1. KLASYFIKACJA PRZETWORNIKÓW
Stosowane są różne kryteria podziału przetworników pomiarowych:
1. Kryterium: sposób przetwarzania sygnału pomiarowego:
• przetworniki rodzaju sygnału;
• przetworniki wartości sygnału;
2. Kryterium: złożoność procesu przetwarzania:
• przetworniki proste;
• przetworniki złożone.
3. Kryterium: struktura przetwarzanych wielkości fizycznych:
a) analogowe (A)
c) analogowo-cyfrowe (AC)
b) cyfrowe (C)
d) cyfrowo-analogowe (CA).
Wielkość analogowa - wielkość ciągła - może przyjmować nieskończenie różniących się od siebie o nieskończenie małe przyrosty. Wielkość przyjmuje tylko ściśle określone wartości różniące się miedzy sobą o skończone wartości przyrostu.
Najmniejszy możliwy przyrost - elementarny kwant (ziarno) wielkości
4. Kryterium: rodzaj wielkości fizycznej otrzymanej na wyjściu:
• przetworniki mechaniczne;
• przetworniki pneumatyczne;
• przetworniki optyczne;
• przetworniki elektryczne;
5. Kryterium: źródło energii zaangażowanej w procesie przetwarzania:
• generacyjne (czynne); Y = f (X)
• parametryczne (bierne). Y = f (X, e)
2. TERMOMETRY TERMOELEKTRYCZNE
Termometr termoelektryczny składa się z sensora (ogniwa) termoelektrycznego i mikrowoltomierza magnetoelektrycznego o dużej rezystancji wewnętrznej. Termoelement (termoogniwo) składa się z dwóch różnych przewodników lub półprzewodników spojonych ze sobą w jednym końcu.
W termoogniwie złożonym z dwóch metali A i B połączonych w punkcie M, „gorące złącze” o temperaturze JM równej w odniesieniu do wolnych końców („zimnych końców”) N o temperaturze JN pojawia się siła termoelektryczna E określona wzorem
Dla niewielkiej różnicy temperatur DJ=JM-JN zależność siły termoelektrycznej E od tej różnicy jest liniowa i ma postać:
E = a J × DJ
gdzie: a J - stała termoogniwa zależna od zastosowanych metali [μV×K-1]
Według wartości a J, dla różnych metali względem elektrody platynowej, w zakresie temperatur 0-100°C, można zestawić tzw. szereg termoelektryczny. Termoelementy wykonuje się z drutu o średnicy 1,5¸3 mm dla metali nieszlachetnych i około 0,5 mm dla szlachetnych. W praktyce pomiarowej najczęściej stosowane są następujące termoelementy: miedź – (+) konstantan (Cu-Ko) w zakresie –200 do +500°C, Żelazo – (+) konstantan (Fe-Ko) do +800°C, chrom–nikiel – (+) nikiel (CrNi–Ni) do +1100°C, platyna–rad – (+) platyna (PtRh-Pt) do +1600°C, wolfram – (+) grafit (W-C) do +2000°C.
3. TERMOMETRY REZYSTANCYJNE METALOWE
Funkcjonowanie ich oparte jest na wykorzystaniu zależności rezystancji metali i półprzewodników od temperatury, które przetwarzane zostają w odpowiednich elektrycznych układach pomiarowych na sygnał elektryczny. Rodzaj przewodności elektrycznej decyduje o charakterze funkcji Rt = f(t). Metale odznaczają się przewodnością elektronową, toteż funkcję tę przedstawia się, z dostatecznym przybliżeniem, w postaci:
gdzie:
a [°C-1] temperaturowy współczynnik rezystancji (dla metali a > 0) dodatni;
|b| i |g| << |a| - współczynniki empiryczne;
Ro – rezystancja sensora w temperaturze początkowej (np.: to = 0 [°C]).
Sensory niklowe i miedziane są na ogół mniej dokładne niż platynowe. Charakterystyka sensora niklowego jest nieco nieliniowe, zaś charakterystyki sensorów z miedzi i platyny są liniowe w szerokim zakresie, przy czym powtarzalność sensora platynowego jest lepsza niż miedzianego.
Stosowany jest do pomiaru temperatury obojętnych gazów i cieczy o izolacyjnych właściwościach; odznacza się małą stałą czasową, cechują się dobrą odpornością na wstrząsy i wibracje dzięki sprężystości obudowy.
