Predavanje 5

Ž. Kurtanjek : Mjerenja 2007 62

MJERENJE RAZINE

Razinu definiramo kao visinu stupca kapljevine (ili sipkog materijala) u nekom spremniku, reaktoru ili nekoj drugoj procesnoj jedinici. Uobičajena oznaka za razinu je h i izražava se u metrima, h (m). Metode mjerenja razine: • mehanički pretvornici razine • tlačna mjerila razine • električni pretvornici razine • rastezna osjetila razine (vage za mjerenje razine ) • ultrazvučno mjerenje razine Mehanički pretvornici razine

Mehanički pretvornici razine su različite kombinacije kojima se pomak šuplje ku-gle ( plovak ) pretvara u mjerni signal. Jednostavan primjer takovog uređaja prikazan je na slici (A). Plovak je povezan preko kolotura sa protuutegom čiji položaj se može očitati na skali. Položaj protu-utega može se pretvoriti u električni signal ako se mehanički po-veže sa kliznikom potenciometra. Pad napona na takovom potenciometru je proporciona-lan pomaku, odnosno razini kapljevine u posudi.

h(m)

A

h(m)

CB

Ω (h)

Slika 1. Shematski prikaz načela mehaničkih pretvornika razine (A), elektro-mehaničkog (B) i " pokazne cijevi" (C).

Umjesto prijenosa pomaka plovka na vanjski potenciometar, mogu se upotrijebiti uronjene otporničke žice po kojima klizi plovak. U ovom slučaju je plovak ujedno i kliz-nik potenciometra (B). Otporničke žice su priključene na otpornički mjerni most, tako da se dobije otpor Ω(h) ili napon V(h) kao mjerni signal.


Slika 2. Mjerni uređaj za mjerenje razine s pokaznom cijevi.

Isto tako jednostavan način "off-line" mjerenja razine je upotrjeba "pokazne cije-vi", (slika 1C , 2). Pokazna cijev i spremnik su spojene posude i razina u cijevi slijedi ra-zinu kapljevine u spremniku. Tlačno mjerenje razine Povezanost hidrostatskog tlaka i razine se koristi za tlačna mjerila. Jednostavan način mjerenja je ugradnja dvaju manometara pri dnu i na vrhu spremnika.

P

P1

2

P

Slika 3. Načela tlačnih postupaka mjerenja razine.

proces

spremnik

otvor

indikator

plovak

cijev za plovak

pokazna cijev

mjerna skala

ispust


Manometar pri dnu pokazuje tlak P2 koji je jednak zbroju hidrostatskog tlaka i tlaka iznad kapljevine P g h P2 1= ⋅ ⋅ +ρ . Razlika dvaju tlakova omogućuje određivanje razine

hP P

g= −

⋅2 1

ρ

Promjena sastava kapljevine, ili temperatura, mogu utjecati na varijacije gustoće

tako da je potrebno točno poznavati gustoću za precizno mjerenje razine. Drugi način tla-čnog mjerenja razine zasniva se na mjerenju tlaka zraka u kapilari. Pomoću regulatora tlaka zraka u kapilari postepeno se otvara ventil i povećava tlak. U početku kada je tlak u kapilari manji od hidrostatskog tlaka povećanje otvora ventila ima za posljedicu poveća-nje tlaka, sve dok se tlak u kapilari ne izjednači sa hidrostatskim tlakom. Pri tom tlaku iz kapilare izlazi zrak u obliku mjehurića i daljnjim otvaranjem ventila se tlak više ne mije-nja. Razina se izračunava iz hidrostatske formule.

Slika 4. Tlačno osjetilo razine. Elektri čni pretvornik razine (kapacitivna metoda)

Kapacitivno mjerenje razine zasniva se na razlici dielektrične konstante plina (zraka) iznad kapljevine i dielektrične konstante kapljevine. U posudi se nalaze uronjene dvije ravne ploče između kojih se nalazi kapljevina i plin iznad kapljevine. Između ploča nalazi razlika električnog potencijala tako da ploče tvore ravni kondenzator. Ukupan ka-pacitet je zbroj kapaciteta C1, kondenzatora za koji je dijalektrik zrak, i dijela C2, za koji je dielektrik tekućina.


C(h)

h

H

C

C

C

1

2

ε

ε

1

2

L

d

ε

ε

2

1

slika 5. Shematski prikaz načela kapacitivnog mjerenja razine. Oba kondenzatora su spojena paralelno, tako da je ukupan kondenzator jednak zbroju ka-paciteta

C C C= +1 2 Pojedini kapaciteti su:

( )d

hLC

d

hHLC

⋅⋅=−⋅⋅= 2211 εε

Ukupan kapacitet je

( ) hd

L

d

HLC ⋅⋅−+⋅⋅= 121 εεε

Kapacitet C je proporcionalan razini h i koeficijent osjetljivosti je određen razlikom dije-lektričkih konstanata. Kondenzator se priključuje na kapacitivni mjerni most koji je napa-jan izmjeničnom strujom i ispravljeni signal sa dijagonale mosta se nakon pojačala koristi kao mjerni signal.

