznakomna štapu. Primjer je prikazan na slici 6, gdje se uvećano vidi bitan isječak štapa i noniusa. Mjerena duljina iznosi mm.

4 4 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo Slika 6. Uvećani prikaz milimetarske skale i noniusa za očitanje Mikrometar - mikrometarski vijak Mikrometri (slika 7.) su mjerni instrumenti koji se koriste za mjerenje provrta, dubine, cjevne stjenke, utora za klinove, navoje, a točnost očitanja mjerne vrijednosti im je do 0,01 mm. Slično pomičnom mjerilu, mikrometarski vijak se sastoji od nepomičnog i pomičnog dijela. Umjesto da klizi, pomični se dio miče pomoću vijka. Mjerenje duljina pomoću vijka zasniva se na proporcionalnosti između translacijskog pomaka vijka i kuta zakretanja vijka. Kad se vijak okreće u matici, njegov pomak očitava se na nepomičnoj noj skali tako da se prati pomak ruba bubnja. Prvi mikrometarski vijak napravio je engleski astronom William Gascoigne u 17. stoljeću. On ga je koristio na teleskopu, da bi mjerio kut između zvijezda. Prilagodbu na ručni mjerni instrument je napravio Jean Laurent Palmer, u Parizu 1848., pa ga Francuzi i danas nazivaju palmer. okretni bubanj s nepomična nepomični mjerni 50-dijelnom milimetarska zupčasti kotač sa trn nakovanj pomični mjerni trn podjelom skala zaporom - čegrtaljka kočnica referentna linija okretni bubanj mjerno područje okvir - luk Slika 7. Mikrometarski vijak za vanjske mjere

5 5 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo Tijelo kojemu se mjere dimenzije, stavi se između nepomičnog nog mjernog trna - nakovnja i pomičnog mjernog trna - vijka, a vijak se približava tijelu sve dok ga ne dodirne. Dodir mora biti lagan da se tijelo ne bi deformiralo. Poželjno je da pritisak bude uvijek jednak. Da se to postigne, mikrometarski vijak se okreće isključivo pomoću zupčastog kotača sa zaporom - čegrtaljke, koji klikne kad pritisak pomičnog dijela na tijelo dosegne određenu vrijednost. Nakon toga nema potrebe više okretati nazubljenu glavu jer sigurnosni mehanizam mikrometarskog vijka spriječava daljnje stezanje. Nepomična skala je linijama podijeljena na dužine duljine 0,5 mm, a na obodu bubnja se nalazi linearna skala s oznakama od 0 do 50. Gornje linije nepomične skale označavaju pune milimetre. Okretanjem bubnja za puni krug, on se pomakne za pola milimetra te je potrebno na nepomičnoj skali označiti i polovice milimetra (slika 8). Slika 8. Uvećani prikaz skale mikrometarskog vijka i primjeri očitanja Osnovna podjela mikrometarskih vijaka je s obzirom na način mjerenja (slika 9.): mikrometarski vijak za vanjska mjerenja (za mjerenje debljine žice, osovina, vanjskog promjera valjaka i cijevi) mikrometarski vijak dubinomjer (za mjerenje dubine utora ili navoja) mikrometarski vijak za unutarnja mjerenja (unutrašnji promjer cijevi ili ležaja) a) c) b) Slika 9. Podjela mikrometara prema načinu mjerenja: a) za vanjska mjerenja; b) mikrometar dubinomjer; c) za unutarnja mjerenja

6 6 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo Mjerni sat (mjerna ura, komparator) Mjerni sat (slika 10.) je precizno recizno mjerilo koje pokazuje odstupanje od mjere, a ne samu mjeru. Koristi se za mjerenje odstupanja od propisanih tolerancija pri serijskoj proizvodnji. Uređaji s točnošćuu 1/100 i 1/1000 mm. Često esto se kontroliraju odstupanja od oblika i položaja obradenih površina: kružnost, pravocrtnost, ravnost, paralelnost, okomitost, kružnost i ravnost vrtnje Drška komparatora je zglobno povezana sa stalkom, a stalak je s magnetskom stopicom za pričvršćenje na metalnu podlogu. podlogu Mehanizam ehanizam za pretvaranje pravocrtnog gibanja ticala u kružno gibanje kazaljke sastoji se od zupčanika zup i zubne letve. Mogu ogu biti mehanički, mehani optički, električni Slika 10. Mjerni sat komparator Od ostalih mjernih uređaja aja možemo navesti mjerna povećala, pove ala, mjerni mikroskop, profilni projektor, prostorni koordinatni mjerni uređaj... ure

