ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΑΜΘ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΟΔΩΡΟΣ ΠΑΧΙΔΗΣ ΡΑΔΙΟΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ ΔΙΔΑΚΤΩΡ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΥ Δ.Π.Θ. ΜΕ ΕΙΔΙΚΟΤΗΤΑ ΣΤΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ ΚΑΙ ΤΗΝ ΤΕΧΝΗΤΗ ΟΡΑΣΗ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 013

2

3 1 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΜΕ ΣΩΛΗΝΑ BOURDON

4

5 ΑΣΚΗΣΗ 1 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΜΕ ΣΩΛΗΝΑ BOURDON ΘΕΩΡΙΑ Εισαγωγή Η μελέτη της συμπεριφοράς των ρευστών είναι συνυφασμένη με την πίεση που επικρατεί στη μάζα τους. Όταν ένα ρευστό βρίσκεται σε ηρεμία η πίεση που ασκείται σε αυτό οφείλεται στη βαρύτητα και ονομάζεται υδροστατική πίεση, ενώ όταν κινείται, εκτός από την υδροστατική πίεση, μπορεί να ασκείται σε αυτό πίεση που οφείλεται σε άλλες πηγές. Γενικά η πίεση ορίζεται ως το πηλίκο της δύναμης που ασκείται κάθετα σε μία επιφάνεια. Όταν η πίεση αυτή είναι ομοιόμορφη σε όλη την επιφάνεια τότε η σχέση που παρέχει την πίεση δίνεται από την (1.1): F P (1.1) A Η υδροστατική πίεση που ασκείται σε ένα ρευστό που ηρεμεί, σε ένα σημείο της μάζας του, δίνεται από τη σχέση (1.): P ρ g h P εξ. (1.) Όπου: ρ η πυκνότητα του υγρού (στο SI Kg / m 3 ), g η επιτάχυνση της βαρύτητας (στο SI m / s ), h η απόσταση από την ελεύθερη επιφάνεια (στο SI m), και P εξ. η πίεση που ασκείται από άλλες πηγές στην ελεύθερη επιφάνεια του υγρού (συνήθως η ατμοσφαιρική πίεση). Στο Διεθνές Σύστημα η μονάδα της δύναμης F είναι το Nt, της επιφάνειας A το m και συνεπώς της πίεσης P το Nt / m. 1 Pa (Pascal) = 1 Nt / m. Άλλες πρακτικές μονάδες μέτρησης της πίεσης είναι οι εξής: 1 bar = 10 5 Nt / m = 1,0197 Kp / cm = 14,503 psi = 10,197 m HO = 750,061 mm Hg. Για τη μέτρηση της πίεσης διατίθεται στο εμπόριο ένα σημαντικό πλήθος από διαφορετικούς μετρητές πίεσης (gauge pressure). Όταν πρόκειται να μετρηθεί η πίεση κάποιου υγρού, οι τιμές της είναι σημαντικά μεγαλύτερες από την ατμοσφαιρική πίεση. Επίσης, η πίεση ενός αερίου μπορεί να είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη της ατμοσφαιρικής πίεσης ενώ η συμπεριφορά του είναι εντελώς διαφορετική από αυτή των υγρών. Συνεπώς είναι κατανοητό ότι υπάρχουν πολλές περιοχές τιμών μετρήσεων και απαιτείται η χρήση διαφορετικών μετρητών πίεσης για τη μέτρηση των διαφορετικών κατηγοριών πίεσης (απόλυτη, σχετική, διαφορική). Οι περισσότεροι αισθητήρες πίεσης απαιτούν βαθμονόμηση. Για αισθητήρες υψηλής ακρίβειας, θα πρέπει ο κατασκευαστής να καταβάλει ειδική μέριμνα και επιπλέον να παραδώσει ένα πιστοποιητικό βαθμονόμησης στον αγοραστή, που να αναφέρεται στο συγκεκριμένο αισθητήρα πίεσης. Η βαθμονόμηση μπορεί να αλλάξει με το χρόνο και έτσι απαιτείται περιοδική επανάληψη της διαδικασίας βαθμονόμησης. Για την επίτευξη της υψηλότερης δυνατής ακρίβειας, πολλοί αισθητήρες πίεσης βαθμονομούνται πριν από κάθε χρήση τους. Οι μετρητές πίεσης ρευστών γενικά μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κατηγορίες. Αυτές είναι: Τα μανόμετρα υγρού. Ο όρος μανόμετρο τεχνικά περιγράφει οποιαδήποτε συσκευή μετράει πίεση. Ωστόσο χρησιμοποιείται συνήθως σε μετρητές που παρέχουν μεταβολές πίεσης με τη βοήθεια ενός υγρού σε ένα σωλήνα. Στα μανόμετρα υγρού ανήκουν τα μανόμετρα υοειδούς σωλήνα και τα μανόμετρα κεκλιμένου σωλήνα. Τα βαρόμετρα. Τα βαρόμετρα είναι αισθητήρες πίεσης που χρησιμοποιούνται στη μέτρηση μόνο της ατμοσφαιρικής πίεσης. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα βαρόμετρα υγρού και τα μεταλλικά βαρόμετρα. Οι ελαστικοί αισθητήρες πίεσης. Ονομάζονται έτσι επειδή κάποιο τμήμα τους μπορεί να καμφθεί, να τεντωθεί ή παροδικά να παραμορφωθεί όταν εφαρμόζεται σε αυτό μία πίεση. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι μετρητές πίεσης με σωλήνα Bourdon, οι φυσητήρες, οι χωρητικοί 1.1

6 ΑΣΚΗΣΗ 1 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΜΕ ΣΩΛΗΝΑ BOURDON αισθητήρες πίεσης, οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες πίεσης, οι αισθητήρες πίεσης με πιεζοαντίσταση και οι μετρητές μηχανικής τάσης. Στο Σχήμα 1.1 φαίνονται διάφορα είδη από ελαστικούς αισθητήρες πίεσης. Σχήμα 1.1 Διάφορα είδη από ελαστικούς αισθητήρες πίεσης. Μετρητής Πίεσης με Σωλήνα Bourdon Ο μετρητής πίεσης με σωλήνα Bourdon (Bourdon tube pressure gauge) έχει ονομαστεί προς τιμή του Eugene Bourdon και είναι πιθανά ο πιο δημοφιλής μετρητής πίεσης. Οι σωλήνες Bourdon κατασκευάζονται στην απλούστερη περίπτωση από μεταλλικά κράματα, όπως είναι ο ανοξείδωτος χάλυβας και ο ορείχαλκος. Αποτελούνται από ένα σωλήνα με ελλειπτική ή οβάλ διατομή, που είναι σφραγισμένος στο ένα του άκρο. Υπάρχουν διάφορες μορφές σωλήνων Bourdon, όπως είναι ο ελικοειδής, ο σπειροειδής και ο συνεστραμμένος (Σχήμα 1.1). Μία συνηθισμένη μορφή είναι ο σωλήνας σχήματος C, που απεικονίζεται στο Σχήμα 1.. Σχήμα 1. Σωλήνας Bourdon σχήματος C και τυπικές διατομές σωλήνων. Εδώ ο σωλήνας ευρίσκεται σε ατμοσφαιρική πίεση. Όταν εφαρμοστεί στο ανοικτό άκρο κάποια αυξημένη πίεση, τότε ο σωλήνας αποκλίνει προς τα έξω, δηλαδή τείνει να ευθυγραμμιστεί, ανάλογα με την πίεση που υπάρχει στο εσωτερικό του (καθώς έξω από το σωλήνα επικρατεί ατμοσφαιρική πίεση). Καθώς η πίεση μειώνεται, ο σωλήνας αρχίζει να επανέρχεται στην αρχική 1.

7 ΑΣΚΗΣΗ 1 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΜΕ ΣΩΛΗΝΑ BOURDON του θέση, που αντιστοιχεί σε πίεση ίση με την ατμοσφαιρική. Το ποσό κατά το οποίο μετακινείται ο σωλήνας για κάποια δεδομένη εξωτερική πίεση εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως είναι το υλικό, το σχήμα, το πάχος και το μήκος του. Σε σύγκριση με άλλους ελαστικούς αισθητήρες πίεσης, οι αποκλίσεις που επιτυγχάνονται με τους σωλήνες Bourdon είναι μεγάλες. Η μορφή του μετρητή πίεσης με σωλήνα Bourdon παρουσιάζεται στο Σχήμα 1.3. Αυτός αποτελείται από ένα σωλήνα Bourdon που συνδέεται με μία ενδεικτική βελόνα. Η βελόνα μετακινείται επάνω σε μία βαθμονομημένη κλίμακα. Όταν εφαρμόζεται κάποια πίεση, η κίνηση του σωλήνα είναι σχετικά μικρή και έτσι για να αυξηθεί η απόκλιση της βελόνας πραγματοποιείται μηχανική ενίσχυση. Αυτό γίνεται με τη βοήθεια ενός συνδετικού μηχανισμού, ο οποίος αποτελείται από ένα σύστημα βραχίονα, τόξου και οδοντωτού τροχού. Σχήμα 1.3 Μετρητής πίεσης με σωλήνα Bourdon. Σχήμα 1.4 Σύνδεση ενός σωλήνα Bourdon με LVDT. Οι σωλήνες Bourdon πρέπει να έχουν κάποιας μορφής αντιστάθμιση για τη θερμοκρασία, καθώς οι αλλαγές θερμοκρασίας επηρεάζουν την ακρίβειά τους. Στην περίπτωση μετρήσεων από απόσταση, η μετατόπιση που υφίσταται ο σωλήνας Bourdon λόγω αλλαγών πίεσης μπορεί να ανιχνευθεί από κάποιον κατάλληλο αισθητήρα μετατόπισης. Στο Σχήμα 1.4 παρουσιάζεται ο τρόπος με τον οποίο μπορεί να συνδεθεί ένας σωλήνας Bourdon με ένα γραμμικό μεταβλητό διαφορικό μετασχηματιστή 1.3

8 ΑΣΚΗΣΗ 1 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΜΕ ΣΩΛΗΝΑ BOURDON (LVDT). Τα LVDTs αποτελούν αισθητήρες μέτρησης της μετατόπισης. Το LVDT μετατρέπει τη μετατόπιση που παράγει ο σωλήνας Bourdon σε ηλεκτρικό σήμα. Το σήμα αυτό μπορεί να απεικονιστεί σε μία οθόνη ή να καταγραφεί από μία ηλεκτρική συσκευή που είναι βαθμονομημένη σε μονάδες πίεσης. Τα LVDTs θα μελετηθούν αναλυτικά σε άλλη εργαστηριακή άσκηση. Μερικές μορφές μετρητών πίεσης με σωλήνα Bourdon τείνουν να είναι σχετικά φθηνές, επειδή παράγονται μαζικά και έτσι έχουν μειωμένο κόστος παραγωγής. Είναι κατάλληλοι για χρήση σε υγρά και αέρια και χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών, βιομηχανικών και οικιακών. Οι εφαρμογές εκτείνονται από τους αισθητήρες πίεσης στα ελαστικά των αυτοκινήτων, στη μέτρηση της πίεσης σε εργαλεία και μηχανήματα που ελέγχονται από πνευματικά συστήματα, έως τον έλεγχο της πίεσης στις σωληνώσεις χημικών εργοστασίων. Οι σωλήνες Bourdon τύπου C χρησιμοποιούνται κυρίως για πιέσεις μέχρι Κp / cm ενώ οι σπειροειδείς και οι συνεστραμμένοι σωλήνες χρησιμοποιούνται κυρίως για πιέσεις μέχρι 100 Κp / cm. Όπως συμβαίνει σε ένα πλήθος οργάνων και μετρητών, έτσι και στους μετρητές με σωλήνες Bourdon συμβαίνει το φαινόμενο της υστέρησης. Σύμφωνα με το φαινόμενο αυτό η έξοδος του οργάνου μέτρησης διαφέρει όταν η κατεύθυνση της μεταβολής της εισόδου αντιστραφεί. Προκαλείται από διάφορους παράγοντες και ιδιαίτερα τη μηχανική τάση και την τριβή. Στο Σχήμα 1.5 φαίνεται η μορφή ενός διαγράμματος υστέρησης για κάποιο μέγεθος. ΕΞΟ ΟΣ Μείωση της τιμής της μετρούμενης ποσότητας Μέγιστο σφάλμα υστέρησης Αύξηση της τιμής της μετρούμενης ποσότητας ΕΙΣΟ ΟΣ Σχήμα 1.5 Διάγραμμα στο οποίο φαίνεται το φαινόμενο της υστέρησης. ΒΑΡΗ ΠΙΣΤΟΝΙ ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΗ ΜΕΤΡΗΤΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΜΕ ΣΩΛΗΝΑ BOURDON ΚΥΛΙΝ ΡΟΣ Σχήμα 1.6 Διάταξη μέτρησης πίεσης με τον μετρητή πίεσης με σωλήνα Bourdon (Μανόμετρο Bourdon). 1.4

9 ΑΣΚΗΣΗ 1 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΜΕ ΣΩΛΗΝΑ BOURDON Ο διάταξη με σωλήνα Bourdon (μανόμετρο Bourdon) μετράει τη σχετική πίεση (Σχήμα 1.6). Το βάρος τοποθετείται επάνω στο πιστόνι, το οποίο πιέζει το νερό ή το λάδι που βρίσκεται μέσα στον κύλινδρο. Το νερό ή το λάδι του κυλίνδρου μεταφέρει μέσω ενός σωλήνα την πίεση στο σωλήνα Bourdon τύπου C που είναι ένα μεταλλικό τόξο 70 ο οβάλ διατομής και από εκεί στο δείκτη της κλίμακας ένδειξης της σχετικής πίεσης. Για τον υπολογισμό της πραγματικής πίεσης που ασκείται στο μανόμετρο και οφείλεται στη μάζα Μ kg που προστίθεται στο πιστόνι (συμπεριλαμβάνεται και η μάζα του πιστονιού) χρησιμοποιείται η σχέση (1.3): M KN P 10 (1.3) A m όπου Α είναι η επιφάνεια του πιστονιού σε m. Η μέση τιμή κάποιου μεγέθους Μ υπολογίζεται από τη σχέση (1.4): N 1 M M Μ έση M i (1.4) N ι1 Η τυπική απόκλιση (standard deviation, s) για ένα μέγεθος Μ, μιας σειράς Ν μετρήσεων υπολογίζεται από τη σχέση (1.5): N M M i (1.5) i1 s N Τέλος το % σφάλμα (e%) της μετρούμενης από την πραγματική τιμή για κάποιο μέγεθος Μ υπολογίζεται από τη σχέση (1.6): M Πραγματική M Μετρούμενη e% 100 % (1.6) M Πραγματική 1.5

10 ΑΣΚΗΣΗ 1 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΜΕ ΣΩΛΗΝΑ BOURDON ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Σκοπός Ο σκοπός της άσκησης αυτής είναι να γνωρίσει ο σπουδαστής έναν από τους περισσότερο χρησιμοποιούμενους στη βιομηχανία μετρητές πίεσης, τον μετρητή με σωλήνα Bourdon και να μάθει με πιο τρόπο θα μπορεί αξιόπιστα να τον βαθμονομεί. Απαιτούμενα Υλικά Είδος Ποσότητα Είδος Ποσότητα Μανόμετρο Bourdon 1 Πρότυπα βάρη Kgr 4 Πρότυπα βάρη 0.5 Kgr Δοχείο με λάδι μηχανής 1 Πρότυπα βάρη 1 Kgr 4 Χαρτί κουζίνας ή πανιά καθαριότ. 1 Διάταξη (α) (β) (γ) Σχήμα 1.7 α) Το μανόμετρο μέτρησης πίεσης με το σωλήνα Bourdon του εργαστηρίου. β) Ετικέτα επάνω στο συγκεκριμένο όργανο του εργαστηρίου με τα χαρακτηριστικά μεγέθη του οργάνου. γ) Τυποποιημένα βάρη 0,5, 1, και Kgr που χρησιμοποιούνται κατά τη διάρκεια της άσκησης. Πορεία Εργασίας 1. Αφαιρέστε προσεκτικά το πιστόνι από τη διάταξη.. Προσθέστε προσεκτικά στον κύλινδρο την απαραίτητη ποσότητα λαδιού έτσι ώστε να γεμίσει χωρίς όμως να δημιουργηθεί υπερχείλιση. 3. Αφαιρέστε με προσοχή τον αέρα από τον διαφανή σωλήνα με ελαφρύ κτύπημα της διάταξης. 4. Τοποθετείστε το πιστόνι στον κύλινδρο και περιμένετε ώστε να λάβει την τελική του θέση. Ο 1.6

11 ΑΣΚΗΣΗ 1 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΜΕ ΣΩΛΗΝΑ BOURDON κύλινδρος πρέπει να είναι κάθετα τοποθετημένος. 5. Τοποθετείστε σταδιακά τις πρότυπες μάζες με μεγάλη προσοχή και όχι απότομα με μέγιστη τιμή τα 3,7 kgr. Η σχετική πίεση του οργάνου μετριέται και καταγράφεται καθώς προσθέτετε σταδιακά τις μάζες. Καταγράψτε τις αντίστοιχες μάζες που τοποθετείτε στον πίνακα 1 στην 1 η στήλη ενώ στη η στήλη τη συνολική μάζα που υπάρχει επάνω στο πιστόνι. ΠΡΟΣΟΧΗ!!! Για να αποτρέψετε το κόλλημα του πιστονιού, το περιστρέφετε απαλά κάθε φορά που προσθέτετε μια καινούρια μάζα. 6. Μετά την τοποθέτηση των μαζών, αφαιρέστε τις προσεκτικά καταγράφοντας και πάλι τις μετρήσεις σχετικής πίεσης, τη μάζα που τοποθετείτε και τη συνολική μάζα στον Πίνακα. 7. Επαναλάβατε τη διαδικασία πρόσθεσης και αφαίρεσης μαζών πέντε φορές συνολικά και συμπληρώστε τους Πίνακες 1 και (βήματα 5 και 6). 8. Υπολογίστε τη μέση τιμή της σχετικής μετρούμενης πίεσης ( PΜ έ ση P ) για κάθε μάζα που τοποθετήσατε κατά την αύξηση και κατά τη μείωση της σχετικής πίεσης από τη σχέση (1.4) και συμπληρώστε τις αντίστοιχες στήλες. 9. Υπολογίστε την τυπική απόκλιση (standard deviation, s) από τη σχέση (1.5) και συμπληρώστε επίσης τις αντίστοιχες στήλες. 10. Υπολογίστε το % σφάλμα (e%) της σχετικής μετρούμενης πίεσης (της μέσης τιμής) από τη σχέση (1.6) και συμπληρώστε επίσης τις αντίστοιχες στήλες. 11. Σχεδιάστε την καμπύλη ρύθμισης της σχετικής μετρούμενης πίεσης ( PΜ έ ση P ) ως προς τη πραγματική πίεση κατά την αύξηση και κατά τη μείωση της πίεσης. 1. Σχεδιάστε την καμπύλη του % σφάλματος (e%) της σχετικής μετρούμενης πίεσης (της μέσης τιμής) ως προς τη πραγματική πίεση κατά την αύξηση και κατά τη μείωση της πίεσης. 13. Σχεδιάστε την καμπύλη της τυπικής απόκλισης (s) ως προς τη πραγματική πίεση κατά την αύξηση και κατά τη μείωση της πίεσης. Παρατηρήσεις Η πλήρωση με νερό ή λάδι του κυλίνδρου πρέπει να γίνεται με ιδιαίτερη προσοχή ώστε να μην υπάρχουν φυσαλίδες. Τότε μόνο θα είναι δυνατή η αξιόπιστη μέτρηση του οργάνου (μετρήσεις με μικρές αποκλίσεις). Ο αέρας που πιθανόν θα απομείνει στο εσωτερικό του σωλήνα με τη μορφή φυσαλίδων είναι συμπιεστός και προκαλεί λανθασμένες ενδείξεις στο όργανο. Με τη βοήθεια μιας βίδας που υπάρχει στο κάτω μέρος του οργάνου αφαιρούνται οι τυχόν φυσαλίδες. Ακόμα τα βάρη πρέπει να τοποθετούνται με μεγάλη προσοχή από τον σπουδαστή διότι χτυπήματα και κραδασμοί οδηγούν σε λανθασμένες ενδείξεις στην πρότυπη διάταξη Bourdon. Επίσης, η σχετική διαδικασία της τοποθέτησης και της αφαίρεσης των μαζών πρέπει να γίνεται σχετικά γρήγορα και με σταθερό ρυθμό. Στην καταγραφή των καμπυλών ρύθμισης θα παρατηρήσετε ότι η καμπύλη κατά την αύξηση της εισόδου δεν συμπίπτει με την καμπύλη ρύθμισης κατά την μείωση της εισόδου λόγω του φαινομένου της υστέρησης. Ερωτήσεις Ασκήσεις Που πιστεύετε ότι οφείλονται τα σφάλματα στις μετρήσεις; Πότε είναι μεγαλύτερα; Με ποιο τρόπο μπορούν να διορθωθούν; Σχολιάστε τις διαταραχές και την επαναληπτικότητα των μετρήσεών σας. Ορίστε τι είναι η υστέρηση και πως σχετίζεται με τις καμπύλες που σχεδιάσατε. Εξηγείστε πως λειτουργεί ο σωλήνας Bourdon τύπου C. Τι τιμές μπορεί να μετρήσει ένας μετρητής με σωλήνα Bourdon τύπου C; 1.7

12 ΑΣΚΗΣΗ 1 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΜΕ ΣΩΛΗΝΑ BOURDON ΠΙΝΑΚΑΣ 1 Αυξανόμενη Πίεση Προστιθέμενη μάζα (Kgr) Ολική μάζα (Μ, Kgr) Πραγματική Πίεση (P, KN / m ) Σχετική Πίεση Οργάνου (P, KN/m ) 1 η Σειρά η Σειρά 3 η Σειρά 4 η Σειρά 5 η Σειρά Μέση Τιμή Τυπική Απόκλιση Σχετικής Πίεσης (s, KN / m ) % Σφάλμα (e%) 0 1 ΠΙΝΑΚΑΣ Μειούμενη Πίεση Αφαιρούμενη μάζα (Kgr) Ολική μάζα (Μ, Kgr) Πραγματική Πίεση (P, KN / m ) Σχετική Πίεση Οργάνου (P, KN/m ) 1 η Σειρά η Σειρά 3 η Σειρά 4 η Σειρά 5 η Σειρά Μέση Τιμή Τυπική Απόκλιση Σχετικής Πίεσης (s, KN / m ) % Σφάλμα (e%) 0 Γραπτή Εργασία Θα περιλαμβάνει α) σύντομη θεωρία, β) τους πίνακες 1 και συμπληρωμένους γ) τα τρία διαγράμματα και δ) τις απαντήσεις στις ερωτήσεις της άσκησης. 1.8

13 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΑΛΑΤΟΤΗΤΑΣ

14

15 ΑΣΚΗΣΗ : ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΑΛΑΤΟΤΗΤΑΣ ΘΕΩΡΙΑ Αγωγιμότητα Οι μετρήσεις αγωγιμότητας χρησιμοποιούνται ευρύτατα σε βιομηχανικές εφαρμογές για την ανίχνευση προσμίξεων στο νερό και τη μέτρηση των συγκεντρώσεών τους. Η αγωγιμότητα ορίζεται ως η ικανότητα ενός υλικού να άγει το ηλεκτρικό ρεύμα. Για την αγωγιμότητα στα υγρά είναι απαραίτητη η ύπαρξη ελεύθερων ιόντων (θετικών και αρνητικών φορτίων). Η αρχή στην οποία βασίζονται τα όργανα για τη μέτρηση της είναι απλή. Ο αισθητήρας μέτρησης (probe) που αποτελείται από δύο ή περισσότερα ηλεκτρόδια (π.χ. δύο πλακίδια) τοποθετείται σε ένα δείγμα του υγρού (του διαλύματος). Στα ηλεκτρόδια εφαρμόζεται μια διαφορά δυναμικού και μετριέται το ρεύμα που διαρρέει το διάλυμα (δημιουργείται από την κίνηση των θετικά και αρνητικά φορτισμένων ιόντων). Η αγωγιμότητα (G), το αντίστροφο της αντίστασης (R), καθορίζεται τότε από τις τιμές της διαφοράς δυναμικού και του ρεύματος σύμφωνα με το νόμο του Ohm. I Ampere G 1 (.1) R V Volts Επειδή το φορτίο των ιόντων σε ένα διάλυμα επιτρέπει τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος, η αγωγιμότητα ενός διαλύματος είναι ανάλογη με τη συγκέντρωση των ιόντων σε αυτό. Ωστόσο σε κάποιες περιπτώσεις η αγωγιμότητα δεν είναι ανάλογη της συγκέντρωσης. Οι γραφικές παραστάσεις στο Σχήμα.1 απεικονίζουν τη σχέση μεταξύ της αγωγιμότητας και της συγκέντρωσης των ιόντων για δύο κοινά διαλύματα. Παρατηρείστε ότι για το χλωριούχο νάτριο (αλάτι) η γραφική παράσταση είναι γραμμική, ωστόσο δεν ισχύει το ίδιο για τη γραφική παράσταση της αγωγιμότητας σε σχέση με το θειικό οξύ. Οι αλληλεπιδράσεις των ιόντων μπορούν να αλλάξουν τη γραμμική σχέση μεταξύ της αγωγιμότητας και της συγκέντρωσης σε διαλύματα υψηλής συγκέντρωσης. Αγωγιμότητα Χωρίς Αλληλεπιδράσεις στο διάλυμα Αγωγιμότητα Με αλληλεπιδράσεις των ιόντων στο διάλυμα Συγκέντρωση Ιόντων Χλωριούχου Νατρίου Συγκέντρωση Ιόντων Θειϊκού Οξέος Σχήμα.1 Σχέση μεταξύ της αγωγιμότητας και της συγκέντρωσης των ιόντων σε δύο κοινά διαλύματα χλωριούχου νατρίου και θειϊκού οξέος. Μονάδες Μέτρησης της Αγωγιμότητας Η βασική μονάδα αγωγιμότητας είναι το Siemens (S), που ονομάζεται και mho (αντιστροφή του ohm). Επειδή η γεωμετρία του στοιχείου μέτρησης επηρεάζει τις τιμές της αγωγιμότητας, προκειμένου να αντισταθμιστούν οι μεταβολές στις διαστάσεις του ηλεκτρόδιου, οι καθιερωμένες.1

16 ΑΣΚΗΣΗ : ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΑΛΑΤΟΤΗΤΑΣ μετρήσεις εκφράζονται σε μονάδες ειδικής αγωγιμότητας (S / cm). Η ειδική αγωγιμότητα (C) είναι απλά το γινόμενο της μετρούμενης αγωγιμότητας και της σταθεράς του αισθητηρίου μέτρησης (ονομάζεται επίσης σταθερά του probe ή σταθερά του στοιχείου) Κ=L / A, - L είναι το μήκος της στήλης του υγρού μεταξύ των ηλεκτροδίων και Α το εμβαδόν της επιφάνειας των ηλεκτροδίων - και δίνεται από τη σχέση (.) (Σχήμα.). L C G K G (.) A Αν η σταθερά του στοιχείου μέτρησης είναι 1 cm -1, η ειδική αγωγιμότητα ισοδυναμεί με τη μετρούμενη αγωγιμότητα στο διάλυμα. Οι σταθερές του αισθητηρίου μέτρησης ποικίλουν από 0.01 cm -1 έως 50 cm -1. Παρά το γεγονός ότι τα σχήματα ηλεκτροδίων ποικίλλουν, ένα οποιοδήποτε ηλεκτρόδιο μπορεί να αντιπροσωπεύεται από το ισοδύναμο θεωρητικό του στοιχείο. Για τους περισσότερους μετρητές αγωγιμότητας, η ειδική αγωγιμότητα που έχουν τη δυνατότητα να μετρήσουν, κυμαίνεται σε τιμές από μs / cm έως και ms / cm. Η σχέση που έχουν οι υποπολλαπλάσιες μονάδες είναι οι εξής: 1 μs / cm = 10-3 ms / cm = 10-6 S / cm = 1 μmho / cm Ο Πίνακας.1 δείχνει τις περιοχές της βέλτιστης αγωγιμότητας για στοιχεία με τρεις διαφορετικές σταθερές. ΠΙΝΑΚΑΣ.1 Σταθερά Στοιχείου Βέλτιστη Περιοχή Αγωγιμότητας (μs / cm) έως έως έως Σχήμα. Στο σχήμα αυτό φαίνεται το μήκος L της στήλης του υγρού καθώς και το εμβαδό της επιφάνειας Α των ηλεκτροδίων. Βαθμονόμηση Μετρητή Αγωγιμότητας και Συντήρηση Ηλεκτροδίου Οι μετρητές αγωγιμότητας και οι αισθητήρες μέτρησης πρέπει να βαθμονομούνται με ένα τυπικό διάλυμα πριν τη χρήση τους. Αυτό πρέπει να επιλέγεται έτσι ώστε η αγωγιμότητά του να είναι κοντά στην αγωγιμότητα του διαλύματος που πρόκειται να μετρηθεί. Ένα πολωμένο ή βρώμικο ηλεκτρόδιο πρέπει να επιμεταλλώνεται και να καθαρίζεται προκειμένου να ανανεώνεται η ενεργή επιφάνεια του στοιχείου. Στις περισσότερες περιπτώσεις, για τον καθαρισμό του στοιχείου είναι αρκετό να χρησιμοποιηθεί ζεστό νερό με ένα ήπιο καθαριστικό υγρό. Η ακετόνη (ασετόν).

