I UVOD

1. Uopće o tlakuTlak je jedna od najčešće mjerenih veličina u tehnici i industriji uopšte. Tačnost mjerenja tlaka u pojedinim postrojenjima je od izuzetnog značaja pa se stoga mjeračima tlak, odnosno njihovim karakteristikama mora se posvetiti naročita pažnja. Razlikuju se tri kategorije mjerenja tlaka:

a) mjerenje apsolutnog tlaka kao razlike tlakova u određenoj tački fluida i tlaka apsolutne nule, koji ima vakuum,

b) mjerenje atmosferskog (barometarskog ) tlaka,c) mjerenje diferencijalong tlaka kao razlike tlakova u različitim tačkama fluida.

Slika 1. Shema tlaka

Slika 2. Izmjereni tlak: a) diferencijalni, b) mjereni, c) apsolutni, d) glavni

Tlak nastaje djelovanjem jednoliko raspoređene sile na određenu površinu. Ta jednoliko raspoređena sila može biti posljedica gibanja molekula neke tekućine, izazvanog

1

njenim toplinskim stanjem, ili pak težina okomitog stupca te tekućine jednoliko raspoređene po vodenoj podlozi. Zračni omotač Zemlje djeluje svojom težinom na njenu površinu, pa na taj način izaziva atmosferski tlak. Težina zračnog omotača iznosi oko 1 kp po svakom cm2

zemljine površine što se izražava tlakom od 1 kp cm-2 (1 kp = 9.81 N). Međutim, tlak ovisi o trenutnoj težini tako zamišljenog stupca zraka, koja je podložna mnogim utjecajima, pa se atmosferski tlak stalno i nepravilno mijenja. Nizom mjerenja utvrđen je njegov normalni iznos na površini mora pri temperaturi od 150C pa se za normalni atmosferski tlak uzima: po = 1 atm = 760 mm Hg = 1.03327 kp cm-2 = 101325 Pa.

Nove tehnike procesiranja, od kojih se neke već i komercijalno primijenjuju dok su druge još uvijek u fazi ispitivanja, su: visoki hidrostatski tlak, ultrazvuk, tribomehanička mikronizacija, oscilirajuće magnetsko polje, pulsirajuće električno polje, pulsirajuće svjetlo i neke druge manje značajne. Zajedničko svima je da se tretiranje materijala odvija na sobnoj temperaturi odnosno da dolazi do neznatnog povišenja temperature kao posljedice procesiranja, te da sam proces traje kratko vrijeme (od 1 do 10 minuta).

Postoji niz mjernih jedinica za mjerenje tlaka koji su danas u upotrebi. Prema SI sistemu u upotrebi je jedinica Newton po kvadratnom metru (Nm-2) – Pascal (Pa). U Velikoj Britaniji u upotrebi je jedinica pound per square inch (p.s.i.) - funta po kvadratnom inchu. U upotrebi su još i jedinice atmosfera (14,7 p.s.i.) i bar (100 kPa).

Uobičajeni nazivi povezani sa mjerenjem tlaka:- vakuum je stanje u kome je tlak nula, a isti naziv se koristi za mjerenje niskog tlaka

manjeg od 100 Pa.- razlika tlakova je bilo koja razlika tlakova mjerenih na dva mjesta u prostoru. S

obzirom na razliku tlakova imamo: a) apsolutni tlak je tlak koji izmjeri u odnosu na tlak jednak nuli; b) relativni tlak jetlak mjeren s obzirom na tlak okoline; c) nadtlak je tlak viši od tlaka okoline i d) podtlak je tlak niži od tlaka okoline.

Na slici 3. dat je prikaz apsolutnog, relativnog (engl. gauge presure) i diferencijalnog tlaka.er

Slika 3. Prikaz apsolutnog, relativnog (engl. gauge presure) i diferencijalnog tlaka

2

2. Termini koji se koriste u tehnici mjernih signala- mjerni signal je veličina koja predstavlja mjerenu veličinu i funkcionalno je sa njom

povezana (VIM,1994.). Veličina dobivena pomoću mjernog instrumenta ili sistema koja ima osobine mjerne veličine (DIN 1319-1/1995).

- signal predstavlja informaciju. Predstavljanje se vrši pomoću vrijednosti ili distribucije vrijednosti fizičke veličine

- parametar signala je karakteristika signala koji nosi informaciju.- analogni signal je signal koji je kontinuiran prikaz vrijednosti mjerenog parametra i u

svakoj tački ima drugu vrijednost.- digitalni signal je signal sa konačnim brojem vrijednosti mjerenog parametra gdje je svaka

vrijednost konačna informacija.- mjerena veličina je fizikalna veličina kojoj mjerenjem određujemo vrijednost.- mjerenje je skup djelovanja radi određivanja vrijednosti fizikalne veličine.- električna mjerenja su mjerenja fizikalnih veličina koje nastaju uslijed djelovanja

elektromagnetskih pojava. Te veličine su: jakost električne struje, količina elektriciteta, električni napon, električni otpor, električna snaga, električna energija, električni kapacitet, induktivitet i dr.

- električni mjerni instrument je naprava ili uređaj kojim se provodi mjerenje.- mjerilo je naprava ili instrument kojim provodimo mjerenje (npr. vaga i omometar).- mjera je element koji utjelovljuje neku mjernu veličinu (npr. uteg).postupak mjerenja

električne veličine.- kalibracija je skup operacija koje imaju za cilj uspostavljanje, pod određenim uslovima,

veza između veličina koje se očitavaju na indikatoru instrumenta i odgovarajuće vrijednosti etalona. Rezultat kalibracije se može izraziti kao korekcija izvršena u odnosu na pokazivanje instrumenta.

- verifikacija mjerila ili referentnih materijala je niz postupaka kojima se utvrđuje da li mjerilo ili referentni materijal ispunjava propisane mjeriteljske zahtjeve.

- sljedivost predstavlja neprekidan lanac poređenja kojim će se postići da mjerni rezultati budu sigurni ili da se postigne sljedivost etalona prema referentnom etalonu sve do onog etalona na najvišem nivou.

- mjerenje je skup operacija koje se vrše na objektu kako bi se odredile vrijednosti veličine koja se mjeri. Mjerenjem se ukazuje na stanje tehnološkog procesa, proizvodnog i drugih sistema u cjelini.

- mjerni pretvarač ili transmiter pretvara fizičku veličinu u standardni signal. Pretvarač čini: osjetilo (davač, senzor, sonda), sklop za oblikovanje signala, pokaznik (mjerni instrument, registracijski uređaj, osciloskop i sl.).

- mjerni rezultat je brojčana vrijednost koja opisuje koliko je puta mjerena veličina veća ili manja od mjerne jedinice.

- osjetila su elementi ili sklopovi koji pretvaraju informaciju izjednog oblika u drugi. Koriste se u pretvornicima električnih i neelektričnih veličina u električne veličine.

- mjerni instrument je vrsta pretvornika koji električnu veličinu pretvara u promjenu neelektrične, vidljive veličine ili informacije, (npr. struju pretvara u mehaničku veličinu, tj. kut zakreta kazaljke relativno u odnosu prema ljestvici, ili napon pretvara u svjetlosne znakove, optički interpretirane kao brojke na zaslonu digitalnog instrumenta).

3

4

II TEORIJSKI DIO1. Vrste uređaja za mjerenje tlaka

Uređaji za mjerenje tlaka su manometri. Postoje različite konstrukcije i izvedbe manomatara urađene na različitim principima mjerenja i djelovanja, na osnovu čega se mogu podijeliti na četiri osnovne grupe:

hidrostatički, mehanički, elektronski manometri kombinovani.

