Dr. Oláh Ferenc Dr. Rózsa Gábor. Automatikai építőelemek

Átírás

1 Dr. Oláh Ferenc Dr. Rózsa Gábor Automatikai építőelemek UNIVERSITAS-GYŐR Nonprofit Kft. Győr, 2008

2 Széchenyi István Egyetem Gyõr Írta: Lektorálta: Dr. Oláh Ferenc Dr. Rózsa Gábor Dr. Konecsny Ferenc ISBN: UNIVERSITAS-GYŐR Nonprofit Kft., 2007 Minden jog fenntartva, beleértve a sokszorosítás, a mű bővített, illetve rövidítetttt változata kiadásának jogát is. A kiadó írásbeli hozzájárulása nélkül sem a teljes mű, sem annak része semmiféle formában nem sokszorosítható. Kiadja az UNIVERSITAS-GYŐR Nonprofit Kft. Felelős kiadó dr. Szily István. Műszaki szerkesztő: Nagy Zoltán Készült a Palatia Nyomda és Kiadó Kft. nyomdájában. Felelős vezető Radek József 2

3 Tartalomjegyzék Előszó...4.old. 1. Fejezet Jelátalakítókról általában old 2. Fejezet Mechanikai jelátalakítók 14. old. 3. Fejezet Ellenállásos jelátalakítók 16. old. 4. Fejezet Kapacitív jelátalakítók old. 5. Fejezet Induktív átalakítók old. 6. Fejezet Magnetoelasztikus átalakítók. 98. old. 7. Fejezet Indukciós és reluktáns átalakítók 106. old. 8. Fejezet Termoelektromos átalakítók 111. old. 9. Fejezet Fotoelektromos átalakítók old. 10. Fejezet Piezoelektromos átalakítók 123. old. 11. Fejezet Hall elemes átalakító old. 12. Fejezet Frekvenciakimenetű és digitális átalakítók old. 13. Fejezet Átalakítókkal kapcsolatos mérési problémák old. 14. Fejezet Kinematikai mennyiségek mérése old. 15. Fejezet Erő és nyomaték mérése old. 16. Fejezet Nyomatékmérés old. 17. Fejezet Magas hőmérsékletek mérése old. 18. Fejezet Szintmérés old. 19. Fejezet Áramlásmérés old. 20. Fejezet Fordulatszám mérése old. Irodalom.340. old. 3

4 ELŐSZÓ Ez a jegyzet a Széchenyi István Egyetem automatikai szakos hallgatóinak készült. A jegyzet alapvetően az érzékelőket tárgyalja, amelyek az ipari automatizálásban használatosak. Ismerteti az érzékelők működését és felépítését, de tárgyalja a különböző mérési elveket és a méréssel kapcsolatos problémákat. Feldolgozza a közelmúltban, illetve napjainkban kifejlesztett új elveken alapuló mérési módszereket, és eszközöket. E jegyzet nagy segítséget nyújt a hallgatók felkészülésében és diplomatervezési munkáinak elkészítésében. 4

5 1. Fejezet Jelátalakítókról általában 1.1. Érzékelők fogalma Mind az ipari méréstechnikában (könnyű és nehézipar, olajipar, vegyipar, gyógyszeripar, stb.), mind pedig a mezőgazdaságban alkalmazott méréstechnikában igen sok olyan mérendő nem villamos paraméter létezik, amelyet valamilyen módon mérni kell. Így felmerül az alapvető kérdés, hogy mely nem villamos paramétert hogyan és mivel lehet megmérni úgy, hogy villamosan értékelhető jelet kapjunk. Ez azért szükséges mert a villamos jelek feldolgozása biztonságosabb, gyorsabb, pontosabb, mint más mérések esetében kapott jeleké. A mérés végrehajtásakor fel kell használni a különböző alaptudományokat, mint pl: fizika, kémia, fizikai-kémia és ezek határterületén működő egyéb tudományokat is ábra. Villamos átalakítókről általában Mérés során a nem villamos mennyiségeket általában mérés előtt át kell alakítani, értékelhető paraméterré. Az olyan eszközöket, amelyek egy fizikai mennyiséget egy másik típusú mennyiséggé alakítanak át, jelátalakítóknak nevezzük. Azokat a jelátalakítókat, amelyek azonos dimenziójú fizikai mennyiségeket alakítanak át egymásba jelváltóknak hívjuk(erősítő, fogaskerék, transzformátor, áramváltó, stb.). Szimbolikus jelölése az 1.1. ábrán látható. Azokat a jelátalakítókat, amelyek mérendő fizikai mennyiségeket alakítanak át, mérőátalakítók-nak nevezzük. A jelátalakító bemeneti jele adott fizikai mennyiség, amelyet a jelátalakító átalakít, amíg a kimeneti jel olyan fizikai mennyiség, amivé átalakítja. Látható, hogy a bemeneti jel mindig a szükséges mérendő fizikai mennyiség A kimeneti jelet függetlenül attól, hogy mivé alakítjuk át- szinte minden esetben további feldolgozásnak kell alávetni. A jelátalakítók az egyszerű kialakítástól az egészen bonyolult kialakításig szinte minden szintet tartalmaznak, és felölelik a fizika, kémia és fizikai kémiai egész területét. Megjegyzés: A jelátalakítókat gyakran nevezik még szenzoroknak is. Ezen belül a szenzorelem a szenzornak az, az elemi része, amely lényegében a fizikai jellemzőt érzékeli, de önmagában az irányítástechnikában nem alkalmazható, még további elemekkel kell kiegészíteni (jelátalakítók, jelfeldolgozók, csatlakozók, illesztők, stb.). Beszélünk még szenzorrendszerről, amely több mérő és kiértékelő komponensből álló rendszer és multiszenzor rendszerről, amely több különálló szenzor egy készülékbe egy rendszerbe építve (pl. hőmérséklet + relatív páratartalom + légnyomásmérő egy készülékben). Egy érzékelő tervezésénél alapvető jelentőségű a mérési jelenség és a várható zavaró befolyásoló hatások. Nem minden mérési feladatra áll rendelkezésre egyszerű kialakítású szelektív érzékelő. A rendelkezésre álló fizikai és kémiai mérési jelenség minősége és száma korlátozott. Némely esetben egy könnyen realizálható jelenség lehet az alapja, mint pl. a hővillamos jelenség, amelynél a hőmérsékletkülönbség egy egyértelműen ettől függő feszültséggé alakítható át. 5

6 Elvileg már nehezebben alakíthatók át a mechanikai jellemzők, mint pl. a nyomás. A tényleges mérési jelenség mellett, mindig fellép zavaró hatásként a hőmérséklet. Az érzékelő-fejlesztés feladata a zavaró hatások következményének lehetőség szerinti kikü-szöbölése. Az érzékelőkkel szembeni legfontosabb követelményhez tartoznak a statikus átviteli tulajdonságok, a befolyásoló és környezeti hatások, a dinamikus átviteli tulajdonságok, a megbízhatóság és a gazdaságosság. Statikus átviteli jellemzőként mindenekelőtt az érzékelő érzékenysége és a megengedett hibahatárok a lényegesek. A túl kis érzékenység a szükséges utóerősítés miatt járulékos hibát okozhat. Az érzékelők kis eredő hibájának akkor van jelentősége, ha pl. pontos 1.2. ábra. Átalakító elhelyezése a vezérlő és szabályozási láncban hőmérséklet, vagy állapotszabályozás szükséges. Továbbá az érzékelőknek lehetőleg kevés befolyásoló és zavaró hatással kell rendelkezniük. Egy befolyásoló hatás pl. a hőmérséklet, amit meg-felelő módszerrel állandó értéken kell tartani, vagy befolyását kiértékelő kapcsolással kell korrigálni. E mellett zavaró hatásként mechanikus rázkódások és rezgések léphetnek fel, továbbá különféle elekromágneses hatást kell elviselniük (elektromágneses összeférhetőség, EMW). Ezen zavaró hatások mellett általában fennállnak a szokásos határértékek a környezeti viszonyokra, amelyek nem léphetők túl, ha megbízható üzemelésre kell törekedni. Az engedélyezett mechanikus és termikus igénybevételek, pl. a meghatározott maximális gyorsulás érték, illetve a megállapított hőmérséklet-tartomány általában korlátozottak. A jelátalakítók mind a vezérlési, mind a szabályozási láncban elfoglalt helyét az 1.2. ábra mutatja. 6

7 1.2. Jelátalakítók vizsgálata, tulajdonságai A jelátalakítók vizsgálata tulajdonképpen két fő lépésből áll: 1, Meg kell vizsgálni, hogy milyen mennyiségeket alakít át egymásba. Ebben az alpontban valójában a bemeneti mérendő- mennyiséget kell megvizsgálni abból a szempontból, hogy milyenek a mérendő jel típusai és milyen jellemzői vannak. Eszerint: a, Mechanikai mennyiségek: hosszúság (elmozdulás), szög (szögelfordulás), gyorsulás (sebesség), erő, nyomás, szint, áramlás, tömeg, stb. b, Optikai mennyiségek: megvilágítás, fényáram, szín, stb. c, Villamos, mágneses mennyiségek: feszültség, áram, teljesítmény, fluxus, dielektromos állandó, ellenállás, mágneses ellenállás, permeabilitás, stb. d, kémiai és fizikai-kémiai mennyiségek: relatív nedvesség és nedvességtartalom, viszkozitás, folyadékok összetétele, sűrűség, ph, redoxpotenciál, stb. e, Termodinamikai mennyiségek: hőmérséklet, hőmennyiség, stb. A felsorolt mennyiségek mérésére alkalmas eszközök esetében gyakran ugyanazon eszközök változó körülmények között más-más mennyiségek átalakítására, illetve mérésére is alkalmasak. Minden jelátalakító kimenő jele a következő fokozat bemenő jele lesz, ezért könnyen megoldható, hogy az azonos kimenő jellel rendelkező átalakítók, azonos típusú adatfeldolgozó egységekhez legyenek csatlakoztathatók. A jelátalakítók kimeneti mennyiségei: mechanikai, villamos, termodinamikai. Kimeneti jel szempontjából a jelátalakítók az alábbiak szerinti csoportba is sorolhatók: 1.3. ábra. Hőhatáson alapuló egyik végén befogott rúd mechanikai, villamos, pneumatikus, hidraulikus, termikus, digitális és analóg. 2, Összefüggések szerint, ahogyan a jelátalakító átalakítja egymásba a be és kimeneti jelet. Ezeket, a törvényszerűségeket az alaptudományok - kémia, fizika, fizikai-kémia részletesen tárgyalják, általában differenciál és integrál egyenletek formájában. Ezt a tárgyalás módot a szabályzástechnika ismerteti, így ezt részletesen ott tárgyaljuk. A csoportosításnak ezt a formáját világosítsuk meg egy példán keresztül. A szilárd testek hőtágulása fizikai tanulmányaink során ismert jelenség, ahol a méretváltozás nagysága a hőmérséklet függvénye, vagyis ebben az esetben a hőmérsékletváltozást, valamely ismert tulajdonságú anyag hosszváltozására vezetjük vissza. Erre mutat példát a 1.3. ábra, amely egyik végén mereven befogott rúd. Miközben a hő hatására tágul a rúd egy hozzáerősített mutatót mozgat, ami lehet merev és valamilyen áttétellel rendelkező. A példánkban a rúd kezdő hőmérséklete legyen υ 1, ami változzon υ 2 értékre, mégpedig egységugrás jelleggel. (Ez természetesen lehetetlen, de tárgyalásra alkalmas.) Vizsgáljuk meg, hogy a hőmérséklet hatására, hogyan változik a hosszúság az idő függvényében? 7

8 dj = l ( J 2 -J1 dt ), 1.1 ahol: υ - a rúd pillanatnyi hőmérséklete, λ - az anyagra jellemző együttható, t - idő, υ 2 = véghőmérséklet, υ 1 - kezdő hőmérséklet, vagyis t = 0 időpontban mért hőmérséklet. -l t Megoldás: J ( t) = J2 + ( J1 -J2 ) e A rúd hossza tehát az 1.2. sz. kifejezés szerint változik meg az idő függvényében, azonban összefüggést kell keresni a hőmérséklet és a hosszváltozás között. ahol: - rúd hossza, l = l0 (1 + a J), rúd hossza 0⁰C hőmérsékleten, α - hőtágulási együttható, J - rúd hőmérséklet változása a 0⁰C-hoz képest. A rúd hosszváltozása az idő függvényében: -l t l( t) = l0 (1 + a J2 ) + a l0 ( J1 -J2 ) e. 1.4 Ha feltételezzük, hogy t feltétel fennáll vagyis igen hosszú idő után beáll az egyensúlyi állapot, akkor a 2. tagban szereplő 0 feltétel is fennáll, ezért: l 2 = l0 ( 1+a J2), 1.5. ami megegyezik az 1.3. egyenlettel. A fentiekből levonható az a következtetés, hogy a jelátalakító kimeneti mennyiségének időbeni változása gyakran eltér a bemeneti mennyiség időbeni változásától. A jelátalakítók fontos tulajdonságait adják meg az ún. karakterisztikák, amelyek valójában a ki és bemenet közötti kapcsolatot jelentik. Két alapvető esetet különböztetünk meg: a, A bemeneti mennyiség időben állandó. Ekkor egyértelműen meghatározható a kimeneti mennyiség egyensúlyi, vagyis állandósult értéke. Ekkor beszélünk ún. statikus karakterisztikáról, amely a jelátalakítónál általában folytonos függvény (1.4. ábra). Az ábrán, a vízszintes tengelyen van a bemeneti, függőleges tengelyen a kimeneti jel. Látható, hogy adott B változáshoz, adott K kimenőjel változás tartozik. E két mennyiség hányadosa megadja a jelátalakító igen fontos paraméterét az érzékenységet: 8

9 DK É = DB Ha K = f(b) meghatározható analitikusan, akkor az 1.6. kifejezéssel definiált érzékenység helyett az K = f(b) függvény deriváltját definiáljuk érzékenységként: dk É = db Ez természetesen csak akkor igaz, ha a függvény deriválható. A leírtakból következik, hogy a jelátalakítók érzékenysége a karakterisztika alapján meghatározható. Az érzékenység mindig dimenzióval rendelkezik, kivéve a jelváltókat. Ott ez dimenzió nélküli szám. Érzékenységet a szabályozáselmélet, mint átviteli tényezőt értelmezi. A jelátalakítók legfontosabb paramétere tehát az érzékenység, mert ennek ismeretében határozhatjuk meg, hogy milyen feladatok elvégzésénél használhatjuk a kiválasztott jelátalakítót. Mindemellett még definiálunk egy ún. átalakítási tényezőt is: dk B B dk S = = K db K db Definíciószerűen tehát az átalakítási tényező a relatív kimeneti mennyiségváltozás és az őt létrehozó relatív bemeneti mennyiségváltozás hányadosa. Mivel a statikus karakterisztika differenciálhányadosa az érzékenység, akkor ennek fordítottja az érzékenység integrálja a statikus karakterisztika. Figyeljük meg a ábrát, amelyen néhány statikus karakterisztika és a hozzátartozó érzékenység görbéje van feltüntetve. Pl. legyen a statikus karakterisztika: K = c. B, akkor az érzékenység É = c, vagy a statikus karakterisztika: K = c. lnb, akkor az érzékenység: É = c / B tehát fordítva arányos a bemeneti jellel. Hőtágulás esetén láttuk hogy l 2 = l0 ( 1+ a J2 ), 1.9. az érzékenység pedig: dl É = 2 = l0 a = konst dj2 Az érzékenység matematikai kifejezésének ismerete lehetőséget nyújt arra, hogy felismer jük mivel befolyásolható az érzékenység. 9

10 1.5. ábra. Különböző típusú érzékelők karakterisztikája Jelen esetben 10. kifejezés - az értékével változtathatjuk az érzékenységet legegyszerűbben, de az α együttható megválasztásával kiválaszthatjuk a különböző anyagok közül azt, amelyek legjobban megfelelnek a mérés végrehajtásához. A bemeneti mennyiség időben változik. Ennél az esetnél a bemeneti jel minden pillanatnyi értékéhez meg kell határozni a kimeneti jel pillanatnyi értékét. Ilyen esetben a be és kimeneti mennyiség kapcsolata differenciálegyenlettel írható le. Ez a kapcsolat az ún. dinamikus karakterisztika. Szabályozástechnikából ismert, hogy a vizsgálatok szempontjából lényeges fontossággal bír az, az eset, amikor a bemenőjel egységugrás jel. Egy ilyen ugrásjelre a jelátalakító által adott válaszjel kimeneti jel időfüggvényét mutatja a 1.6. ábra. Az ábrából egyértelműen kitűnik, hogy a kimenő jel az egyensúlyi értékét elvileg végtelen idő múlva éri el. Az 1.5. a,b,c,d ábrán statikus karakterisztikát K = f(b) - láthatók a szereplő függvények értelmezésében az 1.5. e,f,g, h ábrákon pedig az érzékenység görbéi. A valóságban azonban ez egy 1.6. ábra. Válasz egységugrásra véges idő, amikor a kimenő jel nagysága egy előre meghatározott értéknél kisebbre áll be. Ezt az étéket hibának nevezzük. Az ábrából az is jól látható, hogy az ún. beállási időhöz tartozó K hibahatárt kell mértékadónak tekinteni, de ezt előre szokták meghatározni a helyes működési feltételként. A beállási idő lényegesen függ a 10

11 bemeneti időfüggvénytől és a jelátalakító tulajdonságaitól és a választott hibaintervallumtól. Gyakran definiálják az ún. fél érték időt, amely az 1.6. ábra jelölésével: K 1 + K K 2 közepes = A K közepes értéket rávetítve az időfüggvényre és azt levetítve az időtengelyre, megkapjuk a t α fél érték időt. Fontos még az időállandó, amely csak exponenciális alakú kimenő jel esetén definiálható. Vizsgáljuk meg pl. az kifejezésben szereplő e -λ t kifejezést. Időállandó az a τ időtartam, ahol a kitevő abszolút értéke éppen egységnyi: 1 - l t = 1 Þ t = l Ez fizikailag azt jelenti, hogy t idő alatt az exponenciális rész e-ad részére csökken Jelátalakítók főbb hibaforrásai E témakörben még lényeges a különböző hibák ismerete, amelyek meghamisítják a valós értéket, mint pl. a hőmérséklet, súly, stb. okozta hibák. Magával a hibaszámítással itt nem foglalkozunk, de majd az adott témakörben a hiba nagyságát megemlítjük. Azonban tájékoztatásul közöljük a hibák típusait és főbb definícióit. A hibák eredetüket tekintve lehetnek rendszeres és véletlen hibák. Az olyan hibákat, amelyek iránya és nagysága meghatározott rendszeres hibának nevezzük. Hatása általában figyelembe vehető és kompenzálható. A hibák azon részét, amelynek értéke rendszertelenül, előre nem meghatározható módon változik véletlen hibáknak, nevezzük. Pl. rendszeres hiba lép fel akkor, ha adott hőmérsékletre hitelesített fizikai jellemzőt más értékű, de állandó hőmérsékletnek tesszük ki. Fajtájukat tekintve a hibák lehetnek: abszolút, relatív, karakterisztikából eredő hibák és dinamikus hibák. A hibák számszerű értékét mindig a méréstartomány figyelembevételével kell megadni. Ezek szerint van: - Abszolút hiba - Relatív hiba ha = xmért - xtényleges. xmért - xtényleges hr =. xtényleges - Lineáris hiba Linearitási hibán értjük, hogy mekkora az érzékelő kalibrációs görbéjének maximális eltérése a feltételezett lineáris karakterisztikától a vizsgált tartományban. A relatív linearitási hibát a végkitérés (FSO = full scale output) százalékában is szokás megadni: h x - x mért elméleti l =, xm - xm 11

12 ahol: x M - a mérési tartomány felső határa, x m - a mérési tartomány alsó határa, x elméleti - a feltételezett karakterisztika pontos értéke. - Érzékelés alsó határa (érzékelési, vagy detektálási küszöb) a mérendő paraméter azon legkisebb értéke, amely még biztosít mérhető kimeneti jelváltozást. - Felbontás a mérendő mennyiség legkisebb mérhető változása a maximális változás százalékában. - Nullahiba, vagy ofszet a mérendő mennyiség nulla értéke mellett mért kimenőjel. - Nullaponteltolódás (drift) az ofszet változása különböző feltételek (hőmérsékletváltozás, hosszú ideig történő tárolás stb.) mellett. - Ismétlési (reprodukciós) hibán értjük, hogy mekkora eltérés tapasztalható ugyanazon érzékelő kimenő jelében egyazon mérendő jel és azonos egyéb körülmények mellett ismételten végrehajtott mérések esetén. - Csereszabatosság mértéke, hogy két különböző érzékelő elem felcserélése mekkora mérési hibát eredményez. - Zavaró jellemzők hatására bekövetkező hiba, vagy szelektivitás. Ez a mérendő mennyiség mellett más paraméterekre történő jelváltozás mértéke. Pl. a nyomásmérő reagál a hőmérséklet változására stb. - Hiszterézis hiba megadja a kimenőjel maximálisan lehetséges eltérését egy adott tartományban növekvő, illetve csökkenő mérendő paraméterváltozással felvett karakterisztikánál. Relatív értékét szintén a végkitérés százalékában szokás megadni (1.7. ábra). - Dinamikus hiba, időben változó bemeneti mennyiség esetén a statikus karakterisztika ismeretében meghatározható: K = E( B) B ahol: K - kimeneti jel, B - bemeneti jel, E(B) - érzékenység a bemeneti jel függvényébena kimenő jel a számított K értéktől gyakran eltér, amelynek nagyságát megadhatjuk abszolút, vagy relatív hiba formájában Integrált és intelligens érzékelők A mikroelektronika, a mikromechanika, az integrált optika és egyéb fejlett technológiák fejlődése lehetővé tette az érzékelők miniatürizálását és a funkciók fizikailag azonos hordozón történő integrálását. Az érzékelő mátrixok azonos elemek integrációjával épülnek fel és valamilyen mérendő paraméter térbeli függésének meghatározását is lehetővé, teszik. A multiszenzorok többféle mennyiség meghatározására alkalmas érzékelők integrálásával állíthatók elő. A keresztérzékenységek ismeretében javítható a szelektivitás. A többfunkciós érzékelő képes egyszerre több különböző mennyiség megfigyelésére különböző üzemeltetési feltételek mellett. Az integrált érzékelők a klasszikus értelemben vett érzékelő elemen kívül a jelfeldolgozás valamilyen szintjét is magukba foglalják. Az első generációs integrált érzékelők valamilyen egyszerű jelfeldolgozást tartalmaztak, p1. ofszet- és hőfokkompenzációt és/vagy előerősítőt. További szintet jelent a jelkonverzió (p1: analógdigitális jelátalakitás) integrálása. 12

13 A legújabb generációt az intelligens érzékelők jelentik, melyek a mikroprocesszort is magukba integrálják. Ez lehetővé teszi a környezettel való kommunikációt és intelligens funkciók beépítését. Ilyenek lehetnek például: digitális jelfeldolgozás, jeltárolás hibakompenzáció multiszenzor jelfeldolgozás (neurális hálózattal öntanulás) önkalibráció és tesztelés automatikus méréshatár váltás átlag- és hibaszámítás időbeli instabilitások kompenzációja (fuzzy logika alkalmazása) számítógéppel való kommunikáció 13

14 2. Fejezet Mechanikai jelátalakítók Ezek olyan átalakítók, amelyek mechanikai kimeneti mennyiséget szolgáltatnak, mint pl. elmozdulás, sebesség, gyorsulás, szögelfordulás, szögsebesség, szöggyorsulás, erő, nyomaték stb. Ebben a fejezetben csak a legegyszerűbb megoldásokkal foglalkozunk. A bonyolultabb átalakítókat későbbiek során tárgyaljuk Mechanikai jelváltók a, Karáttétel A karátételre mutat példát a 2.1. ábra, ahol F 1 és F 2 a ható erőket, a k 1 és k 2 a karok hosszát, x 1 és x 2 ill. a karok végpontjainak elmozdulását jelentik. Az ábrán látható megoldásnál mind a bemeneti mind a kimeneti mennyiség a következő lehet: elmozdulás, sebesség, gyorsulás. Határozzuk meg az érzékenységet: k x 1 1 k k = 2 Þ É = 2 = x2 k1 x1 x 2.1. ábra. Karáttétel Amennyiben a ki és bemeneti mennyiségek erők, akkor az érzékenység: k1 F É = = 2, 2.2. k2 F1 tehát az előbbi reciproka. b, Fogaskerék áttétel: Fogaskerékáttétel látható a 2.2. ábrán, amelynél mind a ki, mind a bemeneti mennyiség lehet szögelfordulás, szögsebesség és szöggyorsulás. Az érzékenység: z1 j É = = 2, 2.3. z 2 j1 ahol: z 1 és z 2 a fogaskerekek fogszáma, φ 1 és φ 2 a tengelyek szögelfordulása. Amennyiben a be és kimeneti mennyiségek nyomatékok, akkor az érzékenység: 2.2. ábra. Fogaskerékáttétel 14

15 É = 2 = 2, 2.4. M1 z1 ahol: M 1 és M 2 a forgató nyomatékok. A mechanikai jelváltókkal szemben támasztott követelmények: - karáttétel a forgáspontban súrlódásmentes legyen, minimális legyen a szerkezet súlya és merev legyen - fogaskerék áttételnél minimális legyen a súrlódás, kotyogásmentes legyen és minimális legyen a súlya Mechanikai jelátalakítók a, Fogasléc-fogaskerék szerkezet 2.3. ábra. fogasléc Fogaskerék - átétel szerkezetet: M z Ilyen megoldást mutat 2.3. ábra. Az ábra jelölései az alábbiakat jelentik: z 1 a fogaskerék fogszáma, z 2 a fogasléc hoszszegységre eső fogszáma, M a ható nyomaték, φ a fogaskerék szögelfordulása és x a fogasléc elmozdulása. Mind a be, mind a kimeneti mennyiségek lehetnek: elmozdulás, sebesség, gyorsulás, szögelfordulás, szögsebesség, szöggyorsulás, erő és nyomaték. Érzékenység, ha elmozdulás, sebesség, gyorsulás és nyomaték vizsgálatra használjuk a 1 É 1 1 = p z2 Amennyiben a fenti kombinációt szögelfordulás, szöggyorsulás és erő mérésére használjuk, akkor az érzékenység: 1 É 2 =, 2.6. É1 ami az előző reciproka. Követelmény: A fogaskerék és fogasléc súlya minimális legyen, csúszás és kotyogásmentes, merev legyen és a csapágyak súrlódásmentesek legyenek z 15

16 3. Fejezet Ellenállásos jelátalakítók A villamos jelátalakítók kimenő jele villamos mennyiség, feszültség, áram, impedancia stb. Vannak közvetlen áram, vagy feszültség kimenetű jelátalakítók, amelyeknél nincs szükség segédenergiára, de ahol a kimeneti mennyiség impedancia, ott egyen vagy váltakozó áramú segédenergiára van szükség. A villamos jelátalakítók alapvető felosztása ennek megfelelően: - Passzív villamos jelátalakítók (R, L és C átalakítók). - Aktív villamos jelátalakítók (termoelektromos, fotoelektromos és piezoelektromos) 3.1 Passzív jelátalakítók Ellenállásos jelátalakítók Mérőérintkezők Mérőérintkezőt mutat a 3.1. ábra. Látható, hogy olyan szerkezeti elemek, amelyek elmozdulás vagy elfordulás hatására villamos áram-kört nyitnak, vagy zárnak. Az érintkezők lehetnek pont, vo-nal, vagy síkérintkezők. Az érintkezők részletesen megtalálhatók Dr. Oláh Ferenc. Hajóvillamosság II. c. főiskolai jegyzetben. Az érintkezős relés, jelfogós, vagy kontaktoros rendszereket 3.1. ábra. Mérőérintkezők 3.3. ábra. Vákuumérintkezők 3.2. ábra. Higanyérintkezők vezérléstechnikában, állásos szabályozásokban alkalmazzák. Az érintkezőkkel szemben követelményként kell előírni, hogy legyen szilárd, jó hővezető képessége legyen, ne oxidálódjon és kicsi legyen az átmeneti ellenállása. Az anyaga általában vörösréz, ezüst, platina, irídium, a- rany, wolfram. Az érintkezők csoportjába tartoznak a higanyérintkezők és vákuumérintkezők, mint különleges érintkezők. Ez látható a 3.2. és 3.3 ábrákon. Az ábrából látható, hogy a higanyérintkező elfordulásra megszakítja az érintkezést, a vákuumérintkező pedig vákuumban van, ami jelentősen csökkenti a szikrázási veszélyt. Érintkező sor látható a 3.4a. ábrán, amelynek érintkezői egymás után sorba záródnak az elmozdulás nagyságától függően, amelynek során sorra 16

17 rövidrezárja az ellenállásokat. Az (a-b) kimeneti csatlakozó közötti eredő ellenállás x növekedése esetén csökken. Az ilyen megoldásnál létrejött diszkrét R(x) karakterisztika a 3.4b. ábrán látható. A mérőérintkezők előnyei: egyszerű felépítés, üzembiztos működés. Hátrányai viszont hogy csak szakaszosan működik, folyamatosan nem, ezért csak jelzésre alkalmas, szikrázás előidézői lehetnek és túlterhelésre érzékenyek, emiatt nagy áram esetén az érintkezői összeolvadhatnak Csúszóérintkezős jelátalakítók 1. Ellenállásváltozásos A csúszóérintkezős ellenállások legfőbb jellemzője a hosszegységre, ill. egységnyi szögelfordulásra eső ellenállásváltozás. Szokásos elnevezésük toló, vagy forgó potenciaméterek. Blokkvázlata a 3.5. ábrán látható. A 3.6. ábra a lehetséges változatokat mutatja. A 3.6a. ábrán kisebb értékű ellenállásoknál (max. 10 ohm) használt ellenálláshuzal, a 3.6b. ábrán nagyobb ellenállásoknál (néha 10 5 ohm-ig) használt csévélt toló potenciaméter, továbbá a 3.6c. ábrán forgó potenciaméter látható. Egy 3.4. ábra. Érintkezősor és karakterisztikája lineáris potenciaméter karakterisztikája lineáris elmozdulás esetén: 3.5. ábra. Ellenállásos jelátalakító blokkvázlata R r = x 3.1. l Szögelfordulás: Érzékenységek: - lineáris elmozdulás esetén: - szögelfordulás esetén: R r = j j M dr R É = =. dx l 3.3. dr R É dj jm

18 A csúszóérintkezős ellenállásoknál definiáljuk az ún. feloldóképességet. Ez azért szükséges, mert valójában az ellenállás változás nem folytonos, hanem szakaszos, amelyek a csévélésből erednek. Ez látható a 3.7. ábrán. Az ellenállásugrás ezzel táplálás esetén a feszültségugrások is értéke a d 1 értéktől és a csúszófelület nagyságától függ. Minél nagyobb egységnyi hosszon a menetszám, annál kisebbek az ellenállásugrások értékei. Feloldóképesség: - csúszópotenciométerre: l f = [mm], 3.5. n ahol: l = a huzal csévélt hossza, n = menetszám (jó érték f 0,05 mm). - forgópotenciométerre 100 f = [%], 3.6. n ahol: n=360⁰- hoz tartozó menetszám (a jó érték f=0,5 0,05 %) Lényeges, hogy a mérendő elmozdulás kellően érzékeny legyen, vagyis olyan U feszültségváltozást adjon, amely a csúszka legkisebb l elmozdulásakor már észlelhető. Figyelembe kell venni azt is, hogy a legkisebb elmozdulás nem lehet soha kisebb, mint a felcsévélés huzalátmérője. Ezért adott egy legkisebb csúszkaelmozdulás, amelyet érzékelni kell. A menetátmérőt nem szabad l értéknél nagyobbra választani. Ekkor a számítás menete a következő: a, Kiválasztjuk a huzalátmérőt ábra. Ellenállásos jelátalakítók lehetséges változatai b, A poteciométer teljes hossza: l U Dl Dl = Þ l = U DU DU c, A potenciométer teljes menetszáma: l n =, 3.8. d 1 ahol: l = működő hossz. 18

19 d, Tekercselés keresztmetszete: 3.7. ábra. Csúszópotenciométer és karakterisztikája r l r l r l 0 R = = 1 = 1, 3.9. A A A d1 ahol: l 0 - a vezető teljes hossza, l 1 - a vezető egy menetének hossza, A - a vezető keresztmetszete. Tudjuk, hogy: U U I0 = I megeng = A s Þ R = R s A ahol: s - a megengedett áramsűrűség, I megeng - megengedett áramerősség. I U d DU d megeng = 1 = 1 l r s Dl r s A fajlagos ellenállás és a megengedett áramsűrűség ismeretében megkapjuk a legkisebb közepes menethosszt, és a tekercselés legkisebb keresztmetszetének (b. h) értékét. 2. Linearitás Vizsgáljuk meg a 3.8. ábrát, amelyen látható az ideális (O-R) és a valós (A-B) karakterisztika. Természetesen ez az ábra a valósághoz képest eltúlzott. A gyakorlatban háromféle linearitási hibát szokás megadni: a, Elméleti linearitási hiba Az elméleti egyenestől történő eltérést jelenti. n l 19

20 3.8. ábra. Lineáris hiba ábrázolása Dre hl = 100 % R Átlagos érték 0,5%, de precíziós esetben 0,05% is lehet. b, Független linearitási hiba A valós karakterisztikához legjobban illeszkedő egyenestől szaggatott vonal - történő eltérést jelenti. Drf h f = 100 [%] R c, Végponti linearitási hiba Az A B végpontoktól történő legnagyobb eltérésnek az R ellenálláshoz viszonyított hibája. Drv hv = 100 [%] R 3. Aktív működési tartomány Aktív működési tartománynak nevezzük azt az elmozdulást, vagy szögelfordulást, amely a valóságban bekövetkezhet. A elméletileg lehetséges érték ennél valamivel nagyobb. Követelmény, hogy a ρ fajlagos ellenállás nagy legyen és stabil, a huzal anyaga kopásálló, a hőmérsékleti együttható(α R ) kicsi legyen és az anyag korrózióálló. A szokásos felhasználható anyagok: - konstantán: ρ = 0,5 ohm. mm 2 /m, α R = ± / o C - manganin: ρ = 0,43 ohm. mm 2 /m, α R = / o C Az ellenállásos jelátalakítók gyakoribb kialakításait a 3.9. ábra mutatja. A 3.9a. ábra toló potenciamétert mutat, amelyet lineáris elmozdulás 3.9. ábra. Forgópotenciométerek mérésre használunk, a 3.9b. ábra forgó potenciamétert mutat hasított laprugóval szögelfordulás érzéke- 20

21 lésére. Ennél az utóbbi megoldásánál látható, hogy a különböző hosszúságú rugóelemek önrezgési frekvenciája eltérő, ezért valószínűtlen, hogy minden érintkező egy időben ne érintkezzen a huzallal, ha esetleg az érintkezők rezegnének. A 3.9c. ábra egy helipotot mutat, amely többször 360⁰os körülfordulással rendelkezik és több kivezetéssel. Forgása során ábra. Tekercs csúszásának megakadályozása profilmódosítással ábra. Tetszőleges karakterisztika előállítása tengelyirányba is elmozdul. A csúszóérintkezők előnyei: egyszerű kialakítás, folyamatos mérésre használhatók, olcsók és stabil karakterisztikával rendelkeznek. Hátrányai: a nagy nyomásigény, áram-terhelésre és korrózióra érzékenyek. 4. Előírt statikus karakterisztika előállítása A potenciaméterek előnyös tulajdonságai, hogy tetszőleges karakterisztikák állíthatók elő úgy, hogy a csévetestet az előírt statikus karakterisztika alakúra képezzük ki a ábra szerint. Vizsgáljuk meg a következőkben, hogy milyen összefüggések érvényesek a statikus karakterisztika és a csévetest alakja között? A ábra egy l hosszúságú, n menetszámú görbeprofilú potenciaméter rajzát mutatja. Az r ellenállás dr változása az elmozdulás hatására következik be. Ha l hosszra n menet jut, akkor dx hosszra: n dn = dx l menet esik Ha a menetek közepes magassága az x és x+dx tartományon belül h, akkor az ellenállás-változás a dx elmozdulásra: n 2 h dx dr = r l A A 2-es szorzó azért szerepel, mert a csévetest mindkét oldalán van huzal. Rendeljük a potenciaméterhez egy ún. egyenértékű h 0 profilmagasságot úgy, hogy a végellenállások, a tekercselési hossz és a menetszám egyezzenek meg, mindkét esetben. A potenciaméter ellenállása (R), kifejezve a h 0 al: 2 h0 n R = r A 21

22 Osszuk el a 16. és 17. egyenleteket egymással: dr h dx = R h0 l Az átalakítási tényező: dr h S = R = dx h0 = S( x) l Az érzékenység : dr R h É = = = dx l h0 A statikus karakterisztika: É( x) ábra. Közelítés egyenes szakaszokkal r = R l x h ò dx h 0 0 Amiből: dr( x) l h = dx R h 0 ahol h/h 0 a relatív profilmagasságot jelenti. Gyakorlati megvalósítás esetén felmerül, hogy a csévélt huzal lecsúszik, mert a profil esetleg túl meredek. Ekkor a megoldást a ábra mutatja, melyen látható, hogy a görbe profilt egyenes szakaszokkal közelítjük, amelynek formája a ábrán látható. Ennél a megoldásnál az egyenértékű profilmagasság: ábra. Profilmódosítás söntöléssel h1k l rk - ri = h0 R xk - xi A ábra egy szakaszonkénti söntöléses megoldást mutat. Ekkor a te- 22

23 kercselt ellenállást bizonyos helyeken megcsapolják és az adott szakaszokkal ellenállásokat kapcsolnak párhuzamosan. Az i és k helyek közé kapcsolt ellenállások értékeit figyelembe véve, hogy a söntöletlen potenciométer x k x i szakaszra eső ellenállása: xk xi b R -, l amit azután az R ik söntöl úgy, hogy az eredő ellenállás r k r i legyen. Így bizonyítás nélkül: R ik rk - ri = i r 1- b R x k k - r i - x i Higanyérintkezős ellenállások A higanyérzékelős jelátalakítók elmozdulást ill. szögelfordulást alakítanak át ellenállássá. A 3.14a. ábra egy tényleges higanyérintkezős ellenállást mutat. Látható, hogy az U alakú csőben egy ellenálláshuzal van, amit a higany zár rövidre adott szakaszonként analóg módon - amelynek változása, illetve helyettesítő kapcsolása a 3.14b. ábrán látható. Ez az eljárás főként folyadékos nyomásmérőknél, szintmérőknél terjedt el. Megoldás alapja a higanyos ellenállásos nyomáskülönbség mérése, ahol az elmozdulás lineáris. A mérő-átalakítóban a nyomáskülönbség hatására fellép egy elmozdulás, amely szintkülönbséget eredményez. A h szintkülönbség arányos a p nyomáskülönbséggel, ahol a γ fajsúly. Ekkor : Δp = p 1 p 2 = γ. Δh Az U alakú csőben a vastag vonallal jelölt ellenálláshuzal helyezkedik el, amelynek egy részét a higany rövidre zárja. Így az ellenálláshuzal a 3.14b. ábrán látható módon feszültségosztónak tekinthető. A 3.14a és 3.14b. ábrákon az A,B,C pontok megfelelnek egymásnak. Ha p 1 = p 2 ( p = 0), akkor a feszültségosztó szimmetrikus. R 1 = R 2 az ábra szerinti helyzet p 1 > p 2 ( p > 0) esetnek felel meg. Legyen az ellenálláshuzal keresztmetszete A fajlagos ellenállása ρ. A higanynál ugyanezek az értékek értelemszerűen a következők: A Hg és ρ Hg. A gyakorlatban mindig igaz: r r Hg >>, A AHg 23

24 ezért az ellenálláshuzal higanyba merülő része 0-nak tekinthető(rövidzár). A higanyból kiálló részek ellenállása a hosszukkal arányos (R 1 és R 2 ): l R = r A Ezért: æ Dh ö r R1 = çl1 +. è 2 ø A æ Dh ö r R2 = çl1 -. è 2 ø A ábra.u csöves Hg szálas ellenállás Ezzel: U U 2 1 R 1 Dh = 2 = -. R1 + R2 2 4 l ábra.kalibrációs összefüggés Ezt és a ot figyelembe véve kapjuk: æ U ö D p = 2 l ç g Hg è U1 ø Legyen: K1 = 2 l1 g Hg, 4 l1 g Hg 2 K és K 1 2 = = U1 U1 Ezzel megkapjuk az ún. kalibrációs összefüggést:. D p = K1 - K2 U

25 Ezt az összefüggést ábrázolja a ábra, ahol a P 1 pont a terheletlen állapotot jelenti, majd az értékek a nyíl irányába haladva változnak. A ábra egy szögelfordulásra működő higany-ellenállásos jelátalakítót mutat. A higany mozgása itt nem nyomáskülönbség hatására, hanem szögelfordulásra történik. Mindkét megoldásnál az ellenálláshuzal anyaga platina, vagy szénszál. A mérési pontatlanság kb. 1% és hőmérsékletváltozásra gyakorlatilag nem érzékeny. A 3.17.ábra egy nem lineáris karakterisztika kialakításának szakaszos megoldását mutatja higanyérzékelős megoldással. A higanyérintkezős ellenállásos átalakítók előnyei: kis működtető nyomaték, a zártsága miatt nem érzékeny a környezet agresszív vegyi hatásaira, kopás nincs, ezért hosszú élettartamú. Hátránya: helyzet és rázásérzékenység, érzékeny a Hg tisztaságra, csak viszonylag kis értékű ellenállások képezhetők. Nyomást alakítanak át ellenállássá. Blokk ábra. Gyűrűs higanyérzékelő vázlata a ábrán látható. A nyomás származhat nyomóerőből, hidrosztatikai ill. gáznyomásból. Két nagy csoportot különböztetünk meg: átmeneti és piezorezisztív átalakítók. a, Átmeneti ellenállásos átalakító Nyomásfüggő ellenállások Vizsgálatainkat a ábra alapján végezzük ábra. Nemlineáris karakterisztika szakaszos létrehozása ábra. Nyomás-ellenállás átalakító blokkvázlata Működése azon elven alapul, hogy durva felülettel rendelkező vezetők érintkezési felülete nyomás hatására jelentősen változik. Nagyobb nyomásra nőnek, kisebbre csökkennek. Ennek megfelelően változik az átmeneti ellenállása is. Nagyobb nyomásra nő az érintkezési felület, és ezzel csökken az átmeneti ellenállás. Az ellenállás értéke a nyomóerő függvényében közelítőleg: ábra. Átmeneti ellenállás 25

26 R R = 0 2, k F ahol: k - konstans, R 0 - ellenállás erőhatás nélkül és F - a ható erő. Az ellenállás értéke még így is felírható: k R =, c F ahol: k az érintkezők anyagától, c az érint-kezők geometriai kialakításától függő tapasztalati állandók. Mérőátalakítók céljára gyakorlatban szenet használnak általában. A kifejezésben látható, hogy F=0 esetben a függvénynek szakadása van. Hogy ez ne következhessen be, ezért az ellenállásokra egy előfeszítést alkalmaznak alapkiindulásban. Az előfeszítést egy csavarral nagyon egyszerűen megvalósítják. Az ellenállást úgy lehet lényegesen növelni, ábra. Szénoszlopos ellenállás hogy több széntárcsát helyeznek el ábra. Szénoszlopos differenciál kapcsolás oszlopszerű elrendezésben. Így szénoszlop alakul ki, amelynek ellenállása: ( n -1 ) k R = F + F0 értékűre adódik, amelynek viszonyait a ábra mutatja. Szénnél k = 1, ,5. 10 ohm. N közé esik. Hátránya, hogy hiszterézissel rendelkezik, emiatt pontossága 3 5 %-os. A jelleggörbéje láthatóan nemlineáris. A tárcsák anyaga elektródaszén (grafit), a vastagsága általában 0,5...3,5 mm közé esik. Mérési tartománya N között van. A grafittal történő mérés hőmérsékletfüggő, ezért a ábra szerint differenciálkapcsolásban alkalmazzuk. Előnye, hogy egyszerű, olcsó, de csak ott használják, ahol nem kell nagyobb pontosságot elérni. Az R ellenállás értéke néhány ohm és néhányszor 10 ohm érték között változik. 26

27 b, Piezorezisztív átalakító Néhány fémben külső nyomás hatására a kristály-szerkezetében deformáció lép fel, ami megváltoztatja a fajlagos ellenállást, amelynek előjele lehet pozitív és lehet negatív, attól függően, hogy milyen anyagot használnak. A piezorezisztív átalakítók két nagy csoportba sorolhatók; fémes vezetők és félvezetők: - Fém piezoellenállások Elvi felépítésüket a ábra mutatja, ahol látható, hogy egy dugattyúra F erő hat, amely p nyomásváltozást okoz. Az ellenállás nyomásfüggését az alábbi összefüggés mutatja: R = R0 ( 1+ b Dp), ahol: R - ellenállás, R 0 ellenállás légköri nyomáson, Δp - nyomásváltozás légköri nyomáshoz képest és b nyomástényező. Erre az alkalmazásra leggyakrabban a manganint használják. Előnyük, hogy egyszerű felépítésűek, kis hiszterézissel rendelkeznek és holtidő mentesek, hátrányuk a nemlinearitás, alacsony érzékenység és a nagyobb nyomások esetén nehézkes a kivezetés elkészítése. Az alábbi táblázat tartalmazza a különböző fémek nyomástényezőjét, amely 25 o C-on és Pa nyomástartományra ábra. Fém piezoellenállások elvi felépítése érvényes. - Félvezetős piezo átalakítók A leggyakrabban alkalmazott természetes anyag a kvarc és a turmalin, általában azonban a kvarcot részesítik előnyben, mert nagy az ellenállása és kicsi a hőfokfüggése. Mindemellet még nagy linearitással is rendelkezik. A rugalmassági modulusa igen nagy (E = 0, Pa), amely az acélnak kb. 1/3-a (E=2, Pa). A legnagyobb modulus elérésére a kvarc lemezkét úgy vágják, hogy a legnagyobb sík merőleges legyen az x tengelyre, amelyet piezoelektromos tengelynek nevezünk, ábra. Anyag Nyomástényező (b) (1/atm) Alumínium Antimon 11, ábra. Piezoellenállások kivágása 27

28 Vas -2, Platina -1, Réz -1, Ezüst -3, Manganin 2, táblázat Az y irányban a mechanikai és z irányban az optikai tengely helyezkedik el. Az ellenállás-változás előjele és nagysága függ a félvezető anyagától, szennyezettségének mértékétől és fajtájától (p vagy n tip.) és a terhelés irányától. Ez utóbbi függést anizotropiának nevezzük. A kristályokban nyomóerő hatására bekövetkező relatív ellenállást a ábra mutatja. Piezoellenállások kialakításakor ún. egykristályokat alkalmaznak, amely teljes egészében egyetlen összefüggő kristályszerkezet. Ha ez nem teljesül, akkor polikristályról beszélünk. Egykristályt azért célszerű alkalmazni, mert: a, az ellenállás változás csak bizonyos ún. kristálytani irányokban jelentős, másokban elenyészően kicsi/erős anizotropia. b, ugyanaz a kristály más orientációban más előjellel változtatja az ellenállását A kristályoknál megfigyelhető az is, hogy a R/R függ a fajlagos ellenállástól. Található ábra. Erő és relatív ellenállás összefüggései azonos abszolút értékű, de ellentétes előjelű relatív ellenállás változás pár, ami jelentősen növeli az érzékenységet. Mivel R/R széles tartományban arányos a nyomással, ezért a karakterisztikája majdnem teljesen lineáris. Fő probléma, hogy ábra. Hídkapcsolás alkalmazása az ellenállás függ a hőmérséklettől, ezért vagy termosztálni kell, vagy hídkapcsolást kell alkalmazni a mérés során. Ez utóbbira mutat példát a ábra. Az elemeket úgy kell megválasztani, hogy az l és 3 ellenállások relatív ellenállásváltozásra abszolút értékére azonos, előjelre pedig ellentétes legyen a 2 és 4 ellenállásváltozásaival szemben. Előnyük: kisebb erők, nyomások mérésére is alkalmas, 28

29 érzékenységük egy-két nagyságrenddel nagyobb a fémekéhez képest. Hátrányuk: ellenállásuk hőmérsékletfüggő, mechanikailag sérülékenyek (törékenyebb) és drágább a fémeknél Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Alapfogalmak a, Relatív hosszváltozás Az anyagok húzó, vagy nyomóerő hatására megváltoztatják az alakjukat. Az erő irányától függően a hosszuk nő, vagy csökken. Ennek sorrendjében a keresztmetszetük csökken, vagy nő. Ennek jelölésére vezették be a relatív hosszváltozást: Dl e =. l Az ε pozitív, ha Δl pozitív (húzás) és negatív, ha Δl negatív (nyomás). A hosszváltozásra általában μm/m, mm/m és cm/m mérőszámokat használják. Százalékos [%], vagy ezrelékes [ ] megadásokat kizárólag csak tűrésként használják, de nyúlásváltozásokat csak megfelelő tűréssel együtt szabad megadni, pl: - ε = 2,72 cm/m ± 0,5 % jelentése: μm/m ± 136 μm/m. - ε = 2,72 % ± 0,5 % jelentése viszont: μm/m ± 5000 μm/m. b, Mechanikai feszültség Mechanikai feszültséggel jellemezzük a folyamatot, ha egy anyag erő által van igénybe véve. Általában ez a feszültség külső erő hatására jön létre, de kivételes esetben belső erőbehatásra is létrejöhet. Típusa szerint lehet normál, vagy nyírófeszültség. Keletkezése szerint pedig lehet húzó, nyomó, csavaró és termikus. A mechanikai feszültség közvetlenül nem mérhető, csak röntgenografikus eljárással. Ezzel a mikroszkópikus határok között megállapíthatók a kristályrácsok torzulásai, így a felszín közelében megállapítható 5 15 μm en belül az atomok közötti relatív távolságváltozás. Célszerű tehát a mechanikában alkalmazott módszert alkalmazni. - Normálfeszültség Húzó és nyomóerők esetében lép fel, vagyis amikor az erők egy tengely mentén hatnak. Képlete: F s =. A Mértékegysége a N/m 2 = Pa, de alkalmazzák még a következőket: 1N/mm 2 = 100N/cm 2 =1 MPa és 1 N/cm 2 = 10 kpa (1 kp/mm 2 10 N/mm 2 ). - Nyírófeszültség 29

30 Nyírófeszültség akkor keletkezik, ha az erők nem közvetlenül szembenéznek egymással, hanem eltolva jelentkeznek. A fellépő feszültséget τ val jelöljük és két egymással szembenéző normálfeszültségből számíthatjuk: ( s 1 - s 2 ) t =. 2 Mértékegysége azonos a normálfeszültség mértékegységével. - Saját termikus feszültségek Ezek nem külső, hanem belső erők hatására jönnek létre. A saját feszültségek pl. egyenetlen térfogatváltozás hatására keletkeznek, történetesen hőmérsékletváltozás hatására. c, Rugalmassági modulus Az anyagok egyik fontos alaptulajdonsága a szakítószilárdság. Az ún. lineár-elasztikus anyagot a rugalmasság határain belül egy lineáris összefüggés (σ/ε) jellemzi, ami függ az anyag ridegségétől is. Jele: E és neve rugalmassági modulus. Mértékegysége: Pa, vagy N/cm 2, vagy N/mm 2 (1Pa = N/m 2 ). d, Poisson állandó Siméon Denis Poisson ( ) francia tudós kutatásai során megállapította a következőket. Ha egy pálcára F nyomóerő hat, akkor Δl/l = ε l arányban rövidül, de ezzel egyidejűleg megnő a keresztmetszete (vastagsága) és fellép egy keresztmetszeti nyúlás: Δa/a 0 = ε q. Ekkor ε l negatív, ε q pozitív. A kettő hányadosát nevezzük Poisson állandónak: ábra. Tenzoellenállás blokkvázlata e l = m. e q Értéke általában 0,15 0,45 között van, maximuma pedig 0,5. e, Termikus kiterjedés ábra. Nyúlásmérők működési elve - A hőmérsékletváltozás miatt kialakult hosszváltozások hatására nem lép fel 30

31 mechanikai változás az anyagban, ha: - A szabad expanzió, vagy kontrakció nem ütközik akadályba ( pl. az anyag nincs befogva) - Az anyag teljes területén egyenlő a hőmérséklet. Az ilyen típusú jelátalakítók tehát mechanikai deformációt alakítanak ellenállásváltozássá. Ennek blokkvázlatát mutatja a ábra. Működése azon alapul, hogy szilárd testekben a külső mechanikai terhelés hatására mechanikai feszültség és nem villamos feszültség ébred. Ezt a mechanikai alakváltozást kell leképezni ellenállásváltozásra, amelyet kétféle módon lehet elvégezni: átmeneti ellenállásváltozás és nyúlás okozta méretváltozás útján. Főként az utóbbi módszert használják. A nyúlásmérők működésének elvét a ábra alapján magyarázzuk. Ismeretes, hogy a vezető anyagból készült huzalok ellenállása: l R = r A Ennek logaritmusa: ln R = ln r + ln l - ln A Alkalmazzuk a függvényekre vonatkozó differenciálási szabályt: dr dr dl da = R r l A A kifejezés fizikailag relatív ellenállás-változást jelent. A keresztmetszet relatív megváltozása szoros összefüggésben van a hosszúság relatív megváltozásával, amely az alábbiak szerint írható: da dl = -2 m, A l ahol μ- Poisson állandó, ezzel: dr dr dl dl dl dr = m = ( 1+ 2 m) R r l l l r Legyen dl / l = ε, amit az átalakító viszonylagos deformációjának nevezünk, így: dr dr = e ( m) R r A nyúlásmérő átalakító jellemzésre az átalakítási tényezőt használjuk, más néven tenzoérzékenységi állandónak is nevezik. dr S = R dl l Ez az érték lényegesen függ az anyag tulajdonságaitól és magától a technológiától (ragasztástól, alapanyagtól, stb.). A nyúlásmérő bélyegek átalakítási tényezőjének jelölésére a g betűt (gauge factor- ejtsd gédzs faktor) használjuk és értelmezése (S g): 31