17 ΑΣΚΗΣΗ : ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΑΛΑΤΟΤΗΤΑΣ καθαρίζει εύκολα τα περισσότερα οργανικά υλικά, ενώ διαλύματα του χλωρίου αφαιρούν αποτελεσματικά βακτηρίδια, μούχλα, κ.τ.λ. Αντιστάθμιση της Αγωγιμότητας με τη Θερμοκρασία Οι μετρήσεις αγωγιμότητας εξαρτώνται από τη θερμοκρασία. Ο βαθμός στον οποίο η θερμοκρασία επηρεάζει την αγωγιμότητα μεταβάλλεται από διάλυμα σε διάλυμα και μπορεί να υπολογιστεί με τη βοήθεια της σχέσης (.3). Gt Gt 1 a t tcal (.3) cal όπου: G = Η αγωγιμότητα σε οποιαδήποτε θερμοκρασία t, σε o C. t G t cal = H αγωγιμότητα στη θερμοκρασία βαθμονόμησης t cal, σε o C. a = Συντελεστής θερμοκρασίας του διαλύματος στη θερμοκρασία βαθμονόμησης t cal, %/ o C. Ο συντελεστής θερμοκρασίας a για το χλωριούχο νάτριο (NaCl, αλάτι) είναι ίσος με.14 %/ o C. Η θερμοκρασία στην οποία θεωρείται ότι γίνεται η βαθμονόμηση είναι οι 5 o C (θερμοκρασία αναφοράς). Αλατότητα Η αλατότητα (salinity) ορίζεται ως το μέτρο της ποσότητας των αλάτων που βρίσκονται στο νερό. Επειδή τα ιόντα που δημιουργούνται από τα διαλυμένα στο νερό άλατα αυξάνουν την αλατότητα αλλά και την αγωγιμότητα του υγρού, τα δύο αυτά μεγέθη σχετίζονται μεταξύ τους. Στο θαλασσινό νερό υπάρχει κυρίως χλωριούχο νάτριο (NaCl). Ωστόσο υπάρχουν αλατούχα νερά που οφείλουν την υψηλή αλατότητά τους σε συνδυασμό ιόντων που προέρχονται από το χλωριούχο νάτριο, ανθρακικά και θειϊκά άλατα. Μονάδες Μέτρησης της Αλατότητας Η αλατότητα εκφράζεται ως η ποσότητα του άλατος ή των αλάτων σε γραμμάρια (gr) που υπάρχουν σε 1000 γραμμάρια (gr) νερού, ή διαφορετικά ως ποσοστό της περιεκτικότητας των αλάτων στα 1000 μέρη νερού (parts per thousand). Ως μονάδα μέτρησης ορίζεται επίσης η «Πρακτική Μονάδα Αλατότητας», PSU (Practical Salinity Unit). Αλατότητα π.χ. 0 0 / 00 (0 gr άλατος σε 1000 gr νερού) ισοδυναμεί σε 0 PSU. Μετρητής Αγωγιμότητας και Αλατότητας Ο μετρητής αγωγιμότητας LF 191 του εργαστηρίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε σαν φορητό είτε σαν όργανο πάγκου. Οι αδιάβροχες συνδέσεις και οι μηχανικές και χημικές αντοχές της συσκευασίας επιτρέπουν το όργανο να μετράει από τα πιο σκληρά περιβάλλοντα μέχρι και εφαρμογές εργαστηρίου. Το LF 191 τροφοδοτείται είτε από μπαταρίες είτε από την πρίζα. Όταν οι μπαταρίες εξασθενήσουν παρουσιάζεται στην οθόνη ένδειξη επαναφόρτισης. Αντίθετα η τροφοδότηση της συσκευής από το δίκτυο της Δ.Ε.Η. (0V, 50ΗΖ) εξασφαλίζει τη συνεχή λειτουργία της. Ρυθμίσεις σταθεράς Κ Η σταθερά Κ(cm -1 ) του στοιχείου μέτρησης αγωγιμότητας εξαρτάται όπως αναφέρθηκε από τη γεωμετρία του και την απόσταση των επιφανειών των ηλεκτροδίων. Για το αισθητήριο μέτρησης του LF 191 και σε μετρήσεις αγωγιμότητας της τάξης των μs / cm ή ms / cm (συνήθη διαλύματα).3

18 ΑΣΚΗΣΗ : ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΑΛΑΤΟΤΗΤΑΣ χρησιμοποιείται τιμή της σταθεράς Κ ίσης με 1.0 cm -1, ενώ για το καθαρό νερό (τιμές μικρότερες από 10 μs / cm) η σταθερά Κ ρυθμίζεται σε τιμή ίση με 0.1 cm -1. Η σταθερά του στοιχείου μέτρησης επιλέγεται από το πίσω μέρος του οργάνου και δεν είναι απαραίτητες επιπλέον αλλαγές της σταθεράς για τις επόμενες μετρήσεις. Σχήμα.3 Ο μετρητής αγωγιμότητας και αλατότητας LF 191 της εταιρείας WTW. Αντιστάθμιση θερμοκρασίας Επειδή η αγωγιμότητα του μετρούμενου δείγματος αυξάνει με την αύξηση της θερμοκρασίας, θα πρέπει η αγωγιμότητα να μετριέται σε συγκεκριμένη θερμοκρασία. Όπως αναφέρθηκε, η συνήθης θερμοκρασία αναφοράς (βαθμονόμησης) είναι οι 5 C. Η αντιστάθμιση στη θερμοκρασία αυτή γίνεται αυτόματα με τον αισθητήρα θερμοκρασίας που βρίσκεται εσωτερικά τοποθετημένος στο στοιχείο μέτρησης με συντελεστή θερμοκρασίας.1 %/ o C, και στο καθαρό νερό 4 %/ o C. Στον Πίνακα φαίνεται η περιοχή μέτρησης του οργάνου για κάθε θέση του επιλογικού διακόπτη που βρίσκεται στην πρόσοψη του οργάνου και ρύθμιση του διακόπτη λειτουργίας στην πίσω όψη του. ΠΙΝΑΚΑΣ. ΜΕΤΡΟΥΜΕΝΟ ΕΥΡΟΣ ΕΠΙΛΟΓΙΚΟΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ΕΥΡΟΥΣ (πρόσοψη οργάνου) ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (πίσω όψη του οργάνου) / 00 sal 1 0 / 00 sal ms / cm ms / cm μs / cm 3 K= μs / cm μs / cm 4 K = 0.1 (υπέρ - καθαρό νερό) Μετρήσεις αγωγιμότητας σε καθαρό νερό Συνδέστε τον αισθητήρα μέτρησης (εμπεριέχεται και αισθητήρας θερμοκρασίας). Τοποθετήστε το διακόπτη λειτουργίας στην πίσω όψη του οργάνου στο Κ=0,1. Ο επιλογικός διακόπτης πρέπει να είναι στη θέση 4 και μόνο σε αυτή..4

19 ΑΣΚΗΣΗ : ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΑΛΑΤΟΤΗΤΑΣ Βυθίστε τον αισθητήρα μέτρησης στο διάλυμα ή αρχίστε τις μετρήσεις ροής. Διαβάστε την μετρούμενη τιμή σε μs / cm. Τότε η ένδειξη που απεικονίζεται είναι η ειδική αγωγιμότητα (C) με θερμοκρασία αναφοράς τους 5 ο C. ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Λειτουργίες Aγωγιμότητα, αλατότητα, C Οθόνη Πεδία μέτρησης αγωγιμότητας (C) LCD, 3 1/ ψηφία, 13mm Αλατότητα / 00 sal Θερμοκρασία C Ακρίβεια Αγωγιμότητας μs / cm με Κ=0.l cm -l μs / cm με Κ=l cm -l μs / cm με Κ=l cm -l ms / cm με Κ=l cm -l ms / cm με Κ=l cm -l ms / cm με Κ=l cm -l 0.5% της μετρούμενης τιμής 1 ψηφίο με 1,5 έως μέτρα καλώδιο l % της μετρούμενης τιμής 1 ψηφίο λάθους ανά 10 m καλωδίου μέχρι και τα 100 m. Aλατότητα Kαλύτερη από 1 0 / 00 της μετρούμενης τιμής Θερμοκρασία Συχνότητα μέτρησης Ολίσθηση Σταθεροποίηση θερμοκρασίας -10 o C C Επηρεασμός θερμοκρασίας Έξοδος για καταγραφικό Καλύτερη από 0.% μέχρι τους 40 C Καλύτερη από 0.5% μέχρι τους 60 C 75 Ηz από 0 μέχρι μs / cm 400 Ηz από μέχρι 1999 μs / cm 1000 Ηz για τιμές > 1999 μs / cm < 1 ψηφίο / h (μη προστιθέμενη) <0. %/ o C 0...V για αγωγιμότητα και αλατότητα Μετρήσεις αγωγιμότητας Συνδέστε τον αισθητήρα μέτρησης (εμπεριέχεται και αισθητήρας θερμοκρασίας). Τοποθετήστε τον διακόπτη λειτουργίας στην πίσω όψη του οργάνου στο Κ=1. Βυθίστε τον αισθητήρα μέτρησης στο δείγμα (μέχρι το ελάχιστο βάθος μέτρησης)..5

20 ΑΣΚΗΣΗ : ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΑΛΑΤΟΤΗΤΑΣ Τοποθετήστε τον επιλογικό διακόπτη στην περιοχή μετρήσεων που παρέχει την καλύτερη ανάλυση. Διαβάστε την μετρούμενη τιμή με τις κατάλληλες μονάδες (μs / cm, ms / cm). H ένδειξη της οθόνης είναι η αγωγιμότητα (G) με θερμοκρασία αναφοράς τους 5 ο C. Μετρήσεις θερμοκρασίας με το στοιχείο μέτρησης αγωγιμότητας Συνδέστε το στοιχείο μέτρησης. Τοποθετήστε τον επιλογικό διακόπτη στην ένδειξη για τη θερμοκρασία «C». Βυθίστε τον αισθητήρα μέτρησης στο δείγμα. Διαβάστε την θερμοκρασία. Μέτρηση αλατότητας Συνδέστε τον αισθητήρα μέτρησης (εμπεριέχεται και αισθητήρας θερμοκρασίας). Τοποθετήστε τον διακόπτη λειτουργίας στην πίσω όψη του οργάνου στο / 00 sal. Βυθίστε τον αισθητήρα μέτρησης στο δείγμα (μέχρι το ελάχιστο βάθος μέτρησης). Τοποθετήστε τον επιλογικό διακόπτη στην ένδειξη 1 που επιτρέπει τη μέτρηση της αλατότητας. Διαβάστε την μετρούμενη τιμή της αλατότητας σε PSU. Έξοδος καταγραφικού Για την καταγραφή των αλλαγών των μετρούμενων τιμών (αγωγιμότητας) παρέχεται αναλογική έξοδος από 0... V. (α) (β) Σχήμα.4 Ο μετρητής αγωγιμότητας και αλατότητας του εργαστηρίου. α) Πρόσοψη. Φαίνεται επάνω σε αυτόν η ειδική θέση στην οποία τοποθετείται ο αισθητήρας μέτρησης όταν δεν χρησιμοποιείται. β) Πίσω όψη. Φαίνεται ο διακόπτης ρύθμισης της σταθεράς Κ και η έξοδος για το καταγραφικό..6

21 ΑΣΚΗΣΗ : ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΑΛΑΤΟΤΗΤΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Σκοπός Ο σκοπός της άσκησης αυτής είναι να γνωρίσει ο σπουδαστής μεθόδους με τις οποίες μπορεί να μετρήσει την αγωγιμότητα και την αλατότητα ενός διαλύματος με τη βοήθεια μια συσκευής μέτρησης αγωγιμότητας / αλατότητας, καθώς και τη μεθοδολογία που ακολουθείται για τη βαθμονόμηση τέτοιων συσκευών. Απαιτούμενα Υλικά Είδος Ποσότητα Είδος Ποσότητα Μετρητής αγωγιμότητ. & αλατοτ. 1 Δοχείο τοποθέτησης δείγματος 1 Δοχείο χωρητικότητας 1 λίτρου 1 Αναδευτήρας 1 Δοχείο με αλάτι (NaCl) 1 Πολύμετρο 1 Ζυγαριά ακριβείας 1 Καλώδια σύνδεσης του πολυμέτρ. Διάταξη Σχήμα.5 Στο σχήμα αυτό φαίνεται η διάταξη που χρησιμοποιείται στις μετρήσεις. Αυτή αποτελείται από τον μετρητή αγωγιμότητας και αλατότητας, το δοχείο με το διάλυμα, το πολύμετρο που συνδέεται στην έξοδο για καταγραφικό του αγωγιμόμετρου, τη ζυγαριά ακριβείας και το δοχείο με το αλάτι. Πορεία Εργασίας 1. Συνδέστε ένα πολύμετρο στην έξοδο για καταγραφικό του μετρητή αγωγιμότητας (πίσω όψη του οργάνου, Σχήμα.4) και ρυθμίστε τον μεταγωγό διακόπτη του πολυμέτρου στην περιοχή μέτρησης των τάσεων έτσι ώστε να μπορεί να μετράει 0... Volt.. Ελέγξτε τον διακόπτη λειτουργίας στην πίσω όψη του οργάνου ώστε η σταθερή Κ να είναι ίση με 1..7

22 ΑΣΚΗΣΗ : ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΑΛΑΤΟΤΗΤΑΣ 3. Γεμίστε το δοχείο με 500 ml νερό (βρύσης, απιονισμένο ή απεσταγμένο) και καταγράψτε την αγωγιμότητα και την έξοδο του καταγραφικού στον Πίνακα.3 (1 η γραμμή). 4. Ζυγίστε με τη βοήθεια του ζυγού ακριβείας α gr αλάτι (εφαρμογή α = gr). 5. Διαλύστε στο νερό την ποσότητα του αλατιού που έχετε ζυγίσει (με ανάδευση) και καταγράψτε την ποσότητα αυτή, τη συνολική ποσότητα του αλατιού, την αγωγιμότητα και την έξοδο του καταγραφικού. 6. Συνεχίστε τα βήματα 4 και 5 μέχρι να συμπληρωθεί ο Πίνακας.3 (15 μετρήσεις για κάθε μέγεθος). 7. Περιστρέψτε τον διακόπτη λειτουργίας στην πίσω όψη του οργάνου ώστε στη θέση 0 / 00 sal. 8. Αδειάστε το δοχείο που χρησιμοποιήσατε, γεμίστε το ξανά με 400 ml νερό (βρύσης, απιονισμένο ή απεσταγμένο) και καταγράψτε την αλατότητα και την έξοδο του καταγραφικού στον Πίνακα.4. ΠΙΝΑΚΑΣ.3 Δείγμα Άλατος (gr) Συνολική Ποσότητα Άλατος (gr) Συγκέντρωση Άλατος στο Διάλυμα (Μ) Μετρούμενη Αγωγιμότητα (C, μs / cm) Ένδειξη Εξόδου Καταγραφικού (Volts) 9. Ζυγίστε με τη βοήθεια του ζυγού ακριβείας α gr αλάτι (εφαρμογή α = 1 gr). 10. Διαλύστε στο νερό την ποσότητα του αλατιού που έχετε ζυγίσει (με ανάδευση) και καταγράψτε την ποσότητα αυτή, τη συνολική ποσότητα του αλατιού, την αλατότητα και την έξοδο του καταγραφικού..8

23 ΑΣΚΗΣΗ : ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΑΛΑΤΟΤΗΤΑΣ 11. Επαναλάβατε τα βήματα 9 και 10 μέχρι να συμπληρωθεί ο Πίνακας.4 (15 μετρήσεις για κάθε μέγεθος). 1. Σχεδιάστε σε μιλλιμετρέ χαρτί ή με τη βοήθεια υπολογιστή το διάγραμμα αγωγιμότητας - συγκέντρωσης (Μ) αλατιού στο διάλυμα με τη βοήθεια των τιμών του Πίνακα Σχεδιάστε επίσης σε μιλλιμετρέ χαρτί ή με τη βοήθεια υπολογιστή το διάγραμμα της τάσης εξόδου του καταγραφικού - συγκέντρωσης αλατιού στο διάλυμα με τη βοήθεια των τιμών του Πίνακα Σχεδιάστε σε μιλλιμετρέ χαρτί ή με τη βοήθεια υπολογιστή το διάγραμμα αλατότητας - συγκέντρωσης αλατιού στο διάλυμα με τη βοήθεια των τιμών του Πίνακα Σχεδιάστε επίσης σε μιλλιμετρέ χαρτί ή με τη βοήθεια υπολογιστή το διάγραμμα της τάσης εξόδου του καταγραφικού - συγκέντρωσης αλατιού στο διάλυμα με τη βοήθεια των τιμών του Πίνακα.4. ΠΙΝΑΚΑΣ.4 Δείγμα Άλατος (gr) Συνολική Ποσότητα Άλατος (gr) Συγκέντρωση Άλατος στο Διάλυμα (Μ) Μετρούμενη Αλατότητα (sal, PSU) Ένδειξη Εξόδου Καταγραφικού (Volts) Παρατηρήσεις Υπενθυμίζεται ότι η συγκέντρωση Μ (Molarity) ισούται με τα γραμμομόρια (mole) της διαλυμένης ουσίας (του χλωριούχου νατρίου) σε ένα (1) λίτρο νερό. Επίσης ένα γραμμομόριο ισοδυναμεί με το μοριακό βάρος μιας ένωσης σε γραμμάρια. Αν το ατομικό βάρος του χλωρίου είναι και του.9

24 ΑΣΚΗΣΗ : ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΑΛΑΤΟΤΗΤΑΣ νατρίου 3 τότε το μοριακό βάρος του αλατιού είναι Για τον υπολογισμό των γραμμομορίων και στη συνέχεια των συγκεντρώσεων μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την απλή μέθοδο των τριών. Κατά τη σχεδίαση των διαγραμμάτων, θα πρέπει πάντοτε να τοποθετούνται στον οριζόντιο και στον κατακόρυφο άξονα τα αντίστοιχα μεγέθη και οι μονάδες τους. Ερωτήσεις Ασκήσεις Ποια είναι η σχέση μεταξύ του ηλεκτρικού ρεύματος που περνάει από το διάλυμα και της συγκέντρωσης του διαλύματος; Γιατί θεωρείται σημαντική η διατήρηση της θερμοκρασίας του διαλύματος σταθερή κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας; Ποια είναι η καταλληλότερη καμπύλη ρύθμισης του οργάνου κατά τη γνώμη σας και γιατί; Γραπτή Εργασία Θα περιλαμβάνει α) σύντομη θεωρία, β) τους πίνακες.3 και.4 συμπληρωμένους γ) τα τέσσερα διαγράμματα και δ) τις απαντήσεις στις ερωτήσεις της άσκησης..10

25 3 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΡΟΤΑΜΕΤΡΟΥ

26

27 ΑΣΚΗΣΗ 3 : ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΡΟΤΑΜΕΤΡΟΥ ΘΕΩΡΙΑ Μετρητές Ροής (Ροόμετρα) Μεταβλητής Διατομής (Variable Area Flow Meter) Τα ροόμετρα μεταβλητής περιοχής (Σχήμα 3.1) είναι απλές στην κατασκευή συσκευές που προσαρμόζονται εύκολα, λειτουργούν με μια σχετικά σταθερή πτώση πίεσης και μετρούν τη ροή των υγρών, των αερίων και του ατμού. Η θέση του πλωτήρα, του εμβόλου ή του πτερυγίου της φτερωτής τους αλλάζει καθώς το αυξανόμενο ποσοστό ροής ανοίγει μια μεγαλύτερη περιοχή ροής για να περάσει το ρευστό. Η θέση του πλωτήρα, του εμβόλου ή του πτερυγίου της φτερωτής παρέχει άμεση οπτική ένδειξη του ποσοστού της ροής. Στις διαφορετικές μορφές των ροόμετρων αυτών περιλαμβάνονται το ροτάμετρο (ένας πλωτήρας βρίσκεται στο εσωτερικό ενός κωνικού σωλήνα), το συνδυασμό ροόμετρου orifice και ροτάμετρου (ροτάμετρο παράκαμψης), το ροόμετρο μεταβλητής πύλης ανοικτού-καναλιού (open channel variable gate), το ροόμετρο κωνικού πλωτήρα και τα ροόμετρα εμβόλου ή πτερυγίου φτερωτής. Σχήμα 3.1 Ροόμετρα μεταβλητής διατομής. Όταν ελαττώνεται η ροή, το στοιχείο ροής επιστρέφει στην αρχική του θέση είτε με τη βοήθεια της βαρύτητας είτε με τη βοήθεια ενός ελατηρίου. Οι μετρητές που βασίζονται στη βαρύτητα (ροτάμετρα) τοποθετούνται σε κατακόρυφη θέση, ενώ αυτοί που χρησιμοποιούν ελατήριο μπορούν να τοποθετηθούν σε οποιαδήποτε θέση. Στα ροόμετρα μεταβλητής διατομής παρέχεται συνήθως βαθμολογημένη κλίμακα και κάποια μορφή δείκτη για τη μέτρηση της παροχής. Στους περισσότερους μπορούν να τοποθετηθούν επίσης αισθητήρες θέσης και συσκευές αποστολής σημάτων για την απεικόνιση των ενδείξεών τους σε μακρινές αποστάσεις καθώς και για τον έλεγχό τους από απόσταση. Ροτάμετρα Το ροτάμετρο (rotameter) ή πλωτηρόμετρο (float meter) είναι βιομηχανικό ροόμετρο που χρησιμοποιείται για να μετρήσει την παροχή των υγρών, των αερίων και του ατμού. Αποτελείται από έναν κωνικό σωλήνα και ένα πλωτήρα. Στο ροτάμετρο ο σωλήνας μέτρησης τοποθετείται κατακόρυφα 3.1

28 ΑΣΚΗΣΗ 3 : ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΡΟΤΑΜΕΤΡΟΥ (εφόσον δεν χρησιμοποιεί ελατήριο), με το στενό άκρο του (μικρότερη διάμετρος) στο κατώτατο σημείο. Το ρευστό που πρόκειται να μετρηθεί εισάγεται στο κατώτατο σημείο του σωλήνα, περνά προς τα επάνω γύρω από τον πλωτήρα και βγαίνει από το φαρδύτερο άκρο του σωλήνα. Η απόκριση του πλωτήρα στις αλλαγές της παροχής είναι γραμμική, ενώ θεωρείται ότι συνήθως μπορούν να μετρήσουν τιμές παροχής δεκαπλάσιες της ελάχιστης τιμής μέτρησης. Σε κάποια ροτάμετρα παρέχεται η δυνατότητα ακόμη μεγαλύτερου εύρους μετρήσεων με τη βοήθεια των κατάλληλων μετασχηματισμών. Στο εμπόριο διατίθεται ένα πλήθος από πλωτήρες διαφορετικών σχημάτων ανάλογα με την εφαρμογή που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί το ροτάμετρο. Ένας από τους πρώτους πλωτήρες που κατασκευάστηκαν έφερε αυλακώσεις, οι οποίες προκαλούσαν την περιστροφή του με σκοπό τη σταθεροποίηση της κίνησης και το κεντράρισμά του. Από την περιστροφή αυτού του πρώτου πλωτήρα προήλθε ο όρος του ροτάμετρου. Αρχή Λειτουργίας Η λειτουργία του ροτάμετρου είναι βασισμένη στην αρχή της μεταβλητής περιοχής. Δηλαδή, καθώς αυξάνει η παροχή, ένας πλωτήρας ανεβαίνει σε έναν κωνικό σωλήνα, αυξάνοντας με τον τρόπο αυτό την περιοχή για τη διέλευση του ρευστού. Όσο μεγαλύτερη είναι η ροή, τόσο υψηλότερα ανεβαίνει ο πλωτήρας. Το ύψος του πλωτήρα είναι ανάλογο προς την παροχή. Στα υγρά, ο πλωτήρας ανεβαίνει εξαιτίας της άνωσης και του μετώπου της ταχύτητας του ρευστού. Στα αέρια, η άνωση είναι αμελητέα, και ο πλωτήρας μετακινείται εξαιτίας μόνο του μετώπου της ταχύτητας. Ο πλωτήρας κινείται επάνω ή κάτω στο σωλήνα ανάλογα με την παροχή του ρευστού και τη δακτυλιοειδή περιοχή μεταξύ του πλωτήρα και των τοιχωμάτων του σωλήνα. Ο πλωτήρας φθάνει σε μια σταθερή θέση στο σωλήνα όταν η ανοδική δύναμη που ασκείται από το ρευστό είναι ίση με το βάρος του πλωτήρα (ή / και τη δύναμη που ασκείται από το ελατήριο). Στη θέση αυτή η διαφορική πίεση (πτώση πίεσης) γύρω από τον πλωτήρα μειώνεται. Μια αλλαγή στην παροχή ανατρέπει αυτήν την ισορροπία των δυνάμεων. Ο πλωτήρας κινείται και πάλι επάνω ή κάτω μεταβάλλοντας τη δακτυλιοειδή περιοχή έως ότου φθάσει και πάλι σε μια θέση όπου οι δυνάμεις ισορροπούν. Ένα ροτάμετρο μπορεί να προσομοιωθεί με ένα ORIFICE μετρητή παροχής με μεταβλητό άνοιγμα. Τότε η διαφορική πίεση στον πλωτήρα θα δίνεται από τη σχέση (3.1). V f ρ f ρ g Δ P (3.1) A f όπου V f είναι ο όγκος του πλωτήρα. ρ f είναι η πυκνότητα του υλικού του πλωτήρα. ρ είναι η πυκνότητα του ρευστού. g είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας. A f είναι η μέγιστη εγκάρσια διατομή του πλωτήρα. Εάν Α είναι η επιφάνεια του δακτυλίου μεταξύ του πλωτήρα και του σωλήνα και Α 1 είναι η επιφάνεια μιας εγκάρσιας διατομής του σωλήνα τότε η παροχή μάζας (mass flow rate) του ρευστού G ( m) παρέχεται από τη σχέση (3.): ρ ΔP G CD A A (3.) 1 A1 Όπου C D είναι ο συντελεστής εκροής του σωλήνα. Αντικαθιστώντας τη σχέση (3.1) που παρέχει τη διαφορική πίεση στην (3.) προκύπτει η σχέση 3.