Slika 6. Primjeri kapacitivnog mjerenja razine: A) mjerenje graničnih položaja, B) mje-renje razine vodljive kapljevine.

metalno kućište

mjerena kapljevina

izolacija osjetila

metalna elektroda

uzemljenje


Slika 7. Mjerenje razine: A) graničnih položaja u položenom spremniku, B) mjerenje po-ložaja granične plohe dviju nemiješljivih kapljevina (ulje-voda). Ultrazvučno mjerenje razine

Primjena ultrazvuka omogućava bezkontaktno mjerenje razine. Metoda se prim-jenjuje za mjerenje razine kapljevina i sipina (sloja sitnih krutih čestica). Mjerni signal je razlika u vremenu između impulsa emitiranog iz izvora ultrazvuka i signala koji nakon refleksije sa površine sipine ili kapljevine se vraća u detektor.

I D

vrijeme t

signal

∆ t

Slika 8. Shematski prikaz načela ultrazvučnog mjerenja razine kapljevina i sipina pomoću ultrazvuka.

ispust

izolirana elektroda

pritok

ulje

emulzija

ulje

preljev

neaktivni dio


Slika 9. Shematski prikaz prostiranja ultrazvučnog vala za mjerenje razine.

Na granici zraka i kapljevine ili sipkog materijala dolazi da refleksije ultrazvuč-nog vala. Instrumentom se precizno mjeri trenutak emitiranja impulsa ultrazvuka i zatim vrijeme kada se reflektirani impuls registrira u detektoru. Ultrazvučni val je usmjeren prema dnu posude pod točno određenim kutom tako da se iz razlike vremena ∆t može je-dnostavno odrediti razina u spremniku.

Metoda se odlikuje izuzetnim karakteristikama. Baždarna funkcija je linearna, je-dnostavna i pouzdana. Mjerni signal je nezavisan o uvjetima, kao što su tlak i temperatu-ra, i promjene sastava materijala ne utječu na mjerenje. Instrument se povezuje on-line sa računalom za nadzor i upravljanje procesa.

Slika 10. Prikaz mogućih položaja ultrazvučnog mjerila razine.

120 snop

mjerni opseg razine

“mrtva”zona

mjerni signal


Mjerenje razine rasteznim osjetilom ( "vaga za razinu")

Jedan od suvremenih načina mjerenja razine je upotrjeba rasteznih osjetila (" ten-zo traka "). Takav način mjerenja razine se vrlo često koristi kod mjerenja razine u bio-kemijskim reaktorima. Rastezna osjetila su metalni ili poluvodički otpornici izvedeni u obliku dugih i tankih savitih niti (slika 11 i 12).

L

L + ∆ L

RASTEZNOOSJETILO

Slika 11. Shematski prikaz načela mjerenja razine rasteznim osjetilom. Takova osjetila su posebnim ljepilima zalijepljena na metalne podloge koje se deformira-ju pod djelovanjem sile ( na primjer pod težinom kapljevine ). Deformacija podloge se di-rektno prenosi na deformaciju rastezne trake koja se pri tome izdužuje ili skraćuje. Zbog promjene dužine otpornika dolazi i do promjene njegovog električnog otpora. Otpor niti je proporcionalan električnom specifičnom otporu materijala ρ , dužini niti L, i obrnuto proporcionalan presjeku niti S.

RL

S= ⋅ρ

Zbog deformacije mijenja se dužina za iznos ∆L i površina za iznos ∆S, tako da je odgo-varajuća promjena otpora

∆⋅+∆⋅=∆ S

S

RL

L

RR

∂∂

∂∂

Odredimo odgovarajuće parcijalne derivacije i uvrstimo u gornji izraz

SS

LL

SR ∆⋅

⋅−+∆⋅=∆2

ρρ


Deformacija ne mijenja masu (volumen) vodiča tako da su diferencije dužine ∆L i povr-šine ∆S zavisne. Ukupan volumen je konstantan V L S= ⋅ , tako da je ∆V = 0. Odredimo diferencijal:

∆ ∆ ∆ ∆

∆ ∆

V V L S S L

SS

LL

= = ⋅ + ⋅

= − ⋅

0

Nakon uvrštavanja u izraz za ∆R dobije se proporcionalnost između izduženja i promjene električnog otpora:

∆ ∆RS

L= ⋅ ⋅2 ρ

Rastezna osjetila se spajaju u otornički mjerni most koji ujedno omogućava kompenzaci-ju temperaturne promjene otpora. Električni signal je pad napona u dijagonali mosta i na-kon pojačanja pretvara se u naponski ili strujni signal za povezivanje sa računalom. Tako dugo dok se radi o elastičnoj deformaciji mjerni signal je linearan u odnosu na razinu ili masu kapljevine. Baždarenje je vrlo jednostavno i pouzdano a mjerna metoda ima brzi vremenski odaziv, malu vremensku konstantu.