32 dr g = r m, dl l amely kifejezést úgy kaptuk, hogy a kifejezés mindkét oldalát osztottuk dl/l értékkel. Látható, hogy az átalakítási tényező csak a Poisson állandótól és a fajlagos ellenállás változásától függ, de független a nyúlásmérő bélyeg méreteitől. A nyúlásmérő bélyeg a bennük alkalmazott deformálódó ellenállások szerint lehet huzalos, fóliás ez utóbbi a kettő a fémes vezetők közé tartozik- és félvezetős. Ezek közül a huzalos a legrégebbi változat, de ma is gyakran alkalmazzák. 1. Fémes vezetőből készült nyúlásmérő bélyeg Elvi kialakulásukat ábra mutatja. A huzal jelen esetben egy mm hosszú vékony szigetelő fóliára van felragasztva. Néhány anyag átalakítási tényezőjét és hőmérsékleti tényezőjét a 2. táblázat mutatja: Anyag g Hőmérsékleti tényező [1/⁰C] alloy ± 10 % 0, elinvar 3,6 - konstantán 2,0...2,7 ± 0, nikkel -12,1 6, nikróm 2,1...2,3 0, manganin 0,3 0,47 0, táblázat Az átalakítási tényező definíciója alapján írható: DR = R g e ahol: R - terheletlen ellenállás, E - rugalmassági modulus Ezzel: ábra. Nyúlásmérő bélyeg elvi kialakítása ábra. Keresztirányú érzékenység 32

33 s D R = R g E Így megkapjuk az érzékenység végső alakját: ( DR) d k = = R ds g E A nyúlásmérőknek van keresztirányú érzékenysége is, amelyet a ábra mutat. Amennyiben a felragasztás helyesen történik, akkor a mérendő deformációt az x-x tengelyirányban mérjük, azonban mint előbb említettük ábra. Példa a bélyeg méreteire a bélyeg érzékeny az y-y irányu deformációra is, de ez a másiknak csak néhány (1...3) százaléka. A bélyeg méreteit mutatja a ábra. Az A és B méretek a felragasztás aktív helyszükségletét a C, D és E méretek a ténylegesen felhasznált 3.32.ábra. Fémréteg tenzoellenállások ábra. Huzalos bélyegek helyszükségletet mutatják. A nyúlásmérők lehetnek huzalos, fóliás és félvezetős kialakításúak. Ezen belül a huzalos megoldás lehet még hullámvonalú (Meander, helikális). A helikális megoldásnál a huzalt külön segédhordozóra tekercselik, majd ezt erősítik fel a főhordozóra. Nem terjedt el széles körben. A ábrán sorrendben ívben hajlított, élben hajlított és ponthegesztett kivitel látható. A huzalokhoz képest előre- 33

34 lépést jelent a fólia tenzoellenállás kialakítása, amit úgy készítenek, hogy hordozóra gőzölik fel a mm-es fémrétegellenállást. Erre a megoldására mutat példákat a ábra. Előnyük, hogy mivel nagyobb felületen é- rintkeznek a hőátadásuk nagyobb és bármilyen bonyolultságú profil készíthető. A 3.32c. ábrán és a ábrán is látható az ún. rozetta alakú mérőbélyeg, amit akkor célszerű használni, ha ismeretlen főirányok esetén is elegendő információt akarunk kapni. A szokásos ábra Különböző bélyegek ellenállásértékek: 50, 100, 200, 400, 600 és 1000 ohm. Pontossága a névleges ellenállásérték ± 0,25% körül, a linearitása pedig 0,1 1% között van. A bélyegek élettartama ciklus, hőmérséklettartománya pedig 40⁰C +150⁰C között van, de vannak magas hő-mérsékletre készített bélyegek, kb 400⁰C-ig. A 3.33.ábra olyan kialakításokat mutat, amelyekkel különböző irányú deformációk egyidejűleg mérhetők. A 3.33a. ábra derékszögű a 3.33b. ábrák egymással szöget bezáró deformációk mérésére alkalmasak. A ábra membránok deformációjának mérésére alkalmas bélyegeket mutat. A 3.34a. ábra tangenciális, a 3.34b. ábra pedig radiális nyúlás mérésére szolgál. A fémből készült nyúlásmérők előnyei a kis méret, nagy pontosság és a kis belső impedencia. Hátrányuk az, hogy hőmérsékletfüggők, a próbatest hőtágulásából eredő hiba, a ragasztásból származó hiba és viszonylag alacsony érzékenység. 2. Félvezetős nyúlásmérő bélyegek A félvezetős nyúlásmérő bélyegek úgy készülnek, hogy általában műanyagból készült fóliára 10 μm nagyságrendben félvezetőt visznek fel, vagy igen vékony piezoellenállás le-mezt ragasztanak fel. Felépítését a ábra mutatja, a karakterisztikáját pedig a ábra. A 3.36a. ábra a p tip. a 3.36b. ábra pedig az n tip. Félvezetőből felépí- 34

35 tett bélyeg karakterisztikáját mutatja. A félvezetős bélyegek rezisztív tényezője így a nyúlási tényezője is - lényegesen nagyobb, mint a fémes bélyeg esetében láthattuk. A nyúlási tényező ez előbbinek lehet szorosa is. Figyelembe véve a kifejezést: g = b m, 3.46 ahol: dr r b =. dl l A β értéke függ az anyagtól attól, hogy milyen orientáció mellett volt kimetszve a kristályból a lemezke, így ennek megfelelően értéke között mozog. A félvezetős nyúlásmérő bélyegek előnyei közé tartozik a nagy érzékenység, kis méret és az, hogy az alapellenállás értéke adalékanyagokkal jól befolyásolható. Hátrányuk viszont, hogy a statikus karakterisztika nemlineáris, nem túl stabil, viszonylag alacsony a pontosságuk, hőmérséletfüggő és még a fémbélyegek hibái is fellépnek. A mérést befolyásoló hibaforrások között kell megemlíteni a ragasztásból, a ragasztó anyagból és a hőmérsékletváltozásból származó hibákat. Jó ragasztás esetén a ábra. Membránok deformációján alapuló mérés bélyegnek pontosan kell követni a mérendő test összes deformációját, mert ha nem követi, az azt jelenti, hogy a bélyeg csúszik, ami igen jelentős hibát okozhat. A ragasztó anyaggal szemben támasztott egyik fő követelmény, hogy kötés után jól tapadjon, ne változzon a térfogata, ne repedezzen, stb. Ügyelni kell a hőmérsékletváltozás okozta hatásra is, mert a hőmérséklet változása által okozott hiba egy nagyságrenddel nagyobb, mint 1 N/cm 2 mechanikai feszültségváltozás esetén. Ezért szükséges pontos méréseknél a hídba kapcsolás alkalmazása ábra. Mérőbélyegek felépítése 35

36 Hőmérsékletfüggő ellenállások A gyakorlati hőmérsékletmérési feladatok megoldásához a legkülönbözőbb hőmérőkre van szükség. A mérendő hőmérséklet helye sokszor távol van attól a helytől, ahol a mérés eredményére szükség van, sokszor egyidőben több helyen szükséges a mérési eredmény kijelzése; igen kis hőmérsékletkülönbségek ábra. Félvezető rétegek karakterisztikája egyszerű hőmérőkkel nem érzékelhetők. Ezért a hőmérő csak a legegyszerűbb esetben olyan eszköz, amelyen - a kívánt helyen elhelyezve - a hőmérséklet mérőszáma közvetlenül leolvasható. Ilyen pl. az üveghőmérő. A korszerű mérésnél és szabályozástechnikában azonban fizikai készülékek egész láncolatára van szükség, hogy a hőmérsékletet más, tovább vezethető, tárolható, erősíthető jellé átalakíthassuk, kijelezhessük vagy egyéb célra, pl. szabályozásra felhasználhassuk. Így a,,hőmérő szó gyűjtőnévvé vált. A hőérzékelő (mérő-átalakító) a hőmérőnek az a része, amely a hőmérsékleti jelet vele arányos, de további feldolgozásra szoruló jellé alakítja. Ilyen a gőznyomású hőmérő tartálya, amely a hőmérsékleti jelet, nyomásjellé alakítja át vagy a hőelem, amelynek kimenőjele feszültség. A hőérzékelő kimenőjelét vezeték továbbítja a kiértékelő műszerig. Továbbítás előtt vagy közben szükséges lehet a jel erősítése vagy átalakítása, amelyet mérőerősítőkkel, távadókkal végzünk. A jel kiértékelése mutató műszerekkel, digitális készülékekkel vagy más eszközzel történik, esetleg regisztrálásra kerül, vagy szabályozó szervekben használjuk fel. A hőmérőket elsősorban a hőérzékelők érzékelési módja szerint csoportosítjuk. Ez határozza meg ugyanis legnagyobb mértékben az alkalmazási lehetőségeiket, hibaforrásaikat. A hőérzékelőnek a mérés folyamán részben vagy egészben át kell vennie a mérendő test hőmérsékletét. Ez történhet: a, hővezetéssel (kondukcióval). Ilyenkor a mérendő test közvetlen, szoros érintkezésben van a hőmérővel, vezetés útján hőt ad át. A hőmérő kapacitásától, hővezetési képességétől függően a test hőmérsékleti viszonyait megzavarhatja. b, hőszállítással (konvekcióval). A hőmérő és a tárgy közvetlenül nem érintkeznek. A hőátadás a közöttük levő közeg, pl. gáz vagy folyadék áramlása segítségével történik. c, hősugárzás (radiáció) útján. A mérendő tárgy hőmérsékleti viszonyait általában ez zavarja legkevésbé. 36

37 Azokat a hőmérőket, amelyek vezetés útján veszik át a mérendő rest hőmérsékletét, érintkezéses hőmérőknek nevezzük. A hősugárzás segítségével működnek az érintkezés nélküli hőmérők. A hőszállítással történő hőátadás - következményei szempontjából - inkább az érintkezéses hőmérők csoportjához áll közelebb. A különféle típusú hőmérők működési elvükből, anyagi minőségükből eredően nem minden hőmérsékleten működnek megfelelő érzékenységgel és stabilitással. Így pl. az üveghőmérők alkalmazását magasabb hőmérsékleten az üveg szilárdsági tulajdonságainak romlása, az optikai pirométerek használatát alacsony hőmérsékleten a hőmérsékleti sugárzás intenzitásának rohamos csökkenése korlátozza. Az egyes mérési tartományokban pontosság, stabilitás, érzékenység, méretek, kezelhetőség, alkalmazási lehetőségek szempontjából legkülönbözőbb mérőeszközöket használunk. A nemzetközileg elfogadott K és C egységeken kívül más egységek is vannak még használatban. Különösen az angolszász országokban alkalmazzák még a Fahrenheités a Rankin-skálát. Az egyes használatos hőmérsékletskálák közötti összefüggések a következők: T( K) = υ. ( C)+273,15, υ( R) = υ. ( F)+459,67, υ( F) = 5 9. υ( C)+32, υ( R) = 5 9. T( K). Ebben a részben csak a hőmérsékletfüggő ellenállásokkal foglalkozunk. A hőmérsékletfüggő ellenállások hőmérsékletváltozást alakítanak ellenállás-változássá. Blokkvázlatát a ábra mutatja. Többféle anyagból készíthető, mindegyikkel szemben támasztott követelmények a következők: nagy legyen a hőmérsékleti tényezője és a fajlagos ellenállása, minél lineárisabb legyen a karakterisztikája és legyen ábra. Hőmérsékletfüggő ellenállások blokkvázlata stabil. A hőmérsékletfüggő ellenállásoknál felhasznált anyagok lehetnek fémes vezetők, félvezetők. Függetlenül az anyagoktól a hőmérsékletfüggő ellenállásokat ellenállás hőmérőnek szokás nevezni. 1. Fém ellenállás hőmérők A fémek fajlagos ellenállása (ρ) a hőmérséklettel a következő összefüggésben van: ( Mathiessen-egyenlet): ρ T = F(T) + c, ahol T az abszolút hőmérséklet és c állandó. Az F(T) jellemzi az adott fém termikus tulajdonságait. Nagysága a hőmérséklettől függ és az abszolút nulla hőmérséklet felé közeledve szintén nullához tart. A második tag az anyag tisztaságától, rácsszerkezetének hibáitól függő állandó. Az előző Mathiessen-egyenletből következtethető, hogy az ellenállás-hőmérők 37

38 jelleggörbéinek egyöntetűsége elsősorban a nagy tisztasággal és mechanikai feszültségmentességgel biztosítható. Látható, hogy ezeknek a hibáknak a befolyása alacsony hőmérsékleten jelentősen megnő, így itt olyan ellenállás-hőmérők jelleggörbéi is eltérést mutatnak, amelyek magasabb hőmérsékleten jól fedik egymást. Látható tehát, hogy a vezetők ellenállása függ a hőmérséklettől, vagyis R=R(υ). Fejtsük ezt Taylor sorba és hanyagoljuk el a sor magasabb rendű tagjait, kapjuk: R ( J ) = R 0 ( 1 + a J), ahol: R 0 - a υ 0-0 o C - on mért ellenállás, α - 0 o C hoz tartozó együttható. Megjegyzés: A precíziós méréseknél figyelembe kell venni a magasabb rendű tagokat is. Elsőfokú közelítés esetén az érzékenység: É = R 0. α. Az α értékeit mutatja néhány anyagra a 3. táblázat: Anyag α [1/⁰C] Alumínium Higany Nikkel 6, Platina 4, Réz 4, Vas (2...6) Wolfram Manganin táblázat A hőmérsékleti tényező számítása a gyakorlatban a következő módon történik: 1 R100 - R a = 0 R ábra. Ellenállás-hőmérséklet függvény ahol: R 0 és R 100 bármilyen hőmérsékleten mérhető, a fontos csak az, hogy a két érték 100 ⁰K-el különbözzön egymástól. A ábra mutatja az ellenállás értékét a hőmérséklet függvényében, a ábra pedig néhány fém ellenállásváltozásának értékét a hőmérséklet függvényében. A kivitelét illetően a fém ellenállás-hőmérő általában kerámiákra, csillámra tekercselt fémhuzal. Leggyakrabban platinát, nikkelt és rezet használnak. 38

39 - Platina ellenállás-hőmérő Ellenállás-hőmérőkhöz legáltalánosabban használt és legjobban bevált anyag a platina. Rendkívül korrózióálló, ebből a szempontból minden más ellenállás-hőmérő anyagot felülmúl. Ezt a tulajdonságát magasabb hőmérsékleten is megtartja. Olvadáspontja magas (1769 C), így széles hőmérséklettartományban alkalmazható. Fajlagos ellenállása viszonylag nagy, az aranyénál, rézénél többszörösen magasabb. Ez lehetővé teszi kisméretű érzékelők készítését. Huzallá jól húzható; ellenállása független a külső nyomástól. Igen stabil, hiszterézise gyakorlatilag nincs. A hőmérséklet és a platinahőmérő ellenállása közötti összefüggés viszonylag egyszerű. 0 C és 630,5 C között érvényes a következő egyenlet: 2 ( + A ) J + R J = R0 1 B J, ahol: R υ a hőmérő ellenállása υ C - nál, R 0 a hőmérő ellenállása 0 C - nál, A és B állandók. Ez a másodfokú egyenlet 0 C alatti használatra egy harmadfokú taggal bővül ki. 2 3 R J = R0 [ 1+ A J + B J + C( J -100) J ], ábra. Ellenállások hőfokfüggése ahol: C további állandó. Az állandók értékei nagy tisztaságú platina esetén megközelítőleg az alábbi értékek: A = 3, , B= - 5, , C = - 4, Az előbbi egyenleteknek különleges jelentőséget és fontosságot ad, hogy a Nemzetközi Gyakorlati Hőmérsékletskála az alappontok közötti hőmérsékletet definíciószerűen ezen egyenletekkel határozza meg. Az egyenletek állandói a fixpontokon való mérésekkel határozhatók meg. Nagypontosságú méréseknél ezek: a víz harmatpontja (+0,0100 C), a víz forráspontja (100,000 C), és a cink dermedéspontja (419,505 C). Meghatározhatók azonban más három hőmérsékletnél is, amelyek elegendő távolságra vannak egymástól. Gyakorlatban többször előfordul, hogy más, etalon ellenálláshőmérővel történő összehasonlítása útján nyerünk három hőmérséklet ellenállás értékpárt, s a további kalibrálás, ill. interpolálás céljaira ezekből határozzuk meg az egyenlet állandóit. Ha szűkebb tartományban használjuk az ellenállás-hőmérőt, elegendő a tartományt közrefogó két pont- 39

40 ban kalibrálni, s az egyenlet magasabb fokú együtthatóit az átlagértékkel helyettesíteni. Így 0 C alatti méréseknél, s olyan platinánál, amelynek α tényezője 3, , B értékét -5, nek vehetjük, s csak R 0 - t, A - t és C - t határozzuk meg mérésekkel C tartományban B szintén az ismertetett számértékkel helyettesíthető, s elegendő R 0 és A meghatározása. R 0 értéke a 0,00 C -on történő mérésből közvetlenül, a +0,01 C-nál végzett mérésből 0 C-ra történő korrigálással kapható meg. (R 0 R 0,01 A. R. 0,01 0,01). Első közelítésben itt A = 3, érték vehető. Ha a később kiszámított érték nem tér el jobban, mint 1%, a hiba nem haladja meg az fokot. A többi állandó számítása: 1 æ R - - ö = ç 1 R2 J 2 R2 R0 J A - 1 J2 -J1 è R0 J1 R0 J2 ø és 1 æ R ö ç 1 - R0 1 R2 - R0 1 B = -. J2 -J1 è R0 J1 R0 J2 ø ahol: υ 1 és υ 2 a kalibrációs hőmérsékletek. C - értéke könnyen kiszámítható a egyenlettel, ha A - t és B - t már ismerjük, s ismeretes a hőmérő egy harmadik, lehetőleg az oxigén forráspontján (-182,97 C) mért R 3 ellenállása; nagysága kb. - 4, A gyakorlatban általában az a helyzet, hogy egy mérés során kapott R υ értékből a hőmérsékletet szeretnénk meghatározni. A ből kifejezhető képlet: 1 2 A é æ A ö R ú ú ù J R J = - - êç +, B ê ë è B ø R B û eléggé bonyolult és különösen a négyzetgyökvonás miatt számológépi számításra kevéssé alkalmas. A gyakorlati számításhoz három módszer javasolható: a Callendar-formula alapján történő számítás, táblázat alapján történő számítás és a hőmérő ellenállásának több ponton történő mérése alapján. A kivezető huzalok anyaga többnyire réz, vagy ezüst. Ellenállásuk a környezeti hőmérséklettől ( s nem a mérendő hőmérséklettől) függően változik és a mérést meghamisítja. Ezért ellenállásuk nem lehet több, mint az R 0 1%-a. Olyan kivezetőhuzalok ellenállása, amelyeket a hőmérséklet nem befolyásol, nagyobb is lehet. Ilyen pl. a manganin, vagy bizonyos nikkelkróm ötvözetek. A kivezetések szigetelése megvalósítható üveg, kvarc, alumínium-oxid csövecskékkel, kettős vagy többfuratú keramikus csövekkel. A legjobb hőmérőknél az átvezetések csökkentése végett a vezetékeket néhány centiméterenként elhelyezett, négylyukú tárcsákkal szigetelik. A platina hőmérőt ⁰C tartományban használják. Az ellenállás változása 100 ⁰C-ra kb ábra. Ellenálláshőmérők kivitele 40

41 40%, ellenállása 0 ⁰C-on 100 ohm. Előnye, hogy lineáris karakterisztikával rendelkezik. - Nikkel ellenállás-hőmérő A drága platina pótlására legalkalmasabb a nikkel. A korrózióval szemben ellenálló, de a platina minőségét nem éri el. Különösen sav-gőzökkel, ammóniákkal szemben érzékeny. Ol-vadáspontja elég magas, de már C körül fellépnek ma-radó változások elekt-romos ellenállásban. 100 C +300 C között alkalmazható hő-mérőként, azonban csak lényegesen szű-kebb tartományban tekinthető megbízhatónak. A szabvány C között engedélyezi használatát, 180 C-ig pedig csak igen rövid ideig tartó mérésekhez. A felső határ túllépése, ill. a túlterhelési tartomány rendszeres kihasználása esetén maradó változásokkal kell számolni. Hőmérséklettényezője a legmagasabb a hőérzékelőként alkalmazott fémek között, 6, ± ábra. Ellenálláshőmérők szerkezeti kialakítása 0, Mint karbonil-nikkel, igen tisztán előállítható. A szennyeződések erősen befolyásolják villamos vezetőképességét. Ezért az α egyes huzalgyártmányoknál 5,4 6, értékeket is elérheti. A nikkel hőmérséklet ellenállás összefüggése csak bonyolult egyenletekkel jellemezhető, ezért a gyakorlatban, a kísérletileg megállapított értékeket táblázatban foglalják össze. Az ellenállás-változása 100 ⁰C - ra kb. 60 % - nyi. Ellenállása 0 ⁰C-on 100 ohm. Előnye a platinához képest, hogy olcsóbb és a hőmérsékleti együtthatója nagyobb, hátránya viszont, hogy karakterisztikája nemlineáris. - Réz ellenállás hőmérő Mérési tartománya ⁰C tehát az előzőekhez képest szűk. Az ellenállás változás 100⁰C hatására kb. 40%. Ellenállása 0 ⁰C-on 10 ohm. Előnye, hogy olcsó és lineáris karakterisztikával rendelkezik, hátránya, hogy magas hőfokon nem használható, 41

42 3.42. ábra. Egyéb kiviteli megoldások kis értékű ellenállások készíthetők belőle és fajlagos ellenállása kicsi és csak oxidálódik. A fémellenállás hőmérők szerkezeti kialakítására mutat példát az ábra. Látható, hogy az ellenálláshuzal mindkét esetben csillámra van csévélve. Üvegrúdra, vagy üvegcsőre csévélt ellenállás-hőmérőt mutat az 3.41.ábra. Hasonló megoldásokat mutat az ábra is. Az 3.42c. ábrán bifilláris tekercselés látható. A fém ellenállás-hőmérők, közös tulajdonságaik: - Pontosság: ipari méréseknél 0,5...1,0 %, precíziós mérésnél 0,05 % - Időállandók: 0,05 sec...néhány perc, a szerkezettől függően. - Maximális áram: 10mA. Ha túl nagy az áram, akkor az melegíti a platinaszálat, ezért korrekciót kell végrehajtani a következő módon: I 1 áram esetén a mért hőmérséklet υ 1 I 2 áram esetén a mért hőmérséklet υ 2 Ezzel a tényleges hőmérséklet: 2 I J = J ( ) J2 -J I1 - I2 A fém ellenállás hőmérők előnyei a jó mérési pontosság, lineáris karakterisztika, jó mechanikai ellenálló képesség, hátránya a viszonylag nagy mérete és az, hogy segédenergiát igényel. 42

43 2. Félvezető ellenállás-hőmérők Működésük fizikai alapjai a következők: a, Ellenállás függése a hőmérséklettől: b R = a et, ahol: a - anyagállandó, b - energiaállandó és T = abszolút hőmérséklet. Az ellenállás növekvő hőmérséklettel csökken, amelyet az ábra mutat. A b értéke a következő módon számítható: T1 T2 R b = ln 1. T2 - T1 R Illetve az a értékének számítása: ábra. Félvezető ellenállás karakterisztikája Érzékenység: b É T = -R. 2 Az átalakítási tényező: b S = T Szokásos katalógusadat: É b - R T a = =, ami megfeleltethető a fémek hőmérsékleti tényezőjének. Az ellenállás hőmérsékletfüggését leíró egyenlet még a következő alakú is lehet: ábra. A hőmérő I_U karakterisztikája 43

44 æ ö = 0 exp b b R R ç -, è T T 0 ø ahol R 0 a T 0 hőmér-sékleten mért ellenállás. Lényeges még az I-U ka-rakterisztika ismerete, amelyet a ábra mutat. és amelynek matematikai alakja implicit formában: æ b U = I a exp ç èu I R ahol: R T - termikus ellenállás T + T 0 ö, ø DT R T =, P ahol: T - abszolút hőmérséklet különbség, P - teljesítmény (P = U. I) Ha a környezeti hőmérséklet T 0, akkor adott P villamos teljesítmény hatására: T = P RT + T Az U-I karakterisztikát szokásos még log-log koordinátarendszerben ábrázolni az ábra szerint, ami azért lehetséges, mert: U R = lg R = lgu - lg I lgu = lg I + lg R I Az állandó ellenállásnak 45 o -os egyenesek felelnek meg és a tengelymetszet lg R értéknél következik be, vagy: U P = lg P = lgu + lg I lgu = - lg I + lg P I Az állandó teljesítménynek -45 o -os hajlásszögű egyenes felel meg és a tengelymetszet lgp A Félvezető ellenállás-hőmérő anyagai: - nehézfémek ötvözetei, oxidjai - Si és Ge tiszta, vagy szennyezett formájában 44

45 3.45. Karakterisztika log-log rendszerben. Olyan ellenállás hőmérő, amely a P-U átmenet záró irányú ellenállást használja, a következő összefüggéssel rendelkezik: I = I 0 exp c ( J -J 0 ) ahol: I - záróirányú áram, c - eszközre jellemző állandó, υ - pillanatnyi hőmérséklet, υ 0 - környezeti hőmérséklet és I 0 = záróirányú áram υ 0 hőmérsékleten ábra. Termisztorok kialakítása A termisztorok gyakorlati kialakítására mutat példát a ábra. A 3.49.ábrán ábra. Termisztorok kialakítása 45

46 látható termisztort az átfolyó áram fűti, így ez a típus felhasználható olyan folyamatok vizsgálatára, ahol hőcsere zajlik (pl. áramlásmérésnél), amely folyamatot termoanemometriának nevezzük. A termisztorok jellemző adatai: ellenállása 25 o C on néhány száz ohm-tól néhány kohm-ig terjed, az ellenállása 80 o C-on a 20 o C-on mért érték 5/8-ad része, a maximális teljesítmény néhány 10mW-tól 10-2 szekundumtól néhány perc között változik. Fő problémája, hogy csak nagy szórással készíthetők ezért cseréjük során végül ismételt hitelesítést kell végrehajtani, a mérési tartománya o C között lehetséges. A termisztorok előnyei a viszonylag nagy érzékenység, kis időállandó és jó mechanikai tulajdonságok. Hátrányai a nemlineáris karakterisztika, nagy gyártási szórás és magas hőmérsékleten nem használható. A leírtaknak megfelelően félvezetős ábra. Termisztorok kialakítása ábra. Termisztorok kialakítása hőmérséklet-érzékelő ellenállások három fajtája terjedt el, a negatív karakterisztikájú (NTK), a pozitív karakterisztikájú (PTK) és a terjedési ellenállás alapú szilícium hőmérsékletérzékelők Az NTK (negatív hőmérsékleti együtthatójú) termisztorok fémoxidok keverékéből szitereléssel készülnek. Ez a technológia lehetővé teszi a kiviteli formák sokféleségét, az olcsó, nagy tömegű gyártást. Többféle kivitelben készülnek: gyöngytermisztorok, tárcsatermisztorok, rúdtermisztorok, morzsatermisztorok stb. Az egyes termisztorfajták között, de a fajtákon belül is jelentős méreteltérések vannak. A gyöngytermisztorban például gombostűfejnyi nagyságú termisztor massza van, többnyire védő üvegcsőbe forrasztva. A tárcsatermisztorok különböző átmérőjű és vastagságú oxidpasztillák, amelyek kivezetéssel, védőlakk burkolattal vagy fémszerelvénnyel kiegészítve készülnek. A rúdtermisztorok hossza és átmérője is tág határok között változhat. A morzsatermisztorok ónozott kontaktusfelületű, apró hasáb alakú alkatrészek, amelyeket főleg hibrid integrált, és felületen szerelt (SMD) áramkörök használnak fel. A termisztorok viselkedését jelleggörbéik ismertetésével lehet követni. A legfontosabb az ellenállás-hőmérséklet jelleggörbe. Az NTK termisztorok ellenállását hőmérsékleti 46

47 hatással kétféle módon lehet befolyásolni: a környezeti hőmérséklet változtatásával és a termisztorba betáplált teljesítmény (az átfolyó áram) növelésével. Egészen kis áramerősség az NTK termisztort nem melegíti észre-vehetően a környezetnél magasabb hőmérsékletre. Ilyen feltételek mellett kell felvenni a termisztor terheletlen ellenállását. A különböző hőmérsékleteken mért terheletlen ellenállások összefüggése az ellenállás-hőmérséklet jelleggörbe. A ábrán tüntettük fel az NTK termisztor ( b jelű), a PTK termisztor ( c jelű), a terjedési ellenállás alapú szilíciumérzékelő ( d jelű) és összehasonlításul a platina ellenállás hőmérő ( a jelű) jelleggörbéit. A jelleggörbe jellegzetes tulajdonságait hasznosítják működésük közben az NTK termisztort tartalmazó feszültség stabilizátorok, parametrikus erősítők, kisfrekvenciás oszcillátorok, szintszabályzók stb. A termisztorok fontos paramétere még a termikus időállandó. A termisztor saját, és szerelvényeinek tömege, hőszigetelő tulajdonságai miatt csak késéssel reagál a hőmérsékletét megváltoztató hatásokra. A termikus hőtehetetlenségét a termikus időállandó jellemzi: (t th). Az időállandó azt az időt jelenti, amely szükséges ahhoz, hogy a termisztor és a környezete közötti hőmérséklet-különbség a 63,2%-ot elérje. Az időállandó nagyságát a termisztor hőtehetetlenségén kívül a környezeti hatások is befolyásolják. Emiatt nem szükségképpen azonos a lehűlési és a felmelegedési időállandó értéke. A katalógusokban megadott érték nyugvó levegőben mért lehűlési idő, amely néhány másodperctől száz másodpercig terjedhet ábra. Különböző típusú hőmérő jelleggörbéi Szabályozástechnikai célokra használt NTK termisztoroknál az áramkör működése szempontjából az a döntő, hogy mennyi idő alatt ér el a kikapcsolt termisztor ellenállása egy olyan értéket, amelynél a folyamatot újra lehet indítani. Ebben az esetben hasznos tájékoztatást ad az úgynevezett feléledési idő. A feléledési idő az az időtartam, amennyi idő ahhoz szükséges, hogy a megengedett maximális terheléssel üzemelő, a környezetével termikus egyensúlyban lévő NTK termisztor kikapcsolása után arra a hőmérsékletre hűljön le, amelyen ellenállásának értéke eléri a szobahőmérsékleten mért ellenállása értékének felét. 47

48 A pozitív hőmérsékleti tényezőjű (PTK) termisztorok alapanyaga polikristályos báriumtitanát, amelyet kis mennyiségű fém-dioxid adalékok tesznek félvezetővé. Leggyakrabban használt adalékanyagok a stroncium és titán-oxidok. A PTK termisztorok legfontosabb tulajdonsága, hogy egy meghatározott hőmérséklet-tartományban ellenállásuk több nagyságrendnyit növekszik a hőmérséklet emelkedésével, vagyis nagy pozitív hőmérsékleti tényezőjűek. A hőmérséklet-tartomány, amelyben az ellenállás-növekedés fellép, mintegy 30 C 50 C és alsó határa az egyes PTK termisztorokra jellemző. A félvezető bárium-titanát alapú kerámiáknak ez a tulajdonsága az anyag ferroelektromos természetén és polikristályos szerkezetén alapul. A polikristályos ábra. PTK karakterisztikája anyag szemcsefelületein az előállítási technológia során zárórétegek alakulnak ki, amelyek potenciálgátat jelentenek a vezetési elektronok számára. A potenciálgátak magassága nem számottevő a Curie-pont alatti hőmérséklet-tartományban, így itt az egész anyag kisellenállású félvezető. A Curie-pont felett azonban csökken a permittivitása, ennek következtében a potenciálgátak magassága rohamosan nő, ez az anyag villamos ellenállásának hirtelen emelkedésével jár. A PTK termisztorok úgy készülnek, hogy az alkatrészek porából rúd, tárcsa, henger, stb. formát préselnek, majd sziterelnek. Az égetés 1000 C 1400 C-on történik. A lehűlt elemekre fémezéssel viszik fel a hozzávezető elektródákat, majd védőréteggel látják el. A PTK termisztorok legfontosabb jellemzője az ellenállás-hőmérsékleti karakterisztika, amely a ábrán látható. Megfigyelhető, hogy az eszköznek kis hőmérsékleti tartományban negatív hőmérsékleti együtthatója van, majd nagy meredekségű pozitív jellegre vált. A jelleggörbe ezen szakasza logaritmikus léptékben egyenesnek látszik, majd egy telítési tartomány következik. Az ábrán látható, hogy külső térerősség hatására az eszköz meredeksége csökken (varisztorhatás). A katalógusok megadják a PTK termisztorok kiválasztásához szükséges értékeket, többek között a meredek szakasz min. ellenállás ( R min) és max. ellenállás (R max) értékét, a hozzá tartozó hőmérséklet értékekkel ( T min, T max) együtt. A PTK termisztorokra is jellemző az áram-feszültség jelleggörbe, mely hasonló lefolyású, mint az NTK termisztoroké. A PTK termisztorok ellenállása frekvenciafüggő, az impedanciája csökken a frekvencia növekedésével. A PTK termisztorok, mint a legtöbb félvezető eszköz ugyanolyan exponenciális jelleggel veszi fel a környezeti hőmérsékletet, amelynek jellemzője az időállandó ( t th ). A PTK termisztor egyik tipikus alkalmazási területe a termikus védelem. A speciálisan ilyen alkalmazásra gyártott termisztorokhoz hozzárendelik még a feléledési időt (t r), amely alatt a 48

49 PTK termisztor eléri azt az ellenállásértéket, amelyre a hozzá kapcsolt vezérlőelektronika (feldolgozó-elektronika) működésbe lép. A termisztorok kivitele alkalmazkodik a felhasználási területhez, villamos motor, csapágy, hengertest, gépalkatrész, stb. termikus védelmére. A félvezető alapú ellenállásos hőmérséklet-érzékelők harmadik csoportját a terjedési ellenállás el ábra. Terjedési ellenállás felépítése vén alapuló eszközök képezik. Ezen hőmérséklet-érzékelők anyaga adalékolt szilícium. Nagy előnye a termisztorokkal szemben, hogy hasonló meredekség mellett linearitása lényegesen jobb, és olcsóbb. Az olcsó árat az biztosítja, hogy planáris technológiával gyártható, ha tetszik monolitikus integrált á- ramkör alakítható ki vele. Az eszköz további előnye, hogy a hozzávezetések helyének megváltoztatásával az ellenállás értéke széles határok között megváltoztatható. A hőmérsékleti tényező értéke a szobahőmérséklet körüli tartományban elsősorban az elektronok mozgékonyságának hőmérsékletfüggésétől függ. Az érzékelők kevésbé lineárisak a fémhuzal hőmérőknél, de sok esetben nincs is erre szükség. Az érzékelőket K hőmérséklettartományban gyártják, tokozott kivitelben. Működésének alapja, hogy a sziliciumkristály egy bizonyos hőmérséklettartományban a hőmérséklet növekedésével növeli a töltéshordozók megkötöttségét, ami az ellenállás növekedését okozza. Ezt az ellenállást a kristály előlapján elhelyezett hegyes érintkező és a nagy felületen fémmel bevont hátlap között mérik (3.52. ábra). Amíg a hegyes érintkező d csúcsátmérője a kristály D vastagságához és a fémbevonat felületéhez képest kicsi, addig az ellenállás értéke csak a fajlagos ellenállástól és a csúcssugártól függ. r R =. 2 d Nincs pn átmenete, mint a diódáknak és a tranzisztoroknak, feszültség polaritása mégis befolyásolja az áramot. A 3.52b. ábra szerinti szimmetrikus elrendezéssel ez a polaritásfüggőség eltűnik. Enyhén görbült jelleggörbével és pozitív hőmérsékleti együtthatóval rendelkezik (3.53. ábra). 150 o C-nál nagyobb hőmérsékleten szabad töltéshordozók képződnek és vezetővé válik A hőmérők tehetetlensége 49

50 A hőmérők mindig a saját hőmérsékletüket mérik. Amikor hőmérőt helyezünk egy rendszerbe, a rendszert megzavarjuk, tulajdonságait megváltoztatjuk, mert a hőmérő más hőmérsékletű, mint a rendszer, és a hőmérőnek is van hőkapacitása. Az egységnyi hőmérsékletváltozáshoz szükséges hőmennyiséget a test hőkapacitásának nevezzük: C = dq/dυ Mivel a hőcsere mértéke a folyamattól függ, ezért különböző folyamatokra a hőkapacitás értéke különböző lehet: gázoknál például ezért beszélünk izochor, izobár vagy egyéb kitüntetett folyamattípusokra vonatkozó hőkapacitásról. Homogén test hőkapacitása arányos a test tömegével, m-mel: C = c. m, ábra. Ellenálláshőmérséklet karakterisztika ahol: c az anyag fajhője. A hőmérő hőkapacitásának kicsinek kell lennie a rendszer hőkapacitásához képest, hogy a rendszer állapota kevéssé változzon. A hőmérő kis hőkapacitása azért is kívánatos, mert ez teszi lehetővé, hogy minél hamarabb a kívánt mértékben megközelítse a hőmérő hőmérséklete a környezet hőmérsékletét. Ezt röviden úgy is kifejezhetjük, hogy az a kívánatos, minél kisebb legyen a hőmérő tehetetlensége. A hőmérő tehetetlenségét az időállandóval ill. felezési idővel jellemezhetjük. Legyen a térben két -egymáshoz közel lévő- υ 1, ill. υ 2 hőmérsékletű felület, amelyek közötti teret valamilyen közeg tölti ki. Ekkor a közegben a hőáramsűrűség, J q közelítőleg arányos a dυ = υ 2 - υ 1 különbséggel: J q = a. dυ Az a együtthatót hőátadási tényezőnek nevezzük. Ezen összefüggés alkalmazásával határozzuk meg, hogyan változik a test hőmérséklete az idővel, ha hidegebb (vagy melegebb) közegbe kerül. A probléma megoldása egyszerű, ha teszünk néhány egyszerűsítő feltételt: - A test hőkapacitása (C) legyen a folyamat közben állandó. - A test hőmérséklete a folyamat közben időben változik (υ(t), de a test egészére legyen azonos, ne függjön a helytől. - A közeg hőmérséklete (υ k ) legyen a folyamat közben állandó érték. - A test és a közeg közötti hőátadási tényező (a) legyen a folyamat közben állandó. Ilyen feltételek mellett a (testből kifelé áramló) hőáram: másrészt: I q = dq dj = -C, dt dt 50

51 I q = J. q A = a. A (υ - υ k ), ahol: "A" a test felülete. A fentiekből kapjuk a C dj = - a. A (υ - υ k ), dt differenciálegyenletet, melynek általános megoldása: υ-υ k = [υ(0)-υ k ]. e -J t, ahol: υ = C. a A Ez a Newton-féle hőátadási törvény. A ból látható, hogy a hőmérsékletkülönbség exponenciálisan csökken, a t határesetben eltűnik: lim υ(t) = υ k A hőmérséklet-kiegyenlítődés sebességének jellemzője a t időállandó. Ez az az időtartam, mely alatt a test és környezete közötti hőmérsékletkülönbség az eredetinek "e"-ed részére csökken: υ(t) - υ k = [υ(0) - υ k ] / e. Mind a felmelegedési, mind a lehűlési görbe exponenciális. Az időállandó vagy karakterisztikus idő annál nagyobb, minél nagyobb a test hőkapacitása (a tömeg és a fajhő szorzata), minél kisebb a hőcserénél szóbajöhető felület és a hőátadási tényező. Szokásos t helyett a υ 1/2 felezési időt is használni (mely alatt a test és környezete közötti hőmérséklet-különbség az eredeti felére csökken): υ 1/2 = t. ln (2), amellyel a egyenlet a következő alakban írható: -t t1/ 2 υ-υ k = [υ(0)-υ k ) Hasonlóképpen definiálható harmadolási, stb. idő is Elektrolitos átalakítók ábra. Elektrolitos átalakító blokkvázlata 1 R = C k Elektrolitok a savak, sók és lúgok vizes oldatai, amelyek vezetők. Az elektrolitok többféle mennyiséget, így elmozdulást, szögelfordulást, hidrogénionkoncentráció változást alakít át ellenállássá. Ilyen átalakító blokkvázlatát mutatja a ábra. A elektrolit ellenállása:

52 ahol: κ - elektrolit fajlagos vezetőképessége, C - cellaállandó, amely a geometriai elrendezéstől függ. Kétféle módon változhat az ellenállás értéke: - Változik a cellaállandó, amely akkor következik be, ha az átalakítót elmozdulásra vagy szögelfordulásra használjuk. Ekkor a fajlagos vezetőképesség állandó. - Változik a fajlagos vezetőképesség, amely akkor következik be, ha változik az ionkoncentráció. Ekkor változatlan a cellaállandó. Elvi kialakításra mutat példát ábra. Az ábra jelölései: x -elmozdulás, α - szögelfordulás, δ -elektródatávolság ábra. Elektrolitos átalakítók elvi kialakítása Az elektrolitos jelátalakítók fő hibája, hogy a fajlagos vezetőképessége erősen hőmérsékletfüggő, hátránya még a helyzet és rázásérzékenység. Előnye viszont, hogy egyszerű felépítésű, kis méret és kis mérőteljesítmény Fotóellenállásos átalakítók A fotóellenállások a megvilágítás változásait alakítják át ellenállás változássá. Ennek blokkvázlata látható a ábrán. Vannak sajátvezető (intrinsic) és adalékvezető (extrinsic) fotoellenállások. Ezeket azonban itt nem tárgyaljuk külön. A működési elvének alapját a fotoemisszió jelensége képezi, amelynek lényege, hogy bizonyos fémek megvilágított részeiből elektronok lépnek ki. A másik alapvető fizikai hatás az ún. fotokonduktív hatás. Itt a félvezető ellenállása változik meg a fény hatására, mert töltések szabadulnak ábra. Fotoellenállás blokkvázlata fel a félvezetőben. Fotoemisszión 52

53 alapuló eszközök a fotocellák. Elvi vázlatukat a ábra mutatja. Fotocelláknál a katódot jó emisszióval rendelkező anyaggal vonják be, amelyről megvilágítás hatására elektronok lépnek ki és a pozitív anód felé haladva létrehozzák az áramot, amelynek értéke: I = c F, ahol: I - fotocella árama, c - arányossági tényező, Φ fényfluxus. A fotocellás átalakító karakterisztikája lineáris, az átfolyó áram így a kilépő elektronok száma is a megvilágítástól függ. Ez a magyarázata annak, hogy az ellenállás is változik, hiszen azonos feszültség mellett változik az átfolyó áram. A kilépő elektronok száma még függ a fény hullámhosszától és ettől függ a k arányossági tényező is. A katód anyaga ezüstoxidra felvitt céziumréteg, vagy bizmutoxidra felvitt ezüst-cézium- ötvözet, stb. Működése a látható fénytől az ultraibolya tartományig minden tartományban lehetséges. Az átfolyó áram μa nagyságú. Kétféle fotocellát különböztetünk meg; vákuum és gáztöltéses változatot. Karakterisztikái sorrendben a 3.58a. és 3.58b. ábrán láthatók. Hibaforrást jelent, hogy van ún. sötétárama vagyis teljesen sötétben is folyik áram illetve kis áramok miatt zajos. Előnyei: üzembiztos (régebben ez volt az egyetlen használható eszköz). Hátrányai közé tartozik a kis érzékenység, viszonylag nagy méret, kis sávszélesség és a nagy tápfeszültség. A fotóellenállások működése a fotokonduktív jelenségen alapul, amelynek alapja az ún. belső vezetés. Anyaga lehet szelén, germánium, szilícium, ólomszulfid stb. A fotóellenállás főbb tulajdonságait a 4. táblázat tartalmazza: Se Ge Si Ólomszulfid Kadmiums zul-fid Átlagos érzékenység ma/lumen Érzékenység hőmérséklet függése [% / o C] Sötétellenállás [Mohm] 0, , , ,5-0,2 0, , sz. táblázat ábra. Fotocella felépítése 53

54 3.58. ábra. Fotocellák karakterisztikái Legfontosabb tulajdonságai anyagai szerint: a, Szelén (Se): Széles hullámhossztartomány, jelleggörbe nemlineáris, tehetetlensége elég nagy. b, Kadmium-Szulfid (CdS): Napjaink leggyakrabban alkalmazott anyaga, amelynek monokristályos és polikristályos változata létezik. Az előbbi szűkebb, az utóbbi szélesebb tartományban mutat jelentősebb érzékenységet. A polikristályos változat jó fedésben van az emberi szem hullámhossz érzékenységével. Karakterisztikája széles tartományban lineáris. Hátránya, hogy kis megvilágításnál elég nagy az időállandója, tehát néhány száz Hz-nél nagyobb frekvenciával nem modulálhatóak. c, Kadmium-Szelenid (CdSe) : Az infravörös tartományban mutatnak nagy érzékenységet. Meredekségük a CdS-hez képest 5 10 szeres. Viszonylag nagy a hőmérséklet függése. Az átviteli görbéje nemlineáris. A tehetetlenségi időállandója elfogadható értékű. 54

55 d, Ólom-Szulfid: Többnyire az ipari méréstechnikában alkalmazzák, mert gyors működésűek. Spektrális érzékenysége főként az infravörös tartományba esik. Az ólom ábra. Fotoellenállások elvi felépítése szulfidnak van egy különleges tulajdonsága, a hőmérséklet érzékenysége nem csak az amplitúdóra vonatkozik, hanem a hullámhosszra is kihat, ezért pirotechnikai alkalmazásoknál termosztátba kell helyezni. e, Ólom-Szelenid: Az infravörös tartomány legjobb tulajdonságú optikai érzékelője. Időállandója kicsi. A jelleggörbének két maximuma van. Infravörös tartományban van a legnagyobb érzékenysége ábra. Ellenállás változása a megvilágítás függvényében 55

56 A fotóellenállás elvi vázlatát és elvi kialakítását mutatja a ábra. A fotóellenállások ellenállása annál kisebb, minél nagyobb a megvilágítás, ami azért lehetséges, mert a félvezető rétegben töltéshordozók száma a megvilágítás nagyságával nő. A ábrán látható a fotóellenállás ellenállásának változása a megvilágítás függvényében. Minden fotóellenállás egy adott hullámhosszon éri el a legnagyobb érzékenységet. A hullámhossztól függő érzékenységet spektrális érzékenységnek nevezzük. Ezt mutatja a ábra. Vannak olyan fotóellenállások, amelyek a kék, zöld, narancs, vagy éppen a vörös tartományban érzékelnek, de vannak olyanok is, amelyek az infratartományban. Katalógusok megadják a sötét és világosellenállás értékét. A világosellenállást ábra. Fotoellenállások spektrális érzékenysége 1000 lx. megvilágításhoz adják meg. Az I-U karakterisztika a ábrán látható. Előnyei a kis méret, viszonylag nagy áram, elég nagy sászélesség és jó illeszthetőség a félvezető elektronikához, hátránya viszont a nem-lineáris karakterisztika. A rezisztencia-változási tényezőt a sötétellenállás és világos ellenállás arányával fejezzük ki. Az s index a sötét állapotra, az e index az üzemi feszültség melletti állapotra vonatkozik ábra. I-U karakterisztika Rs Ie K = = Re I s Az I S a sötétáramot, I e az eredő áramot jelenti. A megvilágítás hatására bekövetkező áramnövekedést üzemi feszültség mellett fotoáramnak nevezzük: I Φ = I e I S. A fotoáram és az azt kiváltó fényáram arányát áramérzékenységnek nevezzük ábra. Fotodióda elvi felépítése S i I - = F I = e I s F F 56

57 Fotodiódák A fotodióda félvezető dióda, amelynek pn-átmenete jól átereszti a fényt. Gyártanak szilícium és germánium fotodiódát (3.63. ábra). működtetik. Viszonylag széles tértöltési zóna keletkezik, és ha a tértöltési zónát nem éri fény, akkor csak nagyon kicsi zárási áram folyik. A zárási áram nagysága sötétben a fotodiódát zárótartományban normális Si-, ill. Ge-diódák zárási áramának felel meg. Fény hatására kötéseikből elektronok szabadulnak fel. Ahol a kristálykötés felszakad, egy szabad elektron és egy lyuk, azaz két szabad töltéshordozó keletkezik. A keletkezett töltéshordozók kikerülnek a zárórétegből. A ábra. Fotodióda elvi felépítése között lineáris összefüggés áll fenn (3.64. ábra). A fotodiódák ezért különösen jól alkalmazhatók fénymérésre. A zárási áram a megvilágítás erősségének változásaival majd-nem egyidejűleg változik. A ábra mutatja a fotodióda spektrális érzékenységét. Fő jellemző adat a fényérzékenység. Azt adja meg, hogy az I R zárási áram hány na-rel növekszik a megvilágítás 1 lx-os növekedése hatására. Megadják továbbá a maximális fényérzékenység λ ES hullámhosszát. Az f g határ-frekvencia és a C S zárórétegkapacitás szintén fontos adat. zárási áram néhány nagyságrenddel növekszik. A zárási áram és a beeső fény ábra. Fotodióda spektrális érzékenysége Különösen jelentős az I d sötétáram, amelyet meghatározott zárófeszültségre adnak meg. Mindezeken kívül még fontos jellemző a fényérzékeny felület nagysága (A L ). A fotodiódákat a zárási áram és a megvilágítás erőssége közötti lineáris összefüggés miatt túlnyomórészt mérési célokra alkalmazzák. Nagyon kisméretűek lehetnek, így alkalmazásukkal nagy alkatrészsűrűség érhető el. A fotodiódák további alkalmazási területe a vezérlés- és szabályozástechnika. Ott, ahol a fotoellenállások nagy tehetetlenségük miatt nem építhetők be, fotodiódákat alkalmaznak. Ha a Si-fotoelemeket és fotodiódákat összehasonlítjuk, sok hasonlóságot fedezhetünk fel közöttük. A fotodiódák fotoelemként is alkalmazhatók, ha nem helyezzük feszültség alá, így világítás hatására feszültséget képesek leadni, hatásfokuk azonban rosszabb, mint a fotoelemeké. 57

58 Fototirisztorok A négyrétegű pnpn fotodióda (fototirisztor) felépítését, helyettesítő modelljét és áram-feszültség jelleggörbéjét a ábra tünteti fel. Ez felfogható egy pnp és egy npn tranziszor összekapcsolásaként a (b) ábrán látható kötésekkel. Telepet kapcsolva a kivezetésekre, a feszültségviszonyok olyanok lesznek, hogy a két külső átmenet nyitóirányban, míg a belső átmenet zá ábra. Fototirisztor I-U jelleggörbéje róirányban polarizálódik. A belső átmenet nagy ellenállást képvisel mindaddig, amíg az alkalmazott feszültség el nem éri a letörési feszültséget. Ezt az ábra. Fototirisztor elvi felépítése értéket túllépve hirtelen megnő az átmeneten folyó áram és lecsökken az eszköz sarkain mérhető feszültség. Az áram-feszültség jelleggörbe tehát két különálló tartományra oszlik, amelyet negatív ellenállású szakasz köt össze. A letörési feszültség elérése előtt az eszközön csak a belső pn átmenet záróárama folyik át, amely igen csekély; a tirisztor ekkor jó közelítéssel szakadásnak tekinthető. Letörés után ellenben az átfolyó áramot csak a kristálytömbök soros ellenállása korlátozza, tehát az eszköz rövidzárnak felel meg. A két állapot: a szakadás és a rövidzár, valamint a kettő közötti éles átmenet, kapcsolókhoz teszi hasonlóvá a négyrétegű diódát, amely kikapcsolt állapotban végtelen nagy el-lenállást és bekapcsolt állapotban rövidzárt jelent. A kétféle állapot közötti átbillenést nem csak a letörési feszültség elérésével lehet megvalósítani, hanem úgyis, hogy a tirisztorba töltéshordozókat injektálunk, amelyek hatására a belső átmenet megnyit. A fototirisztoroknál az injektálás fénnyel történik, az eszköz tehát fényjellel vezérelhető kapcsolónak fogható fel. Az eszköz vezérlésénél valamelyik belső n, ill. p réteget világítjuk meg; a négyrétegű dióda készítésénél ezt a réteget elég keskenyre kell kialakítani ahhoz, hogy a felület közelében gerjesztett töltéshordozók is elérjék a belső pn átmenetet. A ábra megvilágított fototirisztor konstrukcióját és áram-feszültség jelleggörbe-seregét szemlélteti. Az ábrából látható, hogy a megvilágítási szint növelésével mind kisebb és kisebb zárófeszültségnél kapcsol át az eszköz. Az egyes tirisztortípusok előállítási technológiája egymástól abban különbözik, hogy hány átmenet készül ötvözéssel, ill. diffúzióval. A legkorszerűbb változatok kizárólag diffúziós átmeneteket tartalmaznak. 58

59 Mágneses ellenállásos átalakító (mágnestérlemezek) (MDR) A térlemezek olyan félvezető ellenállások, amelyeknek az ellenállása mágneses térrel vezérelhető. A mágneses térlemez ábra. Mágnestérlemez felépítése felépítése a ábrán látható. A térlemezek lehetnek fémes típusúak (E típus) és műanyag típusúak (K típus). Az E ábra. Áramút kis B értéknél ábra. Áramút mágnestér nélkül típus hordozóanyaga nagy permeabilitású ferromágneses anyag. Az ebből készült hordozóalapra szigetelőanyagot visznek fel, és ezen van a félvezető réteg. A K típus hordozóanyaga műanyag vagy kerámia. A hordozóra, amely rendesen kb. 0,1 mm vastagságú, indium-antimonid réteget visznek fel (szokásos rétegvastagság 25 µm). Az indium-antimonid nikkelantimonid szálakat tartalmaz, amelyek nagyon jó vezetőképességűek (fémes ábra. Áramút nagy B értéknél vezetés). Ezeket a szálakat a ábra ábra. B-R karakterisztika szerint rendezik el. A méretek megválasztásától függően az ellenállás értéke mágneses tér nélkül néhány ohm-tól néhány kohm-ig terjed. Ha nincs jelen mágneses tér, akkor az áramútja a 3.69.ábrán bemutatottak szerint egyenes vonalú. Mágneses tér hatására a töltéshordozók lefelé 59