Hidrostatički manometri su apsolutni instrumenti, jer oni direktno pokazuju pravu vrijednost pritiska, dok se mehanički i elektronski manometri moraju umjeravati. Za mjerenje razlike tlakova primjenjuju se diferencijalni manometri. Mikromanometri služe za mjerenje vrlo malih pritisaka.Podjela mjernih uređaja za pritisak prema mediju koji se koristi za rad manometara:

tekućinski manometri, deformacijski manometri, vakuumetri.

Zajednička je osobina svih tekućinskih manometara da se ravnoteža sila uspostavlja posredstvom tekućine.Prema vrsti mjernog tlaka imamo:

barometri ( za mjerenje atmosferskog tlaka) manometri ( za mjerenje pretlaka ili apsolutnog tlaka) mikromanometri vakummetri (za mjerenje podtlaka).

Po stupnju točnosti i području primjene imamo manometre: radni, kontrolni, etalonski.

2. Principi i metode mjerenja i kontrole

2.1. Principi mjerenja U postupku izrade proizvoda ili odvijanja procesa vrše se mjerenja s ciljem da se dobiju

karakteristike proizvoda ili procesa onakve kakve su nacrtane u dokumentaciji ili propisane za odvijanje procesa. Mjerenje se vrši u toku izrade proizvoda i da bi se provjerile tehničko-tehnološke mogućnosti sistema za izradu jednostavnih i složenih proizvoda. U klasičnom mjerenju vrši se uspoređivanje mjerene veličine X sa usvojenom jedinicom mjere (etalonom) Xm, slika 4.

Slika 4. Proces mjerenja

5

Mjerena veličina je B puta manja ili veća od usvojene jedinice (standarda) Xm. X = B · Xm

gdje su:B – brojčana (numerička) vrijednost mjerene veličine,Xm – usvojena jedinica.

Tehnička mjerenja koja se vrše u proizvodnim i pogonskim uslovima imaju grešku. Veličina i vrsta greške zavisi od korištene mjerne opreme i metode mjerenja. To su mjerenja koja se vrše u cilju kontrole i dijagnostike stanja sistema. Ova vrsta mjerenja najčešće se koristi u proizvodnji i obuhvata različite vrste mjerenja zavisno od toga o kakvom se tehničkom sistemu radi.

2.2. Metode mjerenja i kontroleMjerna metoda je način kojim se u postupku mjerenja dolazi do vrijednosti mjerne

veličine. Možemo je definirati kao logički općenito opisan slijed djelovanja, koji se koristi za provedbu mjerenja. Mjerne metode, a time i mjerni postupci mogu biti neposredni (izravni, direktni) i posredni (neizravni, indirektni). U neposrednom mjernom postupku mjerni se rezultat dobiva očitavanjem pokazivanja instrumenta kojim se provodi mjerenje. U posrednom mjernom postupku mjerni se rezultat dobiva računom iz dviju ili više izmjerenih veličina. Metode mjerenja mogu biti:

apsolutne i relativne.

Apsolutne metode omogućavaju direktno očitavanje rezultata mjerenja na indikatoru ili registracionom članu, npr. mjerenja pomičnim mjerilom, mikrometrima i sl.,Relativna (usporedna) metoda mjerenja zasniva se na usporedbi mjerene veličine sa posebno izrađenim uzorkom ili etalonom.

Vrijednost izmjerene veličine izražava se na osnovu poznatih dimenzija uzorka (npr. sloga graničnih mjerki) i odstupanja relativne dimenzije čija se vrijednost očitava na mjernom sredstvu koje se koristi za mjerenje (poređenje).

2.3. Klasifikacija mjernih metoda mjerenja tlakaKlasifikacija mjernih metoda može se izvršiti u 3 osnove grupe:1. Mjerenje visokih i najviših tlakova,2. Mjerenje malih i normalnih tlakova,3. Mjerenje finog i visokog vakuuma.

Mjerenje visokih i najviših tlakova predstavlja silu koja nastaje kao posljedica djelovanja statičkog tlaka fluida na tijela unutar ili oko fluida. Kod plinova je zbog male gustoće doprinos visokog tlaka zanemarljiv. Zato je tlak plina u otvorenoj posudi jednak okolnom tlaku.

Mali i normalni tlakovi se mogu klasificirati kao tlakovi od nekoliko mm živinog stuba do više desetina atmosfera.

Mjerenje finog i visokog vakuuma –pod vakuumom se podrazumijevaju aposolutni tlakovi plinovitih medija, manji od 1bara (100.000 Pa). Teoretski, ovi tlakovi se kreću od 0 Pa

6

(čemu bi odgovarao apsolutni vakuum), pa do atmosferskog tlaka od 1bara, čime se definiše normalni atmosferski tlak.

2.4. Metode kontrole mjerenjaMetode kontrole mjerenja mogu biti:

• diferencijalni (elementarni) i• kompleksni (integralni).

Diferencijalni metodi kontrole omogućavaju da se utvrdi koji su to uzorci zbog kojih je mjereni objekat van granica odstupanja. Diferencijalni metodi kontrole su dobri da se izvrši kontrola parametara mjerenog objekta složene konfiguracije.Kompleksni metod se koristi za kontrolu gotovih proizvoda složene izrade. Parametri se kontroliraju istovremeno. Ovaj metod se koristi u završnoj kontroli u proizvodnom procesu.Prema korištenoj mjernoj opremi metode mjerenja i kontrole se mogu podijeliti i na:

• kontaktne (taktilne) i• bezkontaktne.

Kontaktne metode koriste instrumente čiji mjerni pipak dodiruje mjereni ili kontrolirani objekat u toku mjerenja ili kontrole.Bezkontaktnim metodama se vrši mjerenje ili kontrola objekata ili parametara bez fizičkog dodira sa njima. Ove metode su npr. optičke metode mjerenja i kontrole.Kontrola mjerenja se može podijeliti na

• aktivnu i• pasivnu.

Aktivnom kontrolom se osim utvrđivanja stanja kontrolirane veličine vrši i automatsko upravljanje tj. promjena parametara koji utiču na proces kako bi se proces odvijao prema propisanim parametrima. Pasivna kontrola se izvodi nakon završene obrade dijelova ili izrade proizvoda. Rezultati pasivne kontrole nemaju uticaja na proces.

2.5. Principi mjerenja i djelovanja mjernih osjetilaPrincip mjerenja se zasniva na poznatom fizičkom efektu (termoelektrični, fotoelektrični,

piezoelektrični, pneumatski, hidraulički i sl. ). Mjerenje tlaka u većini slučaja svodi se na mjerenje pomaka osjetnog elementa. Uslijed razlike tlakova dolazi do pomaka osjetnog elementa (membrana, mijeh, spiralna cijev) koji se može detektirati pretvornikom pomaka. Postoje i mjerni osjetnici tlaka kod kojih se mjerenje svodi na na mjerenje promjene narinutog napona na mjerni osjetnik ili promjene jakosti električne struje uslijed promjene otpora koja nastaje kao posljedica promjene naprezanja u osjetnom elementu. Takvi osjetnici su npr. tenzometarske trake (slika 5., 6., 7.) i piezootpornici (slika 8. i 9.).

7

Slika 5. Najčešći oblici mjernih osjetnika tlaka koji veličinu tlaka manifestiraju pomakom

Slika 6. Prikaz tenzometarske trake Slika 7. Izvedba davača tlaka, elastična membrana s tenzometarskim trakama

Slika 8. Longitudinalno opterećeni Slika 9. Transferzalno opterećeni piezootpornik piezootpornik

8

Oznake:a,b,c-osjetnici s dijafragmom (razne izvedbe),d-osjetnik s mijehom,e- osjetnik u obliku ravne cijevi,f-osjetnik u obliku zakrivljene cijevi (burdonova cijev),g,h,i-spiralni osjetnici (razne izvedbe).