Slika 12. Shematski prikaz rasteznih osjetila: A) metalni vodič, B) poluvodič

Slika 13. Rastezna osjetila s ljepljivom podlogom

vodovi otpornik

rastezno osjetilo

podloga

priključni vodovi


Slika 14. Mjerne vage s rasteznim osjetilom: A) shematski prikaz, B) mjerno osjetilo

Slika 15. Mjerni spoj rasteznog osjetila u Wheastoneovom otporničkom mjernom mostu.

mjerni signal mV

Vul V izlaz

Rg

R1

R2 R3

B D

+−

+⋅=

21

2

3

3

RR

R

RR

RVV

gulizl


MJERENJE TLAKA Tlak je omjer sile i površine a osnovna jedinica Pa = 1 N m-2 . Po iznosu je mala tako da se u tehnici vrlo često koristi jedinica 1 bar koja je 105 veća od 1 Pa.

jedinica naziv oznaka pretvorba SI Pascal Pa 1 Pa = 1 N/m2 SI bar bar 1 bar = 105 Pa nije SI tehnička atmosfera at 1 at = 98 066,5 Pa nije SI fizička atmosfera atm 1 atm = 101 325 Pa nije SI Torr ( = 1 mm Hg ) Torr 1 Torr = 133,322 Pa nije SI mm H2O mmH2O 1 mm H2O = 9,806 65 Pa

Važnije anglo-američke jedinice: Pound per square inch ( psi ) 1 psi = 6894,76 Pa, 1 at = 14,22 psi Pound per square foot ( psf ) 1 psf = 47,8803 Pa Vrlo često se američkoj i engleskoj literaturi navode oznake psia i psig za jedinicu tlaka. To su skraćenice za nazive " pound per square inch absolute " i " pound per square inch gauged " . 1 psia je tlak mjeren na apsolutnoj skali, mjereno u odnosu na vakuum , a 1 psig je mjereno relativno s obzirom na atmosferski tlak. Uobičajeni nazivi povezani sa mjerenjem tlaka: vakuum : zrakoprazni prostor ( tlak je nula ), isti naziv se koristi za mjerenje niskih tlakova, < 100 Pa apsolutni tlak : tlak mjeren s obzirom na tlak nula relativni tlak : tlak mjeren s obzirom na tlak okoline nad tlak : tlak viši od tlaka okoline pod tlak : tlak niži od tlaka okoline Podjela mjernih uređaja za tlak (manometara): • kapljevinski manometri • deformacijski manometri • vakuumetri


Slika 1. Stapni manometri za umjeravanje. Mjerni opseg manometara je 0-1000 bar s klasom točnosti 0,1 %.

Umjeravanje manometara

Standardni postupak umjeravanja manometara provodi se primjenom stapnog ma-nometra (slika 1). Stapni monometar izveden je iz šupljih cijevi ispunjenih uljem. Na je-dnom karaju vertikalne cijevi nalazi se stap (ili klip) na koji se stavljaju utezi. Manometar koji se umjeruje priključuju se na drugi slobodan kraj cijevi. Tlak u ulju se podešava zak-retanjem vitla dok se ne izjednači tlak u ulju s tlakom koji je određen težinom utega i površinom stapa. Ravnoteža tlakova se može zapaziti prividnim nestankom težine utega što se manifestira "plivanjem" utega na površini ulja. Vrijednost tlaka izračunava se iz jednostavne formule:

π⋅⋅+=

2

)(

r

gmmp su

Mase utega i stapa su mu i ms, a radijus stapa je r. Zahvaljujući preciznom mjerenju teži-ne utega i radijusa stapa moguće je postići visoku klasu točnosti u velikom mjernom op-segu. Modernije izvedbe stapnog manometra imaju električni motorni pogon kojim se zamjenjuje ručno okretanje vratila manometra.


Prstenasti manometar

U industrijskim pogonima se često upotrebljava kapljevinski prstenasti manome-tar. Prstenasti manometar je izveden iz šuplje cijevi u obliku prstena koji je djelomično ispunjen kapljevinom. Kao kapljevina se najčešće koristi živa, ali može biti ispunjen i vodom. Dijametar prstena je izveden u obliku poluge čiji centar je smješten na vrh brida tako da se prsten može zakretati oko središta. U središtu poluge nalazi se hvatište nosača sa utegom, tako da se zakretanje prste-na prenosi na zakretanje nosača i utega.