60 kényszerülnek Az egyik fémes vezetőszálról a másikra ferde pályán lépnek át (3.70.ábra). A vezetőszálak rövidzárási hidakat képeznek. Az eltérő töltéssűrűség a hidakon keresztül azonnal kiegyenlítődik. Az elektronokat eltérítő erő annál nagyobb, minél nagyobb a mágneses fluxussűrűség. A fluxussűrűség növekedésével az áram útja egyre ferdébb lesz, az út hossza pedig egyre nagyobb ábra). Az áram úthosszának növekedése azonban a térlemez ellenállásának növekedését jelenti. A ábra egy térlemez ellenállásának változását mutatja a B mágneses fluxussűrűség függvényében. A mágneses tér irányának az ellenállás nagyságára nincs hatása. Az adott mágneses térerősség esetén keletkező ellenállás ohmos ellenállás, azaz az áram és a feszültség között lineáris összefüggés áll fenn. Jellemző adatai: R 0 az alapellenállás mágnestér nélkül, R B az ellenállás mágnestér hatására, az R B /R 0 a relatív ellenállás változás és még megadják a hőmérsékleti tényezőt 25 C-on Mágnesdiódák A mágnesdiódák olyan diódák, amelyeknek az ellenállását külső mágneses térrel változtatni tudjuk. A mágnesdiódák germániumból és szilíciumból készített félvezető elemek. A kis germániumlap egyik végébe p zónát, a másikba pedig n zónát visznek be dotálással. A két zóna között viszonylag nagy tisztaságú réteg marad ábra). Ennek a zónának csak kicsi vezetőképessége van, ez az un. saját vezetőképesség vagy i vezetőképesség. Az i vezetőzóna egyik szélét oly módon szennyezik, hogy ott a töltéshordozóknak erős rekombinációja mehessen végbe. Ez az un. rekombinációs zóna (R zóna) elnyeli a töltéshordozókat. A kristálylapot érintkezőkkel látják el és tokozzák. Egy tokba gyakran két diódát helyeznek el, mivel a mágnesdiódákat sokszor kettős diódaként építik be. Mágneses tér hatására az e- lektronok az R zóna felé vagy azzal ellentétes irányba elhajlanak (a mágnestér polaritásától függően). Az R zónában ábra. Mágnesdióda B-R karakterisztikája ábra. Mágnesdióda felépítése kerülő töltéshordozók rekombiálódnak, azaz az elektronok és lyukak egyesülve megsemmisítik egymást. Az elektronok és lyukak ezzel, mint szabad töltéshordozók megszűnnek. Minél több szabad töltéshordozó tűnik el, annál nagyobb lesz a mágnesdióda ellenállása. A B mágneses fluxussűrűséggel a rekombináció gyakorisága vezérelhető. A rekombináció gyakoriságának növekedése töltéshordozó- 60

61 ritkuláshoz és ezáltal a mágnesdióda ellenállásának növekedéséhez vezet. A ábra az elleállásnak a mágneses fluxussűrűség függvényében való változását mutatja. A mágnesdiódák ellenállása erősen hőmérsékletfüggő Feszültségfüggő ellenállások (VDR) A VDR (másként még elektromos tér vezérelt) ellenállások (varisztorok) sziliciumkarbidból, vagy cinkoxidból (ZNR- Zinc Oxide Nonlinear Resistor) készített ellenállástárcsák, amelyek jelleggörbéje nemlineáris (3.75. ábra). Az ellenállásérték növekvő feszültséggel csökken. Az áram-feszültség görbe egyenlete: 1 æu ö b I = ç. è C ø ábra. feszültségfüggő ellenállás karakterisztikája Jellemző adatok: C - az alapellenállás jellemzője, β - az áramnövekedés meredekségének mértéke (0,3 0,5), P max - maximális terhelés. 61

62 4. Fejezet Kapacitív jelátalakítók. A kapacitív jelátalakítók feladata az elmozdulás, hosszúság, szögelfordulás átalakítása kapacitássá. A jelátalakító blokkvázlata a 4.1.ábrán látható. 4.1 Kapacitás számításának módjai általában Ismert, hogy: Q = i t Az erő: F = Q E, 4.2. ahol: E -arányossági tényező, ami az elektromos térerőt jelenti, 4.1. ábra. Kapacitív érzékelő blokkvázlata vagyis a hosszegységre eső feszültséget. Tudjuk, hogy : Q = C U, 4.3. amiből látható, hogy a töltés arányos a feszültséggel és az arányossági tényező a kapacitás. Az általános kapacitásfogalomhoz az elktrosztatika Gauss-tételével jutunk. E szerint a villamos térerő egy zárt felületről vett integrálja homogén közeg esetén a tapasztalat szerint a felület által bezárt töltéssel arányos Q ò E da = e, 4.4. A ahol: 1/ε permittivitás, vagy dielektromos tényező reciproka. Villamosságtanból ismert: ò DdA = òe EdA A A Q A 4.3.-ból C =, ε = ε. r ε 0 és ε 0 = 8, [A. s / V. m] U r2 A potenciál: U = U1 -U 2 = ò E dr. r1 A 4.5. egyenlet homogén mágnestér esetén a következőképpen alakul: Q = D A = e E A, U de: U = E d E =. d 62

63 Összehasonlítás alapján: C = e A d 4.6. Homogén közegre érvényes: C = ε. G, 4.7. ahol: G - geometriai tényező. A kapacitás számítható még az elektrosztatikus tér energiája alapján, de ezt nem alkalmazzák jelátalakítók realizálásnál, mert az energiát nehéz pontosan mérni. A 4.2. ábra mutat néhány gyakrabban alkalmozott kapacitás megoldást. A 4.2a. ábra síkkondenzátort, 4.2 ábra.néhány kapacitív megoldás. a 4.2b. ábra hengerkondenzátort és a 4.2c. ábra gömbkondenzátort ábrázol. - síkkondenzátor kapacitásának számítása: e A C =, 4.8. d - hengerkondenzátor kapacitásának számítása: 1 C = 2 p e, 4.9. r ln 2 r1 ha az elektróda távolsága az átmérőkhöz viszonyítva kicsi, akkor a kapacitás C = 2 p ( 2 r1 ) ( r - r ) l e, ábra. Rétegkapacitások típusa - gömbkondenzátor kapacitása: C 4 p e = ( r2 r1 ) r1 r -, Ez utóbbi típust ritkán alkalmazzák. Az ipari méréstechnikában gyakran alkalmazzák a dielektrikumok rétegzésével kialakított kapacitív átalakítókat. Erre mutat példát a 4.3. ábra. - hosszirányú rétegződés esetén: 63

64 Ekkor: U E 1 = E 2 =. d Emiatt két db. kapacitásnak tekinthető, amelyek párhuzamosan vannak kapcsolva: 4.4. ábra. Alkalmazott kapacitív átalakítók típusai 64

65 e1 A1 e 2 A2 C = d d Keresztirányú rétegződés esetén: U = E1 d 1 + E2 d 2 = C1 + C Ekkor az eredő kapacitás sorba kapcsolt kapacitások eredőjeként fogható fel. Mivel az elválasztó felületen nincs töltés, ezért. Q æ d ö = + = ç 1 d U E d1 E2 d2, A è e1 e 2 ø de: U = Q/C ezért ezt összehasonlítva 4.13.egyenlettel kapjuk: 1 d1 d2 1 1 = + = C A e1 A e 2 C1 C ábra. Hiperbolikus kapacitív Ebben az esetben nem választható szét a érzékelő geometriai tényező és a dielektromos állandó. A kapacitív átalakítóknál a kapacitás változását előidézheti az dielektromos állandó és a geometriai tényező változása. Az változását igen ritkán, egészen speciális esetben alkalmazzák. Pl. amikor valamilyen vegyi folyamatot kell szabályozni az elektrolit összetétel segítségével. Elterjedten alkalmazzák viszont a geometriai tényező változásán alapuló kapacitás változásán alapuló átalakítókat. A G geometriai tényező: vagyis láthatóan ennek változása a felület és az elektródák távolságának változtatásával idézhető elő. A G = d A gyakorlatban alkalmazható kondenzátorkialakítások a 4.4. ábrán láthatóak. Vizsgáljuk végig ezek számítási módjait Különböző felépítésű kondenzátorok kapacitásának számítása 1. Egyszerű síkkondenzátor A kapacitás a 4.8. kifejezés szerint számítható. Ez azonban valójában csak közelítés, mert az elektromos tér a széleken nem homogén, hanem szóródik. A karakterisztika nemlineáris, pontosabban hiperbolikus, ezért ezt a megoldást hiperbolikus átalakítónak is nevezik. 65

66 Alkalmazásának két fő területe van: - kis elmozdulások érintkezés nélküli leképezése - nyomás/nyomáskülönbség leképezése Az első esetben a kondenzátor fegyverzete párhuzamos marad egymással, így leképzést kizárólag a kondenzátor villamos tere valósítja meg. a, elmozdulásmérő hiperbolikus kapacitív átalakítók Olyan síkkondenzátorok, amelyeknek egyik rögzített fegyverzetét a mérendő mozgó géprész előtt adott távolságra helyezik el a másik fegyverzet, pedig maga a mozgó géprész. Ezt mutatja a 4.5. ábra. A mozgó géprész szélső helyzetei x 1 illetve x 2. Valamely közbülső helyzetet x -szel jelöljük. k Ekkor: C =. x A 4.5. ábra szerinti hiperbola által adott kapacitást jelenti a C, amíg a linearizált közelítés által megadott C -vel jelöljük. k = e 0 e r A Az ábrán a hiperbolikus karakterisztikát a (C 1 ;x 1 ) és (C 1 ;x 2 ) pontok között linearizáltuk egy egyenes szakasszal történő helyettesítéssel, amelynek egyenlete: C = -m x + b Az x és m számítható, mert az egyenes két ponton megy át, amelynek koordinátái ismertek, tehát: ( ) k k x m = ; 1 + x b = 2 x 1 x 2 x1 x2 A hiba általában kisebb1%-nál. b, Nyomásmérő hiperbolikus kapacitív átalakító Felépítése a 4.6. ábrán látható. Működése: az 1 fémmembrán terheletlenül 4.6. ábra. Hiperbolikus kapacitív nyomásérzékelő párhuzamos a 2-es ellenfegyverzettel. A köztük levő távolság x 0. Ha a 3-nyiláson a 4-mérőkamrába p nyomást vezetünk, akkor az 1-es membrán deformálódik és csökken a távolság az 1 és 2 fegyverzet között, így a kapacitás is változik. Megjegyezzük, hogy nyomáskülönbség is mérhető, ha a 6 ellennyomás kamrába is 66

67 67 vezetünk nyomást. A befogott membrán rugalmas lehajlása a következő módon számítható: ú ú û ù ê ê ë é ø ö ç è æ - - = R r R h E p f m, ahol: az ábrán látható jelöléseken kívül a μ - Poisson állandó, E - rugalmassági modulus. Vezessük be az r -től független mennyiséget: p R h E f - = m, így: ú ú û ù ê ê ë é ø ö ç è æ - = R r f f. A teljes kapacitás: ò ú ú û ù ê ê ë é ø ö ç è æ - - = R r R r f x dr r C e e p. Az integrálást elvégezve megkapjuk a karakterisztikát: p k areath p k C r = 2 1 e, ahol: x x E k - = m e p és h x E k - = m. Mivel ezek a kifejezések bonyolultak, nehezen kezelhetők, ezért célszerű a közvetlen hitelesítés. A nemlineáris karakterisztika linearitása növelhető, ha a két elektróda közötti rés egy részét nagy dielektromos állandóval rendelkező anyaggal töltjük ki. A dielektrikum vastagságát kísérletileg kell megállapítani. Megjegyzés: A síkkondenzátor kapacitását a következő gyakorlati módon is számíthatjuk: d e A C r = 088, 0 [pf], 4.7. ábra. Síkkondenzátor

68 ahol: A - felület [cm 2 ], δ - dielektrikum vastagsága [cm] és ε - permittivitás [pf/cm]. Az egyszerű síkkondenzátor működését légrés változás esetében a 4.7. ábra mutatja. e A Dd A kapacitásváltozás: DC = 0, 088, d d ± Dd DC C 2. Egyszerű differenciálkondenzátor Dd = d ± Dd 4.8. ábra. Differenciálkondenzátor A differenciálkondenzátor elvi felépítését mutatja a 4.8. ábra. Az ábra jelölései: d 0 közepes-nyugalmi-elektródatávolság, a d 1 és a d 2 adott elektródatávolságok - amelyek változnak és C 1, C 2 kapacitások. Ezt a változatot mindig hídkapcsolásba kötjük, két azonos nagyságú impedanciát is alkalmazva hídban. A híd kimenő feszültsége: U Z1 - Z U 2 T =, Z1 + Z2 de: 1 Z1 = j C és 1 Z w 2 = 1 j C, w 2 ezért: U C1 C2 U C2 - C U 1 T = = C2 + C + 1 C1 C2 Ismert, hogy: 1 1 d1 1 1 d = és = 2, C1 e A C2 e A Ezzel: 68

69 U T U d1 - d2 U d0 + d - ( d0 - d ) 2 d d d0 - d = = = = = 2 d + d 2 d + d + d -d 2 d d d , ahol: δ - a középhez viszonyított elmozdulás. 3. Változó felületű differenciálkondenzátor Kialakítása a 4.9. ábrán látható, ahol A1 és A2 az álló elektródának a mozgó elektródával szemben álló felületét, φ a szögelfordulást és C 1 ill. C 2 a kapacitásokat és d a lemezek közötti távolságot jelentik. A széleknél a mező inhomogén ezért ezt egy szórt kapacitással vesszük figyelembe. Ekkor a kapacitás: A C = e + C s. d A geometriából következik: 2 A eff = A1 + A2, ahol: 2. A eff a mozgó elektróda hasznos felülete. Figyelembe véve a ot és az alábbiakat: A1 A C1 = e ; C2 = e d d és A2 = 2 Aeff - A1, kapjuk: 2 U 2 A - A - A U A - A1 =. eff 1 1 eff UT = 2 2 Aeff 2 Aeff A statikus karakterisztika lineáris. Nagyobb 4.9. ábra. Változó felületű differenciálkondenzátor elmozdulásoknál alkalmazzák. 4. Forgókondenzátor Felépítése a sz. ábrán látható, amely jelölései: d lemezek távolsága, A a lemezek szembenálló felü-lete, φ szögelfordulás és n a ábra. Forgókondenzátor 69

70 légrések száma. Kapacitás: A C = n e + C s. d A körtárcsa alakú kondenzátorok számítása a következő: ì A é 16 p r C = e í + r êln + 1+ îd ë d f æ ç è s d öùü úý øûþ ahol: A = r 2. π, r - elektróda sugara, s - lemezek távolsága és f (s/d) az 1. táblázat szerinti. s/d F(s/d) 0,02 0,098 0,06 0,23 0,1 0,335 0,4 0,84 1,0 1,39 1,4 1,63 1.táblázat Nagyobb elfordulásoknál használják. Megjegyzés: A kapacitás számítható a következő módon is: e j y C = C 0 + 0, 088, d ábra. Síkkondenzátoros kapacitív átalakító állítható diektrikummal ábra. Hengerkondenzátor ahol: C 0 - kezdeti kapacitás, φ - elfordulási szög, ψ - egységnyi elfordulási szögnek megfelelő területváltozás és δ - fegyverzetek távolsága. 70

71 Egyszerű, ezért gyakran alkalmazzák az iparban is és laboratóriumban is. 5. Hengerkondenzátor A hengerkondenzátor közös jellemzője, hogy az elektródák állnak és a köztük lévő teret mozgó folyadék tölti ki. Elvi felépítése a ábrán látható. A folya-dék által kialakított kapacitások: C = 2 e H ln R p. R2 1 Amennyiben a lemezek távolsága kicsi az átmérőhöz képest, akkor: ahol: ΔD = D 2 D 1 2p D1 H C = e, DD 6. Dielektromos tényező változásán alapuló átalakító a, Síkkondenzátoros kapacitív átalakító állítható dielektrikummal A sz. ábrán egy ilyen alkalmazási elv megoldása és ekvivalens kapcsolása látható. Az eredő kapacitás: ábra. Síkkondenzátor dielektrikum rétegvastagsággal e1 b h1 e 2 b h2 C = C1 + C2 = 0, , 088, d d ahol: a b és h az átalakító lemezeinek lineáris mérete. Figyelembe véve, hogy ε 1 = 1 és h 1 = h-h 2 továbbá, hogy ε = ε 2, akkor: b b h b h C = 0,088 ( h - h2 + e h2 ) = 0, e 1 1 d d d ( - ) = C + DC, 71

72 ahol: b h2 DC = 0,088 ( e -1) d b, Síkkondenzátoros kapacitív átalakító dielektrikum rétegvastagsággal Az olyan átalakítókat, ahol a dielektrikum rétegvastagsága változik és fedősíkja az elektródák síkjával párhuzamos, folyékony dielektrikumok esetén alkalmazzák. Az ilyen átalakító olyan kondenzátorra hasonlít, amelynek két réteg dielektrikuma van. Megoldás a ábrán látható. 0,088 A 0,088 A C = =. d1 d2 d - d2 d e1 e 2 e e 2 c, Szilárd dielektrikummal rendelkező átalakítók A hengeres szilárd dielektrikummal csúsztatható - rendelkező átalakító elvi kialakítása a 4.14a. ábrán látható. Látható, hogy a dielektrikum szilárd és hengeres kivitelű. Ezzel a megoldással lineáris kapacitásváltozás hozható létre. Nagyobb elmozdulások esetén használják. 2 p e l C =. r ln 2 r 1 Az ábrán kétféle rétegezett kivitel látható, így az eredő kapacitás a kapacitások vegyes kapcsolásaként realizálhatók az alábbiak szerint: C C C = C3 C1 + C2 ahol: C 1 - x hosszúságú levegőszigetelésű kondenzátor, C 2 - ε r relatív permeabilitású dielektrikummal kitöltött rész kapacitása, C 3 = (l-x) hosszúságú levegőszigetelésű rész kapacitása. Ezek rendre a következők: 2 p e 0 x 2 p e 0 e r x 2 p e 0 ( l - x) C1 = C2 = C3 = r ln 2 r3 r2 ln ln r3 r1 r1 Ezeket beírva a be a következő formát kapjuk: C (x) = A. x + B, ahol: 72

73 1 r ln 2 r3 A = 2 p e 0 e r r3 ln r1 1 1 r l r2 r2 r3 r ln ln ln 2 ln r3 r1 r1 r1 1 e + r r ln 2 r3 ln r3 r1 e 2 p e B = r ln 2 r 1 0 l Fizikai jelentésük szerint A a hosszegységre eső kapacitásváltozás, ami egyúttal a karakterisztika iránytangense és B a szigetelő kihúzásakor a levegőszigetelésű elrendezés kapacitása. Pl. a következő méreteket a gépészetben alkalmazzák: d 2 = 2. r 2 = 20 mm; d 3 = 2. r 3 = 16mm; d 1 = 2. r 1 = 10mm; l = 80mm. A mozgó dielektrikum plexi, amelyre ε r = 3. Ezekkel az adatokkal: A = 1, F/m = 1,09 pf/cm és B = 6, F = 6,42 pf. A 4.14b. ábra ugyanilyen elven működő felépítést mutat, de síkkondenzátorral megvalósítva ábra. Szilárd dielektrikummal rendelkező kapacitív átalakító d, Hengeres kapacitású jelátalakító folyékony dielektrikum alkalmazásával Vizsgálatainkat a ábra alapján végezzük. Az ábrából látható, hogy két vezető henger között folyékony dielektrikum változtatja a magasságát. Ekkor az eredő kapacitás két párhuzamosan kapcsolt kondenzátor eredőjének felel meg. Az egyik kapacitásban a dielektrikum levegő, a másikban folyadék. Az ábra jelöléseit alkalmazva ahol: 73

74 C H - h C lev = 2 p e 0 D ln 2 D foly = 2 p e e r 0 1 h D ln D ahol: h - folyadék magassága, ε r - folyadék dielektromos állandója. Az eredő kapacitás: 2 p e 0 C = [ H + h ( e r -1)] D ln 2 D1 2 1 Az érzékenység: ábra. Változó felületű higanyos, hengeres kondenzátor 74

75 É = dc dh = 2 p e0 ( e r D ln 2 D 1-1) = konst. Látható, hogy a statikus karakterisztika lineáris, de nem zérusból indul. 6. Változó felületű higanyos hengerkondenzátor Elrendezés a ábrán látható. Az ábra jelölései: D 1 és D 2 a belső és külső fegyverzet átmérője, ε r a szigetelő cső dielektromos állandója, h higanyoszlop magassága, H a teljes magasság és C a kapacitás. E jelölésekkel a kapacitás a következő módon határozható meg: 2 p e 0 e r C = h + CS D ln 2 D1 ahol: ε r - a cső falának dielektromos állandója, C s - állandó értékű szórt kapacitás, h - higany magassága. Érzékenysége: É = dc dh 2 p e0 = D ln 2 D 1 e r A statikus karakterisztika lineáris, de nem zérusból indul. 7. U alakú cső alkalmazása higanyos differenciálkondenzátorként ábra. U csöves higanyos differenciálkondenzátor Az U alakú, csöves higanyos differenciálkondenzátor a ábrán látható. Általában H az elektródák teljes hossza, h középhelyzettől mért szinttávolság, a C1 és C2 kapacitások. A kapacitás értékei, ha a középhelyzet H/2 nél van: æ H ö C1 = É ç - h è 2 ø 75

76 és æ H ö C2 = É ç + h è 2 ø ahol: É - érzékenység, h - középhelyzettől mért szinttávolság. Ennél a megoldásnál mindig hídkapcsolást alkalmazunk, így a feszültség: U C - C U T + A és egyenletet beírva a be kapjuk: U h U T = 2 2 H = C1 C2 Látható a kifejezésből, hogy a kimeneti feszültség a h szintkülönbség lineáris függvénye. 76

77 5. Fejezet Induktív átalakítók Az induktív jelátalakítók igen széles körben elterjedtek az ipari méréstechnikában. Az induktív jelátalakítók bemenő jele elmozdulás, vagy erő, kimenő jele pedig induktivitás (L), vagy kölcsönös induktivitás (M). Blokkvázlata a 5.1. sz. ábrán látható. 1. ábra. Induktív átalakító blokkvázlata 5.1.Induktív jelátalakítók számításának alapjai. A jelátalakítók számításához szükséges kifejezéseket az Elektrotechnika c. tantárgy tartalmazza, ezért ebben az alpontban ezek összefoglalását csak emlékeztetőnek szánjuk Mágneskörök számítása a, Mágneses ohmtörvény: Q = f R m, ahol: Θ gerjesztés, R m mágneses ellenállás és Φ fluxus. b, Mágneses ellenállás: Q R m =. f c, Mágneses vezetőképesség: 1 L =. R m A mágneses vezetőképesség állandó keresztmetszetű homogén mágnestér esetén: A L = m, l. ahol l a vezető hosszúsága, A a keresztmetszete és μ = μ 0 μ r, -7 Vs és m0 = 4p 10. Am A mágneses vezetőképesség így is felírható: L L = m G G =, 5.1. m 77

78 ahol: G - geometriai tényező. Értelmezése hasonló, mint a kapacitív jelátalakítóknál volt. d, Mágneskörök F = 0 Qi + R mi + F i =. å i ; és å[ ] 0 e, Fluxuskapcsolódás: f, Induktivitás: 5.2. Induktív érzékelők változatai y = N F = L I Q = n I, f = y = n L I, n 78

79 Ezzel az induktivitás: N I = Rm L I. 2 n L = n 2 L. ahol: n = a tekercs menetszáma. Figyelembe véve az 5.1. kifejezést kapjuk: 2 L = n m G A 5.2. kifejezésből látható, hogy az L értéke az n, μ és G értékének változásával változhat. Erre ad összefoglalást a 5.2. ábra Zárt és nyitott induktív átalakítók. Annak megfelelően, hogy az erővonalak hol haladnak nagyobb mértékben, levegőben vagy vasban beszélünk zárt és nyitott mágneskörű induktív átalakítókról. Természetesen ennek megfelelően az erővonalak záródhatnak teljes egészében a levegőben, illetve a vasban. A következőkben hasonlítsuk össze a kétféle átalakítót. Összehasonlítást az induktivitás, érzékenység és üzemi frekvencia alapján szokás elvégezni. a, Induktivitás a zárt vasmagos kivitelnél sokkal nagyobb, mint a nyitottnál, mert mint tudjuk μ r >> μ 0. b, Érzékenység a zárt vasmagos kivitelnél szintén lényegesen nagyobb, mert itt a légrés mértéke változik, ezért a mágneses energia változása is nagy, hiszen a mágneses energia jelentős része a légrésben van. A mágneses energia: Mert: Ezt beírva az 5.3. kifejezésbe: 1 2 W m = L I, Wm = B H li A = B H V n L = m l i 2 A m n A W = I 2 l 2. 79

80 De: n I m = m H = B, li ezért: 1 1 W = B N A I = B Q A. 2 2 De 1 Q = H li W = H H li A 2 és l. i A = V térfogat, amit beírva kapjuk az 5.4. egyenletet. c, Üzemi frekvencia a légmagos induktivitásnál sokkal nagyobb lesz, mint zárt vasmagos esetben, mert a tekercs jósági tényezőjét nem rontja a vasveszteség. A jósági tényező (Q) megadja, hogy rezonanciafrekvencián: 1 f0 =, 2 p L C a rezgőkör C vagy L elemén hányszor nagyobb a feszültség az energiaforrás feszültségénél. U U Q = L = C, U U vagy másként: W 2 t Q = p, Wv ahol W t a rezgőkörben tárolt energia és W v a rezgőkörben egy periódus alatt felemésztett energia. Számításoknál kétféle helyettesítő képet használnak: - Soros helyettesítő kép az 5.3a. ábra szerint: Ls Q = w, r ahol: L s a soros helyettesítő kép induktivitása, r pedig a soros helyettesítő kép veszteségi ellenállása. - Párhuzamos helyettesítő kép az 5.3b. ábra szerint: 5.3. ábra. Helyettesítő képek R Q =, w L p ahol: R a párhuzamos helyettesítő kép veszteségi ellenállása és L p a párhuzamos helyettesítő kép induktivitása. Az impedanciák soros és párhuzamos kapcsolásban: 80

81 jw L Z s = r + jw L S, P R Z p =. R + jw LP Átszámítva egymásba a két impedancia elemeit kapjuk: R Lp r =, L. 2 S = 1+ Q 1 1+ Ha Q>>1, ami általában teljesül, akkor: 2 Q ; L P» L S Induktív jelátalakítók csoportosítása. Az 5.2. kifejezés szerint három módon tudjuk változtatni az átalakító induktivitásának értékét. A menetszám, a permeabilitás és a geometriai tényező alapján. A következőkben ezeket vesszük sorba. 2 Q Menetszám változásán alapuló induktív jelátalakítók. A lehetséges megoldások a 5.2. ábra első és negyedik oszlopában találhatók. Az ilyen átalakítók statikus karakterisztikája lineáris elmozdulás és szögelfordulás esetén. a, Egyszerű jelátalakítók: X L X = LM X M Lj = L M, jm ahol L x illetve L φ a kezdőponttól számított induktivitást, L M a tekercs maximális induktivitást, X és φ az elmozdulást és szögelfordulást, ill. az X M és φ M a maximális szögelfordulást jelenti. j, 5.4. ábra. Két légmagos tekercs ábrája b, Különbségi jelátalakítók: X X L A = LM és M - X LB = LM, X M X M illetve: j j L A = L M és M - j L B = L M, jm jm ahol L A és L B az A és B kezdőponttól a mozgó érintkezőkig mérhető induktivitása, az x és φ az A kezdőponttól mért elmozdulás és szögelfordulás, illetve az x m és φ m az elmozdulás és elfordulás maximális értéke. 81

82 Megjegyzés: a szórt induktivitás értékét ezeknél az esetéknél elhanyagoltuk, mert az csak légmagos tekercseknél jelentős. Előnye az egyszerű felépítés, hátránya, hogy a csúszóérintkezők miatt nem eléggé üzembiztos, az induktivitás szakaszosan és nem folyamatosan változik. Ez utóbbi jelenség hasonló a csúszó-ellenállásoknál is már említett jelenséghez. Hátránya még az is, hogy súrlódás miatt nagy nyomatékot igényel Geometriai tényező változásán alapuló induktív átalakító Nyitott mágneskörű átalakítók 1. Nyitott mágneskörű légmagos átalakítók Vizsgálatainkat az 5.4. ábrán látható két légmagos tekercs segítségével végezzük. A mű-ködés alapját az képzi, hogy x távolság változásakor megváltozik az eredő induktivitás, amelynek oka, hogy a kölcsönös induktivitás is az x függvénye. M = M(x). Az 5.5. ábra mutatja az egyszerű légmagos tekercsek kölcsönös induktivitásának változását a tekercsek távolságának függvényében. Ezek a görbék mérések alapján vannak felvéve és láthatóan nemlineárisak. A grafikon koordinátarendszerében a vízszintes tengelyen az x/r relatív távolság, a függőleges tengelyen pedig a fajlagos kölcsönös induktivitás látható. Ez utóbbi értéke: M M fajl =. n1 n2 R r Paraméterezés - r/r - a relatív tekercsméretet jelenti. Az eredő induktivitás értéke: - Soros kapcsolás esetén: L S = L1 + L2 ± 2 M ( x), ahol: L 1 és L 2 a tekercsek induktivitása. - Párhuzamos kapcsolás esetén: L1 L2-2 M L P = L + L m2 M ( x) ( x). 82

83 5.5. ábra. Légmagos tekercs kölcsönös induktivitásának alakulása 2. Nyitott mágneskörű induktív átalakítók 5.6. ábra. Vasmagos nyitott mágneskörű átalakító 83

84 Ilyen jelátalakító látható a 5.6. ábrán. Ennél a megoldásnál az induktivitási értéke a vasmag helyzetének függvénye. Az x elmozdulással létrejött görbe alakja látható az 5.6b. ábrán. Az induktivitás értéke a vasmag mindenkori helyzetének függvénye. Az x elmozdulással létrejött görbe alakja nemlineáris és x = ± - nél sem zérus, mert minden légmagos tekercs a benne lévő vasmag nélkül is rendelkezik egy véges induktivitás értékkel, amelyet nevezünk L 0 - nak. Az 5.6. ábrán látható görbe a következő tapasztalati képlettel közelíthető: é 2 æ x ö ù L = ( Lmax - L0 ) expê- k ç ú + L0 ê l ë è ø úû ahol: x a tekercs és vas-mag középpontjainak távolsága, l a tekercs hossza, L 0 a légmagos tekercs induktivitása, L M a maximális induktivitás és k állandó (kb. 4). A karakterisztikát általában mérésekkel alakítják ki és nem elméleti úton ábra. Nyitott mágneskörű vasmagos különbségi átalakító A tekercs impedanciája: Z = j ( L1 + M ) és: Z j ( L + M ) 3. Nyitott mágneskörű vasmagos különbségi átalakító Kialakításának elvi megoldása a 5.7. ábrán látható. Az 5.7a. ábrán a kialakítás, az 5.7b. ábrán pedig az L 1 és L 2 tekercs induktivitásának változására látható példa. 1 w = w Mivel különbségi átalakítóról van szó, ezért hídba szokás kapcsolni az induktivitásokat kiegészítve a hidat két egyforma 5.8. ábra. Helyettesítő kép 84

85 U Z1 - Z U 2 T = Z + Z A híd és a helyettesítő képe a 5.8. ábrán látható. Az 5.5. és 5.6. egyenleteket beírva az 5.7. egyenletbe: U U L1 - L2 T =. 2 L1 + L2 + 2 M Mivel a nevező közel állandó, ezért a feszültség értékei az L 1 -L 2 értékétől függenek. Látható az ábrából az is, hogy L 1 -L 2 értéknek meglehetősen nagy a linearitási tartománya, ami a különbségi kapcsolás következménye. A nyitott 5.9. ábra. Zárt hüvelyű különbségi mágneskörű átalakítók előnyei, hogy átalakító 1 3,5 cm-es elmozdulásokra is ábra. Zárt mágneskörű induktív átalakítók alkalmazhatók, üzembiztosak, nincs érintkező alkatrész, jól használható hermetikus térben is. (pl. ez látható 5.9. ábrán) hátrányuk viszont, hogy kicsi az érzékenysége, ezért kis elmozdulások mérésére nem alkalmas, a karakterisztika csak ábra. Egyszerű zárt mágneskörű átalakítók 85

86 közelítőleg lineáris, árnyékolni célszerű, mert érzékenyek a zavaró mágnesterek hatásaira Zárt mágneskörű induktív átalakítók Zárt mágneskörű induktív átalakítókra mutat néhány példát ábra. 1. Egyszerű zárt mágneskörű átalakítók A mágneskör felépítése a ábrán látható. A jelátalakító jelölései a következők: n menetszám, δ a légrés mérete, A 1 állórész vasmag kereszt-metszete, A 2 a záró test vasmag keresztmetszet, l vl az állórész közepes erővonal hossza, l v2 a zárótestben mért közepes erővonal hossz, μ r az állórész és zárótest relatív permeabilitása, μ 0 levegő permeabilitása. Ezekkel a jelölésekkel az ábra segítségével a számítás menete a következő: a, Mágneses ellenállások: - Állórészre - Egyik légrésre: - Zárótestre: R R 1 = m m m 1 0 r R m 2 0 l v1 A = 1 d. m A 1 m m m 3 = 0 r l 2 1 v2 A.. - Másik légrésre: R m 4 - Eredő mágneses ellenállás: = 1 d. m 0 A R R m = Rm1 + Rm2 + Rm3 + Rm4, m 1 æ l = ç m0 mr è A v1 1 l + A v m 0 d ö. A ø b, Induktivitás: 86

87 2 2 1 L = n L = n R m, 2 1 L = n æ lv1 lv2 ö 2 d m0 m ç + + r A1 A è 2 ø m0 A Látható, hogy az induktivitás a légrés méret nemlineáris függvénye. Az előző kifejezések közelítőleg is felírhatók, ha elhanyagolásokkal élünk. Megtehetjük, hogy a vasmag részek mágneses ellenállását elhanyagoljuk, mert igaz az a feltétel, hogy a vas mágneses ellenállása sokkal kisebb, mint a légrés mágneses ellenállása R << R. mv ml Ekkor: 2 R ml = d, m 0 A illetve: 2 A k L = n m0 =, d d ahol: 2 m0 A k = n Látható, hogy az L értéke a légrés méretével fordítva arányos. c, Érzékenység dl k L É = = -. dd d 2 = - d d, Átalakítási tényező: dl = L dl d S = = -1. dd dd L d Ez azt jelenti, hogy az induktivitás változása mindig a relatív légrés méret változásának a -1- szerese, ami csak akkor igaz, ha a légrés mágneses ellenállása legalább egy R nagyságrenddel nagyobb, mint a vas mágneses ellenállása, vagyis ml > 10 Rmv e, Közelítés mérési eredmények alapján: A méréssel történő kialakítás, ill. annak ellenőrzése pontosabb eredményt ad, mint az elméleti összefüggések. Közelítés az 5.9. szerint: 87

88 k L =. d Az szerint: 2 m0 A k = m. 2 Az 5.8. így is írható: k L =, d + a ahol: k a fent megadott kifejezés és az a A æ l értéke: ö ç v1 lv2 a = +, ami a 2 m r è A1 A2 ø légrés méretététől függetlenül állandó. Figyelembe véve a szórt induktivitást: k L = + L S. d + a ábra. Mért és számított érték közötti különbség Ez a közelítő kifejezés végső a- lakja. Az ábrán látható a mért és a számított érték közötti különbség. Látható, hogy δ=0 esetén L és δ = esetén L 0. Az egyszerű zárt mágneseskörű induktív átalakító mágneses körének geometriai tényezője változhat még akkor ábra. Felületi változás alapján működő átalakítók is, ha a felület változik. Ekkor egyszerű esetben a geometriai tényező lineárisan változik:, A G =. d 88

89 Az itt tárgyalt jelátalakítót az ábra mutatja. Ha a zárótest x irányba elmozdul, akkor megváltozik a légrés felülete (A ), ezzel megváltozik az induktivitás értéke is, amely az elmozdulásnak jó közelítéssel lineáris függvénye. Ezt a típust nem vagy csak nagyon ritkán alkalmazzák az ipari méréstechnikában, mert a karakterisztika még kis tartományon belül sem elég lineáris és az egyéb zavaró hatásokat is nehéz kiküszöbölni. 2. Zárt mágneskörű különbségi átalakítók Elvi felépítését az ábra mutatja. Látható, hogy differenciál átalakító két darab egyszerű zárt mágneskörű induktív átalakító szembekapcsolásával épült. Így a kimeneti mennyiség az L 1 és L 2 különbsége, amelyet váltakozó áramú szempontból hídkapcsolásban alkalmazzuk. Ekkor a már ismert kifejezés szerint: ábra. Felületi változás alapján működő átalakítók U Z - Z U T + = 1 2, 2 Z1 Z2 ahol: U a híd tápfeszültsége és Z 1, illetve Z 2 a tekercsek váltakozó áramú impedanciája: Z 1 = r + jw L 1 és Z 2 = r + jw L2. Ezzel: U U jw ( L - L ) T = jw ( L1 + L2 ) r Egy korábbi feltételezésünk szerint hanyagoljuk el a vas mágneses ellenállását, akkor az induktivitások: k k L 1 = és L 2 =. d1 d 2 ahol: δ 1 és δ 2 a két légrésméret. Az L 1 és L 2 értékét behelyettesítve az kifejezésbe kapjuk: 89

90 5.15. ábra. Zárt vasmagos induktív jelátalakítók 90

91 jw k ( d2 - d1) ( d2 + d1) + 2 r d1 2 U U T =. 2 jw k d A geometriai elrendezésből adódik, hogy: d 1 + d 2 = d 0, ahol: δ 0 a közepes légrésméret. Az ből δ 2 = 2. δ 0 δ 1, ezért U T megadható a δ 1 függvényeként U T U = jw k ( d0 - d1) d ( 2 d - d ). 2 jw k d0 + r ábra. Zárt mágneskörű átalakító A közepes légrésmérethez tartozó induktivitásérték L 0 = k/δ 0 és a relatív légrésméret ε = δ 1 /δ 2, így ezeket behelyettesítve az ba és δ 2 0 vel osztva a számlálót, illetve nevezőt, kapjuk: U jw L0 ( 1- e ) U T = 2 w ( 2 ) j L0 + r e - e Vezessük be a közepes induktivitáshoz tartozó jósági tényezőt: L0 Q0 = w. r Az számlálóját és nevezőjét osztva jω. L 0 val kapjuk: U 1- e U T = 2 j ( ). 1- e 2 - e Q0 Ha Q 0 >> 1, akkor: d ( 1 ) 1 1 d0 - d U = U 1 T - e = - =. 2 d 0 d0 Az ábrán néhány zárt vasmagos induktív jeladó kialakítása látható Kölcsönös induktivitás változáson, alapuló induktív jelátalakítók. 1. Egyszerű zárt mágneskörű átalakítók ábra. Zárt mágneskörű differenciál átalakító 91

92 Elvi kialakítás a ábrán látható. Látható, hogy két tekercs van a vasmagra csévélve, amelyek közül bármelyik lehet a gerjesztő tekercs. Ezek közül valamelyikre feszültséget kapcsolunk. A kimeneti jel a másik tekercs feszültsége, amely a szórt mágneses tér miatt változik. A gerjesztő fluxus láthatóan két részre oszlik, a vasban haladó fluxusra és a szórt fluxusra. f = f + f g Hogy e két részfluxus hogyan oszlik meg egymás között, azt a mindenkori légrés méret határozza meg, így tehát a légrésméret függvénye. A karakterisztika nemlineáris. 2. Zárt mágneskörű differenciál transzformátor z S ábra. Zárt mágneskörű differenciáltranszformátor helyettesítő képe Ez a megoldás szintén a kölcsönös induktivitás változásán alapul, de a különbségi induktív átalakítók közé tartózik. Elvi kialakítása az ábrán látható. Az ábra jelölései: δ 1 és δ 2 légrésméretek, A vasmag keresztmetszete, n g a gerjesztő tekercs menetszáma, f g a gerjesztett fluxus, f 1 és f 2 a szekunder tekercsek fluxusa, U g a gerjesztő feszültség, I áram és U k a kimenő feszültség. A működésének elvi alapja, hogy milyen a fluxuselosztás a légrések között. A zárt mágneskörű differenciáltranszformátor helyettesítő képét mutatja az ábra. Számítás menete a következő: U g fg =, j w ng 1 2 d R 1 m1 = Rm +, m0 A 1 2 d R 2 m2 = Rm +, m0 A ahol: U g a gerjesztő feszültség, n g a gerjesztő tekercs menetszáma, R m az állórészek mágneses ellenállása, A a légrések felülete, δ 1 és δ 2 a légrések hossza. Feltételezve, hogy a vasmag mágneses ellenállása egy nagyságrenddel kisebb, mint a 92

93 légrés mágneses ellenállása, akkor az előbbi elhanyagolható az utóbbihoz képest. Az áramosztó képlet segítségével meghatározhatjuk a fluxusok értékeit: R f m2 1 = fg ;... f2 = f R + R m1 m2 g R R m1 m1 + R m2. Tudjuk, hogy δ 1 +δ 2 = 2. δ 0, ahol δ 0 a közepes légrés méretet jelenti. Ezzel: f d2 d f... f 1 2 = f. 2 d0 2 d0 1 = g g Az állórész tekercsben indukált feszültségek értéke: U U w f w f 1 = - j n 1 = - j n g w f w f 2 = - j n 2 = - j n g d 2 2 d0 d 1 2 d 0 Ezek a kifejezések akkor érvényesek, ha teljesül a következő feltétel: n 1 = n 2 = n. A kimenő feszültség a két tekercs feszültségének különbsége: n d 2 - d U 1 ki = U1 -U 2 = U g. ng 2 d 0 Látható, hogy a kimenő feszültség nem csak a áttételtől függ, hanem a légrés méreteinek különbségétől is. Az ábra néhány zárt mágneskörű kölcsönös induktivitás változásán alapuló átalakítót mutat. Az 5.19a. ábra keresztirányba elmozduló zárótesttel, az 5. 19b. ábra keresztirányba elmozduló és mozgó tekerccsel, az 5.19c. ábra hosszirányban elmozduló zárótesttel, az 5.19d. ábra pedig elforduló zárótesttel működő megoldást mutat. 3. Zárt mágneskörű rövidzárgyűrűs differenciál-transzformátoros átalakító A fluxusváltozás egy másik módját mutatja a sz. ábra. A működése azon alapul, hogy a légrésben mozgó rövidzárgyűrű elmozdulásakor a rövidzárban folyó örvényáramok által indukált fluxus megváltoztatja a szekunder tekercs keresztmetszetén áthaladó fluxust. A statikus karakterisztika mindkét megoldásnál jó közelítéssel lineáris.,. 93

94 4. Különleges kialakítású differenciál-transzformátor Az eddig tárgyalt átalakítók általános rendeltetésű elemei egy olyan átalakító családnak, amely elmozdulást, szögelfordulást, vagy ezekre visszavezethető mennyiségeket induktivitás-változássá képeznek le. Vannak speciális alkalmazások és kialakítások is, amelyekre az ábra mutat példát. Ezeket általában a gépészet területén alkalmazzák. Az 5.21a, b, c ábrákon látható megoldásoknál forgó tengelyek központos futástól történő eltérését mérik. Az 5.21a. ábránál egy forgó tárcsa axiális ütésének, az 5.21b. ábrán excentricitás, az 5.21c. ábrán pedig radiális és axiális ütés mérése látható. A 5.21d. ábrán az ún. induktív foggenerátor látható, amely analóg és digitális eszközként is felhasználható. Ez a megoldás forgó mozgás különféle jellemzőinek mérésére használatos ábra. Néhány zárt mágneskörű átalakító 94

95 5. Inductosyn Az inductosyn egy huzalozott pályából és csúszkából áll. A két rész kb. 0,1,15 mm légréssel van egymástól elválasztva (5.22. ábra). A csúszka két tekercset tartalmaz. Ezek egymáshoz képest negyed osztással el vannak tolva. A pálya (állórész) tekercselését néhány khz-es váltakozó feszültséggel gerjesztik, amelynek hatására a csúszka tekercseiben feszültség indukálódik. Ez a feszültség arányos a csúszka tekercsei és a pálya tekercse közötti kölcsönös induktivitással. Az induktivitás pedig arányos a csúszka elmozdulásával. A kimenő feszültségek ábra. Rövidrezárt gyűrűs induktív átalakító æ 2 p xö u1 = k Ube sin( w t) sinç, è p ø æ 2 p xö u2 = k Ube sin( w t) cosç, è p ø ahol k konstans, a tekercsek közötti csatolással arányos és p a tekercselés osztása. Látható, hogy a kimenő feszültség szinusosan változik egy osztáson belül, de az osztások számlálása más eszközökkel történik. Az elérhető feloldás: 2 3 μm, szögmérésnél pedig 0,05. 95

96 5.4. Összefoglalás 1. A mágneses anyaggal szemben támasztott követelmények a, Kis örvényáramok legyenek, emiatt legyen nagy a fajlagos ellenállása. b, Nagy legyen a permeabilitása. Ez meghatározó az induktivitás nagyságában. c, Kicsi legyen a hőmérsékletfüggése, és a hőtágulási együtthatója. Ez együtt befolyásolja a geometriai változás okozta hibákat. Általában használt anyagok: Permalloy, Fe-Ni ötvözet, 4%-os Si ábra. Néhány speciális kialakítású átalakító Fe porvasmagok, ferritmagok, stb. 2. Előnyök A zárt mágneskörű átalakítók viszonylag nagy érzékenységgel rendelkeznek, ezért kis elmozdulások mérésére is alkalmasak (0,01.15mm), kevésbé érzékenyek külső zavarokra, üzembiztosak. Gyakorlatilag nincs súrlódás. 3. Hátrányok ábra. Speciális kialakítású átalakító Nyitott kivitel érzékeny a külső zavarokra, ezért árnyékolni kell. Zárt kivitelnél fennáll a hőmérsékletérzékenység, telepítésük bonyolult. A B-H mágnesezési görbe nemlinearitása miatt a permeabilitás függ a tápfeszültségtől. Sajnos ugyanez a helyzet a villamos impedancia szempontjából is. Ha ez változik, akkor változik a tekercsen átfolyó áram és az általa létrehozott térerősség (visszahatás). 96

97 4. Tápfeszültség és frekvencia hatása a, Tápfeszültség változás hatása A mágneses anyagok mágnesezési görbéje nemlineáris, ezért a permeabilitás függ a feszültségtől, így az induktivitás is tápfeszültség függő. A tápfeszültséget tehát igen stabilra kell készíteni. Tudjuk, hogy az átalakítók érzékenysége annál nagyobb, minél nagyobb a tápfeszültség, vagyis nagyobb a kimeneti feszültség változása is. Célszerű tehát a tápfeszültséget növelni, de ennek határt szab a vasmag telítődése, mert egy határ után a permeabilitás és az érzékenység rohamosan csökken. A telítődés következtében megnő a kimeneti feszütség felharmonikus tartalma. b, Tápfeszültség frekvenciájának hatása A kölönbségi induktív átalakítók helyes méretezés esetén frekvencia-függetlenek, kivéve az üzemi frekvenciánál jóval alacsonyabb illetve nagyobb frekvenciákat. A villamos terhelés azonban frekvenciafüggést okoz, mert az átalakítók kimeneti impedanciája komplex. A terhelt induktív átalakítóknál tehát fontos, hogy a tápfeszültség frekvenciája stabil legyen. 5. Átalakítók jellemző paraméterei Az átalakítók jellemzésére a következő paramétereket szokás megadni: mérési tartomány, kimeneti impedancia, érzékenység, vagy átalakítási tényező, linearitás, karakterisztika, mechanikai és villamos energiaigény, zavarérzékenység, pontosság, határadatok és megbízhatósági adatok. 97

98 6. Fejezet Magnetoelasztikus átalakítók 6.1.A működés elméleti alapja A mágneses állapot megváltoztatása (ez lehet a le-, fel-, és átmágnesezés is) mindig energiát igényel, tehát veszteséges folyamat. Energia befektetetés részben a doménfalak mozgatásához és a mágneses momentumok elfordításához szükséges, hiszen ezen elemi események révén változhat meg a mágneses állapot. Emellett a mágnesezés során további veszteséges folyamat is fellép. Ez abban nyilvánul meg, hogy a mágnesezést mindig egy kisebb-nagyobb mértékű rugalmas alakváltozási folyamat is kíséri. Tehát egy mágnesezési folyamat során a befektetett energia egy része a mágneses állapot megváltoztatására, más része egy rugalmas alakváltozás keltésére fordítódik. Rugalmas alakváltozásnak tartjuk azt a helyzetet, ha a mechanikai terhelés (mechanikai feszültség) és az általa keltett alakváltozás közötti (ez utóbbi nyúlásban ε vagy szögelfordulásban γ értendő) kapcsolat lineáris és természetesen egyértékű függvény, vagyis az a terheléstartomány ahol a Hooke-törvény érvényességét feltételezzük. Emlékeztetőül ez az igénybevételi módtól függő alakú, így húzásnyomás, hajlítás esetén σ = E. ε nyírás, 6.1. ábra. Mágnesezési görbe változása erő hatására csavarás esetén τ = G. γ, ahol E a rugalmassági- (más néven Young-) modulus, a G pedig a csúsztató rugalmassági-modulus, mindkettő anyagjellemző. E témakörben mindig két hatásról/effektusról van szó (ezek egymás inverz jelenségei). MAGNETOSTRIKCIÓ: Mágneses térben a H-tól függő mértékben a mágnesezett anyag térfogata rugalmasan megváltozik (úgy tárol energiát mint egy közönséges rugó, emiatt zúgnak pl. a transzformátorok, de ennek alapján működnek a mágneses mechanikai rezgéskeltők, ultrahangos tisztítók, keverők stb.). Mivel a térfogatváltozás mérése nehézkes, emiatt az esetek döntő többségében az alakváltozást egy kitüntetett irányban 98

99 (ez többnyire a mágnesezési irány) vizsgálják és rugalmas nyúlásként kezelik. Ebben az értelemben a leggyakrabban un. lineáris magnetostrikcióról van szó. A mágneses tér hatására előfordulhat nyúlás, vagy méretcsökkenés (sőt néha az alakváltozás iránya előjelet válthat) is. Ennek alapján megkülönböztetünk pozitív- és negatív magnetostrikciójú anyagokat. MAGNETOELASZTICITÁS: Rugalmas terhelés hatására (a telítési indukción kívül) a minta minden mágneses tulajdonsága, így természetesen a hiszterézisgörbéje is megváltozik (sokféle mágneses szenzor pl. az erőmérők is ennek alapján működnek). Mindkét effektus kristálytani irányfüggő is, ami egykristályoknál és irányított szerkezetű anyagoknál válik érdekessé. Normális sok(poli)kristályos anyagokban ez az irányfüggés nem észlelhető (kiátlagolódik). Az olyan átalakítókat tehát, amelyek induktivitásának változása a permeabilitás változásán alapul, magnetoelasztikus átalakítóknak nevezzük. A magnetoelasztikus hatás lényege, hogy valamilyen külső mechanikai hatásra megváltozik a permeabilitás értéke, amely irányfüggő, tehát anizotrop, vagyis különböző értékeket mutat húzásra, illetve nyomásra. A jelenséget magnetoelaszticitásnak nevezzük. A mágnesgörbe paramétereiben bekövetkező változásra mutat példát a 6.1. sz. ábra. A 6.2. sz. ábrán pedig a relatív permeabilitásváltozás látható armco vas esetében. A permeabilitás méretváltozásának (pl. megnyúlásának) közelítő értéke: 6.2. ábra. μ r változása σ függvényében Dm ls e m = = mk s, 6.1. m 2 Bs ahol: D m = m - m K permeabilitás változás, μ - permeabilitás mechanikai terhelésnél, μ K kezdeti permeabilitás terhelés nélkül, λ S - telítési magnetostrikció, B S - telítési indukció, σ - mechanikai feszültség. A magnetoelasztikus átalakítókat erő és nyomás-mérésre használjuk. Blokkvázlata a 6.3. sz. ábrán látható. A mágneses átalakítóknál fellép az ún. magnetostrikcó jelensége, amely valójában a ferromágnes anyagokban a mágnestér hatására bekövetkező mé ábra. Magnetoelasztikus átalakító blokkvázlata 99

100 retváltozás. Pontosabban: A mágnesezhető anyagok méret- és térfogatváltozása mágnesezés folytán. A változás az anyag tulajdonságától (rugalmasság, ellenállás, tehetetlenség stb.) függ. Természetesen az alakváltozás nem maradandó, hanem csak a mágnesezési időtartam alatti. Nikkel esetén a mágneses térerő irányában az anyag megrövidül, az erre merőleges irányban pedig meghosszabbodik. A 45%-os Nitartalmú permalloy éppen ellenkezően viselkedik. A vas úgy változik, hogy kis térerősségnél a mágneses térerő irányában megnyúlik. A λ S telítési indukciójához (B S ) tartozó értékeket jelenti. Itt is megadunk a tenzoellenállásokéhoz hasonló érzékenységi állandót, amelynek értéke: 6.4. ábra. Magnetoelasztikus átalakító F-L karakterisztikája Dm m e k = =, ahol: ε 1 a lineáris Dl e 1 l deformációhoz tartozó érték. A 6.2. sz. ábrán látható kezdeti szakaszban (δ < 50 N/mm 2 ) a k = 300 értéket is felvehet, de k kb. 200-ra csökken nagyobb erőknél, ami a nonlineáris karakterisztikából adódik. Ha az átalakítókat erők mérésére használjuk, akkor az átalakító érzékenységén az ε μ értékét értjük. A mechanikai feszültséghez viszonyítva: e m k d =, s 6.5. ábra. Magnetoelasztikus átalakító működési elve 100

101 amelyek általában 1 N/mm 2 re vonatkoznak. (pl. Permalloyra a maximális k érték 0,94% 1 N/mm 2 re vonatkoztatva, így transzformátor vasra csak 0,8% szintén 1 N/mm 2 re vonatkoztatva.) Működési elvi szerint a magnetoelasztikus átalakítók feloszthatók induktivitás változáson vagy kölcsönös induktivitás változáson alapuló átalakítókra. A 6.4. sz. ábra egy egyszerű magnetoelasztikus átalakító F-L karakterisztikáját mutatja, amely láthatóan nem lineáris. Az L változása a teljes tartományban kb %. A karakterisztika nemlineáris. Működését a 6.5. sz. ábra alapján vizsgáljuk. Az ábrán látható a kivitel, illetve a terheletlen és terhelt állapot. Az ábra szerint alapállapotba két egymásra merőlegesen elhelyezett tekercs közül az egyikre gerjesztő feszültséget kapcsolunk (6.5a. ábra). A 6.5b. ábrán a merőleges tekercsek és az erővonalak kölcsönös helyzete látható. Itt gyakorlatilag nincs erővonalmetszés, és kimenő feszültség sem. A 6.5.c. ábrán terhelt állapotra van feltüntetve a tekercsek és az erővonalak egymáshoz viszonyított helyzete Működési elv magyarázata a B-H vektorok változásaival. 101

102 Látható, hogy a deformáció következtében felborul a korábbi állapot, így erővonalmetszés következik be, és megjelenik a kimeneti feszültség. Ennek magyarázatát mutatja a 6.6. sz. ábra. A 6.6a. ábrán a permeabilitás minkét irányba azonos. Ezért a H és B vektorok azonos irányba mutatnak. Az erőhatásra bekövetkezik a 6.6b. ábra szerinti állapot, amelynél az előbbihez képest megváltozott állapot jól látható. A H és B különböző irányúak, mert μ x és μ y is 6.7. Magnetoelasztikus átalakítók típusai különböznek. A magnetoelasztikus mérőátalakítóknál olyan tekercsberendezést alakítanak ki, ahol izotrop anyagban (olyan anyag, ahol a permeabilitás minden irányba azonos) nem jön létre csatolás az egymásra merőleges primer és szekunder tekercsekben. Terhelés hatására azonban 6.8. Differenciál kapcsolás az indukcióvonalak eltorzulnak, emiatt erő és irányfüggő csatolás lép fel, így ennek megfelelően alakul az U ki értéke is. 102