Mjerna sredstva kojima se vrše mjerenja se izrađuju da rade na određenom fizičkom principu koji postaje princip mjerenja. Takva mjerna sredstva su termopar, elektrootporna mjerna traka itd). Prema principu mjerenja mogu biti: mehanička, optička, električna, piezoelektrična, fotoelektrična, termoelektrična, pneumatska i dr.

3. Visoki hidrostatski tlak (HPP) u prehrambenoj industriji

3.1. Korištenje visokog tlaka u prehrambenoj tehnologijiVeć je više od stotinu godina poznato da se visoki hidrostatski tlak može primijeniti u

procesiranju hrane, te da hrana tretirana HPP-om ima znatno duži vijek trajanja. Veći interes za primjenu HPP-a u proizvodnji hrane javlja se tek negdje oko 1970. godine od kada se njegovo djelovanje na hranu intenzivnije istražuje. Prvi komercijalni proizvod tretiran HPP-om je voćni žele proizveden u Japanu 1990., a zatim voćni sok u Francuskoj i oštrige u SAD. Korištenje visokog tlaka u prehrambenoj tehnologiji nudi mnoge prednosti u odnosu na klasično termičko tretiranje ili zamrzavanje. Osnovne prednosti su:

(a) postizanje antimikrobnog učinka bez promjene senzorskih i nutritivnih značajki, (b) značajno skraćivanje termičkog tretiranja koje slijedi nakon tretiranja HPP - om, (c) ravnomjerna i brza obrada namirnice pod djelovanjem tlaka, (d) kod zamrzavanja se zadržava postojeća struktura namirnice (Datta i Deeth, 1999.).

Tretiranje visokim hidrostatskim tlakom (HPP) provodi se tako da se namirnicu (tekuća ili čvrsta) sa ili bez ambalaže smjesti u pogodan zatvoreni cilindar te podvrgava djelovanju visokog hidrostatskog tlaka koji se kreće od 100 do 800 MPa (1 000 do 8 000 bara) u trajanju od 1 do nekoliko minuta. Tlak djeluje trenutno i ujednačeno na cijelu masu proizvoda neovisno o volumenu, obliku ili sastavu.

Primjena visokog tlaka se najčešće implementira kod smanjenja broja ili čak uništenja mikroorganizama, te da uspješno djeluje na konformacijske promjene pojedinih molekula čime se mijenjaju (poboljšavaju) funkcionalna svojstva tretiranog proizvoda, te da u proizvodima podvrgnutim zamrzavanju izaziva pozitivne efekte. Istraživanja djelovanja HPP- a na preživljavanje mikroorganizama u mlijeku i mliječnim proizvodima pokazala su da se primjenom tlaka većeg od 400 MPa postiže značajno uništenje bakterija, a efekt ovisi o vrsti mikroorganizma (tabela 1.).

Bakterije koje su inače manje osjetljive na temperaturu, također su manje osjetljive na djelovanje HPP-a. Vrlo brzo se postiže uništenje kvasaca, plijesni, psihrotrofnih i koliformnih bakterija. Kvasci i plijesni u potpunosti su uništeni kod 400 MPa.

Psihrotrofne i koliformne bakterije uništavaju se u potpunosti kod 600 MPa. HPP znatno efikasnije uništava gram (-) bakterije u odnosu na gram (+) bakterije (Seyderhelm i Knoor, 1992.; Knorr, 1995.). Mikrobiološko djelovanje HPP - a može se usporediti s toplinskim na sljedeći način: primjena tlaka višeg od 600 MPa izaziva isti efekt kao i pasterizacija provedena na 72 ºC kroz 5 sekundi.

9

Tabela 1: Utjecaj djelovanja visokog hidrostatskog tlaka (HPP) na neke mikroorganizme

MikroorganizamMicroorganism

TlakPressure(mPa)

Vrijeme tretiranja

Time(min.)

Broj decimalnih redukcijaDecimal reduction

MedijMedia

Saccharomyces cerevisiae 300 5 5 Sok mandarine

Aspergillus awamori 300 5 5 Sok mandarine

Listeria innocua 360 5 1 Mljeveno juneće meso

Listeria monocytogenes 350 10 4 Fosfatni pufer soli

Vibrio parahaemolyticus 172 10 2,5 Fosfatni pufer soli

Salmonella typhimurium 345 10 1,8 Fosfatni puferUkupni broj kolonija

Total CFU340 5

Utjecaj visokg tlaka temelji se na Le Chatelierovom načelu smanjenja radnog obujma kako se tlak povećava. Za vrijeme obrade, promjene obujma namirnice dovode do hemijskih reakcija koje izravno utječu na intremolekulske interakcije unutar namirnice. Najčešće dolazi do pucanja vodikovih veza, jonskih i hidrofobnih veza, dok je učinak na jake kovalentne veze vrlo ograničen i on u većini slučajeva ostaje nepromijenjen.

Tijekom primjene visokih tlakova mora se uzeti u obzir i dio gubitaka koji se ostvaruje za savladavanje otpora koji pruža plastična vakuumska ambalaža. Najizraženije promjene događaju se na endogenim enzimima mesa. Utjecaj visokih tlakova na enzimsku aktivnost je dvojak, jer enzimi reagiraju drugačijim mehanizmom nakon ekstrakcije iz namirnice, ali gledano visoki tlak djeluje na aktivne bakterije kao što su: Listeria monocytogenes i Staphylo-coccus aureus.

3.2. Mjerenje visokih tlakova preko promjene provodljivosti metalaPrincip na kome se zasniva ova metoda je promjena električne provodljivosti

metalakoja nastaje usljed promjene kristalne struktrue pod utjecajem tlaka. Ova promjena je gotovo linearna za pojedine metale koji u domenu mjerenja tlaka ne podliježu faznim promjena kristala Ovaj uslov zadovoljava manganin koji pored toga ima i veoma mali temperaturni koeficijent provodljivo, slika 10..

10

Slika 10. Električni otporni manometar

3.3. Uređaji za mjerenje visokih tlakova deformacijom elastičnih elemenataU primjeni su modifikovani manometri sa dijafragmom kod kojih je dijafragma

zamijenjena debelom dvostrukom pločom od otpornog čelika koja se deformiše usljed tlaka, slika 11.

Slika 11. Manometar za kapacitivno registrovanje vrlo velikih tlakova

3.4. Uređaji za mjerenje visokih tlakova pijezoelektričnim efektomPijezoelektrični efekat je vezan za pojam naelektrisanja na površini kristala kada se

elastično deformiše duž specifičnih površina. Tako se stvara električni potencijal. Pomoću pijezoelektričnih kristala naprezanja se provode u električne signale koji su proporcionalni tlaku, slika 12. Ovaj signal je najčešće slab, te se mora pojačati. Najvažniji kristali koji imaju pijezoelektrične osobine su: kvarc, turmalin, barijum-titanat i Rochell-ova so.

11

Opis: Prikazani osjetni element čini bifilarno namotana manganinova spirala (1), čiji otpor iznosi oko 200Ω.Jedan kraj spirale je vezan za mesingani zavrtnj (2), dok je drugi vezan za spojnicu (3). Čitav element se pomoću navoja (4) i kapilare (5) može povezati sa prostorom čiji se tlak mjeri. Promjena otpora bifilarne žice mjeri se Vitstonovim mostom. Tačnost mjerenja ide i do 0,05 od graničnog tlaka.

Opis: Uređaj se sastoji od masivne osnove (1) za koju su vijcima pričvršćena dva diska (2 i 3) međusobno povezana i centralnim vijkom (4) . Da bi deformacija diskova bila bila pravilnija u istima su urezani prstenasti kanali (6). Tako da pri djelovanju tlaka na gornju površinu diska sredina diskova ostaje relativno malo deformisana i kreće se samo naniže. Ugib se mjeri promjenom kapaciteta , pri čemu donja površina diskova predstavlja jednu ploču kondenzatora, dok je druga ploča postavljena u šupljini postolja izolovana od mase uređaja (7).

