Hőmérséklet-szabályozás, a termosztát működése

Átírás

1 Hőérséklet-szabályzás, a tersztát űködése A labratóriui kísérleti unka srán yakran szüksées állandó hőérséklet biztsítása, pl. reakciókinetikai vizsálatknál. Erre a célra a lekülönbözőbb tersztátkat készítik, az 1 2 liter flyadékt tartalazó inisztátktól a több 10 liter térfatú tersztálószekrényeki. Mi itt az eyszerű flyadéktersztáttal flalkzunk. A tersztát felépítése, részei Az eyszerű flyadéktersztát a következő részekből áll, (lásd ábra): hőszietelt edény a tersztálóflyadékkal (+5) (+80) C intervalluban víz. Naybb tersztátknál ebbe az edénybe eríthető a tersztálandó rendszer (pl. reakcióedény, piknéter, viszkziéter stb.). elektrs fűtőbetét (0,2 2 kw teljesíténnyel); csőspirál hűtővíz áraltatására (általában csapvízzel hűtünk); elektrs keverő az eyenletes hőérséklet biztsítására. Uyanez a keverő ey kerinetőszivattyút is űködtethet, aivel a tersztátn kívül kettős falú edényben lehet áraltatni az állandó hőérsékletű tersztálóflyadékt (ún. külső körös tersztát). szabályzó elektrnika és hőérséklet-érzékelő az állandó hőérséklet biztsítására (reulátrnak is nevezik a szabályzó elektrnikát); ey pnts, általában 0,1 C felbntású flyadéks hőérő, a tersztát ténylees hőérsékletének eállapítására. Külső körös tersztát alkalazásánál célszerű a tersztálóedényben is elhelyezni ey hőérőt, ivel tt általában eltér a hőérséklet a tersztát belsejében érttől. A tersztát űködése, hőérséklet-szabályzás A tersztát űködését a szabályzás elvei alapján érthetjük e, aelyeket az 1.4. fejezetben táryaltunk. Lásd az anya ásdik felében!!! A tersztát bekapcslása után be kell állítani az előirányztt hőérsékletet. Erre a célra a nayn réi tersztátknál ún. kapcsló-hőérő szlál, újabbaknál ey skáláztt ptenciéter, vay diitálisan lehet beállítani. Veyük azt az esetet, aikr az előirányztt hőérséklet aasabb a tersztát induló hőérsékleténél (a labr hőérsékletnél). Ilyenkr bekapcslódik a tersztát fűtése és eelkedik a tersztáló köze hőérséklete, aint azt a ábra szelélteti. Aikr elérjük a tartandó hőérsékletet, kikapcslódik a fűtés, de a tersztát hőérséklete é ey kicsit eelkedik, ivel az elektrs fűtőbetét eleebb a környezeténél, és íy hőt ad át a flyadéknak. Ezután a tersztát hőérséklete csökken, részben a környezetnek, naybb részben a hűtővíznek 4-1

2 történő hőátadás iatt. Aikr a tersztát hőérséklete a ekívánt érték alá csökken, isét bekapcslódik a fűtés és eelkedik a hőérséklet ábra A tersztát vázlats felépítése Ez a flyaat ciklikusan isétlődik, íy a tersztát hőérsékletének jellezetes járása van. Célszerű ezt a járást inél szűkebb intervallun belül tartani. Ennek ódját az alábbiakban táryaljuk. Ez az eljárás az un. kétpnts (két álláss) szabályzás, vay bekapcslt, vay kikapcslt állaptban van a fűtés. Ilyen szabályzás van az elektrs vízeleítőben, a hűtőépben, a villanyvasalóban. A hőérséklet-szabályzás úy űködik, hy a ért hőérsékletértéket (Tért) összehasnlítjuk a tartandó értékkel (Ttartandó), és ha Tért < Ttartandó, akkr a beavatkzás a fűtés bekapcslása. Aennyiben Tért > Ttartandó, akkr a fűtés kikapcslása a beavatkzás. Ez az összehasnlítás a réebbi tersztátknál kntakhőérővel (kapcslóhőérő) történt, az újabb típusknál elektrnikus árakörrel. A ledernebb tersztátkban ár prrazható intelliens árakörökkel szftvereres útn történik a szabályzás (az un. PID szabályzó alritus szerint). A kapcslóhőérő tulajdnképpen ey hianys hőérő, ainek a kapillárisába fölülről ey vékny platinaszál nyúlik be. Ennek a Pt drótnak a helyzete (aassáa) váltztatható ey enetes 4-2