103 A magnetoelasztikus átalakítókat két nagy csoportra osztjuk: tekercses átalakító illetve transzformátoros átalakító. 1. Tekercses átalakítók Ilyen megoldás látható a 6.7a. és 6.7b. ábrán. Itt a vasmag permeabilitásá-nak változása a tekercs teljes Z impedanci-ájának megváltozásához vezet, amelynek nagy-sága: DZ Dm =, Z m ezzel az átalakítási tényező: kd DZ = Z d 6.2. A táplálás kis erőváltozások esetén általában 50 Hz, de ha az erőhatások frekvenciája nő, akkor a tápfeszültség frekvenciáját is növelik max. 10 khzig. Maga a vasmag nem tömör, hanem lemezekből kialakított, gondosan egymástól elszigetelten összeragasztott kivitelű. Az ilyen típusú magnetoelasztikus átalakítók kezdeti kimenő feszültsége nem egyenlő nullával, ezért a 6.8. sz. ábra szerint differenciálkapcsolásban szokás alkalmazni. 2. Transzformátoros átalakítók Transzformátoros magnetoelasztikus 6.9. Magnetoelasztikus erőmérő cella átalakítók láthatók a 6.7c,d és e ábrákon. Működésük további tárgyalása megegyezik a korábban már tárgyalt transzformátoros átalakítóknál tanultakkal. A 6.9. sz. ábra egy magnetoelasztikus erőmérő cellát mutat. Jelölései a következők: 1. nyomótest, 2. fedél, 3. tekercs, 4. acélgyűrű, 5. behengerelt rögzítőgyűrű, 6. és 7. felfekvő gyűrűfelületek. A magnetoelasztikus jelátalakítók hibaforrásai közé sorolandó a hőmérsékletfüggés, nemlinearitás, hiszterézishiba, nagyobb tápfeszültség- változás hibát okoz, a maximális pontosság nem jobb 5%-nál a végkitérésre vonatkoztatva. 103

104 A magnetoelasztikus átalakítók előnyei a kis méret, nagy erő (tízezer N nagyságrend) üzembiztos, túlterhelésre nem érzékeny, hátrányuk viszony, hogy elég pontatlanok, nehéz a gyártásuk és drágák. A sz. ábra magnetoelasztikus átalakítókat mutat. A 6.10a. ábrán árnyékolással ellátott egyszerű, erőmérésre alkalmas kivitel, a 6.10b. ábrán középpontos erőátadást biztosító kialakítás és a 6.10c. ábrán nyúlásmérő bélyeghez hasonló kialakítású, permalloy lemezből készült felragasztható kivitel látható. A 6.10d. sz. ábrán nyomatékmérésre alkalmas kivel, a 6.10e. ábrán egyszerű transzformátoros kivitel, a 6.10c. ábrán pedig egymásra merőleges tekercselésű transzformátoros kivitel látható. Befejezésül tájékoztató jelleggel közöljük a transzformátoros magnetoelasztikus átalakító statikus karakterisztikáját, amely a sz. ábrán figyelhető meg. 104

105 6.10. ábra. Néhány erőmérő cella összefoglalása 105

106 6.11. Az átalakító statikus karakterisztikája 106

107 7. Fejezet Indukciós és reluktáns átalakítók Az indukciós és reluktáns átalakítók olyan átalakítók, amelyek sebességet, illetve szögsebességet alakítanak át feszültséggé. Működésük alapját az indukciótörvény képezi. Blokkvázlata a 7.1. ábrán látható ábra. Blokkvázlat Az átalakítók elméleti alapjait az alábbiakban közöljük. Állandó n menetű tekercsre írjuk fel az indulciótörvényt: dy df U i = - - n, 7.1. dt dt ahol: U i indukált feszültség, Ψ fluxuskapcsolódás és Φ fluxus. Az egyesített indukciótörvény szerint az indukált feszültség két részből áll. Az egyik összetevőt az időben változó mágnestérbe helyezett mozdulatlan tekercsben indukált feszültség, a másik összetevőt pedig egy állandó B indukciójú mágneses térben v sebességgel mozgó l hosszúságú vezetőben indukált feszültség jelenti. Ennek megfelelően az ún. egyesített indukciótörvény: ò Ui n v x B dl t ö ç ç æ f = è ø l A mágneses Ohm törvény figyelembevételével: F = Q L, 7.3. ahol: Φ fluxus, Θ a mágneses gerjesztés, Λ a mágneses kör vezetőképessége. Ezzel a 7.2. összefüggés: Q Ui = -n t L - Q L n + t ò l æ ö _ çv x B dl ç è ø Mivel az indukciós és reluktáns átalakítók esetében a gerjesztés állandó, írható: _ L ò Ui n v x B dl t ö ç ç æ = - Q è ø l Látható, hogy a 7.5. összefüggés két részből áll - mint azt korábban már tárgyaltuk - ezért ennek megfelelően célszerű két különböző esetet megkülönböztetni, annál is inkább, mert a konstrukció is ennek megfelelően alakul. 107

108 7.1. Indukciós átalakítók Ha a mágnestér homogén, időben változatlan, de a tekercs mozog, akkor indukciós átalakítóról beszélünk. Ekkor: L t = Legyen az indukció állandó nagyságú, irányú és merőleges a sebességre, akkor az indukált feszültség: 1. Elektrodinamikus átalakító U i = v B l Az elektrodinamikus átalakító kiépítésnek vázlatos megoldását mutatja a 7.2. ábra. Az ábra jelölései: B légrésindukció, n : tekercs menetszáma, D : tekercsátmérő, x : 7.2. ábra. Elektrodinamikus átalakító elmozdulás, U i : indukált feszültség. Kimenő feszültség számítás a következő. Tételezzük fel, hogy a teljes huzalhossz: l = Dk p n. Ekkor a feszültség a 7.7. felhasználásával: 108

109 dx Ui = B Dk p v = B Dk p n, 7.8. dt ahol x az elmozdulás. Az összefüggés tehát lineáris. 2. Tachométer 7.3. ábra. Tachométer elve Elvi felépítése a 7.3. ábrán látható, a- melynek jelölései a következők: B : indukció, R : a tekercs közepes sugara, b a tekercs tengelyirányú hossza, α a tekercs síkjának az indukcióvonalakkal bezárt szöge, és v m a tekercs kerület sebessége. A kimenő feszültség számítását az alábbiakban adjuk meg. A tekercs az előbbihez hasonlóan homogén mágnestérben mozog. Az indukcióra merőleges teljes hossz: l = 2. b. n, ahol: b a tekercs tengelyirányú hossza és n a menetszám. Az indukcióra merőleges sebességkomponens: 7.4. ábra. Lineáris sebesség érzékelő 109

110 da v = vm cos a = R cosa, 7.9. dt ahol: R - a tekercs közepes sugara. A kerületi sebesség: da v m = R = R w. dt Figyelembe véve a fentieket és a 7.7. összefüggést, írható: da U i = B 2 b n R cosa. dt Az indukált feszültség a szögsebességgel arányos nagyságú, váltakozó feszültség. 3, Indukciós átalakító lineáris sebesség mérésére Elvi felépítését a 7.4. ábra mutatja, amelynek jelmagyarázata a következő: B : légrésindukció, v : a tekercs mozgási sebessége, n a tekercs menetszáma, b : a vasmag szélessége, U i az indukált feszültség. A kimeneti feszültség számításakor itt is feltételezzük a légrés B indukciójának homogenitását. Az indukcióra merőleges teljes huzalhossz: l = 2. B. n és a feszültség: dx U i = B 2 b n v = 2 b n D. dt Az indukciós átalakítók előnye a lineáris működés, a kis energiaigény, üzembiztos működés, hátrányai, hogy nem terhelhető árammal (visszahatás), mivel a tekercs mozog, ezért csúszóérintkezőket kell alkalmazni, pontos kivitelre van szükség az igen kis légrések miatt és a statikus karakterisztikája csak terheletlen állapotban tekinthető lineárisnak Reluktáns átalakítók 7.5. ábra. Lineáris sebesség átalakító Ebben az esetben is a 7.5. összefüggésből indulunk ki. Most feltételezzük, hogy a tekercs mozdulatlan, és a mágneses kör 110

111 jellemzői változnak időben. Ekkor: L U i = -n Q. t Itt az álló tekercs mágnes-körének mágneses vzetőképessége változik időben. Működésük alapja tehát az, hogy a vezető-képesség időbeni megváltozása a fluxus időbeni megváltozását, így a feszültség változását eredményezi a nyugvó tekercsben. Az átalakítónak ez a tulajdonsága teszi alkalmassá a sebesség és a szögsebesség feszültséggé történő átalakítására. A reluktáns átalakítónál is a geometriai tényező változását - légrés és felület - használjuk ki mérésre, mégpedig két tipikus mérésre. a, Lineáris sebesség átalakító Az átalakító elvi vázlata a 7.5. ábrán látható, ahol a mozgó vasmag az állórész pólusai előtt elhaladva változtatja a szemben lévő felületeket, és a légrést váltakozva kitöltve változtatja a fluxuselosztást. A két tekercset szembekapcsoljuk, ezért megnő az érzékenység. b, Szögsebesség átalakító A szögsebesség reluktáns átalakító elvi felépítése a 7.6. ábrán látható. A forgórész egy villa alakú tömör szerkezet, amely forgás közben változtatja a mágneses ellenállást azáltal, hogy a légrést változó módon tölti ki. A feszültség a forgórész szögsebességgel arányos. Lényeges megjegyezni, hogy a mozgórészek mozgatásához, amennyiben az álló tekercsben áram folyik, erőre vagy nyomatékra van szükség. Előnye, hogy nem tartalmaz mozgó tekercset, így a kivezetésekkel járó nehézségek elkerülhetők hátránya viszont, hogy nehezen biztosítható a linearitás ábra. Szögsebesség átalakító 111

112 8. Fejezet Termoelektromos átalakítók 8.1. Alaptörvények 8.1. ábra. Blokkvázlat rajza villamos energiává. A termoelektromos átalakítókat közismertebb nevükön hőelemeknek nevezzük. Mint említettük működésük termikus villamos energia átalakulással kapcsolatos fizikai hatáson alapulnak. Ezek a Peltier, a Thomson és a Seebeck-féle hatások, és rendszerint együttesen érvényesülnek. A termoelektromos átalakítók hőmérsékletkülönbség hatására villamos feszültséget szolgáltatnak. Blokkvázlatuk a 8.1. ábrán látható. A termoelektromos átalakító valójában hőenergiát alakít át 8.2. ábra. Peltier jelenség a, Peltier hatás (1834) Ha két különböző anyagú vezetőt összekötünk, és áramot hajtunk át rajta, akkor az egyik kötési pont melegszik, a másik pedig hűl., ami azt jelenti, hogy Q hőmennyiség szabadul fel, illetve nyelődik el (8.2. ábra). Ennek fordítottja is igaz, tehát a folyamat reverzibilis, vagyis, ha az egyik pontot melegítjük, a másikat hűtjük, akkor áramot hajt keresztül. A Peltier hatás nagysága: Q P = ± p I ábra. Thomson jelenség ahol: Q - a kötés által felvett vagy leadott hőteljesítmény W-ban, I - a körben folyó áram A ban és p - ún. Peltier- tényező V- ban. Értéke függ az érintkező fémek (félvezetők stb.) tulajdonságaitól és a hőmérséklettől. Mivel dimenziója feszültség jellegű, ezért Peltier- elektromotoros erőnek is nevezik. Hő akkor képződik (+Q), ha az áram (I) és a Peltier-tényező (π) iránya 112

113 ellentétes, s akkor nyelődik el (-Q), ha egyezik. A Peltier-tényező független a csatlakozás keresztmetszetétől, vagy ellenállástól, de függ a vezető anyagától és a hőmérséklettől. b, Thomson hatás (1856) Szintén reverzibilis folyamat, de ebben az esetben egyetlen vezető két különböző pontja között fellépő hőmérsékletkülönbség hatására jön létre az energiaátalakulás (8.3. ábra). Ekkor homogén fémrúdban egyenletes Δυ/Δx hőmérséklet gradienst hozunk létre. A rúdban folyó I áram hatására ez megváltozik. A keletkezett Thomson hő: Q Th = ± s I A σ - a Thomson-együttható, t az idő és Δx az a hosszúság, amelyen a Q Th keletkezik. A Thomson tényező egyenlő azzal a feszültséggel, ami akkor mérhető a vezeték mentén, ha a szakasz végei között a hőmérsékletkülönbség 1 fok. c, Seebeck hatás (1828) Két különböző vezetőből álló áramkörben ún. termofeszültség keletkezik, amely arányos a vezeték csatlakozási pontjai közötti hőmérsékletkülönbséggel (8.4. ábra), amelynek értéke: 2 3 DU J = a1 DJ + a 2 DJ + a3 DJ + Ezt egyszerűbben írva kapjuk: U J = K ( J 2 -J 1 ). ahol υ 1, υ 2 a két csatlakozási pont hőmérséklete és K együttható, amelynek nagysága a vezetők anyagi minőségétől függ. Az ún. Seebeck tényező. duj é V ù S = d ê ú, J o ë K û ahol: U υ : termofeszültség és J a hőmérséklet. Felállítható egy összefüggés a Peltier és Seebeck tényező között: p = S J. A fenti egyenletek segítségével végeredményként a következőt kapjuk: 8.4. ábra. Blokkvázlat rajza 113

114 J 2 = ò p U J d J. J J1 A keletkezett termofeszültség, a hőmérséklethatárok és a Peltier, vagy Seebeck tényező ismeretében meghatározható. Az előbbi összefüggésekből minden olyan törvényszerűséget megállapíthatunk, amely a hőelemekkel való munkánál lényeges, nevezetesen: A homogén áramkörök törvénye. Nem keletkezhet elektromos áram egyedül a hőmérsékletkülönbségek hatására olyan áramkörben, amely hőelektromosan egynemű fémekből áll. Ebből következik, hogy ha két különböző, homogén fém e- gyik csatlakozását υ 1 hőmérsékleten, másik csatlakozását υ 2 hőmérsékleten tartjuk, a kialakuló termofeszültség független a huzalok mentén levő magasabb, vagy alacsonyabb υ 3 és υ 4 hőmérsékletektől, de a hőmérséklet eloszlásától is (8.5. ábra), így csak a csatlakozások υ 1 és υ 2 hőmérsékletétől függ ábra. Homogén áramkörök törvénye Közbeeső vezetők törvénye. Több különböző fémből összetevődő áramkörben a termofeszültség algebrai összege nulla, ha a teljes áramkör ugyanazon a hőmérsékleten van. Ennek alapján meghatározhatjuk, hogyan módosul az áramkör termofeszültsége, ha a hőelemet az egyik csatlakozási pontnál megszakítjuk és egy harmadik fémből álló vezetőt - c - iktatunk be (8.6. ábra). Az (ac) és (bc) csatlakozási pontok hőmérséklete megegyezik és változatlanul υ 2. A közbeeső vezetők törvénye alapján a (c) vezető a teljes áramkör termofeszültségét nem fogja befolyásolni, mivel hőmérséklete végig ugyanaz. Ha a (c) vezető valamely részén, pl. az A -val jelölt helyen a hőmérséklet υ 3 lesz, a homogén áramkörök törvénye alapján a teljes áramkör termofeszültség mérésére szolgáló berendezés (mutatós műszer, kompenzátor) az áramkör bármely pontján becsatlakoztatható, anélkül, hogy a termofeszültséget befolyásolná ábra. Közbenső vezetők törvénye Feltétel, hogy a mérőberendezés által a mérőkörbe bevitt csatlakozások ugyanazon a hőmérsékleten legyenek. 114

115 Közbeeső hőmérsékletek törvénye. Ha két különböző, homogén fém E 1 termofeszültséget hoz létre, amikor a csatlakozások υ 1 és υ 2 hőmérsékleten vannak (8.7. ábra), és U 2 hőelektromotoros erőt, ha a csatlakozások υ 2 és υ 3 hőmérsékleten vannak, a hőelektromotoros erő U 1 +U 2 lesz, ha a csatlakozások hőmérséklete υ 1 és υ 3. Az előbbiekből következik, hogy bizonyos számú különböző homogén fémet tartalmazó áramkörökben létrejövő termofeszültség algebrai összege csupán a csatlakozások hőmérsékleteinek a függvénye. Ha egy kivételével valamennyi csatlakozást egy referencia-hőmérsékleten tartunk, a létrejövő termofeszültség csupán ennek a csatlakozásnak a hőmérsékletétől függ és felhasználható a hőmérséklet mérésére ábra. Mérőműszerek csatlakozási lehetőségei 8.7. ábra. Közbenső hőmérsékletek törvénye A hőmérsékletet mérő hőelem két különböző huzalból áll. Egyik végük a mérendő υ 1 hőmérsékleten van, ezt melegvégződésnek, melegpontnak, vagy munkavégződésnek nevezzük. Másik végük a hidegpont, másként szabad, vagy referenciavégződés. (A hidegpont és melegpont elnevezések nem tökéletesek, mert pl. alacsony hőmérsékletek mérésénél épp a hidegpont lehet melegebb hőmérsékleten.) A referenciavégződést termosztátban vagy olvadó jég hőmérsékletnél (0 o C). A hőelemet a szabad végződése környékén megbontva, a körbe feszültségmérő műszerrel csatlakozunk (8.8. ábra). A mért termofeszültségből meghatározható a munka és a referenciavégződések hőmérsékletének különbsége (Δυ). Innen a keresett hőmérséklet: J 1 = J 2 + DJ. 115

116 A hőelem tehát két egymással összeforrasztott különböző fém, amelyek forrasztási pontjában a hőmérséklettel arányos kontaktpotenciál keletkezik. Ez a kontaktpotenciál valójában a kilépési munkák különbsége osztva az elektrontöltéssel. Két különböző anyagú vezető között fellépő kontaktpotenciál adott υ hőmérsékleten ( C-ban mérve): U AB (υ). A különböző anyagok jelölésére az indexbe írt nagybetűket használjuk - pl.: A, B, C - de lényeges az indexek sorrendje, mert: U AB ( J) = -U BA( J). A keletkezett termofeszültség irányának (előjelének) egyértelmű meghatározására az a megoldás, hogy a platinát tekintjük alapelemnek és az egyes fémek termofeszültségeit a platinával alkotott hőelem termofeszültségeiként értelmezzük. Az alábbi táblázat megmutatja a fontosabb fémek és ötvözetek platinához viszonyított előjeles termofeszültségeit. anyag termofeszültség mv anyag termofeszültség mv konstantán -3,47-3,04 alumínium +0,37 +0,41 kobalt -1,99-1,52 wolfram +0,65 +0,9 nikkel -1,94-1,2 ezüst +0,67 +0,79 kálium -0,94 réz +0,72 +0,77 nátrium -0,21 horgany +0,6 +0,79 platina 0 manganim +0,57 +0,82 higany -0,07 +0,04 arany +0,56 +0,8 grafit +0,22 vas +1,87 +1,89 szén +0,25 +0,3 nikkelkróm +2,2 tantál +0,34 +0,51 szilícium +44,8 ón +0,4 +0,44 germánium +30 ólom +0,41 +0,46 szelén +90 magnézium +0,4 +0,43 tellur táblázat 8.9. ábra. Párosított fémek termofeszültsége Megjegyzés: Az értékek 100 K hőmérsékletkülönbségre vonatkoznak. A hőelem eredő termofeszültsége az őt alkotó két fém táblázat szerinti értékeinek algebrai összege. A keletkező termofeszültségek irányának egyértelmű maghatározására az a megállapodás, hogy alapelemnek tekintik a platinát és az egyes fémek, ötvözetek termofeszültségeit a platinával alkotott hőelem termofeszültségeinként értelmezik. Elvileg a fémek (ötvözetek) szabadon párosíhatók, de a gyakorlati felhasználásuk érdekében a leggyakrabban előfordulókat 116

117 8.10. ábra. Termoelem elvi vázlata szabványosították. Gyakrabban alkalmazott hőelempárok és a maximális méréshatár: Cu-Ko (réz-konstantán) kb. 500 C, Fe-Ko (vas-kons-tantán) kb. 700 C, NiCr-Ni (Nikkelkróm-nikkel) kb C és PtRh-Pt (platina-rhodium-platina) 1300 C (korlátozottan 1600 C). A 8.9. ábrán a fenti hőelemek által szolgáltatott termofeszültségek hőmérséklet összefüggését látjuk. A hőelemeket hőmérsékletmérésre mindig zárt áramkörben használják, amelyben a különböző anyagú vezetékekkel több, de legalább két csatlakozási pontjuk van. A mérhető termofeszültség az egyes csatlakozási (forrasztási) pontokban keletkező termofeszültségek összege. Megállapodás, hogy a mérő termoelem forrasztási pontját a mérőrendszer melegpontjának, az összehasonlítási hőmérsékleten elhelyezkedő hőelem forrasztási pontját hidegpontnak nevezik. A továbbiakban vizsgáljuk meg a ábrát. Az A és B minőségű anyagot a két végén össze kell forrasztani. Legyen az egyik érintkezési pont hőmérséklete J 1, a másiké J 2. Ezzel az egyes pontokban kialakuló kontaktpotenciálok U AB (J 1 ), illetve U AB (J 2 ). Ha J 1 ¹J 2, akkor a két kontaktpotenciál abszolút értéke sem egyenlő, vagyis: U ( J ) + U ( J ) 0, U AB ( J )-U ( J ) 0. AB 1 BA 2 ¹ 1 AB 2 ¹ A kontaktpotenciálok különbsége a termofeszültség. Jelölése: U AB ( J1; J2 ) = U AB( J1 ) -U AB( J2 ). Eddigiekből láthatjuk, hogy a létrejött termofeszültség a hőmérséklettől függ, amely függés a következő képlettel adható meg: b 2 g 3 U AB ( J ;0) = a J + J + J. 2 3 Az érzékenység: 2 du AB( J;0) É = a + b J + g J =. dj Az érzékenység függ a hőmérséklettől, mégpedig a nemlineáris függvénye a ábra. C anyag közbeiktatása hőmérsékletnek. Fontos megjegyezni, hogy a termofeszültség nagysága csak a kezdő és végpont hőmérsékletétől (J 1 ;J 2 ) és a huzalok anyagától függ, de független a huzal 117

118 mentén kialakult hőmérsékleteloszlástól. Ez a megállapítás csak akkor igaz, ha az A és B huzalok anyaga végig homogén. Az inhomogenitás járulékos termofeszültséget eredményez, kivéve, ha az inhomogén szakaszok végpontjai azonos hőmérsékleten vannak. Vizsgáljuk meg a ábrát. Az A és B anyag közé egy harmadik C jelű anyagot helyezünk. Ha az A és C illetve a C és B anyagok érintkezési pontjai azonos hőmérsékleten vannak, akkor a és b között megjelenő termofeszültség nem függ a közbenső C anyagtól. ( J ) + U ( J ) U ( J ). U AC CB = Ez a közbenső anyag termikus rövidzárnak felel meg. Amennyiben a keletkezett termofeszültség méréséhez használt műszer termikus rövidzár, akkor a műszer tartozékai (tekercsek, kapcsok stb.) nem befolyásolják a AB ábra. A mérés egyszerű módja termofeszültség nagyságát. Az A és B anyagnak forraszthatónak kell lennie. (8.12. ábra) Az ábrán látható, hogy az A és B a termoelem anyaga, a C pedig a forrasztó fém ábra. A mérés egyszerű módja A ábra a mérés legegyszerűbb módját mutatja. Ennek lényege, hogy az A és B huzalok egyik érintkezési pontját egy termikus rövidzárral ellátható műszeren keresztül hozzuk létre. Ez a műszer csak akkor viselkedik termikus rövidzárként, ha a csatlakozási pontok- a korábban tapasztaltaknak megfelelőenhőmérséklete azonos. A Thevenin helyettesítő képen a forrásfeszültség: U J = U AB( J; J0 ). A műszer árama: UJ U AB ( J; J0 ) I = =. RA + RB + Rm RA + RB + Rm 118

119 Minél nagyobb az átfolyó áram, annál jobban melegszik az ellenállás. Az érintkezési pontok hőmérséklete úgy változik, hogy a termofeszültséget létrehozó hőmérsékletkülönbséget csökkenteni igyekszik. Ez valójában a Peltier hatás, ami az jelenti, hogy a melegebb érintkezési pont hűlni kezd. Ez mérési hibát okoz, ezért csökkenteni kell az áramot, ami a következő módon lehetséges: nagy hőellenállású műszer alkalmazásával és kompenzációs feszültség mérési módszerrel. 119

120 9. Fejezet Fotoelektromos átalakítók 9.1. ábra. Fotoelektromos átalakító blokkvázlata A fotoelektromos átalakítók megvilágítást alakítanak át feszültséggé. Blokkvázlata a 9.1. sz. ábrán látható. Működése a fotoelektromos jelenségen alapul, vagyis azon, hogy megvilágítás hatására a p - n átmenetben feszültség keletkezik. Ismerünk fotoelemet, fotodiódát és fototranzisztort Fotoelem Az átalakító elvi felépítését a 9.2. sz ábra. Fotoelektromos átalakító elvi vázlata ábra mutatja. Az átalakító anyaga szelén. Ha az ábrán látható fotoelemet valamilyen impedanciával lezárjuk, akkor a körben áram folyik. A 9.3 sz. ábra mutatja a 9.4. ábra. Si és SE fotoelemek üresjárási feszültségének változása az E függvényében 9.3. Fotoelem statikus karakterisztikája fotoelem statikus karakterisztikáját a sugárzási teljesítmény függvényében, a lezáró ellenállással paraméterezve. Látható, hogy a fényelemmel kis belső ellenállású műszert célszerű alkalmazni. A fotoelemek anyaga rendszerint szelén és szilicium. A szilícium fotoelem forrásfeszültsége max. 0,6 V körül van, míg a szelén alapú fotoelemé 0,3 V körül. A 9.4. ábra mutatja az Si és Se fotoelem üresjárási feszültségének változását a megvilágítás függvényében, míg a 9.5. ábra ugyanezeknek a spektrális érzékenységét. 120

121 9.2. Fotodióda A fotodiódák olyan félvezető diódák, amelyeknek p - n átmenete fény hatásának van 9.5. ábra. Si és Se fotoelemek spektrális érzékenysége kitéve. Felépítésük a 9.6. sz. ábrán van feltüntetve. A fotodiódák mindig záróirányban működnek. Anyaguk szilícium és germánium. Sötétben u- gyanúgy zárnak, mint a 9.6. ábra. Fotodióda felépítése 9.7. ábra. Fotodióda E-I karakterisztikája közönséges diódák, amikor záróirányban vannak előfeszítve. Valójában ezek a diódák sem zárnak teljesen, mert teljes sötétségben is folyik egy ún. sötétáram. Fény hatására a zárórétegben töltéshordozók szabadulnak fel, és a fotodióda vezetővé válik. A 9.7. sz. ábra mutatja a fotodióda megvilágítás-áram karakterisztikáját, amely lineáris. Itt I 0 a sötét-áram értéke. A 9.8. sz. ábra az U - I jelleggörbéket mutatja a megvilágítással paraméterezve. A fotodiódáknak más-más 9.8. ábra. Fotodióda U-I spektrális érzékenységük van, amely az ultraibolyától egészen az infratartományig terjed. karakterisztika Ezt 121

122 9.9. ábra. Fotodióda spektrális érzékenysége mutatja a 9.9. sz. ábra. Ha a fotodiódára nincs feszültségre kapcsolva, akkor a fény hatására feszültség keletkezik a kapcsokon, vagyis a fotodióda külső feszültség nélkül megvilágítás hatására fényelemként működik Fototranzisztor ábra. Fotodióda és bipoláris tranzisztor A fototranzisztor olyan p - n - p, vagy n - p - n átmenetű bipoláris tranzisztor, amelynek lencséje van. A lencse feladata, hogy a fénysugarakat fókuszálja, és a báziskollektor zárórétegébe irányítsa, ahol ennek ha ábra. Fototranzisztor jelleggörbéi tására töltéshordozók szabadulnak fel. A fototranzisztor egy fotodiódával és egy közönséges bipoláris tranzisztorral helyettesíthető, amelyet a sz. ábra mutat. Minél 122

123 nagyobb a bázisáram, annál nagyobb a kollektor-emitter kivezérlése. A fototranzisztoroknak általában nincs báziskivezérlése, de ha mégis van, az további vezérlési lehetőséget biztosít. A fototranzisztorok jelleggörbje a sz. ábrán látható. Az érzékenységet növelni lehet a sz. ábrán található fototranzisztorcellák alkalmazásával. A fotoelektromos átalakítók állandó és időben változó megvilágítás mérésére, megvilágítás jelzésére van, vagy nincs hőmérséklet mérésére, illetve jelzésére az infravörös sugárzási tartományban. Előnyei közé tartozik a kis méret, nem hat vissza a mérendő objektumra, hátránya viszont, hogy hőmérséklet változásra érzékenyek Térvezérlésű fototranzisztorok A fényérzékeny térvezérlésű tranzisztor lényegében egy fotodióda és egy nagy bementi impedanciájú erősítő egybeépített változatának tekinthető. Térvezérlésű fényérzékelők készülnek mind záróréteges (pn FET), mind szigetelt vezérlőelektródájú (MOS FET) kivitelben az áramköri tranzisztorokhoz hasonlóan. A foto-fet is rendelkezik mindazon ábra. FotoFet tranzisztor ábra. Fototranzisztor cella előnnyel a bipoláris fototranzisztorokkal szemben, mint amelyek az áramköri tranzisztorok esetében felsorolhatók. A fénydetektálás szempontjából külön ki kell emelnünk a működés nagyfokú linearitását, amely elsősorban a kis fényszintekkel való megvilágítás esetén jelentős. Ezeknél az eszközöknél tehát a közönséges fototranzisztorokkal ellentétben már egészen kis fény esetén is arányosan nő a válaszjel a fény növekedésével. 123

124 10. fejezet Piezoelektromos átalakítók A piezoelektromosság és elektrostrikció felfedezése Pierre Curie és Marie Curie nevéhez fűződik A piezoelektromos átalakítók működése a piezoelektromos hatáson alapul. Az utóbbi bizonyos anyagoknak az a képessége, amely mechanikai terhelés esetén elektromos töltéseket hoz létre (egyenes piezohatás), elektromos tér szuperponálásakor pedig az anyag mechanikai deformációjához vezet (fordított piezohatás), vagyis az elektrostrikció. Lényege, hogy villamos térbe helyezve egy kvarckristályt, annak felülete deformálódik, egyik irányba megnyúlik, másikba összenyomódik. Mennyiségileg a piezohatás a d piezomodulussal értékelhető, amely a keletkező töltés, Q és a ható erő, F közötti arányosságot meghatározza: Q = df A legfontosabb piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező természetbeli anyagok a kvarc és a turmalin. A megnevezett anyagok közül a kvarcot részesítik előnyben, amelynek kielégítő piezotulajdonságai, nagy ellenállása, piezo- és szigetelési állandóinak viszonylag kis hőfüggése és nagy mechanikai szilárdsága van. Rugalmassági modulusa olyan nagy (E = 0, Pa), hogy eléri az acél rugalmassági modulusának (2, Pa) harmadát; valamint nagy a linearitása és a dinamikus tartománya stb. A modulus legnagyobb értékének elérése érdekében a kvarckorongot, lemezekét vagy tárcsát úgy vágják ki a monokristályból, hogy a legnagyobb sík merőleges legyen az X kristálytani tengelyre (3.28. ábra, 3. fejezet). Ezért az X tengelyt elektromos (piezoelektromos) tengelynek nevezzük. Rendszerint a kivágott téglalap alakú lemezek éle az X tengellyel, h éle a Z optikai tengellyel, b éle pedig a harmadik Y tengellyel, amelyet mechanikai tengelynek nevezünk, párhuzamos. A hasonló lemezek F erővel való megterhelésekor az X tengely irányában az oldallapokon töltés keletkezik, amely egyenlő: Q hi = d 11. F x Meg kell jegyezni, hogy ez a töltés csak a ráható erőtől függ, és független a lemezke geometriai méreteitől (hosszirányú piezohatás). Megjegyzés: A d 11 és a többi hasonló típusú érték táblázatban megtalálható. Ha a lemezeket az F tengely irányában összenyomásnak vetjük alá, akkor ugyanazokon az oldallapokon újra megjelenik a töltés, csak most ellenkező előjellel (keresztirányú piezohatás). A töltés mennyisége keresztirányú piezohatás esetén:. b Q ki = d 11 Fy 10.3 a és függ a b/a viszonytól. A b/a viszony megfelelő kiválasztásával lehet változtatni az átalakító érzékenységét, amelynek f első határát a lemezek mechanikai szilárdsága korlátozza. Töltés nem keletkezik, ha a Z tengely irányában éri mechanikai erőhatás a lemezkét. 124

125 10.1. ábra. Érzékelő elvi felépítése A töltés növelése érdekében az átalakítót néhány (n db) lemezkéből állítják össze, amelyek mechanikailag sorba, elektromosan pedig párhuzamosan kötődnek (10.1. ábra). Ebben az esetben a töltés összege åq = n. Q. A gyakorlatban rendszerint nem a töltést, hanem a lemezek oldallapjai által alkotott kondenzátor C d feszültséget mérik: Q d11 F U = = Cd Cd Mint ahogy utalunk rá, a kvarc rendkívül nagy stabilitással bír. A piezomodulus változása a hőmérséklet függvényében egészen o C-ig nagyon kicsi és nem haladja meg 10-4 C -1 -t, 300 o C fölött csökken jelentősen gyorsabban, és o C hőmérsékletnél megszűnik a piezohatás. Valamennyivel jelentékenyebb a hőmérséklet hatása a kristály ellenállására, amely W/cm 3 -tól (t=20 o C) csökken W/cm 3 -ig (t=100 o C). A kvarc másik előnye az, hogy karakterisztikái a terhelés növelésével egészen a törésig lineárisak. A turmalinnak (a kvarctól eltérően) nem két, hanem egy piezoérzékeny síkja van, - az optikai Z tengelye. Ezért a turmalin lemezkéket úgy vágják ki, hogy az üzemi felületeik merőlegesek legyenek az optikai tengelyre. Ennek a sajátosságának köszönhetően a turmalin hidrosztatikus (mindenirányú) nyomás mérésére alkalmas, ami nélkülözhetetlenné teszi folyadéknyomás mérésére. A turmalin hiányosságához sorolható a piezomodulusának hőfüggése (a kvarchoz viszonyítva). Azonkívül ritkán található a természetben és nagyon drága, ami korlátozza gyakorlati alkalmazását. Az említett természeti kristályok mellett a technikában alkalmazást nyertek mesterséges kristályok is: Seignette-só (KNT), ammónium-dihidrogén-foszfát (ADP) és káliumdihidrogén-foszfát (KDP) stb. A kvarctól és aturmalintól eltérően a mesterséges kristályok lemezeit a poláris tengelyhez viszonyítva bizonyos szög alatt vágják ki. A Seignette-sónak nagyon nagy a piezomodulusa (körülbelül 150-szer nagyobb, mint a kvarc piezomodulusa), de kicsi a mechanikai szilárdsága, az erősen függ a hőmérséklettől és a nedvességtől. Már ferroelektromos anyagoknak (KDP, ADP) nagyobb a mechanikai szilárdságuk, de a jelentős hőfüggés miatt mérési célokra alkalmatlanok. Széles teret nyertek a ferroelektromos anyagok, a bárium-titanát és annak vegyületei piezokerámia formájában (niobát, ólom-cirkonát-titanát stb.). Ezeknek a kvarchoz viszonyítva nagy a piezomodulusuk, mechanikailag szilárdak és azon kívül különböző formákban és méretekben gyárthatók. Alakjuk (rendszerint korong, lemez, rúd, henger) megfelelő présformákkal készíthetők. A kapott nyersformát fémezik és megfelelő hőmérsékletű elektromos térben polarizálják. A piezoelektromos anyagok közül elsőnek fedezték fel és vezették be a mérési gyakorlatban a bárium-titanátot. Sajnos azonban pozitív tulajdonságai mellett nagyon komoly hiányossága is vannak: a piezomodulus hőmérséklet-ingadozáskor, tároláskor, 125

126 a rá ható terhelés és a söntölő kapacitás nagysága függvényében stb. változik. Ezért napjainkban tiszta bárium-titanátból piezokerámiát alig alkalmaznak. A bárium-titanáthoz hozzáadott bizonyos mennyiségű kálcium-titanát ólom-titanáttal (hármas vegyület vagy kálcium-titanát (kettes vegyület) csökkenti a piezomodulus és Piezoátalakítók terhelési ábrái a dialektromos állandó hő- és időfüggését, azonban abszolút értékük ennek következtében lényegesen lecsökken. Meg kell jegyezni, hogy a piezomodulus és a dielektromos tényező, valamint azok stabilitása sok máson kívül a kerámia alkalmazási kapcsolásától függ, pontosabban az E polarizációs irány megválasztásától, a F erőhatás irányától és a Q töltés levételétől (10.2. ábra). Ezeket a piezomodulusokat a megfelelő d 31, d 15, d 33 indexekkel jelöljük. A piezokerámia mechanikai szilárdsága nagyon nagy, de erősen függ a technolgiától és az érintkező felületek megmunkálásának minőségétől. Ha a piezoelem és a nyomást közvetítő síkok között fóliabetét van, akkor a nyomó szilárdság ábra. Érzékelők igénybevételi módjai eléri (4 6) kn/m 2 -t. Az ólomniobát és az ólom cirkonát-titanát alapú piezokerámiák stabilabbak a báriumtitanát alapúaknál, azonban elmaradnak az utóbbiaktól az érzékenység szempontjából. Azon átalakítók mellett, amelyekben a piezoelemre nyomás vagy nyújtás hat, szélesen elterjedtek olyan szerkezetek is, amelyekben az elem hajlítása (10.3. ábrák) és nyomásra érzékeny. A hajlítást érzékelő piezoelem a két egyforma összeragasztott lemezkéből áll, amelyek között fémfólia van. Az ilyen elem hajlításánál az egyik lemezke meghosszabbodik, a másik megrövidül. Az elemek megfelelő polarizációjakor vagy feszültségösszeget, vagy töltésösszeget lehet kapni. A hajlításra érzékeny átalakítóknak előnye a nyomásra érzékeny átalakítókkal szemben lényegesen a nagyobb érzékenység. Ugyanakkor a hajlítási átalakítók jelentősen elmaradnak az utóbbiaktól szilárdságuk és frekvenciatartományuk szempontjából. A piezoelektromos átalakítók erő nyomás és más olyan mennyiségek mérésére alkalmasak, amelyek által az erőhatás egyenesen vagy ferdén jelentkezik. A piezokerámia elektródáin mechanikai hatás alatt feszültségnek kell keletkezni a (10.4) képletnek megfelelően. Azonban a valóságban az átalakítóknak az áramkörbe való kapcsolásakor az áramkör az átalakító saját kapacitásával C a és más kapacitásokkal (pl. az összekötőkábel kapacitása C k, az erősítő bemeneti kapacitása C e ) is kiegészül. Az R szivárgási ellenállást is figyelembe vevő 126

127 10.4. ábra. Piezoátalakítók helyettesítő képe ekvivalens kapcsolási vázlat a ábrán látható. Ennek megfelelően az átalakító kimeneti feszültsége egyenlő: Q df U = = 10.5 åc Ca + Ck + Ce Ebből az összefüggésből következik, hogy a maximális feszültség vagy a legnagyobb érzékenység elérése céljából arra kell törekedni, hogy az eredő kapacitás bármelyik összetevője a lehető legkisebb legyen. Leegyszerűsített számítások azt mutatják, hogy a kvarcátalakítók esetén C>>C k +C e, míg a piezokerámiából készített átalakítók alkalmazásakor az átalakító kapacitása gyakran összehasonlítható, sőt néha túlhaladja a kábel és az erősítő együttes kapacitását. A nagy erő mérése gyakran kapcsolatos olyan feszültségek megjelenésével az erősítő bemenetén, amelyek sokszorosan túlhaladják az erősítő dinamikus tartományát. Ebben az esetben a vezérlőelektródára adandó feszültség csökkentése céljából az erősítő bemenetével párhuzamosan úgynevezett léptékkapacitást (C 1 ) kapcsolnak (10.4. ábrán szaggatott vonallal van jelölve). Az erősítőbemenet ekvivalens kapcsolásából nem nehéz megállapítani, hogy állandó terhelés alatt (F = const) az erősítő bemenetén a feszültség nem marad változatlan, hanem idővel folyamatosan csökken a kondenzátornak R szivárgási ellenálláson keresztüli kisülése miatt, amely a következő összefüggéssel írható le: U = U Q. exp (-t/rc) = C Q exp (- t/rc), ahol az U o a feszültség a kisülés kezdetén és C a kondenzátorok összessége. Így például, a t = 0,7 RC alatt a feszültség felére, a t = RC idő alatt pedig U = 0,36 U o értékig csökken. Minél nagyobb az időállandó, annál lassabban csökken a feszültség. A lehető legnagyobb időállandó elérése különösen kívánatos lassan változó folyamatok mérése esetén. Elvileg az RC szorzat növelése elérhető bármelyik tag növelésével. Azonban a kapacitás növelése nem mindig célszerű, mivel ez egy sor esetben nem megengedhető feszültségcsökkenéshez és a dinamikus tartomány leszűküléséhez vezet. Gyakorlatilag mindig az R szivárgási ellenállás növelésével kell törekedni az RC szorzat megnövelésére. Piezoelektromos mérések alkalmazása csak dinamikus folyamatokra célszerű. 127

128 11. Fejezet Hall elemes átalakító Működés, felépítés A Hall - elemek - vagy más néven hallotronok - Edwin Herbert Hall amerikai fizikus által 1879-ben felfedezett és a róla elnevezett effektuson alapulnak. A Hall - effektus abban áll, hogy egy hasáb alakú vezető, illetve félvezetőn folyó I áramra merőleges B indukcióvonallal jelölt mágnestér hatására a hasáb oldalélei között egy ún. Hall - feszültség ébred. Ez azzal magyarázható, hogy az I áramot belső hoszszirányú elektronmozgást ( n típusú vezetés), illetve a lyukak hosszirányú mozgását ( p típusú vezetés) a B mágneses indukció befolyásolja. Ezt mutatja a sz. ábra. Az elektronokra és lyukakra a Lorentz erő hat: ábra. Piezoátalakítók helyettesítő képe F l = e. v. B Ez az erő az elektronokat és lyukakat keresztirányban mozdítja el, ami polarizációt okoz. A lemezek a vezetés p, vagy n típusa, az dönti el, hogy a Hall effektus milyen polaritású. A mágnes tér ilyen módon villamos teret hoz létre, az ún. Hall teret, amelynek növekedése mindaddig folytatódik, amíg a Lorentz erő és az F H Hall - erő ki nem egyenlítődik. Ekkor: F L = F H Legyen a Hall tér villamos térerőssége E H, akkor: F H = e. E H A 11.1 és összehasonlításából felhasználva a sz. feltételt adódik: 128

129 E H = v. B. A Hall- feszültség kifejezhető a Hall térből: ahol: b - szélesség. U H = E H. B = v. B. b, A hosszirányú I áramot létrehozó E villamos tér kifejezhető a differenciális ohm törvényből a j áramsűrűséggel és a ρ fajlagos ellenállással: 1 E H = j r = r, b h ahol: h - a lemez vastagsága. A vezető (félvezető) szabad töltéshordozóinak v sebessége a következő módon függ a térerőtől: v = κ. E, ábra. Példa az alkalmazásra ahol: κ - a töltéshordozók mozgékonysága (m 2 /V. s), ami fizikailag a szabad töltéshordozók mozgási sebességét jelenti egységnyi térerőnél. Ha a és sz. összefüggéseket beírjuk a be, akkor a Hall feszültség: A κ. ρ szorzatot Hall állandónak nevezzük. Jele: R H és értéke: I B U H = k r h é 3 m ù R H = k r ê ú êë A s úû A Hall feszültség ennek figyelembe vételével: I B U H = RH h A Hall állandó általános kifejezése, ha egyidejűleg van p és n típusú vezetés: 2 2 A n k n - p k p RH = e ( n k ) n + p k p 129

130 ahol: A = állandó, amely fémeknél A = 1 és félvezetőknél A = 2p/8; n és p a térfogategységben lévő szabad elektronok és lyukak száma; a κ p és κ n ezeknek a mozgékonysága és e az elemi töltéshordozók töltése. Ha a vezetés kizárólag egy típusú vagy p és n típusú, lyuk, vagy elektron típusú akkor: A 1 RHp =, e p k p A 1 RHn =. e n k n Látható, hogy a Hall állandó fordítva arányos az egységnyi térfogatban lévő szabad töltéshordozók számával. Fémeknél ez a szám m 3 - ként , félvezetőknél pedig kb Az alábbiakban bemutatunk néhány Hall állandót. Az anyag A Hall-állandó m 2 /A. s n-típusú vezetésre réz, Cu -5, ezüst, Ag bizmut, Bi szilicium, Si germánium, Ge -3, indiumantimonid, InSb indiumarzenid, InAs higany szelenid, HgSe -7, higanytellurid, HgTe -1, A Hall állandó értékei az n - típusú vezetés miatt negatív előjelűek, de pozitívvá válik p típusú vezetés esetén. Nem villamos mennyiségek mérésénél elsősorban elmozdulás, szögelfordulás mérésnél használjuk, illetve az erre visszavezethető mennyiségek (erő, nyomás stb.) mérésére. Egy példát mutat a sz. ábra a szögelfordulás mérésére. Amennyiben a Hall elem félvezető lemeze a B mágneses indukcióvonalakkal párhuzamos, akkor Hall feszültség nem keletkezik (U H = 0), de amint a lemez α szöggel elfordul, akkor a keletkezett feszültség: I B U H = RH sin a. h Működés közben a mágneses erővonalak a hordozóanyagon is áthaladnak. Sok alkalmazásban, ezért kedvező, ha mágneses vezető a hordozóanyag. A lágymágneses ferritek hordozóanyagként kiválóan alkalmasak. A Hall-generátornak, mint minden feszültségforrásnak, belső ellenállása van. A belső ellenállás nagysága a félvezető réteg 130

131 méreteitől és a fluxussűrűségétől függ. A belső ellenállás szokásos értéke kb. 1 ± 4 ohm Alkalmazások Öt alkalmazási terület különböztethető meg. 1. Mágneses fluxussűrűség (B) mérése. Állandó vezérlőáram esetén U H a B mágneses fluxussűrűséggel arányos. A kis Hall-generátorok (kb.2 1 mm 2 ) térszondaként használhatók és inhomogén mágneses terek mérését teszik lehetővé. Közvetve, a mágneses téren keresztül, pl. nagy egyenáramok megmérhetők velük. 2. Az I. B szorzat mérése. A Hall-feszültség arányos mind az I vezérlőárammal, mind a B mágneses fluxussűrűséggel. Nagysága az I. B szorzattól függ. A Hall-generátor szorzóként működik. A mágneses fluxussűrűség arányos lehet egy I M árammal. Ebben az esetben a Hall-generátor két áramot szoroz össze egymással. Az effajta analóg szorzókra az analóg számítástechnikában, a vezérlés- és szabályozástechnikában van szükség. 3. Ha a Hall-generátort állandó amplitúdójú változó mágneses térbe helyezzük, akkor a vezérlő egyenáram mellett váltakozó Hall-feszültség keletkezik, ami a B mágneses fluxussűrűséggel arányos. A Hall-generátor modulátorként vagy érintkező nélküli egyenáram - váltakozó áram átalakítóként működik. 4. A B mágneses fluxussűrűség kis teljesítménnyel vezérelhető. A Hall-generátorról nagyobb teljesítménnyel vehető le. A Hall-generátornak ekkor erősítő jellege van. 5. A Hall-generátor alkalmas mágneses terek kimutatására. Ha a Hall-generátor közelében pl. állandómágnest mozgatunk, akkor Hall-feszültség keletkezik. Ezen a módon egyszerű fordulatszámmérés valósítható meg. 131

132 12. Fejezet. Frekvenciakimenetű és digitális átalakítók ábra. Frekvencia és impulzuskimenetű átalakítók automatizált méréseknél jól alkalmazhatók. A frekvenciakimenetű és digitális átalakítók a mérendő mennyiséget impulzuszámmá illetve frekvenciává alakítják át, a digitális kimenetű átalakítók kimeneti mennyisége pedig számjegy. Ezek blokk-vázlata látható a 12.1a. és 12.1b. sz. ábrákon. Ezeket az átalakító típusokat gyakran alkalmazzák digitális rendszerekben, mert gyors működésűek, nagy pontosságúak, jól kódolhatóak és az Alapfogalmak Számítástechnikai eszközökkel feldolgozható jelek Az impulzusok számlálására elvben bármely impulzusmodulációs eljárással megoldható, mint pl. PAM (amplitúdó), PPM (helyzet), PDM (szélesség), PFM (frekvencia) és PCM (kód) modulációval. A gépipari méréseknél a gyakorlatban főleg PFM terjedt el. Legyen a pillanatnyi impulzus frekvencia jele: f. Ha (t 1, t 2 ) időintervallumban az összes impulzus száma n 1, akkor ezt így definiálhatjuk, hogy: t n = n )ò ( t2) - n( t1 = 2 fdt t1 ahol n(t 1 ) és n(t 2 ) egy közös kezdeti időponttól a t 1 és t 2 időpontig kibocsátott impulzusok száma. Az impulzusgyakoriság (f r ) és az impulzusszám között az összefüggés: dn f = dt A mozgásokkal kapcsolatos mechanikai mennyiségek különösen előnyösen képezhetők le az impulzusgyakoriság és szám alapján. Olyan jellemzők, mint a szögelfordulás, hosszirányú mozgás, átáramló térfogat ezek úttípusú jellemzők továbbá sebesség, fordulatszám stb. ezek sebességtípusú jellemzők igen jól feldolgozhatók. 132

133 12.2. Alkalmazás Haladó mozgás Ebben az alkalmazásban az átalakító egységnyi hosszúságú elmozdulás esetén p számú impulzust bocsát ki, amelynek gyakorisága f, akkor a sebesség: 1 v =. p Az 1/p állandó kizárólag a szerkezeti kialakítástól függ és a neve hitelesítési állandó, de nevezik szerkezeti állandónak is. Tehát: 1 K H =. p Ezzel a sebesség: v = K H f. A (t 1 ;t 2 ) időintervallumban megtett út függ az impulzusszámtól. ahol: S az adott hosszúságot jelenti. Forgó mozgás esetén: S [ n( t )- n( t )] = K, 2 - S1 = S - KH 2 1 H n w = K H f, ' ' [ n( t )-n() t ] = K n ' j 2-j1= j= KH 2 1 H. Látható, hogy K H K H, vagyis ha p jelenti az egy körülfordulásra eső impulzusok számát, akkor: ' p K H = 2. p A gyakorlatban sokszor előfordul olyan eset, amikor forgó és haladó mozgásokat hozunk egymással kapcsolatba, mégpedig mechanikai kényszerkapcsolatba. Ha az átalakító forgó szerkezeten van elhelyezve, de egyébként haladó mozgás ellenőrzése a feladata, vagy fordítva, akkor a kényszerkapcsolat formája adja meg a kétféle mozgás jellemzői közötti összefüggést. Holtjátékmentes kapcsolatot feltételezve a forgó elem f szögelfordulása és a haladó mozgást végző elem által megtett s út között: -csavaros hajtásra: h s = p j, 2 -forgásléc/fogaskerék hajtásra: 133

134 z m s = j, 2 ahol: h - csavarorsó menetemelkedése, z - fogaskerék fogszáma, m - fogazás modulmérete (modulus) Áramlásmérés Itt a számlálástechnikai módszereknek igen nagy jelentősége van, mert ekkor időegység alatt átáramló folyadéktérfogatot (térfogatáramlás) mérünk. Forgóelemes (turbina, Woltman-kerekű, stb.) típusú áramlásmérőknél az átáramló tömeg: Q = '' K H f és a térfogat: '' '' V2 -V1 = V = KH [ n( t2) -n( t1) ] = KH n, vagyis: '' V = K H n. Legyen a forgóelem egy fordulata alatt átbocsátott folyadék térfogata q és az egy teljes körülfordulás alatt kibocsátott impulzusok száma p akkor: '' K H = Összefoglalva: Az x m az úttípusú mennyiség, amelynek deriváltja x& m pedig a sebességtípusú mennyiség, vagyis: xm = K H n, x& m = K H f. Ez két általános összefüggés, amelynek segítségével elvégezhető az összes mérés Diszkrét átalakítók Ezek segítségével valamilyen jellegzetes mérőelem (osztásos léc-tárcsa; kódléc-tárcsa; áramlásmérő osztásos forgóeleme stb.) letapogatható és ez által keletkezik a diszkrét impulzusokból álló modulált jelsorozat. A letapogatás történhet galvanikus, optikai, mágneses úton. a, Galvanikus letapogatás q p ábra. Optikai letapogatás elve 134

135 A legegyszerűbb érintkezők útján történik és éppen ezért szennyeződésre hajlamos. Ma már általában nem, vagy igen ritkán alkalmazzák. b, Optikai letapogatás Ez a letapogatási módszer a legolcsóbb. Elve a sz. ábrán látható. Látható, hogy ebben az esetben a fényforrás és a fényérzékeny elem együtt mozog. Köztük van elhelyezve az átlátszó (fehér) és sötét (fekete) mérőket tartalmazó maszk. A maszk helyett gyakran egy optikai rácsot alkalmaznak. Itt a világos és sötét osztás egy 1 μm is lehet. A fényérzékeny elem lehet fotoellenállás, fotodióda és fototranzisztor. c, mágneses letapogatás Ez a megoldás átmenő rendszereknél pl.: szerszámgépeknél használatos. A mágneses letapogatás eszköze a mérőléc. A mágneses mérőléc egy ferromágneses anyagból készült egyenes vonalzó, amely egyenletes osztásokban furatokat és ábra. Mágneses letapogatás elve azokban elhelyezett nem mágnesezhető anyagokat tartalmaz. A mágneses vonalzót mágneses mérőfej tapogatja le, amely akkor ad jelet, ha nem áll pontosan a nem mágneses betét középpontja felett. A sz. ábra mutatja a tárgyalt megoldást. d, Egyéb megoldások A ábrán látható néhány megoldás. Amelyeket eddig nem tárgyaltunk az itt látható megoldások közül a fogas tárcsa, és tükrös hasáb alkalmazása, továbbá a reluktáns és kapacitív átalakító. Ezeket részletesebben azért nem tárgyaljuk, mert másutt ezek működését részleteztük, így itt csak felhasználjuk a tanult tulajdonságokat Kódolt digitális jelek feldolgozása Korábban láttuk, hogy a feldolgozás során az x m n és x& m f el arányos mennyiségek. A kódolt digitális jeleket előállító átalakító a mérendő x m mennyiséget előbb kvantálja, majd az így nyert értéket kódolja, és így viszi át. A kódolás két szimbólumkészlet egymáshoz rendelését jelenti. A tárgyalt esetben tehát a mérendő jelből két művelettel állítják elő a feldolgozandó jeleket: kvantálás és kódolás. a, Kvantálás 135