29 ΑΣΚΗΣΗ 3 : ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΡΟΤΑΜΕΤΡΟΥ 3.3 (3.3) που δίνει την παροχή μάζας του ρευστού. 1 1 A A A V g A C G f f f D ρ ρ ρ (3.3) Αν και τα δύο μέλη αυτής της σχέσης διαιρεθούν με την πυκνότητα ρ του ρευστού τότε προκύπτει η σχέση που παρέχει την παροχή (παροχή όγκου) του ρευστού Q και δίνεται από τη σχέση (3.4): 1 1 A A A V g A C G Q f f f D ρ ρ ρ ρ (3.4) Ο συντελεστής C D εξαρτάται από το σχήμα του πλωτήρα και τον αριθμό Reynolds για ροή διαμέσου δακτυλίου (διατομής Α ). Στο Σχήμα 3. δίδεται η μεταβολή του συντελεστή C D ως προς τον αριθμό Reynolds σε συνάρτηση με το σχήμα του πλωτήρα για τρία διαφορετικά είδη πλωτήρα. Σχήμα 3. Mεταβολή του συντελεστή C D ως προς τον αριθμό Reynolds σε συνάρτηση με το σχήμα του πλωτήρα για τρία διαφορετικά είδη πλωτήρα. Ο πλωτήρας Α δεν προκαλεί τυρβώδη ροή και ο συντελεστής αυξάνει αργά, λαμβάνοντας τελικά την υψηλότερη σταθερή τιμή Ο πλωτήρας Γ προκαλεί τυρβώδη ροή και ο συντελεστής C D αυξάνει γρήγορα αλλά στη χαμηλή σταθερή τιμή Στην πραγματικότητα είναι ανεξάρτητος από το ιξώδες του ρευστού. Με την κατάλληλη επιλογή της πυκνότητας για τον πλωτήρα μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα μετρητή ροής ανεξάρτητο από την πυκνότητα του προς μέτρηση ρευστού. Η παροχή G ενός συγκεκριμένου οργάνου θα είναι ανεξάρτητη της πυκνότητας ρ του ρευστού όταν η παράγωγος της παροχής ως προς την πυκνότητα του ρευστού γίνει μηδέν, (3.5) ρ ρ ρ ρ ρ ρ f f f f D A A A V g A C d dg (3.5) Για να γίνει η σχέση (3.5) ίση με μηδέν, θα πρέπει να ισχύει σχέση (3.6):

30 ΑΣΚΗΣΗ 3 : ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΡΟΤΑΜΕΤΡΟΥ ρ ρ 0 ρ ρ f f (3.6) Να γίνει δηλαδή η πυκνότητα του υλικού του πλωτήρα διπλάσια της πυκνότητας του ρευστού. Τότε το ροτάμετρο θα είναι ανεξάρτητο της πυκνότητας του ρευστού. Κάθε θέση του πλωτήρα αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη παροχή που εξαρτάται από την πυκνότητα και το ιξώδες του ρευστού. Για αυτό το λόγο, το ροτάμετρο είναι απαραίτητο να βαθμονομείται σε κάθε εφαρμογή. Όταν βαθμονομείται σωστά, η παροχή μπορεί να καθοριστεί από τη θέση του πλωτήρα με τη βοήθεια μιας βαθμολογημένης κλίμακας έξω από το ροτάμετρο. Σε πολλά ροτάμετρα παρέχεται μια ενσωματωμένη βαλβίδα για τη ρύθμιση της παροχής χειροκίνητα. Τα ροτάμετρα συνοδεύονται συνήθως με τα στοιχεία βαθμονόμησης και μια κλίμακα άμεσης ανάγνωσης για τον αέρα ή το νερό (ή τα δύο). Οι κατασκευαστές τους επίσης παρέχουν συχνά νομογραφήματα, ή και λογισμικό για τη βαθμονόμηση των ροταμέτρων με τη βοήθεια υπολογιστή. Μονάδες Μέτρησης Στο Διεθνές Σύστημα (S.I.) η μονάδα μέτρησης της παροχής Q είναι το m 3 / sec ενώ της παροχής μάζας G το Kgr / sec. Επιπλέον χρησιμοποιούνται ως πρακτικές μονάδες μέτρησης της παροχής το m 3 / min και το m 3 / h ενώ της παροχής μάζας το Kgr / min και το Kgr / h. Επειδή σε πολλές περιπτώσεις, αυτές οι μονάδες μέτρησης είναι πολύ μεγάλες, χρησιμοποιούνται υποπολλαπλάσιά τους όπως π.χ. cm 3 / min ή gr / sec. Επιλογή Ροταμέτρου Οι ερωτήσεις που πρέπει να απαντηθούν πριν την επιλογή ενός ροτάμετρου είναι οι εξής: Ποιο είναι το ελάχιστο και μέγιστο ποσοστό ροής για το μετρητή ροής; Ποια είναι η ελάχιστη και μέγιστη θερμοκρασία της διαδικασίας; Ποιο είναι το μέγεθος του σωλήνα; Απαιτείται ροτάμετρο άμεσης ανάγνωσης ή είναι αποδεκτός ένας πίνακας αντιστοίχισης; Ποια είναι η επιθυμητή ακρίβεια του οργάνου; Απαιτείται μια βαλβίδα για τη ρύθμιση της ροής; Τύποι Ροταμέτρων Από τις επιχειρήσεις κατασκευής ροομέτρων παρέχεται ένα πλήθος από διαφορετικούς τύπους ροτάμετρων ανάλογα με το υλικό κατασκευής του σωλήνα, το υλικό κατασκευής του πλωτήρα, το είδος των εξαρτημάτων που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεσή των και την επιθυμητή περιοχή μέτρησης της παροχής. Ροτάμετρα Γυάλινου Σωλήνα Το βασικό ροτάμετρο αποτελείται από ένα γυάλινο σωλήνα με βαθμολογημένη κλίμακα. Ο σωλήνας κατασκευάζεται με μεγάλη ακρίβεια από γυαλί που περιέχει πυριτικά άλατα βορίου, ενώ ο πλωτήρας κατασκευάζεται με μεγάλη επίσης ακρίβεια από μέταλλο, γυαλί ή πλαστικό. Ο μεταλλικός πλωτήρας είναι συνήθως ανοξείδωτος χάλυβας για να αντέχει στη διάβρωση. Ο πλωτήρας φέρει ειδικά διαμορφωμένη άκρη ώστε να είναι δυνατή η ανάγνωση με τη βοήθεια μιας κλίμακας που τοποθετείται παράλληλα με το σωλήνα. Για τη σύνδεση του σωλήνα χρησιμοποιούνται διάφορα υλικά και σε μια ποικιλία από διαφορετικές μορφές. Τα σημαντικά εξαρτήματα στα ροτάμετρα αυτού του τύπου είναι ο σωλήνας και ο πλωτήρας επειδή αυτά χρησιμοποιούνται στις μετρήσεις. Η κλίμακα του ροτάμετρου μπορεί να 3.4

31 ΑΣΚΗΣΗ 3 : ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΡΟΤΑΜΕΤΡΟΥ βαθμονομηθεί για την άμεση ανάγνωση του αέρα ή του νερού, ή μπορεί να διαθέτει μια κλίμακα που επιτρέπει την ανάγνωση ενός ποσοστού της περιοχής μέτρησης ή μια αυθαίρετη κλίμακα που χρησιμοποιείται με τη βοήθεια εξισώσεων ή διαγραμμάτων μετατροπής. Σφραγισμένα ροτάμετρα σωλήνων γυαλιού χρησιμοποιούνται κατά κόρο στη βιομηχανία για τη μέτρηση υγρών και αερίων. Οι μετρητές αυτού του τύπου δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται σε θερμοκρασίες νερού μεγαλύτερες από 90 C ή σε διαλύματα με υψηλό ph, καυστικό νάτριο που διαλύει το γυαλί και υδροφθορικό οξύ που το χαράζει. Οι κυριότεροι περιορισμοί αυτών των ροτάμετρων γενικής χρήσης είναι τα όρια πίεσης και θερμοκρασίας του γυάλινου σωλήνα. Μικροί σωλήνες διαμέτρου 6 mm (1/4") είναι κατάλληλοι για τις πιέσεις μέχρι 500 psig, ενώ η πίεση για έναν μεγάλο σωλήνα 51 mm (") δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 100 psig. Το πρακτικό όριο θερμοκρασίας για ροτάμετρα γυαλιού είναι οι 04 C αν και η λειτουργία σε τέτοιες υψηλές θερμοκρασίες μειώνει ουσιαστικά την πίεση λειτουργίας του μετρητή. Γενικά, υπάρχει μια γραμμική σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας λειτουργίας και της πίεσης. (α) (β) (γ) Σχήμα 3.3 Τύποι ροταμέτρων. α) Ροτάμετρο γυάλινου σωλήνα. β) Ροτάμετρα μεταλλικού σωλήνα. γ) Ροτάμετρα πλαστικού σωλήνα. Ροτάμετρα Μεταλλικού Σωλήνα Οι μεταλλικοί σωλήνες χρησιμοποιούνται για υψηλότερες πιέσεις και θερμοκρασίες πέρα από τα όρια των σωλήνων γυαλιού. Αυτοί κατασκευάζονται συνήθως από ανοξείδωτο χάλυβα, με πλωτήρες επίσης από ανοξείδωτο χάλυβα. Η θέση του πλωτήρα καθορίζεται από τους μαγνητικούς ή μηχανικούς οδηγούς που μπορούν να διαβαστούν από την εξωτερική πλευρά του σωλήνα από ανοξείδωτο χάλυβα Οι μετρητές αυτοί χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις όπου η υψηλή πίεση λειτουργίας ή η θερμοκρασία, καθώς και άλλες δυνάμεις θα κατέστρεφαν τους μετρητές σωλήνων γυαλιού. Όπως τα ροτάμετρα γενικής χρήσης, τα ροτάμετρα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τα περισσότερα ρευστά, συμπεριλαμβανομένων των διαβρωτικών υγρών και των αερίων. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές ατμού, όπου οι σωλήνες γυαλιού δεν είναι αποδεκτοί. Ροτάμετρα Πλαστικού Σωλήνα Οι πλαστικοί σωλήνες χρησιμοποιούνται σε μερικά ροτάμετρα εξαιτίας του χαμηλότερου κόστους και της υψηλής αντοχής τους. Κατασκευάζονται από πολυκαρβονικά υλικά, με μεταλλικές ή 3.5

32 ΑΣΚΗΣΗ 3 : ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΡΟΤΑΜΕΤΡΟΥ πλαστικές απολήξεις. Με τις πλαστικές απολήξεις, πρέπει να λαμβάνονται κατά την εγκατάσταση τα απαραίτητα μέτρα, ώστε να μη καταστραφούν τα άκρα αυτά. Τα ροτάμετρα που κατασκευάζονται μόνο με πλαστικό χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου τα μεταλλικά μέρη μπορούν να διαβρωθούν από απιονισμένο νερό ή καυστικές ουσίες. Ακρίβεια Μετρήσεων Η ακρίβεια των μετρήσεων στα εργαστηριακά ροτάμετρα είναι της τάξης του 0.5%, ενώ σε αυτά που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία της τάξης του 1-%. Τα περισσότερα ροτάμετρα είναι σχετικά αναίσθητα στις μεταβολές του ιξώδους των ρευστών. Μεγαλύτερη ευαισθησία παρουσιάζουν τα πολύ μικρά ροτάμετρα με πλωτήρα σφαιρικού σχήματος. Τα όρια και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας γενικότερα για κάθε ροτάμετρο παρέχονται από τον κατασκευαστή. Επίσης τα όρια του ιξώδους που μπορεί να έχουν τα ρευστά εξαρτώνται από το σχήμα του πλωτήρα. Αν το ιξώδες ξεπεράσει αυτά τα όρια, τότε η ένδειξη της παροχής πρέπει να διορθωθεί ώστε να ανταποκρίνεται στην πραγματική παροχή. Επειδή ο πλωτήρας είναι ευαίσθητος στις αλλαγές της πυκνότητας των ρευστών, τα ροτάμετρα είναι δυνατό να συνοδεύονται από δύο πλωτήρες (έναν ευαίσθητο στην πυκνότητα και τον άλλο ευαίσθητο στην ταχύτητα) που χρησιμοποιούνται για να προσεγγίσουν με τη μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια την παροχή της μάζας του ρευστού. Όσο περισσότερο πλησιάζει η πυκνότητα του πλωτήρα στην πυκνότητα του ρευστού τόσο καλύτερα αποκρίνεται αυτός στις μεταβολές της παροχής του ρευστού. Τα ροτάμετρα μέτρησης της παροχής της μάζας ενός ρευστού λειτουργούν καλύτερα με ρευστά χαμηλού ιξώδους όπως το διάλυμα ακατέργαστης ζάχαρης, η βενζίνη, τα λεπτόρρευστα καύσιμα και οι ελαφριοί υδρογονάνθρακες. Η ακρίβεια των ροτάμετρων δεν επηρεάζεται από το σχηματισμό των σωληνώσεων που ακολουθούν το ροτάμετρο. Επίσης μπορούν να εγκατασταθούν άμεσα μετά από ένα γωνιακό σχηματισμό σωληνώσεων χωρίς σημαντική μεταβολή στην ακρίβεια της μέτρησης. Στα ροτάμετρα δεν μένουν ξένες ουσίες (άλατα κ.τ.λ.) επειδή η ροή μεταξύ των τοιχωμάτων του σωλήνα και του πλωτήρα, παράγει μια δράση καθαρισμού που τείνει να αποτρέψει τη συγκέντρωση τέτοιων υλικών. Παρόλα αυτά, τα ροτάμετρα πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο σε καθαρά ρευστά που δεν καλύπτουν τα τοιχώματα ή τον πλωτήρα. Πρέπει επίσης να αποφεύγονται ρευστά με ινώδη υλικά ή με λειαντικές ιδιότητες και αυτά που περιέχουν μεγάλα μόρια. Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα των Ροταμέτρων Πλεονεκτήματα: Τα ροτάμετρα δεν απαιτούν εξωτερική ισχύ για τη λειτουργία τους, αλλά για να μετρήσουν την παροχή χρησιμοποιούν μόνο τις ιδιότητες του ρευστού και τη βαρύτητα (ή την ενέργεια των ελατηρίων). Είναι σχετικά απλές συσκευές που κατασκευάζονται μαζικά από φτηνά υλικά, επιτρέποντας την ευρεία χρήση τους. Έχουν γραμμική κλίμακα μετρήσεων. Σχετικά μεγάλο εύρος μετρήσεων. Χαμηλή πτώση πίεσης. Είναι εύκολο να εγκατασταθούν και να συντηρηθούν. Μειονεκτήματα: Τα ροτάμετρα στα οποία χρησιμοποιείται η βαρύτητα ως δύναμη για την ισορροπία του πλωτήρα, πρέπει να τοποθετούνται πάντοτε κατακόρυφα και το ρευστό να ρέει από κάτω προς τα επάνω. 3.6

33 ΑΣΚΗΣΗ 3 : ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΡΟΤΑΜΕΤΡΟΥ Η βαθμονόμηση ενός ροτάμετρου παρέχει ακριβή αποτελέσματα μόνο για ένα συγκεκριμένο ρευστό κάθε φορά. Σημαντικό ρόλο σε αυτή την περίπτωση παίζει η πυκνότητα του ρευστού. Θα πρέπει για διαφορετικά ρευστά να χρησιμοποιούνται διαφορετικά ροτάμετρα ή να βαθμονομείται σε κάθε περίπτωση η εξωτερική κλίμακα του ροτάμετρου. Τα ροτάμετρα απαιτούν κανονικά τη χρήση γυάλινου σωλήνα (ή άλλου διαφανούς υλικού), διαφορετικά ο χρήστης δεν μπορεί να δει τον πλωτήρα. Αυτό περιορίζει γενικά τη χρήση τους σε πολλές βιομηχανίες σε ρευστά όπως π.χ. το νερό. Τα ροτάμετρα δεν μπορούν να προσαρμοστούν εύκολα ώστε να είναι δυνατή η ανάγνωση της ένδειξης του πλωτήρα από εξωτερική συσκευή (μηχανική ή ηλεκτρονική). Ωστόσο είναι γνωστό ότι υπάρχουν ροτάμετρα με μαγνητικό πλωτήρα που μετακινούν ένα εξωτερικό μεταλλικό δείκτη. Θεωρητικός Υπολογισμός Παροχής από τα Χαρακτηριστικά του Ροτάμετρου Αν είναι γνωστά τα χαρακτηριστικά του ροτάμετρου, τότε μπορεί να υπολογιστεί θεωρητικά η μετρούμενη παροχή (όγκου ή μάζας) ενός ρευστού από το ύψος (θέση) h του πλωτήρα στο ροτάμετρο (Σχήμα 3.4). D y x h o Πλωτήρας h d d h Σχήμα 3.4 Σχηματική παράσταση ροτάμετρου με τη βοήθεια του οποίου είναι δυνατός ο υπολογισμός της παροχής ενός ρευστού σε συνάρτηση με το ύψος του πλωτήρα. 3.7

34 ΑΣΚΗΣΗ 3 : ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΡΟΤΑΜΕΤΡΟΥ Στις σχέσεις (3.3) ή (3.4) που παρέχουν την παροχή ενός ρευστού, ο συντελεστής εκροής, η πυκνότητα του ρευστού, καθώς επίσης και η πυκνότητα, η διάμετρος d f και ο όγκος του πλωτήρα δίνονται V f από τον κατασκευαστή του ροτάμετρου ή είναι γνωστά μεγέθη. Ο υπολογισμός της επιφάνειας του πλωτήρα (μέγιστη επιφάνεια) A δίνεται συνεπώς από τη σχέσης (3.7): f d f A f π (3.7) 4 Για τον υπολογισμό της επιφάνειας της εγκάρσιας διατομής του σωλήνα A1 στη θέση του πλωτήρα πρέπει να υπολογιστεί πρώτα η διάμετρος του σωλήνα στη θέση αυτή. Η διάμετρος αυτή όπως φαίνεται από το Σχήμα 3.4 είναι ίση με: d h d x (3.8) όπου το x προκύπτει από τη σχέση (3.9), όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.4, από την ομοιότητα των τριγώνων: x h h h D d x y x (3.9) y ho ho ho Συνεπώς η διάμετρος του σωλήνα στην εγκάρσια διατομή στη θέση h του πλωτήρα θα δίνεται από τη σχέση (3.10): h D d h d h d d h d D d (3.10) ho ho και η επιφάνεια της εγκάρσιας διατομής από τη σχέση (3.11): h π d D d h (3.11) o A1 4 Τέλος το εμβαδόν της επιφάνειας του δακτυλίου A που δημιουργείται στη θέση του πλωτήρα θα δίνεται από τη σχέση (3.1): A A 1 A f (3.1) Πειραματικός Προσδιορισμός Παροχής με τη Βοήθεια Υδραυλικού Πάγκου - Βαθμονόμηση Για τον προσδιορισμό πειραματικά της παροχής που αντιστοιχεί σε συγκεκριμένο ύψος του πλωτήρα σε ένα ροτάμετρο και για συγκεκριμένο ρευστό (συνήθως νερό) χρησιμοποιείται ο υδραυλικός πάγκος. Μια σχηματική παράσταση του πάγκου αυτού φαίνεται στο Σχήμα 3.5. Μια αντλία παρέχει την απαιτούμενη ποσότητα ρευστού (νερού) που ανυψώνει τον πλωτήρα σε μια συγκεκριμένη θέση ανάλογα με την παροχή του ρευστού από την αντλία προς το ροτάμετρο. Από την έξοδο του ροτάμετρου το ρευστό επιστρέφει στον υδραυλικό πάγκο. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.5 στο εσωτερικό του πάγκου υπάρχει μια δεξαμενή που συνδέεται με το ένα άκρο ενός μοχλού. Το άλλο άκρο του μοχλού αυτού, στην εξωτερική πλευρά του πάγκου, συνδέεται με κατάλληλη διάταξη ανάρτησης στην οποία μπορούν να προστεθούν πρότυπα βάρη. Στην εσωτερική δεξαμενή συγκεντρώνεται το ρευστό που προέρχεται από τη συσκευή μέτρησης (το ροτάμετρο). Ο μοχλός και η εσωτερική δεξαμενή χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της πραγματικής παροχής μάζας του ρευστού (υγρό που συγκεντρώνεται στην εσωτερική δεξαμενή). Το υπομόχλιο βρίσκεται σε τέτοια θέση ώστε η μετρούμενη μάζα του υγρού να είναι τριπλάσια της μάζας των πρότυπων μαζών που τοποθετούνται στο άλλο άκρο του μοχλού. Αν μετρηθεί ο χρόνος που απαιτείται για να γεμίσει η εσωτερική δεξαμενή, τότε διαιρώντας τη συνολική μετρούμενη μάζα με το χρόνο αυτό υπολογίζεται η πραγματική παροχή μάζας του υγρού. Ο χρόνος αυτός μπορεί να μετρηθεί με τη βοήθεια ενός χρονόμετρου και είναι ο χρόνος που απαιτείται για να μετακινηθεί εξωτερικά ο μοχλός από τη 3.8

35 ΑΣΚΗΣΗ 3 : ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΡΟΤΑΜΕΤΡΟΥ χαμηλότερη θέση στην οποία μπορεί να βρεθεί στη θέση τερματισμού της μέτρησης (θέση βοηθητικού μοχλού). Η μάζα της διάταξης ανάρτησης των πρότυπων μαζών έχει υπολογιστεί στη σχεδίαση της συσκευής και συνεπώς δεν πρέπει να προστεθεί στις πρότυπες μάζες κατά τον υπολογισμό της παροχής. Για το άδειασμα της εσωτερικής δεξαμενής μετά την ολοκλήρωση μιας μέτρησης, ο βοηθητικός μοχλός ελευθερώνει το μοχλό έτσι ώστε αυτός να μπορεί να κινηθεί στην υψηλότερη θέση του. Στη θέση αυτή, στην οποία θα πρέπει να κρατηθεί για μερικά δευτερόλεπτα ο μοχλός με το χέρι, ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής της εσωτερικής δεξαμενής και το υγρό επιστρέφει στη εξωτερική δεξαμενή (Σχήμα 3.5 (β)). Η βαθμονόμηση ενός ροτάμετρου μπορεί να γίνει συνεπώς με τη βοήθεια του διαγράμματος που δημιουργείται από τα ζεύγη της πραγματικής παροχής που μετράται με τη βοήθεια του υδραυλικού πάγκου και της ένδειξης του ύψους του πλωτήρα σε εκατοστά στο ροτάμετρο. (α) (β) Σχήμα 3.5 Υδραυλικός πάγκος. α) Τα τμήματα από τα οποία αποτελείται. β) Στο σχήμα αυτό φαίνεται το άδειασμα της εσωτερικής δεξαμενής όταν κρατηθεί ο μοχλός στην υψηλότερη θέση του. 3.9

36 ΑΣΚΗΣΗ 3 : ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΡΟΤΑΜΕΤΡΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Σκοπός Ο σκοπός της άσκησης αυτής είναι να γνωρίσει ο σπουδαστής το ροτάμετρο και να μάθει την πειραματική διαδικασία που ακολουθείται συνήθως για τη βαθμονόμησή του. Απαιτούμενα Υλικά Είδος Ποσότητα Είδος Ποσότητα Ροτάμετρο 1 Σωλήνας πλαστικός σύνδεσης 3 Υδραυλικός Πάγκος 1 Προέκταση καλωδίου τροφοδοσίας 1 Χρονόμετρο 1 Διάταξη (α) (β) Σχήμα 3.6 Στο σχήμα αυτό φαίνονται α) Δύο όψεις του υδραυλικού πάγκου και του ροτάμετρου που βρίσκεται επάνω σε αυτόν. β) Χρονόμετρο με εξωτερικό Start και Stop για μεγαλύτερη ακρίβεια στις μετρήσεις. ΠΙΝΑΚΑΣ 3.1 Χαρακτηριστικά του Ροτάμετρου Μήκος (ύψος) h o 0.30 m Εσωτερική διάμετρος κορυφής D 0.05 m Εσωτερική διάμετρος βάσης d 0.00 m Συντελεστής εκροής ροταμέτρου C D Χαρακτηριστικά Πλωτήρα Διάμετρος d f 0.00 m Πυκνότητα ρ f 4800 kgr / m 3 Όγκος V f 6.6 cm 3 = 6.6x10-6 m 3 Χαρακτηριστικά Ρευστού Πυκνότητα ρ 1000 kgr / m

37 ΑΣΚΗΣΗ 3 : ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΡΟΤΑΜΕΤΡΟΥ Πορεία Εργασίας Η άσκηση αυτή περιλαμβάνει δύο σκέλη. Στο πρώτο θα γίνει ο θεωρητικός υπολογισμός της παροχής του ροτάμετρου για διαφορετικά ύψη του πλωτήρα. Στο δεύτερο θα γίνει πειραματικός υπολογισμός της πραγματικής παροχής και στη συνέχεια η δημιουργία του διαγράμματος βαθμονόμησης του ροτάμετρου για το νερό. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί θα γίνουν με τη βοήθεια των εξισώσεων (3.3), (3.4) και (3.7) - (3.1) και τις τιμές των διαφόρων μεγεθών που παρέχονται στον Πίνακα 3.1. Θεωρητικοί Υπολογισμοί 1. Με τη βοήθεια της σχέσης (3.3) υπολογίστε την παροχή μάζας του νερού όταν ο πλωτήρας βρίσκεται στη μέση του ροτάμετρου (h = h o /). Με τα επιμέρους και το τελικό αποτέλεσμα της παροχής συμπληρώστε την πρώτη γραμμή του Πίνακα 3... Επιλέξτε τέσσερα διαφορετικά ύψη του πλωτήρα με τη βοήθεια του αριθμού που αντιστοιχεί στο πρώτο γράμμα του επωνύμου σας και του τελευταίου ψηφίου του αριθμού μητρώου σας με την ακόλουθη διαδικασία. Αν α είναι ο αριθμός που αντιστοιχεί στο πρώτο γράμμα του επωνύμου σας και β το τελευταίο ψηφίο του αριθμού μητρώου σας τότε το πρώτο ύψος που θα επιλέξετε είναι το h 1 = α + β σε εκατοστά. Τα επόμενα ύψη θα προκύψουν αν προστεθούν γ εκατοστά (εφαρμογή γ = 4 cm) κάθε φορά στην προηγούμενη τιμή του ύψους. Αν το ύψος που προκύπτει σε κάθε περίπτωση είναι μεγαλύτερο από το μέγιστο ύψος του ροτάμετρου τότε από την τιμή του ύψους αφαιρείται η τιμή του ροτάμετρου. Με τα επιμέρους και τα τελικά αποτελέσματα της παροχής συμπληρώστε τις στήλες του Πίνακα 3.. ΕΠΩΝΥΜΟ: Α/Α Ύψος h (cm) Επιφάνεια Πλωτήρα (cm ) ΠΙΝΑΚΑΣ 3. Επιφάνεια Εγκάρσιας Διατομής (cm ) ΑΕΜ: Επιφάνεια Δακτυλίου (cm ) Παροχή Μάζας (kgr / sec) 3. Σχεδιάστε το διάγραμμα ύψους πλωτήρα - παροχής μάζας με τη βοήθεια των τιμών του Πίνακα Αν η παροχή όγκου που παρέχεται ως ένδειξη στο δωμάτιο ελέγχου μιας βιομηχανίας είναι α m 3 / h να βρείτε με τη βοήθεια του διαγράμματος από το προηγούμενο βήμα το ύψος του πλωτήρα στο ροτάμετρο. Να περιγράψετε αναλυτικά τη μεθοδολογία που ακολουθήσατε στη γραπτή εργασία που θα παραδώσετε. Πειραματική Διαδικασία 5. Ανοίξτε το διακόπτη τροφοδοσίας με νερό του υδραυλικού πάγκου. Ανοίξτε επίσης τους διακόπτες που μπορεί να βρίσκονται πριν ή μετά από το ροτάμετρο. ΠΡΟΣΟΧΗ!!! Ανοίξτε τους διακόπτες αυτούς περίπου μέχρι το μέσο της διαδρομής τους. 6. Ελέγξτε αν υπάρχει νερό στον υδραυλικό πάγκο. 7. Ελέγξτε επίσης αν είναι πατημένος ο διακόπτης τροφοδοσίας ισχύος της αντλίας και συνδέστε τον υδραυλικό πάγκο (την αντλία του) με το δίκτυο της ΔΕΗ. 8. Απελευθερώστε τον διακόπτη τροφοδοσία ισχύος. Η αντλία νερού αρχίζει να λειτουργεί. Θα 3.11

38 ΑΣΚΗΣΗ 3 : ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΡΟΤΑΜΕΤΡΟΥ παρατηρήσετε ότι το νερό αρχίζει να διαρρέει τους σωλήνες της διάταξης ενώ ο πλωτήρας ανεβαίνει σε κάποια θέση. 9. Ρυθμίστε με προσοχή τους διακόπτες τροφοδοσίας νερού ώστε ο πλωτήρας να μπορεί να ανεβεί στο μέγιστο ύψος του ροτάμετρου. Κατά τη διάρκεια αυτής της λειτουργίας θα παρατηρήσετε ότι μπορεί να υπάρχουν φυσαλίδες αέρα στη διάταξη οι οποίες όμως καθώς επαναλαμβάνεται ο κύκλος του νερού μειώνονται και τελικά εξαφανίζονται. Μόνο τότε θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί η διάταξη για μετρήσεις. 10. Ρυθμίστε κάποιο διακόπτη ώστε ο πλωτήρας να κατεβεί στα μηδέν (0) εκατοστά της βαθμολογημένης κλίμακας. 11. Προσθέστε στη διάταξη ανάρτησης του πάγκου1 kgr. Το πραγματικό βάρος του νερού που θα μετρήσετε θα είναι συνεπώς 3 kgr. 1. Μετακινώντας τον μοχλό του πάγκου στην υψηλότερη θέση του αδειάστε την εσωτερική δεξαμενή. 13. Αφήστε το μοχλό ελεύθερο ενώ ταυτόχρονα με τον βοηθητικό μοχλό διακόψτε τη διαδρομή του μοχλού μέχρι τη υψηλότερη θέση του. Αυτός επιστρέφει στη χαμηλότερη θέση του. Από τη στιγμή αυτή και μέχρι να φτάσει ο μοχλός στη θέση στάσης στον βοηθητικό μοχλό μετρήστε με τη βοήθεια του χρονομέτρου το χρόνο. Αν ο χρόνος αυτό είναι πολύ μικρός, αυξήστε την πρότυπη μάζα στη διάταξη ανάρτησης και επαναλάβατε τη μέτρηση. Με τις τιμές της μάζας του νερού στην εσωτερική δεξαμενή, το ύψος του πλωτήρα και το χρόνο που μετρήσατε συμπληρώστε στις αντίστοιχες θέσεις την πρώτη στήλη του Πίνακα Επαναλάβατε τα βήματα (βήματα 1-13) της προηγούμενη διαδικασίας ανά cm της θέσης του πλωτήρα μέχρι να συμπληρωθεί ο Πίνακας Με τη βοήθεια της μάζας του νερού και των χρόνων που μετρήσατε υπολογίστε την πραγματική παροχή μάζας και συμπληρώστε την τελευταία γραμμή του Πίνακα Σχεδιάστε σε βαθμολογημένους άξονες το διάγραμμα ύψους πλωτήρα - πραγματική παροχής που αποτελεί και το διάγραμμα βαθμονόμησης του συγκεκριμένου ροτάμετρου όταν διαρρέεται από νερό. 17. Για τρεις διαφορετικές τιμές του ύψους του πλωτήρα και των αντίστοιχων πραγματικών παροχών όπως προκύπτουν από την πειραματική διαδικασία υπολογίστε τις τιμές του συντελεστή εκροής C D με τη βοήθεια της σχέσης (3.3). Μάζα Νερού (kgr) Χρόνος (sec) Ύψος Πλωτήρα (cm) Πραγματική Παροχή (kgr / sec) Γραπτή Εργασία ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3 Θα περιλαμβάνει α) σύντομη θεωρία, β) τους πίνακες 3. και 3.3 συμπληρωμένους γ) τα δύο διαγράμματα, δ) αναλυτικά τους υπολογισμούς του βήματος 4 και ε) αναλυτικά του υπολογισμούς του βήματος

39 4 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ

40

41 ΑΣΚΗΣΗ 4 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΘΕΩΡΙΑ Μέτρηση Θερμοκρασίας Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας ορίζεται μια κλίμακα χρησιμοποιώντας ως σημεία αναφοράς τα σημεία τήξης ή βρασμού των υλικών. Τότε τα διάφορα σημεία της κλίμακας αναπαράγονται εύκολα και με πολύ μεγάλη ακρίβεια. Οι πιο συνηθισμένες κλίμακες για τη μέτρηση της θερμοκρασίας είναι η κλίμακα Κελσίου ( ο C), η κλίμακα Fahrenheit ( o F) και η κλίμακα Kelvin ( o K). Οι τρεις αυτές κλίμακες φαίνονται στο Σχήμα 4.1. Στην κλίμακα Κελσίου (Celcius) - ονομάζεται και εκατονταβάθμια - το σημείο πήξης του νερού αντιστοιχεί στους 0 C και η θερμοκρασία βρασμού του στους 100 ο C. Στην κλίμακα Φαρενάϊτ (Fahrenheit), το σημείο πήξης του νερού αντιστοιχεί στους 3 F και το σημείο βρασμού του στους 1 F. Στη θερμοδυναμική κλίμακα Κέλβιν (Kelvin) το σημείο πήξης του νερού αντιστοιχεί στους 73,16 Κ και το σημείο βρασμού του στους 373,15 o Κ. Η θερμοκρασία μετατρέπεται από βαθμούς Κελσίου σε Fahrenheit και αντίστροφα με τη βοήθεια των σχέσεων (4.1) και (4.) : 9 F C 3 (4.1) 5 5 C F 3 (4.) 9 Σχήμα 4.1 Στο σχήμα αυτό φαίνεται η αντιστοίχιση των τριών κλιμάκων μέτρησης θερμοκρασίας για επτά διαφορετικές τιμές της θερμοκρασίας. Αισθητήρια - Μετατροπείς Θερμοκρασίας Τα αισθητήρια μέτρησης θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται σε ένα τεράστιο πλήθος εφαρμογών τόσο στη βιομηχανία όσο και στην καθημερινή ζωή. Για το λόγο αυτό, διατίθεται στο εμπόριο ένας μεγάλος αριθμός από διαφορετικά αισθητήρια θερμοκρασίας και μάλιστα σε σχετικά χαμηλές 4.1

42 ΑΣΚΗΣΗ 4 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ τιμές. Ο έλεγχος της θερμοκρασίας είναι επιθυμητός σε πολυάριθμες εφαρμογές και ανάλογα με την εφαρμογή επιλέγεται ο καταλληλότερος τύπος αισθητηρίου ή μετατροπέα θερμοκρασίας. Οι βασικότεροι τύποι αισθητηρίων ή μετατροπέων είναι ονομαστικά οι εξής: Τα θερμόμετρα διαστολής τα οποία χωρίζονται στις εξής υποκατηγορίες: α) τα θερμόμετρα υγρού, β) τα μεταλλικά θερμόμετρα και γ) τα αισθητήρια θερμοκρασίας διμεταλλικού τύπου. Οι μετατροπείς αντίστασης μετάλλου. Τα θερμίστορ. Τα θερμοζεύγη. Οι ημιαγωγικοί μετατροπείς θερμοκρασίας Θερμόμετρα υγρού Είναι τα αρχαιότερα θερμόμετρα που όμως και σήμερα χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές εξαιτίας του χαμηλού κόστους τους. Τα πιο γνωστά υγρά που περιέχονται σε αυτά είναι ο υδράργυρος και το οινόπνευμα (Σχήμα 4.(α)). Τα θερμόμετρα αυτά αποτελούνται από μια κοιλότητα (δεξαμενή, μπίλια) στην οποία υπάρχει το υγρό και ένα τριχοειδή γυάλινο σωλήνα που συνδέεται με την κοιλότητα αυτή. Όταν το θερμόμετρο θερμαίνεται, το υγρό διαστέλλεται και αυξάνει το ύψος του μέσα στη γυάλινη στήλη. Μια κατάλληλα βαθμολογημένη κλίμακα παρέχει την ένδειξη της θερμοκρασίας (ύψος του υγρού στη στήλη). Τα θερμόμετρα υδραργύρου έχουν θερμοκρασιακό εύρος από -35 C έως +510 C, ενώ τα θερμόμετρα αλκοόλης από -80 C έως και +70 C. Το πρόβλημα με τα θερμόμετρα υγρού είναι ότι δεν μπορούν εύκολα να χρησιμοποιηθούν σαν αισθητήρια σε ένα σύστημα αυτομάτου ελέγχου ούτε να δώσουν τη μέτρηση σε Η/Υ, παρά το γεγονός ότι έχουν γίνει προσπάθειες και υπάρχουν κάποιοι τύποι κατάλληλοι για αυτό το σκοπό. (α) (β) Σχήμα 4. Θερμόμετρα διαστολής. α) Θερμόμετρο υγρού. β) Μεταλλικό θερμόμετρο. Η ένδειξη αυτού του θερμομέτρου παρέχεται με τη βοήθεια ενός σωλήνα Bourdon. Μεταλλικά θερμόμετρα Tα μεταλλικά θερμόμετρα βασίζονται στην ίδια αρχή λειτουργίας που βασίζονται και τα θερμόμετρα υγρού. Στο Σχήμα 4. (β) απεικονίζεται ένα τυπικό μεταλλικό θερμόμετρο. Αυτό αποτελείται από μια μεταλλική κοιλότητα (συχνά κατασκευασμένη από ανοξείδωτο χάλυβα) που περιέχει ένα υγρό, συνήθως υδράργυρο ή αλκοόλη και το οποίο συχνά βρίσκεται υπό πίεση. Η 4.