4. TERMOMETRY REZYSTANCYJNE PÓŁPRZEWODNIKOWE
W termometrze cyfrowym, zastosowano jako czujnik termoelektryczny przetwornik parametryczny - złącze półprzewodnikowe, którego napięcie przewodzenia lub wsteczne jest funkcją temperatury.
W charakterze złącza półprzewodnikowego wykorzystano diodę sygnałową krzemową. Przyrost napięcia przy wzroście temperatury może być dodatni lub ujemny, zależnie od rodzaju półprzewodnika i od wartości prądu w złączu. W złączach krzemowych napięcie przewodzenia maleje wraz ze wzrostem temperatury (rys.a) i w pewnym stopniu zależy od prądu (rys.b). Przy stabilnej wartości prądu zmiany napięcia diody są w przybliżeniu proporcjonalne do zmian temperatury. Złącza takie można stosować do pomiarów temperatury od ok. -50°C do ok. 150°C.
5. PIROMETRY
Bezstykowe przyrządy do pomiaru temperatury zwane pirometrami umożliwiają pomiar temperatury powierzchni ciał wykorzystując ich zdolność promieniowania, która jest zależna od temperatury. Termometry bezstykowe – odległościowe umożliwiają pomiar bez zakłóceń istniejącego pola temperatury.
Zakres długości fal promieniowania wykorzystywanego w bezstykowych pomiarach temperatury (pirometria) zawiera się w granicach od ok. 0,4 do 20 mm. Jest to zakres promieniowania widzialnego i podczerwonego. W zależności od wybranego do pomiaru zakresu długości fal z podanego wyżej przedziału rozróżnia się: termometry optyczne (pirometry) całkowitego promieniowania częściowego promieniowania i termometry optyczne do oznaczania temperatur wg barwy ciała.
Pirometr optyczny całkowitego promieniowania
Zasada działania pirometrów całkowitego promieniowania, zwanych radiacyjnymi, opiera się na pomiarze natężenia promieniowania całkowitego zgodnie z prawem Stefana-Boltzmanna. Ilość energii wymienianej przez promieniowanie między dwoma doskonale czarnymi ciałami zależy jedynie od temperatury powierzchni tych ciał.
Pirometr optyczny całkowitego promieniowania z detektorem termo elementowym może być użyty do pomiaru temperatury powyżej 800°C, a przy zastosowaniu termoelementu wielokrotnego można obniżyć dolny zakres pomiarowy do 100°C i niżej.
Pirometr dwubarwowy
Barwa ciała wysyłającego promieniowanie cieplne widzialne - poczynając od ciemnoczerwonej - zależy od temperatury. Własność tę wykorzystuje się w pirometrach dwubarwowych. Oko ludzkie jest czułe na zmiany barw, stąd przez porównanie barwy danego ciała z barwa ciała doskonale czarnego o znanej temperaturze można określić temperaturę.
6. KAMERY TERMOWIZYJNE
termowizja - czyli obserwacja w podczerwieni, wykorzystuje zjawisko emitowania przez powierzchnię średnio i długofalowego promieniowania podczerwonego (0.8 mm - 1 mm). Takie ślady "cieplne" można zarejestrować i udokumentować. Często wykorzystuje się przy tym technikę cyfrową. Odbiornik podczerwieni rejestruje promieniowanie i przetwarza je na sygnał elektroniczny, który następnie biegnie do komputera i tam może zostać poddany dalszej obróbce i analizie.