136 A kvantálás során a mérendő mennyiség értéktartományának véges számú általában egyenlő nagyságú- résztartományra történő felosztása történik. Mivel kvantálással kizárólag végesszámú érték képezhető, az analóg mennyiség viszont végtelen sok értéket vehet fel, ezért a kvantálás csak adott hibával végezhető el. Ezt a hibát kvantálási hibának nevezzük. A kvantálási hiba függ a teljes tartományt felosztó osztási pontok számától. b, Kódolás A kódolás általános értelemben két szimbólumhalmaz egyértelmű egymáshoz rendelését jelenti. Digitális méréseknél kódoláson a nyers értékek olyan átalakítását értjük, amely további feldolgozás szempontjából szükséges, illetve előnyös. Digitális rendszerek szimbólumkészlete 1 és 0. Egy tetszőleges számrendszerbeli, ha úgy tetszik kódszót, a következő alakban írhatunk fel: S 0 = å C i R i, i =n-1 ahol: R a számrendszer alapszáma (kettes számrendszernél R=2) és a C i az i -ik helyiértéken álló szám (a 0 C i R 1 egyenlőtlenség mindig fenáll). 1.példa Írjuk fel decimális számrendszerben az 518-as számot: S = = példa Bináris rendszerben adott szám értékét számítsuk ki decimális rendszerben: R = 2; n = 7 S = = 103 Az 1.sz. táblázat tartalmazza az ipari mérésekben alkalmazott fontosabb kódokat. A táblázatból látható, hogy négyelemes kódszavakat alkalmaznak, amelyeket tetrádoknak nevezzünk. A legelterjedtebb kódok a következők: 136

137 12.4. Egyéb megoldások 137

138 Decimális szám BCD, bináris kód Excess 3 kód Aiken kód _ Gray kód Súlyozás 8421 nem súlyozott nem súlyozott sz táblázat a, BCD kód Ennél a kódolási típusnál adott decimális számhoz megfelelő bináris szám tartozik. A súlyozási tényező összege az adott decimális számot adja. b, Excess 3 kód Más néven 3 többletes kódnak is nevezik ezt a kódtípust. Az egyes decimális számokhoz a nála hárommal nagyobb decimális számok bináris kódját rendelik. (pl.: 5 5+3=8Þ1000) Kódléc kialakítása 138

139 12.6. ábra. Kódtárcsa kialakítása c, Gray kód Ennek van a gépészetben talán a legnagyobb jelentősége. A két szomszédos kódszó csak egyetlen elemben tér el egymástól. Ez a tulajdonsága különösen alkalmassá teszi pl. a helyzet (szöghelyzet) mérési feladatoknál. Ez nem súlyozott kód, ezért kódolása más kóddá nehezen algoritmizálható. A gépészetben használt átalakítók kódlécek és kódtárcsák formájában vannak kialakítva. A sz. ábra kódlécet, 12.6 sz. ábra pedig kódtárcsát mutat. A kódléc ötelemes, a tárcsa pedig 10 elemes kódszóból áll. A fekete szín a bináris egyet, a fehér pedig a bináris 0-át jelenti. Amennyiben a kódtárcsa érintkező sávjai helyzetének megfelelően a tárcsához egy tíz érintkezőből álló sugárirányban rögzített érintkezősort nyomunk hozzá, akkor az érintkezősor kimenetein a szögelfordulás bináris számjegyek formájában alakítható át. Ugyanilyen kódtárcsa készíthető pl.: üvegből, ahol a világos ívek átvilágíthatók. A sugár mentén elhelyezett fényforrás és a tíz fényérzékeny elem ugyanazt a funkciót tölti be, mint az érintkezők az előbb említett megoldásnál. 139

140 13. Fejezet Az átalakítókkal kapcsolatos mérési problémák ábra. Hídáramkör modellje A jelátalakítók kimenő jelét csak igen kivételes esetekben lehet közvetlenül felhasználni mérési céllal. A kimenő jeleket átalakítják, erősítik stb. és csak utána jelzik ki közvetlenül. A feldolgozás során áramköröket használnak fel, amelyek tulajdonságait a jelátalakítóval együtt kell vizsgálni. A következőkben sorra vesszük, ezeket a kérdéseket Nyúlásmérő bélyeges átalakítók jellegzetes mérőkörei A bélyegek ellenállás változásának további feldolgozása egyen, vagy váltóáramú mérőhidak felhasználásával valósul meg. A vizsgált alakváltozási állapot jellege és bonyolultsága határozza meg az egyértelmű leképzésben szükséges mérőbélyegek számát és típusát. Egytengelyű állapot már egyetlen mérőbélyeggel is lekérdezhető, de síkbelikéttengelyű leképzésben már két db. mérőbélyegre van szükség, viszont, ha érzékenységet akarunk növelni, vagy kompenzálási céllal akarjuk használni, akkor négy, vagy még több mérőbélyeget alkalmazunk. Kapcsolástechnikailag megkülönböztetünk aktív és passzív mérőbélyegeket. Aktívnak nevezzük azokat a bélyegeket, amelyeket mechanikai terhelésnek vetünk alá. Értelemszerűen a passzív mérőbélyegeket nem vetjük alá mechanikai terhelésnek, és főként kompenzálási céllal használjuk. Az aktív bélyegek számától függően beszélünk negyed, fél vagy teljes hídáramkörről. Vizsgáljuk meg a sz. ábrát, amelyen nyúlásmérő-bélyegek hídáramkör modellje látható. A híd kiegyenlítésének feltétele: R 1. R 4 = R 2. R A híd kimenő feszültsége, ha a híd ki van egyenlítve: æ R3 R1 0 ö U T = U ç -. è R3 + R4 R1 + R2 ø Megjegyzés: A továbbiak megértéséhez tudnunk kell a 3. fejezet ismeretanyagát. A sz. összefüggés a következő: dr dr = e ( 1+ 2 m), R r 140

141 Dl dr ahol: e = viszonylagos deformáció, = piezorezisztív ellenállás változás, l r e ( m) = tenzometrikus ellenállás változás. Fémeknél az utóbbi, a félvezetőknél az előbbi a jelentős. A (3.fejezet) egyszerűbb kezelhetősége miatt a piezorezisztív ellenállás változást a nyúlással arányosnak tételezzük fel, ahol az arányossági tényező: dr r Y =, e ezzel a 3.40.sz. összefüggés: dr = ( m + Y) = g e R alakúvá módosul, amit az irodalom a nyúlásmérők alapegyenleteként ismer, Tehát: dr = g e, R és a bélyegtényező, vagy mérőelem nyúlási tényezője ( gauge factor): g = m + Y, amely értéket a gyártók megadnak. Felhasználva a ot és ezt beírva a be és az eredményt rendezve kapjuk: 4 U e = T, g U 0 A következőben a sz. összefüggés szerint kapcsolás lehetséges eseteit vizsgáljuk. a. Negyed híd Egytengelyű állapot - pl. nyomás - leképezéséhez egyetlen mérőbélyeg elegendő. Legyen a terheletlen mérőbélyeg ellenállása R, amely terhelés hatására ΔR értékben változik. Helyezzük a mérőbélyeget a hídba az R t helyére. Tételezzük fel, hogy R 2 = R 3 = R 4 = R. A terheletlen híd kiegyenlített, de terheléskor R 1 = R + ΔR. A sz. összefüggés felhasználásával a mért érték: æ R R ± DR ö m DR U T = U0 ç - = U0. è R + R R ± DR + R ø 4 R + 2 DR Általában ΔR << R, így 4. R + 2. ΔR 4R, ezért: 141

142 ± DR U T = U R Az ilyen negyed híd előnye az egyszerűség, de hátránya, hogy az Ú T változik a terhelés függvényében, sőt még a hőmérséklet változása is befolyást gyakorol a mérési eredményre. Egyetlen mérőbélyeggel tehát a mérés pontatlan. b. Fél híd A fél híd esetében két db. bélyeget alkalmaznak a hídkapcsolásban, amely kétirányú alakváltozással leírható állapot jellemzésére használható. Alkalmazható az előbbi kapcsolásban is, de ekkor az érzékenység növelését szolgálja. Itt két esetet különböztetünk meg. - Mérőbélyeg alkalmazása híd hajlításánál (13.2. ábra) Terheléskor az R 1 nő és R 2 csökken ΔR-el vagyis: R 1 = R + ΔR, R 2 = R ΔR. Ezt a megoldást másképpen differenciál-átalakításnak is nevezik. Ekkor a sz. összefüggést alkalmazva: DR U T = U R Ezt összehasonlítva a sz. összefüggéssel látható, hogy duplájára nőtt az érzékenység. További előnye a fél hídnak a negyed hídhoz képest, hogy az R 1 és R 2 termikusan kompenzálja egymást. - Mérőbélyeg alkalmazása egyirányú terhelésre (13.3. ábra) Vizsgálatainkat a sz. ábrán végezzük, amely húzott rudat mutat. Az alakváltozás terhelés irányában ΔR ellenállás változást okoz, de erre merőlegesen a Poisson törvény értelmében az ellenállás változás μ. ΔR, ezért R 1 = R + ΔR és R 2 = R ΔR helyettesítéssel bizonyítás nélkül: ábra. Húzott rúd mérése kompenzációval ábra. Hajlított rúd mérése félhídban 142

143 ( 1+ m ) DR U T = ± U Ebből látható, hogy az érzékenység (1+ μ) - szörösre 4 R nőtt a fél hídhoz képest. c. Teljes híd A teljes hidat gyakran alkalmazzák hajlításnál, amikor a rúd két oldalára oldalanként 2-2 mérőbélyeget helyeznek. Ekkor a híd kimenő feszültsége: DR U T = ± U R Az érzékenység a negyed hídhoz képest tehát négyszeresére nőtt. Ha a sz. ábra szerinti megoldást alkalmazzuk, de mindkét oldalra 2-2 bélyeget helyezünk, akkor: DR ( 1 + m ) U T = ± U R (Ekkor R1 = R + DR ; R2 = R-m DR ; R3 = R-m DR ; R4 = R+ DR helyettesítéssel kaptuk a végeredményt.) A tenzoellenállások deformációja által kiváltott ellenállás változás igen kicsi (miliohm néhány tized ohm), ezért gondot okozhat a vezetések ellenállása, mert kb. azonos Híd kiegyenlítésének módjai 143

144 nagyságrendbe esnek, és nem feltétlen egyenlők a híd ágaira nézve, ezért ezeket kompenzálni kell. Kompenzációra mutat különböző megoldásokat a sz. ábra. A 13.4a. és a 13.4b. ábrák használhatók egyen, és váltófeszültségű táplálás esetében, a többi csak váltófeszültségű táplálásra. A 13.4b. ábrán az R a kiegészítő ellenállások a kiegyenlítés finomítását teszi lehetővé. A kiegyenlítés feltétele: R 1 R 4 = R 2 R 3. Váltakozófeszültségű táplálás esetén ez a képlet továbbra is igaz, de impedanciák feltételezésével. Z 1 Z 4 = Z 2 Z 3, ahol: Z = R+jX Ez utóbbi esetben a kiegyenlítés csak a valós és imaginárius részek egyenlősége esetén áll fenn. R 1 R 4 - X 1 X 4 = R 2 R 3 - X 2 X 3 R 1 X 4 + R 4 X 1 = R 2 X 3 - R 3 X 2 A reaktív összetevők kiegyenlítése igen fontos, ha nagyfrekvenciás, és nagyerősítésű ábra. Csereszabatosság biztosításának megoldása rendszert alkalmazunk, mert a nem kívánatos változás akkor is jelentős lehet, ha a vezetékek helyzetét egyszerűen csak megváltoztatjuk. A 13.4e. ábrán látható R K ellenállás a híd kalibrálásakor használható fel. A nyúlásmérő bélyeges erőmérő cellák jellemző mérési adatai a következők: - mérési bizonytalanság: 0,1 0,2% -hőmérsékleti tartomány: -10 C + 45 C -érzékenység: 1,5 2,5mV/V Megjegyzés: a mérőbélyegek érzékenységét úgy is értelmezhetjük, mint 1 V tápfeszültségre eső kimeneti feszül-tség, a cella névleges méréshatárának megfelelő terhelésnél. Az alacsony mérési bizonytalanság betartására, és a csereszabatosság biztosítására különleges áramköri kapcsolást dolgoztak ki, amely a sz. ábrán látható, ami egy többféle paraméterre kompenzált híd (hozzávezetés, hőmérséklet stb.). Ez a kapcsolás biztosítja, hogy állandó maradjon: - a bemeneti ellenállás generátor oldalról - a kimeneti ellenállás a mérőműszer felé - az érzékenység 144

145 - a hőmérsékletfüggetlenség Az ábra jelölései a következőket jelenti: R 1, R 2, R 3, R 4 nyúlás-mérő bélyegek, R K2 - híd nulla helyzetének hőmérséklet függését kompenzáló ellenállás, amelynek anyaga Cu, vagy Ni, R 0 - az R K2 beiktatása miatti hídegyensúly megbomlását helyreállító ellenállás és R K1 - az érzékenység hőmérsékletfüggését kompenzáló ellenállás, amely fő-ként a rugalmassági modulus hő-mérsékletfüggése miatt változik, és anyaga Ni vagy Cu. Az R p1 - a generátor oldali ellenállás beállítására szolgáló ellenállás, R S1 - érzékenység beállítására szolgáló ellenállás, R S2, vagy R p2 -a kimeneti ellenállás beállítására szolgáló ellenállás. Amennyiben a híd táplálására váltakozó feszültséget alkalmazunk, akkor a hídkapcsolást terhelő különféle kapacitásokat is figyelembe kell venni. A sz. ábrán látható olyan elrendezés, amely váltakozó feszültséggel van táplálva. A 13.6a. ábra a mérőbélyegeket tartalmazó félhíd elrendezési vázlatait mutatja, a 13.6b. ábra pedig az áramkör kapcsolási vázlatát, ahol: R 1 ; R 2 - a mérőbélyegek ellenállása, C 1 - az R 1 és föld között fellépő kapacitás, C 2 - az R 2 és föld között fellépő kapacitás és C - a vezeték kapacitása. A kapacitások is még több összetevőből állnak: ábra. Váltakozó feszültséggel táplált híd és helyettesítő képe 145

146 -A C 1 kapacitás: C 1 = R 1 és próbatest közötti kapacitás C 1 = R 1 kivezetése, és a földelt árnyékolás közötti kapacitás -A C 2 kapacitás Mint az előző, de értelemszerűen az R 2 -re vonatkozóan. A fenti kapacitások a következő hatásokat fejthetik ki. a, A C nincs hatással az U T - re, ha a generátor belső ellenállása kicsi. b, A C 1 és C 2 az U T értékét frekvenciafüggővé teszi, ami mind az U T amplitúdójára, mind a tárcsára kiterjed és jelentős mérési hibát okozhat. Az igénybevétel irányának (húzás-nyomás) meghatározására fázisérzékeny egyenirányítót alkalmazunk. Biztosítani kell azt is, hogy az U T fázisa megegyezzen a tápfeszültség fázisával. Erre külön kiegészítő áramkört építenek be, amely az U T fázishelyzetét változtathatóvá teszi anélkül, hogy az amplitúdót befolyásolná. A fázistolás megvalósítását lehetővé tevő kapcsolást sz. ábra mutatja. A híddal párhuzamosan egy potenciométert teszünk (R K ) és azt C K jelű kondenzátoron keresztül földeljük mérés során fellépő hibák A mérés során fellépő hibákat főként a ragasztásból, a hőmérsékletváltozásból eredő és a hozzávezetésben bekövetkező változások okozzák. 1. Nyúlásmérő bélyeg hőfoktényezője (hőmérsékleti együtthatója) A mérési hely hőfoktényezőjén az érzékelő hőmérsékletfüggő változását értjük, ha a mechanikai igénybevétel állandó, vagy egyáltalán nincsen igénybevétel. A hő ábra. Fázistolást megvalósító kapcsolás foktényezőt a szakirodalom látszólagos tágulásnak is nevezi. Ez eltűnik, ha az eredeti hőmérsékleti viszonyok a mérési helyen helyreállnak. Az ε υ hőfoktényezőhöz több ok járul hozzá: - a szerkezeti elem hőtágulása; α B - A bélyeg ellenállás huzalának hőtágulása; α M - Az ellenálláshuzal elektromos ellenállásának hőmérsékleti együtthatója; α R - Δυ hőmérsékletváltozás Emellett még a nyúlásmérő bélyeggel sorba kapcsolt vezeték ellenállásának hőfoktényezője is szerepet játszhat az eredő érték alakulásában. Egy nyúlásmérő bélyeg mérési helyének hőfoktényezője: 146

147 æ a R ö e J = ç + a B -a M Du. è k ø Ezek a jelenségek hibaként jelentkeznek, amit kompenzálni kell. 2. Hőkompenzációs eljárások a, Hídkapcsolás hibacsökkentő hatása ábra. Hídkapcsolás hibacsökkentő hatása bélyeg az aktív bélyeg, a másik pedig a kompenzáló bélyeg. Az egyes bélyegek együttes ellenállás változása: R A = R. (1 + a. æ ö Dn). ç s ø Vizsgáljuk meg, hogyan csökkenti a hídkapcsolás a hőmérsékletváltozás által okozott hibát. Vizsgálatokat a ábra alapján végezzük. A jelölés értelmezése: R A nyúlásmérő bélyeg ellenállása, R k kompenzáló bélyeg, R hőmérsékletfüggetlen ellenállások. Tételezzük fel, hogy a bélyegek alapellenállása, hőfok tényezője és átalakítási tényezője egy-forma. R B felragasztási iránya olyan, hogy a mérendő deformáció az x-x tengely irányában hat (13.9. ábra), az R k esetében ez a hatóirány y-y irányú. A hatóirányban felragasztott g, è E R K = R. (1 + a. Dn). æ ö ç g k s è E, ø ahol: g k a keresztirányú átalakítási tényező, a többi már ismert. A híd üresjárási kimeneti feszültsége: U R A - R U k T =, 2 R + R A k g gk R (1+ a Dn ) (1+ s ) - R (1 + a Dn ) (1 + U U E E T = 2 g gk R (1+ a Dn ) (1+ s ) + R (1 + a Dn ) (1 + E E Különböző egyszerűsítések elvégzése után: s ). s ) 147

148 U T = U 2 s (g - g k ) E s 2 + (g + g E k. ) További elhanyagolások után: U g U s, de 4 E g E DR s =, így: U R U 4 DR R. A végeredményből következik, hogy a híd kimenő feszültsége csak a tápfeszültségtől és az aktív bélyeg ellenállásváltozásától függ, így hőkompenzációra alkalmas kapcsolást kapunk. Ha az R k -t a próbatestre ragasztjuk, akkor gyakorlatilag teljes kompenzációt jelent, de ha mellé tesszük, akkor csak részleges kompenzációról beszélhetünk. b, Negyed híd hőkompenzációja ábra. Bélyegek ragasztási irányai Két és háromvezetékes rendszer Az a, pontban láthattuk, hogy a szomszédos hídágakban lévő u- gyanolyan előjelű ellenállás változások a hídelhangolódást csökkentik, de egyforma változás esetén kioltják teljesen egymást. Az ún. háromvezetékes kapcsolással lehetséges a hőmérséklet változás miatt a vezetékeket szomszédos hídágakba kapcsolni. Ez úgy lehetséges, hogy a híd kimeneti feszültségének villamos potenciálját közvetlenül a bélyegen keresztül egy harmadik vezetékkel a mérőműszerhez vezetjük ( ábra). Az R 2 egy kiegészítő ellenállás. A teljes kompenzációhoz szükséges, hogy az el és visszamenő vezetékeknek azonos fizikai adatai legyenek (hossz, keresztmetszet, hőfoktényező stb.) és hogy azonos hőmérsékleti hatásoknak legyenek kitéve a teljes hosszon. A három vezeték egy nagy bemenő ellenállású erősítőhöz vezet, így a kis ellenállású vezeték ábra. Háromvezetékes negyed híd kompenzációja 148

149 változásai nincsenek hatással a mérésre. Kompenzáció kompenzáló bélyeggel A kompenzációs bélyeg abban különbözik az aktívtól, hogy bár ugyanolyan adatokkal rendelkezik, de más a funkciója. A kettőnek ugyanabból a sorozatból kell származnia. Vizsgáljuk meg a sz. ábrát ábra. Kompenzáció kompenzáló bélyeggel A nyúlás két összetevőből áll; mechanikai és hőhatásra bekövetkező nyúlásból, ami az 149

150 aktív bélyegre vonatkozik. A kompenzáló bélyeg esetén csak a hőtágulásból adódó nyúlás érvényesül. e a = e mech + eu - eu = e 1 - e 2. Az R ellenállások egyenlők és fixek, így ezek esetében az e a = 0, így e a = e 1 - e 2 = e mechc, Kétharmad, vagy diagonál híd kompenzációja Vizsgálatokat a sz. ábra alapján végezzük ábra. Diagonál kapcsolás kompenzációja 150

151 Minden hídfél (2-1-3) és (2-4-3) méréstechnikailag egy negyed hídból és egy kiegészítő ellenállásból áll. A 13.12b. ábrán háromvezetékes rendszer látható, a 13.12c. ábrán pedig kompenzáló ellenállásos kapcsolás. Ekkor sorrendben: e a = (e mech1 + e n1 ) + (e mech + e n3 ) = e 1 - e 2 + e 3 - e 4 e a = (e mech1 + e n1 ) e n2 + (e mech3 + e n3 ) (e n4 ) = e 1 - e 2 + e 3 - e 4 Az előző pontban (b) leírtak betartása esetén itt is igen jó kompenzáció valósítható meg. d, Kompenzáció fél híd esetén A hőmérséklet kompenzáció a fél hidaknál ugyanúgy történik, mint kompenzáló bélyegek alkalmazása esetén. Amiben különböznek ettől az, hogy a kompenzáló bélyeget olyan helyre kell tenni, ahol az is részt vesz a nyúlásmérésben. A ábrában az R 2 -t helyettesítjük egy aktív bélyeggel. Ekkor: e a = (e mech1 + e n1 ) (e mech3 + e n2 ) = e 1 - e 2 Az e n1 és e n2 ha egyformák (azonosság), akkor kompenzálják egymást. A mechanikai nyúlások azonos előjeleknél kivonódnak ellenkező előjel esetén összeadódnak. e, Hőkompenzáció teljes hídnál e a = (+e mech1 ) - (-e mech2 ) = e mech1 + e mech2 e a = (+e mech1 ) - (+e mech2 ) = e mech1 - e mech2 A vizsgálatokat a ábra alapján végezzük ábra. Hőkompenzáció teljes hídnál Teljes hídnál a négy bélyeg szorosan egy-más közelében helyezkedik el, legfeljebb csak rövid összekötő vezetékek fordulnak elő, így kihatásuk kicsi. Ekkor a mért jel (e a ) négy bélyegtől egyenként mért egyes nyúlások aritmetikai összege: e a = e 1 - e 2 + e 3 - e 4 3. Az érzékenység függése a hőmérséklettől A nyúlásmérő bélyeg 151

152 érzékenységét a 3. fejezet képlete mutatja. Ez az érték a nyúlásmérő bélyegek burkolatán fel van tüntetve, ami szobahőmérsékletre vonatkozik. Eltérő hőmérsékletnél ez az érték megváltozik. A változásokra vonatkozó adatok a bélyeghez mellékelt adatlapon grafikonok, vagy táblázatok formájában megtalálhatók. 4. termikus drift A termikus drift főleg a bélyeg anyagának oxidációjával, vagy korróziójával keletkezik, de keletkezhet a ragasztás következtében fellépő hosszabb hőhatásra is. Hőmérséklet és időfüggő. 5. Ragasztásból eredő hibák A bélyeget a próbatestre fel kell ragasztani. A ragasztás akkor jó, ha a bélyeg pontosan követi a mérendő test minden deformációját. Amennyiben ez nem teljesül, akkor a bélyeg elcsúszik a felületen és ez mérési hibát okozhat. A ragasztóanyaggal szemben támasztott követelmények: rugalmassági modulusa közelítse meg az alap rugalmassági modulusát, megkötés után ne változtassa a térfogatát, ne repedezzen és jól tapadjon a próbatesthez Piezoelektromos átalakítók jellegzetes mérőkörei A mérőkör teljes körű kialakításához ismerni kell a kvarckristály villamos helyettesítő képét. Adott mechanikai terhelés rákapcsolásakor a kvarckristály feltöltött kondenzátor C, amely a kristály R ellenállásával párhuzamosan kapcsolódik. Ezt mutatja a sz. ábra. A piezoelektromos átalakítóval kialakított áramkörrel állandósult erőhatás folyamatosan nem mérhető, mert a feltöltött C az R ellenálláson keresztül ki-sül, amelynek időállandója: τ. d A R = r, C 0, A = e e r d ahol: d - a kristály vastagsága, A - a lemez felülete. Ezzel az időállandó: ábra. Piezoelektromos átalakító helyettesítő képe t = R C = r e 0 e r. Valójában itt az történik tehát, hogy a sz. ábrán látható C kapacitás az R ellenálláson keresztül kisül, amely a következő összefüggéssel írható le: 152

153 æ - t ö Q æ - t ö U = U 0 expç = expç. è R C ø C è R C ø Minél nagyobb az időállandó, annál lassabban csökken a feszültség, ezért kívánatos ennek biztosítása lassan változó folyamatok mérése esetén. Elvileg az RC szorzat növelése bármelyik tag növelésével elérhető, azonban a kapacitás növelése nem mindig célszerű, mert ez egy sor esetben nem megengedhető feszültség csökkenéshez vezethet, és dinamikus tartományt is leszűkítheti. A gyakorlatban tehát mindig az R szivárgási ellenállás értékének növelésével történhet az időállandó növelése. Ekkor azonban fennáll a veszély, hogy az R növelésekor a piezoerősítő kimenete feleslegesen érzékeny lesz a zavarokra, és a működés bizonytalanná válik. A gyakorlatban elfogadott, hogy az időállandót az alábbi egyenlőtlenség teljesülésével vesszük figyelembe. RC t ábra. Átalakító mérőkörének helyettesítő képe A kristály saját időállandója tehát valójában nagy, de nem elég nagy ahhoz, hogy az állandósult állapotot mérni tudjuk, ezért ezt csak változó erőhatások mérésére használjuk. Továbbiakban vizsgáljuk meg a sz. ábrát, amely a piezoelektromos átalakító mérőkörének helyettesítő képét mutatja váltakozó erőhatás mérése esetén. Az ábrán látható jelölések a következők: U c - a kristályon lévő váltakozófeszültség, amely a váltakozó erőhatás miatt jön létre, C c - a kristály saját kapacitása, R c - a kristály, és a befogó szerelvény átvezetési ellenállása, de ez a gyakorlatban elhanyagolható, mert értéke ohm, C s = a befoglaló szerelvény kapacitása, C m - a műszer, illetve a hozzávezetés eredő kapacitása és R m - a műszer bemenő ellenállása. 153

154 Az ábra alapján: Cc C U c T = U = U, Cc + Cs + Cm Cs ahol: C S - a belső kapacitás. Az alsó határfrekvencia általában 1 10 khz körül mozog. Meg kell jegyezni, hogy a kvarcnak, mint generátornak töltésgenerátornak mérése azért nehéz, mert igen nagy a belső ellenállása, emiatt igen kicsi az árama, emiatt erősítő alkalmazása feltétlenül szükséges, amely esetben két lehetőség van: a, Feszültségerősítő Ezt a megoldást mutatja a sz. ábra. Az ábrán C K -val jelölt kapacitás a kábel összekapcsolását jelenti az erősítő, és átalakító között. Említettük, hogy a piezoelektromos átalakítók ellenállása igen nagy, ezért igen nagy - az átalakító ellenállásánál sokkal nagyobb bemenő ellenállású erősítőt kell alkalmazni. A bemenő feszültség ekkor: Q Ube =, C0 + CK + Cbe ahol: Q - az átalakító töltése. A kimenő feszültség: ábra. Feszültségerősítő kapcsolás U ki = A U be = Q A. C0 + CK + Cbe Látható, hogy a kimenő feszültség függ a C K - tól, ezért minden csere esetén újra kell a mérőrendszert hitelesíteni. Ezt az eljárást ma már elterjedten nem alkalmazzák. b, Töltéserősítő 154

155 Napjainkban gyakorlatilag mindenütt ezt a megoldást alkalmazzák, amelyet a sz. ábra mutat. Ennél a módszernél a kimenő feszültség a töltéssel arányos, és nem az átalakító feszültségével és szinte teljesen független a C K kapacitástól. Az ábra alapján írható: R R R = be ; C e = C + C be. R + Rbe Az erősítő láthatóan a visszacsatolt műveleti erősítő, ahol C V a visszacsatoló kapacitás, az R V nem egy beépített ellenállás, hanem a C V átvezetését jelenti. A C V változatásával a méréshatárt is változtatni tudjuk. Első közelítésben legyen R R v. Ekkor: 1 U be = - U ki, A Uv = Ube -U ki, ahol: U V - a visszacsatoló ágon eső feszültség: æ 1 ö U v = - ç1 + U ki. è A ø Kirchhoff csomóponti törvénye szerint: dq Iv + Ibe = I = dt ábra. Töltéserősítő kapcsolás Egyes részáramok a résztöltések megváltoztatásaként írhatóak: duv æ 1 ö du ki Iv = Cv = - Cv ç1 +, dt è A ø dt dube 1 du ki Ibe = Ce = -Ce. dt A dt Ha ezeket visszahelyettesítjük a ba, elvégezve az integrálást, kapjuk: Q U ki = æ 1 ö 1 Cv ç1 + - Ce è A ø A Az erősítés általában igen nagy, ezért a a következőképpen változik: Q U -. Cv Látható, hogy az U ki valójában a töltéssel lesz arányos. 155

156 A piezoelektromos átalakítók egyéb alkalmazási problémái. - Hőmérséklet hatása A kvarc töltésérzékenysége igen kis mértékben függ csak a hőmérséklettől, amely kb. 200 C-ig nem okoz gondot. E felett azonban gondolni kell az átalakító ellenállásának nagyfokú csökkentésére, ami lényegesen befolyásolja a mérési eredményt. - Mérőműszer bemeneti ellenállása A piezoelektromos átalakító mérésekor csak igen nagy bemenő ellenállású erősítő közbeiktatása jöhet szóba az erősítő, és a műszer közé. - Árnyékolás A nagy impedanciák miatt feltétlenül gondoskodni kell a rendszer árnyékolásáról. Főként az erősítő csatlakozó vezetékének árnyékolására kell figyelni. Ha ez nem teljesül, akkor nem megoldott a mérőrendszer zavarvédettsége. A mérőrendszer előnyei, hogy kis energiával működtethetők, nagy mérési tartományban (10 N 10 MN) alkalmazhatók. Hátránya, hogy könnyen törnek, és igen nagy bemenő ellenállás szükséges Kapacitív, és induktív átalakítók mérőköreinek néhány kérdése ábra. Feszültség és árammérésen alapuló módszer A kapacitív és induktív átalakítók hasonló tulajdonságaik miatt impedancia közösen tárgyalható. Az impedancia jellegből következik, hogy csak váltakozó feszültségű táplálás alkalmazható. Általában három nagy csoportot különböztetünk meg. a, Feszültség, és árammérésen alapuló műszer 156

157 A megoldás rajza a sz. ábrán látható. A feszültséget, és áramot leolvashatjuk, ezért a kapacitás és induktivitás számítható: I C x = w U 2 1 æu ö 2 L x = ç - r, w è I ø ahol: r - a tekercs soros veszteségi ellenállása. Az ilyen módszer ott alkalmazható, ahol nincs szükség nagy mennyiségű mérés feldolgozására. Amennyiben erre is szükség van, akkor automatizált mérést célszerű alkalmazni, erre pedig a legalkalmasabb a nullamódszer és rezonancia módszer. b, Nullamódszer A nullamódszer alkalmazásakor minden esetben valamilyen hídáramkört alkalmaznak. A sz. ábrán látható néhány hídáramkör mind a kapacitív, mind az induktív átalakítók méréséhez alkalmas. A hidak mellett fel vannak tüntetve a kiegyenlítés feltételei. c, Rezonancia módszer A gyakorlatban a legelterjedtebben alkalmazott módszer, ahol a mérőkör egy frekvenciamodulált vivőfrekvenciás rendszer. Elnevezése onnan ered, hogy a rendszer oszcillátorának meghatározó eleme egy olyan rezgőkör, amelynek egyik eleme a kapacitív, vagy induktív átalakító. A frekvenciamoduláció olyan módon jön létre, hogy a mérendő mennyiség elhangolja az átalakítót, az pedig a rezgőkört a rezonanciafrekvenciától. Ilyen mérőberendezés blokkvázlata látható a sz. ábrán. A 13.20a. ábra egy kapacitív, a 13.20b. ábra pedig egy induktív átalakítót és mérőkörét mutatja. Az ábra jelölései a következők: 1. - kapacitív átalakító, 2. - nagyfrekvenciás oszcillátor, 3. - induktív átalakító, 4. - nagyfrekvenciás oszcillátor, 5. - erősítő, 6. - FM demodulátor, 7. - kimeneti erősítő. Differenciál átalakítók esetében más megoldást kell alkalmazni. Az un. szuperheterodin módszert, amely a sz. ábrán látható. Az ábra jelölései a következők: 1. - kapacitív differenciál átalakító, 2.- nagyfrekvenciás oszcillátor, 3. - keverő, 4. - váltakozó áramú erősítő, 5. - FM demodulátor, 6. kimeneti erősítő. d, Egyéb méréstechnikai problémák - Linearitási problémák általában a mérési tartományban kicsik, de azért célszerű figye-lembe venni. Ez főként a kapacitív átalakítókra vonatkozik. - Véges veszteségi ellenállás jelentkezik az elektródák közötti átvezető közeg miatt, ami nem mindig elhanyagolható. Ezt különösen akkor kell figyelembe venni, ha az elektródák között folyadék van. 157

158 ábra. Mérés hídáramkörben 158

159 ábra. Rezonanciamódszer d, Egyéb méréstechnikai problémák ábra. Szuperheterodin módszer - A tápfeszültség megválasztásánál figyelembe kell venni, hogy a kapacitás alacsony értéke miatt viszonylag magasabb frekvenciát kell alkalmazni, ami néhány khz és 100kHz között lehet. - Árnyékolás szükséges a külső zavaró hatások elkerülése, de legalább a csökkentése miatt. Gondolni kell arra, hogy az árnyékolás megváltoztatja a statikus karakterisztikát, ezért a hitelesítést az árnyékolással együtt kell végezni Termoelemek alkalmazásának méréstechnikai problémái Hőmérséklet skálák 159

160 A hőmérséklet skálák fogalmának definiálása feleslegesnek tűnhet a hőelemes és ellenállás-hőmérős hőmérsékletmérés ismertetéséhez, de képes megvilágítani számos alapvető félreértést és feltételezést azzal kapcsolatban, hogy mit is értünk a hőmérséklet fogalmán. E fogalom ismeretének hiánya okolható a világszerte eltérő értelmezésekért a hőmérsékletmérés területén. Először is, mint minden fizikai mennyiség mérésekor, szükségünk van egy mértékegység rendszerre, amihez az értéket viszonyítani tudjuk. A hőmérséklet ahogyan az Országos Mérésügyi Hivatal kezeli az egyik a Nemzetközi Mértékegységrendszer (SI) hét alapegysége közül. Mindazonáltal vitathatatlanul ez a mennyiség a legnehezebben definiálható és mennyiségileg meghatározható. Definiálni egy hőmérsékleti skálát (egy termodinamikai elvre alapozva) nem olyan egyszerű, mint a távolságot, tömeget vagy a nyomást skálázni. Ez azért van, mert a skála mentén nincsen reprodukálható folytonosság a mérendő pontokban. Ehelyett tehát a megegyezéses állandó fixpontok közti interpolációt használjuk a legjobb elérhető érzékelés technológiát használva. A hőmérséklet skálát a fizikai rendszernek olyan állapotegyenletei alapján kell definiálni, amelyek pontosan és reprodukálhatóan követik, és maguk után vonják a hőmérsékletet más állapotváltozók függvényében. Ezek magukban foglalják a nyomást, a sűrűséget, a térfogatot, az ellenállást és a feszültséget. Túl sok fizikai törvényszerűséget használunk a hőmérséklet definiálásához, hogy mindegyiket megemlítsük. A hőmérséklet definíciójához híres tudósok sora tartozik Planck, Nyquist, Stefan-Boltzmann, Carnot és Kelvin. A hőmérséklet a testek hőállapotának a mértéke. A hőmérséklet elsősorban Kelvinben van meghatározva. Egy K a víz hármas pontjának 1/273,16-od része. Legtöbben azonban Celsius fokokban szoktunk gondolkodni. Mivel a növekedési egység azonos, csak a kezdeti értékben 273,15 fokos eltérés van, így a víz hármas pontja 0,01 C. Gyakorlati nézőpontból a jég olvadáspontja 0 C és forráspontja 100 C ez egy praktikusan használható mérési tartomány. Az olvadáspont a víz és jég keverékének levegőben 101,325 Pa nyomáson mért hőmérséklete. A víz hármas pontja azonban az egyensúlyi állapot hőmérséklete, ahol légüres térben a jég, a víz és a vízgőz van jelen. A két állapot közti különbség a korábban említett 0,01 C. A víz állapotváltozására alapozott skála [spektrum] másik végén azonban a jelenlegi kutatások változást mutatnak ahhoz képest, ami a forráspont megállapítás eredeti elképzelésében szerepelt. Szó van arról, hogy a hőmérséklet definiálásához a víz használatáról át kellene térni a gallium hármaspontjára közel a 30 C-hoz mert az pontosabban van meghatározva. E rövid fontos bevezető után vizsgáljuk meg a mérés során felmerülő problémákat hőátadási módok és abból eredő problémák A mérés során fellépő hőátadási módok alapvetően meghatározzák, hogy az adott mérést milyen eszközökkel és milyen módon végezzük el, ezért a hőátadás mechanizmusának megértése jó háttérként szolgálhat a továbbiak megértéséhez. Az 160

161 alapvető fogalmakat, mint a hővezetés, a hőáramlás és a hősugárzás, az alábbiakban tárgyaljuk. 1. Hővezetés A hővezetés az anyag molekuláinak aktivitásán keresztüli hőátadást jelenti, melynek mértéke anyagonként jelentősen eltérhet. A fémek, mint például az ezüst és a réz jó vezetők, míg a gázok (pl. az álló levegő) rossz hővezetők. Az anyagok hővezetése némi kapcsolatban van azok elektromos vezetőképességével, de néhány anyag szinte tökéletes elektromos szigetelőképessége nem jelenik meg azok hőmérsékleti jellemzőiben. Ez az egyik alapelve a szenzor és a vele érintkező fészek vagy hővédőtok hőátadási módjának. 2. Hőáramlás A hőáramlás az a hőátadási mód, ami egy test és egy mozgó folyadék vagy gáz közt jön létre. Amikor egy felületen folyadék folyik, akkor a folyadék felülethez közeli rétegének sebessége lecsökken az áramlás fő vonalához képest. A molekulák közti hőátadás ekkor a határ rétegeken át történő hővezetés és a folyadék fizikai keveredéséből adódó hővezetés kombinációja. A folyadékban történő hőátadás eloszlása a sebesség eloszlásának függvénye. A kényszer hőáramlás azt jelenti, hogy a folyadékot mechanikai eszközökkel keringetik. Ez lehet egy szivattyú, egy ventillátor vagy egy keverő. Ha a folyadék spontán, a gravitáció hatására mozog, amit a hő keltetette sűrűségváltozás idéz elő, akkor természetes hőáramlásról beszélünk. A legtöbb folyadék hőmérséklet-érzékelő helyes működéséhez arra van szükség, hogy a külső felületén történjen az áramlás, hogy ott felvehesse a folyadék hőmérsékletét. 3. Hősugárzás Az abszolút nulla hőmérséklet felett minden test energiát sugároz, és ez a sugárzás hőt ad át, amit a hőmérséklet-érzékelő beszerelésekor figyelembe kell venni. A test felületéről kibocsátott sugárzás intenzitása a test abszolút hőmérsékletének negyedik hatványával arányos. Így a sugárzás is a hőmérsékletkülönbség negyedik hatványával arányos és ez a hatás nagyon fontossá válik magas hőmérsékleteken. A sugárzás intenzitása fordítottan arányos a sugárzó test és a fogadó felületközti távolság négyzetével, az emisszióval, a felület dőlési szögével, a sugárzás útvonalának minőségével és más egyéb tényezőkkel. Amikor a mért hőmérséklet egy elektromosan fűtött, magas hőmérsékletű kazán belsejében van, a hőátadás valószínűleg majdnem teljes mértékben hősugárzással történik mind a kemence tartalma, mind az érzékelő felé. Ez a jelenség nem kívánt hőátadást is eredményezhet, amikor például viszonylag lassan mozgó gázt akarunk mérni. Az érzékelő hőmérséklete ekkor közeledni igyekszik a gáz hőmérsékletéhez az érzékelő felületén történő hőáramlás miatt. Ha a gáz 161

162 melegebb a környezeténél, az érzékelő is hőt veszít a hősugárzás miatt, és emiatt lecsökken a hőmérséklete. Ha viszont a gáz hidegebb a környezeténél, az érzékelő hőt fog felvenni a környezetéből, és a hőmérséklete a mérni kívánt érték fölé emelkedik. Ez a fajta hősugárzás csökkenthető az anyagok megfelelő megválasztásával. Másik megoldásként hőátadást csökkentő árnyékolást lehet felszerelni az érzékelő köré, ami felfogja a sugárzás nagy részét. 4. Statikus hőmérséklet Ahogy a gáz áramlási sebessége egy test körül (és a hőmérséklet-érzékelő sem kivétel) nő, úgy nő a gáz felülettel érintkező rétegének hőmérséklete is. A hőmérsékletmérés gyorsan áramló gázokban komplikálttá válik e miatt a dinamikus fűtőhatás miatt. A legtöbbször mérni kívánt hőmérséklet a szabadgőzé, vagy valamilyen más statikus hőmérséklet (dinamikus összetevő nélkül), ellentétben a teljes hőmérséklettel, amihez dinamikus összetevő is tartozik. A teljes hőmérséklet (T t ) mérésére általában olyan speciálisan kialakított mérőszondát használnak, amely mellett a gáz virtuálisan stagnál. Ezek után már a statikus hőmérséklet (T s ) levezethető az alábbi képletet használva: T s = T t /[0.5(g-1)M+1], ahol: γ gáz fajhőjének aránya állandó nyomáson és térfogaton, az M pedig a Mach szám A mérés során felmerülő további problémák A hidegpont hőmérsékletének változása Mint korábban láttuk, a termofeszültség a melegpont és hidegpont közötti hőmérséklet függvénye. A sz. ábrán (8. fejezet) felrajzolt kapcsolásnál a műszer árama: U AB ( n ; n 0 ) I =. RA + RB + Rm Ha υ melegponti hőmérséklet mérése a feladat, akkor a υ 0 kidegponti hőmérsékletet állandó értéken kell tartani, mert ha ez is változik, akkor ez a mérést lényegesen meghamisítja. A melegponti hőmérsékletet mindig a hidegponti hőmérséklethez viszonyítva mérjük. Sajnos azonban nem kellően gondos kialakítás esetén a hidegpont hőmérséklete változik, a huzalok mentén történő hővezetés, a hősugárzás változása, és a hidegpont környezetének a hőmérsékletváltozása miatt. A mérést e tényezők károsan befolyásoló hatását kétféle módon csökkenthetjük: a, A hidegpontot a mérés helyétől távol helyezzük el 162

163 Ez történhet külön műszerszobában, ahol a hőmérséklet közel állandó. Ennél a megoldásnál hosszú összekötő vezetékre van szükség, amelynél az a probléma, hogy nagy az ellenállása. Ennek oka, hogy a vezetéket a termoelem anyagából készítik el, de ennek fajlagos ellenállása nagy. Másik gondot az jelenti, ábra. Termoelemes mérőkör hogy pl. Pt-Rh-Pt termoelem esetén az összekötő vezeték igen drága lenne. Ezért más anyagot használnak, ami viszont inhomogenitást okoz, ez pedig járulékos termofeszültséget eredményez. Vizsgáljuk meg a sz. ábrát, amely egy termoelemes mérőkört mutat. Látható, hogy az összekötő vezeték (C és D) más anyagból készült, mint a termoelem. Tételezzük fel, hogy a műszer termikus rövidzárlatot képvisel, továbbá azt, hogy a termo-elem és a csatlakozó vezeték csatlakozási pontjai azonos hőmérsékleten vannak (t K ), vagyis a csatlakozási pontok is termikus rövidzárat képviselnek. Ekkor a termoelem feszültsége a υ- υ k hőmérséklet hatására: UT1 = U AB ( n ; n k ). A C és D anyagból készült vezeték termofeszültsége a hőmérsékletkülönbség hatására: U T 2 = U AB ( n k ; n 0 ). Így a teljes termofeszültség: U T = UT1 + UT 2 = U AB( n ; n K ) + UCD ( n K ; n 0 ). Az eredő feszültség tehát a közbülső υ K hőmérséklettől is függ, ami nem megengedhető, hiszen éppen azért tettük be a hosszú vezetéket, hogy a mérés ne függjön a mérési helyekhez közel eső helyek hőmérsékletétől. A tárgyaltak szerint olyan összekötő vezetéket kell alkalmazni, amely a szükséges (υ K; υ 0 ) hőmérsékleti tartományban ugyanakkora termo-feszültséget adna ugyanebben a hőmérsékleti tartományban. Ezt a vezetékpárt kompenzáló vezetéknek nevezzük. Ekkor tehát: U CD ( n K ; n 0 ) = U AB( n K ; n 0 ). Kompenzáló vezeték alkalmazása esetén az eredő termofeszültség: ( n n ) + U ( n ; n ) U ( n; ). U T = U AB ; K AB K 0 = AB n 0 163

164 Megjegyzés: A mérési helyeken rendszerint sem a hely, sem a környezet átlagosnál ma-gasabb hőmérséklete, sem a hőelem csatlakozófejek kiképzése nem teszi lehetővé meg-felelő hidegpont kialakítását. Ezért a hőelemet olyan vezetékkel kell megtoldani, amely hőelektromos szempontból megfelel a hőelem anyagának. Így alkalmazható a közbeeső hőmérsékletek törvénye. Ha a hőelem szálai és a kompenzációs vezeték között közvetlen érintkezés van, a hőelem csatlakozófejének hőmérséklete a termofeszültség értékét nem befolyásolja. A hőelektromotoros erőt a hőelem érzékelőpontjának és a kompenzációs vezeték másik végén levő hidegpontnak hőmérséklete fogja meghatározni. Ez csak akkor biztosítható, ha a hőelem és a kompenzációs vezeték anyaga hőelektromos szempontból jó egyezést mutat. Vas- konstantán hőelem esetén az egyszerűen megoldható, a kompenzációs vezeték anyaga ugyanis ugyanabból a vas-konstantán anyagból készíthető. Nehezebb a feladat azonban platinaródium-platina hőelem esetében, hiszen ebből a drága anyagból nem készíthető több tucat, esetleg több száz méter hosszú kompenzációs vezeték. A vezeték ellenállása is igen nagy lenne vékony huzal használata esetén. Ezért pótanyagot szoktak alkalmazni. A platina és a platinaródium huzalokat olyan (más anyagból készült) huzalokkal pótolják, amelyek bizonyos hőmérséklethatárok között megegyező tulajdonságúak az eredeti anyagokkal. Az a tartomány, amelyen belül a huzaloknak a követelményeket ki kell ábra. Kompenzáló vezető ábra. Hidegpont stabilizálásának hatása elégíteni, általában C-ig terjed. Ezen felül a huzalok tulajdonságainak eltérése az eredeti hőelem-anyagtól rohamosan nő, úgyhogy ezek a huzalok hőelemként nem használhatók. Kompenzációs vezetékek szigetelőanyagai úgy vannak megválasztva, hogy az őket körülvevő hőmérsékleten tartósak legyenek. Rendszerint azbesztszigetelést használnak, amelyet mechanikai sérülések veszélye esetén fémbeszövéssel, nedvesség, kémiai behatások 164

165 veszélye esetén ólomköpennyel burkolnak. Ha a kompenzációs vezeték rendszeresen hajlítgatásnak van kitéve, sok vékony huzalból készített sodratot alkalmaznak, amelynek hőálló gumiból, vagy hőálló műanyagból készül a bevonata. Ez utóbbi szigetelések azonban általában nem használhatók 2000C-ig. A hőelemes mérőkörökben zavarokat okozhatnak a kompenzációs vezetékek átvezetései. Ezért a kompenzációs vezetékek két ága között a szigetelési ellenállás legalább 1 megohm legyen, 100 m vezetékhosszra vonatkoztatva. Az ellenállás-mérést 110 Volt egyenfeszültséggel kell végezni. A hidegpontot a mérőműszerrel összekötő rézvezetékek az iparban közönséges erősáramú rézvezetékek lehetnek. A fokozott szigetelésre itt is ügyelni kell. Pontosabb laboratóriumi mérések esetén azonban célszerű a rézvezetékeket válogatni. A válogatás alapvető szem-pontja a huzalok hőelekt-romos homogenitása le-gyen. b, Hidegpont hőmérsékletének stabilizálása Abban az esetben, ha a mérőműszer környezetének hőmérséklet ingadozása nagy, akkor a hidegpont hőmérsékletét stabilizáljuk. Ennek módjait a sz. ábrán láthatjuk. A 13.23a. ábrán a mérőműszer közvetlenül a termoelemre kapcsolódik. Ha szükséges, akkor ennél a megoldásnál a csatlakozási pont hőmérsékletét kell stabilizálni (υ 0 ). A 13.23b. ábrán a termoelem kimeneti pontjain stabilizáljuk a hőmérsékletet (υ K ). Ekkor a mérőműszert réz vezetékkel távolabbra helyezzük a mérőhelytől. Ha a mérőhely közelében történik a hőmérséklet stabilizálása, akkor minden esetben rézvezetővel kötjük össze a termoelemet, és a mérőműszert. Ekkor kompenzáló vezetőt nem szabad alkalmazni. A 13.23c. ábrán látható megoldásnál a kom ábra. Termoelektromos mérőkör kompenzációval 165

166 penzáló vezeték és a mérőműszer csatlakozási pontjain stabilizáljuk a hőmérsékletet (υ 0 ). A kompenzáló vezeték ekkor ugyanabból az anyagból készül, mint a hőmérő két szárának anyaga. Ez látható a sz. ábrán. A forrasztási pont a υ 5 hőmérsékletű térben van. A szárak végén a hőmérséklet υ 4. Ha a υ 4 térben a szárakhoz olyan vezetéket kapcsolunk, amely Fe-al, és Ko-al újabb hőelemet alkotnak, akkor a mérés nem végezhető el az alkalmazott kompenzáló vezetékkel, a υ 4 pontban újabb termofeszültség nem keletkezik. A sz. ábrán termoelektromos mérőkör kapcsolását látjuk referencia termoelem alkalmazása mellett, illetve annak helyettesítő kapcsolását. Ez a gyakorlatban igen elterjedt megoldás. Az azonos (A és B) anyagból készült termoelemet egymással szembekapcsoljuk (különbségi kapcsolás). Az egyiket υ mérendő hőmérsékletű térbe, a másikat pedig a stabilizált υ r hőmérsékletű térbe helyezzük. Az összekötő vezeték anyaga réz. Igen fontos, hogy a termoelemek minden kivezetési pontját (összesen 4db) azonos hőmérsékleten (υ k) kell tartani. Ezzel elértük, hogy mindkét termoelemet termikus rövidzárral zártuk le, ezért a υ k hőmérsékletet stabilizálni kell. A Thevenin helyettesítő kép segítségével írható: UT = U AB ( n n )-U ( n -n ) = U ( n ; n ) + U ( n ; n ) = U ( n ; n ). ; K AB r k AB k AB k r AB r A stabilizált hőmérsékleten elhelyezett termoelem neve: referencia termoelem. Az elnevezés onnan ered, hogy a termofeszültséget a υ r hidegponti hőmérséklethez viszonyítva mérjük, ezért a υ r egyúttal referenciahőmérséklet is. A sz. ábra szintén ezt a megoldást mutatja vaskonstatán hőelemmel. A υ 3 hidegponton (ez felel meg az előző ábra υ r hőmérsékletének) a mérő termoelemmel ellentétesen kapcsolt termoelem (Fe-Ko és Ko-Fe) van elhelyezve így a keletkezett termofeszültség levonódik a mérő forrasztási pontban (T 4 ) keletkezett termofeszültségből. A υ 2 hőmérsékletű térben pedig a két Ko-Cu és Cu-Ko forrasztási pont termofeszültsége egymás hatását kiegyenlíti. Ebben a részben eddig csak azt feltételeztük, hogy a hidegpont, vagy referenciapont hőmérséklete stabil, de azzal nem foglalkoztunk, hogyan tesszük stabillá. A következőben ezt részletezzük. Egy létező, egyszerű megoldás a referenciapont stabil hőmérsékleten tartására, egy a laboratóriumi körülmények közt még ma is alkalmazott mód, ahol a referenciapontot olvadó jégkásába mártják ( ábra). Közismert, hogy a tiszta víz/jég keverékének olvadása közben a hőmérséklet állandóan 0 o C, melynek bizonytalansága ±0.001 o C. A gyakorlatban, csak egy jéggel teli Dewar edényre (vákuum alatt álló vékony falú üveg) van szükség, és a rendszer így már meglehetősen pontossá válik. Ez azonban szinte állandó odafigyelést és újbóli feltöltést igényel hosszabb idejű használat esetén, és ipari körülmények közt nem volna alkalmazható. Hibaforrás lehet a referencia hőmérséklet 4 o C-os eltérése, ami akkor áll elő, ha sok jég már elolvadt és a referenciapont valójában már csak olyan vízbe merül, aminek jég úszik a felszínén! Emlékeztetnénk min-denkit arra is, hogy ha a jeget mélyhűtőben tárolták, sokkal hidegebb is lehet 0 o C-nál. 166