r

R

M

S

P1 P2

α

α

αF

Ft

R

M

Slika 2. Shematski prikaz prstenastog manometra. Kada su priključeni tlakovi na obje strane manometra jednaki, p1 = p2, poluga sa utegom je u vertikalnom položaju i otklon manometra je α = 0. Kada se tlak p2 poveća, p2 > p1, dolazi do zakretanja manometra i nakon određenog vremena uspostavlja se novo ravnote-žno stanje tako da je uteg otklonjen na suprotnu stranu gdje je tlak manji. Mjerni signal je kut zakreta α koji se očita kao otklon vrha utega od nultog (vertikalnog) položaja. Bažda-rena karakteristika manometra se izvodi iz uvjeta ravnoteže za tijelo koje može rotirati oko čvrste točke, odnosno da je zbroj zakretnih momenata jednak nuli. Zakretni moment sile zbog razlike tlaka mora biti jednak i suprotan po predznaku od zak-retnog momenta utega, odnosno:

mP MM −=

Zakretni moment je vektorski produkt sile i vektora položaja hvatišta sile od središta zak-retanja. Moment zbog razlike tlaka je:

( ) SppFPPP ⋅−=×= 12FrM

gdje je r radijus prstena manometra a S površina presjeka cijevi. Zakretnom momentu zbog razlike tlaka suprotstavlja se zakretni moment tangencijalne komponente Ft težine utega F. Tangencijalnu komponentu odredimo iz pravokutnog trokuta ( vidi sliku )

F F F M gt = ⋅ = ⋅sin( )α


tako da je zakretni moment utega )sin(α⋅⋅×= gMRM m gdje je R radijus zakretanja

utega, to jest udaljenost od centra zakretanja do središta mase utega. Uvrstimo izraze za iznose momenta u uvjet ravnoteže

)sin()(12

α⋅⋅⋅=⋅⋅− RgMrSpp

Relacija između mjernog signala α i razlike tlaka je

( )

⋅⋅⋅⋅−=

RgM

rSpp12arcsinα

Za razliku od prethodnih primjera, prstenasti manometar ima nelinearnu baždarnu karak-teristiku. Posebna prednost prstenastog manometra je jednostavnost pretvaranja zakreta prstena u zakret kliznika potenciometra i pretvaranje razlike tlaka u električni signal. DEFORMACIJSKI MANOMETRI

Deformacijski manometri rade na osnovu elastične deformacije materijala koja nastaje pod djelovanjem razlike tlaka. Dijele se na: • Bourdonove cijevi • membrane • mjehove

Bourdonova cijev je najčešće u industriji upotrebljavani manometar. Izrađen je od elastičnog i šupljog srpa koji ima jedan kraj učvršćen za kućište instrumenta a drugi kraj mu je slobodan. Zbog razlike tlaka u cijevi manometra i okoline dolazi do savijanja slo-bodnog kraja čiji se pomak pomoću mehanizma pretvara u zakret kazaljke instrumenta. Budući da je deformacija Bourdonove cijevi određena razlikom mjerenog i vanjskog tla-ka, to takovi manometri uvijek mjere nadtlak iznad atmosferskog.

Slika 3. Deformacijski manometri: A) Bourdonova cijev, B) Bourdonova spirala, C) Bourdonov heliks

Priključak za tlak Spirala

Priključak za tlak

Priključak za tlak

Heliks

Pomični kraj

mjerni signal

mjerni signal

mjerni signal


Slika 4. Bourdonovi manometri: A) analogni (s kazaljkom), mjerni opsezi 0-1 bar, 0-50 bar, klasa točnosti 3 %; B) digitalni mjerni opsezi 0-1 bar, 0-100 bar, klasa točnosti 0,25 %, mjerni signal 4 - 20 mA Mjerni signal je otklon kazaljke α manometra i baždarna karakteristika Bourdonovog manometra je linearna

( )01

ppK −⋅=α

Mjerni opseg Bourdonovih manometara je vrlo velik. Izrađuju se sa malim mjernim op-segom ( 0 do 1 kPa ) pa do vrlo velikih mjernih opsega ( 0 do 100 bar ). Posebnim izved-bama se zakret kazaljke može pretvoriti u električni signal, ili se mehanička deformacija Bourdonove cijevi neposredno pomoću rasteznih traka pretvara u električni signal.

Slika 5. Skice mjernih membrana: A) ravna membrana; B; slog membrana (mijeh)

Manometri sa membranama i mjehovima koriste za mjerenje malih tlakova (slika 5) Slika 6. Skica pretvornika ("transducer") tlaka u električni signal pretvorbom pomaka membrane u pomak kliznika potenciometra.

gibanje

presjek membrane

pomak mjerni signal

nosač

ulazni tlak

ulazni tlak

opruga pomični kliznik

priključak na Wheastoneov most


Na slici 6. je prikazano načelo pretvorbe tlaka u električni signal. Pomak membrane se preko pomične grede prenosi na pomak kliznika potenciometra. Promjenljivi otpornik (potenciometar) priključuje se u jedu granu otporničkog Wheastoneovog mosta, čime se kao izlazni signal dobije napon. Izlazni napon se nadalje pomoću električnog sklopa pre-tvara u standardni strujni signal u području od 4 - 20 mA.