Slika 12. Pijezoelektrični manometar

Izdražavaju visoke temperature i jake udarce. Mogu se koristiti za mjerenje tlakova u širokom opsegu. Pijezoelektrični uređaji nalaze široku primjenu kod balističkih mjerenja, pri mjerenju vazdušnih i vodenih udara, proučavanju rada raketa ,itd. Ovi uređaji se ne mogu koristiti za mjerenje stalnih tlakova , pošto se površina kristala brzo razelektriše zbog jonizacije vazduha i prema tome daje tačnu sliku ukoliko se isti brzo mjenja.

3.5. Magnetnostriktivni uređaji za mjerenje tlaka Magnetnostriktivni efekat predstavlja efekat promjene magnetne permeabilnosti

feromagnetnih materijala kada su izloženi naprezanju na tlak, istezanju ili torziju. Efekat je nelinearan i ne zavisi od temperature. Uređaji koji koristi ovaj efekat su veoma jednostavni. Ovakvi uređaji mogu da mjere tlakove u vrlo širokom opsegu. Može da mjeri konstantne tlakove ili promjene tlakova do 10kHz.

Slika 13. Magnetnostriktivni mjerač tlaka

3.6. Mjerenje malih pomjerenja preko promjene električnog otpora mjerne trake

Promjena otpora metalne žice ili metalnog ili poliprovodičnog filma pri mehaničkim deformacijama može se koristiti za mjerenje deformacije, pa samim tim i za mjerenje tlaka kada su primarni elementi sa elastičnim deformacijama. U upotrebi su elementi sa slobodnom

12

Opis: Mjerni uređaj je zatvoren u čelični cilindar (1) sa poklopcima (2 i 3) . Prostor čiji se tlak mjeri vezuje se vodom (4) za mjerni uređaj. Tlak djeluje spolja na membranu (5), preko podmetača (7) vrši tlak na dva kristala kvarca (8 i 9 ). Kristali su postavljeni tako da se pozitivno naelektrisani pojavljuju na spoljašnim površinama. Da bi se tlak ravnomjerno prenio po cijeloj površini kristala ,iznad gornjeg podmetača nalazi se kugla (10). Negativno naelektrisanje oba kristala prenosi se sa unutrašnje površine na srednji podmetač (11), a sa njega do amplifikatora.

žicom koja mijenja otpor pri istezanju ili elementi kod kojih je metalna žica, traka ugrađena u tanku traku od izolatora, tako da se otpor žice mijenja sa istezanjem trake.

3.7. Uređaj sa opterećenim klipomOpis: teret (1) poznate težine vrši tlak preko klipa (2) na hidraulički medijum (3) koji je

najčešće ulje ili glicerin. Tako izazvani tlak prenosi se na manometar koji se baždari. Radi smanjenja trenja o zidove, klip se sa teretom može obrtati oko svoje vertikalne ose. Pomoću ručice s klipom (5) postiže se potrebna hidraulička ravnoteža.

Slika 14. Uređaj za baždarenje manometara sa opterećenim klipom

Veličina tlaka odeđuje teret i površina klipa. Tlak se izračunava djeljenjem tereta sa površinom. Cijeli uređaj čini zatvoren hidraulički sistem

13

III REZULTATI ISTRAŽIVANJA

14

1.0. Senzori tlakaPrincipi merenja tlaka koji se danas primenjuju, uglavnom favorizuju direktno pretvaranje

fizičke u električnu veličinu a ovo, u većini slučajeva, zahtijeva izvor pomoćne energije za senzor. Pri tom treba voditi računa o tome kako da se ponište greške merenja usled uticaja temperature, gustine, parazitnih električnih veličina i drugih uticaja.

Uz pretpostavku da svi ti uticaji poništeni, može se vršiti obrada signala sa senzora. Na slici 10. označen je senzor sa dijelom koji uz malo elektronike proslijedi signal instrumentu- transmiteru, okrenut korisniku koji omogućava vizuelno očitavanje i/ili zapisivanje pritiska. Transmiter može da izvrši konverziju signala u oblik pogodan za prenos na veću daljinu (npr. 0/4-20mA) i A/D konverziju u digitalne impulse za serijsku komunikaciju.

Slika 15. Senzor u direktnoj vezi sa mjestom mjerenja

Slika 16. Shema definisanja primarnog mjernog pretvornika u lancu pretvorbe procesne (PV) u mjerenu (MV) varijablu.

- Osjetnik, osjetilo, senzor vs mjerni clan, mjerni pretvornik, davač- Mjerni član, mjerni pretvornik, davac (širi pojam od senzora, uključuje i mogucu

elektroničku obradu izmjerene veličine na senzoru- Varijabli koja se mjeri, procesnoj varijabli (PV), mjerni pretvornik pridružuje mjerenu

varijablu (MV)

15

2. Tehnike i instrumenti mjerenja tlaka Klasični senzori sa Bourdonovom cijevi ili sa membranom su najčešće u upotrebi, jer

odlično rade, ali imaju jednu manu, zbog koje se više ne ugrađuju na važnim mjernim mjestima. Hodovi pretvaračkih elemenata kod njih iznose od 1 do 3 milimetara, za razliku od deformacija kod modernih senzorskih mjerača tlaka koji ne prelaze nekoliko mikrona. Ovi minimalni pomaci omogućuju prednosti:

• veliku brzinu odziva (standardno oko 2 ms.),• visoku linearnost,• otpornost na preopterećenja i• dugotrajnost bezotkaznog rada.

2.1. Senzori za industrijska mjerenjaNajvažnija osobina senzora koji treba da rade u industrijskim uslovima je stabilan i

dugotrajan bezotkazni rad uređaja, bez nekog posebnog održavnja. Visoka klasa tačnosti u 90% slučajeva nije primarna, tj. 1% greške je sasvim dovoljno tačno. Od toga je značajnije da uređaj ne bude preskup. U industrijske svrhe se koriste nabrojani senzori. Pretvarači deformacija su:1. Piezootporni senzori - pretvarač deformacija,2. Senzori u obliku metalnih traka - pretvarač deformacija:

• metalne trake na foliji,• metalne trake na tankom filmu,• metalne trake na debelom filmu.

Pretvarači pomjeranja su:1. Senzori na principu Holovog efekta, pretvarač pomjeranja2. Kapacitivni senzori - pretvarač pomjeranja3. Induktivni senzori - pretvarač pomjeranja4. Potenciometarski senzori - pretvarač pomjeranja.Ostali pretvarači:1. Piezoelektrični senzori koji rade na principu piezoelektričniog efekta2. Ostali principi

• Pirani vakuum mjerači,• Jonizacioni mjerači pritiska,• Frikcioni mjerači pritiska,• McLeodeovi kompresioni mjerači.

Razvoj mjerenja tlaka počeo je Torricellijevim eksperimentom 1643. god. kojim je pokazano da zemljin atmosferski omotač tlači površinu Zemlje tlakom koji odgovara približno 760 mm Hg stupca. Od toga se doba tehnika mjerenja tlaka usavršila se je toliko da se danas mogu bez teškoća i dovoljno tačno mjeriti vrlo niski i neobično visoki tlakovi. Mjerna tehnika tlaka obuhvaća ogromno mjerno područje od oko 10-9 do 105 at. To se područje može pokriti samo brojnim izvedbama uređaja, koji djeluju na razlicitim principima. Mjerila tlaka nazivamo manometrima.

16

Tabela 2. Prikaz vrsta osjetila

2.1.1. Mjerni opseg i tip izlaznog signalaPod mjernim opsegom ovdje podrazumijevamo raspon u kome će se kretati mjereni

tlak u normalnim uslovima. Pored toga potrebno je znati maksimalni i minimalni tlak koji može da se javi, da li postoji mogućnost preopterećenja mjerača i kolika je , kao i granice u kojima se mijenja temperatura okoline, što takođe može da utječe na tačnost mjerenja. Proizvođači nude više varijanti izlaznog signala mjerača, kao što su proporcionalni, strujni, naponski i slični. Tip izlaznog signala neophodno je prilagoditi karakteristikama ostalih elemenata informacino-upravljačkog sistema da bi se obezbjedila njihova kompatibilnost.