3 rsó (hsszú csavar) seítséével, ai kívülről ánessel fratható. A Pt szálat lyan aassába kell beállítani, hy a hőérséklet-eelkedés srán a kapillárisban felfelé zó H a tartandó hőérsékleten érje el. Az íy létrejövő elektrs kntaktussal vezérelhető a fűtés ki-be kapcslása. Aikr a H eléri a Pt szálat, kikapcsl a fűtés; aikr eszakad a Pt szál és a H között a kntaktus, bekapcslódik a fűtés. A kntakthőérőn lévő skála csak tájékztató jelleű (néha több fkt is eltérhet a valóditól), ezért a tersztátban lévő pnts hőérő seítséével kell a beállítást elvéezni. A fűtés ki-be kapcslására használnak é bietál vay flyadék táulásán alapuló hőérséklet érzékelőket. Az újabb típusú tersztátknál a Tért és Ttartandó összehasnlítását ey űveleti erősítő vézi, ainek a kienőjelével necsak ki-be lehet kapcslni a fűtést, hane a fűtőteljesítény is váltztatható. Ezeknél a tersztátknál a hőérséklet járását ( 0,1) ( 0,01) C szűk intervallura lehet krlátzni, aennyiben a hűtés intenzitását efelelően állítttuk be. A saját hűtőeyséel rendelkező tersztátknál erre nincs szüksé. Aikr a tersztát hőérséklete közeledik a ekívánt értékhez, a szabályzó elektrnika az eltéréssel aránysan csökkenti a fűtőteljesítényt. Ennek következtében a tersztát túleleedése iniális lesz. A hűtőteljesítényt (hűtővíz áralási sebessée) nekünk kell beállítani úy, hy a fűtés ki-be kapcslási időaránya kb % között leyen. Aikr a fűtés bekapcslási időaránya naybb a eadttnál, csökkenteni kell a hűtővíz áraltatását; aikr kisebb, növelni (jbban kinyitjuk a vízcsapt) ábra A tersztát hőérséklet- idő füvénye 4-3

4 4.4. Elektrlitk vezetésének érése Az elsőfajú vezetők (elsősrban a féek) elektrs áraal szebeni viselkedését fajlas ellenállásukkal jelleezzük. (Mivel a félvezetők határán áthaladó ára nelineáris füvénye is lehet a feszültsének, azknál skszr az ára-feszültsé karakterisztika eadása is szüksées lehet.) A ásdfajú vezetőket vay elektrlitkat inkább a fajlas vezetésükkel vay láris fajlas vezetésükkel jelleezzük, ert ezek hzhatók kapcslatba az elektrlitk összetételével és szerkezetével. Ey vezetőszakaszn áthaladó ára és a vezető két véén érhető feszültsé eyással eyenesen aránys. Ezt fejezi ki Oh törvénye, elyben az arányssái tényezőt ellenállásnak nevezzük. U I Aennyiben ne ey adtt vezetőszakasz tulajdnsáaira, hane ey anyafajta sajátsáaira vayunk kíváncsiak, akkr célszerűbb az illető anya fajlas ellenállását választanunk jellező paraéterként. Ez ár valódi anyai állandó, ert bár hőérsékletfüő, de a intadarab eetriájától füetlen. A fajlas ellenállás éréséhez válasszunk lyan elrendezést, aelyben az ára a vizsált anyaban indenütt azns irányban flyik. Tekintsünk az anyaban ey lyan eyenes hasábt, elynek vélapjai az árara erőleesek, felszínük A, a hasáb aassáa pedi l. Ekkr a hasáb ellenállása és az anya fajlas ellenállása közötti összefüés 4-4 l (4.16.) A (Érdees ezt az összefüést összevetni a srs és párhuzas kapcslásk ellenállására kaptt összefüésekkel!) Vezetés alatt indi az ellenállás reciprkát értjük: G 1 (4.17.) Hasnlóképp a fajlas vezetést is a fajlas ellenállás reciprkaként definiáljuk: 1 (4.18.) Elektrlitk jellezésére a láris fajlas vezetést használjuk, ai az ldat vezetésének és a kncentrációnak a hányadsa: V (4.19.) c ahl a láris vezetés, c a laritás, V a híítás. A láris fajlas vezetés annyiban tér el a fizikai kéiában eszktt többi láris ennyisétől, hy ne az anyaennyisé, hane a kncentráció eyséére való vnatkztatás eredényeként kapjuk. Az ldatk láris fajlas vezetése fü a kncentrációtól, éis sk, vezetés érésére visszavezethető prbléa eldása srán ezt a füést elhanyaljuk, és az ldat vezetését az eyes kpnensek vezetésének lineáris kbinációjaként száítjuk ki (szirúan véve ez csak akkr alkalazható, ha érvényes a füetlen invándrlás törvénye). Erre példaként szlál a 7.1. fejezetben beutattt érés.

