*ELEKTROTEHNIKA IIPredavanje - 15

Mjerenje neelektrinih veliina elektrinim putemi pripadni pretvornici

*Neelektrine veliineOvo je jedno posebno iroko i kompleksno podruje podruje koje je mnogo ire od prostora ovog kolegija rekao bih da bi moglo biti i studij za sebe. Jasno je stoga da e se u okviru dva sata nastave moi dati samo grubi uvod u to o emu se tu radi.Pa krenimo redom !No budimo svjesni toga da je teko nabrojiti sve neelektrine veliine, tako da e vjerojatno dosta njih biti izostavljeno s ovog popisa. Ali ipak imati emo nekakav osnovni uvid u problematiku.

*Neelektrine veliineKoje su to neelektrine veliine; pomak - zakret brzina - kutna brzina ubrzanje - kutno ubrzanjesila - momentpritisak - naprezanjeprotok - brzina strujanja tekuina i plinovanivovlagatemperaturakemijske veliineoptike veliine

*Neelektrine veliineOvdje vidimo da se radi o vie od 17 veliina (koje smo nabrojili) pa ako o svakoj veliini napiemo 1 slajd, kako se mjeri 1 slajd, pretvornik 2 slajda dolazimo do 68 slajdova. A sigurno nismo sve obuhvatili. Uostalom svaka od ovih veliina moe se mjeriti na vie naina i s vie pretvornika.Krenimo redom !

Pomak to emo podrazumijevati pod time ?Pa biti e to promjena poloaja tijela u prostoru kod kojeg se tijelo pomie po pravcu (i bez rotacije oko bilo koje svoje osi).

*Mjerenje pomakaKad tijelo mijenja svoj poloaj u prostoru moemo mjeriti njegov poloaj u nekom koordinatnom sistemu, promjenu poloaja, brzinu promjene poloaja, tj brzinu kretanja kao i ubrzanje ili usporenje.Kod praenja bilo koje od ovih veliina mi ustvari pratimo promjenu poloaja teita tijela.A pretvornik moe biti aktivni ili pasivni Slika 15.1. Translatorni pomak tijela, tj. njegovog teita

*Mjerenje pomakaAktivni senzori (pretvornici) su oni koji sami proizvode elektrini signal.Pasivni pretvornici (senzori) su oni koji moraju biti prikljueni na izvor elektrine energije a oni kod toga mijenjaju svoj otpor (i time struju koja prolazi kroz njih).Pasivni pretvornici za mjerenje promjene poloaja biti e najee razni reostati (odnosno potenciometri).Ovaj postupak mjerenja promjene poloaja ipak nije prikladan za velike pomake.No kako je najjednostavniji prouimo ga.

*Mjerenje pomakaZa manje pomake koristiti emo reostat (potenciometar s pomicanjem kliznika po pravcu) i spojiti ga prema shemi. Uz uvreni reostat i kliznik spojen s tijelom, pomicanje tijela izazivati e pomicanje kliznika a time e se mijenjati i napon na voltmetru.No da li e odnos UX/E odgovarati odnosu lX/l0 ? A ako nee, kolika e biti pogreka u tom odnosu ?Pa izraunajmo !Slika 15.2. Mjerenje pomaka preko pomaka kliznika reostata

*Mjerenje pomakaSamo mjerenje bi se obavljalo ovako nekako kako je prikazano slikom.

Vee ili manje pomake od ovih neprikladno je mjeriti na ovaj nain.Razvijen je cijeli niz pretvornika malih pomaka u elektrini signal.Ja u ih ovdje samo spomenuti.Slika 15.3. Mjerenje translatornog pomaka moe se vriti i mjerenjem zakreta helikoidalnog potenciometra

*Mjerenje pomakaMjerenje pomaka pomou slobodnih mjernih traka tanka otporna ica (cca 0,02mm promjera) koja se pomakom predmeta rastee, a time smanjuje svoj presjek, to dovodi do porasta njenog otpora. Mjerenjem promjene otpora moemo ustanoviti koliki je pomak.Mjerenje pomaka pomou pretvaraa na principu strune vrlo tanka ica je napeta i kako se mijenja njezina duljina i presjek mijenja se i njezina rezonantna frekvencija. Mjerenjem te rezonantne frekvencije moe se zakljuiti kolika je deformacija ice tj. koliki je pomak.