2.1.2. Karakteristike mjerača i dodatna opremaOva grupa parametara obuhvata: tehnologiju uređaja (induktivni, pijezoelektrični, kapacitivni, pijezorezistivni...); tip displeja (analogni, digitalni, grafički...) ;

17

mogućnost kalibracije; relejne i alarmne izlaze; temperaturnu kompenzaciju; ostale korisničke zahtjeve.

Poznavanjem svih gore navedenih parametara, korištenjem tehničke dokumentacije prozvođača (katalozi) moguće je izabrati optimalnu varijantu mjerača tlaka za date uslove.

2.2. Mjerni instrumenti

2.2.1. Manometri sa stubom tečnostiU grupu kapljevinskih manometara spadaju oni manometri koji sadrže kapljevinu.

Stupac te kapljevine, određene visine i presjeka, djeluje kao kapljevinski uteg poznate težine. Za mjeru težine takvog utega uzima se obično njegova visina u kalibriranoj staklenoj cijevi. Težina toga utega, dakle sila, služi za usporedbu sa silom kojom mjereni tlak djeluje na određenu površinu. Tako se visina stupca kapljevine može smatrati mjerom tlaka u slogovima kapljevinskih manometara. Tačnost mjerenja dakle ovisi o tačnosti određivanja težina. Težina je sila kojom tijelo djeluje na svoju podlogu. Ta sila nastaje uslijed privlačenja masa .

Manometri s kapljevinom podliježu gravitacijskim utjecajima, ako se mijenja mjerno mjesto, ali ipak po svojim svojstvima spadaju u grupu apsolutnih uređaja koji se mogu baždariti pomoću tri osnovne SI veličine: kg, m, s. To su klasični pretvornici i danas se upotrebljavaju samo u posebnim okolnostima. Međutim, zbog jednostavnosti izvedbe i primjene pojedine se izvedbe upotrebljavaju u laboratorijima, a na osnovi U-manometra izvedeni su i precizni baždarni uređaji.

Kod punjenja manometara koriste se realne kapljevine, pa je potrebno kod analize rada voditi računa o nekim njihovim svojstvima koja mogu imati utjecaj na tačnost mjerenja (npr. adhezija, promjena specifične težine s temperaturom, indeks loma). Tako se zbog adhezije sa stijenkama posude uzimaju cijevi tanje od 5 mm. Kod vode promjena specifične težine sa temperaturom dolazi do izražaja tek iznad 30oC gdje se ona smanjuje. S obzirom nahkemijske reakcije kapljevine ne smiju ulaziti u reakcije s mjernim fluidom. Indeks loma mora biti različit od indeksa loma mjernog fluida.

Najpoznatije manometarske kapljevine su: voda (gustoce 1000 kg m-3) i živa (gustoće 13595 kg m-3). Tlak izražen 1 mmHg stupca odgovara stupcu H2O koji je visok 13.595 mmH2O. Osim njih koriste se: acetilentetrabromid (gustoce 2965 kg m-3), bromoform (gustoce 2889 kg m-3), tetraklorugljik (gustoce 1594 kg m-3). Vrlo je praktican tetraklorugljik (CCl4) jer se ne miješa s vodom i lako se oboji bojama netopivim u vodi.

Tri osnovna tipa manometara su: a) manometar sa stubom tečnosti, b) prstenasti manometar, c) manometar sa zvonom.

Manometri sa tečnošću se postepeno napuštaju u industrijskoj praksi, zbog uskog opsega, velikih dimenzija, sporog odziva i teškog održavanja. Manometri sa stubom žive se, međutim, često koriste za kalobrisanje drugih uređaja za mjerenje tlaka.

18

- manometri u obliku U – cijeviDanas nisu u prevelikoj upotrebi u industriji ali daju korisne informacije o temeljima

mjerenja tlaka. U –manometar je ispunjen nekom tekućinom (vodom, alkoholom, živom) i spojen je svojim krajevima na ulaze različitih tlakova p1 i p2 (slika 17). Kada je p1 = p2 stupac tekućine u oba kraka U –manometra je u istoj razini. Promjenom vrijednosti p1 ili p2 stupci tekućine zauzimaju nove vrijednosti visine. Razlika u visinama stupaca h je proporcionalna diferencijalnom tlaku (odnosno razlicitlakova).

Mjerenje s ovim manometrom zasniva se na istom principu kao i kod Toricellijevog barometra. Razlika je u izvedbi. Kalibrirana cijev savijena je u obliku slova U. Ovaj manometar mjeri relativni tlak p = p2 - p1, dakle razliku tlakova, pa se zove i diferencijskim manometrom.

Slika 17. U – manometar: a) p1 = p2, b) p1 > p2

Mjerenje tlaka pomoću U cijevi se svodi na detekciju razina h1 i h2, ili njihove razlike, uz primjenu Bernoullieve jednačine, slika 18: p1+ρzgh1=p2+ρzgh2+ρtg(h1-h2) p1=p2+g(ρz(h2-h1)+ρt(h1-h2))

Pojednostavljeno, kada je ρt>>ρp

p1≈p2+ρt g Δhgdje je: p2 – poznat tlak, najčešće atmosferski, ρt – gustoća tekućine.

Slika 18. U-manometar

- U-manometar nesimetrične izvedbeU-manometar nesimetrične izvedbe ima cijevi s različitim površinama presjeka A 1

odnosno A2. U slučaju da je p = p2 - p1 = 0 razine kapljevine su u obje cijevi jednake i pokazuju razinu označenu s 0.

19

p1 p2

pt

h 1

h 2

- manometri nejednakih površina

Slika 19. Manometar nejednakih površinaKonstruirani su s nejednakim površinama fluida u cijevima (visina H i ovdje je proporcionalna razlici tlakova)

- kosi manometar Ovaj manometar je osjetljiviji pri mjerenju niskih tlakova, a vrijednost mjerenja očitava se s mjerne skale na duljini d.

Slika 20. Kosi manometar

- Torricelliev barometarTorricellijev barometar najjednostavniji je predstavnik kapljevinskih manometara.

Namjenjen je mjerenju atmosferskog, dakle apsolutnog tlaka. Izrađen je tako da se kalibrirana čista staklena cijev, zataljena na jednom kraju, napuni čistom živom, začepi, okrene, uroni u posudu sa živom i odčepi. Tada stup žive u cijevi zauzme visinu od oko 760 mm od razine žive u posudi što ovisi o postojećem atmosferskom tlaku. Iznad meniskusa žive u cijevi stvori se vakuum ili tačnije nizak tlak živinih para. No i ovako jednostavan manometar podvrgnut je utjecaju mnogih smetnji koje smanjuju tačnost mjerenja. Npr. manometar baždaren na 45 o

geografske širine pokazuje pozitivne greške ako se njime mjeri južnije, a negativne ako se mjerno mjesto nalazi sjevernije od mjesta baždarenja. Gustoća žive ovisi o temperaturi kao i njen obujam. To se dakako odražava i na visinu živinog stupca u cijevi barometra.

20

Slika 21. Torricellijev barometar

- prstenasti manometarPrstenasti manometar (prstenasta vaga) se sastoji od šupljeg prstena, srednjeg

polumjera r i površine presjeka A, pomoću nosača smještenog na ležaj. Prsten je balansiran obzirom na taj nožasti ležaj pa se može slobodno zakretati za kut . Prsten je do polovine ispunjen kapljevinom. Na osovini koja nosi kazaljku pričvršcen je uteg težine G. Tlakovi se privode kroz dvije savitljive cijevi zanemarivog trenja s obje strane hermetičke pregrade. Kada je p jednak 0 onda kazaljka sa utegom pokazuje oznaku 0 na skali. Pri tome je otklon vage = 0o. Razine kapljevine u desnoj i lijevoj polovici vage su jednake. Ovi manometri mogu se koristiti za široko mjerno područje od 15 Pa sve do 20 kPa.