Deformacija membrane može se pomoću transformatora razlike također pretvoriti u električni signal. Transformator razlike ima sekundarnu zavojnicu spojenu od dva dijela i pomičnu jezgru. To je linearni pretvornik pomaka i često se koristi i kod drugih mjernih uređaja za pretvaranje pomaka u električni signal, na primjer kod rotametara za mjerenje protoka tekućina.

Slika 7. Shematski prikaz manometra s pretvorbom tlaka u električni signal: A) sa mem-

branom i transformatorom razlike; B) Bourdonova cijev i elektromagnet

Slika 8. Slika minijaturnog pretvornika tlaka u električni signal. Pretvornici tlaka u električni signal mogu se izvesti u minijaturnoj izvedbi (slika 8) koji-ma je moguće on-line mjeriti raspodjelu tlaka u nekom procesnom prostoru (npr. sušari, destilacijskoj koloni, itd.)

A) B)

membrana

pomak, hod membrane jezgra

transformatora

transformator razlike

magnetska pločica

Bourdon heliks

elektromagnet


Vakuumetri

Vakuumetri su manometri za mjerenje niskih tlakova, najčešće manjih od 100 Pa. Najpoznatiji su McLodeov, Piranijev i ionizacijski vakuumetar. Piranijev vakuumetar se koristi za mjerenje tlakova u liofilizatorima za liofilizaciju sojeva mikroorganizama, sta-nica, u proizvodnji lijekova, i također u proizvodnji vrijednih sastojaka hrane. Mjerenje niskog tlaka se zasniva na efektu promjene koeficijenta prijenosa topline sa vruće niti za-visno od tlaka. Osnovni dijelovi uređaja su staklena cjevčica u kojoj se nalazi žarna nit. Nit se napaja sa konstantnom strujom i električna energija pretvara se u toplinu koja se prenosi kroz hidrodinamički granični sloj oko niti na plin u okolini. Temperatura niti je određena koeficijentom prijenosa topline i koristi se kao mjerni signal tlaka. Na površini niti zavaren je termočlanak tako da se elektromotorna sila termočlanka baždari u zavis-nosti od mjerenog tlaka. Baždarna funkcija određena je bilancom topline za nit

)()()(0

2 TTphSITR −⋅⋅=⋅

R(T) je otpor mjerne niti koji je funkcija temperature niti T, I je struja kojom se napaja nit, S je površina niti, h je ukupni koeficijent prijenosa topline koji se mijenja sa mjere-nim tlakom p i T0 je temperatura plina u okolini. Zbog nelinearnosti R(T) i h(p) baždarna funkcija je nelinearna i mora se odrediti za svaki plin zasebno jer se koeficijent prijenosa topline mijenja sa sastavom plinova.

P

EMS TERMO^LANKA

I

R TTo

PIRANIJEV VAKUUMETAR

K

AM IP

VK

VM

VA

IONIZACIJSKI VAKUUMETAR

Slika 9. Shematski prikazi Piranijevog i ionizacijskog manometra.

Osim temperature može se kao mjerni signal upotrijebiti i električni otpor Pirani-

jeve niti tako da se ispitna cijev spoji u otpornički Wheastoneov most. Mjerno područje Piranijevih vakuumetara je od 1 mPa do 0,1 kPa (slika 9).

Za niske tlakove, u području od 1 µPa do 10 mPa koriste se ionizacijski vakuume-tri (slika 9). Za mjerenje se koristi trioda u kojoj se nalazi plin čiji se tlak mjeri. Osnova mjerenja je ionizacija plina do koje dolazi prijelazom naboja između katode i anode. Ka-toda je užarena i dolazi do termičke emisije elektrona koji se ubrzavaju zbog napona


mrežice i anode. Tijekom prijelaza dolazi do sudara elektrona i molekula plina i plin se ionizira. Negativni naboj se prenosi sa katode na anodu, a pozitivni naboji se prenose u suprotnom smjeru. Ukupna struja u krugu ovisi o stupnju ionizacije i mjerni je signal za tlak plina u triodi. Efikasnost ionizacije zavisi od vrste plina tako da se mjerni uređaj ba-ždari zasebno za svaki plin.

Slika 10. Kapacitivni pretvornik vakuuma.

Piezoelektrični element (opis pojave) Piezoelektrični ( grčki piez = tlačiti ) elementi se rabe u različitim mjernim uređa-jima (sustavima), kao na primjer za sljedeća mjerenja: razina, tlak, sila, pomak, ultrazvu-čno mjerenje protoka, ultrazvučna spektrografija (slikanje) u medicini, itd. Piezelektrični efekt je pojava deformacije nekih kristala (npr. kvarc, SiO2) i keramičkih materijala u električnom polju, i obrnuto, pojava električnog naboja na površini tih materijala ako se deformiraju djelovanjem mehaničke sile (slika 11).