43 ΑΣΚΗΣΗ 4 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ μεταλλική κοιλότητα συνδέεται με έναν εύκαμπτο τριχοειδή σωλήνα. Σε αντίθεση με τα θερμόμετρα υγρού, η θερμοκρασία μετράται με τη βοήθεια ενός σωλήνα Bourdon ο οποίος είναι βαθμονομημένος σε μονάδες θερμοκρασίας. Όταν διαστέλλεται το υγρό εξαιτίας μιας αύξησης στη θερμοκρασία ο σωλήνας Bourdon ευθυγραμμίζεται ελαφρά. Η κίνηση αυτή ενισχύεται μηχανικά με τη βοήθεια γραναζιών και μοχλών και αναγκάζει μια ενδεικτική βελόνα να κινηθεί, οπότε παρέχεται μία άμεση ένδειξη της θερμοκρασίας. Τα κύρια πλεονεκτήματα των μεταλλικών θερμομέτρων είναι ότι είναι πιο ευκίνητα από τα θερμόμετρα υγρού και οι ενδείξεις τους μπορούν να διαβαστούν από απόσταση (έως και 35 μέτρα). Αυτά είναι γενικά πιο ακριβά από τα θερμόμετρα υγρού. Σχήμα 4.3 Αισθητήρια στοιχεία διμεταλλικού τύπου. α) Αρχή λειτουργίας. β) Θερμοστάτης. γ) Τυπικά διμεταλλικά θερμόμετρα. Αισθητήρια θερμοκρασίας διμεταλλικού τύπου Τα αισθητήρια θερμοκρασίας αυτής της κατηγορίας, στηρίζουν τη λειτουργία τους στο φυσικό φαινόμενο της διαστολής των μετάλλων. Ιδιαίτερα στην ιδιότητα ενός διμεταλλικού ελάσματος - έλασμα αποτελούμενο από δύο συγκολλημένα μεταξύ τους ελάσματα - να κάμπτεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Τα ελάσματα πρέπει να είναι από υλικά με διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής και η κάμψη οφείλεται ακριβώς σε αυτή την ανισοτροπία του διμεταλλικού ελάσματος όσον αφορά τη διαστολή του. Όταν το ένα άκρο του ελάσματος είναι σταθερά τοποθετημένο, τότε το άλλο μετακινείται, και η θέση του αντιστοιχεί στη μετρούμενη εκείνη τη στιγμή θερμοκρασία (Σχήμα 4.3 (α)). Είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια κάποιο αισθητήριο θέσης με τη βοήθεια του οποίου παράγεται ένα ηλεκτρικό σήμα ανάλογο (υπό συνθήκες) της θερμοκρασίας. Τέτοια αισθητήρια κυκλοφορούν ευρύτατα εξαιτίας του μικρού τους κόστους και της απλότητας τους. Υπάρχουν διάφορες παραλλαγές στη βασική χρήση του διμεταλλικού ελάσματος. Στην πιο ενδιαφέρουσα από αυτές, το διμεταλλικό έλασμα χρησιμοποιείται σαν επαφή που ανοίγει ή κλείνει κάποιο ηλεκτρικό κύκλωμα (θερμοστάτης) (Σχήμα 4.3(β)). Οι θερμοστάτες χρησι- 4.3

44 ΑΣΚΗΣΗ 4 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ μοποιούνται σε οικιακές συσκευές (σίδηρο, τοστιέρα), για τον έλεγχο της κεντρικής θέρμανσης, αλλά και σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές όταν είναι επιθυμητός ο έλεγχος της θερμοκρασίας δύο καταστάσεων (ON-OFF). Στο Σχήμα 4.3(γ) απεικονίζεται ένα τυπικό διμεταλλικό θερμόμετρο. Σε αυτό ένα μεταλλικό έλασμα κάμπτεται σε ελικοειδή μορφή για να υπάρχει αυξημένη ευαισθησία. Η μεταβολή της θερμοκρασίας προκαλεί συστροφή του ελάσματος ως προς το άλλο άκρο. Στο ελεύθερο άκρο ελάσματος συνδέεται ένας άξονας και έτσι η περιστροφή του άκρου μεταφέρεται σε μια ενδεικτική βελόνα, η οποία μπορεί να κινείται επάνω σε μια βαθμονομημένη κλίμακα. Αυτή η διάταξη επιτρέπει την άμεση ανάγνωση της θερμοκρασίας. Το μεταλλικό θερμόμετρο χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας σε φούρνους, σωληνώσεις ζεστού νερού και θαλάμους ατμού. Αυτό είναι συμπαγές, κινητό, σχετικά φθηνό, και έχει ωφέλιμο θερμοκρασιακό εύρος από περίπου -35 o C έως +600 o C με γενικά καλή ακρίβεια. Παρόλα αυτά, απαιτείται συχνή βαθμονόμηση, επειδή το μεταλλικό έλασμα εμφανίζει γήρανση. Επιπλέον, τα διμεταλλικά θερμόμετρα δεν προσφέρονται για χρήση από απόσταση και αποκρίνονται αργά στις μεταβολές θερμοκρασίας. Μετατροπείς Αντίστασης Μετάλλου ή Αισθητήρια Θερμοκρασίας με Αντίσταση Τα αισθητήρια αυτά είναι γενικά γνωστά ως RTDs (Resistance Temperature Detectors). Η κατηγορία αυτή των αισθητηρίων θερμότητας βασίζεται στo φαινόμενο της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης των μετάλλων όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία. Το απλούστερο από τα αισθητήρια αυτά αποτελείται από ένα λεπτό σύρμα από χαλκό, νικέλιο ή πλατίνα που αφού πάρει κατάλληλο σχήμα - συνήθως μαιάνδρου - κλείνεται σε ένα προστατευτικό περίβλημα. Στο Σχήμα 4.4 φαίνονται μερικοί τύποι τέτοιων αισθητηρίων στην εμπορική τους μορφή. Σχήμα 4.4 Μετατροπείς αντίστασης μετάλλου (RTD). Το παραπάνω αισθητήριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για την μέτρηση της θερμοκρασίας ενός υγρού ή αερίου - οπότε απλώς βαπτίζεται στο ρευστό - είτε για την μέτρηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας των στερεών - οπότε το αισθητήριο έχει τη μορφή λεπτού φιλμ και επικολλάται στην επιφάνεια στην οποία είναι επιθυμητή η μέτρηση της θερμοκρασίας. Η μέτρηση συνεπώς της θερμοκρασίας ανάγεται και πάλι σε μέτρηση μικρών μεταβολών ηλεκτρικής αντίστασης - όπως και στη περίπτωσης της παραμόρφωσης. 4.4

45 ΑΣΚΗΣΗ 4 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Θερμίστορς Μια άλλη κατηγορία θερμομέτρων αντίστασης είναι τα θερμίστορς (thermistors). Τα θερμίστορς χρησιμοποιούν την ίδια αρχή λειτουργίας, όπως τα θερμόμετρα ηλεκτρικής αντίστασης, δηλαδή την αλλαγή της αντίστασης με τη θερμοκρασία. Αυτά σε αντίθεση με τα προηγούμενα που χρησιμοποιούν μεταλλικό στοιχείο αντίστασης, κατασκευάζονται από ημιαγωγικά υλικά. Το πλεονέκτημα τους είναι η μεγάλη ευαισθησία τους σε μεταβολές της θερμοκρασίας. Σε αντίθεση με τους μεταλλικούς αγωγούς, τα περισσότερα από αυτά παρουσιάζουν μείωση της αντίστασης με την αύξηση της θερμοκρασίας (NTC). Συνηθισμένα θερμίστορς μπορεί να έχουν αντίσταση της τάξης των μερικών δεκάδων Ω σε υψηλές θερμοκρασίες και εκατοντάδες ΜΩ σε χαμηλές θερμοκρασίες. Τα θερμίστορς χρησιμοποιούνται σε όλο και περισσότερες εφαρμογές καθώς το κόστος τους μειώνεται και η αξιοπιστία τους αυξάνει. Περισσότερα στοιχεία για αυτά τα αισθητήρια στοιχεία μέτρησης θα δοθούν σε επόμενη άσκηση στην οποία θα εξεταστεί η μέτρηση της θερμοκρασίας με θερμίστορς καθώς και η βαθμονόμησή τους. (α) (β) Σχήμα 4.5 α) Αρχή μέτρησης με θερμοζεύγος. β) Συνήθεις τύποι θερμοζευγών και τα όρια θερμοκρασιών που μπορούν να μετρήσουν. 4.5

46 ΑΣΚΗΣΗ 4 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Θερμοστοιχεία ή Θερμοζεύγη Ένα άλλο αισθητήριο θερμοκρασίας είναι το θερμοστοιχείο ή θερμοζεύγος. Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο ή φαινόμενο Seebeck (Seebeck effect). Σύμφωνα με αυτό όταν ένα ζευγάρι από δύο διαφορετικά μέταλλα σχηματίζει ένα βρόχο και τα δύο σημεία σύνδεσης βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες, τότε θα υπάρξει ροή ρεύματος με τιμή ανάλογη της διαφοράς θερμοκρασίας (Σχήμα 4.5(α)). Οι αναπτυσσόμενες τάσεις είναι της τάξης των μιλιβόλτς (mv) και συνεπώς απαιτούνται ευαίσθητα ηλεκτρονικά κυκλώματα για τη σωστή μέτρηση τους. Ακόμη για να είναι δυνατή η μέτρηση της θερμοκρασίας πρέπει να υπάρχει μια άλλη θερμοκρασία αναφοράς - αφού το θερμοστοιχείο μόνο διαφορές θερμοκρασίας αντιλαμβάνεται. Η θερμοκρασία αυτή - που συνήθως είναι οι 0 ο C - προσομοιώνεται ηλεκτρονικά. Αυτό σημαίνει ότι το ηλεκτρονικό κύκλωμα του αισθητηρίου παράγει την τάση που θα παρήγαγε η κρύα επαφή. Έτσι το όργανο διαθέτει μόνο μια επαφή που χρησιμοποιείται απευθείας για την μέτρηση της θερμοκρασίας. Τα θερμοζεύγη χρησιμοποιούνται ευρύτατα στη βιομηχανία λόγω του χαμηλού τους κόστους και της αξιοπιστίας τους. Στο Σχήμα 4.5(β) φαίνονται τα όρια θερμοκρασιών μέτρησης για συνήθεις τύπους θερμοζευγών. Θα εξεταστούν και αυτά διεξοδικά σε επόμενη άσκηση. Ημιαγωγικοί Μετατροπείς Θερμοκρασίας Οι πιο σημαντικοί ημιαγωγικοί μετατροπείς θερμοκρασίας είναι α) οι αντιστάσεις, β) οι δίοδοι και, γ) τα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Οι ημιαγωγικές αντιστάσεις έχουν θετικό συντελεστή θερμοκρασίας συνήθως 0,8 % της πλήρους κλίμακας ανά βαθμό Κελσίου ενώ η συμπεριφορά τους θεωρείται γραμμική. Το σφάλμα μη γραμμικότητας είναι συνήθως περίπου 0,5% της πλήρους κλίμακας. Οι τιμές των ημιαγωγικών αντιστάσεων σε κανονική θερμοκρασία (5 ο C) ποικίλουν από μερικές δεκάδες Ω σε δεκάδες ΚΩ. Οι ημιαγωγικές αντιστάσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε γέφυρα όπως τα RTD και τα θερμίστορ. Όπως και προηγούμενα θα πρέπει και εδώ να λαμβάνεται υπόψη η θέρμανση της αντίστασης από την εκλυόμενη θερμότητα εξαιτίας της διέλευσης του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από αυτήν. Όπως είναι γνωστό η μεταβολή της τάσης σε μια δίοδο κατά τη μεταβολή της θερμοκρασίας είναι περίπου -,3 mv/ ο C για ενώσεις πυριτίου και -,1 mv/ ο C για ενώσεις γερμανίου. Αυτό σημαίνει ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας, η τάση μιας ένωσης μειώνεται για σταθερό ρεύμα. Αυτή η θερμοκρασιακή εξάρτηση της τάσης μιας ένωσης σε δίοδο ή σε τρανζίστορ (ένωση βάσης - εκπομπού) χρησιμοποιείται για την κατασκευή μετατροπέων θερμότητας. Αυτοί οι μετατροπείς έχουν γρήγορη απόκριση. Τέλος υπάρχουν ολοκληρωμένα κυκλώματα τα οποία είναι έτσι κατασκευασμένα ώστε να συμπεριφέρονται σαν πηγές ρεύματος των οποίων η ένταση εξαρτάται από την θερμοκρασία. Αυτά τα κυκλώματα χρησιμοποιούνται σαν μετατροπείς θερμοκρασίας οι οποίοι είναι γραμμικοί και πολύ εύκολοι στη χρήση. Παρακάτω σε αυτή την άσκηση παρουσιάζεται ένα τέτοιο αισθητήριο μέτρησης της θερμοκρασίας. Αισθητήριο Στοιχείο Μέτρησης Θερμοκρασίας LM35 Γενική περιγραφή Στο εμπόριο παρέχεται ένα μεγάλο πλήθος από αισθητήρια στοιχεία θερμοκρασίας σε ολοκληρωμένη μορφή που επιτρέπουν τη μέτρηση της θερμοκρασίας ανάλογα με τον τύπο τους στην επιθυμητή κάθε φορά κλίμακα θερμοκρασίας. 4.6

47 ΑΣΚΗΣΗ 4 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Το ολοκληρωμένο κύκλωμα LM35 είναι ένα ακριβείας αισθητήριο στοιχείο μέτρησης της θερμοκρασίας, του οποίου η τάση εξόδου είναι γραμμικά ανάλογη με την εκατοντάβαθμη κλίμακα μέτρησης θερμοκρασίας του Κελσίου. Το LM35 χωρίς βαθμολόγηση ή ρύθμιση παρέχει ακρίβεια ± ¼ C στη θερμοκρασία δωματίου και ± ¾ C στην πλήρη κλίμακα μέτρησης από 55 C έως 150 C. Η χαμηλή σύνθετη αντίσταση εξόδου του LM35, η γραμμική συμπεριφορά της εξόδου του και η ακριβής κατά το στάδιο της κατασκευής του βαθμονόμηση επιτρέπουν την εύκολη διασύνδεσή του σε κυκλώματα απεικόνισης ή ελέγχου. Μπορεί να τροφοδοτηθεί από ένα απλό ή και συμμετρικό τροφοδοτικό με τάση από 4 έως 30 V. Καθώς απορροφάει μόνο 60 µa για την τροφοδότησή του, θερμαίνεται (θέρμανση λόγω λειτουργίας) λιγότερο από 0.1 C. Στην έξοδό του παρέχει 10 mv/ C ενώ το σφάλμα μέτρησης είναι μικρότερο από 0.5 C στη θερμοκρασία περιβάλλοντος (5 C). Οι βασικοί τρόποι συνδεσμολογίας του καθώς και η αντιστοιχία των ακροδεκτών στους περισσότερο χρησιμοποιούμενους τύπους με πλαστικό ή μεταλλικό περίβλημα δίνονται στο Σχήμα 4.6. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα μεγάλο πλήθος εφαρμογών μέτρησης της θερμοκρασίας ακόμη και για τη μέτρηση της από απόσταση. Περισσότερες πληροφορίες για το ολοκληρωμένο αυτό όπως και για πολλά άλλα υπάρχουν στα φύλλα δεδομένων των κατασκευαστών. Σχήμα 4.6 α) Βασική συνδεσμολογία. Μπορεί να μετρήσει από έως 150 C. β) και γ) Οι συνδεσμολογίες αυτές μπορούν μα μετρήσουν θερμοκρασίες από -55 έως 150 C. δ) Αντιστοίχιση των ακροδεκτών στο LM35 που κατασκευάζεται με πλαστικό περίβλημα. ε) Αντιστοίχιση των ακροδεκτών στο LM35 που κατασκευάζεται με μεταλλικό περίβλημα. 4.7

48 ΑΣΚΗΣΗ 4 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Σκοπός Ο σκοπός της άσκησης αυτής είναι να γνωρίσει ο σπουδαστής ένα ημιαγωγικό μετατροπέα θερμοκρασίας. Να γνωρίσει τα βασικά χαρακτηριστικά του και να σχεδιάσει την καμπύλη βαθμονόμησης του. Απαιτούμενα Υλικά Είδος Ποσότητα Είδος Ποσότητα Ηλεκτρονικό κύκλωμα με LM35 1 Υδραργυρικό θερμόμετρο 1 Δοχείο ζέσης 1 λίτρου 1 Βολτομέτρο 1 Ηλεκτρική αντίσταση 1000 W 1 Αναδευτήρας 1 Ρυθμιστής τροφοδοσίας ισχύος 1 Διάταξη Σχήμα 4.7 Διάταξη μέτρησης της θερμοκρασίας με το ολοκληρωμένο LM35 και βαθμονόμηση του probe. Πορεία Εργασίας 1. Δημιουργήστε τη διάταξη του Σχήματος 4.7. Η διάταξη αυτή αποτελείται από το αισθητήριο στοιχείο μέτρησης της θερμοκρασίας που βρίσκεται σε δοχείο που περιέχει ένα λίτρο νερό. Στο δοχείο αυτό έχει τοποθετηθεί ήδη η ηλεκτρική αντίσταση η οποία συνδέεται διαμέσου ενός ρυθμιστή ισχύος με το δίκτυο της Δ.Ε.Η.. Ένα βολτόμετρο που έχει ρυθμιστεί προηγούμενα 4.8

49 ΑΣΚΗΣΗ 4 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ώστε να μετράει μέχρι 000 mv συνδέεται στα άκρα του στοιχείου μέτρησης. Στο δοχείο έχει τοποθετηθεί επίσης ένα υδραργυρικό θερμόμετρο.. Πριν ξεκινήσει η θέρμανση της αντίστασης παρατηρήστε τις ενδείξεις του θερμομέτρου και του βολτόμετρου και συμπληρώστε με τις τιμές αυτές την πρώτη γραμμή του Πίνακα 4.1. Α/Α ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ( o C) ΠΙΝΑΚΑΣ 4.1 ΜΕΤΡΟΥΜΕΝΗ ΤΑΣΗ (mv) ΜΕΤΡΟΥΜΕΝΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ( o C) ΣΦΑΛΜΑ % Ρυθμίστε το ποτενσιόμετρο στο ρυθμιστή ισχύος στα δύο τρίτα περίπου της διαδρομής του και αρχίστε να καταγράφετε τις ενδείξεις του υδραργυρικού θερμομέτρου (πραγματική θερμοκρασία) και τις τάσεις που παρέχει το βολτόμετρο κάθε α o C περίπου (εφαρμογή α = ). Με τις τιμές αυτές συμπληρώστε τον Πίνακα 4.1 (15 συνολικά ζευγάρια τιμών). ΠΡΟΣΟΧΗ!!! Πρέπει να αναδεύετε συνεχώς το νερό ώστε να υπάρχει ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας. 4. Υπολογίστε τη μετρούμενη θερμοκρασία που αντιστοιχεί στην τάση που μετρήσατε για το στοιχείο LM35 και συμπληρώστε την τρίτη στήλη του Πίνακα 4.1. Η μετρούμενη θερμοκρασία προκύπτει αν διαιρέσετε κάθε τιμή της μετρούμενης τάσης με την τάση που αντιστοιχεί στον 1 o C (10 mv). Ως παράδειγμα αναφέρεται ότι τάση εξόδου του LM35 ίση με 560 mv αντιστοιχεί σε 56 o C. 5. Σχεδιάστε το διάγραμμα βαθμονόμησης του στοιχείου δηλαδή το διάγραμμα μετρούμενης θερμοκρασίας - πραγματικής θερμοκρασίας. 6. Υπολογίστε στη συνέχεια το % σφάλμα (e%) και συμπληρώστε την τέταρτη στήλη του Πίνακα 4.1. Υπενθυμίζεται ότι το % σφάλμα (e%) της μετρούμενης από την πραγματική τιμή για 4.9

50 ΑΣΚΗΣΗ 4 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ κάποιο μέγεθος Μ υπολογίζεται από τη σχέση (4.3). Εδώ ως πραγματική θερμοκρασία θα λάβετε τη θερμοκρασία μέτρησης με το υδραργυρικό θερμόμετρο. M Πραγματική M Μετρούμενη e% 100 % (4.3) M Πραγματική 7. Σχεδιάστε τέλος το διάγραμμα του % σφάλματος (e%) με την πραγματική θερμοκρασία. Ερωτήσεις Ποια είναι τα πλεονεκτήματα του LM35 σε σχέση με άλλα αισθητήρια στοιχεία μέτρησης της θερμοκρασίας; Ποια είναι τα όρια μέτρησης θερμοκρασίας ενός LM35 και ποια ενός θερμοζεύγους; Ποιο τύπο θερμομέτρου θα επιλέγατε αν θα θέλατε να είχατε γρήγορη απόκριση σε μία εφαρμογή μέτρησης της θερμοκρασίας; Ποιο τύπο θερμομέτρου θα επιλέγατε για τη μέτρηση πολύ υψηλών θερμοκρασιών; Γραπτή Εργασία Θα περιλαμβάνει α) σύντομη θεωρία, β) τον πίνακα 4.1 συμπληρωμένο γ) τα δύο διαγράμματα, και δ) τις απαντήσεις στις ερωτήσεις. 4.10

51 5 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ

52

53 ΑΣΚΗΣΗ 5 : ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ ΘΕΩΡΙΑ Θερμίστορ Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη άσκηση, μια άλλη κατηγορία θερμομέτρων αντίστασης είναι αυτά που κατασκευάζονται με θερμίστορς (thermistors). Αυτά χρησιμοποιούν την ίδια αρχή λειτουργίας, όπως τα θερμόμετρα ηλεκτρικής αντίστασης (RTDs). Ο όρος θερμίστορ χρησιμοποιείται για να περιγράψει μια σειρά από ηλεκτρονικά εξαρτήματα το χαρακτηριστικό των οποίων είναι η αλλαγή της ηλεκτρικής αντίστασής τους όταν αλλάζει η θερμοκρασία τους. Η λέξη θερμίστορ προέρχεται από τις λέξεις «αντίσταση ευαίσθητη στη θερμοκρασία» (Thermistor Thermally Sensitive Resistor). Τα θερμίστορς ταξινομούνται σε θετικού συντελεστή θερμοκρασίας (Positive Temperature Coefficient, PTC) στα οποία αυξάνεται πολύ η αντίσταση τους με την αύξηση της θερμοκρασίας και αρνητικού συντελεστή θερμοκρασίας (Negative Temperature Coefficient, NTC). Τα τελευταία παρουσιάζουν μεγάλη μείωση της αντίστασης με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η αντίσταση των θερμίστορς μπορεί να μεταβάλλεται από μερικές δεκάδες Ω μέχρι μερικές δεκάδες ΜΩ. Χρησιμοποιούνται σε ολοένα και περισσότερες εφαρμογές καθώς αυξάνει η αξιοπιστία τους και μειώνεται το κόστος τους. Στο Σχήμα 5.1 (α) και (β) φαίνονται θερμίστορς θετικού και αρνητικού συντελεστή θερμοκρασίας καθώς και η τυπική μεταβολή της αντίστασής τους σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία. Στο Σχήμα 5.1 (γ) φαίνεται το θεωρητικό σύμβολο ενός θερμίστορ. (α) (β) (γ) Σχήμα 5.1 α) και β) Θερμίστορς θετικού και αρνητικού συντελεστή θερμοκρασίας. γ) Το θεωρητικό σύμβολο ενός θερμίστορ. 5.1

54 ΑΣΚΗΣΗ 5 : ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ Κατασκευή των Θερμίστορς Κατασκευάζονται από κεραμικού τύπου ημιαγωγούς οι οποίοι εμφανίζουν πολύ μεγαλύτερες αλλαγές αντίστασης για δεδομένες μεταβολές θερμοκρασίας. Τέτοιοι ημιαγωγοί είναι τα μίγματα των μεταλλικών οξειδίων του μαγγαvίου, του νικελίου, του χρωμίου, του τιτανίου και του κοβαλτίου, όχι όμως το πυρίτιο ή το γερμάvιο, που είναι τα γνωστότερα ημιαγωγικά υλικά. Η αντίσταση αυτών των υλικών είναι πολύ ευαίσθητη στις μεταβολές της θερμοκρασίας. Αυτά συνδυάζονται με το κατάλληλο συνδετικό υλικό ώστε να αποκτήσουν το κατάλληλο σχήμα και θερμαίνονται σε συνεχώς αυξανόμενη θερμοκρασία (μέχρι ενός ορίου), ενώ ταυτόχρονα συμπιέζονται. Στη συνέχεια τοποθετούνται οι μεταλλικοί ακροδέκτες και καλύπτονται από γυαλί ή εποξικό υλικό. Το γυαλί ή το εποξικό υλικό προσδίδουν στα θερμίστορ μηχανική αντοχή και υψηλή ηλεκτρική αντίσταση (μόνωση). Μεταβάλλοντας το μίγμα των οξειδίων επιτυγχάνονται για τα θερμίστορς περιοχές αντιστάσεων από 30 Ω έως 0 ΜΩ (στους 5 o C). Επιπλέον η ταχύτητα μεταβολής της αντίστασής τους σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία στο σώμα τους εξαρτάται από το εμβαδό της επιφάνειάς τους. (α) (β) (γ) Σχήμα 5. Κατασκευή των θερμίστορς. (δ) Τα θερμίστορς μπορούν να κατασκευαστούν επίσης και με τη διαδικασία που κατασκευάζονται τα 5.