7 7 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo 1.3) Kontrolni uređaji Namjenjeni su za brzu i točnu kontrolu u serijskoj i masovnoj proizvodnji te izradu zamjenjivih dijelova zbog njihova istrošenja u eksploataciji. Izrađuju se vrlo precizno da tolerancija izrade njihovih mjera ne bi utjecala na rezultate mjerenja. Razlikujemo kalibre, mjerne pločice etalone i mjerne listiće Kalibri Kalibre (slika 11.) koristimo za brze kontrole prema zadanim tolerancijama pri serijskoj proizvodnji. Dijele se prema namjeni na: kalibre za vanjske mjere (osovine i rukavce), za unutarnje mjere (provrte), navoje, konuse... Slika 11. Mjerni uređaji i kalibri u pogonu Kalibri za kontrolu vanjskih mjera (slika 12.) (račve, rašlje) Rašljasti kalibri koriste se za brzu kontrolu osovina s otvorima na oba kraja i oznakama odstupanja od upisane mjere. One određuju granice dozvoljenog odstupanja ili mjerne tolerancije. Kontrola je jednostavna i brza, a ne zahtijeva veća znanja. Strana Ide znači da stvarna mjera osovine nije veća od gornje dopuštene mjere, a strana Ne ide znači da je stvarna mjera osovine jednaka ili veća od donje dopuštene mjere. Postoje i podesive mjerne rašlje, kod kojih se pločice od tvrdog metala mogu mijenjati, a time se mijenjaju i tolerancije mjera, koje se kontroliraju. IDE NE IDE Slika 12. Kalibar za kontrolu vanjskih mjera, nazivne mjere 40 mm u tolerancijskom polju h i stupnja tolerancije 8 (0,000; -0,039)

8 8 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo Kalibri za kontrolu unutarnjih mjera (slika 12.) Kalibri s dvije strane za brzu kontrolu provrta s oznakama odstupanja od upisane mjere. Strana Ide znači da stvarna mjera provrta nije manja od donje dopuštene mjere, a strana Ne ide da stvarna mjera provrta nije veća od gornje dopuštene mjere. IDE NE IDE Slika 12. Kalibar za kontrolu unutarnjih mjera, nazivne mjere 40 mmm u tolerancijskom polju H i stupnja tolerancije 8 (0,000; +0,039) ø 40 H8 - veliko H provrti ø 40 h8 - malo h osovine (rukavci) Mjerne pločice (etaloni) Mjerne pločice (slika 13.) koriste se za precizno mjerenje i kontrolu mjernih instrumenata. Isporučuju se kao garniture, npr: 50 kom za područje mjerenja od 1 do 1,5 mm. One su čelične, kaljene, brušene, lepane i polirane do visokog sjaja s utisnutom mjerom debljine i stupnjem točnosti. Spajanjem mjernih pločica dobiju se željene dužine (stavljamo jednu pločicu na drugu). Da bi se zaštitile od djelovanja vlage i topline, uzimaju se pincetom ili kožnim rukavicama. Stupnjevi točnosti: 0 - visoka, za provjeru preciznih mjerila; I za mjerila uobičajenee točnosti; II za radionička mjerila; III za mjere u proizvodnji Mjerni listićii Slika 13. Mjerne pločice Snop mjernih listića (slika 14.) s označenim debljinama za provjeru zazora te odstupanja od pravocrtnosti i ravnosti obradenih površina. Koriste se na automobilima za provjeru zazora ventila ili za kontrolu zazora svjećica. Jedan tipičan snop mjernih listića ima listiće debljine: 0,95, 0,85, 0,75, 0,65, 0,55, 0,45, 0,35, 0,25, 0,15, 0,05, 0,10, 0,20, 0,30, 0,40, 0,50, 0,60, 0,70, 0,80, 0,90 i 1,,00 mm. Slika 14. Mjerni listići