Slika 22. Prstenasti manometar

- manometar sa zvonomOdlikuju se posebnom osjetljivošću, a djeluju na principu vage. Promjene tlaka pobuđuju promjenu momenta sila na vagi. Zvono se giba sve dok se ne uspostavi ravnotežni položaj koji je ujedno i mjera razlike tlaka. Protumoment mjerenoj razlici tlaka dobije se pomoću

21

utega ili pera. Zakreti se pretvaraju u električni signal potenciometrijskim ili induktivnim pretvornikom pomaka.

Slika 23. Manometar sa zvonom

2.2.2. Manometri koji se služe deformacijom elastičnih elemenataDeformacijski manometri rade na osnovu elastične deformacije materijala koja nastaje

pod djelovanjem razlike tlaka. Imamo: Bourdonove cijevi, Membrane, Mjehove.

- Bourdonova cijevBourdonova cijev je u industriji najčešći manometar. Izrađen je od elastičnog i šupljog srpa koji ima jedan kraj učvršćen za kućište instrumenta, a drugi kraj mu je slobodan. Tlak na ulazu u osjetilo pul uzrokuje zakretanje i ispravljanje Bourdonove cijevi, i koja potom preko zupčanika i prijenosa uzrokuje zakret kazaljke osjetila. Prizilazi da zbog razlike tlaka u cijevi manometra i okoline dolazi do savijanja slobodnog kraja čiji se pomak pomoću mehanizma pretvara u zakret kazaljke instrumenta. Budući da je deformacija Bourdonove cijevi određena

22

razlikom mjerenog i vanjskog tlaka, to takvi manometri uvijek mjere nadtlak iznad atmosferskog.

Slika 7. 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 24. Prikaz Bourdonove cijevi, manometra u obliku spirale i helix manometar

Bourdonovi manometri imaju: A) analogni (s kazaljkom), mjerni opseg od 0 do 1 bar, 0 do 50 bar, klasa tačnosti 3 %; B) digitalni mjerni opseg od 0 do 1 bar, 0 do 100 bar, klasa tačnosti 0,25 %, mjerni signal 4 do 20 mA.

Slika 25. Izgled mjernog instrumenta (Bourdonova cijev)

Ovi mjerni instrumenti su dugo u upotrebi te je pogodan za mjerenje visokih i niskih tlakova. Pomak cijevi uslijed tlaka fluida prenosi se pomoću spoja i nazubljenog dijela na zupčanik pokazivača tlaka. Bourdonova cijev se može koristiti za mjerenje tlaka od 0 do 30 kPa pa do raspona od 0 do 50 MPa. Bourdonova cijev može biti spojena na potenciometar te u tom slučaju daje izlazni signal u obliku električnog napona.

- manometri sa membranama i mjehovima Najviše se koriste za mjerenje malih nadtlakova ili podtlakova. Različite vrijednosti

tlakova p1 i p2 uzrokuju pomak dijafragmi (pregrada) na slici 26. Razlike tlaka izazivaju pomak mjeha i elastične kapsule. Vrlo je bitno mehanički pomak dijafragmi, kapsula, mjehova koji je relativno malen i uzrokovan razlikama tlakova pretvoriti u električni signal. Postoji nekoliko izvedbi pretvornika koji uspješno pretvaraju ulazni signal razlike tlaka u proporcionalni električni napon.

23

gibanje

presjek membrane

pomak mjerni signal

nosač

ulazni tlak

Slika 26. Prikaz mjernih membrana: a) ravna membrana, b) slog membrana (mijeh)

Opis: Na slici 27. 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 jednu granu otporničkog Wheastoneovog mosta, čime se kao izlazni signal dobije napon. Izlazni napon se nadalje pomoću električnog sklopa pretvara u standardni strujni signal u području od 4 do 20 mA.

ulazni tlak

opruga pomični kliznik

priključak naWheastoneovmost

Slika 27. Pretvornik ("transducer") tlaka u električni signal pretvorbom pomaka membrane u pomak kliznika potenciometra.

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.

A) B)

membrana

pomak, hodmembrane jezgra

transformatora

transformatorrazlike

magnetska pločica

Bourdonheliks

elektro-magnet

Slika 28. Shematski prikaz manometra s pretvorbom tlaka u električni signal: A) sa membranom i transformatorom razlike;

B) Bourdonova cijev i elektromagnet.

24

Opis: Pretvornici tlaka u električni signal mogu se izvesti u minijaturnoj izvedbi (slika 29.) kojima je moguće on-line mjeriti raspodjelu tlaka u nekom procesnom prostoru (npr. sušari, destilacijskoj koloni, itd.)

Slika 29. Minijaturni pretvornik tlaka u električni signal

2.2.3. Linearni varijabilni diferencijalni pretvornikLVDT (linear variable differential transformer), linearni varijabilni diferencijalni

pretvornik koristi pomak elastičnog senzora tlaka za pomicanje feromagnetične jezgre u diferencijalnom pretvorniku. Pomicanje feromagnetične jezgre uzrokuje promjene napona između primarne i dvije sekundarne zavojnice (naponi E1 i E2 postaju različiti). Veličina izlaznog napona (E1 – E2) je ovisna o pomaku feromagnetične jezgre. Ispravljač daje istosmjerni električni signal proporcionalan pomaku jezgre. Na slici 30. promjena tlaka u mjehu pomiče i feromagnetičnu ploču ispred zavojnice. Pomicanje ploče uzrokuje i promjenu indukcije u zavojnici koja se može izmjeriti na mjernom uređaju izmjenične struje. Navedeni primjeri su često u upotrebi u industrijskim procesima i daju kvalitetnu pretvorbu ulaznih signala u obliku razlike tlaka u proporcionalni električni signal.

Slika 30. Pretvornik tlaka varijabilne indukcije

25

2.2.4. Kapacitivni senzor tlakaKod kapacitivnih senzora tlaka mjeri se promjena kapaciteta kondenzatora u mostu na

koji je spojen izmjenični napon. Do promjene dolazi uslijed gibanja metalne dijafragme zbog razlike tlakova pul i p0. Tačnost mjerenja se kreće do ±0,5% sa odličnom linearnošću izlaznog signala.

Slika 31. Prikaz kapacitivnog senzora

2.2.5. Piezo elementiSvojstvo kvarca ili titana je da pri savijanju na suprotnim površinama stvara različita

količina naboja te stoga i potencijalna razlika, kao i suprotno tome da potencijalna razlika izaziva mehaničko savijanje, svojstvo je ovih pretvornika. Služe za praćenje brzih izmjeničnih promjena. Piezo-električni efekt zbiva se u kristalima kvarca. Kada se na obrađeni kristal kvarca nanese sila, električni naboj suprotnog polariteta pojavljuje se na površinama kristala. Za upotrebu u industrijskim procesima, električni naboj koji se pojavljuje na površinama kvarca mora se pretvoriti u upotrebljivi električni napon kao izlazni signal. Piezo-električni pretvornici nisu pogodni za mjerenje promjena statičkog tlaka već su jako pogodni za mjerenje promjena dinamičkog tlaka jer imaju jako brzi odziv. Piezo-električni pretvornik može vrlo lako pratiti varijacije mjerenog tlaka npr. kada je smješten u poklopcu cilindra motora s unutarnjim izgaranjem.