55 ΑΣΚΗΣΗ 5 : ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ υπόλοιπα ημιαγωγικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Δηλαδή από το μίγμα των μεταλλικών οξειδίων που επιλέγεται κατασκευάζεται ένα «wafer» (κυκλικός δίσκος πολύ λεπτού πάχους από το υλικό). Το «wafer» καλύπτεται και από τις δύο όψεις του με αγώγιμη μελάνη που βασίζεται στον άργυρο ή το χρυσό και γίνεται επιμετάλλωση. Στη συνέχεια κόβεται σε πολύ μικρά ορθογώνια κομμάτια με τη βοήθεια ειδικών κοπτικών εργαλείων ή λέϊζερ, τα «chip», διαστάσεων 1mm X 1mm X 0.5 mm. Σε κάθε «chip» τοποθετούνται οι ακροδέκτες και αυτό καλύπτεται από γυαλί ή εποξικό υλικό όπως και στην προηγούμενη διαδικασία. Στο Σχήμα 5. φαίνονται κάποια στοιχεία από τους διαφορετικούς αυτούς τρόπους κατασκευής των θερμίστορς. Απόκριση των Θερμίστορς στη Θερμοκρασία Όπως αναφέρθηκε η αντίσταση των NTC θερμίστορς μειώνεται με τη θερμοκρασία. Η σχέση ανάμεσα στις δύο ποσότητες είναι εκθετική, σε αντίθεση με τη γραμμική σχέση που υπάρχει στα θερμόμετρα ηλεκτρικής αντίστασης. Η αντίσταση ενός θερμίστορ δίνεται από τη σχέση: 1 1 β T T0 t R0 e R (5.1) όπου: R t είναι η αντίσταση του θερμίστορ σε θερμοκρασία T βαθμούς Κέλβιν, (σε Ω) T είναι η απόλυτη θερμοκρασία (σε ο Κ). R 0 είναι η αντίσταση του θερμίστορ στη θερμοκρασία αναφοράς T 0 βαθμούς Κέλβιν, (σε Ω). β είναι η σταθερή του θερμίστορ, σε ο Κ. Η σταθερή του θερμίστορ (thermistor constant), β, είναι διαφορετική για κάθε τύπο θερμίστορ και εξαρτάται από το υλικό και τη διαδικασία κατασκευής. Τυπικά το β έχει τιμές από 3000 ο Κ έως 5000 ο Κ, ενώ μια τυπική τιμή για την αντίσταση R 0 είναι τα 000 Ω. Το θερμίστορ μπορεί να συνδεθεί σε ένα βραχίονα μίας γέφυρας Wheatstone, όπως στην περίπτωση του θερμομέτρου ηλεκτρικής αντίστασης (Σχήμα 5.3.). Όταν το θερμίστορ διαρρέεται από ρεύμα, θερμαίνεται και έτσι προκαλείται ολίσθηση (Drift) της τιμής της αντίστάσής του, δηλαδή αλλοιώνονται τα χαρακτηριστικά του. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται αυτοθέρμανση (self-heating) και αντισταθμίζεται με τη βοήθεια ενός δεύτερου θερμίστορ, το οποίο διατηρείται σε σταθερή θερμοκρασία. R 1 R + - G R 3 R x Σχήμα 5.3 Γέφυρα Wheatstone στην οποία η μία αντίσταση είναι θερμίστορ (R x ). Χαρακτηριστικά των Θερμίστορς Κάποια από τα χαρακτηριστικά των θερμίστορς είναι τα εξής: Άλφα (α). Εκφράζει τη μέση επί % αλλαγή της αντίστασης ανά 1 C θερμοκρασίας και συνήθως 5.3

56 ΑΣΚΗΣΗ 5 : ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ ορίζεται στους 5 C. Το α είναι μη γραμμικό μέγεθος. Βήτα (β). Είναι η ποσοτική τιμή που δίνεται ως χαρακτηριστικό του υλικού του θερμίστορ και καθορίζει την σχέση της αντίστασης του υλικού με τη θερμοκρασία. Το β υπολογίζεται μετρώντας την αντίσταση μηδενικής ισχύος στους 0 και 50 C και αντικαθιστώντας στη συνέχεια στην εξίσωση (5.): 1 R1 β log n 1 1 R (5.) T1 T όπου Τ 1 =73,16 Κ (0 C) και T =33,16 Κ (50 C). Θερμοκρασιακή Χρονική Σταθερά (Thermal Time Constant). Η σταθερά αυτή εκφράζει τον χρόνο που το θερμίστορ θα αλλάξει τη θερμοκρασία του κορμού του σε ποσοστό 63,% σε ένα συγκεκριμένο θερμοκρασιακό εύρος. Σταθερά Διάχυσης. Η σταθερά αυτή καθορίζει τη θερμική ισχύ που απαιτείται για να ανεβεί η θερμοκρασία του κορμού του θερμίστορ κατά 1 ο C. Μετριέται σε mw / o C. Τα χαρακτηριστικά μεγέθη καθώς και οι τιμές για ένα τυπικό θερμίστορ φαίνονται στον Πίνακα 5.1. ΠΙΝΑΚΑΣ 5.1 Παράμετρος Προδιαγραφή Αντίσταση σε 5 C 5 ohms (100 to 1M διαθέσιμος) Περιοχή μέτρησης -80 έως +10 C χαρακτηριστική (50 C max.) Ανταλλαξιμότητα (ανοχή) ±0.1 ή ±0. C Σταθερότητα πάνω από 1 μήνες < 0.0 C στους 5 C, < 0.5 C στους100 C Χρονική σταθερά <1.0 sec στο πετρέλαιο, <60 sec στον αέρα Αυτοθέρμανση 0.13 C/mW στο πετρέλαιο, 1.0 C/mW στον αέρα Σταθερές α = x 10-3, β =.37 x 10-3, γ = x 10-7 Διαστάσεις Ελλειψοειδής χάντρα.5mm x 4mm Τύποι NTC Θερμίστορς Τα NTC θερμίστορς του εμπορίου μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο σημαντικές ομάδες ανάλογα με τη μέθοδο με την οποία τα ηλεκτρόδια είναι συνδεμένα με το κεραμικό σώμα. Κάθε ομάδα μπορεί να υποδιαιρεθεί στους τύπους των θερμίστορς που χαρακτηρίζονται από τις διαφορές στη γεωμετρία της κατασκευής, της συσκευασίας ή / και της επεξεργασίας. Η πρώτη ομάδα αποτελείται από τα θερμίστορς τύπου χάντρας. Όλα τα θερμίστορς τύπου χάντρας έχουν ακροδέκτες από κράμα λευκόχρυσου που είναι απευθείας κολλημένα (με τήξη) στο κεραμικό σώμα. Τα θερμίστορς τύπου χάντρας περιλαμβάνουν τα εξής: Απογυμνωμένες χάντρες (bare beads) Χάνδρες καλυμμένες με γυαλί. Ελλειψοειδείς χάντρες. Μικροσκοπικές γυάλινες βέργες Γυάλινες βέργες (glass probe) Γυάλινες Ράβδους. Χάντρες σε γυάλινο κέλυφος. Η δεύτερη ομάδα θερμίστορς έχει επιμεταλλωμένες επαφές. Όλοι αυτοί οι τύποι είναι διαθέσιμοι με ακτινικούς ή αξονικούς ακροδέκτες καθώς επίσης και χωρίς ακροδέκτες για επιφανειακή στήριξη. Τα επιμεταλλωμένων επαφών θερμίστορς περιλαμβάνουν τα εξής: Δίσκους. Τσιπς (και wafers). 5.4

57 ΑΣΚΗΣΗ 5 : ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ Επιφανειακής στήριξης θερμίστορς. Μικρού πάχους (Flakes). Ράβδους. Ροδέλες. Τα NTC θερμίστορς είναι διαθέσιμα σε μια ευρεία ποικιλία από διαφορετικά σχήματα και προστατευτικές επικαλύψεις προκειμένου αυτά να προσαρμόζονται και να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε οποιαδήποτε σχεδόν εφαρμογή. Τα σταθερότερα και με τη μεγαλύτερη ακρίβεια διαθέσιμα θερμίστορς είναι εκείνα που σφραγίζονται ερμητικά με γυαλί. Τα ερμητικά σφραγισμένα θερμίστορς χρησιμοποιούνται επίσης, σχεδόν αποκλειστικά, για τις εφαρμογές που απαιτούν τη συνεχή έκθεση τους σε θερμοκρασίες επάνω από 150 C. Στο Σχήμα 5.4 παρουσιάζονται κάποιοι από τους διαφορετικούς τύπους θερμίστορς που διατίθενται στο εμπόριο. Οι απογυμνωμένες χάντρες έχουν διαμέτρους από 0.1 έως 1.3 mm, οι καλυμμένες με γυαλί χάντρες από 0.3 έως 1.4 και οι καλυμμένες με γυαλί ράβδοι έχουν διαμέτρους από 1.5 έως.5 mm. Σχήμα 5.4 Στο Σχήμα αυτό παρουσιάζονται διαφορετικοί τύποι θερμίστορς από τις δύο διαφορετικές ομάδες στις οποίες ταξινομούνται. Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα των Θερμίστορς - Σύγκριση με RTDs και Θερμοζεύγη Στον Πίνακα 5. παρουσιάζεται μια σύγκριση των χαρακτηριστικών των θερμίστορς με τα RTDs και τα θερμοζεύγη. ΠΙΝΑΚΑΣ 5. Θερμίστορς RTDs Θερμοζεύγη μέγιστη ευαισθησία ελάχιστη ευαισθησία μέση ευαισθησία βέλτιστη ανάλυση βέλτιστη ακρίβεια μέγιστη αντοχή απαιτούν συχνή βαθμονόμηση αδρανή, σταθερά αδρανή, σταθερά βαθμονομούνται ξεχωριστά ανταλλάξιμη βαθμονόμηση ανταλλάξιμη βαθμονόμηση γρήγορη απόκριση αργή απόκριση ταχύτατη απόκριση ευρύ φάσμα μεγεθών μεγάλο μέγεθος ευρύ φάσμα μεγεθών μη γραμμικά σχεδόν γραμμικά μη γραμμικά (και γραμμικά) δεν απαιτούν θερμοκρασία αναφοράς δεν απαιτούν θερμοκρασία αναφοράς απαιτούν θερμοκρασία αναφοράς ελάχιστο κόστος μέγιστο κόστος μέσο κόστος 5.5

58 ΑΣΚΗΣΗ 5 : ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ Μια άλλη σύγκριση αυτών των στοιχείων παρουσιάζεται στον Πίνακα 5.3. Στον πίνακα αυτό φαίνονται τα όρια των τιμών και κατασκευαστικές λεπτομέρειες των εξαρτημάτων αυτών. ΠΙΝΑΚΑΣ 5.3 Αισθητήρας Θερμίστορ RTD Θερμοζεύγος Ακρίβεια (τυπικές τιμές) 0.1 έως 1.5 o C 0.1 έως 1 o C 0.5 έως 5 o C Σταθερότητα στο μεταβλητή, μειώνεται με το καλή εξαιρετική χρόνο χρόνο Περιοχή θερμοκρασίας Απόκριση στη θερμοκρασία Διέγερση Χαρακτηριστικό -100 έως 300 o C -00 έως 650 o C -00 έως 1750 o C γενικά γρήγορη 0.05 έως.5 secs καμμία αντίσταση NTC ή PTC στα σύρματος - αργή στα επίπεδου φιλμ - ταχύτερη απαιτείται σταθερό ρεύμα αντίσταση PTC Γραμμικότητα εκθετική αρκετά γραμμική Επίδραση αντίστασης ακροδεκτών Διάταξη στοιχείου σύνδεσης Σε φαινόμενα ταλάντωσης / κρούση Έξοδος / χαρακτηριστικό Ακροδέκτες επέκτασης Κόστος Εφαρμογές χαμηλή αντίσταση καλωδίων κατάλληλο 3 και 4 ακροδέκτες - χαμηλή, ακροδέκτες - υψηλή γέφυρα, 3 ή 4 καλωδίων στα RTDs σύρματος - ακατάλληλη στα επίπεδου φιλμ - καλή - 4% / o C προσεγγιστικά 0.4 Ω / o C σε θήκη - αργή εκτεθειμένο άκρο - γρήγορη τυπικά 0.1 έως 10 secs καμμία τάση λόγω θερμοηλεκτρικού φαινομένου στους περισσότερους τύπους μη γραμμική μικρού μήκους καλώδια συμπεριφέρονται ικανοποιητικά είσοδος ποτενσιομέτρου, απαιτείται αντιστάθμιση της ψυχρής επαφής κατάλληλος ο μεταλλικός τύπος από 10 μv / o C έως 40 μv / o C ανάλογα με τον τύπο χαλκός χαλκός σταθμισμένο καλώδιο μικρό έως μέτριο στα RTDs σύρματος - υψηλότερο στα επίπεδου φιλμ - χαμηλότερο σχετικά χαμηλού κόστους Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση θερμοκρασίας σε μικρούς χώρους. Έχουν καλή επαναληψιμότητα και υψηλή διακριτική ικανότητα σε μικρές περιοχές θερμοκρασιών και έτσι χρησιμοποιούνται σε ιατρικές εφαρμογές. Χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως για τη μέτρηση θερμοκρασίας σε ηλεκτρονικά κυκλώματα και μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν επάνω σε στερεά σώματα και να μετρήσουν την επιφανειακή τους θερμοκρασία. Τα NTC θερμίστορς χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα ισχύος για προστασία από απότομες μεταβολές του ρεύματος. Τα PTC θερμίστορς χρησιμοποιούνται για τον περιορισμό του ρεύματος σε ασφαλή επίπεδα. 5.6

59 ΑΣΚΗΣΗ 5 : ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Σκοπός Ο σκοπός της άσκησης αυτής είναι να γνωρίσει ο σπουδαστής τα θερμίστορς ως αισθητήρια μέτρησης της θερμοκρασίας. Να γνωρίσει τα βασικά χαρακτηριστικά τους και να σχεδιάσει τις καμπύλες βαθμονόμησης τους. Απαιτούμενα Υλικά Είδος Ποσότητα Είδος Ποσότητα Θερμίστορ διαφορ. αντιστάσεων 3 Υδραργυρικό θερμόμετρο 1 Δοχείο ζέσης 1 λίτρου 1 Δοχείο με παγάκια 1 Δοχείο ζέσης 0.5 λίτρου 1 Αναδευτήρας 1 Ωμόμετρο 1 Καλώδια σύνδεσης Διάταξη Σχήμα 5.5 Διάταξη βαθμονόμησης τριών διαφορετικών θερμίστορς. Πορεία Εργασίας 1. Δημιουργήστε τη διάταξη του Σχήματος 5.5. Η διάταξη αυτή αποτελείται από τρία θερμίστορς που βρίσκονται σε δοχείο που περιέχει παγάκια και έχει γεμίσει το υπόλοιπο με νερό μέχρι τα 500 ml (μπάνιο πάγου). Ένα πολύμετρο που έχει ρυθμιστεί προηγούμενα (ως ωμόμετρο) ώστε να μετράει αντίσταση σε ΚΩ συνδέεται για κάθε μέτρηση στα άκρα των στοιχείων μέτρησης. Στο δοχείο έχει τοποθετηθεί επίσης ένα υδραργυρικό θερμόμετρο.. Κατά την έναρξη των μετρήσεων παρατηρήστε τις ενδείξεις του θερμομέτρου και του ωμομέτρου και συμπληρώστε με τις τιμές αυτές την πρώτη γραμμή του Πίνακα 5.4. Η θερμοκρασία την οποία δείχνει το υδραργυρικό θερμόμετρο θα πρέπει να είναι 0 o C. Αν είναι μεγαλύτερη τότε συμπληρώστε παγάκια στο δοχείο μετρήσεων. 5.7

60 ΑΣΚΗΣΗ 5 : ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ Α/Α ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ( o C) ΠΙΝΑΚΑΣ 5.4 ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΣΤΟ 1 ο ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ (ΚΩ) ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΣΤΟ ο ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ (ΚΩ) ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΣΤΟ 3 ο ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ (ΚΩ) Aρχίστε να καταγράφετε τις ενδείξεις του υδραργυρικού θερμομέτρου (πραγματική θερμοκρασία) και τις αντιστάσεις που παρέχει το ωμόμετρο για τα τρία θερμίστορς κάθε α o C περίπου (εφαρμογή α = ). Με τις τιμές αυτές συμπληρώστε τον Πίνακα 5.4 (1 συνολικά τετράδες τιμών). ΠΡΟΣΟΧΗ!!! Πρέπει να αναδεύετε συνεχώς το νερό ώστε να υπάρχει ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας. Τη θερμοκρασία τη ρυθμίζετε με τη βοήθεια ζεστού νερού στο δοχείο ζέσης 0.5 λίτρων. 4. Σχεδιάστε τις καμπύλες βαθμονόμησης των τριών θερμίστορς σε ένα διάγραμμα βαθμονόμησης δηλαδή το διάγραμμα μετρούμενης αντίστασης - πραγματικής θερμοκρασίας. Ερωτήσεις Πώς μεταβάλλεται η αντίσταση ενός θερμίστορ ως προς τη θερμοκρασία; Ποιο τύπο αισθητηρίου μέτρησης θερμοκρασίας θα επιλέγατε για τον έλεγχο της θερμοκρασίας του επεξεργαστή στον υπολογιστή σας; Για δύο ακραίες τιμές των μετρήσεών σας και για ένα θερμίστορ υπολογίστε τη σταθερή β με τη βοήθεια της σχέσης (5.) και στη συνέχεια με τη βοήθεια αυτής της τιμής της σταθερής β υπολογίστε την αντίσταση που αντιστοιχεί σε μια ενδιάμεση θερμοκρασία (σχέση 5.1). Πόσο είναι τότε το σφάλμα της μετρούμενης από τη θεωρητική τιμή; Γραπτή Εργασία Θα περιλαμβάνει α) σύντομη θεωρία, β) τον πίνακα 5.4 συμπληρωμένο γ) το διάγραμμα με τις τρεις καμπύλες βαθμονόμησης και δ) τις απαντήσεις στις ερωτήσεις. 5.8

61 6 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ

62

63 ΑΣΚΗΣΗ 6 : ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΘΕΩΡΙΑ Θερμοζεύγη - Αρχή Λειτουργίας Τα θερμοζεύγη είναι αισθητήρες μέτρησης της θερμοκρασίας που αποτελούνται από δύο ανόμοια μέταλλα και η λειτουργία τους βασίζεται στο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο. Το φαινόμενο αυτό ανακάλυψε το 181 ένας γερμανός φυσικός, ο Thomas Johann Seebeck. Παρατήρησε ότι, σε ένα κλειστό κύκλωμα δύο ανόμοιων μετάλλων αν τα δύο σημεία επαφής των μετάλλων αυτών βρεθούν σε διαφορετικές θερμοκρασίες, τότε το κύκλωμα αυτό διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα (Σχήμα 6.1). Η θερμοηλεκτρική τάση που παράγεται εξαρτάται από τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται και από τη σχέση της θερμοκρασίας μεταξύ των σημείων επαφής. Αν στις δύο συνδέσεις υπάρχει η ίδια θερμοκρασία, η διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται μεταξύ των δύο επαφών είναι μηδενική και το κύκλωμα δε διαρρέεται από ρεύμα. Αν όμως η θερμοκρασία σε κάθε σύνδεση είναι διαφορετική, τότε παράγονται διαφορετικές τάσεις και το κύκλωμα θα διαρρέεται από ρεύμα. Συνεπώς ένα θερμοζεύγος μπορεί να μετρήσει μόνο τις διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ των δύο συνδέσεων. Η λειτουργία ενός θερμοζεύγους επηρεάζεται επίσης από τα φαινόμενα Peltier και Thomson. Σχήμα 6.1 Θερμοηλεκτρικό φαινόμενο. Για πρακτικούς λόγους είναι σημαντικό να καθοριστεί η ονομασία κάθε μιας από τις επαφές. Η επαφή μέτρησης ( ονομάζεται συχνά «ζεστή» επαφή ) είναι αυτή που εκτίθεται στη μετρούμενη θερμοκρασία. Η επαφή αναφοράς είναι η δεύτερη επαφή που διατηρείται σε μια γνωστή θερμοκρασία και για αυτό το λόγο αναφέρεται συχνά ως "κρύα" επαφή. Ο όρος θερμοζεύγος αναφέρεται στο πλήρες σύστημα που χρησιμοποιείται για την παραγωγή διαφορών δυναμικού εξαιτίας του θερμοηλεκτρικού φαινομένου. Οι δύο αγωγοί και η επαφή μέτρησης που δημιουργείται, συνιστούν ένα θερμοστοιχείο που αποτελείται από το θετικό (ο ένας αγωγός) και τον αρνητικό ακροδέκτη. Σχήμα 6. Μέτρηση θερμοκρασίας με επαφή αναφοράς στους 0 C. Οι τάσεις που αναπτύσσονται εξαιτίας του θερμοηλεκτρικού φαινομένου είναι πολύ μικρές της τάξης των μερικών δεκάδων microvolts ανά βαθμό Κελσίου. Κατά συνέπεια, τα θερμοζεύγη χρησιμοποιούνται κυρίως σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 100 C και σε θερμοκρασίες, μικρότερες των - 50 C. Παρόλα αυτά με τη χρήση του κατάλληλου οργάνου μέτρησης μπορούν να χρησι- 6.1

64 ΑΣΚΗΣΗ 6 : ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ μοποιηθούν για τη μέτρηση οποιασδήποτε θερμοκρασίας μέσα στην περιοχή λειτουργίας τους. Σε μερικές εφαρμογές, η επαφή αναφοράς καθορίζεται σε θερμοκρασία διαφορετική από τους 0 C. Σε κάθε περίπτωση όμως ή έξοδος του θερμοζεύγους αντιστοιχεί στη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο επαφών (Σχήμα 6.) Τεχνικές Καθορισμού της Επαφής Αναφοράς Η τεχνολογία επαφών αναφοράς θεωρείται συνήθως ως ένα από τα κύρια προβλήματα οποιασδήποτε εγκατάστασης θερμοζευγών. Χρησιμοποιούνται τρεις κυρίως μέθοδοι για τον καθορισμό τους: Το «σημείο πάγου». Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή η προσαρμογή της ΗΕΔ (ηλεκτρομαγνητικής δύναμης) που δημιουργείται από το θερμοζεύγος στο όργανο μέτρησης γίνεται με τη χρήση ως θερμοκρασίας αναφοράς το «σημείο του πάγου» (θερμοκρασία 0 C). Το «ζεστό κουτί» (hot box). Τα θερμοζεύγη βαθμονομούνται με τη βοήθεια της ΗΕΔ που παράγεται από τις επαφές μέτρησης ως προς την επαφή αναφοράς στους 0 C, με αναφορά όμως σε μια άλλη θερμοκρασία. Η δυνατότητα του «ζεστού κιβωτίου» να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος, σε συνδυασμό με την αξιοπιστία της μεθόδου οδήγησε σε αύξηση της χρήσης της. «Ισόθερμα συστήματα». Οι επαφές των θερμοζευγών που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν ως αναφορά περιλαμβάνονται σε ένα κομμάτι υλικού που παρουσιάζει υψηλή θερμική μόνωση. Οι επαφές αυτές ακολουθούν τη μέση θερμοκρασία του περιβάλλοντος, η οποία όμως μεταβάλλεται με πολύ αργούς ρυθμούς. Η μεταβολή αυτή ανιχνεύεται με τη βοήθεια του κατάλληλου αισθητήρα και του σχετικού ηλεκτρονικού κυκλώματος που παράγει ένα σήμα για τη συσκευή μέτρησης. Ο υψηλός παράγοντας αξιοπιστίας αυτής της μεθόδου έχει επιτρέψει τη χρήση της στην παρακολούθηση της θερμοκρασίας για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Προστασία των Επαφών Μέτρησης Για την προστασία των επαφών μέτρησης ενός θερμοζεύγους χρησιμοποιούνται πολλά εναλλακτικά υλικά θηκών όπως ανοξείδωτος χάλυβας, κεραμικά υλικά ή πλαστικά. Επιπλέον, υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τρόποι συναρμολόγησης των θερμοστοιχείων στις θήκες προστασίας τους. Αυτοί είναι: Η Εκτεθειμένη Επαφή Μέτρησης. Χρησιμοποιείται στη μέτρηση της θερμοκρασίας μη διαβρωτικών αερίων όταν απαιτείται μέγιστη ευαισθησία και ταχύτατη απόκριση (Σχήμα 6.3). Σχήμα 6.3 Διαφορετικοί τύποι επαφών μέτρησης. Η Μονωμένη Επαφή Μέτρησης. Είναι καταλληλότερη για τη μέτρηση θερμοκρασίας σε διαβρωτικά υλικά αν και η θερμική απόκριση είναι πιο αργή. Σε μερικές εφαρμογές, όταν στο ίδιο το όργανο μέτρησης συνδέονται περισσότερα από ένα θερμοζεύγη, η μόνωση παίζει σημαντικό ρόλο στην αποφυγή παρασιτικών σημάτων στα μετρούμενα κυκλώματα (Σχήμα 6.3). 6.

65 ΑΣΚΗΣΗ 6 : ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Η Γειωμένη Επαφή. Είναι επίσης κατάλληλη για διαβρωτικά υλικά και σε εφαρμογές υψηλής πίεσης. Παρουσιάζει ταχύτερη απόκριση από τις μονωμένες επαφές και μεγαλύτερη προστασία από τις εκτεθειμένες επαφές μέτρησης (Σχήμα 6.3). Τύποι Θερμοζευγών Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των θερμοζευγών ακολουθούν τα διεθνή αποδεκτά πρότυπα όπως καθορίζονται στο IEC 584 1, που βασίζεται στη διεθνή πρακτική κλίμακα μέτρησης της θερμοκρασίας ITS90. Ο μέγιστες θερμοκρασίες λειτουργίας εξαρτώνται από το πάχος των αγωγών των θερμοστοιχείων. Οι τύποι των θερμοζευγών, όπως καθορίζονται από την ISA (Instrument Society of America) μπορούν να υποδιαιρεθούν σε δύο κατηγορίες. Τα θερμοζεύγη της πρώτης κατηγορίας χρησιμοποιούν στην κατασκευή τους βασικά μέταλλα, δηλαδή μέταλλα χαμηλού κόστους που είναι ευρύτατα διαδεδομένα. Τα θερμοζεύγη της δεύτερης κατηγορίας κατασκευάζονται από ευγενή μέταλλα τα οποία υπάρχουν σε μικρές ποσότητες και είναι υψηλού κόστους. Αναλυτικά οι περισσότερο διαδεδομένοι τύποι είναι οι εξής: -70 C μέχρι 1350 C αυτά τα θερμοζεύγη χρησιμοποιούν βασικά μέταλλα Τύπος Κ Chromel - Alumel Τα θερμοζεύγη τύπου Κ είναι οι πιο γνωστοί και περισσότερο διαδεδομένοι τύποι θερμοζευγών που ανήκουν στην ομάδα χρωμίου - νικελίου - αλουμινίου. Η περιοχή μέτρησης της θερμοκρασίας τους εκτείνεται από -70 έως 1350 C. Η καμπύλη ΗΕΔ / θερμοκρασίας είναι σχετικά γραμμική και η ευαισθησία τους είναι περίπου 41µV / C. Τύπος J Σίδηρος - Constantan Τα θερμοζεύγη τύπου J είναι λιγότερο δημοφιλή από τα προηγούμενα θερμοζεύγη εξαιτίας της περιορισμένης περιοχής μέτρησης της θερμοκρασίας τους (- 10 C έως C). Χρησιμοποιούνται ακόμη σε πάρα πολλές εφαρμογές εξαιτίας των παλαιών συσκευών μέτρησης που υπάρχουν κυρίως στη βιομηχανία και που βαθμονομούνται μόνο με αυτό τον τύπο των θερμοζευγών. Η ευαισθησία τους είναι περίπου 5µV / C. Τύπος Ε Chromel - Constantan Η ευαισθησία του τύπου αυτού είναι 68µV / C. Χρησιμοποιείται για μετρήσεις στην περιοχή από -70 έως C. Το γεγονός ότι τα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι μη μαγνητικά αποτελεί ένα επιπλέον πλεονέκτημα σε μερικές ειδικές εφαρμογές. Τύπος Ν Nicrosil- Nisil Αυτό το θερμοζεύγος έχει πολύ καλή θερμοηλεκτρική σταθερότητα, καλύτερη από άλλα θερμοζεύγη βασικών μετάλλων και παρουσιάζει εξαιρετική αντίσταση στην οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες. Προορίζεται για ακριβείς μετρήσεις στον αέρα μέχρι τους 100 C. Στο κενό ή σε ελεγχόμενη ατμόσφαιρα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμη και σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 100 C. Η ευαισθησία του, της τάξης των 39µV / C στους 900 C είναι ελαφρά χαμηλότερη από τον τύπο Κ (41µV / C). Τύπος Τ Χαλκός- Constantan Αυτό το θερμοηλεκτρικό ζεύγος χρησιμοποιείται σπανιότερα. Η περιοχή μέτρησης της θερμοκρασίας του περιορίζεται από -70 C μέχρι C. Είναι παρόλα αυτά πολύ χρήσιμο σε εφαρμογές περιβάλλοντος και ψύξης τροφίμων. Η καμπύλη ΗΕΔ / θερμοκρασίας είναι σημαντικά μη γραμμική ειδικά γύρω από τους 0 C και η ευαισθησία του είναι περίπου 41µV / C. 6.3