9 9 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo 1.4) Mjerenje kuta Osim uobičajenih kutnika i kutomjera u strojarstvu se koriste: Kutnici Kutnici (slika 15.) čije mjerne plohe zatvaraju točan kut. Iste su tvrdoće i kvalitete obrade kao i etaloni za paralelne površine. S kompletom kutnika moguće je kontrolirati sve kutove od 0º - 90º s korakom 1. Za točno definiranje kuta potrebno je zbrajati i oduzimati više kutnika koji se uparuju Sinusno ravnalo Slika 15. Primjer zbrajanja i oduzimanja kutnika Sinusno ravnalo (slika 16.) služi za točno postavljanje kuta kod kontrolnika i steznih naprava. Sastoji se od ravnala i dva valjkasta kalibra s potpuno istim promjerima. Spojnica njihovih središta mora biti potpuno paralelna s rubom ravnala. Udaljenost između središta valjaka mora biti poznata i obično je mm. Zbog dobrog nalijeganja i točnih rezultata preporučuje se ispod valjaka postaviti mjerne pločice ili etalone. Kut se računa prema trigonometrijskoj funkciji sinusa kuta. Udaljenost između središta valjaka je hipotenuza, a okomiti razmak je nasuprotna kateta kutu u pravokutnom trokutu. Slika 16. Primjer postavljanja i mjerenja pomoću sinusnog ravnala

10 10 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo 1.5) Mjerenje temperature Termometar je instrument za mjerenje temperature. Osniva se na činjenici da se dva tijela dovode na istu ravnotežnu temperaturu pa je temperatura koju pokazuje ujedno i temperatura tijela s kojim je on u dodiru. Termometar ima dva važna dijela: - senzor (osjetilo), na kojem se zbiva neka fizikalna promjena vezana s promjenom temperature - konverziju fizikalne promjene u čitljivu vrijednost (npr. skala na živinom termometru). Termometrija rabi niz fenomena koji ovise o temperaturi, kao na primjer: povećanje volumena (termometar s kapljevinama), promjenu tlaka (plinski termometar) - ( C), povećanje duljine (metalni/kovinski/bimetalni termometar), električnog otpora (otporni termometar), promjenu termoelektričnoga napona (termoelement), intenziteta i vrste zračenja što ga neko tijelo emitira (pirometar). Vrste termometara: 1) Termometar s kapljevinama Termometar s kapljevinama (slika 17.) služi za mjerenje temperature u rasponu od približno -200 do 600 C. Mjere promjenu obujma kapljevine (alkohol, živa) promjenom temperature (vidljivu po promjeni visine stupca kapljevine u kapilari). Sastoji se od posudice s kapljevinom povezane s staklenom kapilarnom cijevi. Zbog većega toplinskog rastezanja kapljevine prema staklu, s rastom temperature podiže se razina kapljevine u graduiranoj kapilari. Kao kapljevina najčešće se rabi živa, a za niže temperature alkohol (koji se oboji radi lakšeg očitanja) i neki drugi organski spojevi. Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni. Krhki su i lako lomljivi, pa se njima treba pažljivo rukovati. Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima. Stabilni su i relativno jeftini. 2) Plinski termometar Mjerenje plinskim termometrom svodi se na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinske jednadžbe stanja idealnih plinova (pv=mrt) preračunaju u T(K) a iz toga u θ (ºC). Zbog svoje točnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara. Toplinska jednadžba stanja idealnih plinova: Slika 17. Živin termometar pv = MRT gdje je: p [Pa] - tlak T [K] - temperatura V [m 3 ] - volumen plina M [kg] - masa plina R [kj/kgk] - plinska konstantaa za određeni plin