5 Az elektrlitldatk vezetésének érésével ehatárzhatunk fizikai kéiai állandókat, közvetlen és közvetett kncentrációérést véezhetünk, különböző reakciók, flyaatk előrehaladását követhetjük (lásd 8. fejezet bevezetését). Vezetésérést többféle ódszerrel véezhetünk, a leelterjedtebb a váltóáraú knduktetria alkalazása. Váltakzó ára használata a vezetésérésnél (eyenára helyett) azért előnyös, ert íy elkerülhető, hy a vezetési cellában elektrlízis induljn e, és az elektródk plarizálódjanak. A váltakzó ára frekvenciája általában az 1 10 khz intervalluba esik, de kevésbé iényes érésekhez akár a hálózati 50 Hz-es váltakzó árat is felhasználhatjuk. A vezetési cellán átflyó árat lyan kicsinek választjuk ( A), hy az ára hőhatása iatt az elektrlit hőérséklete ne váltzzn. A knduktéter űködési elve A knduktéter űködését a ábra alapján követhetjük nyn. A G váltóáraú enerátr stabil effektív feszültséű ( U ) szinuszs feszültséjelet állít elő. Erre a enerátrra csatlakztatjuk a vezetési cellát és a vele srba kapcslt érőellenállást ( lévő elektrlit ellenállását jelöljük -val (ldat ellenállás) Az U ). A vezetési cellában U zárt árakörben I ára jön létre. Ez az ára nyilvánvalóan annál naybb, inél naybb az elektrlit vezetése. A vezetési cellán átflyó ára az Oh-törvényből: ábra U I (4.20.) A knduktéter űködési elve Az érőellenállásn eső feszültsé szintén az Oh-törvényből: Aennyiben az U I U (4.21.) érőellenállás értékét úy választjuk e, hy az reláció fennálljn, akkr a fenti összefüés nevezőjében U << elhanyalható az naysárendi ellett, íy 1 U (4.22.) 4-5

6 A kifejezésben lévő 1/ az elektrlit vezetése, vayis a érőellenállásn ejelenő feszültsé aránys az elektrlit vezetésével. Az U ennyisé isert vezetésű elektrlittal történő éréssel ehatárzható, íy ehatárzhatjuk ey adtt elektrlit vezetését. Aikr a knduktéteren éréshatárt váltunk, ne teszünk eyebet, int a érőellenállást cseréljük ey ásikra, hy az << naysárendi reláció tvábbra is fennálljn. Mint ár krábban elítettük, azért használunk váltakzó árat a vezetésérésnél, ert eyenára hatására a vezetési cellában elektrlízis indulna e, és az elektródk plarizálódnának. Mivel a vezetési cellán átflyó ára kicsi ( A), hy az ára hőhatása iatt az elektrlit hőérséklete ne váltzzn (lásd krábban), ezért az U feszültsé szintén kicsi ( V), vayis erősítésre lehet szükséünk a kijelző űszer űködtetéséhez. Az eyenirányítás azért szüksées, ert analó érőűszerrel csak eyenfeszültséet tudunk közvetlenül érni. A diitális knduktéter annyiban különbözik a ábrán vázlt eldástól, hy az U feszültséet ey A/D knverterrel érjük ábra Vezetési cellák A leeyszerűbb esetben a vezetési cella két nay valódi felületű platinaleezből áll, ezek között van a érendő elektrlit (4.23. ábra). A platinaleezek többnyire néhány néyzetcentiéter eetriai felülettel rendelkeznek. A érés szepntjából előnyös, ha a valódi (fizikai) felület lényeesen naybb (százszrs, ezerszeres), int a eetriai, ez platinakral történő bevnással érhető el. Elterjedt típus az ún. yűrűs vezetési cella, aelyben hár platinayűrű van eyás alatt. A két szélsőt összekötik, ez lesz az eyik elektród, a ásik pedi a középső. A vezetési cellát haranelektródnak is hívják a frája után. A haranelektród tetején lévő lyukaknak az elektrlit felszíne alatt kell lenni érés közben, hy az elektrlit áralása biztsíttt leyen. Különösen titrálásknál és reakciók követésénél fnts ez. file: 4fej-2018.dcx 4-6