Ako se na materijal koji ima ove osobine djeluje silom F kristalna rešetka će se deformisati. Usljed deformacije rešetke javiće se piezoelektricitet, čiji napon se mjeri na elektrodama postavljenim na površine kristala. Količina elektriciteta zavisi od sile kojm se rešetka deformiše: Q = dFgdje je:

F-sila deformisanjad-konstanta kristala

Napon između elektroda određen je izrazom: U = Q/Cgdje je:

Q-količina elektricitetaC-kapacitivnost

Kako je p = F/A tada je Q = dpA. Kapacitivnost je dana izrazom: C = ε A/lgdje je ε linearna dilatacija.

26

po

pul

uiz uul

Slika 32. Piezo-električni pretvornik (akcelerometar)

Piezometar sl. 2.9 spada u najjednostavnije uređaje za mjerenje tlaka. To je na posudupriključena gore otvorena cjevčica u kojoj će se kapljevina popeti do određene visine.Zanima li nas tlak u bilo kojoj točki posude, izmjeriti ćemo visinu stupca kapljevine dote tačke.

Tlak u tački A iznosi: pA= gh1 Tlak u tački B iznosi: pB= p gh2 gdje je: ρ- gustoća tekućine kg/m3

h1,h2- visine stupaca tekućine iznad tačaka 1 i 2g= 9,81 m/s2 – gravitacijska konstanta

Slika 33. Piezometar za mjerenje statičkog tlaka u struji fluida

2.3. Pogreške mjerenja kod deformacijskim manometaraDeformacijski manometri su izloženi smetnji koje znatno smanjuju njihovu tačnost,

čak i u normalnim uvjetima rada. Utjecaj temperaturnih promjena mijenja elastična svojstva materijala i početne dimenzije manometara. Usljed toga nastaju pogreške nul-točke koje se tijekom upotrebe manometra mijenjaju. Deformacijski se manometri sa Bourdonovom cijevi Obično baždare na 20o C. Mjerenje kod neke druge temperature zahtijeva korekciju. Deformacijski su manometri neprikladni za tačnija mjerenja tlaka pa se radi svoje jednostavne izvedbe koriste pretežno kao pogonski uređaji.

27

2.4. Mjerenje finog i visokog vakuumaU zavisnosti od reda veličine vakuuma,isti se dijele na :

1. niski vakuum 100.000 – 100Pa ,2. fini vakuum 100Pa - 10-1 ,

3. visoki vakuum 10-1 – 10-4 (10-6) Pa ,4. ultra visoki vakuum 10-6 – 10-8 Pa .

Ultra visoki vakuumi se koriste u ekspirementalnoj fizici, dok se ostalim vakuumima sve više služi savremena tehnika. Postoji veći broj principa koji se primjenjuju pri mjerenju vakuuma. Osnovni principi su:

- kompresioni vakuummetri se služe osnovnim zakonima kojima se pokoravaju permanentni gasovi. Mek-Leodov vakuummetar je glavni predstavnik ovakvih uređaja.

- konvekcioni vakuummetri se služe termičkom konvekcijom molekula pri mjerenju vakuuma. Tipičan predstavnik ove grupe je Piranijev vakuummetar.

- jonizacioni vakuummetri mjere visoki vakuum pomoću jonskih struja koje prolaze kroz razrađene gasove. Najčešće se koriste vakuummetri sa usijanom niti, Penning-ov jonizacioni vakuummetri, vakuummetri sa hladnom katodom, vakuummetri sa izvorom alfa zračenja.

Pored navedenih u upotrebi su još i vakuummetri koji se služe gasnokinetičkim fenomenima:prigušivanje oscilovanja kvarcnih niti; molekulskim prenošenjem količine kretanja (rotacioni viskozimetri) ; radiometrijski viskozimetri (mjere tlak brzih zagrijanih molekula –Knudzenov apsolutni vakuummetri). Međutim, ovi se ne primjenjuju u tehnici.

- kompresioni vakuummetri, Mc Leodov vakuummetarMc Leodov vakuummetar se zasnva na principu sabijanja velike zapremine jao razrađenog gasa na malu zapreminu tako da se izotermnim sabijanjem dobije odgovarajuće povećanje tlaka, slika 34.

Slika 34. Mc Leod-ov vakuummetarOpis: Uređaj je napravljen od stakla , čine ga jedna veća kugla (1) na koju je sa gornje strane zatopljena graduisana kapilara (2). Kugla (1) je preko gumene cijevi (3) vezana za kuglu za nivelisanje (4). Podizanjem ili

28

spuštanjem kugle, može se i živa koa u ovom slučaju služi kao radna tečnost utiskivati ili istiskivati iz kugle (1) i kapilare vezanje za nju. Bočna cijev (5) vezuje cijeli sistem za visoki vakuum (6) ukoliko je nivo žive u dovodnoj cijevi ispod crtice (7). Bočna cijev ima dva paralelna kraka. Krak (8) čini kapilara istog prečnika kao i kapilara (2). Zahvaljujući ovom rješenju izbjegava se greška koja bi bila vezana za depresiju žive usljed kapilarnog efekta.

Pomoću Mc Leodovog vakuummetra može se mjeriti tlak samo permanentnih gasova i pregrijane pare na koje se može primjenjivati Boyl-Mariotov zakon.

- konvekcioni vakuummetri-Piranijev vakuummetarPiranijev vakuummetar se služi termičkom konvekcijom molekula i isti se može upotrijebiti za mjerenje vakuuma do 10-3 ili eventualno 10-4 mmHg. Pri višim vakuumima količina toplote odnijete gasom postaje suviše mala, odnosno, impulsi osjetnog elementa ovog vakuummetra postaju veoma slabi, pa je za više vakuume nophodno ići na veća pojačanja primarnog efekta.

- jonizacioni vakuummetri Jonizacioni vakuummteri sa usijanom nitiOsjetni element je specijalno konstruisana elektronska trioda povezana sa prostorom u kome se mjeri vakuum.Opis: Katoda ove triode je volframova nit (K). Za razliku od trioda koje se koriste za druge svrhe ona nije pokrivena barijumom ili nekim drugim metalom koji lako otpušta elektrone ,nego se elektroni dobijaju veoma jakim zagrijavanjem katode pomoću izvora struje (R). Oko katode u obliku spirale postavljena je mrežica (M). Cilindrična anoda obuhvata katodu i mrežicu. Mrežica je na visokom pozitivnom naponu u odnosu na katodu (100-250V), dok je anoda negativna u odnosu na katodu (2-5V).

Slika 35. Jonizacioni vakuummetar sa usijanom nitiPenningov jonizacioni vakuummetar

Elektroni proizvedeni na katodi se ubrzavaju mrežicom i jonizuju na putu molekula gasa. Stvoreni pozitivni joni idu na anodu i razelektrisavaju se ili ukoliko su u blizini katode idu na katodu. Treba napomenuti da andoda ovdje igra potpuno razičitu ulogu nego kod obične

29

triode. U staklenom sudu nalazi se anoda u obliku žičanog rama između dvije pločaste katode. Sud je postavljen u magnetno polje između polova pemanentnog magneta N-S. Između katode i anode održava se jednosmjerni napon 2000-3000V. Jonizacija naste sudarom između početnih jona koji se nalaze u plinu i ubrzavaju električnim poljem i molekula plina. Time se stvara veći broj jona koji dalje stvaraju nove jone i izazivaju jonsku struju koa zavisi od tlaka, vrste gasa i geometrije cijevi.

Slika 36. Penningov jonizacioni vakuummetar

Jonska struja se obično mjeri elektronskim uređajima. Greška mjerenja iznosi oko 3%, a skala se može linearizovati za određeni plin.

- vakuummetar sa izvorom α – zračenjaKod ovih vakuummetara jonizacija gasa se postiže pomoću male količine radijuma koji

emituje alfa čestica. Sobzirom na izvor jonizacije ovi uređaji su vrlo jednostavni.