11 11 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo 3) Bimetalni termometar Bimetalni termometar sastoji se od dviju uskih traka od različitih metala. Najčešće se koristi kombinacija invara i mjedi (materijali s malim i velikim koeficijentom temperaturnog širenja) Metalne trake čvrsto su priljubljene jedna uz drugu i savijene u spiralu na kraju koje se nalazi kazaljka. Kada se temperatura povećava, različito rastezanje dvaju metala uzrokuje izvijanje bimetalne trake, što se prenosi na kazaljku, a skala koja se nalazi iza kazaljke omogućuje nam očitanje temperature. Način mjerenja temperature na principu bimetala (slika 18.) Izrađen je bimetal kombinacijom bakra i željeza, metali sa malim i velikim koeficijentom širenja. Na slici je prikazana ravna bimetalna traka. Metali bakra i željeza spojeni su po dužini tako da imaju zajedničku plohu. Donji kraj trake je učvršćen za kučište instrumenta ili uređaja, a drugi kraj je slobodan i pomičan. Na referentnoj temperaturi To (sobna temperatura) obje su trake iste dužine. Povećanjem temperature traka sa većim koeficijentom širenja deformira se tako da pravi veći luk i obrnuto. Na taj način se pomak kraja bimetalne trake koristi kao mjerni signal, tj. pretvara se u pomak kazaljke termometra. Bimetalna traka Spajanje dva metala s različitim koeficijentom rastezanja sobna temperatura bakar željezo nepovezano spojeno spojeno na jednom kraju Slika 18. Način mjerenja temperature na principu bimetala 4) Otpornički termometri RTD (resistance temperature detectors) Otpornički termometri (slika 19.) imaju ugrađen otporni osjetilni element. Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora. Otpor se mjeri na dva načina: pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom, a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo. Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom, koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu, a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi. Preblem kod ovih termometara je samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 ma.

12 12 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo Slika 19. Shematski prikaz rada otporničkog termometra 5) Termoelementi (termoparovi) Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove te su sva bitna obilježja termometara određena samim svojstvima navedenih termoparova. Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji, a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature, nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini. Termopar se sastoji od dvije žice od različitih metala ili legura, spojene na jednom kraju. Princip rada termopara se zasniva na termoelektričnom efektu, koji je otkrio Thomas Johann Seebeck godine, te se naziva još i Seebeckov efekt. Termoelektrični efekt je pojava napona pri izlaganju provodnika (npr. metala) temperaturnom gradijentu. Izlazni signal (napon) pretvaramo u temperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara. Kada se spoj dva metala na termoparu izloži temperaturnom gradijentu, dolazi do razlike potencijala na otvorenom kraju kola. Kod mjerenja temperature termoparovima izlaznii signali napona su vrlo mali, reda veličine 10 3 [V]. Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl.) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr. od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona. Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava. Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala. Kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompenzacija referentne temperature (tj. temperature hladnog spoja). Slika 20. Termoelement

13 13 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo 6) Pirometar Mjerni instrument koji omogućuje nekontaktno mjerenje temperature tijela u uvjetima kada je potrebno npr. mjeriti temperaturu gibajućeg tijela ili tijela koje ima jako visoku temperaturu koja bi uništila ostale konvencionalne temperaturne senzore naziva se pirometar. Prednosti pirometara su da mogu mjeriti vrijednosti temperatura neovisno o udaljenosti tijela kojeg se mjeri. Toplinsko zračenje tijela pada na temperaturni senzor pirometra, a to su najčešće serijski spojeni termoparovi, koji se zovu još i termoćelije (engl. thermopile). Riječ pirometar dolazi od grčkih riječi pyro, što znači vatra i meter, što znači mjerenje. Pirometri za mjerenje visokih temperatura iznad 600 C ne koriste pojavu prijelaza topline nego isijavanje topline s mjerenog medija mjesta. Kada se neko tijelo zagrijava ono zrači elektromagnetsku energiju (toplinsko zračenje). Pri niskim temperaturamaa zračenje se može osjetiti, a pri višim temperaturama tijelo počinje emitirati i vidljivo zračenjee u obliku svjetlosti (koja se mijenja od crvenee za tijelo niže temperature, pa do bijelee za tijelo visoke temperature). Ovakvo zračenjee može se iskoristiti za mjerenje temperaturee toga tijela pomoću pirometra. Postoje dvije vrste pirometara (slika 21.) : 1) radijacijski pirometar svjetlost s užarenog predmeta prolazi kroz objektiv i fokusira se na zavarenom mjestu termoelementa. Grijanjem spojnog mjesta termoelementa na njegovim slobodnim krajevima će poteći struja i zakrenuti kazaljku milivoltmetra. 2) optički pirometar uspoređuje se boja žarne niti s bojom izvora svjetlosti. Instrument se usmjeri prema užarenom tijelu, a kroz žarnu nit se propušta struja. Boja žarne niti ovisi o naponu struje koja prolazi njome, a regulacija se obavlja potenciometrom. Kad se izjednači boja žarne niti s bojom užarenog tijela, kazaljka pokazuje temperaturu tijela. a) b) Slika 21. Princip rada pirometra: a) radijacijski; b) optički Postoji nekoliko temperaturnih skala (slika 22.): - celzijus - C - Farenheit F termodinamička temperatura 1 K = 1 C T K = υºc Réaumurova - R 0 C = 0 R 100 C = 80 R Slika 22. Usporedba temperaturnih skala i karakterističnih temperatura