Slika 11. Prikaz Piezoelektrične pojave:

A) pojava deformacije kristala zbog električnog polja B) pojava električnog napona zbog deformacije kristala djelovanjem sile

elastična membrana

mjerni signal- kapacitivni Wheastoneov most

komora s visokim vakuumom

mjereni tlak

pločice kondenzatora

vakuum pumpa

Vulaz

izlazni signal- pomak

V izlaz

ulazni signal- sila


Piezoelektrični pretvornici tlaka (slika 12) mogu se izvesti u minijaturnom mjerilu, imaju izvrsne dinamičke značajke, i zahvaljujući linearnoj statičkoj karakteristici omogućuju precizno umjeravanje i veliku točnost mjerenja.

Glavna primjena piezoelektričnih elemenata je za izvedbu generatora i detektora

Slika 12. Piezoelektrični pretvornik tlaka.

Slika 13. Shematski prikazi piezolektričnih generatora i detektora ultrazvuka. ultrazvuka (slika 13). Generator je izveden tako da je piezoelektrični element u izmjenič-nom električnom polju visoke frekvencije ( > 20 kHz) zbog čega dolazi do njegove osci-lirajuće deformacije koja se prenosi na okolinu (zrak, kapljevina, tkivo) u obliku tlačnog poremećaja, odnosno ultrazvuka. Isto načelo se koristi i za izvedbu detektora. Kod detek-cije tlačni val okoline djeluje na piezoelektrični kristal, dolazi do deformacije kristala zbog kojeg dolazi do električne polarizacije. Na osnovu intenziteta prostiranja ultrazvu-ka, promjene frekvencije (Dopplerov efekt) i faznog kuta reflektiranog snopa izvedeni su najsuvremeniji mjerni uređaji u medicini, ali koji imaju i primjenu u procesnoj industriji.

nosač

brtva

nosač kvarcni elektrode

vanjska

električni navoj

pojačalo matica

navoj

nosač

Vulaz

izlazni signal ultrazvuk

V izlaz

ulazni signal ultrazvuk

Generator ultrazvuka Detektor ultrazvuka

ν > 20 kHz ν > 20 kHz


MJERENJE VLAŽNOSTI ZRAKA

Vlažnost zraka izražava se na više načina zavisno od primjene veličine u nekom procesu ili bilanci. Najčešće se koriste slijedeće definicije vlažnosti zraka: Definicije vlažnosti zraka: masa vodene pare apsolutna vlažnost YA = ----------------------- (kg v.p./kg s.z.) masa suhog zraka broj molova vodene pare molarna vlažnost YM = ------------------------------ ( mol v.p./ mol s.z.) broj molova suhog zraka Masa prividnog 1 mola suhog zraka je 29 g ! parcijalni tlak vodene pare relativna vlažnost YR(%)= ----------------------------------------------. 100 parcijalni tlak vodene pare u zasićenju pri istoj temperaturi i tlaku apsolutna vlažnost relativno zasićenje YZ(%) = ----------------------------------------.100 apsolutna vlažnost u zasićenju na pri istoj temperaturi i tlaku

Parcijalni tlak vodene pare u ravnotežnim uvjetima može se precizno izračunati iz Antoineove korelacije. Osnova korelacije je matematički oblik funkcionalne zavisnosti logaritma tlaka o recipročnoj temperaturi. Izbor funkcionalne zavisnosti nije rezultat teo-retskog uvjeta termodinamičke ravnoteže, već je izabran zbog precizne interpolacije i ima veliku praktičnu primjenu u jednostavnim postupcima proračuna ravnoteže kapljevine i plinova u idealnim uvjetima.

ANTOINOVA korelacija temperature i tlaka vodene pare u uvjetima zasićenosti glasi:

log ( )( )10 02

P Pa AB

C T CH O = −+

A = 10,23255 B =1750,286 C = 235


Ove konstante vrijede za temperaturno područje od 0 do 60 oC pri ukupnom tlaku vlaž-nog zraka od 1 bar. Korelacija omogućava izračunavanje relativne vlažnosti ako se izmjeri temperatura rosiš-ta., ali se ne može primjenti za temperaturu vlažnog termometra. MJERNI POSTUPCI STANDARDNA METODA ( National Bureau of Standards ): vaganje mase vode apsorbirane na LiCl ili MgCl, klasa točnosti 0,1% Opisane su slijedeće metode koje se primjenjuju u procesnoj industriji: 1. Mjerenje sa suhim i mokrim termometrom 2. Određivanje vlažnosti mjerenjem temperature rosišta 3. Mjerenje vlažnosti sa osjetilom sa LiCl 4. Kapacitivno mjerenje vlažnosti Mjerenje sa suhim i vlažnim termometrom Kao termometri se upotrebljavaju živin stakleni termometar, termočlanci i otpornički termometar. Shematski prikaz mjerenja sa živinim termometrom prikazan je na slici 1.