Slika 37. Vakuummetar sa izvorom α zračenja

Opis: Preparat radijuma pričvršćen je na pločicu (3) blizu sabirne elektrode (4). Tako nastala jonska struja od 10-10 – 10-13 A proprcionalna je pritisku plina, pošto je emisija alfa čestica praktično konstantna. Tako nastala vrlo mala jonska struja odmah se povećava 10 7 – 10 8

puta, tako da se izlazna struja može mjeriti amperometrom.

Pomoću ovih vakuummetara se mjeri ukupni tlak plinovitih medija, a rezultati mjerenja zavise od prirode plina. Prednost ovih vakuumetara su dobra reproduktivnost i velika tačnost.

30

3 . Primjene manometara i vakuumetara

U djelatnostima:1.Prehrambena industrija,industrija alkoholnih i bezalkoholnih pića ;2.Poljoprivreda ;3.Područje pneumatike na kompresorima i postrojenjima za pumpanje ;4.Područje hemije za kontrolu procesa i mjerenja na tlačnim spremnicima ;5.Kod proizvodnje tehnologijom tlačnih sistema npr. u industriji sintetičkih proizvoda ;6.Ispitivanje ventilskih pogona ;7.Istraživanje i razvoj ;8.Općenito za optimiranje i ispitivanje u procesima .

4. Preporuke za izbor mjerača tlakaPri izboru mjerača tlaka treba voditi računa o području primjene i konstrukcionoj

varijanti mjerača , mjernom opsegu i tipu izlaznog signala , te karakteristikama mjerača i dodatnoj opremi .

4.1. Područje primjene i konstrukciona varijanta mjerača Prvo je neophodno definisati uslove okruženja u kome se vrši mjerenje, jer oni u velikoj

mjeri određuju varijantu mjerača koji će se primjeniti. Najčešće se uslovi okruženja mogu svrstati u jednu od tri kategorije: normalno okruženje- podrazumijeva neagresivne i neeksplozivne sredine, odnosno ambijent u kome radnici mogu boraviti bez dodatnih sredstava za zaštitu na radu , agresivno okruženje- koje podrazumijeva opasne materije koje putem korozionog ili nekog drugog djelovanja mogu štetno utjecati na mjerač , eksplozivno okruženje- koje zahtjeva posebne mjere zaštite . Sljedeći korak bi bio definisanje kategorija mjerenja tlaka , a to su :

mjerenje apsolutnog tlaka ; mjerenje nadtlaka ; mjerenje diferencijalnog tlaka ; mjerenje vakuuma .

Na kraju je potrebno opredjeliti se za konstrukcionu varijantu mjerača, što zavisi od konkretnog prostora gdje se vrši montaža i zahtjev korisnika.

31

IV ZAKLJUČAK

32

Mjerenje tlaka je od izuzetnog značaja u postrojenjima procesne industrije,jer se na osnovu njega mogu dobiti informacije o stanju materije,materijalima ili energetskom bilansu,uslovima hemijske reakcije i sigurnosti aparata ili pogona. Mjerenjem tlaka posredno se može mjeriti temperaturaa, a mjerenjem razlike tlakova protok, nivo, gustina, viskoznost, sastav i slično.

Za upravljanje tehničkim sistemima veoma su važne informacije oponašanju osnovnih parametara kao što su: temperatura, protok, nivo, pritisak, vrijeme, položaj, …Informacije se u suštini dobivaju mjerenjem fizikalnih veličina koje karakteriziraju ponašanje procesa. Dobivena informacija se obrađuje po nekom algoritmu.

U osnovi dobijanja informacija o stanju upravljanog procesa, leži proces mjerenja, koji sadrži prenos informacije od jedne komponente u mjernom nizu do druge komponente. Pri, tome informacija o stanju procesa ne može biti prenošena bez prenosa i utroška energije. Utrošak energije ili snage koji se uzima iz izvora informacije u procesu mjerenja, mora biti zanemarljiv u odnosu na raspoloživu ukupnu energiju ili snagu kojom se raspolaže u tački mjerenja. Energija utrošena u procesu mjerenja javlja se kao smetnja. Tako u procesu mjerenja tlaka, energija koja se troši, zanemarljiva je, dok energija koja se troši kod mjerenja protoka na bazi pada pritiska, predstavlja čist gubitak u sistemu.

Mjerači tlaka se koriste za snimanje apsolutnog tlaka (tlak i vakum) i relativnog tlaka (diferencija tlaka) u zraku, plinu ili / i tekućinama. Tlak se mjeri senzorima tlaka (tlak je definiran kao sila po površini), manometrima. Izmjereni tlaka fluida u mirovanju zove se statički tlak, a fluida u gibanju se zove dinamički tlak (ovisi o brzini protoka). Postoji nekoliko oblika izmjerenog tlaka:

diferencijalni tlak: razlika između dva tlaka kojima je izložen senzor (transmiteri ovakvog tipa zovu se i Delta P transmiteri),

mjereni tlak: u slučaju kada je jedna ulazna strana transmitera otvorena prema atmosferi i izložena je atmosferskom tlaku,

apsolutni tlak: u slučaju kada je jedna ulazna strana transmitera spojena na vakuum, glavni tlak: u slučaju kada je jedna ulazna strana transmitera otvorena prema atmosferi

i izložena atmosferskom tlaku, a druga izložena stupcu tekućine određene visine (visina izražena mjernom jedinicom npr. milimetri stupca vode, žive itd.)

Firma Aplisens je jedna od vodećih proizvođača visoko kvalitetne mjerno-regulacijske opreme i procesne instrumentacije usko specijalizirane na tehnologiju elektroničkih i diferencijalnih mjerenja tlakova, nivoa i protoka u prehrambenoj industriji. Iz proizvodnog portfelja ističu se sljedeće grupacije proizvoda: transmiteri za mjerenje tlaka i nivoa (u otvorenim tankovima), transmiteri diferencijalnog tlaka, protoka i nivoa (u zatvorenim tankovima), ventili i popratna oprema, sonde hidrostatskog nivoa, temperaturni senzori, izvori napajanja, separatori, konverteri signala, prenaponska zaštita, digitalni indikatori i dr.

33

34

V LITERATURA

1. Fahrudin Šećibović ,, Hidraulika i pneumatika „ Sarajevo ,1998.2. R. Žanetić, R. Stipišić, Mjerni pretvornici u procesnoj industriji, Skripta, Zavod za

kemijsko inženjerstvo Split, 2005.3. J. Tomac, Osnove automatske regulacije, predavanja, Fakultetska skripta, ETF Osijek,

2004.4. Ž. Kurtanjek, Mjerenja i vođenje procesa, Skripta, PBF Zagreb, 2003.5. Tahirović: Osnovi regulacije procesa, Metalurški fakultet, Zenica, 1998.6. N. Zaimović-Uzunović, Mjerna tehnika, skripta, Mašinski fakultet Zenica 2006.7. N. Bolf, Mjerenje tlaka - predavanja iz kolegija „Mjerenja i automatsko vońenje8. procesa“, Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije, 2008.9. J.Božičević, Temelji automatike 2, Školska knjiga, Zagreb, 1992.10. INTERNET STRANICE, mrežno dostupni izvori:

a) www.pbf.hr /hr/ content /download Mjerenje_bioreaktori.pptb) www.veleri.hr / Praktikum- Procesi-Konzerviranje poljoprivrdenih proizvodac) www.viatran.com /pressure-sensors-for-sanitary-marmetd) hr.wikipedia.org /.../Tlake) www.scinetistlive.com /European –Food-Scinetist /Processingf)www.pbf.hr/mjerenje i upravljanje procesimag) http:// www.scribd.com /doc-manometrih) http: // hr-pce-instruments-com /tehnički podaci/ Manometari) htpp: //www.fer.hr/download /repsitory /Mjerenje –tlakaj) http: //hrcak.srce.hr /index.php.60181

35