14 14 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo 1.6) Mjerenje tlakova Tlak je definiran djelovanjem sile na jedinicu površine. Silom na neku površinu mogu djelovati kruto tijelo, tekućine ili plinovi. Kod plinova i tekućina molekule međusobno djeluju istim tlakom pod kojim se nalazi čitava masa ili dio plina. U plinovima i tekućinama tlak djeluje u svim smjerovima jednakim intezitetom, dok kod krutih tijela tlak definiramo kao omjer sila međusobnog djelovanja u smjeru normale na dodirnu površinu i veličine same površine. U proračunima je važno pripaziti da li se tlak iskazuje kao apsolutni ili relativni, iskazan najčešće u odnosu na tlak okoline (barometarski tlak). Ako je promatrani tlak veći od barometarskog, njihovu razliku zovemo pretlak, a ako je manji njihovu razliku zovemo podtlakom ili vakuumom. Apsolutna nul-crta predstavlja nepostojanje bilo kakvog tlaka (apsolutni vakuum). - apsolutni tlak veličina tlaka mjerena od apsolutnog vakuuma - mjerimo ga barometrom - predtlak (nadtlak) pokazuje koliko je apsolutni tlak veći od okolnog (barometarskog) tlaka p p = p a - p 0 - okolni tlak - (p 0 = 1bar) - podtlak (vakuum) pokazuje koliko je apsolutni tlak manji od barometarskog p v = p 0 p a P p P v okolni tlak p a P 0 p a P 0 aps. vakuum Za mjerenje apsolutnog tlaka koristimo barometar, dok za mjerenje predtlaka i podtlaka koristimo manometre. Mjerenje tlaka u većini slučaja svodi se na mjerenje pomaka osjetnog elementa. Uslijed razlike tlakova dolazi do pomaka osjetnog elementa (membrana, mijeh, spiralna cijev) koji se može detektirati pretvornikom pomaka. Postoje i mjerni osjetnici tlaka kod kojih se mjerenje svodi na mjerenje promjene narinutog napona na mjerni osjetnik ili promjene jakosti električne struje uslijed promjene otpora koja nastaje kao posljedica promjene naprezanja u osjetnom elementu. Takvi osjetnici su tenzometarske trake i piezootpornici. 1) Barometri (slika 23.) Namijenjeni su prvenstveno za određivanje tlaka zraka okoline. Konstrukcije barometra mogu biti različite, no najčešće se upotrebljavaju membranski barometar i U cijev. Kao tekućina za barometre se upotrebljava živa, jer je njezina gustoća tako velika da cijev može biti kratka, a tlak zasićenja živinih para je kod normalnih temperatura tako malen da ga možemo zanemariti. Zbog toga su barometri vrlo točni. Barometar se sastoji od staklene cijevi koja je na vrhu zatvorena, te je donjim krajem otvorena i uronjena u kapljevinu izloženu atmosferskom tlaku. Drugi kraj je zatvoren i potpuno evakuiran (stopostotni vakuum). Kapljevina u cijevi će se popeti do stanovite visine jer su u cijevi ostale samo pare kapljevine. Budući da na slobodnu kapljevinu djeluje atmosferski tlak, morat će se u cijevi na istoj razini vladati isti tlak, koji drži ravnotežu težini stupca kapljevine.