*Mjerenje pomakaMjerenje pomaka pomou induktivnih pretvaraa zasniva se na principu promjene induktiviteta svitka u koji ulazi (ili izlazi) feromagnetska jezgra. - Isto tako se koristi princip promjene meuinduktiviteta kod uvlaenja (izvlaenja) feromagnetika. - Koristi se i tzv. diferencijalni induktivni transformatorski pretvara.Kapacitivni pretvarai za mjerenje pomaka koriste princip da se promjenom udaljenosti ploa kondenzatora mijenja njihov kapacitet.

*Mjerenje pomakaZa mjerenje veih pomaka trebamo pribjei modernijim tehnikama, pogotovo ako se radi o brzim promjenama poloaja. U tu svrhu danas e se esto koristiti ultrazvuni pretvarai pomaka oni mjere vrijeme koje protekne od emisije signala (ultrazvuka) do prihvaanja njegove jeke. Na taj nain se mjeri udaljenost. Iz drugog mjerenja udaljenosti moe se dobiti podatak o pomaku predmeta.Za jo vee udaljenosti i jo vee brzine koriste se laserski mjerai i oni mjere udaljenost mjerei vrijeme od odailjanja signala do povratka jeke.

*Mjerenje pomakaUltrazvuni i laserski mjerai mogu biti napravljeni i tako da mjere i udaljenost i brzinu predmeta. Udaljenost se dobiva na osnovu vremena koje proe od odailjanja signala do povratka njegove jeke. Brzina se dobiva na osnovu Dopplerovog efekta, tj. promjene frekvencije jeke.

*Mjerenje zakretaZakret je kad predmet rotira oko neke svoje osi ne mijenjajui pritom poloaj svog teita. Kako moemo mjeriti zakret. Pa tako da stavimo neki potenciometar kojem e osovina biti povezana sa vratilom predmeta koji se zakree ili uvrena na neki predmet, a sam potenciometar mora biti uvren na nepominu podlogu ili neko drugo uvrenje. Zakretanjem predmeta doi e do zakretanja klizaa potenciometra i time do promjene otpora izmeu njegovih kontakata P, S i K.Samo mjerenje se ne razlikuje od mjerenja pomaka.

*Mjerenje zakretaRazlika je u tome da ovdje imamo kut zakreta koji izaziva pomak klizaa i time promjenu otpora, odnosno napona na voltmetru.Potenciometar ima neki svoj puni kut zakreta a0. Kliza je zakrenut za kut aX. Kut zakreta se moe izraunati po jednadbi; aX=a0UV/ENaravno kod toga nam vrijede sva saznanja koja smo proradili kod mjerenja pomaka, pa to neemo ovdje ponavljati.Jedino vodimo rauna o tome da za malu pogreku mjerenja zakreta treba odgovarajui voltmetar.

*Mjerenje zakretaU elektronici se koristi zakretni kondenzator. Kapacitet ovog kondenzatora mijenja se kutom zakreta jer time pomine ploe ulaze meu nepokretne. Za ovaj kapacitet moe se pisati; C=e0SNa/a0 Koritenjem izmjeninog izvora napona moe se ovakav kondenzator koristiti na jednak nain kao i potenciometar, jedino to nam treba voltmetar za izmjenine struje (instrument s pominim eljezom ili elektrodinamski, termiki itd.).

Pod mjerenjem zakreta moemo smatrati i promjenu nagiba nekog stroja, aparata ili neeg drugoga.

*Mjerenje nagibaPotenciometarski pretvara sa utegom (klatnom) za mjerenje nagiba.Izrauje se kao potenciometarski otpornik kojem kliza zakree visei uteg. Iz priloene slike biti e nadam se sve jasno.

Slika 15.4. Mjerenje nagiba tako da uteg zadravajui svoj vertikalni poloaj pomie kliznik i time mijenja napon voltmetra.