167 Az ipari felhasználásra manapság egyre több alternatív megoldás létezik a referenciapont 0 o C-on tartására. Az egyik ezek közül egy olyan automatikus hőmérsékletszabályzott doboz, amibe a referenciapontot behelyezik. Ez a készülék a Peltier-hatást és termoelektromos félvezetős hűtést használ, amely segítségével a referenciapontot állandóan a jég olvadáspontján tartja. Ebben az esetben a hőmérsékleti hiba általában kevesebb, mint 0.1 o C. Az olvadó jég, vagy az ezzel azonos (mesterségesen előállított) referencia használata előnyt élvez más alkalmazásokkal szemben, és nem csak pontossági és stabilitási okokból, hanem azért is, mert a hőelemek referenciatáblázatai 0 o C-os referenciahőmérsékletre vonatkoznak ( ábra). Egy másik, ábra. nagyon általánosan elterjedt Termoelektromos eszköz napjainkban a hőmérsékletérzékeny elektromos hálózat (többféle kivitel létezik), ami követi a referenciapont hőmérsékletét, és azzal egyenértékű feszültséget állít elő. Ez a fajta hidegpont kompenzáció a hőelemes áramkörben, vagy magában a mérőműszerben, annak csatlakozási pontján helyezkedhet el. Ezek az eszközök különálló modulként szerezhetők be, hálózati vagy elemes tápellátással rendelkezhetnek és néhány o C-os pontosságot nyújtanak ábra. Szabályozott doboz ábra. Dewar edény Sok berendezést úgy terveztek, hogy képesek legyenek a hőelem vagy a hosszabbítókábel vezetőinek közvetlen fogadására bármiféle külön-álló referenciapont felhasználása nélkül. Olyan eszközök, mint az elektronikus hőmérők, hőmérsékletszabályzók, adatgyűjtők, stb. Gyakran tartalmazzák a saját, olvadásponttal azonos feszültséget előállító generátorukat (ahogy korábban már leírtuk). A csatlakozópont hőmérséklete meghatározható egy integrált ellenálláshőmérővel, termisztorral vagy tranzisztorral, és általában egy megfelelő referenciafeszültség állítható elő velük. A referenciafeszültség bármilyen esetben hozzáadható a hőelem kimenetéhez, melyet vagy maga az 167

168 ábra. Hőelemek párhuzamos kapcsolása elektromos áramkör végez el, vagy még inkább (főleg a szabályzók, adatgyűjtők és más digitális rendszerek használata esetén) a hőmérséklet átszámításakori adatmódosítások során történik. Sok modern szabályzó, adatgyűjtő stb. az utóbb említett megközelítés felé halad. Nagyobb rendszerekhez, amikor sok hőelemet, racket és szekrényt tartalmaznak, szintén létezik olyan egységes hőmérsékletű blokk, amelyben akár 100 egyenértékű referenciapont is lehet. Ez a blokk lehet egy a korábban már említett jég olvadáspontját tartó egység, vagy egy a hőmérséklet szempontjából stabil fémtömb, ami a környezetének hőmérsékletéhez közel állandó hőmérsékletet tart fenn. Az utóbbi esetben a blokk hőmérsékletét folyamatosan ellenőrzik egy elektromos kompenzátorral, és (ebben az esetben is) a jég olvadáspontjának megfelelő feszültség hozzáadható mindegyik hőelem kimeneti jeléhez elektromosan vagy numerikusan. Az előbbieken kívül léteznek olyan referenciaegységek is, amiket arra terveztek, hogy a műszert egy magasabb hőmérsékleten lehessen használni. Ezek azokon a területeken lehetnek hasznosak, ahol különösen magas a környezeti hőmérséklet, de a hőelem kimeneteket a 0 o C-nak megfelelő értékhez kell állítani. Lényegében mindaddig, amíg a referenciahőmér-séklet ismert, addig a mérőpont hőmérséklete levezethető a szabvány megfelelő táblázataiból leolvasott korrekciós tényező beszámításával. Megjegyzés: A hőelem időállandója sec. nagyságrendű, de a védőszerelvényé akár 10 perc nagyságrendű is lehet Hőelemek kapcsolási módjai az átlaghőmérséklet mérésére 1, Párhuzamos kapcsolás Az egyik és legfontosabb ki-kötés, hogy minden különálló hőelemes kör esetében a mérő-pont és a közös csatlakozási pont közti ellenállás hasonló kell, hogy legyen. Ez könnyen megvalósítható azonos anyagú és hosszúságú hőelem használatával ( sz. ábra). Egy másik technikai megoldás, ha ellenállásokat használunk az áramkörök ellenállásának kiegyenlítésére ( sz. ábra). Ha különálló ellenállásokat használunk a hőelem áramkörében, akkor a legfontosabb, hogy azok a hőelem anyagának megfelelő anyagból készüljenek. Amennyiben mégis közönséges ellenállásokat használunk, akkor az a legjobb, ha ezeket az áramkör rézből készült részébe illesztjük. A csatlakozáshoz felhasznált kellékek is amennyire csak lehet a rézzel hasonló 168

169 termoelektromos tulajdonságokkal rendelkezzenek. Ideális esetben a kiegyenlítés két, hasonló értékű ellenállás elhelyezésével megvalósítható úgy, hogy egyet-egyet mindegyik réztartalmú áramkörben elhelyezünk. Ez biztosítja a hamis termofeszültség kioltását (lásd a ábra). Elővigyázatosságra van szükség ezen eljárások alkalmazásakor. Az igaz, hogy ezek segítségével ábra. Kiegyenlítés ellenállásokkal átlagfeszültséget nyerünk, mely feszültségek az érintett hőelemek hőmérséklettel arányos kimeneti jelei, a pontosságot azonban leronthatja a hőelemek nemlineáris karakterisztikája, és a hőelemekben a hőmérséklet változására bekövetkező ellenállás-változás. Továbbá, a mérőpontokat elektromosan el kell szigetelni egymástól, különben újabb párhuzamos kapcsolódás alakulhat ki. A nem egyező termoelektromos karakterisztikájú ellenállások hatását is figyelembe kell venni. Ezeknek a hatása minimalizálható, ha izotermikus tokozatban (hőszigetelt helyen) tartjuk őket. Alacsony frekvenciás AC mérőhidak segítségével lehet a legjobban meghatározni a hőelem áramkörök hurokellenállását. Még a kis termoelektromos feszültség is jelentős hatással lehet néhány egyenárammal működő ellenállásmérő berendezés által kijelzett értékre, így mindig hasznos a polaritást felcserélni annak ellenőrzésére, hogy ez a hatás jelen van-e. 2. Soros kapcsolás Hőmérséklet átlagolás a hőelemek sorba kapcsolásával is történhet. Ebben az esetben mindegyik érzékelőnek különálló referenciaponttal kell rendelkeznie, a kimeneti jel ekkor a különálló hőelemek kimeneti jeleinek összege, az átlaghőmérséklet pedig ennek az összegnek az érzékelők számával való elosztásával egyszerűen kiszámítható. Ha feszültségmérést végzünk (nulla vagy virtuálisan nulla az áram), akkor az áramkör ellenállása többé már nem fontos. Mindazonáltal, más tényezők, mint pl. mérőpont szigetelés és hőmérséklet hatására a bekövetkező érzékenységváltozás, még mindig jelen van. 169

170 ábra. Hamis termofeszültség kioltása Ellenálláshőmérővel történő mérések és azok problémái Mérés kereszttekercses műszerrel Az ellenálláshőmérőkhöz a mérőműszereket két, három, vagy négyvezetékes rendszer szerint csatlakoztatják. Az ellenállás változás mérése mindenkor összehasonlításból áll. Kétvezetékes rendszerben az ellenállás hőmérőt a mérőműszerrel összekötő úgynevezett mérővezeték környezeti hőmérséklet okozta ellenállás változását a mérőműszer összehasonlító részében nem veszik figyelembe. Háromvezetékes rendszerben a mérővezeték ellenállás változása a mérőműszernek mind a mérő, mind az összehasonlító részére egyaránt hat, így az ebből eredő mérési hiba a kétvezetékes rendszerhez képest igen csekély mértékű (1/20 1/100 része). A mérőműszer hielesítésekor minden esetben egy-egy R v vezeték ellenállást vesznek figyelembe, amely három részből tevődik össze: R v = Rv ' + Reb + Rk, ' ahol: R v a mérővezeték ellenállása, R eb az ellenállásmérő ellenállása, R K a vezeték-kiegészítő ellenállása. A mérések során kereszttekercses műszereket, és forgótekercses műszereket alkalmaznak a gyakorlatban. Az előbbieknél lehet hídkapcsolás nélküli, és hídkapcsolásos változat, az utóbbiaknál hídkapcsolást alkalmaznak. A kereszttekercses megoldásnál a tekercsen átfolyó áramok hányadosát mérik, a forgótekercses módszernél pedig a híd átlófeszültségét. Mielőtt rátérnénk a konkrét megoldásra, vizsgáljuk meg a kereszttekercses műszer működési elvét (a hányadosmérőt még nevezik logométernek is). A műszer két mereven összekapcsolt tekercs, amely közös tengelyen van. A tekercsek egymással fokos szöget zárnak be (13.32.sz. ábra). A tekercsek állandó mágnes által gerjesztett inhomogén térben amelyet változó légréssel idéznek elő elfordulnak. Ha az azonos menetszámú tekercsekben folyó áramok azonos nagyságúak, akkor a tekercsek a légrésben szimmetrikusan helyezkednek el. Ha valamilyen tekercsben az 170

171 áram megváltozik, addig fordulnak el, míg a rájuk ható mágneses nyomatékot egyensúlyba jutnak. Legyen a mágneses indukció a mágneses tér É-D szimmetria tengelyében B m. Ha az L 1 tekercs és a szimmetriatengely által bezárt szög β 1, akkor a tekercs helyén a mágneses indukció: Hasonlóan az L 2 tekercs helyén: B1 = Bm ( 1+ a b ). [ 1+ ( a - )], B2 = Bm a b ahol: a - alaki jellemző. Ha a tekercsen I 1 és I 2 áram folyik keresztül, a tekercsre ható forgatónyomaték: M1 = k I1 B1 = k I1 Bm ( 1+ a b ), M 2 = k I2 B2 = k I 2 Bm ( 1 + a a - a b ). Ha M 1 M 2, akkor a tekercsek addig fordulnak el, amíg az egyik tekercs kisebb, a másik nagyobb erősségű mágnestérbe jut, s az egyensúly beáll. Ekkor M 1 = M 2, tehát: ebből: ( + a b ) = k I B ( 1+ a a - ), k I1 Bm 1 2 m a b I1 I 2 1+ a a - a b =. 1+ a b Tudjuk, hogy az a és az α állandók, ezért β elfordulási szög egyedül a két áram nagyságától függ. A sz. ábra jelölései alapján: ( R + R ) = I ( R ). I1 t 1 2 a + R2 I1 I 2 = Rt + R2 Ra + R1 R = R = R 1 2 = Rt + R. Ra + R

172 Mivel az elfordulás szöge az áramok arányától függ, a műszer az ellenállások arányát fogja jelezni. Ha R 1, R 2 és R a állandók, akkor a műszer az R 1 változásának megfelelően jelez. Itt R t az ellenállásmérő. Az R a értékét úgy kell ábra. Kereszttekercses műszer megváltoztatni, hogy a műszer jelzés tartománya a kívánt méréstartománnyal egyezzen meg. Az ellenállásmérő vezetékeinek ellenállása befolyásolja a mérést, amit kalibrálásnál ábra. Kereszttekercses műszer működési elve figyelembe kell venni. Ezért a hőmérésre használt kereszttekercses mérőműszerek 5 10 ohm vezeték ellenállás figyelembe vételével készülnek. A vezeték ellenállását kalibráláskor ki kell a skálán többnyire bejelölt R v -nek nevezett értékre egészíteni. A vezeték ellenállás hőmérsékletfüggő tulajdonságai mérési hibát okoznak, amelyen a háromvezetékes rendszer alkalmazása lényegesen javít. Vizsgáljuk meg a sz. ábrát. Látható, hogy a vezeték ellenállásának csak egyik fele kapcsolódik az R t -vel szorosan, a másik az R a áramkörbe kerül. Ekkor a sz egyenlet az alábbiak szerint módosul: I1 I 2 = Rt + R + Rv. Ra + R + Rv Eltérés a sz. egyenlethez képest, vagyis az I 1 /I 2 arányában bekövetkezett hiba: Rt + R + Rv Ra + R + Rv Rt + R - Ra + R = 2 Rv Ra + R 2 Ra - Rt ( R + R + R ). a v Ha kétvezetékes rendszerben nem vettük volna figyelembe kalibráláskor a vezeték ellenállást, akkor: 172

173 I1 I 2 = Rt + R + 2 Rv Ra + R = Rt + R + Ra + R 2 Rv. Ra + R ábra. Kereszttekercses műszer három vezetékkel A hibát a második tag adja, amit a háromvezetékes rendszer legalább felére, de többnyire kisebbre csökkent: Részletesebb kapcsolást mutat a sz. és sz. ábra. A 13.35a. sz. ábrán kétvezetékes, a 13.35b. ábrán háromvezetékes rendszer látható, nem hídkapcsolású kialakításban. Hídkapcsolású megoldásra kereszttekercses műszerrel a sz. ábra mutat példát szintén két, és háromvezetékes rendszerben. Az ábrák feliratai: 1. kereszttekercses műszer, 2. ellenálláshőmérő, 3. skálapont ellenőrző ellenállás, 4. vezeték-kiegészítő ellenállás, 5. mérőhely átkapcsoló (ez most nincs kihasználva), 6. tápáramkör. 173

174 ábra. Két és háromvezetékes mérés Forgótekercses m egoldás (Wheatston-hidas módszer) ábra. Hídkapcsolású megoldás két és háromvezetékes rendszerben A hőelemekhez hasonlóan az ellenálláshőmérők (RTD-k) esetén is kicsi a hőmérsékletváltozás hatására a kimeneten mérhető jelváltozás MSZ és IEC szabványnak megfelelő eszközök esetén ez kisebb, mint 0.5 W / o C. 1 ma-es mérőáram ese-tén egy 100 W névleges ellenállású RTD 5 mv-os kimenetet ad 10 o C-os hőmérsékletváltozásra legalább egy nagyság- 174

175 renddel jobb a jel-erősség, mint a hőelemek esetén. Az esetek többségében híderősítőkre (vagy ezekkel egyenértékű esz-közökre) azonban még mindig szükség van megfelelő jelszint biztosításához. Két fő műszertípus van az RTD érzékelő ellenállásának megállapítására a mérőhidas (kiegyenlített híd vagy fix híd direkt kitéréssel), amelyeknél a tápáram változhat, és a kompenzációs, ahol az áram egy ismert konstans kell, hogy legyen. Mindkét típus használhat AC és DC áramot is, habár a sima stabilizált törpefeszültségű tápegység az általánosan elfogadott. A korai mérőberendezések a kiegyenlített hidakon alapultak (ellenállásos, kapacitív, vagy induktív). Kiegyenlített mérőhidakat még mindig használják laboratóriumokban, mely esetben a híd elemei ellenállás dekádok lehetnek (vagy megcsapolt induktivitások az AC verzió esetén). Napjainkban azonban a fix hidas rendszerek az elterjedtebbek, ahol a kiegyenlítettlenség közvetlen függvénye az érzékelő változó ellenállásának. Napjaink pontos potenciométereinek, digitális feszültségmérőinek használatával, és a feszültség érzékelőn történő közvetlen mérésével azonban ma már nagy pontosság érhető el. A stabil, konstans mérőáramot előállító áramkörök beszerzése könnyebb lett, melynek köszönhetően a kompenzációs eszközök elterjedése főleg az iparban is megnőtt. Ezek gyors és pontos RTD szenzor-érzékelést tesznek lehetővé. Napjainkban számos olyan direkt leolvasású berendezés létezik (mindkét műszertípusból), amely közvetlen hőmérséklet kimenetet képes szolgáltatni az ellenállás értékének négyzete (és így a feszültség, ha az áram konstans) és a hőmérséklet összefüggésből interpolációval Mérőhidas mérőrendszerek A kereskedelemben kapható ipari mérő-hidas rendszerek a Wheatstone-híd két főbb változatán alapuló számos áramköri elrendezés egyikét használják a kiegyenlített vagy a kiegyenlítettlen (fix) hidat, melyek mindegyike ellenállás-híd. Egyébként érdemes megjegyeznünk, hogy olyan induktív hidakat is lehet használni, amelyekben precíz tekercselésű transzformátor van. Ezeknek számos előnyük lehet, úgymint a robosztusság, a hordozhatóság és a stabilitás. Visszatérve az ellenállásos mérőhidakhoz, bármilyen áramköri formát is választunk, mindegyik híd lehet önkiegyenlítő. Ezt végezheti egy kiegyenlítettlenséget figyelő szervomechanizmus. Az ipari alkalmazásokban általában nem kiegyenlített hidat használnak (változtatható ellenállásos kiegyenlítés). Ahogyan korábban említettük, a fix elemekből felépített híd kiegyenlítetlen feszültségét használják az érzékelő ellenállásának mérésére ennél fogva pedig a hőmérséklet meghatározására. A híd típusától függetlenül, a hidat alkotó összes ellenállás (természetesen az érzékelő ellenállás kivételével) úgy van beállítva, hogy elhanyagolható ellenállás változást mutasson a hőmérséklet változásával szemben, és a váltóáramú (AC) hidak esetén úgy vannak tervezve, hogy ne rendelkezzenek induktivitással. Továbbá a híd ágakban lévő ellenállások csúszócsatlakozói által okozott hiba (ahol ilyen van) általában kiküszöbölhető ezek meghajtó áramkörbe vagy a kiegyenlítettlenséget figyelő áramkörbe történő beépítésével, ahol ezeknek már nincsen hatása a híd kiegyenlítettségére. 175

176 Az érzékelő ellenállás, ami bizonyos távolságra lehet a mérőhídtól, ipari alkalmazás esetén rézkábellel van csatlakoztatva a mérőhídhoz. A vezeték ellenállása kicsi, összehasonlítva a hídban használt ellenállásokéval, de ami nyilvánvalóan változni fog a hőmérséklet függvényében, főleg a mérőpont közelében. Ha a vezetők hosszúak vagy kis keresztmetszetűek, akkor ez az ellenállásváltozás elég nagy lehet ahhoz, hogy jelentős hibát okozzon a leolvasott hőmérsékletben. Ennél fogva nagy súlyt kell fektetni a huzalozási sémára ami alapjában két-, három- vagy négyvezetékes lehet. A következőkben részletesebben foglalkozunk ezzel a területtel, mely probléma forrása lehet. 1. Kétvezetékes kialakítás A es ábrán látható híd négy ágában R 2, R 3, R 1 és R T (mérőellenállás) ellenállások találhatóak. Az a, és d, pontokra feszültségforrás csatlakozik, mely esetben a híd b, és c, pontjai közt U H kimeneti feszültség (hídfeszültség) mérhető. A híd akkor van kiegyenlített állapotban, ha ez a feszültség nulla, ami pedig akkor áll elő, ha ábra. Kétvezetékes kapcsolás R 1 /R T = R 2 /R 3 egyenlőség teljesül. Ebből a keresett ellenállás értéke kiszámítható: R T = R 1 R 3 /R 2. A híd ellenállásainak értékét, tehát ismernünk kell. A kiegyenlített híd előnye az, hogy a feszültségforrás értéke az R T meghatározását nem befolyásolja ábra. Háromvezetékes kapcsolás Fontos azonban, hogy a tápfeszültség állítható legyen azért, hogy mindig kellő mérőáram tudjon folyni. 176

177 A gyakorlatban fix elemeket tartalmazó hidat használunk, amely esetben szükség van a tápfeszültség és a kimeneti feszültség pontos mérésére. Ezt az egyszerű kétvezetékes csatlakoztatást csak olyan helyen szokták alkalmazni, ahol a nagy pontosság nem alapvető követelmény, mivel a hozzávezetések ellenállása ami a hőmérséklet függvényében folyamatosan változik mindig hozzáadódik az érzékelő ellenálláséhoz, és ez a jelben állandóan hibához vezet. A szabványos megkötés ezzel az elrendezéssel szemben maximum 1-2 ohm vezetékenként ami tipikusan kb. 100 m hosszú kábelnek felel meg. Ez a megoldás a kiegyenlített hidakhoz és a fix hidakhoz egyaránt alkalmazható. A hozzávezetések ellenállásának meghatározása csak egy különálló (az RTD érzékelő nélküli) méréssel ábra. Négyvezetékes kapcsolás határozható meg, ezért a hőmérsékletmérés közben nincs mód folyamatos korrekcióra. 2. Háromvezetékes kialakítás Egy jobb kialakítás látható a as ábrán. Ebben az esetben két vezeték is csatlakozik az érzékelő egyik ágához vezetékellenállás van a híd mindegyik ágában, melynek következtében a hozzávezetések ellenállása kiesik a mérésből. Képlettel leírva: R T +R V = R 1 (R 3 +R V )/R 2 = R 1 /R 2 (R 3 +R V ). Ha tehát R 1 értékét úgy választjuk meg, hogy ábra. Más típusú négyvezetékes megegyezzen R 2 -ével, akkor a kapcsolás kie-gyenlített híd két ágában ugyanakkora áram folyik és a vezetékeken ugyan-akkora feszültség esik. A vezetékek 177

178 értéke már nem befolyásolja a mérést. A módszer azonban feltéte-lezi azt, hogy a két hozzávezetés ellenállása egyenlő, és azért, hogy ez teljesüljön, jó minőségű csatlakozóvezetékeket is kell használni. Ennél a meg-oldásnál 10 ohm-ig emelkedhet a csatlakozó vezeték ellenállása, ami általában kb. 500 méteres vagy szükség esetén még hosszabb vezetéket jelent. Ezzel a bekötési móddal, fix mérőhidat használva, a kompenzáció egyértelműen csak a mérőhíd kiegyenlített állapotában jó. Továbbá a kiegyenlítettlenséggel arányosan a hiba is növekszik. Ez azonban csökkenthető a szemközti hídágakban használt ellenállások értékének növelésével, ami pedig csökkenti a mérőhídban folyó áramváltozásának nagyságát. 3. Négyvezetékes kialakítás A leghatékonyabb ellenállás, így hőmérsékletmérési módszer a négyvezetékes kialakítás ( ábra.). Itt a szabványos kétvezetékes megoldást használják, aminek egyik vezetékével párhuzamosan kötnek egy plusz vezetékpárt. A kialakított segédáramkör a híd felső ágába csatlakozik, aminek eredményeként a két vezetékpár hatása kioltja egy-mást. Képletben: R T +2. R V =R 1 /R 2 (R R V ) ábra. Hőmérsékletkülönbség mérése Ez a megközelítés rézvezetékekkel költséges. Jobb megoldást mutat a sz. ábra. Ezzel az elrendezéssel kiküszöbölhetők a mérőhidas mérési mód esetén a jelet meghamisító vezeték ellenállások, amely egy áramgenerátorral érhető el. A híd akkor van kiegyenlített állapotban, ha az R értéke megegyezik a mérőellenállás értékével. Az R H értékét jóval nagyobbra kell választani, mint a hozzávezetésekét. Ezzel a megoldással a vezeték ellenállása 15 ohmig kezelhető, ami kb. 1 km. hosszúságú vezetékszakaszt jelent. 4. Hőmérsékletkülönbség mérése A hőmérsékletkülönbség méréséhez is mérőhidas áramkört használunk. Ekkor egy második RTD-t alkalmazunk, amit egyszerűen az első érzékelő melletti hídágban, az érzékelő vonalában helyezünk el. Az két érzékelős, kétvezetékes elrendezés a megfelelő erre a célra, ha a felhasznált kábelek ellenállása hasonló ( sz. ábra). 178

179 Egy potenciométert (P) használnak a híd kiegyenlítésére. A potenciométer két részének ellenállása közti különbség a kiegyenlített állapotban megegyezik a két mérőellenállás közti különbséggel. Ez az eltérés pedig a hőmérsékletkülönbséggel arányos. Figyelembe kell venni azt is, hogy sok ellenállás-hőmérő szenzor hőmérséklet függése nemlineáris. Amennyiben nagy pontosságra van szükség és a két vezeték hosszúsága, vagy ellenállása nem egyezik (pl.: más hőmérsékletű térben helyezkednek el), abban az esetben a négyvezetékes megoldás részesül előnyben ( sz. ábra), ahol mind a két érzékelőt kompenzáló párral látják el (mérőhíd érzékelő-áganként egy darab). 5. Kompenzációs mérőrendszerek Ahogy korábban említettük, az ellenálláshőmérőn egy áramgenerátorral konstans mérőáramot hajthatunk át. Az átfolyó áram hatására a szenzor két kivezetése között potenciálkülönbség alakul ki, ami közvetlenül mérhető valamilyen feszültségmérő segítségével. Ennek előnye, hogy hozzávezetések ellenállása vagy kiválasztó kapcsolók átmeneti ellenállása elhanyagolható. Ennél a feszültség alapú eljárásnál két tényezőnek van fontos szerepe: egy RTD- n átfolyó, stabilizált és pontosan ismert, mérőáramnak (direkt összefüggést adva a feszültség és az ellenállás és ennél fogva a hőmérséklet ábra. Négyvezetékes megoldás kompenzáló párral nagy impedanciájú feszültség-mérővel ábra. Hőmérsékletkülönbség mérése híddal közt), valamint egy nagy bemeneti impedanciájú feszültségmérőnek, aminek elhanyagolható a bemenetén folyó áram. Ezzel a megközelítéssel az abszolúthőmérséklet értéke levezethető amíg az áramot ismerjük. Számos RTD sorba is kapcsolható ugyanazt a közös áramforrást használva, azután pedig az összes érzékelő feszültsége mérhető egy 179

180 6. Négyvezetékes kompenzációs mérőrendszerek Mint már említettük a négyvezetékes kialakítás a legtökéletesebb, de látható, hogy van különbség a mérőhídban való alkalmazáshoz képest. A es ábra szerinti kialakításban látható feszültség-mérőnek nagyon nagy a belső ellenállása, így rajta keresztül (és ez által a hozzávezetésein keresztül) alig folyik áram, azaz a vezetékeken nem esik feszültség. Végeredményben, a hozzávezetések ellenállásának a hatása elhanyagolható a mérés pontosságára. 7. Közvetlen leolvasású műszerek alkalmazása Részletesen áttekintettük az áramköröket és a mérési módszereket, ezután megvizsgáljuk a nulldetektoros, a mérőhíd kimeneti feszültségét mérő, vagy a kompenzációs rendszerben a feszültségesést mérő eszközöket. A detektor lehet egy egyszerű galvanométer ez megfelel mind a kiegyenlített híd, mind a fix mérőhíd esetén. A kitérés jelzi az ellenállást (közvetlen vagy közvetett módon a feszültséget leolvasva), és a skála hőmérsékletértékének közvetlen leolvasása érdekében át is alakítható 8. Az alkalmazott erősítők Általában kis teljesítményű elektronikus erősítőket, jelátalakítókat vagy távadókat hasz-nálnak. A fix mérőhidas és a kompenzációs rendszerek esetén ezek biztosítják mind a nagy bemeneti impedanciát, mind a megfelelő energiát a helyi és távoli másodkijelzők, regisztrálók vagy regisztrálók/szabályzók meghajtásához. Kiegyenlített hidak esetén arra használják őket, hogy a hidak kiegyenlítését végző szervorendszert hajtsák meg, amelyek gyakran már a kijelzők, regisztrálók vagy szabályzók részét képezik. Ezek általában az RTD-hez közel helyezkednek el, ezzel biztosítva a hozzávezetések minimális ellenállásával járó előnyt, és a továbbítandó viszonylag nagy RFI (Rádiófrekvenciás interferencia = Radio Freqency Interference) érzéketlenségét. 9. Kompenzációs mérőeszközök Önkiegyenlítő, közvetlen kompenzációs kijelzők és regisztrálók használhatóak mind a hidak kimeneti feszültségének mérésére, mind az érzékelőn eső feszültség közvetlen mérésére. Az áramgenerátor, a híd ellenállásai, stb. mind részei ezeknek az eszközöknek. 10. Digitális műszerek Egy másik modern megoldás mind a mérőhidak kimeneti feszültségének, mind az RTD-n eső feszültségnek a mérésére: a digitális feszültségmérő, amely digitális linearizálási technológia használatának lehetőségét is adja, amivel a közvetlen 180

181 hőmérsékletkijelzés érhető el. Valójában napjainkban számos olyan közvetlen hőmérsékletkijelzésű eszköz létezik, ami több mint kielégítő az ipari, pontos hőmérsékletméréshez (-200 o C-tól egészen +850 o C-ig). Az eszközök önkiegyenlítők, és a legtöbbjük nagy felbontású digitális multiméter technológiával rendelkezik, amivel az ellenállás vagy a feszültség jelek közvetlenül hőmérsékletté alakíthatók. Ezek az eszközök az RTD karakterisztikáját linearizáló technikákat használnak, akár a másod- vagy harmadrendű polinomot is figyelembe véve. A pontosság néhány század fokon belülre esik, de egyedi kialakításnál 10 m o K (millikelvin) vagy nagyobb pontosság is elérhető 11. Többpont rendszerek RTD mérésére alkalmas többpont műszer könnyen készíthető fix mérőhidas vagy akár kompenzációs érzékelő áramkör alkalmazásával. Amennyiben kiválasztó kapcsolókat használunk, a kapcsoló átmeneti ellenállását és hőmérsékleti emf (Elektromotoros Erő = Electromotive Force) problémát minimalizálni kell, valamint megfelelő időt kell hagyni az érzékelő és a mérőáramkör számára, hogy egyáltalán megtörténhessen a mérés a mintavételezési frekvencia felső határa ezáltal korlátozva van. A szilárdtest kapcsolók ideálisak a gyors méréshez. Kompenzációs áramkörök esetén viszonylag egyszerű a helyzet az áramgenerátort egyszerűen egymás után rákapcsoljuk a soron következő érzékelőre. A fix mérőhidas rendszerekben a közös feszültségforrást használnak minden hídhoz, de a multiplexáláshoz jobban szeretik a híderősítőket, hogy megkönnyítsék a kapcsoló feladatát. A direkt leolvasású eszközök esetén nagy gondossággal kell eljárni annak érdekében, hogy a mérőáram ne legyen olyan nagy, hogy számottevő önmelegedést hozzon létre, továbbá az áramot állandó értéken kell tartani, így az önmelegedés hatása reprodukálható lesz. 12. Laboratóriumi műszerek ábra. Laboratóriumi kapcsolás A as ábra illusztrálja az egyszerű DC kompenzációs mérési eljárást, ahol az RTDk sorba vannak kapcsolva egy ismert normál-ellenállással és egy stabil áramgenerátorral. Digitális feszültségmérő használható a potenciométer helyett, és a rendszer alkalmas mikroprocesszoros vezérlésre. A termofeszültség kiküszöbölhető az áram irányának és a potenciométer polaritásának megfordításával 181

182 és a leolvasott értékek átlagolásával. Egy másik megoldást mutat a sz ábra. Az RTD és egy változtatható normálellenállás értékét összehasonlíthatjuk egy kapcsolható kapacitással, és egy galvanométerrel (vagy azzal egyenértékű mérőeszközzel) pedig figyeljük a nulla kijelzést, azaz a zéró potenciálkülönbséget. Használnak továbbá különböző DC hidakat (nevezetes eszközök a Mueller és a Smith-hidak), de az induktív feszültségosztók és transzformátorok a nagyon nagy pontosságukkal és stabilitásukkal), modern elektronikával ötvözve (fázisdetektorokat és önkiegyenlítő rendszereket is tartalmazhatnak) az AC mérések elterjedését segítették elő. A korai AC berendezések közé tartozik pl. a Kelvin-féle dupla híd (a külső osztók mechanikai csatolása állandóan ugyanazt az arányt adva) és a különféle többállású transzformátoros hidak, ahol a hozzávezetések ellenállásából adódó hiba az áram megszakításával megszűntethető. A modern AC hidak önkiegyenlítők, és számítógéphez vannak csatlakoztatva, melynek segítségével az RTD megfelelő kalibrációs konstansának felhasználásával a hőmérséklet közvetlenül leolvasható. A gerjesztő frekvencia 25 Hz-ig csökkenthető, így a konvencionális DC ellenállásokat is lehet használni. A Kluster-féle áram kondenzátor híd egy ábra. Laboratóriumi műszer modern DC híd, ami transzformátoros technológiát alkalmaz. Itt a hőmérőn és a normál ellenálláson átfolyó áram arányát mérik, miközben a két ellenálláson eső feszültséget azonos értéken tartják. A híd kiegyenlítése manuális, a hozzávezetések ellenállása lényegtelen és az automatikus áramirányváltás kiküszöböli a statikus hőmérsékleti emf problémákat. Megjegyzés: A ábra a napjainkban elterjedt négy vezetéksémát ábrázolja A hőmérők tehetetlensége ábra. Érzékelők lehetséges kapcsolásai 182

183 A hőmérők mindig a saját hőmérsékletüket mérik. Amikor hőmérőt helyezünk egy rendszerbe, a rendszert megzavarjuk, tulajdonságait megváltoztatjuk, mert a hőmérő más hőmérsékletű, mint a rendszer, és a hőmérőnek is van hőkapacitása. Az egységnyi hőmérsékletváltozáshoz szükséges hőmennyiséget a test hőkapacitásának nevezzük: dq C = dt Mivel a hőcsere mértéke a folyamattól függ, ezért különböző folyamatokra a hőkapacitás értéke különböző lehet: gázoknál például ezért beszélünk izochor, izobár vagy egyéb kitüntetett folyamattípusokra vonatkozó hőkapacitásról. Homogén test hőkapacitása arányos a test tömegével, m -mel: C = c. m, ahol: c - az anyag fajhője, m - a tömeg. A fajhő függ a hőmérséklettől. A hőmérő hőkapacitásának kicsinek kell lennie a rendszer hőkapacitásához képest, hogy a rendszer állapota kevéssé változzon. A hőmérő kis hőkapacitása azért is kívánatos, mert ez teszi lehetővé, hogy minél hamarabb a kívánt mértékben megközelítse a hőmérő hőmérséklete a környezet hőmérsékletét. Ezt röviden úgy is kifejezhetjük, hogy az a kívánatos, minél kisebb legyen a hőmérő tehetetlensége. A hőmérő tehetetlenségét az időállandóval ill. felezési idővel jellemezhetjük. Legyen a térben két - egymáshoz közel lévő- υ 1, ill. υ 2 hőmérsékletű felület, amelyek közötti teret valamilyen közeg tölti ki. Ekkor a közegben a hőáramsűrűség, J q közelítőleg arányos a Δυ = υ 2 - υ 1 különbséggel: J q = a. Δυ. Az a együtthatót hőátadási tényezőnek nevezzük. Ezen összefüggés alkalmazásával határozzuk meg, hogyan változik a test hőmérséklete az idővel, ha hidegebb (vagy melegebb) közegbe kerül. A probléma megoldása egyszerű, ha teszünk néhány egyszerűsítő feltételt: - A test hőkapacitása (C) legyen a folyamat közben állandó. - A test hőmérséklete a folyamat közben időben változik [υ(t)], de a test egészére legyen azonos, ne függjön a helytől. - A közeg hőmérséklete (υ k ) legyen a folyamat közben állandó érték. - A test és a közeg közötti hőátadási tényező (a) legyen a folyamat közben állandó. Ilyen feltételek mellett a (testből kifelé áramló) hőáram: dq du I q = = -C, dt dt másrészt q = J q. A = a. A. (υ - υ k ), ahol: "A" a test felülete. A fentiekből kapjuk: C dt = - a. A. (υ - υ k ), dt differenciálegyenletet, amelynek általános megoldása: υ-υ k = [υ(0)-υ k ]. exp (-t/τ), 183

184 ahol: t = C. a A Ez a Newton-féle hőátadási törvény. Látható, hogy a hőmérsékletkülönbség exponenciálisan csökken, és a t határesetben eltűnik: lim υ(t) = υ k, t. A hőmérséklet-kiegyenlítődés sebességének jellemzője a τ időállandó. Ez az az időtartam, mely alatt a test és környezete közötti hőmérsékletkülönbség az eredeti "e"- ed részére csökken: υ(t) - υ k = [υ(0) - υ k ] / e. Az időállandó vagy karakterisztikus idő annál nagyobb, minél nagyobb a test hőkapacitása (a tömeg és a fajhő szorzata), minél kisebb a hőcserénél szóbajöhető felület és a hőátadási tényező. Szokásos τ helyett -mint már korábban említettük - a t 1/2 felezési időt is használni (mely alatt a test és környezete közötti hőmérséklet-különbség az eredeti felére csökken): t 1/2 = t. ln 2, amellyel: υ-υ k = [υ(0)-υ k )]. -tt 2 12 / alakba írható. Hasonlóképpen definiálható harmadolási, stb. idő is Érzékelők és a berendezések fejlesztési irányzatai Várhatóan az ellenállás-hőmérők térnyerése a hőelemekkel szemben folytatódik, mindkét fajta érzékelő fejlesztése áttörés előtt áll, ami aztán újabb hatást fejt majd ki rájuk. Új technológia bukkan fel néhány éven belül, ami jelentős javulást eredményez az érzékelők működését tekintve. A fejlesztések fő irányainak egyike, hogy olyan érzékelőket hozzanak létre, amik öndiagnosztikával rendelkeznek az érzékelőnek (nem a smart távadónak) azon képessége, mellyel meghatározza saját állapotát, és ha szükséges, akkor korrekcióval visszaállítja az eredeti gyári állapotát. A smart érzékelő rendszerek melyek számos hasonló vagy eltérő érzékelő jelének feldolgozását képesek elvégezni például a mért értékek hitelesítésére lesznek használhatóak. Kellő időben ezek fogják majd biztosítani a helyszíni diagnózist, azonosítani a problémákat, meghatározni a mérési bizonytalanságot és képesek lesznek jelentést készíteni azon mérésekről, melyek kívül esnek a tűréshatáron. Ez jelenti majd a pontatlan mérések végét, amelyek napjainkban olyan gyakran előfordulnak. Mindemellett egyre tökéletesebb gyártási technológiákkal és anyagokkal az eszközök megbízhatósága, pontossága és élettartama is javul Smart hőelemek A hőelemek esetén a legáltalánosabb hibák: a nem kielégítő szigetelési ellenállás; a termoelektromos inhomogenitás; a hideg- és melegpontok elhasználódása. Ezek 184

185 kiküszöbölésére számos megoldás létezik. Az on-line szigetelési ellenállásmérés rávilágíthat az elhasználódásra és kimutathatja virtuális mérőpontok létrejöttét. Ezen kívül hurokellenállás mérésre, vezeték és védőburkolat közti kapacitásmérésre, illetve önmelegedési, önhűlési vizsgálatok elvégzésére is alkalmas lesz a hőelem a jövőben. Az utóbbi esetben Joule-hő jön létre végig a termoelektromos kör mentén. Amikor a melegedés leáll, az idegen emf források lassabb ütemben csillapodnak, mint az elsődleges mérőpont. Az ebből adódó bizonytalanság megfigyelhető (és ha szükséges, alarm jel küldhető), sőt a beállási késedelem kompenzálására szűrőket lehet tervezni Smart ellenállás-hőmérők. Az RTD-k pontatlanságának főbb okai: kémiai behatások, környezet hatására létrejött kohászati jellemzők megváltozása; mechanikai ütődések és rezgések; csökkent szigetelési ellenállás, mely a platina elemmel párhuzamosan kapcsolódó átvezetéseket hoz létre; termoelektromos hatások; és az RTD vezetékeinek eltérő ellenállása, mely helytelen vezetékkompenzációt okoz. Egy lehetséges technika, ami alkalmazható az RTD-k on-line tesztelésére a Johnson-zaj (a töltéshordozók hőmozgásának hatására az ellenállásokban indukált nanovolt nagyságrendű hőmérsékleti emf) mérése, melynek nagysága jól meghatározható a hőmérséklet függvényében, és nem függ az ellenállás anyagától. Más módszerek is vannak, amelyek szintén a szigetelési ellenállás és a hurokellenállás mérésén alapulnak az utóbbi a platina elem mindkét oldalához csatlakozó vezeték állapotáról képes fontos információkat szolgáltatni. Az RTD-kben a termoelektromos feszültségből adódó hiba jelenlétére a vezetékek felcserélésével és a kijelzett hőmérséklet megfigyelésével következtetni lehet. Továbbá az önmelegedési hatások is felhasználhatóak a hibák detektálására Alternatív mérési technikák Többfajta érzékelő, pl. egy hőelem és egy RTD (két különféle érzékelő) beleépíthető egy tokba. Ennek az előnye az, hogy két különböző mértékben elhasználódó eszköz méri ugyanazt a hőmérsékletet tehát a kijelzésben megjelenő túlságosan nagy eltérés esetén arra lehet következtetni, hogy az egyik meghibásodott. Többvezetékes, több mérőpontos hőelemek (melyek egy időben több mérést végeznek) használata ábra. Alternatív mérés magyarázata egy másik módszer a hiteles mérés biztosítására. Egy másik technika anyagi szempontból nagyon tiszta fémmel töltött kapszulákat használ, melyek az érzékelő elemhez közel vannak elhelyezve. A fém úgy van kiválasztva, hogy dermedéspontja a normál 185

186 mérési tartomány alá essen. A hőmérő hűlésekor, a fém dermedéspontján egy fixpont kalibrálás megy végbe, hiszen a fém állapotváltozásának ideje alatt a hőmérséklet nem változik. Ez a folyamat, melegedésnél is végbemegy, csak akkor a fém olvadása alatt történik az egy mérési pontos ellenőrzés. A dinamikus kompenzáció egy másik megoldás, amiben két érzékelő elemet telepítenek a védőburkolatba különböző pontokon elhelyezve, így mindkettőnek más lesz a beállási ideje. Úgy érnek el rövidebb beállási időt, hogy modellezik az egyik beállási idejét a másikhoz képest, és a két mért hőmérsékletváltozás görbéből következtetnek az aktuális hőmérséklet értékére. A gradiens érzékelőknek hasonló a működési elve. Mindegyik a szárveszteségeket használja ki eltéréseket a mérésben, amely az érzékelő mentén a hőátadás arányában jön létre amely alapján (amilyen hamar csak lehet) extrapolációval határozzák meg a hőmérsékletet, ami sok esetben nagyon gyorsan változik. Léteznek pulzáló érzékelők, melyeket olyan magas üzemi hőmérsékletű helyekre készítettek, ahol egy szabványos, átlagos érzékelő már kárt szenvedne. Hűtőköpennyel rendelkeznek, mellyel az érzékelő üzemi, működési hőmérséklethatárain belül tartják azok hőmérsékletét. A hűtést ideiglenesen abbahagyják, melynek következtében az érzékelő mérni kezdi az aktuális hőmérsékletet, azaz melegedésnek indul, hogy elérje azt. Ez a folyamat a hűtés újraindításáig tart. Bár az aktuális hőmérsékletet sohasem éri el, a görbe alakjából extrapolációval meghatározható a mérendő közeg aktuális hőmérséklete ( ábra) Zajfeszültség mérésén alapuló hőmérsékletmérés Az ellenálláson keletkező zajfeszültség mérésen alapuló hőmérsékletmérés teljesen elektronikus egyenes arányban van a termodinamikai hőmérséklettel és független az érzékelő gyári specifikált jellemzőtől. Sajnos, nem tudunk érdemben nyilatkozni a beállási idejéről, mivel ez a technika még nem fejlődött ki teljesen, de (a jelenlegi fejlesztési állapot alapján nézve) ez a fajta mérési mód a hőelemek mentén végigvezetve, azok dinamikus mérésére lesz használható Egyéb technikák Egy pillanatra eltávolodva az elektronikus hőmérsékletméréstől, más hőmérséklemérő technikák fejlesztése is folyamatban van. Ilyenek pl. a száloptikás, az akusztikus hőmérsékletmérés elvén működő, a nukleáris négypólusú rezonanciás eszközök és a kvarckristályos jelátalakítók. Ezek viszont mind túllépnek e könyv keretein. 186

187 14. fejezet Kinematikai mennyiségek mérése Út (távolság) mérése Alapfogalmak A mozgó test pályájának vizsgált szakaszát a test által megtett útnak nevezzük. A mozgási pálya egy meghatározott pontja, ahol a test éppen tartózkodik az a pillanatnyi mozgási helyzet. b, Körpálya Ha a mozgás speciális körpályán megy végbe, akkor a mozgási adatok megadása szögadatonként történik. Ekkor az útnak a szögelfordulás, helyzetnek pedig a szöghelyzet felel meg. Továbbiakban célszerű különbséget tenni a kis, és nagy elmozdulás, illetve szögelfordulások között Kis elmozdulások mérése Erre a célra általában induktív, és kapacitív érzékelőket használnak Induktív módszer Induktív érintés nélküli mérőfejek láthatók a sz. ábrán. Az ábra jelölései a következők: 1- tekercs, 2- ház a menetes résszel, 3- szigetelőrész, 4- mag, és villamos csatlakozás. Ezt a meg-oldást napjainkra már többszörösen tökéletesítették, de az ábrán látható elv ugyanaz maradt. Párban használják, és többféle méretben készül néhány V-os (2 10V) és néhány khz-es (2...10kHz) frekvenciára. Általában 10-4 mm-től néhány tized mm felső határig működik. Az ilyen típusú mérésekhez javasolt kétféle alapkapcsolás a sz. ábrán látható. Bármely gyártó állítja elő a mérőfejeket, az elv a látottakkal azonos. Különleges célokra állítanak elő e-gyes gyártó cégek olyan mérőfejeket, amelyek 1µm 1mm ábra. Induktív érintésnélküli mérőfej közötti mérő-tartományban működtethetők. Egy másik átalakítót mutat a sz. ábra. Az átalakító induktív rendszerének elvi vázlatát, és mérési karakterisztikáját a sz. ábra mutatja. 187

188 14.2. ábra. Párban használt érzékelő ábra. Induktív távolságérzékelő 188

189 14.4. ábra. Induktív átalakító és karakterisztikája A sz. ábrán egy induktív mikrométer látható. Szerkezete: 1- vasmag, 2- mérőcsap, 3- test, 4- tekercsek, 5.,6.- előfeszítő csavar, 7- szigetelő betét, 8- távtartó erő, 9- rözítőgyűrű. A jobb megértés céljából vizsgáljuk meg a sz. ábrát. A munkadarab az X méretétől függően a 2. tapintó közvetítésével az 1. vasmag elmozdul. Ennek megfelelően változik a δ légrés mérete,amely az induktivitásokat hangolja. A mérő átalakító két tekercsét középleágazású tekercsét transzformátorral egészítik ki híddá. A motor addig forog, amíg a feszültség nullává nem válik. A sz. ábrán egy induktív méretellenőrző műszer látható vázlatos felépítésben. Ez a megoldás igen kis elmozdulások mérésére alkalmas. Vastagság mérésre igen jól felhasználható a sz. ábrán látható megoldás. Fazékvasmagos induktív átalakítót tartalmaz. A mérendő vastagságú szalag, görgők között halad, amelyik közül az egyik rögzített, a másik elmozdul, ami azután átalakul villamos jellé. Felépítés: 1- fazékvasmag, 2- állítható mérő kocsi, 3- mozgó érintkező görgő 4- mérőhíd, 5- műszer, 6- nullapont beállító potenciométer, 9- álló görgő, 10- szalag vastagságát beállító csavar, 11- függesztő membrán, 12- függesztő vezeték, 13- mérő beállító. Hasonló átalakítót mutat a sz. ábra csak más megoldásban Kapacitív mérőátalakító Kevésbé használják, mert magasabb frekvenciájú tápfeszültség alkalmazása szükséges. A sz. ábra mutat példát egy kapacitív elven működő mikrométerre. Az érzékelő elem egy hengeres felépítésű differenciálkondenzátor. Jelölések: 1- a kondenzátor álló fegyverzete, 2- mozgó fegyverzet, 3-különbségképző, és erősítő. Gyakran alkalmazott megoldást mutat a sz. ábra. Az ábra jelölései a következők: 1- rögzítő rugó, 2- acélház, 3- elektróda tartó, 4- polisztirol szigetelő, 5- tányérrugó, 6- polisztirol szigetelés, 7- rögzítő anyák, 8- polisztirol szigetelés, 9- elektróda fegyverzet. 189

190 Vizsgálni kell még a sz. ábrát is (13.fejezet), mert azt a kapcsolást célszerű alkalmazni. A 2. jelű oszcillátor amely L vagy C hangolású lehet- ebben az esetben kapacitív hangolású. A mérő rezgőkör önfrekvenciája a Thomson képlettel meghatározható: 1 f =. 2 p L C Mint említettük, a hangolás itt kapacitással történik, de ez a nevezőben, és gyökjel alatt szerepel, ezért ennek a sorfejtett alakját célszerű alkalmazni. Jelentse az f a közepes frekvenciát, és Δf annak megváltozását, a ΔC kapacitás (vagy ΔL induktivitás) pedig az értékváltozásokat. (Kapacitásváltozáskor a ΔL = 0, mert L = constans és induktivitás változáskor ΔC = 0, mert C = constans) Sorfejtés után a relatív frekvenciaváltozás 2 Df 1 DC 3 æ DC ö = - + ç +... f 2 C 8 è C ø Df f 2 1 DL 3 æ DL ö = - + ç L 8 è L ø A változások hatására két különböző frekvencia (f 1 és f 2 ) jött létre, és a jelek az U 1 cosw 1 t illetve U 2 cosw 2 t időfüggvénnyel rendelkeznek Keverés után U 2 1 cosw1 t U 2 cosw t = U1 U2 = Továbbiakban ennek a jelnek a feldolgozása történik Örvényáramú módszer [ cos( w + w ) t + cos( w -w ) t]. Nem mágneses fémekből készült fóliák, lemezek, stb. érintkezés nélküli vastagságmérésre alkalmazható az örvényáramú módszer. A mérési elrendezés elve a sz. ábrán látható. Jelölések: 1- tápfeszültség generátor, 2- mérendő anyag, 3- erősítő, 4- detektor, ábra. műszer. Induktív A primer tekercset az 1. jelű oszcillátor gerjeszti. A szekunder mikrométer tekercsben indukált feszültség a tekercs geometriától és a mérendő vastagságú anyagban indukált feszültség hatására folyó örvényáram intenzivitásától 2 190

191 függ. A műszert közvetlenül vastagságra hitelesítik. A mérési elv lényege, hogy a vizsgálandó lemez, a benne folyó örvényáramok miatt mágnesesen árnyékolja a transzformátor szekunder tekercsét. Az örvényáram adott indukció esetén a lemezvastagság, fajlagos ellenállás, és a relatív permeabilitás függvénye. Mivel ρ és ε r állandó, ezért az örvényáram csak az anyag vastagságának függvénye. Általában Al, Cu és Zn lemezek vastagságának mérésére használják ábra. Induktív méretellenőrző elrendezés ábra. Induktív mikrométer elve 191

192 14.8. ábra. Vastagságmérő műszer elve ábra. Vastagságmérő elrendezés ábra. Kapacitív mikrométer 192

193 ábra. Gyakori kapacitív mikrométer ábra. Örvényáramú módszer Mágnesszondás módszer Az elrendezés lényege az osztott tekercselésű két külön vasmaggal ellátott differenciáló ábra. Mágnesszondás mérés elve 193

194 transzformátor, ahol a vasmag statikus előmágnesezése állandó mágnessel történik. Elvi vázlata a sz. ábrán látható. Az 1. mágnesszonda kimenő feszültsége a 2 szűrőre jut, és a 3 állandó mágnes helyzetének függvénye. Ha helyesen van a transzformátor méretezve, akkor a 3-at teljesen kihúzva, U ki = 0. A 3 állandó mágnes elhelyezése a mérendő lemez alatt azt eredményezi, hogy két vasmag mivel távolságuk az állandó mágnestől különböző különböző statikus előmágnesezettséget kap. Ennek következtében a kimeneten feszültség jelenik meg. A statikus előmágnesezettség függvénye az állandó mágnes helyzetének, amit viszont a 4 vizsgálandó anyag vastagsága szab meg. Csak nem mágneses anyagoknál használható. Lényeges még az 5 állandó mágnes szerepe is. Ezzel lehet nullázni, illetve zéró vastagság esetén a transzformátor mágneses szimmetriáját visszaállítani. Az Uki így 0 és maximális érték között változik Mágnesfluxus módszer Ez az eljárás ferromágneses lemezek vastagságának mérésére szolgál. Ez a módszer is két részre osztható fel : -fluxusváltozás mérésén alapuló módszer A fluxusváltozás a mágneskör ellenállásának függvénye. A méréshez statikus mágneses teret kell létrehozni. Korszerű hordozható műszerek készíthetők el ezen elv alapján. Elrendezése a sz. ábrán. A 2 állandó mágnest az 1 lágyvas járommal E alakú vasmaggá képezik ki. Az állandó mágnesre helyezik a 4 tekercset, amely a mágneskör fluxusának változásait ábra. Mágnesfluxusos mérés elve érzékeli, amelyet az 5 műszer mér. Működése a következő: a 3 mérendő ferromágneses lemezre helyezzük az egész mérő átalakítót (magot). A mágneses ellenállás megváltozása miatt annak mértékében megváltozik az állandó mágnes fluxusa, tehát az 5 fluxusmérő forgórésze elfordul. A mágneses ellenállás a lemezvastagság függvénye, ettől függ tehát a Φ nagysága. Vaslemeztáblák, acélöntvények vizsgálatára szolgál. Bizonytalansága 4mm lemezvastagságig kb. 1%. Ha a mérőtekercs helyett a Φ -t Hall generátorral érzékeljük, akkor a mérési tartomány 14 mm-ig is kiterjeszthető. -fluxuseloszlás változásán alapuló módszer ábra. Fluxus változásán alapuló mérés Elvi felépítése a sz. ábrán látható. Az érzékelő elem egy differenciál transzformátor, ahol a szekunder tekercsek mágneses körének mágneses ellenállását az etalon vastagságú lemez 194

195 határozza meg. A lemezek ferromágnesek. A H alakú vasmag az ábra szerint helyezkedik el, és rajta a 2 gerjesztő, illetve a 3 és 4 szekunder tekercsek. A szekunder tekercsben indukálódott feszültség különbségét a 7 műszer indikálja. A 6 etalon lemez illetve az 5 mérendő lemez a 3 és 4 szekunder tekercsek mágneses körét zárja le. Az etalon lemez anyaga azonos a mérendő lemezével. A kimenő feszültség különbség nagysága a két lemez vastagságkülönbségének függvénye. A készülék folyamatos mérésre nem alkalmas, mert az 5 mozgó szalag a pólussaruk megengedhetetlen kopását okozná, ezért célszerű mintavételes mérést végezni Ultrahangos vastagságmérés A mérés elvét a sz. ábra mutatja. Az 1 mérendő darabon rá van szorítva a 2 kvarc, amely kapcsolódik az oszcillátorhoz, amelynek változtatható a frekvenciája (0,2 0,5MHz). A frekvenciát addig változtatjuk, amíg a vizsgált anyag olyan rezgőrendszerré nem válik, amelynek rezonancia frekvenciája éppen a beállított oszcillátor frekvenciája felének páratlan számú többszöröse. Ekkor a falvastagság: v d = n 2 f n ahol: d - vizsgált anyag vastagsága, n felharmonikus rendszáma, f n - n-ik felharmonikus rezonancia frekvenciája, v - hang terjedési sebessége az anyagban. A pontatlanság kb. 1% 1 30mm vastagság között ábra. Ultrahangos vastagságmérés elve csúszóérintkezős ellenállásos átalakítók Kis értékű lineáris elmozdulás pl. belső átmérő mérésére szolgál a sz. ábra. Jelölései: 1- karáttétel, 2- tapogatófejek, 3- csúszóellenállás. Csúszóérintkezős ellenállásokat kis értékek mérésére ritkán alkalmazzák Mérőérintkezők Ezek szakaszos működésű műszerek, amelyek segítségével arról kapunk információt, hogy a munkadarab belül van a tűrésen, vagy kívül, illetve ha kívül esik, akkor milyen irányba esik ki ábra. Ellenállásos átalakító 195