suhi termometar mokri termometar

TS

TM

Slika 1. Shematski prikaz mjerenja vlažnosti sa suhim i mokrim termometrom

Uređaj se sastoji od dva termometra oko kojih struji vlažni zrak. Prvim termomet-rom mjeri se temperatura vlažnog zraka, označena sa Ts suhi termometar, a drugi ter-


mometar ima obavijenu lukovicu sa gazom. Gaza je jednim krajem uronjena u posudicu sa vodom tako da se oko lukovice termometra stalno stvara sloj vode. Zbog nezasićenosti zraka vodenom parom dolazi do isparavanja vode sa površine termometra a pri tome do-lazi do potrošnje energije (topline) akumulirane u termometru.

Qtoplina

Qmase

TM

TS

GRANI^NISLOJ

HIDRODINAMI^KI

GRANI^NI SLOJ

T S

TM

100%

Y R

VLA@NA

KRPICA Slika 2. Grafički prikaz prijenosa mase i topline u graničnom sloju oko mokrog termometra.

Mjerenje se provodi u stacionarnom stanju kada se uspostavi ravnoteža u prijeno-su mase i topline između vlažnog zraka i lukovice mokrog termometra. Iznad površine lukovice termometra nalazi se hidrodinamički granični sloj koji određuje brzine prijenosa mase i energije. U graničnom sloju postoje kontinuirani profili temperature i koncentraci-je vodene pare, odnosno tlaka vodene pare ( vidi sliku 2). Mjerni signal je temperatura mokrog termometra TM i on ovisi o konstrukciji samog termometra i brzini zraka koji struji u okolini. Budući da je mjerni signal određen konstrukcijom termometra i brzinom zraka to su za pojedini instrument ti faktori propisani. Brzina zraka je propisana u inter-valu od 1-2,5 m/s kao i dimenzije termometara. Gibanje zraka se ostvaruje sa ventilato-rom koji je sastavni dio instrumenta. Stacionarno stanje određeno je relacijom

S h T T Q S h Y YQ S M L M AS A⋅ ⋅ − = ⋅ ⋅ ⋅ −( ) ( )

gdje su : S površina lukovice termometra hQ ukupni koeficijent prijenosa topline između žive u lukovici termometri i vlažnog zraka u okolini hM ukupni koeficijent prijenosa mase vode sa površine lukovice termometra i vlažnog zraka u okolini TS temperatura vlažnog zraka , suhog termometra TM temperatura mokrog termometra QL latentna toplina isparavanja YAS apsolutna vlažnost na površini lukovice termometra, odnosno na TM

YA vlažnost zraka u okolini, to je mjerena veličina Iz bilance proizlazi zavisnost mjerene veličine YA o mjernom signalu TS - TM

Vlažna krpica

Granični sloj

Hidrodinamički granični sloj


Y Yh

h QT TA AS

Q

M LS M= −

⋅⋅ −( )

Složenost izvedene relacije proizlazi iz nelinearnosti koja je posljedica zavisnosti tran-sportnih koeficijenata (hQ i hM) o parcijalnom tlaku vodene pare. Najčešće se koriste psi-hrometrijske karte, tablice ili nomogrami za izračunavanje vlažnosti za izmjerene vrijed-nosti temperatura suhog i mokrog termometra. MJERENJE TEMPERATURE ROSIŠTA

Antoineva korelacija omogućava jednoznačno određivanje vlažnosti zraka ako se odredi temperatura rosišta. Na slici je prikazan suvremeni uređaj za automatsko mjerenje temperature rosišta kojim je omogućeno pretvaranje vlažnosti u električni signal i pove-zivanje mjernog uređaja sa PC računalom za nadzor (monitoring) i automatsko upravlja-nje. Uređaj se sastoji od male komore u kojoj se elektronskom regulacijom održava tem-peratura rosišta. Komora se zagrijava električnim grijačem a hladi sa Peltierovim elemen-tom. Peltierov element je kristal kod kojega dolazi do gradijenta temperature kada kroz njega teće električna struja. Regulacija se izvodi dvopoložajnim regulatorom i regulator uključuje i isključuje grijač i Peltierov element ovisno o struji iz fotoćelije. Fotoćelijom se mjeri intenzitet reflektirane zrake svjetlosti sa površine ogledala smještenog na gornjoj plohi Peltierovog kristala. Kada je temperatura u mjernoj komori iznad temperature rosiš-ta, ogledalo je suho i reflektirani snop svjetla je maksimalnog intenziteta. Pri tim uvjeti-ma regulator uključuje Peltierov element i time se snizuje temperatura uzorka vlažnog zraka. Kada se zrak ohladi do temperature rosišta dolazi do kondenzacije vode na površi-ni ogledala. Orošeno ogledalo rasipa zraku svjetlosti u svim smjerovima i zbog toga pada struja koju daje fotoćelija. U tom stanju regulator isključuje Peltierov element i uključuje grijač. Stalnim uključivanjem i isključivanjem regulira se temperatura vlažnog zraka na točki rosišta. Mjerni signal se dobije mjerenjem temperature ogledala na čijoj površini se nalazi termočlanak. Ova metoda omogućuje mjerenje temperature rosišta sa pogreškom ± 0,1 oC. Antoineova korelacija omogućuje jednoznačno određivanje vlažnosti zraka za izmjerenu temperaturu rosišta.