*Mjerenje nagibaKad se radi o tome da otpor trenja izmeu kliznika i ice bude zanemariv onda se pribjegava koritenju otpornih pretvornika s prstenastom cijevi i ivom.Pa pogledajmo sliku.Promjenom nagiba zakree se cjevica i time se mijenja odnos koliina ive na lijevoj i desnoj strani. Kako je iva dobar vodi i prema otpornoj ici ima velik presjek, otpor je odreen samo duljinama ice izvan ive.Slika 15.5. Pretvornik nagiba sa ivom u staklenoj kruno savijenoj cjevici.

*Mjerenje nagibaIpak i ovdje imamo jedan problem problem akceleracije.Kad se tijelo ubrzava zbog sila inercije svi ovi pretvornici nagiba dati e signal da je tijelo nagnuto kao da se penje, a kod usporavanja kao da se sputa.Kad se radi o tijelima koja vrlo sporo mijenjaju svoj poloaj (ili imaju relativno malu akceleraciju) taj problem neemo ni osjetiti.Ustvari ovakvi pretvornici mogu se koristiti i za mjerenje akceleracije (kod horizontalnog kretanja).

*Mjerenje brzineMjerenje brzine se najee svodi na mjerenje brzine vrtnje pogonskog vratila vozila (brzina vrtnje kotaa). Uglavnom sva kretanja dobivamo danas preko nekog krunog gibanja.Za mjerenje brzine vrtnje stoje nam na raspolaganju mali istosmjerni generatori tzv. tahogeneratori. Oni imaju svojstvo da im je napon proporcionalan brzini vrtnje. Dovoljno je dakle mjeriti napon tahogeneratora i iz njega preko poznate konstante tahogeneratora izraunati brzinu vrtnje stroja ili kotaa a tada se preko opsega moe izraunati i put u jedinici vremena tj. brzina vozila.

*Mjerenje brzineDrugi princip (pogodan za manje brzine vrtnje je da umjesto istosmjernih generatora imamo izmjenine generatore koji u pravilu mogu imati i desetak pari polova (trajni magneti). Ako generator ima deset pari polova jedan okretaj dati e 10 perioda. to je vei broj okretaja biti e vii napon ali i frekvencija. Ovdje se dakle brzina vrtnje moe odrediti ili mjerenjem napona ili mjerenjem frekvencije.No ako se impulsi broje moe se iz tog podatka odrediti i ukupni kut zakreta a time i prevaljeni put.

*Mjerenje brzineJednako tako na vratilo stroja moe biti postavljena ploa s rupicama ili s crno bijelim prugama. Na takve ploe se emitira uska zraka svjetlosti (moe infracrvena ili ultraljubiasta, ne mora biti vidljiva).Kod ploa s rupicama svjetlost kad proe kroz rupicu pada na fotodiodu, fotoeliju ili fototranzistor. Oni tada proizvedu naponski ili strujni impuls. Te impulse moemo mjeriti kao frekvenciju ili zbrajati. Na osnovu njihovog broja ili frekvencije i poznatog broja rupica moe se odrediti brzina vrtnje vratila.Kod ploa s prugama princip je isti ali se koristi reflektirana svijetlost.

*Mjerenje brzineKad se mjere brzine tijela koja se miu u ogranienim granicama onda je mogue njihovu brzinu mjeriti tako da se pokraj putanje tijela postavi traka s rupicama.Tijelo koje se kree nosi sa sobom aruljicu i u smjeru trake alje usku zraku svijetlosti.Takoer nosi i fotoelement koji se nalazi s druge strane trake. Pomicanjem tijela pomie se aruljica i fotoelement.Kad se naie na rupicu svjetlost proe kroz nju do fotoelementa. Dobivamo impuls. Brojei impulse ili mjerei frekvenciju dobivamo pomak i brzinu.

*Mjerenje ubrzanjaDo sada smo vidjeli da se neki pretvornici za mjerenje nagiba mogu koristiti i za mjerenje ubrzanja.Pogledajmo jo neke konstrukcije !Pod djelovanjem sila inercije uteg se pomie i time se pomie kliznik.Pomicanjem kliznika mijenja se otpor izmeu kontakata P-S, odnosno S-K.Slika 15.10. Pretvornik ubrzanja (usporenja) u elektrini signal.