196 Ezeket a változásokat gyakran a selejtes darabokig, különböző színű világító diódával jelzi a berendezés. A jelzési tartomány általában ±50 ±1000µm-ig terjed, és hibájuk ±0,5 ±5µm közé esik. Egy ilyen megoldás egyszerűsített vázlata látható a sz. ábrán. Működése a következő: A 3 munkadarabra felfekvő 2 tapintó mindaddig, amíg a munkadarab mérete helyes, nem mozdítja el az 1 kapcsolókart. A 4 és 5 kontaktusok tehát a rajz szerinti helyzetben vannak. Az álló érintkezők a 6 és 7 csavarokkal állíthatók be a megfelelő tűréshatárra. Így, ha a méret a tűrésmezőbe esik, akkor a 8, 9 meghúzó mágnesek közül egyik sem kerül gerjesztett állapotba, és így az elbillentő 10 tárcsa mögött égő 11 izzó, a tárcsa sárga ablakát világítja meg, az ábrán rajzolt esetben a 3 munkadarab x mérete nagyobb a megengedettnél. A tárcsa zöldet jelez. Az itt látható elrendezés kiviteli rajza ábra. Mérőérintkező elve sz. ábrán látható Nagy elmozdulások mérése a, Induktív eljárás Induktív eljárások esetén a már korábban tanult merülővasmagos tekercsek használatosak. Ilyen megoldást mutat a sz. ábra. A 14.20a. ábra szerinti eszköz a mozgó (mérendő) objektumhoz csavarokkal rögzíthető, a b. ábra szerinti eszköz pedig tapintós felépítésű. A tapintó (nyomó) erőről rugó gondoskodik. A tárgyalt induktív átalakítók alsó mérési határa 0,5 1mm, a felső pedig mm ábra. Mérőérintkező kivitelezése 196

197 b, Kapacitív eljárás Kapacitív mérési eljárásokkal a már korábban tanult dielektrikus megoldást alkalmazzák. Egy ilyen átalakító felépítését mutatja ábra. Merülőmagos mérés a sz. ábra. Az ábra jelölései a következők: 1- csatlakozó, 2-átvezető, 3- polisztirol szigetelő, 4- belső elektróda, 5- külső elektróda, 6- mozgó dielektromos cső, 7- csavaros csatlakozó, 8- Al csatlakozó c, Ellenállásos eljárás Ezt a mérési eljárást mutatja a sz. ábra. A kimenő feszültség ekkor: U R = U R + R T d Az ellenállásos mérés nem túl gyakori. l 1 l. d, Elmozdulás mérése impulzusszám alapján - Impulzusok közvetlen számlálásával ábra. Kapacitív mérés ábra. Ellenállásos mérés elve 197

198 Az impulzusszám alapján történő mérés úgy valósítható meg legegyszerűbben, ha a mérendő tárgy haladási útvonalán elhelyezett jeladók impulzusait számoljuk. Erre mutat példát a sz. ábra. A 14.23a. ábrán közvetlen számlálással történő hosszúságmérés látható. A mérés kezdeti időpillanatát a tárgy elől haladó homlok élének FD1 jeladó látótérbe kerülése jelenti. A mérés pontossága a jeladók közötti távolságtól és az optikai rendszer nagyításától függ. Ennek az abszolút mérési módszernek a hátránya, hogy a pontosság növelése a jeladók számának növelését igényli. Ez bonyolulttá, és költségessé teszi a rendszert, továbbá csökkenti a megbízhatóságot. Korszerűbb megoldás a 14.23b. ábra szerint relatív mérési módszer, amely az előforduló legkisebb mérés túllépése alapján határozza meg az elmozdulást (hosszúságot). A számlálás pillanata akkor kezdődik, mikor a tárgy hátsó éle az FD1 jeladó tengelyvonalát metszi (sötétre kapcsoló áramkör). A megvilágított fényérzékelők N számától függ a legkisebb mérés Δl túllépése. Megvilágított az az érzékelő, amelynek látóterében megtalálható a mérendő tárgy. A teljes hosszúság: L=L min +k n, ahol: k - a fényérzékelők közötti távolság, osztótávolság n - darabszám A jeladók lehetnek fényelektromos, rádióizotópos és egyéb elven működő eszközök. - Közvetett hosszúságmérési módszer A sz. ábrán ábra. Elmozdulás mérése impulzusszám alapján rádióizotópokkal felépített jeladókból álló csőhosszúság mérő látható. A görgősor mentén adott hosszúságokban rádióizotópos jeladókat helyeznek el. A ábra. Rádióizotópos mérési módszer jeladók a 4 jelű sugárforrásból és az 5 jelű sugárzásvevőkből állnak. A sugárforrás szűk γ sugárnyalábot bocsát ki. A feladat megoldása során a Δl =L-L min hosszúságot kell mérni. Ez a hosszúság a 2 jelű adó által keltett impulzusok alapján határozható meg. Az adó tengelye áttételeken keresztül kapcsolódik az 1 jelű csöves mozgató motor tengelyéhez. Az áttétel úgy van megválasztva, hogy egy impulzus a hosszúság mértékegységének egészszámú többszörösének feleljen meg. A digitális formában 198

199 kapott mérési eredményt a 3 jelű elektronikai egység jeleníti meg. Ezt a módszert is már többszörösen korszerűsítették, de az elv maradt. e, Hosszúságmérés időmérés alapján - Hosszúságmérés adott távolság megtételéhez szükséges idő alapján A hosszúság meghatározható az idő és sebesség szorzataként. Ennél a mérésnél az idő alatt azt az időintervallumot értjük, amely a tárgy elülső és hátsó élei által a fényérzékelőkben generált jelek között mérhető. A pontosság növelése miatt nem célszerű a teljes hosszúság, hanem csak egy, a teljes méretet meghaladó minimális ábra. Hosszúságmérés időmérés alapján rész mérése. Erre mutat példát a 14.25a. sz. ábra. A Δl = L- L min méretet kell meghatározni. A tárgy v mozgási sebessége állandó. Ekkor: Δl=υ Δt ahol Δt a két időpont különbsége. (FD1 jeladó tengelyének a metszéspontja, a tárgy elülső éle által és az FD2 jeladó tengelyének metszéspontja a hátsó él által). Ez a módszer csak állandó mozgási sebesség mellett használható. - Hosszúságmérés időosztás alapján Vizsgáljuk meg a 14,25b. ábrát. Különböző méretű és profilú anyagok egymástól eltérő sebességgel mozoghatnak, így az előbbi módszer szerint jelentős hiba keletkezne. A pontosságot akkor a 3 jelű jeladóval lehet növelni. Az L min méret feletti Δl méret a következő kifejezéssel határozható meg: ábra. Hosszúságmérés száloptikai V l t l l L D módszerrel D D = D, VDl tdl 199

200 ahol: t Δl - a tárgy elülső élének, és az FD1 jeladó tengelyvonalának metszés-pontjai közötti időkülönbség, t ΔL - a tárgy elülső élének, és az FD1 továbbá FD3 jeladó tengelyvonalának metszési időpontjai közötti időkülönbség.ha a ΔL szakaszon a tárgy mozgási sebessége állandó, akkor: t l Dl = DL D. tdl - Hosszmérés száloptika alkalmazásával Ilyen mérési elrendezés látható a sz. ábrán. Ez a módszer az izzításig hevített hengerelt rúd hosszúságának mérésére készült. Az 1 mérendő tárgy képét a 2 objektív a 3 képsíkra vetíti. Itt találhatók a 4 fényvezetők bemenő felületei. A fényvezeték kimenő oldalán helyezkedik el az 5 fényvillamos dekódoló. A fényvezető X függőleges csíkból áll, amelyek mindegyike y szálból tevődik össze. A kimenőoldali szálak közötti távolság rendszerint jóval nagyobb, mint a bemeneti oldalon a szomszédos fényvezetőkből származó zavarok kiküszöbölése miatt. A letapogatást ábra. Hosszúságmérés TV technika alapján egy S alakú forgó mozgást végző fényvezető végzi, amely maga is több szálból áll. A letapogató egyik vége egymás után elhalad az 5 fényvezetők kimeneti felületei előtt, másik vége a forgás középpontjában van. A megvilágított fényvezetők fényét a letapogató fényvezető közelít a forgás középpontjában elhelyezett fényérzékelőhöz. Ha a kép méretaránya 1:1, az a a szál átmérője, a b szálak közötti távolság a bemeneti oldalon, akkor a hoszszúság: L = n (a + b), ahol: n a megvilágított fényvezetők száma egy fordulás alatt. További jelölések, amelyek a főbb műveleti egységekre vonatkoznak: 6-objektív, 7- száloptikai rendszer, 8- szelektor, 9- előerősítő. Minden letapogatási ciklus elején és végén a 10- vezérlőegység, 11- számláló, 12- tároló és a 13- kijelző. Szokásos mérési tartományok 0 1; 0 5 és 0 10µm. - Hosszúságmérés TV technikai eszközökkel Szintén melegen hengerelt áruk hosszmérésére használható. A mérés felépítése a sz. ábrán látható. A kamera a meleg hengersor görgősora felett helyezkedik el. A tárgy helyzetét az FD1, FD2 és FD3 fényvillamos jeladók ellenőrzik. A 1 objektívje a tárgy képét a 6 maszkon keresztül amely vonalkázott- a 2 kameraegység érzékelőjére vetíti. Itt impulzussorozat alakul ki a vonalkázott másik árnyékoló hatásának megfelelően. Ez az impulzusszám arányos a tárgy hosszával. 200

201 További jelölések: 3-szelektor, 4-számláló, 5-végrehajtó szerv. Ez mozdítja el a záró lemezt és a mérés csak akkor kezdődik. Ennek az eljárásnak is csak az elve érvényes Optikai elven működő érzékelők Optikai elven működő inkrementális lineáris útmérnök Az optikai mérés elven működő inkrementális eszközök viszonyítási alapját a periodikus ábra. Inkrementális lineáris útmérő mérőosztásokból álló skála adja, melyet acél vagy üveg hordozófelületen alakítanak ki. Az osztások távolsága határozza meg az eszköz felbontását. A leggyakrabban alkalmazott osztástávolságok egy skálaosztás periódusra vonatkoztatva: 10; 20, 50, 100 mm. (Egy skálaosztás-periódus egy egymást követő, egyforma méretű, világos és sötét sávot jelent.) Attól függően, hogy a hordozóanyag átlátszó vagy sem, két alapvető érzékelési mód alakult ki. Az átlátszó hordozóanyaggal rendelkező skála (üveg) leolvasása az átbocsátott fény érzékelésével, míg az átlátszatlan hordozóanyaggal rendelkező skála (acél) leolvasása a reflektált fény érzékelésével történik ( ábra). A letapogatófej és skála egymáshoz képesti elmozdulásakor a letapogatófejben levő fényérzékelők kimenetén ciklikusan ismétlődő jel keletkezik, amely megközelítően, 201

202 szinuszos, inkrementális jel. Egy skálaosztás-periódusnyi elmozduláshoz a kimenő jel ábra. Lineáris útmérő skálája 360 o -os ciklusa tartozik. A két inkrementális csatorna jele fázisban 90 o -kal el van tolva egymástól. A fázistolás az érzékelők mechanikai elrendezéséből adódik. A mérést szolgáló skálaosztásokon kívül minden skálahordozón külön sávban egy vagy több referenciapontként használható optikai markert is elhelyeznek. A letapogatófej kimenetén referencia jel akkor generálódik, amikor a mérendő egység mozgatásakor a letapogatófej skálahordozón a referenciajelet érzékeli. A letapogatófejben a fényérzékelőből származó szinuszos kimenő jel egy négyszögjel formáló és interpolációs áramkörre kerül. Ez az áramkör felosztja a szinuszperiódust az alkalmazott interpolációs faktor szerint. A gyártók általában 1, 5, 10, 20, 25-ös osztófaktorokat használnak. Az interpolációt egy ellenállás hálózattal valósítják meg, a két fázisban eltolt szinuszos, inkrementális jel vektoriális összegzésével. Az impulzusformáló áramkör az interpoláció utáni jeleket fázisban 90 o -kal eltolt négyszögjelekké alakítja. Az inkrementális lineáris útmérőkben egyre gyakrabban alkalmazzák a távolságkódolt referenciajeleket, melyekkel a referencia felvétel lényegesen rövidebb ideig tart, mert függetlenül attól, hogy a teljes mozgástartományon belül hol történt a bekapcsolás, maximum mm-es elmozdulással (ez a gyártmánytól függő érték) megállapítható, hogy milyen távolságra vagyunk a referenciaponttól. ( ábra) Optikai elven működő növekményes (inkrementális) érzékelők Az ún. növekményes mérési eljárásnál a teljes mérendő utat ill. a teljes mérendő szöget egy számában egyenlő, nagyobb elemi lépésekre bontják fel. Az elemi lépés szélessége jellemző a felbontóképességre. A növekményes hosszmérő rendszer felépítését a ábra mutatja be. Ez a mérővonalzóból és a hozzátartozó letapogatófejből áll. A leta-pogatófej a mérővonalzó felett néhány tizedmilliméter távolságra van felszerelve. A letapogatólap négy letapogatómezőből áll és azokat a letapogatófej tartalmazza. A 202

203 felépítése olyan, mint egy vonalrács, fény-átnemeresztő vonalak és fényáteresztő hézagok összessége, amelyek osztása a mérővonalzó osztásával megegyezik. A mérőfejbe szerelt lámpa fénye ferdén a letapogatólapra esik és a hézagokon át a mérőrúdon lévő négy letapogatómezőre. A fényes mérőrúdrések a fényt visszatükrözik. Ezek a réseken át újra a letapogatólapra esnek és betalálnak a hozzájuk rendelt fotóérzékelőkbe. Ha a mérőléc a letapogatófejhez képest eltolódik, úgy periódikusan ábra. Növekményes hosszmérés elve változik a fotóérzékelőkre érkező fény intenzitása. A fotóérzékelők ismételten egy szinusz jellegű feszültséget szolgáltatnak, amely periódusszáma impulzusformázás után megszámlálható. A négy rácsosztás mindegyike egy negyed rácsperiódussal van eltolva egymáshoz képest. Az ellenütemű jelek antiparallel kapcsolásán keresztül létrejön két 90 o -kal eltolt differencia jel, amelyek egyen összetevője kompenzált. Ezek az egymáshoz képest 90 o - kal előtte vagy utána vannak jelen. Egy irány megkülönböztetővel lehet ezért a számlálás irányát az utána kapcsolt előre- és visszaszámlálókkal meghatározni. Az optikai letapogatású növekményes hosszmérő vonalzók mellett találhatók növekményes szögmérőlécek is optikai, mágneses vagy induktív letapogatással. Az elérhető felbontóképességre jellemző adat egy szögpercen belüli Abszolút optikai lineáris útmérők Az abszolút lineáris útmérők optikai, lézeres, mágneses, induktív, potenciométeres stb. érzékelők lehetnek. Mivel kimenetükön bekapcsoláskor és mozgás közben is folyamatosan a tényleges pozíciónak megfelelő adat jelenik meg, az ilyen méréseknél nem szükséges az inkrementális mérőrendszereknél elengedhetetlen referencia (home) pozíció rögzítése, mely kalibrálja az útmérőt, és továbbiakban minden elmozduláshoz referenciaként szolgál. Az abszolút optikai lineáris útmérők egy üvegskálát tartalmaznak, melynek hossztengelyével párhuzamosan több, világos (átlátszó) és sötét osztással ellátott sávot helyeznek el. A párhuzamos sávok osztásai különböznek, méghozzá úgy, hogy a célszerűen elhelyezett fotóelektromos érzékelőkkel a teljes mérési hosszon bármely pozíció azonosítható legyen. Az egyik megoldásban például az alkalmazott 7 sávot, sávonként négymezős eljárással, fotocellával tapogatják le ( ábra). A négymezős eljárásban a fényforrás fényét egy lencsével párhuzamosítják, majd a sávonként négyablakos letapogató maszkon keresztül engedik a skálára. A négy ablak egymáshoz képest el van tolva egynegyed osztásnyi 203

204 távolsággal. A maszkon és az osztott üvegskála osztásain áthaladó fény a skála túloldalán elhelyezett fotóelektromos érzékelőkre kerül ábra Abszolút lineáris útmérő elve Az érzékelőfej elmozdulásakor a sávon ként elhelyezett fotóelektromos érzékelőkben négy, egymáshoz képest 90 o -kal eltolt szinuszos jel keletkezik (10 o, 190 o, stb.). Ezek nem szimmetrikusak a nullavonalra, ezért az érzékelők kimenetét két push-pull áramkörbe kötik, melyek kimenetén két 90 o -kal fázisban eltolt, a nullavonalra szimmetrikus jel keletkezik. Az így előállított szinuszos kimenő jelekből egy kiértékelő áramkör állítja elő az útmérő abszolút pozíciójelét. Az abszolút optikai lineáris útmérők mechanikai kivitele az inkrementális útmérőkéhez nagyon hasonló. Az üvegskálából és a tokozott kivitelből adódóan az optikai lineáris útmérők hossza korlátozott, általában nem haladja meg a 3 m-t Magnetostriktív lineáris útmérők A magnetostrikció a ferromágneses anyagokra (pl. vas, nikkel, kobalt) jellemző tulajdonság. Ezek az anyagok a bennük lévő mágneses részecskék kölcsönhatása következtében mágneses mezőbe helyezve megváltoztatják méretüket és/vagy alakjukat. Ennek magyarázata az, hogy az anyagot sok egyenként sok atomból álló parányi állandó mágneses részecske (domén) alkotja. A mágnesezetlen anyag doménjei véletlenszerűen, rendezetlenül helyezkednek el. Az anyagot mágneses térbe helyezve a domének a mágneses tengely irányába fordulnak, megközelítőleg egymással párhuzamosan, ami az anyag makroszkopikus alak- vagy méretváltozását okozza. Ezt nevezzük magnetostrikciós hatásnak. A pozitív magnetostrikciójú anyagok mérete külső mágneses tér hatására növekszik, a negatív magnetostrikciójú anyagoknál viszont összehúzódást eredményez. Ezt a hatást optimalizálni lehet a domének vezérelt 204

205 rendezésével (pl. ötvözéssel, hőkezeléssel, hidegalakítással) és a mágneses mező erősségével. A jelenség fordítottja, a felfedezőjéről Villari-hatásnak nevezett jelenség is létezik, vagyis ha a magnetostrikciós anyagot külső erőhatás éri, megváltozik az anyag mágneses tulajdonsága. A magnetostriktív tulajdonságú anyagokból készült huzalok másik fontos jellemzője a Wiedeman-hatás. Ha egy magnetostriktív huzalra kívülről tengelyirányú mágneses mező hat, és áramot vezetünk a huzalon keresztül, a tengelyirányú mágneses mező helyén egy mechanikai torzulás (csavarodás) jön létre a huzalban, melyet a külső mágneses mező és az áram által a huzal körül keltett mágneses mező kölcsönhatása hozza létre. Ha az áram impulzusszerű (1..2 ms), és a külső, tengelyirányú mágneses mező egy állandó mágnestől származik, akkor a mechanikai csavarodás hullámszerűen, kb. (a fémben mérhető) hangsebességgel végigfut a huzalon. Ezért ezt hullámvezető huzalnak nevezik Lézeres abszolút út- és távolságmérők Az érintésmentes abszolút út- és távolságmérés igénye már régen felmerült, és az igény kiszolgálására sok különböző mérési elven alapuló megoldást dolgoztak ki. E megoldások közül kiemelkedik a lézeres távolságmérés széles mérési távolságtartománya és nagy mérési pontossága miatt. A lézeres távolságmérésben is többféle mérési metódus áll rendelkezésre. Természetesen ezek nem teljesen egyenértékűek, ezért mindig az alkalmazásnak megfelelően kell választani. A leggyakrabban alkalmazott mérési módok az alábbiak: Visszaverődési idő mérése Háromszögeléses mérés Visszaverődési idő mérése A szenzorból kibocsátott lézersugárnak időre van szüksége a mérendő tárgy eléréséig és vissza a szenzorhoz. A tárgy és a szenzor közötti távolsággal arányos a terjedési idő, melyet megmérve a mérés és a távolság átszámítás pontosságától függő felbontással a tárgy távolsága kiszámítható. Mivel néhány deciméternyi távolságot a fény néhány ns alatt fut be, a kiértékelő elektronikának igen gyorsnak kell lennie. A mm-es és ennél rövidebb távolságokra ez a mérési módszer már gazdaságosan nem alkalmazható, mivel néhányszor tíz ps időt kellene nagy felbontással mérni. Az ehhez szükséges rendkívül költséges elektronika ráfordítása nem áll arányban az elérhető eredménnyel. Néhányszor 10 méternél nagyobb távolságok mérésénél más problémákkal kell megküzdeni. Nagyobb fényteljesítmény szükséges, a fókuszálás miatt lencserendszert kell alkalmazni, a mérendő tárgyra reflektáló tükröt kell felszerelni, érzékenyebb fotóérzékelőt kell alkalmazni, továbbá a szabadon terjedő fényű lézereszközök körültekintő használata a látássérülés veszélye miatt különösen indokolt. A fentiekből következik, hogy visszaverődési idő mérésével >1 m <500 m tartományban mérő, <1 mm felbontású eszközök készíthetők gazdaságosan. 205

206 Háromszögeléses mérés A 10 m-nél kisebb távolságok mérésénél leggyakrabban használt mérési metódus a háromszögelési elvet használja ( ábra). Egy lézerforrás fénysugarat bocsát ki, amely a mérendő tárgyba ütközve, szétszóródva verődik vissza. Ennek egy része a szenzor érzékelőjére esik. Az érzékelő pozíció - érzékeny (PSD Position Sensitive Detector), CCD szenzor, fotodióda-mátrix stb. Az érzékelő nagy térbeli felbontással rendelkezik és nagy mintavételi frekvenciával (néhány MHz) van letapogatva. A szenzortárgy távolságot trigonometrikus számítással határozzák meg 0,5 %-nál jobb pontossággal. A mérési idő kevesebb, mint ábra. Háromszögelésen alapuló mérés ms, ami mozgó, rezgő tárgyak mérését is lehetővé teszi. A fényforrásnak intenzív, mi-nimális szóródású, kis fénypontú fényt kell szolgáltatnia. A fényforrás intenzitás-modulált a szórt háttérfények hatásának kiküszöbölésére. A fenti kívánalmaknak leginkább a látható és közeli infravörös tartományban működő félvezető lézerek felelnek meg, ezért leg-gyakrabban ezeket használják a háromszögeléses szenzorokban. Az egy érzékelővel rendelkező szenzorokban a mérendő tárgy felületén lévő egyenetlenségek pontatlanságot okozhatnak, ennek elkerülésére a pontosabb eszközökben két szenzort használnak. A fény a C szinten levő tárgytól a lencséken keresztül fókuszálva visszaverődik az érzékelők A és B pontjára. Ha a tárgy a C, vagy C szinten van, a visszavert, fókuszált fény az érzékelők A, B, illetve A, B pontjaira érkezik. A két érzékelő által szolgáltatott amplitúdók összege arányos az energiával, ezáltal a lézer teljesítményét automatikusan szabályozni kell, amely gondoskodik arról, hogy mindig elégséges fényteljesítmény kerüljön az érzékelőkre. Ezzel a technikával a teljes méréstartományra vonatkoztatva 0,01 %-os felbontás érhető el. A módszerrel szabálytalan vagy majdnem átlátszó felületek távolsága is mérhető. Az eszköz teljesítőképessége tovább fokozható egy speciális optikával és egy további érzékelővel. A speciálisoptika a visszavert fényt fénygyűrűvé transzformálja, amit egy úgynevezett kiegyenlítő PSD-szenzor érzékel. A fénygyűrű pozíciója a tárgy távolságától függően változik. Ezzel a módszerrel kiküszöbölhetők azok a hibák, melyek a lépcsős felszínű, barázdált vagy más felületi rendellenességgel rendelkező tárgyak mérésénél keletkeznek. Ez a módszer a szín és felületi fényesség változásából adódó hibákat is kiküszöböli, így erősen fénylő, reflektáló felületek távolsága is mérhető. Gyorsan 206

207 mozgó, rezgő tárgyak méréséhez impulzusvezérelt lézer diódákat használnak fényforrásként. A háromszögeléses elven mérő lézeres távolságmérők alkalmazási területe igen széles. Néhány példa az alkalmazási területekből: termelési folyamatok ellenőrzése, minőségellenőrzés, robotkar pozicionálás, F1 autók felfüggesztés szabályozása stb Lézeres interferométer Nagyobb pontosság és nagyobb felbontás érhető el a lézeres interferométerrel, mint a növekményes rácsos mérővonalzókkal. Ezt az elvet már Michelson leírta. Az interferométer működési elvét a ábra ismerteti. Egy lézer által előállított monochrom fény egy féligáteresztő tükrön keresztül a mérősugárra és az összehasonlító sugárra (A) válik szét. A mérősugár egy derékszögű fényvisszaverőre esik, ennek a távolságát kell megmérni. Az összehasonlító sugár a rögzítetten elhelyezett fényvisszaverőn át a féligáteresztő tükör B pontjára verődik vissza. Ott a visszavert sugárnak és a mérősugárnak az egymásra történő szuperponálásával inter-ferenciasáv képződik és ezt a C és D fotódetektorokkal analizálják. A l/4 távolságváltozásnál a ábra. Lézeres interferométer fényerősség a maximális értéktől a minimális értékig változik. A mérőfényt visszaverő reflektor mozgása a fotódetektorban szinusz jellegű jelet állít elő, amelynek periódusszáma a jelalak impulzusformálása után egy elektronikus számlálóval kimutatható. A lézeres interferométer pontossága csak az egyszínű fény hullámhosszának pontosságától függ. Ez a hullámhossz függ a környezeti feltételektől. A mérőfényt visszaverő reflektor d távolságváltoztatása függ a l o hullámhossztól. Normál állapotban az interferenciasávok N száma között a következő összefüggés áll fenn: 2d = l o. N. (1+K). A K korrekciós tényező a fennálló nyomásra, hőmérséklete és relatív páratartalomra valótekintettel a következők szerint számítható: K = k p (p-p o ) + k T (T-T o ) + k f (f-f o ). A k p, k T és k f a p nyomás, a T hőmérséklet és az f relatív páratartalom korrekciós értékei. A 0-val jelölt mennyiségek a normál állapotot jellemzik. 207

208 A korrekciós tényezők: k p = 0, /hpa, k T = 0, /K, k f = 3, Az érzékelőkkel történő pontos méréseknél tehát az uralkodó környezeti feltételeket meg kell határozni és figyelembe kell venni Kapacitív elmozdulásmérő Akkor alkalmazzuk, ha gyors távolságváltozásokat kell mérni úgy, hogy a mérendő tárgyra nem szabad erőt kifejteni. Vagy a rendkívül kényes felületet nem szabad megérinteni, vagy az érzékelő hosszú é- lettartama, kopásmentessége a követelmény. Az ilyen esetekben a mérési feladatok igényes megoldásához az örvényáramos, kapacitív, a lézeres-háromszögeléses vagy az optikai konfokális mérési elvek és módszerek kerülnek egyre gyakrabban felhasználásra. A kapacitív érzékelő pontos és megbízható. Az elmozdulásmérők gyakran a méretellenőrző komplett rendszerek pontosságát leginkább meghatározó részegységek. Ez rendkívül magas követelményeket támaszt az elmozdulásmérő ábra. Kapacitív útmérő elve teljesítőképességével és megbízhatóságával szemben. Fontos jellem-zők a pontosság, a hőmérséklet-stabilitás, a felbontás és határfrekvencia. A kapacitív elmozdulásmérők mára elért fejlesztési és gyártási színvonala a legkiválóbb mérési pontosságot és megbízhatóságot nyújtja. A kapacitív elmozdulásmérés ( ábra) az ideális lemezkondenzátorok alapelvét hasznosítja. A kondenzátorlemezek távolságának megváltozása módosítja a kapacitást. A mérőrendszer két mérőelektródáját az érzékelő és mérendő tárgy képezi. Ha állandófrekvenciájú váltakozó áram folyik át az érzékelő kondenzátoron, akkor az érzékelő váltakozó feszültségének amplitúdója a mérendő tárgy (testelektróda) távolságával arányos. Az érzékelő elektronika a váltakozófeszültségjelet precíziós egyenirányítás után analóg jelként továbbítja. A lemezkondenzátor reaktanciájának speciális méretezésével járulékos linearizálás nélkül is rendkívül jó arányos összefüggés érhető el. A szenzorokat a gyakorlatban védőgyűrűs kondenzátorként alakítják ki, amelynek közel ideális a linearitása. Ez a vezetőképességtől függetlenül minden fém anyagú mérendő tárgyra 208

209 érvényes. Félvezető anyagú mérendő tárgyaknál a fémekhez képest igen csekély vezetőképesség miatt a mérési elv kedvezőtlenebbül érvé-nyesül, mivel ezekben a tárgyakban nincs lehetőség a szükséges mennyiségű töltés elmozdulására. Ilyen esetekben az segíthet, ha a mérendő tárgy vezetőképességét mesterségesen megnöveljük, ami például a mérési hely megfelelő megvilágításával érhető el. Ez a fotonvezetésként ismert hatás a céltárgy villamos vezetőképességét akár több nagyságrenddel is megnövelheti, lehetővé téve, ezáltal kapacitív érzékelő alkalmazását. A kapacitív érzékelőknek az alábbi előnyei vannak: A mérés fém anyagú céltárgyak esetén anyagfüggetlen, azaz az érzékenység, a linearitás és a hőmérséklet-stabilitás minden fémre azonos. A mérendő tárgy vezetőképességének hőmérsékletfüggése nem okoz mérési hibát. Ez rendkívül előnyös a hőmérsékelt-stabilitás szempontjából. A hosszú időn keresztül állandó jellemzők miatt ritkán van szükség kalibrálásra Konfokális távolságmérés A mérőrendszer a polikromatikus (fehér) fénnyel működő konfokális mérési elvre épül ( ábra). A fehér fényt egy többlencsés optika a mérendő céltárgy felületére fókuszálja. A lencsék úgy vannak elrendezve, hogy a fehér fény a színbontás következtében a távolságtól függő hullámhosszúságú színekre bomlik. A gyári kalibrálásnál minden hullámhosszt egy meghatározott távolsághoz rendelnek hozzá. A mérőrendszer mindig azt a fényhullámhosszt ismeri fel, amelyik éppen a mérési pontra fókuszál. Az ebből a pontból visszaverődő fény az optikai elrendezésen keresztül egy fényérzékelő elemre vetül, amely a hozzá tartozó spektrálszínt felismeri és a távolsággal azonosítja. Mivel a fényforrás halogénlámpa, így rá nem vonatkoznak a lézerfény védelmi rendelkezések, és a felhasználónak nem kell a lézerosztályoknak megfelelő védekezési eljárásokat kidolgoznia. A különböző anyagfelületeknek nincs negatív hatása a mérési pontosságra. A parányi mérőfolt révén a legjobb felbontás érhető el minden tengelyirányban. A mérőpont átmérője ábra. Konfokális távolságmérés elve változó mérési távolságok esetén is állandó marad. A z-tengely mentén (a mérés irányában) a távolságváltozások egészen 3 nm-ig felbonthatók. Ennek révén a mérőrendszer különösen jól megfelel felületek háromdimenziós méréséhez. A fénysugár 209

210 egy-séges és koncentrikus. Ezáltal a mérés furatokban is lehetővé válik, mivel a konfokális mérési elrendezésnél nem jelentkezik a háromszögeléses érzékelők árnyékproblémája. A gyors 1000 Hz-es mérési sebesség révén a mérőrendszer dinamikus mérési feladatokra is alkalmazható. Az akár tükröződő, akár átlátszó felületek távolságának megmérésén kívül lehetőség van egy oldalról történő vastagság-mérésre átlátszó fóliák, lapok vagy rétegek esetében csupán egyetlen érzékelővel. Ilyen esetben a fókuszpontok visszaverődése mind a fölső rétegről, mind a hátsó rétegről kiértékelésre kerül. További széles felhasználási területek a legkülönbözőbb anyagokból készült céltárgyak háromdimenziós felületletapogatása Mágneses abszolút útmérők Mechanikai kialakítás szempontjából különböző kivitelű, mágneses érzékelésen alapuló, abszolút lineáris útmérőkkel találkozhatunk. Ezek közül az egyik legegyszerűbb felépítésű típus egy rögzített mágnesszalagból és egy mozgó leolvasófejből áll ( ábra). A mágnesszalagot egy m széles, hordozó fémszalag és az arra felvitt ábra. Felmágnesezett mágnesszalag mágnesezhető réteg alkotja. Ez utóbbit a szalag hosszanti irányában két sávra osztják, majd a sávokat adott távolságonként felmágnesezik. Az egyik sáv inkrementális információt hordoz, a másik pedig az abszolút helykódot tartalmazza, általában egyfajta Gray-kódban ( ábra). A szalag felett sávonként egy-egy viszonylag összetett olvasófej mozog, amely a mágneses érzékelőkön kívül rendszerint az érzékelők jelének értékelését végző elektronikát, valamint az illesztő áramköröket is tartalmazza. Az abszolút kódsáv ábra. Lineáris potenciométeres útmérő 210

211 olvasófejének felépítése olyan, hogy bármely pozícióban képes egy teljes abszolút pozíciókódot átfogni, és azt mozgás nélkül beolvasni. A finom felbontású, inkrementális sávról leolvasott periodikus mágneses mintázat pedig további interpoláció alapjául szolgál. Ennek következtében a rendszer, bekapcsolása után azonnal, a fej abszolút pozíciójának pillanatnyi értékét adja Lineáris potenciométeres abszolút útmérők A lineáris potenciométeres abszolút útmérő ( ábra) egy olyan szenzor, amely a mozgó rész abszolút pozíciójával arányos ellenállásértéket állít elő. Ha a lineáris potenciométert szenzornak tekintjük, akkor rendszerint nem egyszerű változtatható ellenállásként, hanem feszültségosztóként szokás használni. Egy potenciométeres, lineáris útmérő az alábbi fő részekből áll: megfelelő méretre szabott (általában műanyag vagy extrudált alumínium) tokozat ellenálláspálya, melynek anyaga általában egy hordozóra felvitt, vastagrétegvezető műanyag, vagy kerámiahordozóra tekercselt ellenálláshuzal speciális fémötvözetből kialakított csúszka rozsdamentes működtető tengely, mely lehet tengelyirányú rúd, vagy tengelyirányra merőleges mozgó kar a működtető tengely csapágyazása, az elektromos csatlakozáshoz szolgáló kivezetések Micropulse lineáris útadók Micropulse lineáris útadók A Micropulse lineáris útadók felépítését a ábrán követhetjük. Az érzékelő fontos 211

212 eleme a w -vel jelölt hullámvezető. Ez egy speciális anyagból speciális technológiával készült cső, amely magnetostrikciós tulajdonsággal rendelkezik. A hullámvezetőn hoszszanti irányban áthalad az I -vel jelölt belső vezető, amely egy megfelelően megválasztott litze. A rajzon ábra. Micropulse lineáris útadó rézvezeték megnevezéssel impulzusábrája jelöltük. A belső vezető távoli végéhez az R -rel jelölt ún. visszavezető kapcso-lódik. A hullámvezető egyik végén a felvevőtekercs (L), a másik végén a nyelőzóna (D) található. A hullámvezető közelében a mérendő távolságnak megfelelően egy mágnes (M) helyezkedik el, amely már nem része az érzékelőnek. Az érzékelő belső vezetője és visszavezetője alkotta hurokra egy feszültségimpulzust kapcsolunk. E feszültségimpulzust egyben START jelnek tekintjük a kiértékelés számára. Ezen impulzus hatására a vezetőben áram indul meg. Az áram mágneses teret hoz létre a hullámvezetőben. Az áram által gerjesztett mágneses tér kölcsönhatásba lép a pozicionáló mágnes terével, s ahol a két tér találkozik, deformálódik a hullámvezető, és egy mechanikai hullám indul el a hullámvezető végpontjai felé. A mechanikai hullám longitudinális és torziós komponenseket tartalmaz, amelyek a saját terjedési sebességükkel haladnak. A felvevőtekercs felé tartó hullám a felvevőtekercsben feszültséget indukál, a nyelőzóna felé tartó hullám pedig magától értetődően elnyelődik. A tekercsben indukált feszültséget a kiértékelő elektronika (E) dolgozza fel, és létrehozza az ún. STOP jelet. A START impulzus generálásának pillanata azonosnak vehető a mechanikai hullám létrejöttének pillanatával, s a hullám ettől a pillanattól kezdve fut a kiértékelő tekercs felé, amelynek indukált feszültségéből a STOP impulzust létrehozzuk. A hullám a két impulzus (megfelelő élei) között eltelt idő alatt teszi meg a kiértékelő tekercs és a mágnes közötti távot. Ez számunkra azt jelenti, hogy az idő mérésével a hullámsebesség ismeretében a mágnes pozíciója meghatározható ( ábra. Örvényáramú lineáris útadó ábra). A hullámsebesség a jelenleg alkalma-zott hullámveze-tőnél m/s. Természetesen 212

213 ahhoz, hogy adott pontossággal tud-junk pozicionálni, ismernünk kell a hullámsebesség pontos értékét. Ez minden egyes érzékelőnél megmérik, és/vagy feltüntetik annak házán, vagy az érzékelő már az ezzel korrigált távolságot szolgáltatja Örvényáramú lineáris útadók Ha egy elektronikus vezetőképes sík vagy meghajlított lemez (például alumíniumból vagy rézből) közeledik egy nagyfrekvenciás váltóárammal táplált (legtöbbször légmagas) tekercshez, akkor ez befolyásolja saját hatásos ellenállását és az induktivitását. Ennek oka a növekvő csillapítólemezben mágneses csatolás által kialakuló örvényáramok. A fojtólemez helyzete a mérőutat, s-et képviseli ( ábra). Jóllehet, az elv már khz tartományban jól használható, javasolt inkább magasabb üzemi frekvencia MHz tartományban alkalmazni a gyorsabb mozgások regisztrálására. Jól használható nagyobb távolságok mérésére Rövidzárgyűrűs lineáris útadók Az örvényáram érzékelőkkel szemben a rövidzárlat érzékelő tekercse mindig lágymágneses, legtöbbször egyenes vagy görbített, U vagy E alakú lemezelt maggal készül ( ábra). A mozgó rövidzár jól vezető anyagból, mint például rézből vagy alumíniumból készül, ami mozgatva egy vagy az összes magra hatást gyakorol. A vasmag miatt az ilyen érzékelők sokkal nagyobb induktivitással bírnak, mint az örvényáramú érzékelők, így ezek alacsonyabb frekvencia esetén is jól alkalmazhatók. A vasmagban és vasmag körül a tekercsáram (I) által termelt váltakozó tér nem tud a rövidzáron átlépni, mivel a rövidzár örvényárama által gyakorlatilag 0-ra kompenzálódik. A rövidzár örvényáramai tehát korlátozzák a mágneses hatás kiterjedését a tekercs és a rövidzárlat közti térre. A rövidzárlat helyzete így széles területen majdnem lineárisan befolyásolja az induktivitást. Továbbá az érzékelő teljes építési hossza használható a méréshez. A rövidzárlat mozgatható mérete nagyon kicsi. A szár távolságának kialakítása befolyásolja a jelleggörbe alakulását. Anyagonként és ábra. Rövidzárgyűrűs érzékelő építési formánként a működtetés legtöbbször 5 50 khz között történik Mágneses abszolút útmérők 213

214 A mágneses érzékelés viszonylag egyszerű és olcsó módon teszi lehetővé az állórészhez képest mozgó részek elmozdulásának érintkezésmentes mérését. Mechanikai kialakítás szempontjából különböző kivitelű, mágneses érzékelésen alapuló, abszolút lineáris útmérőkkel találkozhatunk. Ezek közül az egyik legegyszerűbb felépítésű típus egy rögzített mágnesszalagból és egy mozgó leolvasófejből áll ( ábra). A mágnesszalagot egy m széles, hordozó fémszalag és az arra felvitt mágnesezhető réteg alkotja. Ez utóbbit a szalag hosszanti irányában két sávra osztják, majd a sávokat adott távolságonként felmágnesezik. Az egyik sáv inkrementális információt hordoz, a másik pedig az abszolút helykódot tartalmazza, általában egyfajta Gray-kódban. A szalag felett sávonként egy-egy viszonylag összetett olvasófej mozog, amely a mágneses érzékelőkön kívül rendszerint az érzékelők jelének értékelését végző elektronikát, valamint az illesztő áramköröket is tartalmazza. Az abszolút kódsáv olvasófejének felépítése olyan, hogy bármely pozícióban képes egy teljes abszolút pozíciókódot átfogni, és azt mozgás nélkül beolvasni. A finom felbontású, inkrementális sávról leolvasott periódikus mágneses mintázat pedig további interpoláció alapjául szolgál. Ennek következtében a rendszer, bekapcsolása után azonnal, a fej abszolút pozíciójának pillanatnyi értékét adja vissza, amelyet SSI-soros interfészen jelenít meg. A mágnesszalag és az olvasófej közötti távolság állandóságát (bizonyos határok között) a mozgás során fenn kell tartani. Ez a távolság az érzékenység és a felbontás függvénye, és 0,2 5 mm közötti tartományba esik. A mágnesszalagos abszolút lineáris útmérők legfontosabb jellemzői az érintkezőmentes mérés és nagy mérési hossz Forgó jeladók Inkrementális forgó jeladók Optikai inkrementális forgó jeladók ábra. Mágnesszalagos lineáris útmérő A ábrán egy optikai érzékelés elvén működő, inkrementális forgó jeladó ábra. Optikai inkrementális forgójeladó elve 214

215 vázlatos belső felépítése látható. A fényforrás (pl. LED) által folyamatosan kibocsátott fény áthalad egy üvegtárcsa sugárirányban elhelyezett vonalai közötti, átlátszó résen, és a tárcsa ellentétes oldalán egy fényérzékeny eszköz (pl. fototranzisztor) érzékeli a tárcsán átjutó fényt. A tárcsa forgása modulálja a ábra. Tárcsa elfordulásakor létrejövő fénysugarat, melynek impulzussorozat intenzitását a fényérzékeny eszköz érzékeli. A fényérzékeny eszköz kimenetén keletkező jelet a következő jelformáló és erősítő fokozat négyszögjellé alakítja. A tárcsa egy tengelyhez van rögzítve, melynek az elfordulását tudjuk érzékelni. A tárcsa elfordulásakor keletkező négyszög alakú jelsorozat ( ábra) frekvenciája a tárcsa forgási sebességétől és a tárcsán elhelyezett osztások számától függ. Az első, a kezdeti forgó jeladókban vékony fémtárcsákat használtak, melyeken furatokat helyeztek el a kerület mentén, és ezeket a furatokat érzékelték először mechanikusan, majd később optikai úton. Belátható, hogy az ilyen módon létrehozott eszközökben az egy körülforduláshoz tartozó osztások száma nem lehetett nagy, és az osztások számát csak a tárcsa átmérőjének növe-lésével lehetett növelni. Az igény a nagyobb osztás számára és a méretek csökkenésére hozta létre a fototechnikai vagy kémiai eljárásokkal kezelt (maratott) üveg-tárcsát. Manapság a tipikus üvegtárcsás forgó jeladók tárcsáján osztás található, ami megfelel 3,6 o 0,036 o -os osztásnak. Egy inkrementális forgó jeladó, amely csak ábra. 3 csatornás inkrementális jeladó impulzusábrái egyetlen impulzuscsatornával rendelkezik, elég korlátozottan használható, mivel csak a jeladó tengelyének forgási sebességét tudja érzékelni. A legtöbb inkrementális forgó jeladó több csatornával rendelkezik, mivel sok esetben a forgás sebességén kívül a forgás irányát is szük-séges meghatározni. A ábrán látható az általánosan elterjedt A, B, és C csatornával rendelkező inkrementális forgó jeladó kimeneti jele. Az A és B csatornák jelei egymáshoz képest 90 o -os fáziseltolással rendelkeznek, aminek következtében meghatározható, hogy ábra. Kimenő jel és inverze 215

216 milyen irányban forog a tárcsa. A C csatorna jele teljes körülfordulásonként csak egyszer jelentkezik, ezáltal pl. számolni lehet a teljes körülfordulások számát. A forgójeladókat leggyakrabban zajos ipari környezetben használják fel, ezért fontos, hogy a forgójeladó kimenő jelei a megbízható jelfeldolgozás érdekében zavarvédettek legyenek. Ezt a zavarvédelmet különböző áramköri megoldásokkal lehet biztosítani. A leggyakrabban alkalmazott megoldásban a kimenő jelek inverzét is előállítják ( ábra). Az ilyen módon kialakított kimenő jelek zavarvédettsége nagy. Mivel az inkrementális forgójeladók men-tén csak impulzussorozat jelenik meg, szükség van egy referencia (Home)-pozíció rögzítésére, mely mintegy kalibrálja a jeladót és a továbbiakban minden elmozduláshoz referenciaként szolgál. A referenciapozíciót általában egy kapcsolójel, valamint a C csatorna jelének (referenciajel) együttes jelenléte adja. A kapcsolójelet mechanikus vagy érintés nélküli kapcsoló szolgáltatja. A mechanikai felépítés vázlatos rajzán ( ábra) az A, /A, B, /B, és C, /C csatorna van ábrázolva. Minden csatorna fizikai kialakítása pontosan megegyezik, csak olyan mechanikai eltolással elhelyezve, amely rögzíti a csatornák jelei közötti 90 o -os eltolást. Ezzel a megoldással egy tárcsaosztás-sorral lehetővé válik több csatornajel létrehozása. A C csatorna számára egy különálló osztás van a tárcsán elhelyezve. A forgójeladó pontossága, vagyis a jeladót jellemző mérési egység egy mechanikus körülfordulás (360 o mechanikus) és a tárcsaosztások által képzett elektromos jel egy periódusának (360 o elektromos) viszonyából számítható ki. 360 o (elektromos) = 360 o (mechaniku s). a tárcsaosztások száma Vagyis egy kimenőjel-növekmény (inkrement) fizikai értéke a tárcsán elhelyezett osztások számától függ Inkrementális forgójeladó 216

217 Minél nagyobb az osztásszám, annál kisebb az egy növekményhez tartozó elfordulási szög, tehát pontosabb a mérés. A fázisban eltolt csatornák pontossága sok tényezőtől függ (csapágyazás, excentricitás, a tárcsa pontossága, a fényforrások és érzékelők elhelyezésének pontossága, az elektronika szórása stb.), ezért az elméleti 90 o -os értékhez képest eltérhetnek, de ez az eltérés nem haladhatja meg a ±15 o -ot. Nagy pontosságú eszközöknél ez az érték nem nagyobb, mint ±2 o Mágneses, inkrementális jeladók Mivel az optikai eszközök bizonyos környezeti feltételek mellett (por, ütés, rázkódás, magas páratartalom kondenzvíz lecsapódás, magas hőmérséklet stb.) korlátozottan, vagy egyáltalán nem alkalmazhatók, olyan eszközöket kellett kifejleszteni, melyek hasonló kimenő paraméterekkel rendelkeznek, de a környezettel szembeni tűrőképességük lényegesen magasabb. Ezt a cél szolgálják az egyre jobban elterjedő, mágneses elven működő forgójeladók. A mágneses elven működő inkrementális forgójeladókban is a tengelyhez rögzített tárcsa elfordulását érzékelik. Általában két metódus közül választanak: vagy a forgótárcsa peremén elhelyezett, mágnesezhető gyűrű sűrű osztásokban felmágnesezik, és a pólusok (É-D) szenzor előtti elmozdulásából adódó mágneses tér változást érzékelik, vagy egy fixen elhelyezett, állandó mágnes által létrehozott mágneses mezőben keletkező változást érzékelik, amely változást egy sűrű fogazású acéltárcsa (fogazott kerék) fogainak elfordulása okozza. A mágneses mező változása az érzékelőkben szinuszos jelet generál, amelyből egy speciális áramkör segítségével nagy felbontású, négyszög alakú jelet állítanak elő. A mágneses érzékelők fizikai elrendezése hasonlóképpen az optikai eszközökéhez biztosítja a fázisban 90 o -kal eltolt kimenő csatornákat. A mágneses mező változásának érzékelése leggyakrabban Hall-elemes vagy magnetorezisztív szenzorokkal történik Magnetorezisztiv inkrementális forgójeladó A magnetorezisztív szenzorok a ferromágneses anyagoknak azt a tulajdonságát használják ki, hogy ezeknek az anyagoknak mágneses tér hatására megváltozik az ellenállásuk. Az ellenállás nagyságát az áram és a mágneses erővonalak iránya között bezárt szög határozza meg. Legnagyobb az ellenállás, ha az áram és a mágneses tér iránya párhuzamos egymással. Az áram irányára merőleges mágneses tér eredményezi a legkisebb ellenállást. Mivel az ellenállás-változás nem lineáris a mágneses tér változásával, a szenzorok kialakításakor különböző eljárásokkal kompenzálják a linearitási hibát. Különösen jó magnetorezisztív tulajdonsággal rendelkezik a permalloy (20 % Ni, 80 % Fe), ezért a szenzorokat ebből az anyagból készítik. A sokféle mechanikus felépítés közül az egyik leggyakrabban alkalmazott megoldásban a forgójeladó tengelyéhez rögzített, ferromágneses anyagból készített 217

218 fogaskerék fogai által okozott változást érzékelik egy állandó mágnes által keltett mágneses térben. A mágneses tér változása a meghatározott mechanikai elrendezésben lévő magnetorezisztív érzékelőkben két fázisban 90 o -kal eltolt szinuszos kimenő jelet hoz létre. A szinuszos kimenő jeleket erősítés után vagy az illesztő áramkörökön keresztül kivezetik, vagy a jeladóba beépített elektronikával feldolgozzák (tovább bontják) és a feldolgozott jeleket vezetik ki a megfelelő illesztő áramkörökön keresztül. A kimeneti illesztő áramkörök megegyeznek az optikai forgójeladókban használt áramkörökkel. A magnetorezisztív elven működő inkrementális forgójeladók felbontás a precíziós szereléssel és speciális, nagy felbontású interpolációs áramkörökkel igen nagy lehet ( osztás / körülfordulás). Ezeknek az eszközöknek az ára igen magas, míg az egyszerűbb kivitelű, kisebb felbontású változatok ára a hasonló optikai forgójeladókéval megegyező Abszolút forgójeladók Az inkrementális forgójeladók legnagyobb hátránya, hogy az elmozdulás nagyságát, vagy pozíció meghatározását szolgáló kimenő impulzusokat egy külső számlálóval kell számolni és tárolni. Ha a tápfeszültség megszűnik, a számlálás eredménye elvész. Ez azt jelenti például, hogy egy inkrementális jeladóval felszerelt gépnél a műszak végi kikapcsolás után, vagy javításkori, karbantartáskori kikapcsolás után a tápfeszültség visszakapcsolásakor nem lehet tudni a gép pontos pozícióját. A mozgó géprészen el kell helyezni egy úgynevezett referenciapont (Home) kapcsolót és minden tápfeszültség bekapcsolás után erre a kitüntetett pozícióra (referenciapontra) kell mozgatni a gépet. A kitüntetett pozícióban nullázni kell a számlálót (vagy egy ismert értékkel feltölteni) és a rendszer csak ettől kezdve képes az itt felvett pozícióhoz viszonyítani a mozgást. Több tengelyes gépnél ezt a műveletet minden tengelyen meg kell ismételni. Az abszolút forgójeladókat a fenti probléma kiküszöbölésére hozták létre. Az abszolút jeladókat úgy tervezték, hogy minden pillanatban kiolvasható legyen az aktuális pozíció. Működési elvük sokféle lehet: mechanikus, optikai, mágneses, indukciós (rezolver), potenciométeres, stb Optikai abszolút forgójeladók Az ipari alkalmazásokban a legelterjedtebb az optikai elven működő abszolút forgójeladó. A működés alapelve megegyezik az inkrementális eszköznél már megismert sötét és világos szegmensek optikai érzékelésével, csak az érzékelők száma és elrendezése más ( ábra). A forgó üvegtárcsa koncentrikus gyűrűkre van felosztva. Az egyes koncentrikus gyűrűk felváltva tartalmaznak világos és sötét szegmenseket változó hosszal. A tárcsa szélét és a középpontját összekötő vonal mentén az egyes gyűrűk világos vagy sötét 218

219 ábra. Optikai abszolút forgójeladó állapota adja a tárcsa pozíció kódját. A kódtárcsákon lévő kód kialakításánál általában bináris, vagy Gray kódot használnak. A Bináris kód a számítástechnikai rendszerekben nagyon egyszerűen felhasználható kód. A legegyszerűbb kódtárcsákon ezt a kódolást használják. A tárcsán a legbelső kódgyűrű adja a kód legnagyobb helyértékű bitjét, ez a gyűrű egy sötét és egy világos részre van felosztva. A tárcsa közepétől kifelé haladva a következő gyűrű két sötét és két világos szegmenset tartalmaz, míg a következő gyűrűben négy világos és négy sötét szegmens van és így nő kifelé haladva kettő hatványai szerint egészen a tárcsák széléig, ahol a legkisebb helyértékű bit található. Ha pl.: a tárcsa 12 gyűrűt tartalmaz, akkor a külső gyűrű 2096 szegmensre van felosztva. Az így kódolt tárcsánál viszont a tárcsák egyik pozícióból a következő, vagy előző pozícióba mozgatáskor több bit változik és egy-egy bit hibás olvasása (pl. szinkronizálási hiba az osztás fizikai határán) nagy hibát okozhat. Ennek következtében a kiküldött pozíció értékben is nagy hiba lehet. A bináris kódolású tárcsákat csak kis felbontású, egyszerű felépítésű, olcsó forgójeladókban használják, ahol a forgás sebessége is kicsi (pl.: kézi forgatású kezelőelemek). A Gray kódban kódolt tárcsák kiolvasásánál esetlegesen fellépő hiba lényegesen kisebb, mint a bináris kódolásúnál, tehát megbízhatóbb pozíciómérést eredményez. Ezt a kódolási metódust használják a legtöbb optikai érzékelésű abszolút forgójeladóban. A legáltalánosabban gyártott egyfordulatú abszolút forgójeladók fordulatonkénti felbontása 12 bit (4096), 13 bit (8192), 14 bit (16384). Alkalmazási területük a kis 219