15 15 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo Slika 23. Barometar 2) Piezometar Piezometar (slika 24.) spada u najjednostavnije uređaje za mjerenje tlaka. To je na posudu priključena gore otvorena cjevčica u kojoj će se kapljevina popeti do određene visine. Zanima li nas tlak u bilo kojoj točki posude, izmjeriti ćemo visinu stupca kapljevinee do te točke. Slika 24. Piezometar 3) Manometar s U-cijevii - (Luksov manometar) Manometar s U-cijevi (slika 25.) služi za mjerenje niskih tlakova, a sastoji se od staklene cijevi ispunjene tekućinom u obliku slova U koja je do određene visine ispunjena tekućinom (voda, živa ili alkohol). Jedan kraj te cijevi spojen je s prostorom u kojem mjerimo tlak, dok drugi kraj ostaje otvoren pod djelovanjem atmosferskog tlaka. Mjerenje se svodi na mjerenje visine stupca tekućine u cijevii koji svojom težinom drži ravnotežu mjerenom tlaku. Razlika u odnosu na piezometar je da se mjerenje može provesti i na većim udaljenostima. Slika 25. Tekućinski manometar s U-cijevi

16 16 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo 4) Manometar s burdonovom cijevi (slika 24.) Burdonova cijev je metalna cijev savijena u polukrug, jednim krajem pričvršćena za kutiju instrumenta, a drugi je kraj slobodan. Pod djelovanjem tlaka cijev se nastoji ispraviti, pa se gibanje njezina slobodna kraja, pomoću mehanizma, prenosi na kazaljku. Kazaljka pokazuje veličinu tlaka. Ovi tipovi tlakomjera najčešće se koriste za tlakove od 0 do100 bar i u temperaturnom rasponu od -25ºC do 80ºC. Slika 24. Manometar s burdonovom cijevi 5) Manometar s membranom (Schaefferov manometar) (slika 25..) Memebrana od valovitog lima reagira na tlak. S povećanjem tlaka membrana se rasteže, odiže, a pri smanjenju tlaka zbog elastičnosti se vraća u prvobitni položaj. Ovi instrumenti su za manja područja mjerenja točniji od onih s Burdonovom cijevi. Slika 25. Manometar s membranom 6) Mikromanometar (slika 26.) Mikromanometar ili kosocijevni manometar služi kao prijenosni instrument za mjerenje malih razlika tlakova (uzgon u dimnjaku, tlak malih aksijalnih ventilatora i dr.).. Koristi se za vrlo točna mjerenja. Na slici 26. se nalazi kosocijevni manometar kod kojeg se smanjivanjem kuta α povećava duljina stupca zaporne tekućine (a time i točnost očitanja) pri tlaku koji odgovara visini zaporne tekućine h. Slika 26. Mikromanometar

17 17 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo 7) Prstenasta vaga (slika 27.) Prstenasta vaga se uglavnom koristi za mjerenje malih razlika tlakova. U prstenastom bubnju nalazi se zaporna tekućina, dok se točka oslona nalazi iznad težišta prstena Ako na jednoj strani vlada pretlak, pomiče se tekućina i nastaje zakretni moment koji zakreće kazaljku instrumenta. Ako tlak ne djeluje, prsten se vraća u ravnotežni položaj. Mjerena razlika tlaka je proporcionalna sinusu kuta zakreta kazaljke. Slika 27. Prstenasta vaga Općenito se može reći da su tlakomjeri (manometri) koji rade na principu razlika hidrostatskog tlaka mjernog fluida (tekućine) kod kojih je poznata gustoća tj. kod kojih se tlak mjeri kao razlika visine stupca mjernog fluida spadaju u najpouzdanije i najpreciznije instrumente za mjerenje tlaka. Mjerna tekućina mora imati svojstva konzistentnosti i formiranja meniskusa pogodnog izgleda da u mjernoj, baždarenoj cjevčici s dovoljnom točnošću možem očitati vrijednost mjerenog tlaka i da je to očitanje ponovljivo za isti mjereni tlak. Ovisno o rasponu mjerenja za koji je predviđen manometer stavljaju se mjerne tekućine različitih gustoća Živa na primjer ima 13,6 puta veću gustoću od vode, što znači da će za isti mjereni tlak nivo stupca vode biti viši za 13,6 puta. Iz toga proizlazi da je za manometre koji rade u manjim mjernim područjima pogodnije koristiti mjerne tekućine manje gustoće. Takvi manometri će biti osjetljiviji i precizniji. Kao mjerna tekućina u navedenim tlakomjerima obično se koristi živa, voda sa aditivima fluorescentne boje koji poboljšavaju konzistentnost, olakšavaju preciznije očitavanje vrijednosti na skali i sa pažljivo određenom specifičnom gustoćom nastale tekućine, također se koriste posebna stabilna bazna ulja (derivati nafte), sa pažljivo određenom gustoćom, koja imaju odličnu vidljivost meniskusa sa mogućnošću vrlo preciznog očitanja vrijednosti i sa odličnom konzistentnošću. S tlakomjerima koji rade na opisanom principu može se provjeravati točnost ostalih tlakomjera kod baždarenja.