66 ΑΣΚΗΣΗ 6 : ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ -50 C έως C - Τα θερμοζεύγη που ακολουθούν είναι κατασκευασμένα από ευγενή μέταλλα Τύπου S - Ρόδιο λευκόχρυσου 10% Rh - λευκόχρυσος Χρησιμοποιούνται κανονικά σε ατμόσφαιρες υψηλής οξείδωσης από -50 C μέχρι τους 1750 C. Η ευαισθησία τους είναι μεταξύ 6 και 1 µv / C. Τύπου R - Ρόδιο λευκόχρυσου 13% Rh - λευκόχρυσος Παρόμοια θερμοζεύγη με τον τύπο S με ευαισθησία μεταξύ 6 και 14µV / C. Τύπου B - Ρόδιο λευκόχρυσου 30% Rh - λευκόχρυσος 6% Rh Επιτρέπει μετρήσεις μέχρι τους 1750 C. Είναι πολύ σταθερό θερμοζεύγος αλλά λιγότερο ευαίσθητο στη χαμηλότερη περιοχή μετρήσεων. (Η έξοδός του είναι αμελητέα στη θερμοκρασία δωματίου). Στον Πίνακα 6.1 παρουσιάζονται συνοπτικά οι περισσότεροι τύποι θερμοζευγών καθώς και τα σφάλματα που παρουσιάζουν κατά τη μέτρηση της θερμοκρασίας (τα σφάλματα είναι μέτρο της ακρίβειας με την οποία μπορούν να μετρήσουν τη θερμοκρασία). Στο Σχήμα 6.4 παρουσιάζονται τυποποιημένες μορφές θερμοζευγών στο εμπόριο. ΠΙΝΑΚΑΣ 6.1 ISA Υλικό (+ & -) Περιοχή Θερμοκρασίας C ( F) Ευαισθησία 5 C (77 F) µv/ C (µv/ F) Σφάλμα Μέτρησης E Chromel & Constantan (Ni-Cr & Cu-Ni) -70~1000 (-450~1800) 60.9 (38.3) LT:±1.67 C(±3 F) HT:±0.5% J Iron & Constantan (Fe & Cu-Ni) -10~100 (-350~00) 51.7 (8.7) LT:±.~1.1 C(±4~ F) HT:±0.375~0.75% K Chromel & Alumel (Ni-Cr & Ni-Al) -70~1350 (-450~500) 40.6 (.6) LT:±.~1.1 C(±4~ F) HT:±0.375~0.75% T Copper & Constantan (Cu & Cu-Ni) -70~400 (-450~750) 40.6 (.6) LT:±1~% HT:±1.5% or ±0.4 C(±0.75 F) R Platinum & 87% Platinum/ 13% Rhodium (Pt & Pt-Rh) -50~1750 (-60~300) 6 (3.3) LT:±.8 C(±5 F) HT:±0.5% S Platinum & 90% Platinum/ 10% Rhodium (Pt & Pt-Rh) -50~1750 (-60~300) 6 (3.3) LT:±.8 C(±5 F) HT:±0.5% B 70% Platinum/ 30% Rhodium & 94% Platinum/ 6% Rhodium (Pt-Rh & Pt-Rh) -50~1750 (-60~300) 6 (3.3) LT:±.8 C(±5 F) HT:±0.5% 6.4

67 ΑΣΚΗΣΗ 6 : ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Επιπλέον, υπάρχουν εξειδικευμένοι τύποι θερμοζευγών που δεν περιγράφονται παραπάνω. Οι τύποι αυτοί περιλαμβάνουν τους τύπους ρένιο - βολφραμίου, Pallaplat, μολυβδαίνιο - νικελίου και άλλα κράματα ρόδιου - λευκόχρυσου. Σχήμα 6.4 Τυποποιημένες μορφές θερμοζευγών στο εμπόριο. Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα των Θερμοζευγών Πλεονεκτήματα Χαμηλού κόστους. Δεν έχουν μετακινούμενα μέρη. Ευρεία περιοχή μετρήσεων θερμοκρασίας. Σχετικά μικρό χρόνο απόκρισης. Σχετικά καλή επαναληψιμότητα και ακρίβεια. Μειονεκτήματα Χαμηλή ευαισθησία (μικρότερη από 50 μv / C). Η χαμηλή τάση εξόδου μπορεί να επηρεαστεί από το θόρυβο. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να βελτιωθεί χωρίς ωστόσο να μπορεί να εξαφανιστεί με καλύτερο φιλτράρισμα του σήματος, καλύτερη θωράκιση και μετατροπή του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. Ακρίβεια μετρήσεων, η οποία στις περισσότερες περιπτώσεις δεν είναι καλύτερη από 0.5 C. Η ακρίβεια αυτή δεν είναι ικανοποιητική σε πολλές εφαρμογές. Η χρήση τους απαιτεί μια γνωστή θερμοκρασία αναφοράς συνήθως των 0 C. Ωστόσο σε σύγχρονες συσκευές μέτρησης με θερμοζεύγος χρησιμοποιείται αναφορά που παράγεται από το ίδιο το ηλεκτρονικό κύκλωμα που χρησιμοποιείται. Η έλλειψη γραμμικότητας η οποία σε πολλές περιπτώσεις είναι ενοχλητική. Το πρόβλημα αυτό απαλύνεται επειδή οι κατασκευάστριες εταιρείες παρέχουν συνήθως για κάθε θερμοζεύγος ή και χρησιμοποιούμενο μέταλλο αναλυτικές καμπύλες βαθμονόμησης. Ελεγκτές Θερμοκρασίας Για τον έλεγχο της θερμοκρασίας σε ένα σύστημα χωρίς να είναι απαραίτητη η επέμβαση του χρήστη ή του χειριστή του συστήματος απαιτείται η χρήση των ελεγκτών θερμοκρασίας. Πρόκειται για ηλεκτρονικές συσκευές που δέχονται ως είσοδο ένα πλήθος από διαφορετικά αισθητήρια θερμοκρασίας (θερμοζεύγη, RTDs, θερμίστορς), ενώ στην έξοδό τους επιτρέπουν τον έλεγχο μιας ή περισσοτέρων συσκευών ισχύος. Η θερμοκρασία που μετράται με τη βοήθεια του αισθητηρίου συγκρίνεται με την επιθυμητή θερμοκρασία (setpoint) που έχει προηγούμενα ρυθμιστεί και ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας που θα επιλεχθεί για τον ελεγκτή, ενεργοποιείται ή απενεργοποιείται η έξοδος ισχύος (ή οι έξοδοι ισχύος). Ανάλογα με τον τύπο του ελεγκτή, ο έλεγχος των εξόδων μπορεί να είναι αναλογικός (P), αναλογικός ολοκληρωτικός (PI), αναλογικός ολοκληρωτικός - διαφορικός (PID) ή ακόμη απλά ο έλεγχος των επαφών εξόδου δύο καταστάσεων (ανοικτός ή κλειστός διακόπτης). Στο εμπόριο διατίθεται ένα μεγάλο πλήθος από διαφορετικούς τύπους τέτοιων ελεγκτών θερμοκρασίας με χαρακτηριστικά που επιτρέπουν τη χρήση τους σε διαφορετικές εφαρμογές ελέγχου θερμοκρασίας. Για την επιλογή του καταλληλότερου ελεγκτή για μία εφαρμογή απαιτείται να καθοριστούν τα εξής στοιχεία: 6.5

68 ΑΣΚΗΣΗ 6 : ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Ο τύπος του αισθητήρα εισόδου και η περιοχή της θερμοκρασίας μέτρησης. Ο τύπος της εξόδου που απαιτείται (απομόνωση με ρελέ, αναλογική έξοδος, κ.τ.λ.) Ο αλγόριθμος ελέγχου που απαιτείται (on / off, αναλογικός έλεγχος, PI, PID). Ο αριθμός και ο τύπος των εξόδων (θέρμανση, ψύξη, συναγερμός, έλεγχος ορίων). Πρότυπα Μεγέθη Ελεγκτών Θερμοκρασίας Οι ελεγκτές θερμοκρασίας τοποθετούνται συνήθως στις προσόψεις οργάνων. Για το λόγο αυτό οι προσόψεις κόβονται σε συγκεκριμένες διαστάσεις και επιπλέον οι περισσότεροι ελεγκτές κατασκευάζονται ως προς τις διαστάσεις ακολουθώντας κάποιο πρότυπο. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατή η αντικατάσταση ενός ελεγκτή με κάποιον άλλο. Οι πρότυπες διαστάσεις των ελεγκτών κατά DIN για τα περισσότερα συνήθη μεγέθη παρουσιάζονται στο Σχήμα 6.5. Σχήμα 6.5 Πρότυπα μεγέθη ελεγκτών θερμοκρασίας κατά DIN. Ο Ελεγκτής Θερμοκρασίας GEFRAN Η κατασκευή του βασίζεται σε μικροεπεξεργαστή. Στην πρόσοψή του έχει τέσσερα λειτουργικά πλήκτρα με τη βοήθεια των οποίων μπορούν να γίνουν όλες οι απαραίτητες ρυθμίσεις, οθόνη τεσσάρων ψηφίων και το μοντέλο 400 (είναι το μοντέλο που χρησιμοποιείται στο εργαστήριο) δύο ενδεικτικά LEDs. Δέχεται ένα πλήθος από διαφορετικούς αισθητήρες που επιλέγονται με τη βοήθεια των πλήκτρων. Αυτοί είναι: Θερμοζεύγη τύπου J, K, R, S, T, B, E, N. Θερμόμετρο αντίστασης PT100 τριών συρμάτων. Θερμίστορ PTC. Επιπλέον έχει ρυθμιζόμενες γραμμικές εισόδους 0 60 mv, 1 60 mv, 0 0 mα, 4 0 ma, 0 10 V, 10 V που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σύνδεση οποιουδήποτε αισθητήρα παρέχει στη έξοδό του τάσεις ή ρεύματα γραμμικής μορφής σε περιοχές όπως αυτές που αναφέρθηκαν. Ο ελεγκτής θερμοκρασίας GEFRAN 400 παρέχει δύο εξόδους οι οποίες μπορούν να ρυθμιστούν ανεξάρτητα. Οι επαφές των ρελέ στις εξόδους μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον έλεγχο συσκευών ισχύος με τάση λειτουργίας μέχρι 50 Volt ενώ επιτρέπουν μέγιστο ρεύμα 5 6.6

69 ΑΣΚΗΣΗ 6 : ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Ampere. Στο Σχήμα 6.6 φαίνεται η πρόσοψή του ενώ τα τεχνικά χαρακτηριστικά του φαίνονται αναλυτικά στο Σχήμα 6.7. Στα Σχήματα 6.8 έως 6.1 παρουσιάζονται λεπτομέρειες από το εγχειρίδιο χρήσης του ελεγκτή που επιτρέπουν τη ρύθμιση και τη λειτουργία του. Σχήμα 6.6 Πρόσοψη του ελεγκτή θερμοκρασίας. 6.7

70 ΑΣΚΗΣΗ 6 : ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Σχήμα 6.7 Τεχνικά χαρακτηριστικά του ελεγκτή θερμοκρασίας GEFRAN

71 ΑΣΚΗΣΗ 6 : ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Σχήμα 6.8 Περιγραφή της πρόσοψης και των βασικών συνδέσεων που απαιτούνται. 6.9

72 ΑΣΚΗΣΗ 6 : ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Σχήμα 6.9 Βασικό μενού διαμόρφωσης. 6.10

73 ΑΣΚΗΣΗ 6 : ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Σχήμα 6.10 Προγραμματισμός και διαμόρφωση. 6.11

74 ΑΣΚΗΣΗ 6 : ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Σχήμα 6.11 Ρυθμίσεις παραμέτρων εισόδου και εξόδου. 6.1

75 ΑΣΚΗΣΗ 6 : ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Σχήμα 6.1 Ρυθμίσεις παραμέτρων εξόδου (συνέχεια) και προστασίας. 6.13

76 ΑΣΚΗΣΗ 6 : ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Σκοπός Ο σκοπός της άσκησης αυτής είναι να γνωρίσει ο σπουδαστής τα θερμοζεύγη ως αισθητήρια μέτρησης της θερμοκρασίας. Να γνωρίσει επίσης τον τρόπο χρήσης και λειτουργίας των ελεγκτών θερμοκρασίας χρησιμοποιώντας ως αισθητήριο στοιχείο θερμοκρασίας ένα θερμοζεύγος τύπου Κ. Απαιτούμενα Υλικά Είδος Ποσότητα Είδος Ποσότητα GEFRAN 400 ελεγκτής θερμοκρ. 1 Θερμοζεύγος τύπου Κ 1 Αντίσταση ισχύος 1000 W 1 Χρονόμετρο 1 Δοχείο ζέσης λίτρων 1 Αναδευτήρας 1 Υδραργυρικό θερμόμετρο 1 Κιβώτιο συνδέσεων και καλώδια 1 Διάταξη Σχήμα 6.13 Διάταξη ελεγκτή θερμοκρασίας με θερμοζεύγος τύπου Κ. Πορεία Εργασίας 1. Δημιουργήστε τη διάταξη του Σχήματος Η διάταξη αυτή αποτελείται από ένα δοχείο ζέσης λίτρων γεμάτο με νερό. Στο δοχείο τοποθετούνται το υδραργυρικό θερμόμετρο, το probe του θερμοζεύγους, η θερμαντική αντίσταση των 1000 W και ο αναδευτήρας. Ο ελεγκτής θερμοκρασίας βρίσκεται στην πρόσοψη ενός κιβωτίου συνδέσεων. Στο κιβώτιο έχει τοποθετηθεί επιπλέον ένας διακόπτης ισχύος και ένα ρελέ ισχύος το οποίο απομονώνει την έξοδο ισχύος του ελεγκτή από το φορτίο ισχύος (τη θερμαντική αντίσταση). Έτσι υπάρχει η δυνατότητα σύνδεσης ενός πολύ μεγαλύτερου φορτίου από αυτό που αντέχει η έξοδος του ελεγκτή. Η διάταξη συνδέεται στο δίκτυο της Δ.Ε.Η. Επιπλέον ένα χρονόμετρο (κινητό, ρολόι, κ.τ.λ.) χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του χρόνου σε δευτερόλεπτα ή και σε λεπτά.. Ενεργοποιήστε με τη βοήθεια του διακόπτη ισχύος τη διάταξη. Ο ελεγκτής βρίσκεται σε χειροκίνητη λειτουργία (MANUAL MODE). Στη θέση αυτή ο ελεγκτής δείχνει διαδοχικά την κατάσταση της εξόδου και τη μετρούμενη θερμοκρασία. ΠΡΟΣΟΧΗ!!! Αν πατηθεί το πλήκτρο Automatic/Manual setting selection (αριστερό πλήκτρο) ή το πλήκτρο αύξησης ( ο από αριστερά) θα ενεργοποιηθεί η έξοδος. Με τη βοήθεια του πλήκτρου λειτουργιών F (δεξιό πλήκτρο) ελέγξτε τις τρέχουσες τιμές για το setpoint και τα alarm και με τη βοήθεια των πλήκτρων αύξησης - μείωσης επιλέξτε τις επιθυμητές τιμές (Σχήμα 6.10, LEVEL 1 DISPLAY). Έτσι ρυθμίστε το setpoint στους 40 C, το alarm 1 στους 39 C, ενώ το alarm 6.14

77 ΑΣΚΗΣΗ 6 : ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ στους 4 C. Μετά από καθυστέρηση 15 sec η απεικόνιση στην οθόνη δείχνει πάντοτε την αρχική κατάσταση, δηλαδή την κατάσταση εξόδου και τη μετρούμενη θερμοκρασία. ΠΙΝΑΚΑΣ 6. Α/Α Πραγματική Χρόνος Θερμοκρασία (sec) ( o C) Α/Α Χρόνος (sec) Πραγματική Θερμοκρασία ( o C) 3. Πατήστε το πλήκτρο λειτουργιών F για περίπου δευτερόλεπτα. Τότε εμφανίζεται (ανά sec) πρώτα το όνομα του υπομενού UPd και μετά του CFG (Σχήμα 6.10, CFG). Ρυθμίστε ή αφήστε στην κατάσταση που βρίσκονται, αν αυτή είναι η επιθυμητή, τις παραμέτρους που εμφανίζονται στο υπομενού CFG. Οι παράμετροι αλλάζουν με απλό πάτημα του πλήκτρου λειτουργιών F, ενώ οι τιμές των παραμέτρων με τα πλήκτρα αύξησης - μείωσης. 4. Ρυθμίστε ή αφήστε στην κατάσταση που βρίσκονται, αν αυτή είναι η επιθυμητή, τις παραμέτρους στα υπομενού InP και Out, όπως αυτές φαίνονται στο Σχήμα 6.9 και συνιστούν ένα τυπικό μενού διαμόρφωσης, με παρόμοια διαδικασία με αυτή που ακολουθήθηκε στο 6.15

78 ΑΣΚΗΣΗ 6 : ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ προηγούμενο βήμα. Λεπτομέρειες για τις παραμέτρους που αναφέρονται στα υπομενού αυτά του Σχήματος 6.9 μπορείτε να βρείτε στα αναλυτικά υπομενού που παρουσιάζονται στα Σχήματα 6.11, 6.1. Ο τύπος ελέγχου που πρέπει να ρυθμίσετε είναι ο ΟΝ - OFF hot ενώ το θερμοζεύγος είναι τύπου Κ για τη μέτρηση της θερμοκρασίας σε C. Επίσης ο αριθμός των alarm που πρόκειται να χρησιμοποιήσετε είναι, ο τύπος τους είναι ο 0 (direct, absolute, normal). Τέλος οι έξοδοι πρέπει να είναι r.o.1 = 0 και η r.o. = 9. Εξηγήστε τι σημαίνουν κατά τη γνώμη σας αυτές οι έξοδοι. 5. Η διάταξη με τις προηγούμενες ρυθμίσεις είναι έτοιμη για τον έλεγχο της θερμοκρασίας του νερού στο δοχείο ζέσης. Στη διάρκεια της εκτέλεσης του πειράματος θα παρατηρήσετε την εναλλαγή της λειτουργίας της θερμαντικής αντίστασης (αριστερή ενδεικτική λυχνία, OUT1) και την κατάσταση των Alarm (δεξιά ενδεικτική λυχνία, OUT). Ενεργοποιήστε τον έλεγχο λειτουργίας πατώντας το αριστερό πλήκτρο του ελεγκτή. Τότε η λειτουργία μεταφέρεται από χειροκίνητη σε αυτόματη. Αρχίστε να καταγράφετε κάθε α sec (εφαρμογή α = 5) την πραγματική θερμοκρασία (υδραργυρικό θερμόμετρο) και συμπληρώστε τον Πίνακα 6.. Αναδεύετε συνέχεια το νερό ώστε να είναι ομοιόμορφη η κατανομή της θερμοκρασίας. Ταυτόχρονα καταγράψτε στον Πίνακα 6.3 παρακολουθώντας την έξοδο OUT1 τη νεκρή ζώνη της λειτουργίας του συστήματος. Ως νεκρή ζώνη ορίζεται η ζώνη που καθορίζεται από τις τιμές των θερμοκρασιών γύρω από το setpoint στις οποίες απενεργοποιείται και ενεργοποιείται ξανά η έξοδος του ελεγκτή. ΠΙΝΑΚΑΣ 6.3 Χαμηλή Θερμοκρασία Υψηλή Θερμοκρασία Εύρος Ζώνης 6. Με τη βοήθεια των τιμών του Πίνακα 6. σχεδιάστε το διάγραμμα θερμοκρασίας - χρόνου. Στο διάγραμμα αυτό σημειώστε τα σημεία στα οποία επενεργεί ο ελεγκτής θερμοκρασίας. 7. Συμπληρώστε στον Πίνακα 6.4 τις παραμέτρους που ρυθμίσατε και περιγράψτε αναλυτικά στην τελική σας εργασία τα βήματα που ακολουθήσατε για τη ρύθμιση του ελεγκτή θερμοκρασίας. Μενού ΠΙΝΑΚΑΣ 6.4 Παράμετρος Τιμή Ερωτήσεις Ποιος είναι ο ρόλος του setpoint στη λειτουργία του ελεγκτή θερμοκρασίας; Για ποιο λόγο κατά τη γνώμη σας χρησιμοποιείται η νεκρή ζώνη κατά την ON / OFF λειτουργίας ενός ελεγκτή θερμοκρασίας; Ποιο τύπο θερμοζεύγους θα επιλέγατε για τη μέτρηση σε οξειδωτικό περιβάλλον και σε θερμοκρασία γύρω στους 1400 C; Γραπτή Εργασία Θα περιλαμβάνει α) σύντομη θεωρία, β) τους πίνακες συμπληρωμένους γ) το διάγραμμα θερμοκρασίας - χρόνου και δ) τις απαντήσεις στις ερωτήσεις. 6.16

79 7 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΔΙΑΜΕΣΟΥ Η/Υ

80

81 ΑΣΚΗΣΗ 7 : ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΔΙΑΜΕΣΟΥ Η/Υ ΘΕΩΡΙΑ Συσκευές Συλλογής και Καταγραφής Δεδομένων Για την αποθήκευση και τη συλλογή των δεδομένων χρησιμοποιούνται συνήθως τρεις διαφορετικοί τύποι οργάνων. Οι τύποι αυτοί είναι: 1) Τα συστήματα συλλογής δεδομένων πραγματικού χρόνου (Σχήμα 7.1(α)). ) Τα καταγραφικά χαρτογράφησης (Chart Recorders) (Σχήμα 7.1(β)). 3) Οι συσκευές καταχώρησης δεδομένων (Data Loggers) (α) (β) Σχήμα 7.1 α) Στο Σχήμα αυτό φαίνεται ένα σύστημα συλλογής δεδομένων πραγματικού χρόνου με πολλά κανάλια εισόδου που επιτρέπουν την ταυτόχρονη καταγραφή δεδομένων από ένα μεγάλο πλήθος από διαφορετικές πηγές εισόδου (αισθητήρια στοιχεία, ηλεκτρονικές διατάξεις, κ.τ.λ.). β) Στο σχήμα αυτό φαίνεται ένα καταγραφικό χαρτογράφησης. Από τις παραπάνω κατηγορίες οργάνων αυτές που χρησιμοποιούνται περισσότερο είναι οι συσκευές καταχώρησης δεδομένων (data loggers). Πρόκειται για ηλεκτρονικές συσκευές που μετατρέπουν το αναλογικό σήμα εισόδου από κάποιο συνήθως αισθητήριο στοιχείο μέτρησης σε ψηφιακό σήμα με τη βοήθεια του κατάλληλου μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADC). Στη συνέχεια με τη χρήση του κατάλληλου ηλεκτρονικού κυκλώματος, σε πραγματικό χρόνο ή όταν αυτό είναι επιθυμητό, το μετατρέπουν στην κατάλληλη μορφή ώστε τα δεδομένα αυτά να μπορούν να μεταφερθούν σε ένα προσωπικό υπολογιστή. Οι περισσότεροι κατασκευαστές παρέχουν συνήθως συσκευές καταχώρησης δεδομένων που αποθηκεύουν τα δεδομένα που δέχονται από διάφορες πηγές στην εσωτερική μνήμη που διαθέτουν (πρόκειται για μνήμη που μπορεί να διατηρήσει τα δεδομένα για μεγάλα χρονικά διαστήματα χωρίς να απαιτείται η τροφοδότησή της από κάποια πηγή ισχύος, non volatile μνήμη) και στη συνέχεια τα δεδομένα αυτά μεταφέρονται στον υπολογιστή (σε μη πραγματικό χρόνο). Οι θύρες επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά των δεδομένων είναι η σειριακή RS3, η USB, η Firewire (IEEE1394) και σπανιότερα η παράλληλη. Επίσης σε σύγχρονα συστήματα, η μεταφορά των δεδομένων στον Η/Υ πραγματοποιείται χωρίς τη μεσολάβηση καλωδίων (ασύρματα) με τη βοήθεια της κατάλληλης μεθόδου ασύρματης επικοινωνίας (υπέρυθρη επικοινωνία, bluetooth, Wi-Fi, GPRS, GSM). Στον 7.1

82 ΑΣΚΗΣΗ 7 : ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΔΙΑΜΕΣΟΥ Η/Υ Η/Υ εγκαθίσταται το σχετικό λογισμικό το οποίο δέχεται τα δεδομένα και τα μετατρέπει κατάλληλα ώστε να είναι δυνατή η απεικόνισή τους στην οθόνη του υπολογιστή είτε ως αριθμοί είτε ως γραφικές παραστάσεις (γραφικές παραστάσεις απόκρισης, απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο κυματομορφών κ.τ.λ.). Οι συσκευές καταχώρησης δεδομένων διατίθενται στο εμπόριο σε διάφορες μορφές και μεγέθη. Παρέχονται συσκευές οι οποίες είναι οικονομικές, ενός μόνο καναλιού και με περιορισμένο αριθμό λειτουργιών αλλά και συσκευές προγραμματιζόμενες που έχουν τη δυνατότητα να χειριστούν ένα τεράστιο πλήθος από διαφορετικές εισόδους. Γενικά είναι χαμηλότερου κόστους από τα καταγραφικά χαρτογράφησης ενώ μπορούν να προσαρμοστούν εύκολα ώστε να δέχονται δεδομένα από διαφορετικές εισόδους. Η δυνατότητα αυτή παρέχεται και στα καταγραφικά χαρτογράφησης αλλά με πολύ υψηλότερο κόστος. Από την άλλη τα συστήματα συλλογής δεδομένων σε πραγματικό χρόνο έχουν πολύ περισσότερες δυνατότητες από τις συσκευές καταχώρησης όταν απαιτούνται υψηλοί ρυθμοί δειγματοληψίας. Ωστόσο απαιτούν τη σύνδεση με κάποιο υπολογιστή ή και την εγκατάσταση του σχετικού λογισμικού στον υπολογιστή αυτό, ώστε να είναι δυνατή η συλλογή των δεδομένων. Από τα παραπάνω γίνεται φανερό ότι οι συσκευές καταχώρησης δεδομένων μπορούν να χρησιμοποιηθούν ευκολότερα σε εφαρμογές στις οποίες απαιτείται η εύκολη μεταφορά της συσκευής καταγραφής (μεταφερσιμότητα). Σε κάποιες συσκευές καταχώρησης παρέχεται επίσης οθόνη απεικόνισης των δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Ο ρυθμός δειγματοληψίας των δεδομένων εξαρτάται από τον τύπο της συσκευής που χρησιμοποιείται. Αυτός μπορεί να είναι από μερικά δείγματα το λεπτό ή την ώρα (υπάρχουν περιπτώσεις όπου ο ρυθμός δειγματοληψίας μπορεί να είναι ακόμη πιο αργός) και να φτάνει τις μερικές εκατοντάδες δείγματα το δευτερόλεπτο. Οι περισσότερες από τις συσκευές αυτές τροφοδοτούνται από μπαταρίες ενώ ταυτόχρονα παρέχουν τη δυνατότητα τροφοδότησής τους από κάποια πηγή ισχύος διαμέσου συνήθως κάποιου μετασχηματιστή. Εξαιτίας της πολύ μικρής κατανάλωσής ενέργειας από αυτές τις συσκευές, η διάρκεια ζωής της μπαταρίας που τις τροφοδοτεί μπορεί να είναι ακόμη και μερικά χρόνια. Η διάρκεια της καταχώρησής των δεδομένων εξαρτάται από το μέγεθος της μνήμης που φέρουν και το ρυθμό δειγματοληψίας. Συσκευές Καταχώρησης Θερμοκρασίας Διαμέσου Ηλεκτρονικού Υπολογιστή Μια υποκατηγορία των προηγούμενων συσκευών καταχώρησης δεδομένων είναι οι συσκευές που έχουν τη δυνατότητα να συλλέγουν και να καταγράφουν θερμοκρασία. Οι συσκευές αυτές έχουν τα ίδια γενικά χαρακτηριστικά με τις συσκευές καταχώρησης ωστόσο στην είσοδο ή στις εισόδους τους δέχονται μόνο αισθητήρια μέτρησης θερμοκρασίας. Οι τύποι των αισθητηρίων που δέχονται (θερμίστορς, θερμοζεύγη, RTDs, κ.τ.λ.) εξαρτώνται από τη συσκευή και την εφαρμογή που πρόκειται αυτή να χρησιμοποιηθεί. Στο εμπόριο παρέχονται συσκευές καταγραφής της θερμοκρασίας που μπορεί να δέχονται ένα επιπλέον τύπο αισθητηρίου π.χ. μέτρησης της ταχύτητας του ανέμου ή της πίεσης, προκειμένου αυτά να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συγκεκριμένες εφαρμογές. Επίσης παρέχεται ένα πολύ μεγάλο πλήθος από τέτοιες συσκευές σε διαφορετικά μεγέθη και σχήματα, αριθμό εισόδων και δυνατότητες συλλογής δεδομένων καθώς και προγραμματισμού. Στο Σχήμα 7. παρουσιάζονται κάποιες από τις διαφορετικές μορφές που μπορεί να έχουν. Όλες αυτές οι συσκευές επιτρέπουν τη μεταφορά των δεδομένων που συλλέγονται, είτε σε πραγματικό χρόνο είτε όταν αυτό είναι επιθυμητό, σε ένα υπολογιστή ώστε να γίνει μετά δυνατή η επεξεργασία των δεδομένων. Εφαρμογές των Συσκευών Καταχώρησης Θερμοκρασίας Κάποιες από τις εφαρμογές των συσκευών καταχώρησης θερμοκρασίας είναι οι εξής: Παρακολούθηση Διαδικασιών (Process Monitoring). Χρησιμοποιούνται ευρύτατα στη 7.