7. METODY POMIARU WILGOTNOŚCI
8. POMIARY ELEKTROCHEMICZNE POMIAR pH
Skala pH to ilościowa skala kwasowości i zasadowości roztworów wodnych związków chemicznych. Skala ta jest oparta na stężeniu jonów wodorkowych [H+] w roztworach wodnych. Dokładnie jest to: pH = -log10[H+]czyli minus logarytm dziesiętny ze stężenia jonów wodorkowych wyrażonych w molach na litr. Woda destylowana ma pH równe 7, chociaż w rzeczywistości będzie ono zwykle niższe ze względu na zakwaszający efekt dwutlenku węgla - gazu zawartego w powietrzu, który dobrze rozpuszcza się w wodzie. W praktyce używa się zwykle papierków nasączonych mieszaniną substancji wskaźnikowych, które zmieniają kolor w szerokim zakresie pH. Dokładniejszych pomiarów pH dokonuje się metodą potencjometryczną. Wykorzystuje się w niej fakt, że, zgodnie z teorią sformułowaną przez Nernsta, siła elektromotoryczna ogniwa o identycznych elektrodach, lecz umieszczonych w roztworach o różnych stężeniach jonów wodorowych, jest proporcjonalna do logarytmu stosunku tych stężeń. Tak więc, zanurzając jedną elektrodę w roztworze o znanym pH, jesteśmy w stanie obliczyć pH drugiego roztworuElektroda szklana, najbardziej popularna elektroda jonoselektywna, służąca do pomiaru pH roztworu. Membrana (w kształcie kulistej bańki) wykonana jest z odpowiedniego szkła przenikalnego tylko dla jonów hydroniowych.Wewnątrz bańki szklanej znajduje się roztwór o określonej aktywności tych jonów, do którego wprowadzona jest elektroda kalomelowa lub chlorosrebrowa, spełniająca rolę kontaktu elektrycznego. Stosunek aktywności jonów wodorowych po obydwu stronach bańki szklanej (określony poprzez pomiar siły elektromotorycznej) pozwala wyznaczyć pH roztworu.
9 Pomiary elektrochemiczne – pomiar konduktywności
Odwrotność oporu właściwego przewodnika nosi nazwę przewodności elektrycznej właściwej (lub konduktywności):
Jednostką konduktywności jest siemens na metr [S/m].
stąd
Zestaw pomiarowy służy do ciągłego pomiaru konduktywności cieczy. Zbudowany jest z przetwornika pomiarowego M1300 (jednotorowy) lub M2330 (dwutorowy), który przetwarza sygnał emitowany przez sondę zanurzoną w cieczy, za pośrednictwem przedwzmacniacza pomiarowego P-C, umożliwiającego oddalenie sondy pomiarowej od przetwornika na odległość do 200m. Sonda pomiarowa zainstalowana może być w głowicy przepływowej MP130 lub nurnikowej MN130
Zakresy pomiarowe:
-> pomiar konduktywności:
0...10μS/cm
0...100μS/cm
0...1mS/cm
0...10mS/cm
0...100mS/cm
0...200mS/cm
-> pomiar temperatury:
-10...+110 şC
10 Pomiary energii cieplnej
Przelicznik skompensowanego przepływu i energii cieplnej pary umożliwia pomiar przepływu i energii pary przegrzanej lub nasyconej oraz wody zgodnie z zaleceniami IAPWS-IF97 w zakresie roboczym temperatury od 0 º C do 800º C i ciśnienia absolutnego od 0,05 MPa do 16,52 MPa. W przypadku układów pomiaru przepływu i energii innych płynów obliczenia prowadzone są w zakresie wartości tabelarycznych wprowadzonych przez użytkownika, przy czym zarówno gęstość jak i entalpia właściwa jest funkcją temperatury.
Ciepłomierz ultradźwiękowy jest stosowany do pomiaru ciepła w małych i średnich układach ciepłowniczych i węzłach. Typowe zastosowania to opomiarowanie jedno- lub wielorodzinnych domów, biur lub mieszkań. Licznik ten cechuje bardzo prosty montaż, odczyt i legalizacja. Przepływ mierzony jest za pomocą metody, opartej na pomiarze różnic między czasami przebiegu sygnałów ultradźwiękowych od nadajnika do odbiornika, a wszystkie zmierzone wartości, informacje na wyświetlaczu, kalkulacje i komunikacja są kontrolowane mikroprocesorem. Pomiar ultradźwiękowy i technologia mikroprocesorowa, są podstawami konstrukcji nowoczesnych ciepłomierzy. Wszystkie obwody liczące, układy pomiaru temperatury i przepływu, są zabudowane na jednej płycie, co daje nie tylko kompaktową konstrukcję, ale również zapewnia optymalną dokładność i wysoki stopień wiarygodności pomiaru. Dwukierunkowa, ultradźwiękowa technika pomiaru przepływu, oparta na precyzyjnym pomiarze różnicy czasu, uznawana jest za najlepszą obecnie dostępną metodę, wykorzystywaną w wysokiej klasy urządzeniach o długiej żywotności i stabilnościpomiaru. Dwie głowice ultradźwiękowe wysyłają w tym samym czasie sygnały biegnące w przeciwnych kierunkach, z których jeden podąża zgodnie z kierunkiem przepływu wody,a drugi w kierunku przeciwnym. Sygnał podążający zgodnie z kierunkiem przepływu wody, zostanie odebrany wcześniej przez przeciwległą głowicę niż sygnał idący “pod prąd”. Różnica czasu mierzona pomiędzy kolejnymi sygnałami zostaje przeliczona na prędkość przepływu walca objętości w odcinku pomiarowym, co wyraża przepływ wody w czasie pomiaru.