*Mjerenje sileElastine otporne ice koriste se takoer za mjerenje sila. Pod djelovanjem sile vlaka ova nit se rastee ali ne zadrava isti volumen.Ipak postaje dua i ua, tj. s manjim presjekom.Ovime joj se mijenja otpor, a promjenu otpora moemo mjeriti.Slika 15.12. Sila istee icu, mijenja joj dimenzije i volumen a time i elektrini otpor pretvaranje sile u elektrini signal

*Mjerenje sileOd otporne ice izrauju se mjerne trake. Deformacijom trake, deformira se ica i to izaziva promjenu otpora. Ovaj postupak je 1942. godine patentirao ameriki inenjer Edvard Simons a samu pojavu je jo 1856. godine uoio Lord Kelvin.

Slika 15.13. Mjerna traka za mjerenje sile s viestruko postavljenom otpornom icom koja se istee i time mijenja svoj otpor

*Mjerenje momentaMjerenje momenta se svodi na mjerenje sile uz poznatu duljinu kraka (tj. udaljenosti hvatita sile od osi rotacije).Danas se preko para mjernih vrpci moe mjeriti par sila a kad su one smjetene na razmaku d onda e moment biti jednak M=Fd.Kad se ovo mjerenje obavlja u spojki motora i pogonjenog stroja treba taj rezultat prenijeti van.Moe se izvesti preko kliznih koluta ali praktinije je pretvoriti rezultat u frekvenciju i transformatorski (beino) prenijeti van.

*Mjerenje pritiskaMjerenje pritiska svodi se na mjerenje sile na poznatu povrinu.Ako je p1 atmosferski pritisak onda e promjena pritiska p2 izazivati sputanje ili podizanje zvona.Ova promjena prati se preko promjene induktiviteta svitka 1 i 2.Struja nulindikatora se time znatno mijenja.Slika 15.14. Princip mjerenja pritiska. Razlika tlakova stvara pomak zvona a ovaj pomak proizvodi promjenu pokazivanja nul-indikatora.

*Mjerenje pritiskaPiezoelektrini pretvarai koriste se za dinamika mjerenja pritiska.Kad na piezoelektrinu ploicu djeluje pritisak dobiva se odreena koliina elektriciteta; Q=d11F=d11pSDakle stvorena koliina elektrinog naboja je direktno proporcionalna povrini pretvaraa i pritisku.Izlazni napon pretvaraa kod trenutne promjene pritiska amplitude p biti e jednak;

gdje je d debljina a eR rel. diel. konstanta ploice.

*Piezoelektrine pretvarae za mjerenje pritiska odlikuju male dimenzije, visoka rezonantna frekvencija do stotinjak kHz, tako da su pogodni za mjerenje impulsnih promjena pritisaka (na primjer kod eksplozija).Materijal je najee kvarc, ili keramika na bazi barijevog titanata i olovnog cirkonata.Mjerenje pritiskaSlika 15.15. Piezoelektrini pretvornik pritiska u elektrini napon

*Mjerenje protokaIma mnogo pretvornika protoka ja u ovdje obraditi samo jedan.Poznata je Venturijeva cijev. To je cijev sa suenjem i dva bona otvora. Na suenju cijevi je smanjen pritisak. Zato zato jer kinetika i potencijalna energija tekuine moraju biti konstantne po zbroju. Kako e na suenju biti poveana brzina strujanja poveati e se i kinetika energija, to izaziva smanjenje pritiska (tlaka) koji je proporcionalan sa potencijalnom energijom.Iz izmjerene promjene tlaka dobiva se brzina, tj. protok.

*Mjerenje nivoaMnogi pretvornici za mjerenje nivoa tekuina koriste plovak i mjere njegov pomak. Dakle mjerenje nivoa svodi se najee na mjerenje pomaka plovka.Kod toga se pomak plovka moe koristiti kao translatorno ili rotaciono kretanje.Postoje rjeenja s vaganjem rezervoara i tekuine u njemu znai s mjerenjem sile na podlogu.Koristi se i princip uzgona na uronjeno tijelo i mjerenje te sile.Ali postoje i pretvarai koji koriste promjenljivost kapaciteta s promjenom dielektrika izmeu ploa.