Slika 3. Instrument za mjerenje temperature rosišta.


Slika 4. Shematski prikaz načela mjerenja temperature rosišta

Slika 5. Odaziv temperature rosišta za digitalnu i analognu PID regulaciju

Slika 6. Shematski prikaz Peltierovog učinka

Peltier

regulacija I

napajanje

fotočelije fotodetektori

AM

zrak

Peltierov kristal

T rosišta

ogledalo

regulacija T

Indikator

Pt100

T T

vrijeme vrijeme

rosište

rosište

Digitalna regulacija Analogna PID regulacija

+/- 0,05 C0

mA A

Q T1

T2

W Q

T1

T2


MJERENJE VLAŽNOSTI ZRAKA OSJETILOM SA LiCl

Električna vodljivost vlažnog LiCl omogućava primjenu za mjerenje vlažnosti zraka. Suhi LiCl je električni izolator a kada veže vodu postaje električni vodljiv i vodlji-vost mu raste povećanjem koncentracije vode. Mjerno osjetilo se sastoji od otporničkog termometra Pt100 smještenog u središtu osjetila i njegov otpor (temperatura) je mjerni si-gnal vlažnosti. Oko termometra nalazi se sloj staklene vune koja se natapa sa LiCl. Preko staklene vune namotan je bifilaran svitak vodiča, tako da namotaji nisu u direktnom kon-taktu. Namotaji se napajaju iz izvora izmjenične električne energije. Osjetilo se priprema za mjerenja tako da se čisti uzorak vune prvo natopi u koncentriranu otopinu LiCl, zatim se izloži struji suhog zraka i voda iz LiCl se ispari. Na taj način dobije se anhidrid LiCl koji je električni izolator. Kada se takovo osjetilo izloži struji suhog zraka i uključi elek-trično napajanje struje ne prolazi kroz LiCl i ne dolazi do povećanja temperature Pt100. Kada se u zraku nalazi vodena para zbog higroskopičnosti LiCl dolazi do apsorpcije vode i time postaje električni vodljiv. Prolazom struje kroz LiCl električna energija se pretvara u toplinu i termometar Pt100 je na temperaturi iznad temperature vlažnog zraka u okolini. Povećanjem temperature povećava se brzina isparavanja i mjerenje se provodi u stacio-narnom stanju kada se izjednači brzina isparavanja sa brzinom apsorpcije vode. Tempera-tura LiCl u ravnoteži je mjerni signal vlažnosti zraka. Temperatura LiCl je uvijek iznad temperature vlažnog zraka i to je veća što je veća vlažnost zraka. Shematski prikaz mjer-nog uređaja dan je na slici.

T

LiCl

Pt 100

VLA@NI

ZRAK

T 0

BIFILARNI NAMOTAJ VODI^ A

STAKLENA VUNA SA LiCl

ELEKTRI^ NO NAPAJANJE

Slika 7. Shematski prikaz osjetila sa LiCl za mjerenje vlažnosti zraka.

Električno napajanje

Bifilarni namotaj vodiča

Vlažni zrak


KAPACITIVNO MJERENJE VLAŽNOSTI

Slika 8. Kapacitivno mjerenje vlažnosti: A)shematski prikaz načela, B) mjerni uređaj, klasa točnosti 3%, mjerni opseg relativne vlažnosti

3-95 %, temperatura -20 do 85 0C

Slika 9. Prikaz umjeravanja nultočke instrumenta za mjerenje rosišta.

led+voda

čep

namotaj za zagrijavanje

pumpa

rotametar

RH

termometar

ulaz zraka

termos boca

porozna elektroda

uzemljena elektroda

kontakt 2 kontakt 1 kondenzator

apsorbirajući polimer

stakleni nosač

priključak


Slika 10. Primjer određivanja brzine sušenja prehrambenog materijala na tekućoj traci

primjenom mjerenja vlažnosti i proračuna bilance vlage.

mjerna mjesta

tekuća traka s vlažnim materijalom

ulaz vlažnog materijala

SUŠIONIK

suhi proizvod

Documents

Predavanje 5