licznik strumienia masy i ciepła pary nasyconej. Typowy obszar zastosowań obejmuje aplikacje użytkowe i procesowe w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, energetycznym i ciepłowniczym oraz w wielu innych gałęziach przemysłu.
11 Tensometry – budowa, zasada działania, zastosowanie
Badania tensometryczne są jednym ze sposobów na dokładne zmierzenie odkształceń w elementach konstrukcji. Dzięki tensometrom można wyznaczać stałe sprężyste tworzyw, określać składowe stanu odkształcenia i licznych wielkości związanych z nimi, takich jak: naprężenia, siły momenty ciśnienia itp. Bardzo szerokie zastosowanie ma tensometria przy analizie stanu naprężenia w częściach maszyn. Pierwsze tensometry były tensometrami mechanicznymi, jednak z czasem powstały tensometry elektryczne będące obecnie najczęściej wykorzystywane. Zwłaszcza często wykorzystuje się tensometry oporowe. Podstawowym elementem tensometru oporowego jest cienki drucik zwinięty w wężyk. Końce druciku są połączone z miedzianymi paseczkami, które służą do mocowania przewodów łączących tensometr z aparaturą pomiarową. Wężyk jest umieszczony pomiędzy dwoma paskami papieru będącymi izolatorami. Tensometr przykleja się na badanym elemencie tak by druciki były równoległe do kierunku mierzonego odkształcenia. Obciążenie działające na element powoduje zmianę długości drucików w tensometrze, a co za tym idzie zmianę ich rezystancji. Przy małych odkształceniach zależność między odkształceniem i względną zmianą oporności ma liniowy charakter. Jak wynika z powyższego pomiar odkształceń sprowadza się do pomiaru zmian oporności. Stała k występująca we wzorze jest doświadczalnie wyznaczana dla 10-15% tensometrów z danej serii. Przyjmowana jest jako obowiązująca dla całej partii. Przygotowanie powierzchni ma szczególne znaczenie dla dokładności pomiarów. Dlatego najpierw szlifuje się ją, a następnie usuwa zatłuszczenia. Przyklejenie tensometru należy przeprowadzić nadzwyczaj starannie. Po przyklejeniu należy zmierzyć stan izolacji i zmianę oporu. Kolejną czynnością jest zabezpieczenie tensometru przed wilgocią. Tak przygotowany tensometr łączy się z mostkiem pomiarowym. Składa się on z czterech oporów, z których dwa tworzą tensometry, pomiarowy i kompensacyjny. Po podłączeniu mostek należy wyzerować (zrównoważyć). Tą czynność należy przeprowadzać przed każdym pomiarem. W czasie pomiaru wychylenie wskazówki przyrządu pomiarowego jest proporcjonalne do mierzonego odkształcenia. Pomiar odkształceń w płaskim stanie odkształceń dokonuje się za pomocą tzw. rozety tensometrycznej. Jest to układ, najczęściej trzech tensometrów, z których każdy ma inny kierunek. Pozwala to mierzyć odkształcenia w kilku kierunkach i z wykorzystaniem teorii wytrzymałości materiałów obliczać naprężenia, kąt kierunków głównych, itd.
12 Przetworniki indukcyjnościowe
Zasada działania przetworników indukcyjnościowych polega na wykorzystaniu zmian indukcyjności własnej i wzajemnej ich obwodów elektrycznych pod wpływem przetwarzanej wielkości. Wielkością tą jest najczęściej przesunięcie zmieniające geometrię obwodu magnetycznego, głównie wymiary szczeliny powietrznej, ale nie tylko.
Pod względem budowy przetworniki indukcyjnościowe można podzielić na impedancyjne oraz transformatorowe, przy czym przetwornik należący do każdej z tych grup może być przetwornikiem dławikowym, solenoidalnym wiroprądowym lub magnetosprężystym, jak też czujnikiem pojedynczym (prostym) i różnicowym.
...
raddar85