83 ΑΣΚΗΣΗ 7 : ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΔΙΑΜΕΣΟΥ Η/Υ βιομηχανία κατά την επεξεργασία τροφών, στις κατασκευές, στην εκτύπωση, στη μεταλλουργία, κ.τ.λ. όπου η θερμοκρασία παίζει κρίσιμο ρόλο στα τελικά αποτελέσματα μιας διαδικασίας. Η συνεχής καταγραφή της θερμοκρασίας σε συνδυασμό με τα επιτρεπτά για κάποια διαδικασία όρια θερμοκρασίας επιτρέπουν στο χειριστή του συστήματος να ελέγξει ή και να διακόψει τη διαδικασία αποτρέποντας μη επιθυμητές καταστάσεις. Σχήμα 7. Μορφές συσκευών καταχώρησης θερμοκρασίας. Έλεγχος Ποιότητας. Προκειμένου να διατηρείται σταθερή η ποιότητα ενός προϊόντος, χρησιμοποιούνται για να ελέγχουν τη διαδικασία παραγωγής του. Ως παράδειγμα αναφέρεται η καταγραφή της θερμοκρασιών κατά τη θέρμανση ή κατά την ψύξη ενός φούρνου για το ψήσιμο 7.3

84 ΑΣΚΗΣΗ 7 : ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΔΙΑΜΕΣΟΥ Η/Υ κεραμικών υλικών. Αν οι μεταβολές της θερμοκρασίας δεν γίνονται με τον επιθυμητό ρυθμό τότε το αποτέλεσμα δεν είναι το επιθυμητό. Με τις συσκευές καταγραφής συνεπώς μπορεί να καταγραφεί η καμπύλη αύξησης ή μείωσης της θερμοκρασίας και στη συνέχεια να υπολογιστεί η συγκεκριμένη κλίση της καμπύλης αυτής. Επίσης συσκευές καταχώρισης πολλών εισόδων ελέγχουν τη θερμοκρασία ταυτόχρονα σε πολλά σημεία ενός φούρνου ψησίματος ψωμιών ώστε να εξασφαλίζεται το ομοιόμορφο ψήσιμο τους. Πρακτικές Δοκιμές (Field Testing). Οι κατασκευαστές συσκευών που βασίζονται σε τυπωμένα κυκλώματα χρησιμοποιούν τις συσκευές καταχώρησης θερμοκρασίας για τον περιοδικό έλεγχο της καλής λειτουργίας των συσκευών. Επίσης πειραματικοί σταθμοί που χρησιμοποιούνται στη γεωργία χρησιμοποιούν τις συσκευές καταχώρησης της θερμοκρασίας (temperature data loggers) για να μελετήσουν σε βάθος χρόνου τη θερμοκρασία του εδάφους και την επίδρασή της στην ανάπτυξη των φυτών. Παρακολούθηση Καιρικών Συνθηκών και Κλιματολογικών Αλλαγών. Ο συσκευές αυτές εγκαθίστανται επίσης σε απομακρυσμένους σταθμούς πρόβλεψης καιρού ή μελέτης, σε βάθος χρόνου, των κλιματολογικών αλλαγών και στέλνουν τα δεδομένα που συλλέγουν με τη βοήθεια ενός μόντεμ σε ένα κεντρικό σταθμό παρακολούθησης. Η ευελιξία και η μεταφερσιμότητα τέτοιων συσκευών καταγραφής επιτρέπει τη δημιουργία ενός δικτύου από σταθμούς πρόβλεψης. Έρευνα και Ανάπτυξη. Τα καταγραφικά θερμοκρασίας συναντώνται σε εργαστήρια όπου γίνεται η ανάπτυξη και η βελτίωση προϊόντων όπως π.χ. οι μηχανές αυτοκινήτων και τα λιπαντικά. Σε εργαστήρια χημείας χρησιμοποιούνται για την καταγραφή των θερμοκρασιών δειγμάτων από στοιχεία ή ενώσεις που μελετώνται. Στη μηχανική χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της επίδρασης της θερμοκρασίας στην αντοχή και την ελαστικότητα των υλικών. Άλλες Συσκευές Μέτρησης, Συλλογής και Καταχώρησης Δεδομένων Μια ιδιαίτερη κατηγορία καταγραφής δεδομένων με τη βοήθεια Η/Υ μπορούν να θεωρηθούν οι ηλεκτρονικές συσκευές μέτρησης (πολύμετρα, παλμογράφοι) που χρησιμοποιούνται στη μέτρηση ηλεκτρικών μεγεθών όπως π.χ. η τάση, η ένταση του ρεύματος, η αντίσταση, η συχνότητα ή η περίοδος ενός σήματος. Επειδή όπως είναι ήδη γνωστό η έξοδος των διάφορων αισθητηρίων μέτρησης της θερμοκρασίας μπορεί να είναι τάση, ρεύμα ή αντίσταση, τα όργανα αυτά (κυρίως τα πολύμετρα) φέρουν πολλές φορές κατάλληλα προσαρμοσμένες εισόδους στις οποίες επιτρέπεται η σύνδεση ενός αισθητηρίου μέτρησης της θερμοκρασίας (συνήθως θερμοζεύγους). Επιπλέον τα πιο ακριβά από αυτά παρέχουν τη δυνατότητα μεταφοράς στον Η/Υ των τιμών των μεγεθών που μετρώνται διαμέσου κάποιας μορφής σειριακής επικοινωνίας (RS3, USB) σε πραγματικό χρόνο, ώστε να είναι δυνατή η μόνιμη αποθήκευση των τιμών αυτών καθώς και η επεξεργασία τους. Για την επεξεργασία των δεδομένων στον υπολογιστή συνήθως παρέχεται και το σχετικό λογισμικό που επιτρέπει την επικοινωνία με το όργανο και στη συνέχεια την κατάλληλη απεικόνιση των μεγεθών στην οθόνη του υπολογιστή. Το Ψηφιακό Πολύμετρο Μ3860D Στη κατηγορία αυτή ανήκει το ψηφιακό πολύμετρο Μ3860D της Metex. Το πολύμετρο αυτό εκτός από τα συνήθη ηλεκτρικά μεγέθη που μπορεί να μετρήσει, μετράει επίσης χωρητικότητα πυκνωτών, ενίσχυση τρανζίστορ και θερμοκρασία. Έχει οθόνη διπλής απεικόνισης ενώ για τη μέτρησης της θερμοκρασίας δέχεται ένα τύπου Κ θερμοζεύγος. Επιπλέον το όργανο αυτό φέρει μία σειριακή RS3 θύρα επικοινωνίας και συνοδεύεται από το σχετικό καλώδιο που επιτρέπει τη σύνδεσή του με την αντίστοιχη θύρα ενός Η/Υ. Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας πρέπει να επιλεχθεί η θέση TEMP με τη βοήθεια του περιστροφικού διακόπτη ενώ το συγκεκριμένο για τα τύπου Κ 7.4

85 ΑΣΚΗΣΗ 7 : ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΔΙΑΜΕΣΟΥ Η/Υ θερμοζεύγη φις πρέπει να συνδεθεί με προσοχή, προσέχοντας τη σωστή πολικότητα στην ειδική υποδοχή που υπάρχει για το σκοπό αυτό στην πρόσοψη του οργάνου. Η ίδια υποδοχή χρησιμοποιείται και στη μέτρηση της χωρητικότητας. Στο Σχήμα 7.3 φαίνεται η πρόσοψη του πολύμετρου. Σχήμα 7.3 Το πολύμετρο M3860D. Σε αυτό φαίνεται η σύνδεση του θερμοζεύγους (αριστερά) και του καλωδίου σειριακής επικοινωνίας (δεξιά και στην πλαϊνή πλευρά). Για την επεξεργασία των δεδομένων που μεταφέρονται στον υπολογιστή παρέχεται μαζί με το πολύμετρο το λογισμικό ScopeView. Αυτό επιτρέπει: Τον έλεγχο της επικοινωνίας διαμέσου της σειριακής θύρας. Τη ρύθμιση των παραμέτρων ανάλογα με το μέγεθος που πρόκειται να μετρηθεί. Τον ρυθμό της δειγματοληψίας. Τον καθορισμό των μονάδων μέτρησης που θα χρησιμοποιηθούν. Τον καθορισμό του υποκαταλόγου και του ονόματος του αρχείου στο οποίο θα αποθηκευτούν οι μετρούμενες τιμές. Τον καθορισμό του υποκαταλόγου και του ονόματος υπάρχοντος αρχείου που φορτώνεται με σκοπό τη μελέτη των αποθηκευμένων σε αυτό τιμών. Την παρακολούθηση της καταγραφής. Το πρόγραμμα αυτό πριν χρησιμοποιηθεί, πρέπει να εγκατασταθεί στον υπολογιστή που θα συνδεθεί με το πολύμετρο. Εκτελείται σε περιβάλλον Windows. Όταν εκτελεστεί για πρώτη φορά εμφανίζεται η οθόνη του Σχήματος 7.4. Πατώντας OK σε αυτή την οθόνη εμφανίζεται η οθόνη του 7.5

86 ΑΣΚΗΣΗ 7 : ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΔΙΑΜΕΣΟΥ Η/Υ Σχήματος 7.5. Διαφορετικά με το Cancel κλείνει η εφαρμογή. Στην οθόνη του Σχήματος 7.5, αν πατηθεί το πλήκτρο Power εξαφανίζεται από την οθόνη η ένδειξη Power Off, η κόκκινη ένδειξη με τη λέξη OFF γίνεται πράσινη (και ON) και ενεργοποιείται η λειτουργία του προγράμματος, ενώ ταυτόχρονα ξεκινάει η δειγματοληψία από το πολύμετρο. Επίσης φωτίζονται τα τρία αριστερά πλήκτρα (Scope, Logger και Meter) ως ένδειξη της ενεργοποίησης της εφαρμογής (Σχήμα 7.6). Αντίθετα με Exit από αυτή την οθόνη κλείνει η εφαρμογή. Σχήμα 7.4 Αρχική οθόνη του προγράμματος ScopeView που παρέχεται από την εταιρεία Metex. Σχήμα 7.5 Οθόνη ενεργοποίησης και απενεργοποίησης της εφαρμογής. Από την ίδια οθόνη με την επιλογή Setup καθορίζονται οι παράμετροι της σειριακής θύρας, καθώς και η ταχύτητα της επικοινωνίας (Σχήμα 7.7(α)), ενώ στην περίπτωση που δεν είναι δυνατή η σειριακή επικοινωνία με το πολύμετρο εμφανίζεται η οθόνη σφάλματος του Σχήματος 7.7(β). Πατώντας το πλήκτρο Playback απεικονίζονται τα δεδομένα που έχουν αποθηκευτεί με προηγού- 7.6

87 ΑΣΚΗΣΗ 7 : ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΔΙΑΜΕΣΟΥ Η/Υ μενη διαδικασία σε κάποιο αρχείο όπως θα παρουσιαστεί παρακάτω. Σχήμα 7.6 Οθόνη ενεργοποίησης και απενεργοποίησης της εφαρμογής (ενεργοποιημένη εφαρμογή). (α) (β) Σχήμα 7.7 α) Ρύθμιση παραμέτρων σειριακής επικοινωνίας. β) Μήνυμα σφάλματος στη σειριακή επικοινωνία με το πολύμετρο. Αν πατηθεί στην οθόνη του Σχήματος 7.6 το πλήκτρο Scope, τότε εμφανίζεται η οθόνη του Σχήματος 7.8 (ScopeView Control Panel). Με τη βοήθεια της οθόνης αυτής μπορούν να ρυθμιστούν: Από το πλαίσιο που αφορά στον κατακόρυφο άξονα της καταγραφής (Vertical): α) Το μετρούμενο μέγεθος ανά υποδιαίρεση (Units / div). Στην προκειμένη περίπτωση το μετρούμενο μέγεθος είναι η θερμοκρασία και συνεπώς θα εκφράζει τη θερμοκρασία / υποδιαίρεση. β) Την επιθυμητή τιμή μετακίνησης της καμπύλης (Offset). Στην περίπτωση που επιλεχθεί το πλαίσιο ελέγχου με την ένδειξη Auto Scale On, η κλίμακα απεικόνισης επιλέγεται αυτόματα από την εφαρμογή. Από το πλαίσιο Time Base καθορίζεται ο ρυθμός δειγματοληψίας. Στο παράθυρο που υπάρχει δίπλα από την ένδειξη Sample Every: γράφεται ο αριθμός των δειγμάτων που είναι επιθυμητό να συλλέγονται ενώ με τη βοήθεια των κουμπιών επιλογής επιλέγεται αν ο χρόνος δειγματοληψίας θα είναι σε sec (δευτερόλεπτα) ή min (λεπτά). Με τον τρόπο αυτό καθορίζονται και οι ρυθμίσεις για 7.7

88 ΑΣΚΗΣΗ 7 : ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΔΙΑΜΕΣΟΥ Η/Υ τον οριζόντιο άξονα της καταγραφής. Από το πλαίσιο Trigger επιλέγεται αν είναι επιθυμητός ή όχι ο σκανδαλισμός (ON-OFF). Η επιλογή αυτή επιτρέπει την εφαρμογή να περιμένει (Trigger ON) μέχρι να επιτευχθεί μια δεδομένη τιμή κατωφλίου του σήματος εισόδου ή μια επιθυμητή κλίση της καμπύλης πριν την έναρξη μιας σάρωσης. Σκανδαλισμός μπορεί να γίνει κατά την άνοδο ή κατά την πτώση του σήματος ή ακόμη και με χρονική καθυστέρηση. Από το πλαίσιο Sweep Mode επιλέγεται αν ο τρόπος σάρωσης θα είναι συνεχής (Repetitive) ή η σάρωση θα γίνει μόνο μία φορά (Single Sweep). Επιλέγεται επίσης και το εύρος της σάρωσης (Sweep Magnify). Το εύρος καθορίζει το εύρος της μεταβολής του οριζόντιου άξονα (Time / Div) όταν επιλεχθεί κάποιος τρόπος σάρωσης. Σχήμα 7.8 Οθόνη ελέγχου του ScopeView. Σχήμα 7.9 Οθόνη αποθήκευσης αρχείου. Όταν πατηθεί το πλήκτρο Record τότε εμφανίζεται η οθόνη του Σχήματος 7.9 που επιτρέπει τη 7.8

89 ΑΣΚΗΣΗ 7 : ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΔΙΑΜΕΣΟΥ Η/Υ δημιουργία και την αποθήκευση του αρχείου στο οποίο πρόκειται να αποθηκευτούν τα δεδομένα. Το αρχείο αυτό πρέπει να έχει επέκταση.txt. Από την οθόνη του Σχήματος 7.9 με OK εμφανίζεται και πάλι η οθόνη του Σχήματος 7.8. Με δεδομένο πλέον το αρχείο αποθήκευσης, η εφαρμογή είναι έτοιμη για την καταγραφή των δεδομένων. Όταν πατηθεί το πλήκτρο Scope στην οθόνη του Σχήματος 7.8 τότε εμφανίζεται η οθόνη του Σχήματος Με Run σε αυτή την οθόνη αρχίζει η καταγραφή των δεδομένων, ενώ με Stop σταματάει η καταγραφή. Το πλήκτρο Print επιτρέπει την εκτύπωση της καταγραφής, ενώ με το Close η εφαρμογή επιστρέφει στην προηγούμενη οθόνη ελέγχου (ScopeView Control Panel). Στην οθόνη του Σχήματος 7.10 εμφανίζονται επιπλέον όλες οι ρυθμίσεις που έγιναν σε προηγούμενα βήματα. Στο κάτω αριστερά τμήμα της οθόνης παρέχεται επίσης η τιμή του μετρούμενου μεγέθους καθώς και η μονάδα μέτρησής του. Σχήμα 7.10 Οθόνη γραφικής παρουσίασης των δεδομένων. Αν από την οθόνη του Σχήματος 7.6 (αρχική οθόνη) πατηθεί το πλήκτρο Logger τότε θα εμφανιστεί η οθόνη του Σχήματος 7.11 (Data Logger Control Panel). Στο πλαίσιο Window Comparator Data Filter δίνεται η δυνατότητα τα μετρούμενα δεδομένα να συλλέγονται με τη χρήση του φίλτρου σύγκρισης δεδομένων. Στο πλαίσιο Time Base ρυθμίζεται όπως και προηγούμενα ο ρυθμός δειγματοληψίας, ενώ στο πλαίσιο Logger Delay καθορίζεται η καθυστέρηση της λήψης των δεδομένων. Το πλήκτρο Record επιτρέπει τη δημιουργία του αρχείου αποθήκευσης (Σχήμα 7.9) το οποίο υπενθυμίζεται πρέπει να έχει επέκταση.txt. Τα αρχεία που αποθηκεύονται από αυτό τον τύπο του καταγραφικού μπορούν να διαβαστούν από πολλούς τύπους φύλλων δεδομένων. Τέλος με το πλήκτρο Run εμφανίζεται η οθόνη του Σχήματος 7.1 καταγραφής των δεδομένων (LongView Data Output). Στην οθόνη αυτή απεικονίζονται: Σε πραγματικό χρόνο η οθόνη του οργάνου μέτρησης. Οι επιλεγμένες ρυθμίσεις. Οι ενδείξεις μέγιστου / ελάχιστου. 7.9

90 ΑΣΚΗΣΗ 7 : ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΔΙΑΜΕΣΟΥ Η/Υ Η έξοδος των δεδομένων. Η επιλογή του πλήκτρου Zoom επιτρέπει την επέκταση της οθόνης του οργάνου. Σχήμα 7.11 Οθόνη ελέγχου του καταγραφικού δεδομένων (Data Logger Control Panel) Σχήμα 7.1 Οθόνη εξόδου του καταγραφικού δεδομένων. Η οθόνη στο Σχήμα 7.13 εμφανίζεται όταν στην οθόνη του Σχήματος 7.6 πατηθεί το πλήκτρο Meter. Η οθόνη αυτή απεικονίζει τα δεδομένα σε πραγματικό χρόνο, παρέχει τη δυνατότητα αποθήκευσης μέχρι 10 μετρούμενων τιμών, αποθηκεύει τα δείγματα μέγιστου-ελάχιστου των δεδομένων και παρέχει τη δυνατότητα διακοπής στον προκαθορισμένο χρόνο της συλλογής αυτών. Στην οθόνη του Σχήματος 7.14 παρέχεται η δυνατότητα απεικόνισης σε μη πραγματικό χρόνο μιας καταγραφής που έγινε σε πραγματικό χρόνο και αποθηκεύτηκε σε κάποια μορφή αρχείου. Η οθόνη αυτή, όπως αναφέρθηκε, εμφανίζεται όταν πατηθεί το πλήκτρο PlayBack στην οθόνη του Σχήματος

91 ΑΣΚΗΣΗ 7 : ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΔΙΑΜΕΣΟΥ Η/Υ Σχήμα 7.13 Οθόνη απεικόνισης σε πραγματικό χρόνο των δεδομένων (απεικόνιση από απόσταση της οθόνης του πολύμετρου). Σχήμα 7.14 Οθόνη απεικόνισης των δεδομένων καταγραφής που έχουν αποθηκευτεί προηγούμενα σε κάποιο.txt αρχείο. 7.11

92 ΑΣΚΗΣΗ 7 : ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΔΙΑΜΕΣΟΥ Η/Υ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Σκοπός Ο σκοπός της άσκησης αυτής είναι να γνωρίσει ο σπουδαστής ένα τύπο συσκευής καταχώρησης θερμοκρασίας και να συγκρίνει ως προς τη δυσκολία τη μέθοδο αυτή καταχώρησης με τη χειροκίνητη μέθοδο καταγραφής θερμοκρασιών που χρησιμοποίησε στην 6 η Άσκηση. Απαιτούμενα Υλικά Είδος Ποσότητα Είδος Ποσότητα GEFRAN 400 ελεγκτής θερμοκρ. 1 Θερμοζεύγος τύπου Κ Αντίσταση ισχύος 1000 W 1 Καλώδιο RS3 1 Δοχείο ζέσης λίτρων 1 Αναδευτήρας 1 Πολύμετρο Μ3860D 1 Κιβώτιο συνδέσεων και καλώδια 1 Διάταξη Σχήμα 7.15 Διάταξη ελεγκτή θερμοκρασίας με θερμοζεύγος τύπου Κ και πολύμετρο με θερμοζεύγος τύπου Κ με σύνδεση διαμέσου της σειριακής θύρας στον Η/Υ για την καταγραφή των δεδομένων. Πορεία Εργασίας 1. Δημιουργήστε τη διάταξη του Σχήματος Η διάταξη αυτή αποτελείται από ένα δοχείο ζέσης λίτρων γεμάτο με νερό. Στο δοχείο τοποθετούνται τα probe των δύο θερμοζευγών, η θερμαντική αντίσταση των 1000 W και ο αναδευτήρας. Ο ελεγκτής θερμοκρασίας βρίσκεται στην πρόσοψη ενός κιβωτίου συνδέσεων (6 η Άσκηση, Θερμοζεύγη & Ελεγκτής Θερμοκρασίας). Στο κιβώτιο έχει τοποθετηθεί επιπλέον ένας διακόπτης ισχύος και ένα ρελέ ισχύος το οποίο απομονώνει την έξοδο ισχύος του ελεγκτή από το φορτίο ισχύος (τη θερμαντική αντίσταση). Έτσι υπάρχει η δυνατότητα σύνδεσης ενός πολύ μεγαλύτερου φορτίου από αυτό που αντέχει η έξοδος του ελεγκτή. Η διάταξη συνδέεται στο δίκτυο της Δ.Ε.Η. Το ο θερμοζεύγος συνδέεται με το πολύμετρο Μ3860D. Το καλώδιο της σειριακής επικοινωνίας συνδέει το πολύμετρο με μια από τις σειριακές θύρες του Η/Υ.. Ολοκληρώστε όλες τις απαιτούμενες συνδέσεις έχοντας κλειστό τον Η/Υ και το πολύμετρο. 7.1

93 ΑΣΚΗΣΗ 7 : ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΔΙΑΜΕΣΟΥ Η/Υ 3. Ενεργοποιήστε με τη βοήθεια του διακόπτη ισχύος τη διάταξη του ελεγκτή θερμοκρασίας. Ο ελεγκτής βρίσκεται σε χειροκίνητη λειτουργία (MANUAL MODE). Στη θέση αυτή ο ελεγκτής δείχνει διαδοχικά την κατάσταση της εξόδου και τη μετρούμενη θερμοκρασία. ΠΡΟΣΟΧΗ!!! Αν πατηθεί το πλήκτρο Automatic/Manual setting selection (αριστερό πλήκτρο) ή το πλήκτρο αύξησης ( ο από αριστερά) θα ενεργοποιηθεί η έξοδος. Με τη βοήθεια του πλήκτρου λειτουργιών F (δεξιό πλήκτρο) ελέγξτε τις τρέχουσες τιμές για το setpoint και τα alarm και με τη βοήθεια των πλήκτρων αύξησης - μείωσης επιλέξτε τις επιθυμητές τιμές (6 η Άσκηση, Σχήμα 6.10, LEVEL 1 DISPLAY). Έτσι ρυθμίστε το setpoint στους 40 C, το alarm 1 στους 39 C, ενώ το alarm στους 4 C. Μετά από καθυστέρηση 15 sec η απεικόνιση στην οθόνη δείχνει πάντοτε την αρχική κατάσταση, δηλαδή την κατάσταση εξόδου και τη μετρούμενη θερμοκρασία. 4. Πατήστε το πλήκτρο λειτουργιών F για περίπου δευτερόλεπτα. Τότε εμφανίζεται (ανά sec) πρώτα το όνομα του υπομενού UPd και μετά του CFG (6 η Άσκηση, Σχήμα 6.10, CFG). Ρυθμίστε ή αφήστε στην κατάσταση που βρίσκονται, αν αυτή είναι η επιθυμητή, τις παραμέτρους που εμφανίζονται στο υπομενού CFG. Οι παράμετροι αλλάζουν με απλό πάτημα του πλήκτρου λειτουργιών F, ενώ οι τιμές των παραμέτρων με τα πλήκτρα αύξησης - μείωσης. 5. Ρυθμίστε ή αφήστε στην κατάσταση που βρίσκονται, αν αυτή είναι η επιθυμητή, τις παραμέτρους στα υπομενού InP και Out, όπως αυτές φαίνονται στο Σχήμα 6.9 (6 η Άσκηση) και συνιστούν ένα τυπικό μενού διαμόρφωσης, με παρόμοια διαδικασία με αυτή που ακολουθήθηκε στο προηγούμενο βήμα. Λεπτομέρειες για τις παραμέτρους που αναφέρονται στα υπομενού αυτά του Σχήματος 6.9 μπορείτε να βρείτε στα αναλυτικά υπομενού που παρουσιάζονται στα Σχήματα 6.11, 6.1. Ο τύπος ελέγχου που πρέπει να ρυθμίσετε είναι ο ΟΝ - OFF hot ενώ το θερμοζεύγος είναι τύπου Κ για τη μέτρηση της θερμοκρασίας σε C. Επίσης ο αριθμός των alarm που πρόκειται να χρησιμοποιήσετε είναι, ο τύπος τους είναι ο 0 (direct, absolute, normal). Τέλος οι έξοδοι πρέπει να είναι r.o.1 = 0 και η r.o. = Η διάταξη με τις προηγούμενες ρυθμίσεις είναι έτοιμη για τον έλεγχο της θερμοκρασίας του νερού στο δοχείο ζέσης. Στη διάρκεια της εκτέλεσης του πειράματος θα παρατηρήσετε την εναλλαγή της λειτουργίας της θερμαντικής αντίστασης (αριστερή ενδεικτική λυχνία, OUT1) και την κατάσταση των Alarm (δεξιά ενδεικτική λυχνία, OUT). 7. Ανοίξτε στη συνέχεια τον Η/Υ και το πολύμετρο και περιστρέψτε τον περιστροφικό διακόπτη του πολυμέτρου στη θέση Temp. 8. Ελέγξτε και ενεργοποιήστε την εφαρμογή ScopeView αν είναι ήδη εγκατεστημένη. Διαφορετικά εγκαταστήστε την και ενεργοποιήστε την. Τα αρχεία της εφαρμογής βρίσκονται στη δισκέτα που συνοδεύει το πολύμετρο. 9. Εφόσον υπάρχει επικοινωνία του Η/Υ με το πολύμετρο από την οθόνη του Σχήματος 7.6 ενεργοποιήστε την επιλογή Scope. 10. Στην οθόνη που θα εμφανιστεί (Σχήμα 7.8, ScopeView Control Panel) καθορίστε τις υποδιαιρέσεις στον κατακόρυφο και στον οριζόντιο άξονα θεωρώντας ότι η μέγιστη θερμοκρασία θα είναι 64 C και η μέγιστη χρονική διάρκεια της καταγραφής 16 λεπτά. Ρυθμίστε στο πλαίσιο Trigger καθυστέρηση χρόνου ίση με 1 λεπτό. 11. Με τη βοήθεια του πλήκτρου Record και της οθόνης που θα εμφανιστεί (Σχήμα 7.9) δώστε το όνομα saea7t106w.txt ή saea7t06w.txt (ανάλογα με το τμήμα) για ένα αρχείο text και αποθηκεύστε το. Το αρχείο αυτό θα περιέχει τις τιμές που θα καταγραφούν. Με ΟΚ στην οθόνη αυτή επιστρέφετε στην οθόνη του Σχήματος Πατήστε το πλήκτρο Scope και θα εμφανιστεί η οθόνη του Σχήματος Παρατηρήστε στην οθόνη αυτή όλες τις ρυθμίσεις που έχετε κάνει. Για να ξεκινήσει η καταγραφή από την οθόνη αυτή θα πρέπει να πατήσετε το πλήκτρο Run. Η έναρξη της καταγραφής θα καθυστερήσει 1 λεπτό. 7.13

94 ΑΣΚΗΣΗ 7 : ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΔΙΑΜΕΣΟΥ Η/Υ 13. Ενεργοποιήστε τον έλεγχο λειτουργίας πατώντας το αριστερό πλήκτρο του ελεγκτή. Τότε η λειτουργία μεταφέρεται από χειροκίνητη σε αυτόματη. Αναδεύετε συνέχεια το νερό ώστε να είναι ομοιόμορφη η κατανομή της θερμοκρασίας. 14. Με τη βοήθεια των τιμών από το αρχείο καταγραφής που θα πάρετε μετά το τέλος της καταγραφής (με κάποιο αποθηκευτικό μέσο ή από τη σελίδα των εργαστηρίων του τμήματος στο Internet) σχεδιάστε το διάγραμμα θερμοκρασίας - χρόνου. Στο διάγραμμα αυτό σημειώστε τα σημεία στα οποία επενεργεί ο ελεγκτής θερμοκρασίας. 15. Καταγράψτε στον Πίνακα 7.1 τη νεκρή ζώνη της λειτουργίας του συστήματος. Υπενθυμίζεται ότι ως νεκρή ζώνη ορίζεται η ζώνη που καθορίζεται από τις τιμές των θερμοκρασιών γύρω από το setpoint στις οποίες απενεργοποιείται και ενεργοποιείται ξανά η έξοδος του ελεγκτή. ΠΙΝΑΚΑΣ 7.1 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΧΑΜΗΛΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΥΨΗΛΗ ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ Ερωτήσεις Για ποιους λόγους κατά τη γνώμη σας η καταγραφή της θερμοκρασίας με συσκευές καταχώρησης θερμοκρασίας είναι περισσότερο αξιόπιστη από μια χειροκίνητη μέθοδο; Περιγράψτε αναλυτικά τη διαδικασία με την οποία ρυθμίσατε τους άξονες της καταγραφής σας στο πρόγραμμα ScopeView. Ποιος είναι ο ρόλος του Trigger σε μία συσκευή καταχώρησης θερμοκρασιών; Να αναφέρετε κάποια παραδείγματα. Γραπτή Εργασία Θα περιλαμβάνει α) σύντομη θεωρία, β) τον πίνακα 7.1 συμπληρωμένο γ) το διάγραμμα θερμοκρασίας - χρόνου. και δ) τις απαντήσεις στις ερωτήσεις. Υπενθυμίζεται ότι η ιστοσελίδα του τμήματος Τεχνολογίας Πετρελαίου και Φυσικού Αερίου είναι η εξής: (ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ, ΣΑΕ ΙΙ). Στην ιστοσελίδα των εργαστηρίων θα βρείτε το αρχείο με τις τιμές της θερμοκρασίας που καταγράφηκαν. 7.14

95 8 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΚΑΜΠΥΛΗ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΓΜΔΜ

96

97 ΑΣΚΗΣΗ 8 : ΚΑΜΠΥΛΗ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΓΜΔΜ ΘΕΩΡΙΑ Γραμμικοί Μεταβλητοί Διαφορικοί Μετασχηματιστές (ΓΜΔΜ, LVDTs) Ο γραμμικός μεταβλητός διαφορικός μετασχηματιστής (Linear Variable Differential Transformer, LVDT, ΓΜΔΜ) είναι ένας μετατροπέας που μετατρέπει την πληροφορία μετατόπισης σε ηλεκτρικό σήμα. Συμπεριφέρεται ως ένας μετασχηματιστής με ένα πρωτεύον τύλιγμα και δύο δευτερεύοντα που τυλίγονται στην ίδια βάση (κύλινδρο). Ένας πυρήνας (οπλισμός) που έχει τη δυνατότητα να μετακινείται, από κράμα σιδήρου νικελίου, τοποθετείται στο εσωτερικό των τυλιγμάτων αυτών. Το πρωτεύον τύλιγμα συνδέεται με εναλλασσόμενη τάση συγκεκριμένης συχνότητας ενώ στα άκρα των τυλιγμάτων εξόδου (των δευτερευόντων τυλιγμάτων) αναπτύσσεται τάση (ΗΕΔ) εξαιτίας του νόμου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του Faraday. Η συχνότητα λειτουργίας των ΓΜΔΜ είναι 60 Ηz έως 0 ΚΗz και η τάση εισόδου τους είναι συνήθως από 3 έως 4 Volt. Τα δευτερεύοντα τυλίγματα είναι συνδεδεμένα με τέτοιο τρόπο ώστε η τάση που εμφανίζεται στα άκρα του ενός τυλίγματος να είναι αντίθετης πολικότητας από την τάση στο άλλο. Καθώς μετακινείται ο πυρήνας στο εσωτερικό αυτών των πηνίων επάγεται διαφορετική τάση (ΗΕΔ) σε κάθε ένα από τα δευτερεύοντα πηνία. Οι τάσεις που επάγονται στα πηνία όταν ο πυρήνας βρίσκεται στο μέσο της διαδρομής του είναι ίσες και αντίθετης πολικότητας και συνεπώς αναιρούνται. Στο Σχήμα 8.1(α) φαίνεται σχηματικά η θέση των πηνίων που συνιστούν ένα ΓΜΔΜ, ενώ στο Σχήμα 8.1(β) η έξοδος ανάλογα με τη θέση του πυρήνα. Στο Σχήμα 8. παρουσιάζεται η εσωτερική δομή του. (α) Σχήμα 8.1 α) Αρχή λειτουργίας του ΓΜΔΜ. β) Έξοδος ανάλογα με τη θέση του πυρήνα. 8.1

98 ΑΣΚΗΣΗ 8 : ΚΑΜΠΥΛΗ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΓΜΔΜ Οι ΓΜΔΜ ανάλογα με την τάση τροφοδοσίας τους και την τάση εξόδου τους χωρίζονται σε δύο γενικές κατηγορίες. Στους ΓΜΔΜ εναλλασσόμενου ρεύματος (AC LVDTs) και στους ΓΜΔΜ συνεχούς ρεύματος (DC LVDTs). Η δεύτερη κατηγορία αποτελεί ουσιαστικά μετατροπή των ΓΜΔΜ στους οποίους έχει προστεθεί ένα κατάλληλο ηλεκτρονικό κύκλωμα. Το κύκλωμα αυτό στην είσοδο του ΓΜΔΜ μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη κατάλληλης συχνότητας για την τροφοδότηση του πρωτεύοντος πηνίου ενώ στην έξοδο μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση που επάγεται στα δευτερεύοντα τυλίγματα σε συνεχή, προκειμένου αυτή να μπορεί να μετρηθεί με τη βοήθεια κάποιου βολτόμετρου μέτρησης συνεχούς τάσης. Στο Σχήμα 8.3 παρουσιάζεται το εσωτερικό ενός ΓΜΔΜ συνεχούς ρεύματος. Σχήμα 8. Η εσωτερική δομή ενός ΓΜΔΜ. Σχήμα 8.3 Εσωτερική δομή ενός ΓΜΔΜ συνεχούς ρεύματος. Οι χαρακτηριστικές καμπύλες που συνδέουν την τάση εξόδου σε σχέση με τη μετατόπιση του 8.