*Mjerenje nivoaUpoznajmo se za poetak s najjednostavnijim nainom mjerenja nivoa.Kad se nivo tekuine poveava, podie se plovak. Plovak podie tap sa eljezom i time mijenja induktivitet i meuinduktivitet izmeu svitaka.A sve to nam je ve poznato sa slajda 55 i 56.Slika 15.17. Mjerenje nivoa tekuine preko mjerenja pomaka plovka

*Mjerenje nivoaA to ako oblik rezervoara nije kvadratian ili pravokutan ve kruni (valjak).Kruni oblik je vrlo est daje najveu vrstou rezervoara.Pa analizirajmo kako se volumen (presjek) mijenja s visinom.Oito je da se h moe mijenjati od 0 do 2Rr.Treba dakle izraunati plavu povrinu.Pogledajmo stoga slijedeu sliku !Slika 15.18. Nivo tekuine u valjkastom rezervoaru se ne mijenja linearno s promjenom volumena te tekuine

*Mjerenje nivoaA sada princip mjerenja nivoa preko uzgona.to je vei dio tapa uronjen u tekuinu to e biti vea sila uzgona.Tj. time e se smanjivati sila jednaka teini koja djeluje na pretvornik sile.tap se vrlo malo podie a to podizanje je proporcionalno sa uzgonom i ne djeluje na tonost mjerenja.Slika 15.20. Promjena nivoa izaziva promjenu uzgona a silu uzgona preko pretvornika sile pretvaramo u el. signal ija veliina ovisi o nivou.

*Mjerenje nivoaKapacitivni mjerai nivoa rade se u obliku ploastog ili cilindrinog kondenzatora. Njegov kapacitet mijenja se s nivoom tekuine. Slika 15.21. Promjenom nivoa tekuine mijenja se kapacitet ploa. Promjena kapaciteta je linearna s promjenom nivoa.

*Mjerenje nivoaKao to se iz prethodnog slajda vidi promjena kapaciteta je proporcionalna s visinom tekuine, tj s promjenom volumena tekuine u rezervoaru.Ako volumen rezervoara nije pravokutnog presjeka ploe kondenzatora mogu slijediti oblik rezervoara i na taj nain moe promjena kapaciteta biti linearna s promjenom volumena.Za mjerenje volumena vode i agresivnih tekuina koristi se cilindrini kondenzator gdje ploe mogu biti zatiene tankim slojem plastike ili drugog odgovarajueg materijala.

*Mjerenje temperatureZa mjerenje temperature u vrlo irokom opsegu koriste se mjerne otporne sonde izraene iz platine. Platina je vrlo pogodan materijal. Ima relativno velik otpor, kemijski je postojana. Ali kalibracija ovih mjernih sondi je relativno komplicirana.Za kalibraciju se koristi temperatura trojne toke vode (+0,01C)temperatura kljuanja vode (+100C)temperatura ovrivanja cinka (+419,58C)temperatura kljuanja kisika (-182,962C)Zar to ne pokazuje komliciranost ?

*Mjerenje temperatureNavedene temperature smatraju se apsolutno tonima.Platinski otpornici koriste se za mjerenje temperatura u vrlo irokom rasponu od praktiki vrenja kisika (-182C) do toke ovrivanja zlata (+1064C).Tonost im je vrlo velika bez obzira na uvjete koritenja.Njihova tonost ovisi uglavnom o istoi materijala tj. koliko je to ista platina.

*Mjerenje temperatureZa mjerenje temperature esto se koriste mjerni mostovi u kojima je jedan otpornik s negativnim temperaturnim koeficijentom tzv. NTC termistor a rjee PTC termistor.Ipak vrlo esto se za mjerenje koriste takozvani termoparovi (termoelementi, termolanci i sl.).Koriste se za mjerenje temperatura u vrlo irokom rasponu od 1K pa do priblino 2900K.Njihova prednost je jednostavnost konstrukcije, relativno niska cijena kotanja, tokast oblik senzora temperature, jednostavnost ugradnje i dobre dinamike karakteristike.

*Mjerenje temperatureTermoelement je napravljen tako da su na jednom kraju zataljena dva razliita metala. Taj kraj je na nekoj temperaturi 1 a slobodni krajevi na koje se prikljuuje milivoltmetar su na temperaturi 0.

Za tono mjerenje temperature treba osigurati konstantnost temperature 0.Slika 15.22. Princip grae termolanka i naina mjerenja temperature. Termolanak stavljen u zatitnu cijev naziva se termosonda.

****************************************