7 1.4. Irányítástechnikai iseretek Az irányítás lyan űvelet, aely valaely flyaatt elindít, fenntart, eváltztat, vay eállít. Az irányítási űvelet srán tehát valaely flyaatba beavatkzunk, létrehzása (elindítása), tervszerű leflyásának biztsítása, eváltztatása vay eszüntetése (eállítása) érdekében. Az irányítás űveletére jellező, hy nay eneriájú flyaatkat általában kis hatáskkal beflyásl. Mekülönböztetünk kézi és önűködő irányítást. A kézi irányításban az irányítási űvelet eészét vay ey részét kezelőszeélyzet vézi. Az önűködő irányításban a teljes irányítási flyaat kezelőszeélyzet közbeavatkzása nélkül valósul e. Ey összetettebb irányítási flyaat több vezérlési lépést és több szabályzási kört tartalaz. Az irányítási flyaat (akár kézi, akár önűködő) indi a következő űveletekből áll: a) érzékelés: infrációszerzés az irányítandó flyaatról (berendezésről). A flyaatra, állaptra jellező paraéterek beyűjtése, b) ítéletalktás: döntés a szerzett infráció (értesülés) feldlzása alapján a rendelkezés szükséessééről (döntési alritus alapján). A ért paraéterértékek ennyiben felelnek e az elvárásnak, c) rendelkezés: utasítás a beavatkzásra, d) beavatkzás: az irányíttt flyaat beflyáslása a rendelkezés alapján. Az irányíttt flyaatra vnatkzó infrációk beszerzése érzékelőkkel (szenzrkkal) történik (pl. hőérséklet, nyás, kncentráció stb.). Az érzékelők jelei alapján ítéletalktás valósul e (száítóépes flyaatirányítás esetén ezt az ítéletalktást a száítóép prrajába áyaztt alritus vézi), aelynek eredényeként a száítóép rendelkezést ad ki a flyaat beflyáslására. Az 1.5. ábrán látható, hy az infrációyűjtés (-érzékelés) eelőzheti és követheti is a beavatkzást. Ez a eállapítás ind időben, ind térben iaz. Az irányítás űvelete két fő csprtba sztható: a vezérlésre és a szabályzásra. Vezérlés: az irányításnak az a ódja, aelyben az irányító ne kap tevékenysée eredényéről visszajelzést (nincs visszacsatlás). Azt is szkták ndani, hy a vezérlés a rendszerre ereven 4-7

8 hat. Csak akkr alkalazható, ha nincs seilyen zavaró tényező, és a űködési paraéterek a kívánt határk között aradnak. Ezt nevezik nyílt hatásláncú irányításnak. Tipikus vezérlőrendszer ey nuerikusan vezérelt rajzép, ahl a beadtt adatktól füően kell a épnek az ábrát rajzlnia, 1.5. ábra Irányítási flyaat (általában) de ha valailyen k iatt az előre ehatárztt ábrától az elkészült rajzn eltérés van, a berendezés ne észleli ezt (nincs visszajelzés). Vezérlés pl. ey elektrtr nyóbbal történő beindítása is. A vezérlésnél az 1.5. ábrán látható érzékeléssel szerzett infrációk visszavezetése ne történik e. A szabályzásnál (zárt hatásláncú, visszacsatlt irányítás: 1.6. ábra) a cél ey vay több jellező (paraéter) ehatárztt értéken tartása külső vay belső zavaró hatásk ellenében (értéktartó szabályzás), vay valailyen értéksrzat követése (követő szabályzás). A szabályzástechnika nayn kiterjedt területet ölel fel. Eléletének ezakt áttekintése vay akár ey flytns szabályzókör pnts tervezése a differenciál- és interálszáítás ély iseretét tételezi fel. Ezért itt csak ey eyszerűsített képet vázlunk a téáról. A szabályzás lényee, hy az érzékelővel előállíttt ellenőrző jelet (ért jel) visszacsatlják (visszavezetik) az alapjelhez (ai a szabályztt paraéter ekívánt értékére jellező adat), aellyel összehasnlítják. Az összehasnlítás eredénye a rendelkező jel. A rendelkező jel hatására az esetlees eltérés az ellenőrző jel és az alapjel között eszűnik. A szabályzás annál hatéknyabb, inél kisebb az eltérés a szabályztt paraéter ekívánt és ténylees értéke között. 4-8

9 1.6. ábra Szabályzás (általában) 4-9