99 ΑΣΚΗΣΗ 8 : ΚΑΜΠΥΛΗ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΓΜΔΜ πυρήνα παρουσιάζονται στο Σχήμα 8.4. Όπως μπορεί να διαπιστωθεί η σχέση αυτή είναι γραμμική εκτός από την περιοχή των ορίων θέσης του πυρήνα. Στις περιοχές αυτές παρουσιάζεται καμπύλωση. Ωστόσο οι περιοχές αυτές δε λαμβάνονται υπόψη στις διάφορες εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιούνται οι ΓΜΔΜ. Σχήμα 8.4 Χαρακτηριστικές καμπύλες των ΓΜΔΜ εναλλασσόμενου (Α) και συνεχούς ρεύματος (C). Χαρακτηριστικά των ΓΜΔΜ Τα βασικά χαρακτηριστικά των ΓΜΔΜ είναι τα εξής: Οι ΓΜΔΜ παρουσιάζουν γραμμική συμπεριφορά. Η απόκλιση από την γραμμικότητα είναι συνήθως 0.5% και ανάλογα με τον τύπο του ΓΜΔΜ μπορεί να μειωθεί ακόμη περισσότερο. Οι o ΓΜΔΜ για μέτρηση γωνίας έχουν απόκλιση συνήθως 1% για περιστροφή 40. Η ευαισθησία των ΓΜΔΜ είναι συνήθως μεταξύ 0.6 και 30 mv / ίντσες. Η ευαισθησία τους εξαρτάται από τη συχνότητα της τάσης του πρωτεύοντoς και τη διαδρομή του πυρήνα. Οι ΓΜΔΜ για μέτρηση γωνίας έχουν ευαισθησία από 1 έως 0 mv / μοίρα. Αν χρησιμοποιηθεί ενισχυτής για την ενίσχυση του σήματος εξόδου μπορεί να ανιχνευθεί μετατόπιση μικρότερη 8.3

100 ΑΣΚΗΣΗ 8 : ΚΑΜΠΥΛΗ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΓΜΔΜ από 0.01 mm. Η δυναμική συμπεριφορά του ΓΜΔΜ περιορίζεται κύρια από τη συχνότητα της τάσης τροφοδοσίας του πρωτεύοντος. Οι ΓΜΔΜ έχουν μεγάλη διακριτική ικανότητα. Δεν έχουν προβλήματα μηχανικής τριβής ή φθοράς και για αυτό το λόγο έχουν πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής. Οι ΓΜΔΜ αντέχουν σε κραδασμούς και δεν χρειάζονται συντήρηση. Υπάρχει γαλβανική απομόνωση μεταξύ του πρωτεύοντος και των δευτερευόντων τυλιγμάτων. Επειδή η τάση εξόδου τους λαμβάνει αρκετά μεγάλες τιμές συχνά δεν απαιτείται ενίσχυση. Ο ΓΜΔΜ DC50 της Solartron Πρόκειται για το ΓΜΔΜ του εργαστηρίου. Τα γεωμετρικά του χαρακτηριστικά φαίνονται στο Σχήμα 8.5(α) ενώ η σημασία των ακροδεκτών στο Σχήμα 8.5(β). Τέλος, τα αναλυτικά του χαρακτηριστικά φαίνονται στο Σχήμα 8.6. (α) (β) Σχήμα 8.5 α) Γεωμετρικά χαρακτηριστικά των ΓΜΔΜ DC15, DC5, DC50, AC156 και AC5. β) Οι ακροδέκτες εξόδου του ΓΜΔΜ DC50 και η σημασία τους. 8.4

101 ΑΣΚΗΣΗ 8 : ΚΑΜΠΥΛΗ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΓΜΔΜ Σχήμα 8.6 Αναλυτικά χαρακτηριστικά κάποιων από τους ΓΜΔΜ της Solartron (περιλαμβάνεται και τον ΓΜΔΜ DC50). 8.5

102 ΑΣΚΗΣΗ 8 : ΚΑΜΠΥΛΗ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΓΜΔΜ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Σκοπός Ο σκοπός της άσκησης αυτής είναι να γνωρίσει ο σπουδαστής ένα τύπο γραμμικού μεταβλητού διαφορικού μετασχηματιστή και να πειραματιστεί στον τρόπο με τον οποίο μπορεί να δημιουργήσει καμπύλες ρύθμισης για αυτόν ανάλογα με την τάση τροφοδοσίας του. Απαιτούμενα Υλικά Είδος Ποσότητα Είδος Ποσότητα Τροφοδοτικό Σταθεροποιημένο 1 Μικρόμετρο 1 Πολύμετρο 1 Καλώδια Τροφοδοτικού ΓΜΔΜ 1 Καλώδια σύνδεσης ΓΜΔΜ 4 Διάταξη Σχήμα 8.7 Διάταξη δημιουργίας καμπύλης ρύθμισης ενός ΓΜΔΜ. Πορεία Εργασίας 1. Δημιουργήστε τη διάταξη του Σχήματος 8.7. Η διάταξη αυτή αποτελείται α) από ένα τροφοδοτικό που παρέχει στην έξοδό του σταθεροποιημένες συνεχείς τάσεις από 6 έως 18 Volt, καθώς και ένα ποτενσιόμετρο που επιτρέπει τη συνεχή ρύθμιση της τάσης από 1. έως 0 Volt. β) από ένα πολύμετρο το οποίο ρυθμίζεται ώστε να μπορεί να μετρήσει συνεχή τάση, γ) τον ΓΜΔΜ για τον οποίο θα βρεθεί η καμπύλη βαθμονόμησης και δ) ένα μικρόμετρο που συνδέεται με τον ΓΜΔΜ και επιτρέπει μικρού μήκους μετακινήσεις του άξονα του. Συνδέστε τα καλώδια του ΓΜΔΜ προσεκτικά ώστε να αποτραπεί ο κίνδυνος βραχυκυκλώματος ως εξής: Το κόκκινο καλώδιο στο θετικό (κόκκινο) ακροδέκτη του τροφοδοτικού. Το μπλε καλώδιο στον αρνητικό (μαύρο) ακροδέκτη του τροφοδοτικού. Το άσπρο καλώδιο στο θετικό ακροδέκτη του πολυμέτρου. Το πράσινο καλώδιο στον αρνητικό ακροδέκτη του πολυμέτρου.. Ρυθμίστε την έξοδο του τροφοδοτικού στα 10.5 Volt και πατήστε το διακόπτη ισχύος. Το ενδεικτικό led φωτοβολεί ως ένδειξη λειτουργίας του τροφοδοτικού. Ταυτόχρονα ακούγεται ένας βόμβος (υψηλή συχνότητα) που προέρχεται από τον ΓΜΔΜ. 3. Επιλέξτε την καταλληλότερη περιοχή μέτρησης της τάσης στο βολτόμετρο και στρέψτε προσε- 8.6

103 ΑΣΚΗΣΗ 8 : ΚΑΜΠΥΛΗ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΓΜΔΜ κτικά το μικρόμετρο ώστε να μηδενιστεί η ένδειξη της τάσης στο βολτόμετρο. Η θέση αυτή αντιστοιχεί στο μέσο της διαδρομής του άξονα του ΓΜΔΜ. Συμπληρώστε με το ζευγάρι των τιμών που προκύπτει τις αντίστοιχες θέσεις του Πίνακα 8.1 ΠΙΝΑΚΑΣ 8.1 Τάση Τροφοδοτικού 10.5 Volt Τάση Βολτόμετρου (mv) Θέση Άξονα ΓΜΔΜ (mm) Τάση Τροφοδοτικού 1 Volt Τάση Βολτόμετρου (mv) Θέση Άξονα ΓΜΔΜ (mm) 4. Επαναλάβετε το βήμα 3 για τάση εξόδου του τροφοδοτικού ίση με 1 Volt. 5. Ρυθμίστε και πάλι την έξοδο του τροφοδοτικού στα 10.5 Volt, περιστρέψτε το μικρόμετρο έτσι ώστε να αρχίσετε να παίρνετε αρνητικές τιμές και μετακινήστε τον άξονα κατά 15 mm περίπου από τη θέση του μέσου της διαδρομής που μετρήσατε προηγούμενα (στη μέγιστη τιμή του μικρομέτρου). Καταγράψτε το ζευγάρι των τιμών που μετράτε στην 1 η γραμμή (στις αντίστοιχες θέσεις) στον Πίνακα Περιστρέφοντας το μικρόμετρο έτσι ώστε η ένδειξή του να αυξάνει κατά 1 mm κάθε φορά, καταγράψτε την τρέχουσα θέση και την τάση του βολτομέτρου και συμπληρώστε στον Πίνακα Επαναλάβετε τα βήματα 5 και 6 αφού ρυθμίσετε την έξοδο του τροφοδοτικού στα 1 Volt και συμπληρώστε τις αντίστοιχες στήλες στους Πίνακες 8.1 και Σχεδιάστε με τη βοήθεια των τιμών του Πίνακα 8. τις δύο καμπύλες ρύθμισης του ΓΜΔΜ για τις τάσεις τροφοδοσίας 10.5 και 1 Volt σε δύο ξεχωριστά διαγράμματα. Στον οριζόντιο άξονα των διαγραμμάτων αυτών, τάσης βολτόμετρου - θέσης ΓΜΔΜ, θα τοποθετήσετε τις τιμές της θέσης του ΓΜΔΜ. Ερωτήσεις Τι διαφορές παρατηρείτε στις δύο καμπύλες διαφορετικής τάσης τροφοδοσίας; Ακολουθούν οι καμπύλες που σχεδιάσατε τη θεωρητική μορφή των ΓΜΔΜ; Σε ποιές εφαρμογές κατά τη γνώμη σας μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι ΓΜΔΜ; Ποιον ΓΜΔΜ θα χρησιμοποιήσετε αν η μέγιστη απομάκρυνση που πρόκειται να μετρήσετε είναι 00 mm και πρέπει να τροφοδοτηθεί με συνεχή τάση; Γραπτή Εργασία Θα περιλαμβάνει α) σύντομη θεωρία, β) τους πίνακες 8.1 και 8. συμπληρωμένους γ) τα δύο διαγράμματα ρύθμισης του ΓΜΔΜ. και δ) τις απαντήσεις στις ερωτήσεις. 8.7

104 ΑΣΚΗΣΗ 8 : ΚΑΜΠΥΛΗ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΓΜΔΜ A/A ΠΙΝΑΚΑΣ 8. Τάση Τροφοδοτικού 10.5 Volt Τάση Βολτομέτρου (mv) Θέση Άξονα ΓΜΔΜ (mm) Τάση Τροφοδοτικού 1 Volt Τάση Βολτομέτρου (mv) Θέση Άξονα ΓΜΔΜ (mm) 8.8

105 9 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΜΕ ΤΟ ΜΕΤΡΗΤΗ VENTURI

106

107 ΑΣΚΗΣΗ 9 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΜΕ ΤΟ ΜΕΤΡΗΤΗ VENTURI ΘΕΩΡΙΑ Σωλήνας Venturi ή Βεντουρίμετρο Η μέτρηση της παροχής ρευστού είναι πρόβλημα που αντιμετωπίζεται σε πολλές εφαρμογές και για αυτό το λόγο έχουν κατασκευασθεί πολλών ειδών όργανα μέτρησης της. Ο σωλήνας Venturi είναι μία συσκευή που έχει χρησιμοποιηθεί για πολλά χρόνια για τη μέτρηση της παροχής των ρευστών. Το όνομά του οφείλεται στον Giovanni Battista Venturi ( ) ο οποίος εκτέλεσε πειράματα μέτρησης παροχής χρησιμοποιώντας κωνικούς σωλήνες. Η τυπική μορφή του σωλήνα Venturi εικονίζεται στο Σχήμα 9.1. Αποτελείται από ένα σωλήνα που εμφανίζει στένωση κωνικού σχήματος, κατά μήκος της οποίας το ρευστό επιταχύνεται, και στη συνέχεια εμφανίζει ομαλή διεύρυνση προς την αρχική διατομή. Καθώς αυξάνει η ταχύτητα από το σημείο εισόδου προς τη στένωση, παρατηρείται πτώση της πίεσης. Το μέγεθος αυτής της πτώσης εξαρτάται από την παροχή, που μπορεί να υπολογιστεί από τη διαφορά των πιέσεων, με τη βοήθεια μανόμετρων, ή άλλων μετρητών πίεσης, που τοποθετούνται στο σημείο στένωσης και πριν από αυτό. Σχήμα 9.1 Αρχή λειτουργίας του σωλήνα Venturi. Η ταχύτητα της ροής είναι ευθέως ανάλογη της τετραγωνικής ρίζας της διαφοράς πίεσης και επομένως ένα όργανο ένδειξης μπορεί να βαθμονομηθεί κατευθείαν σε μονάδες ταχύτητας, παροχής όγκου ή παροχής μάζας. Μπορεί να επιτευχθεί ανάγνωση των ενδείξεων από απόσταση, αν χρησιμοποιηθούν αισθητήρες πίεσης που παρέχουν ηλεκτρική έξοδο. Πριν την οδήγηση του αποτελέσματος σε ένα καταγραφικό μηχάνημα ή ένα όργανο ένδειξης, ή τη δημιουργία ενός σήματος ελέγχου, τα δύο σήματα αφαιρούνται και προσδιορίζεται η τετραγωνική ρίζα του σήματος της διαφοράς. Οι προδιαγραφές κατασκευής για μία ποικιλία σωλήνων Venturi παρουσιάζονται στον Πίνακα 9.1. Σε σύγκριση με τις μεθόδους με ακροφύσια και στόμια, οι σωλήνες Venturi είναι ακριβοί και απαιτούν περισσότερο χώρο στον αγωγό ροής. Παρόλα αυτά, προκαλούν μικρότερη πτώση της πίεσης και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορα είδη ρευστών, στα οποία δεν είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν τα ακροφύσια και τα στόμια. 9.1

108 ΑΣΚΗΣΗ 9 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΜΕ ΤΟ ΜΕΤΡΗΤΗ VENTURI Υλικά Ακρίβεια Εύρος τιμών παροχής Τυπική διάμετρος Μέγιστη μετρούμενη διαφορά πίεσης σε επιλεγμένες συνθήκες μέγιστης ροής Συνολική πτώση πίεσης (απώλεια μετώπου) ΠΙΝΑΚΑΣ 9.1 Μετρητές παροχής με σωλήνες Venturi Κατασκευάζονται με διάφορα υλικά, όπως το αλουμίνιο, τον ορείχαλκο και τον ανοξείδωτο χάλυβα AISI 316. Σύμφωνα με το Βρετανικό Πρότυπο BS 104 (τυπικά 1% πλήρους κλίμακας. Βαθμονόμηση σε υγρά και αέρια καλύτερη από 0.% της πραγματικής παροχής μάζας) Νερό 15 C: οποιοδήποτε εύρος 10:1 μεταξύ 0.83 x 10-3 και 41.7 x 10-3 m 3 s -1 (50 έως 500 λίτρα / λεπτό). Αέρας σε τυπική θερμοκρασία και πίεση (STP): οποιοδήποτε εύρος 10:1 μεταξύ 0.01 και 0.5 m 3 s -1 (600 έως λίτρα / λεπτό) 65 mm Μέγιστο κινηματικό ιξώδες 10 - m s -1 Προδιαγραφές μέγιστης πίεσης και θερμοκρασίας λειτουργίας Γενικά δεδομένα που απαιτούνται Μονάδες Μέτρησης Παροχής Υγρά: 147 kpa (15 μέτρα μετρητή νερού) Αέρια: 14.7 kpa (1.5 μέτρο μετρητή νερού) Συνήθως είναι το ένα δέκατο της μέγιστης μετρούμενης διαφοράς πίεσης Αλουμίνιο: 5 MPa (50 bar), έως 150 C. Ορείχαλκος: 10 MPa (100 bar), έως 150 C. Ανοξείδωτος χάλυβας AISI 316: 7 MPa (70 bar), έως 600 C Είδος ρευστού, εύρος τιμών ροής, στατική πίεση, μέγιστη απαιτούμενη διαφορά πίεσης, θερμοκρασία λειτουργίας, ειδικό βάρος, πυκνότητα λειτουργίας για ροή αερίου, ποσοστό υγρασίας σε ροή ατμού, κινηματικό ιξώδες ροής σε ροή υγρών. Υπενθυμίζεται ότι στο Διεθνές Σύστημα (S.I.) η μονάδα μέτρησης της παροχής Q είναι το m 3 / sec ενώ της παροχής μάζας G το Kgr / sec. Επιπλέον χρησιμοποιούνται ως πρακτικές μονάδες μέτρησης της παροχής το m 3 / min και το m 3 / h, ενώ της παροχής μάζας το Kgr / min και το Kgr / h. Επειδή σε πολλές περιπτώσεις, αυτές οι μονάδες μέτρησης είναι πολύ μεγάλες, χρησιμοποιούνται υποπολλαπλάσιά τους όπως π.χ. cm 3 / min ή gr / sec. Θεωρητικοί Υπολογισμοί Στο σωλήνα Venturi που χρησιμοποιείται στο εργαστήριο, υπάρχουν κατά μήκος του μανομετρικοί σωλήνες για την παρακολούθηση της μεταβολής της πίεσης. Για το θεωρητικό υπολογισμό της παροχής χρησιμοποιούνται δύο από αυτούς που αντιστοιχούν στις θέσεις εισόδου και λαιμού όπως φαίνεται στα Σχήματα 9.(α) και 9.(β) (σημεία Α και D). Στις εξισώσεις που θα ακολουθήσουν ο δείκτης 1 αναφέρεται στο σημείο Α, ενώ ο δείκτης στο σημείο D. 9.

109 ΑΣΚΗΣΗ 9 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΜΕ ΤΟ ΜΕΤΡΗΤΗ VENTURI (α) (β) Σχήμα 9. α) Σχηματική παράσταση της πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιείται (οι αποστάσεις είναι σε mm). β) Εικόνα στην οποία φαίνεται ο σωλήνας Venturi και οι μανομετρικοί σωλήνες. Με την υπόθεση ότι δεν υπάρχουν απώλειες ενέργειας μεταξύ των Α και D, η ροή είναι σταθερή και το υγρό είναι ασυμπίεστο, το θεώρημα του Bernoulli για τη ροή διαμέσου του μετρητή Venturi θα δίνεται από τη σχέση (9.1). u1 u un h1 h hn (9.1) g g g 9.3

110 ΑΣΚΗΣΗ 9 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΜΕ ΤΟ ΜΕΤΡΗΤΗ VENTURI 9.4 Όπου g είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας, n u η ταχύτητα του ρευστού και n h η ένδειξη του μανόμετρου στη θέση n. Σύμφωνα με την εξίσωση συνεχείας θα ισχύει η σχέση (9.). u n A n A u A u ή Q 1 1 σταθερ (9.) Όπου Q είναι η παροχή όγκου και Α n το εμβαδόν μιας κάθετης διατομής στη θέση n. Λύνοντας την εξίσωση συνεχείας ως προς 1 u και αντικαθιστώντας στην εξίσωση του Bernoulli προκύπτει η σχέση (9.3) A A h h g u h g u h A A g u (9.3) Η παροχή τέλος ( u A Q ) υπολογίζεται θεωρητικά με τη βοήθεια των σχέσεων (9.) και (9.3) από τη σχέση (9.4) A A h h g A A u Q πολογιζ Υ (9.4) Οι προηγούμενες εξισώσεις είναι έγκυρες μόνο σε ιδανικές καταστάσεις στις οποίες αγνοείται το ιξώδες του ρευστού. Συνεπώς οι τιμές της παροχής όγκου που μετρώνται θα διαφέρουν από τις τιμές που υπολογίζονται. Για την εύρεση της σχέσης που παρέχει τη μετρούμενη παροχή όγκου η σχέση (9.4) πολλαπλασιάζεται με μία σταθερή C D (σταθερή εκροής) που καθορίζεται πειραματικά, εκφράζει την επίδραση του ιξώδους του ρευστού στην παροχή και η τιμή της κυμαίνεται συνήθως από 0.90 έως Συνεπώς η μετρούμενη παροχή όγκου θα δίνεται από τη σχέση (9.5) A A h h g A C Q C Q D D ύ πολογιζ μενη ετρο Υ Μ (9.5) Από τη σχέση (9.5) όταν είναι γνωστές οι τιμές της υπολογιζόμενης και της μετρούμενης παροχής όγκου μπορεί να υπολογιστεί η τιμή της σταθερής εκροής C D. Η σχέση που συνδέει την παροχή μάζας ( ) ( m G ) δίνεται από τη σχέση (9.6). ρ Q G (9.6) όπου ρ είναι η πυκνότητα του ρευστού. Η σχέση (9.6) με τη βοήθεια της (9.4) γράφεται για την υπολογιζόμενη παροχή μάζας ως εξής (σχέση 9.7): A A h h g A Q G ρ ρ πολογιζ Υπολογιζ Υ (9.7) Από την τελική μορφή της σχέσης (9.7) προκύπτει ότι η υπολογιζόμενη παροχή μάζας (ιδανική) συνδέεται γραμμικά με την τετραγωνική ρίζα της διαφοράς των υψών στα δύο μανόμετρα, στις

111 ΑΣΚΗΣΗ 9 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΜΕ ΤΟ ΜΕΤΡΗΤΗ VENTURI θέσεις Α και D του μετρητή Venturi. Η μετρούμενη παροχή μάζας (πραγματική) δίνεται από τη σχέση (9.8) 1 g h1 h G ύ Q ύ ρ CD A ρ (9.8) Μ ετρο μενη Μετρο μενη A 1 A1 Οι διατομές στις σχέσεις (9.4) - (9.8) μπορούν να υπολογιστούν με τη βοήθεια του Πίνακα 9.. Θέση Μανομετρικού Σωλήνα ΠΙΝΑΚΑΣ 9. Διάμετρος της Κάθετης Διατομής του Σωλήνα Venturi (mm) Απόσταση από την Είσοδο του Σωλήνα Venturi (mm) A(1) B C D() E F G H J K L Πειραματικός Προσδιορισμός Παροχής με τη Βοήθεια Υδραυλικού Πάγκου Υπενθυμίζεται ότι για τον προσδιορισμό πειραματικά της παροχής με τη βοήθεια ενός σωλήνα Venturi και για συγκεκριμένο ρευστό (συνήθως νερό) χρησιμοποιείται ο υδραυλικός πάγκος. Μια σχηματική παράσταση του πάγκου αυτού φαίνεται στο Σχήμα 9.3. Μια αντλία παρέχει την απαιτούμενη ποσότητα ρευστού (νερού) που περνάει από το βεντουρίμετρο (και τις υπόλοιπες συσκευές μέτρησης της διάταξης, orifice, ροτάμετρο). Από την έξοδο της διάταξης το ρευστό επιστρέφει στον υδραυλικό πάγκο. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 9.3 στο εσωτερικό του πάγκου υπάρχει μια δεξαμενή που συνδέεται με το ένα άκρο ενός μοχλού. Το άλλο άκρο του μοχλού αυτού, στην εξωτερική πλευρά του πάγκου, συνδέεται με κατάλληλη διάταξη ανάρτησης στην οποία μπορούν να προστεθούν πρότυπα βάρη. Στην εσωτερική δεξαμενή συγκεντρώνεται το 9.5

112 ΑΣΚΗΣΗ 9 : ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΜΕ ΤΟ ΜΕΤΡΗΤΗ VENTURI ρευστό που προέρχεται από τη συσκευή μέτρησης (το σωλήνα Venturi). Ο μοχλός και η εσωτερική δεξαμενή χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της πραγματικής παροχής μάζας του ρευστού (υγρό που συγκεντρώνεται στην εσωτερική δεξαμενή). Το υπομόχλιο βρίσκεται σε τέτοια θέση ώστε η μετρούμενη μάζα του υγρού να είναι τριπλάσια της μάζας των πρότυπων μαζών που τοποθετούνται στο άλλο άκρο του μοχλού. (α) (β) Σχήμα 9.3 Υδραυλικός πάγκος. α) Τα τμήματα από τα οποία αποτελείται. β) Στο σχήμα αυτό φαίνεται το άδειασμα της εσωτερικής δεξαμενής όταν κρατηθεί ο μοχλός στην υψηλότερη θέση του. Αν μετρηθεί ο χρόνος που απαιτείται για να γεμίσει η εσωτερική δεξαμενή, τότε διαιρώντας τη συνολική μετρούμενη μάζα με το χρόνο αυτό υπολογίζεται η πραγματική παροχή μάζας του υγρού. Ο χρόνος αυτός μπορεί να μετρηθεί με τη βοήθεια ενός χρονόμετρου και είναι ο χρόνος που απαιτείται για να μετακινηθεί εξωτερικά ο μοχλός από τη χαμηλότερη θέση στην οποία μπορεί να βρεθεί στη θέση τερματισμού της μέτρησης (θέση βοηθητικού μοχλού). Η μάζα της διάταξης ανάρτησης των πρότυπων μαζών έχει υπολογιστεί στη σχεδίαση της συσκευής και συνεπώς δεν πρέπει να προστεθεί στις πρότυπες μάζες κατά τον υπολογισμό της παροχής. Για το άδειασμα της εσωτερικής δεξαμενής μετά την ολοκλήρωση μιας μέτρησης, ο βοηθητικός μοχλός ελευθερώνει το μοχλό έτσι ώστε αυτός να μπορεί να κινηθεί στην υψηλότερη θέση του. Στη θέση αυτή, στην οποία θα πρέπει να κρατηθεί για μερικά δευτερόλεπτα ο μοχλός με το χέρι, ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής της εσωτερικής δεξαμενής και το υγρό επιστρέφει στη εξωτερική δεξαμενή (Σχήμα 9.3 (β)). 9.6