18 18 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo 1.7) Mjerenje sile Sila je vektorska veličina, u mehanici i tehnici jedna od osnovnih i najvažnijih veličina koje treba mjeriti i kontrolirati. Određena je pravcem djelovanja, veličinom (modulom, intenzitetom), smjerom te hvatištem. Djelovanjem sile dolazi do deformacije. Deformacija se može mjeriti, pa nakon toga izračunati sila. Takav način određivanjaa sile je indirektni postupak. Direktnim mjerenjem može se odrediti vrijednost sile. Uređaji kojima se provodi direktno mjerenje sile zovu se dinamometri. Direktno mjerenje sile ostvaruje se specijalnim uređajima koji se zovu dinamometri. Rad dinamometara može biti zasnovan na različitim principima. Dinamometri prema principu rada mogu biti mehanički, električni, hidraulični, pneumatski. Za mjerenje sile mogu se koristiti različite vrste pretvarača, a najčešće: tenzometraske mjerne trake, induktivni pretvarači, kapacitivni pretvarači, piezoelektrični pretvarači. Mehanički dinamometri Ravnoteža se kod mehaničkihh vaga (slika 28.) uspostavlja putem jednakosti momenata. Sila i njeno djelovanje na jednom kraku se izjednačuju sa silom koja djeluje na drugom kraku. Na ovaj način se vrši vaganje odnosno direktno određivanje sile na drugom poznatom kraku. mjerna skala utezi konstantni protuuteg nepoznata masa Slika 28. Mehanički dinamometar (vaga) Mehanički elastični članovi su opruge koje pretvaraju silu - masu u elastičnu deformaciju opruge ili elastičnog prstena (slika 29.). Spiralne opruge vrlo su točne te ponekad služe za baždarenje drugih vrsta dinamometara, a koriste se na kidalicama. Kod prstenastih dinamometara sila se mjeri na način da se elastični element izloži sili, nakon čega se promatra elastična deformacijaa elementa na mjernom satu dinamometra. a) b) Slika 29. Mehaničkii elastični dinamometri: a) prstenasti; b) s oprugom

19 19 Šumarski fakultet Drvna tehnologija - Drvnoindustrijsko strojarstvo Za mjerenje sila gotovo isključivo se koriste električni dinamometri. Mjerenje sila električnim dinamometrima se svodi na mjerenje deformacija mjernim trakama na štapu ili prstenu opterećenom silama istezanjaa ili pritiska. Da bi se povećala osjetljivost pri mjerenju malih vrijednosti sila, dinamometar se izrađuje u obliku prstena, a mjerne trake povezuju u most. Pri konstrukciji dinamometra štap ili prsten treba da budu tako dimenzionirani da ostanu u elastičnom području. Najvažnija osobina je krutost elastičnog elementa. Hidraulički dinamometri nestlačivost tekućina koristi se za mjerenje sile pri čemu je rad s ovim dinamometrom miran, tih i pouzdan. Kondenzatorski dinamometri kod njih deformacijom pojedinih dijelova dinamometra dolazi do promjene kapaciteta kondenzatora koji je proporcionalan sili deformacije. Tenzometarska traka (slika 30.) djelovanjem sile smanji se presjek trake, a otpor je veći i obrnuto. tenzometar - izvor struje Slika 30. Tenzometarska traka Piezoelektrični dinamometri (slika 31.) - su aktivna osjetila čiji se rad temelji na piezoelektričkoj pojavi. Princip se temelji na povratnoj povezanosti mehaničke veličine (deformacija, naprezanje) i električne veličine (naboj i jakost električkog polja). Primjenom sile F nastaje deformacija i pojava raznoimenih naboja na dvjema njegovim suprotnim plohama. Slika 31. Piezoelektrični dinamometar