220 méréstartomány miatt a nem teljesen körbe forgó tengelyek elfordulási szögének mérése (pl.: robotkarok). Az abszolút jeladó egy körülfordulása csak korlátozott mérési tartományt biztosít. A mérési tartomány kibővítését úgy lehet egyszerűen megoldani, hogy a jeladó tengely körülfordulásainak számát is abszolút módon kell mérni. A több fordulatú abszolút mérés megvalósításához például egy, vagy több további abszolút kódtárcsa szükséges, amelye(ket)t a jeladó tengelye áttételen keresztül hajt meg. A leolvasási és kiértékelési metódus megegyezik az egy fordulatú jeladónál már ismertetettel. Az abszolút optikai forgójeladókban leggyakrabban alkalmazott kimenetek a következők: párhuzamos kimenetek bináris kód, Gray kód, BCD (Binary Coded Decimal) kód, soros kimenetek RS485, SSI (Syncronous Serial Interface), EnDat, Profibus, CAN bus. Az egyfordulatú abszolút forgójeladókban a kimenő interfész általában párhuzamos, de egyre gyakoribb a soros interfész, főleg az SSI alkalmazása is. A többfordulatú (multiturn) abszolút forgójeladók felbontása igen különböző, leggyakoribb változata 12 biten méri a körülfordulások számát, vagyis 4096 körülfordulást képes mérni. A körülfordulásonként 12 bit (4096) felbontással, ez összesen 24 bites kimenő kódot eredményez, amihez még hozzá adódik a paritásbit, vagy más hibajelző bit(ek). Mivel a kimenő kód bitszáma nagy, a párhuzamos kimenet áramköri költsége, a sokpólusú csatlakozó ára, valamint a nagy érszámú speciális árnyékolt kábel költsége is jelentős, a többfordulatú abszolút forgójeladókban, ezért nem jellemző a párhuzamos kimenő interfész alkalmazása, hanem valamilyen soros interfészt használnak. A leggyakrabban az SSI interfészt használják, de gyorsan terjednek a különböző ipari busz rendszerekhez kapcsolódó interfészek is Mágneses abszolút forgójeladók A mágneses elven működő abszolút forgójeladók működési elve és mechanikai kialakítása általában nem különbözik az inkrementális változatokétól. A belső felépítésükben az eltérés a leolvasó fejek számában, elrendezésében, valamint az interface áramkörökben található. A többfordulatú mágneses abszolút forgójeladókban általában több fokozatú mechanikai (fogaskerék) áttételt használnak a fordulatok számlálásra. A mágneses abszolút forgójeladók kimenő áramkörei a kompatibilitási törekvések miatt megegyeznek az optikai abszolút forgójeladókban használtakkal Rezolver (indukciós abszolút forgójeladó) Az abszolút forgójeladók egyik gyakran főleg szervomotorokban használt változata a rezolver. A rezovler egy szöghelyzet érzékelő, amely méri egy kö-rülforduláson belül forgótengely pillanatnyi szöghelyzetét. A rezolver mechanikai felépítése tipikusan egy 220

221 kisméretű motorra ha-sonlít, amely rendelkezik egy forgórésszel (melyet a mé-rendő tengelyhez kapcsolnak) és egy állórésszel, mely a kimenő jelet produkálja ( ábra). A rezolver által szolgáltatott jel arányos a tengely elfordulás szögének szinuszával és koszinuszával. Mivel az elfordulás során minden szöghelyzethez a szinusz és koszinusz értékek egyedi kombinációja tartozik, a rezolver egy teljes körülforduláson belül (360 o ) abszolút szöghelyzet mérésre alkalmas. Az előzőekből következik, hogy a rezolver ciklikusan abszolút forgójeladó. Villamos szempontból nézve a rezolver egy transzformátor, amelyben a csatolás a primer tekercs és a két szekunder tekercs között úgy változik, mint a ábra. Rezolver felépítése forgórész szöghelyzetének szinusza és koszinusza. A hagyományos rezolvereknél a forgórészen a primer és az állórészen a szekunder tekercseket helyezik el (ez azt jelenti, hogy kefék és csúszógyűrűk szükségesek a primer jel átvitelére). Újabban egyre több kefementes rezolvert gyártanak, ahol a primer tekercs gerjesztését egy forgó transzformátoron keresztül végzik, a szekunder tekercselések továbbra is az állórészen találhatók. Mint minden transzformátornál, a rezolvernél is szükség van egy primer oldali gerjesztő (excitation) jelre melyet referencia jelnek is szoktak nevezni. A referencia jel amplitúdójának modulációja adja a kimenő jelet a két egymásra merőleges elrendezésű szekunder tekercsben. A moduláció a forgórész szögének a szinusza és koszinusza szerint történik. A legjobb hatásfok miatt célszerűen a referencia jel egy szinuszhullám. Minden transzformátorra jellemző egy viszonyszám, amely megmutatja a szekunder feszültség és a primer feszültség közötti összefüggést. Ezt az értéket áttételnek (TR) hívják a rezolvereknél és a primer és szekunder közötti maximális csatolási értékre vonatkoztatják. Ha a referencia feszültséget VR = V(R1-R2)-ként definiáljuk, akkor a feszültséget a szekunder tekercseken a következő egyenletek adják: Szinusz szekunder feszültség: V (S2-S4) º VSIN = VR. TR. sin Θ Koszinusz szekunder feszültség: V (S1-S3) º VCOS = VR. TR. cos Θ, ahol a Θ forgórész mechanikai szöge. A forgórész szöghelyzetétől függő kimenő jeleket egy speciális Resolver to Digital konverter áramkörbe vezetve, a konverter kimenetén digitális formában rendelkezésre áll a forgórész pillanatnyi szöghelyzete. Ez a digitális (10, 12, 14, 16 bites, 221

222 párhuzamos) adat használható fel a feldolgozó elektronikában a pozíció, vagy a szöghelyzet meghatározására. A rezolver külön tápfeszültséget nem igényel, a működéséhez szükséges referencia jelet a feldolgozó elektronika szolgáltatja. Amennyiben a feldolgozó elektronika jól működik, a rezolver bekapcsolás után azonnal az abszolút szöghelyzet, vagy pozíció értéket szolgáltatja. Mivel a rezovler csak egy körülforduláson belül abszolút az optikai és mágneses elven működő forgójeladókhoz hasonlóan a fordulatok számlálását áttételen keresztül további rezolver(ek) végzi(k) Potenciométeres forgójeladók A vezérléstechnika gyors fejlődésének és széleskörű elterjedésének következményeként igény támadt olyan érzékelőkre, melyek olcsóak, villamos és mechanikus szempontból egyszerűek, robosztusak, széles hőmérséklet tartományban ( C o ) működőképesek, abszolút út, vagy szögmérésre használhatók. Ezeknek az igényeknek a potenciométerek bizonyos fajtái megfelelnek. A gyártástechnológiából adódóan elsősorban a vezető műanyagos ellenállás pályával rendelkező potenciométerek felelnek meg erre a célra. A vezető műanyagos potenciométerek csúszkája csak minimális mértékben (1-10 ma) terhelhető, ezért nagy bemenő impedanciájú áramkörhöz kell csatlakoztatni (pl.: műveleti erősítő). A továbbiakban az ilyen gyártástechnológiával készült potenciométerekről beszélünk. A potenciométer a következő részekből áll: Az ellenálláspálya (hordozó anyag + ellenállás sávvezető műanyagból) A csúszka (precíziós fémötvözetből) A meghajtó tengely Csapágyazás (forgó csapágy, vagy csúszó csapágy) Ház (tokozás) Ha a potenciométerről szenzorként beszélünk, akkor elsősorban feszültség osztóként kell rá gondolni és nem változtatható ellenállásként ( ábra). A hagyományos végállással rendelkező potenciométerek mellett, út /szögelfordulás) méréséhez gyakran használják a teljes körbe forgó potenciométereket ábra. Körbeforgó potenciométer kimenő jele ábra. Potenciométeres forgójeladó Ezeknél a potenciométereknél az elektromos átfogás általában 355 o, de készí-tenek olyan változatokat is, melyek 360 o -os 222

223 átfogással rendelkeznek. Körbe forgó potenciométer kimenő jele a ábrán látható. Ezeknél a típusoknál kettős csúszkát használnak, amelyek átfedik egy-mást és egy beépített elektronika segítségével kezelik az átfedést. A pontos 0 átmenet kezeléséhez külön Reset jelet is szolgáltatnak. A körbe forgó potenciométereket felhasználják több fordulatú útmérésre is olyan módon, hogy a potenciométert egy fogaskerék áttétellel szerelt házba építik be. A házból kinyúló tengely és a potenciométer közé 1:3, 1:5,1:10 áttételt szerelnek. Az alkalmazott áttétel holtjáték mentes Gyorsulás és rezgés mérése Bevezetés A gyorsulás a sebesség időegység alatti megváltozása. A gyorsulás és rezgés mérésére Newton II. törvénye (P = m. a) ad lehetőséget, mert mint látható a törvény értelmében a tehetetlenségi erő arányos a gyorsulással. Ebben az értelmezésében gyorsulásméréskor egy ismert, hiteles ún. szeizmikus tömegre ható tehetetlenségi erőt határozunk meg. A gyorsulásmérők valójában egy mechanikai lengő rezgő rendszert képeznek, amelynek hiteles tömegére, a tehetetlenségi erő, mint kitérítő erő és valamilyen rugó, vagy súly, mint visszatérítő erő hat. A leírtak alapján, tehát ha ismerjük a tömeget, a rugóállandót és a csillapítást, akkor a gyorsulás meghatározható, rezgésvizsgálat esetén pedig meghatározhatók a frekvencia és az amplitúdó. A gyakorlatban elegendő egy paraméter mérése, a többi a matematikai, illetve fizikai kapcsolatok alapján meghatározható (pl. a gyorsulásból az utat kétszeres integrálással, vagy a zökkenést a gyorsulás első deriválásával stb.). A gyakorlatban meghonosodott szokás szerint a rezgésmérésen általában gyorsulásmérést értünk, hacsak kifejezetten nem utalunk az előbbire. A mechanikai rezgések mérésének elvileg két alapmódszere ismeretes aszerint, hogy a rezgésmérőnek milyen a kapcsolata a rezgést végző tárggyal: a, Abszolút rezgésmérés A rezgésmérő műszer közvetlenül a mérendő tárgyakhoz van rögzítve és így érzékeli a rezgéseket. A mérő-átalakító ezeket a rezgéseket alakítja át. Használatánál nincsen szükség nyugalomban lévő pontra. b, Relatív rezgésmérés Ekkor a rezgést végző test rezgőmozgását nyugalomban lévő testhez viszonyítva mérjük. Hátránya, hogy csak akkor alkalmazható, ha van olyan hely, amely nem végez rezgőmozgást, vagyis nyugalomban van, így a műszer ehhez rögzíthető Gyorsulásmérő elvi felépítése 223

224 ábra. Mechanikai lengőrendszer Az sz. ábra a rezgésmérők elvi felépítését mutatja. Ez egyszabadságfokú modell, amelynek főbb elemei; 1-ház, 2-C rugóállandóval rendelkező rugó, 3- M hiteles tömeg és R- sebességarányos csillapító. Ezt a koncentráltparaméterű rendszert a mérendő y jel gerjeszti, az M tömeg ennek hatására a házhoz képest x elmozdulást végez. Az M tömeg relatív elmozdulása x, az abszolút elmozdulása pedig (y+x). A felépített rendszer viselkedését a következő differenciálegyenlet írja le: 2 d (y + x) dx x M + R + = dt dt c illetve ez tovább alakítva: 2 2 d x dx x d y M + R + = M dt c 2 dt dt Legyen: a csillapítás nélküli lengő rendszer rezonancia körfrekvenciája ω o = 1, M c 14.3 csillapítási tényezője pedig R c ξ =. 2 M 14.4 Ezzel a 14.2.sz. egyenlet a következő módon írható: 2 x+ 2 x x+ w 0 x = - y = -a 14.5 Vizsgálataink során a következő közelítésekkel élhetünk. 1. Nagy tömeg és kis csillapítás Ekkor M és c nagy, illetve ω o és x igen kicsi, így az x és x "-ot tartalmazó tagok elhanyagolhatók:.. x = -a = - y Kétszeres integrálást elvégezve írható: x = -y. 224

225 Ebben az esetben a mérőrendszer, vagyis az x koordináta és a mért koordináta y e- gyütt mozog, ugyanakkor a környezethez viszonyítva nem mozog, mert amennyit elmozdul a rezgésmérő, any-nyit mozdul el ellenkező irányban a lengő tömeg. Ezt a rendszert útérzékenynek nevezzük. Az a tény, hogy milyen hibával dolgozik a rendszer az amplitúdó karakterisztikából határozható meg. Útérzékeny átalakító esetében a d hiba csökkentésével az w A alsó határfrekvencia növekvő értékek felé tolódik el, vagyis az a működtethető ábra. Átviteli függvény frekvenciatartományt csökkenti, ami nem mindig előnyös, de a gyakorlatban többnyire nem okoz problémát ( ábra). 2. Kis tömeg, kis rugómerevség Ekkor M kicsi, c nagy, illetve w o kicsi és x nagyon nagy, így a 14.3.sz. egyenlet baloldalának első és harmadig tagja elhanyagolható ξ w o x = - y = -a 14.7 Egyszeresen integrálva az egyenlet írható: 2 ξ w o x = -y = -v 14.8 Ebben az esetben a lengő rendszer tömegének relatív kitérése a mérendő rezgés sebességével egyenesen arányos, ezért a mérőérzékelőt sebességérzékenynek nevezzük. 225

226 A mérés pontossága és az alkalmazható frekvenciatartomány szorosan összefügg egymással. Ebben az esetben a sávszélességet erősen korlátozza az, hogy a d hiba nagyságát is korlátozzuk, sőt jó mérés csak az w o környezetben végezhető el (14.54 ábra). 3. Igen merev rugó, kis tömeg és kis csillapítási tényező. Ekkor c igen kicsi, M kicsi és x kicsi, illetve w o nagyon nagy, ezért a 14.3.sz. egyenlet első és második tagja hanyagolható el... 2 a = y = -ωo x Vagyis:.. y x = ω 2 o ábra. Átviteli függvény ábra. Átviteli függvény A mérendő tömeg kitérése a gyorsulással arányos, ezért gyorsulás érzékeny mérőrendszerről beszélünk. ( ábra) Az sz. ábra mindegyik megoldás alapját képezi, de a tényleges mérés megvalósíthatósága érdekében az ábrán látható rendszerhez valamilyen alkalmas mérőátalakítást... x kapcsolnak az x, x és villamos jellé történő átalakításához. Ezt a következő módon tudjuk megvalósítani: 226

227 a, Útérzékeny esetben: indukciós, nyúlásmérő bélyeges és kapacitív átalakítók segítségével. b, Sebességérzékeny esetben: indukciós átalakításokkal. c, Gyorsulásérzékeny esetben: piezoelektromos átalakítókkal. Az a, és b, esetben a bemenő jel kitérés és sebesség. A c, esetben a gyorsulás nem lehet közvetlenül bemeneti jel, helyette rezgés közben egy ismert tömegre ható tehetetlenségi erőt határoznak meg és ezt alakítják villamos jellé. A következőkben a különböző típusú gyorsulásmérőket vizsgáljuk, illetve tárgyaljuk részletesebben Rezgésmérők típusai 1. Nyúlásmérő bélyeges (piezorezisztív) átalakítók A nyúlásmérő bélyeges átalakítók általában nem közvetlenül a relatív elmozdulást mérik, hanem a beépített laprugóban ébredő mechanikai feszültséget. Felépítését a sz. ábra mutatja. Látható, hogy egy zárt házban laprugóval ábra. Rezgésmérő nyúlásmérő bélyeggel függesztik fel az M tömeget, a laprugókra pedig felragasztanak kettő, vagy négy db nyúlásmérő bélyeget. A helyettesítő kép a 14.56b. ábrán látható. Az ábrán a k - tenzoállandó, e - relatív megnyúlás. Általában kétféle megoldást alkalmaznak: a) Fél hídba történő kapcsolás. Ekkor két aktív bélyeget és két passzív bélyeget használnak. A passzív bélyegek ez esetben hőkompenzációra használatosak. Feltételezve, hogy az R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R feltétel teljesül, a híd kimenő feszültsége: ΔR U ki = U o. 2 R b,teljes hídba történő kapcsolás 227

228 Ennél a megoldásnál négy aktív bélyeget használunk. Ekkor a kimenő feszültség az előzőhöz képet kétszeres. ΔR U ki = U o. R A piezorezisztív érzékelők lineárgyorsulás, rezgés és zökkenés mérésére egyaránt használatosak. 2. Induktivitást alkalmazó gyorsulásérzékelők Felépítését a sz. ábra mutatja. Lényege, egy, a mágnestérben elmozduló tekercs, amelyben a mozgás miatt elektromos feszültség indukálódik. Az indukált feszültség nagysága: dψ U i = dt ahol: Y - fluxuskapcsolódás, amely a hely függvénye, Y = Y (x), így tehát: dψ dx dψ U i = - = - v dx dt dx ahol: v a tekercs sebessége a mágnestérben. Az indukált feszültség akkor tér el zérustól, ha: a, Állandó sebesség esetén, mikor dy/dx ¹ 0, vagyis Y = Y(x) tehát helyfüggő. b, Lineárisan változó fluxuskapcsolódás mellett (dy/dx = áll), tehát v ¹ 0 feltétel teljesülésekor. c, A Y nemlineárisan helyfüggő és a tekercs is mozog. Rezgésmérőknél az utóbbi két eset jöhet szóba. A sz. ábrán látható rendszernél legyen a légrésindukció B - a tekercsátmérő D - a menetszám N és a tekercs helyzetét jellemezze az x elmozdulás. Ekkor a fluxuskapcsolódás: ahol: A - az a felület amelyen a F áthalad. Ekkor: ábra. Induktív gyorsulásérzékelő Y = N. Φ = N. B. A = N. B. D. p. x, Sebességmérőkben a sebesség: dψ dt = N B D π

229 Az indukált feszültség: dx r v =. dt dx U N B D π r i = -. dt Ez mutatja, hogy az elektrodinamikus rezgésmérőknél az U ki csak a lengőrendszer relatív sebességétől függ. Fizikailag ez azt jelenti, hogy a belépő differenciálás következtében útérzékeny lengőrendszerrel sebességet, sebességérzékeny lengőrendszerrel gyorsulást és gyorsulásérzékeny lengőrendszerrel pedig zökkenést tudunk mérni. A sz. ábrán néhány megoldás látható Rezgésmérő kialakítások 229

230 Elektrodinamikus gyorsulásmérő A 14.58a.sz. ábrán valójában két összeépített lengőrendszer látható. A mérendő rezgés axiális irányú. A 14.58b. ábrán a lengőtekercs a felfüggesztő szál körül kis amplitúdójú ingamozgást végez a. ábránál a 1- a lengőtekercset, a 2- a serleget, 14.58b. ábránál pedig az 1- a felfüggesztést, 2- az állandó mágnest a 3- a lengőtekercset mutatja. Ezeket a módszereket sebességmérésre, elmozdulás (amplitudó) mérésre használják. Más felépítésű elektrodinamikus rezgésmérőket mutat a sz. ábra. A sz. ábrán egy induktív átalakító látható, amely differenciáltranszformátort használ. A rendszer paramétereit úgy választják meg, hogy a kimenő jele gyorsulás legyen. Működési tartománya ábra. Differenciáltranszformátoros átalakító 230

231 néhányszor tíz g és átfogja a 0,5 5 Hz-es frekvencia tartományt, de készíthető olyan is, amelyik ± 10 g ± 300 g tartományban méri a gyorsulást és átfogja a 200 Hz 3 khz-es frekvenciatartományt. Az ábrán az 1- a differenciál transzformátort, 2- a laprugókat, 3- a tömeget jelen esetben ez a merülőmag 4 primertekercset, 5 szekunder tekercseket jelenti. A méréshez alkalmazható érzékelő, ill. érzéke-lőtípus kiválasztása természetesen elsősorban a mérendő gyorsulástípus (lineáris gyorsulás, rez-gés, sokk, vagy más néven zökkenés) alapján történik. Ezen kívül ugyanolyan fontos a kör-nyezeti hatások (hőmérséklet, szennyeződés stb.) figyelembevétele és az érzékelő maximális méretének és tömegének betartása a rezgés-értékek, illetve a rezgőrendszer saját frekven-ciája megváltozásának elkerülése érdekében. Továbbá a várható mérési tartomány figyelembe veendő mind a gyorsulásértékek, mind a frek-venciatartomány szempontjából. A felsorolt kiválasztási szempontok alapján viszonylag egyértelműen megtalálható a mindenkori mérési feladat. A mérés pontossági követelményeinek megfelelően a következő paramétereket is figye-lembe kell venni: a, Az érzékelő linearitása és felbontása. b, Érzékenység frekvenciamenete. c, Érzékenység hőmérsékletfüggése. d, Oldalirányú gyorsulásérzékenység e, Mérési hiba hajlítás miatt (Base Strain) f, Mérési hiba ugrásszerű hőmérsékleti hatások miatt. Az induktív átalakításoknak más csoportosítás szerint zárt és nyitott mágneskörű kivitelei lehetnek a és sz. ábrák szerint. A sz. ábra reluktáns átalakítót mutat ábra. Zárt mágneskörű gyorsulásmérő ábra. Nyitott mágneskörű gyorsulásmérő 231

232 Ennél a megoldásnál állandó mágnessel hozzuk létre a mágneses fluxust és a mozgó járom sebessége határozza meg az állórészre helyezett tekercs feszültségét, tehát elsősorban sebességmérésre használják ábra. Reluktáns átalakító ábra. Állandómágneses rezgésmérő 3. Állandó mágnest alkalmazó rezgésmérő A sz. ábrán egy állandó mágnest felhasználó rezgésmérő látható. Az 1- állandó mágnes és a vele mereven összekötött 2- pólussaru előzetesen megfeszített rugókkal úgy van felerősítve, hogy tengelyirányban el tudjon mozdulni. A 4- csévetest 2 db. 3- tekerccsel az 5- vastestre van felerősítve. Ezt az egész mec-hanizmust a vizsgálandó test-hez mereven rögzítik. Ha mozgásba jön a vastest, akkor vele együtt a tekercsek is kö-vetik a mozgást. 232

233 Az állandó mágnes eközben nyugalom-ban van. A két tekercsben a különböző pólusok miatt a feszültség is ellenkező előjelű lesz. 4. Kapacitív mérőátalakítók ábra. Kapacitív mérőátalakító A kapacitív rezgésmérők működése azon alapul, hogy a kapacitás az elmozdulás mértékének megfelelően változik. Mind út, mind torziós rezgések mérésére alkalmazzák. Az elvet a sz. ábra mutatja. A kapacitásváltozás történhet úgy, hogy a laptávolság ábra. Torziós mozgások mérésére alkalmas átalakító 5. Piezoelekromos rezgésmérők ábra. Kapacitív mérőátalakító változik, de úgy is, hogy a felületek nagysága változik. A 14.65a. ábra mutatja az előbbi megoldást, a 14.65b. ábra az utóbbit és a 14.65c. ábra pedig a híd bekötését. Egyszerű ábrát mutat a sz. ábra. A torziós mozgások esetére kialakított mérő-átalakítót a sz. ábra mutatja. Lineáris gyorsulások és viszonylag lassú rezgések mérésére kiválóan alkalmasak. 233

234 Az erő hatására létrejött deformációt villamos töltéssé alakítja át. Vázlatos felépítése a ábrán látható. Ismert, hogy 2 æ 2 2 d (x + x ö F = m. r) a = m = çd x d xr m +. 2 ç 2 2 dt è dt dt ø A kimenő feszültség ezzel az erővel arányos. Ennél a megoldásnál a csillapítás gyakorlatilag zérus feltéve, ha külön csillapító tagot nem helyezünk el. A differenciálegyenlet végső alakja: ábra. Piezoelektromos átalakító elvi felépítése d 2 xr d + ω x o x r = -, dt dt ahol: w o a saját frekvencia ábra. Néhány piezoelektromos átalakító 234

235 Az 2 c ω r o =, m ahol: c r - lengőrendszer rugóállandója, m pedig a lengő tömeg. A c r rugóállandót maga a kristály szolgáltatja. Bizonyítható, hogy A felületű, d hosszúságú és E rugalmassági modulusú kristály rugóállandója A c r = E d A piezelektromos gyorsulásmérő igen elterjedt a gyakorlatban. Néhány felépítést mutat a sz. ábra. A 14.69a. ábrán ragasztott a 14.69b. ábrán préselt, a 14.69c. ábrán pedig hajlításos változat látható. További felépítést mutat a sz. ábra. Az ábrán látható jelölések az alábbiak: 1 rugó, 2 tömeg, 3- piezokristály, 4 alaplemez, 5- kábelcsatlakozás. 6. Gyorsulásmérő IC-k ábra. További piezoelektromos átalakítók A technológia fejlődésével egyre korszerűbb és kisebb méretű gyorsulásmérőket fejlesztettek ki integrált szenzorok formájában. Ezzel létrejöttek az integrált monolitikus mikroelektromechanikus gyorsulásérzékelők. A sz. ábra bemutat egy felfüggesztett tömegű mikroelektro-mechanikus megoldást. A mozgó tömeget feszített szálhoz rögzítik, amelyet a lapka felületéhez rögzítenek. Ennek a megoldásnak kisebb érzékenysége és nagyobb méréshatára van. Méréshatára: ± 50 g ábra. Mikroelektromechani kai átalakítók 7. Pörgettyűs szöggyorsulás érzékelő jeladók 235

236 Ha a pörgettyű ( ábra) az Y tengelyhez viszonyítva w szögsebességgel forog, Z tengelyirányú nyomaték keletkezik, melynek értéke: M z = J. W. w, ábra. Pörgettyűs szöggyorsulás érzékelő ahol: J a forgórész tehetetlenségi nyomaték, W a forgórész szögsebessége. A ábrán a pörgettyűs sebességérzékelőt tüntettük fel vázlatosan az ellenállásos rendszerű működtető szervvel együtt. A visszatérítő nyomatékot rugók létesítik. A pörgettyű keretében és a reá rögzített kefének elfor-dulási szöge: J W j = w, k r ahol k a rugóállandó; r a Z tengely és a rugók közötti távolság (karhossz). A jeladó hibáit a csapágyakban fellépő száraz súrlódás nagysága szabja meg. A pörgettyűs jeladó jellemző sajátossága, hogy a fordulatszámot merev megtámasztás nélkül érzékeli. Ez alkalmassá teszi a forgórészek fordulatszámának, repülőgépek, hajók mozgó tárgyai stb. dőlésének meghatározására. Jelölések: 1-befogó tömb és tömeg, 2-szénoszlop, 3-felfüggesztés, 4-keret, kivezetések ábra. Szénoszlopos rezgésmérő 8, Szénoszlopos rezgésmérők 236

237 Felépítése a sz. ábrán látható. Differenciál kapcsolásban üzemel és működésének alapja a szénoszlop tárcsáinak átmeneti ellenállás változása. Kisebb igények esetén alkalmazzák. Ma már gyakorlatilag kiszorították a piezoelektromos átalakítók. 237

238 15. Fejezet Erő és nyomaték mérése A koncentrált e- rők mérése, vagy az átalakítása külső behatás útján, vagy a bemeneti mennyiségek egy közbülső mennyiséggé történő átalakítása segítségével ami lehet elmozdulás, vagy rugalmas elem deformációja történik Közvetlen hatás útján történő mérés Ebben az esetben mágneses rugalmas és piezoelektromos átalakítókat alkalmaznak. Az átalakítók nagy merevségük miatt saját frekvenciája magas (<50kHz), e ábra. Néhány erőmérő megoldás zért dinamikus e- rők mérésére alkalmasak, míg a mágneses rugalmas átalakítók statikus erő mérésére is. A 6. fejezetben látható néhány megoldás elve. Ennek nagy választéka van a kivitelt illetően, amelyekből a sz. ábra mutat néhány példát. Az a,b,c ábrákon piezoelektromos, a d. ábrán elektromágneses, és az e illetve g ábrán tenzoellenállásos átalakítók láthatók. Az a ábrán az erő átadása acélgömbön keresztül történik. Ezzel a lemezben egyenletes erőeloszlás érhető el. A b ábrán olyan nagy erők mérésére alkalmas elrendezés látható, amely közvetlen fellépése a kristályok roncsolódását okozná. Az 238

239 erő mérésére itt az 1 erőoszlop átmérőjének terhelés alatti megnövekedését használják fel. Az oszlop átmérőjének változása a 3 gömbcsapon keresztül adódik át a lemezkének, amely a 2 acélgyűrűben van elhelyezve. A c ábra mind nyomóerők, mind húzóerők mérésére alkalmas. Itt előfeszítést alkalmaznak, az 1 és 2 csavaranyával. Ez az előfeszítés munkapontnak tekinthető, amely a lemezben ébredő feszültség maximumának a felével egyenlő (ezért használható húzásra és nyomásra is). Leggyakrabban azt a mérési módszert alkalmazzák, amikor közbülső átalakítást hajtanak végre. Ilyen megoldásokat mutat ábra. Néhány bélyeges nyúlásmérő ábra. Gűrűs próbatest helyettesítő képe a d g ábra. Az átalakító elem rugalmas elemmel van összekötve, amelynek elektromos kimenő jele van. Az átalakító induktív, kapacitív, és tenzoellenállás lehet. A g ábrán látható megoldásnál két méréshatár (alsó és felső) van. Az alsó (érzékenység) határt az 1 belső persely deformációs jellemzői, a felső határt pedig az 1 és 2 jelű perselymagasság határozza meg. A sz. ábrán nyúlásmérő bélyeg alkalmazása látható. Az a ábra egyszerű gyűrű alakú próbatestet szemléltet, amelynek oldalaira két-két bélyeget ragasztottak. A b ábra. Nyomóerő mérésére alkalmas átalakító ábra szerinti megoldásnál a gyűrű alakú próbatest külső és belső felületére ragasztják fel a bélyegeket. A 6 darab bélyeg bekötésének kapcsolását a sz. ábra mutatja. A 239

240 c ábrán nyomásra, a d ábrán egy húzásra-nyomásra igénybe vehető megoldás, az e ábrán pedig speciális megoldás látható. A sz. ábra nyomóerő mérésére alkalmas átalakítót mutat. Az erőmérésre általában átmeneti ellenállásos, magnetoelasztikus, és piezoelektromos átalakítókat használnak. A sz. ábrán szénoszlopos erőmérő látható. Az átmeneti ellenállás változáson alapuló megoldás csak nyomóerők mérésére használható, ezért ha húzóerőt akarunk mérni, akkor azt az előbbi mechanikai megoldásokkal nyomóerővé kell alakítani. Jelölései: 1. hát, 2. szénoszlop, 3. membrán, 4. távtartó, 5. csillámlemez, 6. előfeszítést beállító csavar. A 6. fejezet a 6.9. sz. ábrája magnetoelasztikus erőmérőcellát mutat. A magnetoelasztikus hatás mind nyomó, mind pedig húzóerő képzésre is alkalmas. A magnetoelasztikus erőmérők szokásos méréshatára: 10 3 N N. Több összetevős piezoelektromos erőmérőket csak a 70-es évek után fejlesztettek ki. Ezek kvarckristályokból különböző irányokba kihasított kvarclemezeket tartalmaznak, amelyek másmás irányú erőhatásra érzékenyek. Egy három összetevős piezoelektromos erőmérőcellát mutat a sz. ábra, amelyeket főként a szerszámgép iparban alkalmaznak általában előtolás, fogásmélység irányú erők mérésére. Az a ábrán az elvi kapcsolás, a b ábrán a kivitel alakja és a különböző metszetek láthatók Közvetett mérési módszerek A közvetett mérési módszerek két nagy csoportba sorolhatók: összehasonlításos, és deformációs változáson alapulók Deformációs változáson alapuló módszer Ha valamely A keresztmetszetű elemre F nyújtó, ábra. Szénoszlopos erőmérő cella vagy nyomóerő hat, az l hosszal rendelkező elemben U feszültség keletkezik. F s = A A feszültség az elem deformációjához vezet. F l l Dl = = s, A E E ahol: E az anyag rugalmassági modulusa. Ez a megállapítás húzó és nyomó igénybevételre is igaz. Hajlításra a sz. ábra alapján a Navier-tétel szerint: 240

241 M s = z y I Z ahol: I z a másodrendű (inercia) nyomaték. Nyúlásmérő bélyegek esetén fontos lehet az l 1 és l 2 koordinátákkal jellemzett helyein maximálisan fellépő húzó és nyomó feszültség: M 1max z M s = l1 ; s 2 max = z l I z I z Általában nem az abszolút, hanem a relatív deformációt használjuk: Dl F e = = l E A A és a egyesítéséből kapjuk a viszonylagos deformáció és a σ kapcsolatát. s = e E Ezekben a mérésekben a tenzoellenállások a legelterjedtebbek. A ábrán látható né ábra. Háromirányú erőmérő cella 241

242 hány példa a tenzoellenállások felragasztására. Úgy kell felragasztani a vizsgálandó elemre, hogy a hosszanti tengelye megegyezzen a fődeformáció irányával (15.7. ábra). A 15.7a. ábra szerinti elrendezésben a keletkezett mechanikai feszültség bizonyítás nélkül: DR R 4 DU s = E = E k k U DR ahol; k = R ; U a tápfeszültség és D U a híd ágában lévő feszültség. e Mérve a híd átlójában lévő feszültséget D U ; az érzékenység k ; tápfeszültség U és E modulus ismeretében a s meghatározható. A 15.7b. ábrán a mérőhelyre két aktív ábra.példák a bélyegek ragasztására tenzoellenállást ragasztunk, amelyek egy félhíd két szomszédos ágába vannak kötve és a mérendő elem alsó, illetve felső lapjára vannak kötve. Ez azért van így, hogy a hajlítási deformációk hatását a mérési eredményekre kizárják. Ekkor az ébredő feszültség: 242

243 E s = 2 DU k U A 15.7c. ábrán a két aktív tenzoellenállás (R 1 és R 2 ) felragasztandó, az R 3 és R 4 kompenzáló tenzoellenállást azonos nagyságú segéd alkotórészre ragasztják. A mechanikai feszültség a szerint alakul. A 15.7d. ábrán a kompenzáló tenzoellenállásokat ugyanarra a mérendő elemre helyezik, de az erőhatás irányára merőlegesen. A tenzoellenállások oldalérzékenységének figyelembe vételével a híd kimenő jele: ahol: μ Poisson állandó. A mechanikai feszültség: U U ki = DU = 1 k 2 2 E s = U k ( + m ) e ( 1 + m), DU Hajlítási feszültségek esetén ugyanilyen hídkapcsolásokat alkalmaznak. A tenzoellenállások helyzetét úgy változtatják meg, hogy kizárják a merőleges feszültségeket. ( e és f ábra). Az e ábrán négy tenzoellenállást ragasztunk fel, ame-lyek közül az R 1 és R 2 aktív ellenállás, az R 3 és R 4 pedig 15.8 ábra. Erőmérő cella passzív és a hőkompenzációt szolgálja. Az is ábra. Erőmérő látható, hogy hajlításkor cella az egyik aktív ellenállás (pl. az R 1 ) megnövekszik -nyúlási deformációt - a másiknál nyomás lép fel, ezért csökkent a saját rezisztenciája. Így a hídkapcsolás miatt az érzékenység kétszeresére nő. A híd kimenő feszültsége: U DU = ( 1+ m ) k e h

244 Mérőtest nyúlásmérő bélyeggel ábra. Erőmérő cella nyúlásmérő bélyeggel Az egyidejűleg ható nyomó és hajlító feszültségek mérésére a tenzoellenállásnak az a és b ábrán látható elhelyezés alkalmazható. Erőmérő cella látható a és számú ábrákon. Mindkét esetben bé-lyegekkel van megoldva a mérés. Jelölések a ábrához: 1. mérőtest, 2. bélyegek, 3. ház, 4. nyomófelület; a ábrához: egy mérőtest 4 bélyeggel, 2. bélyegek, 3. ház, 4. nyomófelület. Nyúlásra igénybevett mérőtestek láthatók a és számú ábrákon. A ábra jelölése: 1. mérőtest a felragasztott bélyegekkel, 2. ház, 3. és 4. erőbevezetés, 5. villamos csatlakozók. Je-lölések a ábrához: 1. mérőtest, 2. nyúlásmérő bélyeg, 3. membrán, 4. ház, 5. és 6. felfüggesztés. Ugyancsak igen jól alkalmazhatók az induktív utóérzékelős erőmérő cellák, amelyek a membrános erőmérők membránjának deformációját mérik. Az átalakítók többnyire zárt 244

245 mágneskörrel rendelkeznek a mérendő kis elmodulások miatt. Rendszerint hídban, vagy differenciál transzformátorként kapcsolják őket. Néhány ilyen megoldást mutat a számú ábra. Az a ábra szerinti megoldásnál a membránhoz rögzített vasmag mozdul el, de az érzékenység itt elég kicsi, ezért csak a viszonylag nagyobb deformációt okozó erők mérésére használják. A b ábra szerinti kialakításnál a membránhoz zárólemezt rögzítettek, ezáltal az érzékenység javult. Mindkét megoldásnál probléma, hogy nagyobb kitérések esetén a membránok deformációja már nem lineáris függvénye a hatóerőnek. A c ábra nagy érzékenységű megoldást mutat. Itt nem zárólemez, hanem a tekercs mozdul el. A számú ábrán látható megoldás induktív leképzésű változatát mutatja a számú ábra. Jelölések: 1. gyűrű, 2. tekercsek, 3. merülőmag. Az induktív erőmérők 10 N 10 MN-ig terjedő méréshatárral rendelkeznek. Pontosságuk ±0,5 %. Ehhez jön még a mérőkör pontatlansága. Alkalmazzák még a kapacitív erőmérő cellákat, de viszonylag ritkán. Főként laboratóriumi körülmények között használják kis erők mérésére. Ilyen ábra. Kapacitív erőmérő cella megoldást mutat a ábra. A 4 hüvely belső menetébe csavarják, a kapacitív átalakítót, ábra. Differenciáltranszformátoros megoldások ábra. Induktív erőmérő cella amelynek fegyverzetével a két rugó közvetlenül ellenfegyverzetet képez. Erő az 1. jelű tapintón keresztül hat. Nagy erők mérésére használják az úgynevezett felütköző rendszerű kapacitív erőmérő cellát. (15.15 számú ábra ) Jelölések: 1. felütköző henger, 2. hengeres tömegrész, 3. mozgólemez, 4. állólemez, 5. tartógyűrű, 6. középgyűrű, 7. csavarógyűrű, 8. villamos hozzávezetés, 10. csavaros fedél. 245

246 15.3. Összehasonlító erőmérés Itt erőnek, erővel történő összehasonlítása történik. Rendszerint az összehasonlító erőt valamilyen egyszerű úton elő lehet állítani. Referenciaként súlyerőt vagy hidrosztatikai úton előállítható erőt alkalmazunk. Ezzel a témakörrel itt nem foglalkozunk, mert általában nincs kapcsolata a villamos mérésekkel, ha pedig mégis, akkor azokat a megoldásokat használják, amelyeket már tárgyaltunk nyomatékmérés A nyomatékmérést tárgyalhattuk volna az erőméréssel együtt, de célszerű különválasztani őket. Hasonlóan az erőméréshez itt is vannak ellenállásos magnetoelasztikus, induktív érzékelők, de vannak egyéb módszerek is ábra. Felütközős kapacitív erőmérő cella Nyomatékmérés tenzoellenállásokkal Forgatónyomaték méréséhez a tenzoellenállásokat a számú ábra szerinti elrendezésben helyezik el. Csavarónyomaték méréséhez a tenzoellenállásokat a rúd tengelyével os szöget bezárva ragasztják fel. A tengely feletti, illetve a tengely alatti részek nyújtást és nyomást mérnek, így hídkapcsolásban a kimenő jel kétszereződik. A nyírófeszültség méréséhez a kiindulás: t = G g ahol: G - nyírás modulusa, γ - elfordulás szöge. 246

247 ábra. Csavarónyomaték mérése Induljunk ki abból a feltételezésből, hogy a rúd tengelyéhez képest 45 o -os szög alatt felragasztott tenzoellenállás relatív deformációja: t e = G ábra. Bélyeges nyomatékmérő A híd kimenő jele 1, 2 és 4 aktív tenzoellenállás esetén 4 G 2 G G t () 1 = 2 D U; t ( 2) = 2 D U t ( 4) = 2 D U k U k U k U 247

248 Ha ismert a csavarás feszültsége, meg lehet határozni az M forgatónyomatékot: M = t W p ahol: W P poláris keresztmetszeti tényező (körkeresztmetszetű rúdnál: 3 D W p = p ) ábra. Magnetoelasztikus nyomaték mérése ábra. Induktív nyomatékmérő A számú ábrán szintén nyúlásmérő bélyegeket mutat nyomatékmérésre alkalmazva. Jelölések: 1. karimás tengelykötés, 2. átvevőrendszer, 3. mérőbélyeg (rozetta), 4. mérőtengely, 5. csavarhajtású kalibráló kapcsoló. Az elérhető pontosság < 0,5 %, linearitás < 1 %. Mérősor 20, 500, 1000, 2000, 5000 Nm. Kb fordulat / perc határig használható Magnetoelasztatikus nyomatékmérés Magnetoelasztikus hatás nemcsak húzó vagy nyomó erőnél lép fel, hanem csavarói-génybevételnél is. Ilyen csavarónyomaték mérésére alkalmas elrendezést mutat a számú ábra, ahol P a primer és A, B, C, D a szekunder tekercseket jelentik. A transzformátor típusú átalakító szekunder tekercseit differenciál kapcsolásba kötik. Ha az A és D tekercsben növekszik a máneses 248

249 ellenállás, a B és C tekercsben pedig csökken, akkor a magnetoelasztikus hatás miatt a tekercsekben feszültségkülönbség mérhető. Szokásos méréshatár 1 Nm 10 6 Nm között vannak Induktív nyomatékmérők Felépítése és kapcsolási vázlata a számú ábrán látható. Jelölései: a a kivitel alakja, b a kapcsolási vázlata, 1. mérőten-gely, 2. kábelcsat-lakozó, 3. induktív mérőrendszer, 4. kom-penzáló ellenállás, 5. induktív teljesítmény bevezetés, 6. induktív jelkivezetés. Ezt az el-rendezést mérőten-gelynek is nevezik és több méretben is készül (1 Nm.10 6 Nm). Érintkező nélküli mérést tesz lehetővé. Vivőfrekvenciás mérő-rendszert alkalmaznak 5 12 khz közötti frekvencián Nyomaték mérése villamos géppel Lényege hogy a mérendő nyomatékot valamilyen különleges villamos gép segítségével egyenlítik ki. Ezek lehetnek villamos fékek és mérleg dinamók. a, villamos fékek A fékezés lehet mechanikus, hidraulikus és villamos. Itt csak az utóbbival foglalkozunk. A villamos fékek álló és forgó részei közötti mágneses tér segítségével valósul meg az erőátvitel. A villamos fékek örvényáramúak, amelyek lehetnek egyen és váltakozó áramúak. Örvényáramú fék a számú ábrán látható. Az 1-es jelű gerjesztő mágneseket a csapágyazott tehát elforgatható 3-as mérlegkarra rögzítik. Rendszerint alumíniumból, vagy rézből készült 2-es tárcsákon forgáskor örvényáramok keletkeznek. A keletkezett fékező nyomaték részben fordulatszám arányos részben egy hiszterézis jellemző tagból tevődik össze: M f = M h + k. n ábra. Övényáramú fék ahol: M f a fékező nyomaték, M h hiszterézisre jellemző nyomaték (állandó), k arányossági tényező és n fordulatszám. Ez a megoldás kis nyomatékok mérésére használható. A váltakozó áramú gépeket ritkán használjuk, viszont az egyenáramú fékgép elterjedt. Itt a nyomaték: M = k 1 F I a. Az indukált feszültség: 249

250 U e = k2 f n A k 1 és k 2 tényezők értéke állandó. Generátoros üzemben: U k = Ue - I a Rb, ahol: U k - kapocsfeszültség, R b - belső ellenállás. Ezekkel a képletekkel számítható az M értéke: k I M = 1 a ( U k + Ia Rb ). k2 n Ha U k - állandó és R b - állandó, akkor I a és n mérésével M meghatározható. 250

251 16.Fejezet Nyomásmérés A nyomásmérésnek számtalan válfaja terjedt el, mind a mechanikai, mind a villamos mérések vonatkozásában. Mi ebben a fejezetben csak azokkal a megoldásokkal foglalkozunk, amelyek valamilyen módon kapcsolódnak bármely villamos megoldáshoz Ellenállásos mérőátalakító Gyakran ábra. Potenciométeres manométer alkalmaznak Burdon-csöves manométerben potencióméteres távadókat, amelynek egy megoldását a sz. számú ábra mutatja. Általában 100 ohm-os huzalpotenciométereket alkalmaznak, ahol a csúszka a mutatóval együtt mozog. Pontossági osztály 1 2,5 % de készülnek precíziós kivitelben is, amelyek 0,5 % pontossági osztályba tartoznak. Alkalmaznak U csöves manométert is, amelyet a számú ábra mutat. Billenőgyűrűs nyomásmérő differenciál nyomásmérő látható a számú ábrán. A 16.3a. ábra felépítését mutatja ellenállásokkal, a 16.3b. ábra a helyettesítő képet és a 16.3c. ábra pedig a fellépő erőhatásokat. Ha a kamrában uralkodó nyomások nem egyenlők egymással, tehát az egyik kamrában túlnyomás állt elő, akkor a válaszfalnak a nagyobb nyomás felőli oldalán, valamint a zárófolyadékon a túlnyomásnak megfelelő nagyságú erőhatás lép fel. Ennek eredményeként a folyadékszint elmozdul ábra. U csöves manométer eredeti helyzetéből, ami viszont a gyűrű elfordulását vonja maga után. A gyűrű elfordulása mindaddig tart, amíg az ellensúly el-fordulásából származó ellennyomaték a túlnyomás által kiváltott forgatónyomatékot ki nem egyensúlyozza. Egyensúlyi állapotban a forgatónyomaték nagysága nyilvánvalóan egyenlő a 251

252 nyomáskülönbségnek a csőkeresztmetszettel valamint a gyűrű sugarával alkotott szorzatával: M F = ( p1 - p2 ) F R, ahol: M a forgatónyomaték (Nm), F a csőkeresztmetszet (m 2 ), p 1 és p 2 nyomások (N/m 2 ) és R a gyűrű közepes sugara (m). Számításoknál az egyszerűség miatt a nyomáskülönbséget gyakran a h ( r2 - r 1 ) értékkel helyettesítik. Az ellennyomaték nagysága egyenlő a fékező ellenerő (ellensúly) és karjának szorzatával, vagyis a billenőgyűrűs ábra. Billenőgyűrűs manométer mérleg részletesen felírt egyensúlyi feltétele a következő: ( p 1 - p2 ) F R = G a sina, ahol: G az ellenerő (ellensúly nagysága), a az ellenerő karjának a hossza és α a mérleg elfordulási szöge. A fenti összefüggés alapján nyílvánvaló, hogy a billenőgyűrűs mérleg mérési határát az ellenerő karjának rövidítésével, vagy növelésével könnyen meg lehet változtatni. A billenőgyűrű alkalmazására mutat néhány példát a számú ábra ábra. Néhány billenőgyűrűs megoldás 252

253 16.5. ábra. Szelencés nyomásmérő Balról jobbra az alkalmazási módok láthatók: nyomásmérés, huzatmérés, nyomáskülönbségmérés, vákuummérés. A billenőgyűrűs mérleggel mért nyomásértékek szemben az U-csöves manométerrel kapott értékekkel függetlenek az alkalmazott zárófolyadéktól és a környezeti hőmérséklet hatásától. Felhasználás: A billenőgyűrűs mérlegeket leginkább a nyomáskülönbségek mérésére alkalmazzák, de egyéb nyomásmérési feladatok elvégzésére is kiválóan hasznosíthatók. Elegendő erőt adnak regisztráló, távadós és kontaktust adó műszerek működtetésére is. A mechanikai áttétel megfelelő kiképzésével a skála linearizálható, vagy bármely szakaszán megnyújtható. Megjegyzés: villamos átalakító esetén az ellenállásszál természetesen be van építve, amit a jelenlegi ábrák nem mutatnak. A számú ábra szelencés nyomásmérőt mutat, amelyet a membrán elmozdulásoknál alkalmazunk, a számú ábra pedig egy csőrugós ellenállásos átalakítás Ellenálláshuzalos átalakító A számú ábrán egy ellenálláshuzalból ábra. Csőrugós nyomásmérő felépített átalakító látható. A számú ábrán látható megoldás túlnyomásra igénybe vett egyenes cső tágulásának mérésén alapul. A félig ábra. Huzalellenállásos átalakító furattal ellátott rúdra szigetelten ellenálláshuzalt tekercselnek. A furatig a cső deformálódik, ami a huzal megnyúlásához vezet, ami megváltoztatja az R 1 ellenállást. A huzal relatív megnyúlása: 253

254 16.8. ábra. Membrános nyomásmérő e Dl p D = = 2 l E d Nyúlásmérőbélyeges nyomásmérő ( m), ahol: p - nyomás, D - furatátmérő, E - rugalmassági modulus, δ falvastagság és μ Poisson állandó (μ<1). Az R 2 a nyomástól független, így hőkompenzációra használható. Általában nagyobb nyomásra alkalmazzák. A számú ábra membrános nyomásmérőt mutat, huzalos mérőátalakítóval. A membránra hatóerő a két tuskót kifelé nyomja, így feszíti a rácsévélt tekercsellenállást. A másik cséve nem deformálódik, így a kompenzációt szabályozza. Kisebb nyomások esetén használják ábra. Nyomásmérés nyúlásmérő bélyeggel A számú ábra nyúlásmérő bélyeget mutat, amit membránra ragasz-tanak fel közvetlenül. A számú ábrán szifonmembrános nyomáskülönbség mérő látható nyúlásmérő bélyeggel. Itt a laprugó két oldalára ragasztják a bélyegeket, így hídba kötve négyszeres érzékenység érhető el. A számú ábra nyú-lásmérőt alkalma-zó nyomásmérő cellát mutat ábra. Mérés szilfonmemránnal a, Átmeneti ellenállásos átalakító Szénoszlopos nyomásátalakítót mutat a számú 16.4, Nyomásfüggő ellenállásos nyomásmérő ábra. Nyomásmérő cella bélyeggel 254

255 ábra. Ezzel már korábban foglalkoztunk, ezért itt részletesebben nem tárgyaljuk. b, Piezorezisztív nyomásérzékelő Ebben az esetben nyomásfüggő ellenállást, vagyis bizonyos félvezetőket és fémeket alkalmazunk. A legtöbb fémre kis nyomástartományon belül az alábbi lineáris függvénykapcsolat adható meg adott ellenállás és nyomásváltozás között: R = R0 ( 1+ b Dp), ahol: R 0 - ellenállás légköri nyomáson és b - az ellenállás nyomástényezője. Az alábbi táblázat dan/cm 2 között megadja az átlagos nyomástényezőt 25 0 C-on. Fém Nyomástényező (b) [1/(daN/cm 2 ] Alumínium Antimon Réz -1, Vas -2, Manganin 2, Platina -1, Ezüst -3, A számú ábra manganin nyomásérzékelőt ábrázol. Jelölései: 1. műszerház, 2. kúpos átvezető, amely az ellenállás nagy nyomású térből történő kivezetésére szolgál, 3. csillámhüvely szigetelési célra, 4. manganin spirál, 5. nyomásadó folyadékkal töltött csőmembrán Piezoelektromos nyomásátalakítók ábra. Szénoszlopos nyomásmérő cella Piezoelektromos nyomásmérő lát-ható a számú ábrán. A longitudinális és transzverzális irányok értelmezésére a számú ábra ad felvilágosítást. A számú ábra mutat példát különböző piezoelektromos nyomásmérő fejekre. A 16.16a. ábra magas hőmérsékletű mérőhelyre (vízhűtéssel) kialakított, a 16.16b. ábra szintén magas hőmérsékletű mérőhelyre van kialakítva, de ábra Manganin nyomásérzékelő

256 nyomásközlő dugattyúval, a 16.16c. ábra magas frekvenciás alkalmazásra kialakított és a 16.16d. ábra miniatűr kivitelű átalakítókat mutat igen magas frekvenciára. A 16.16a. ábrán a membránon ébredő nyomóerőt, nyomólap adja át az egymással szembefordított ábra. Piezoelektromos nyomásátalakító longitudinális igénybevételű kvarc lapháznak. Nyugalmi állapotban az előfeszítésről (mechanikai) rugalmas betét gondoskodik. Belsőégésű motoroknál alkalmazzák. A kvarc hűtéséről cirkuláló vízzel gondoskodni kell. A 16.16b. ábrán a nyomóerőt viszonylag hosszú dugattyú adja át a kvarcnak. A hosszú dugattyú vízhűtés nélkül is védi a kristályokat. A 16.16c. ábra nem kvarc lapokat, hanem csövecskéket tartalmaz. Hasonló megoldást mutat 16.16d. ábra is. Néhány piezoelektromos kristály (turmalin, bórkősav, stb.) hidrosztatikai nyomásra is érzékeny. A kristályokon fellépő polarizációs feszültség egyenesen arányos s nyomással. Az ilyen kialakítású átalakítónak nagy a kimenő ellenállása, ezért főleg változó nyomások mérésére alkalmas. A mérhető nyomástartomány: Pa. Hőmérséklet kompenzálásáról gondoskodni kell (16.16e. ábra) Magnetoelasztikus nyomásmérő A magnetoelasztikus nyomásmérőt mutatja a számú ábra. A membránon ébredő nyomóerőt magnetoelasztikus erőmérő cella érzé ábra. Különböző irányok értelmezése 256

257 keli. Nagy nyomásoknál használják. Ritkábban alkalmazott eljárás ábra. Piezoelektromos nyomásérzékelők 257

258 ábra. Magnetoelasztikus nyomásmérő Induktív átalakítók Az elvet a korábban tárgyaltuk, így itt csak különböző megoldásokat mutatjuk be. Nagy elmozdulásokra kiképzett induktív nyomásmérőt mutat a számú ábra. Helyettesítő kép egy induktív félhíd. A számú ábrán látható módszer rezonancia alapján működik. Ezzel a módszerrel diszkrét értékek mérhetők. Az U-cső egyik szára körül (b ábra) tárcsás tekercsek ábra. Induktív nyomásmérő vannak elhelyezve. Mindegyik tekerccsel sorba egy-egy azonos értékű kondenzátor és a kondenzátorral párhuzamosan egy-egy parázslámpa van kapcsolva, ami természetesen lehet más kijelző is megfelelő elektronika alkalmazása mellett. Egy-egy egység soros rezgőkört képez. Az egységek egymással párhuzamosan kapcsolva az R-en keresztül váltakozó tápfeszültségre vannak ábra. Rezonancia elven működő nyomásmérő 258

259 kötve. Ha az úszón lévő vasmag a tekercsben van, akkor van rezonancia. Ekkor a kondenzátoron Q-szorosára nő a feszültség és működik a lámpa. Az úszó helyzete ennél a módszernél tehát a nyomás függvénye ábra. Fémmembrános induktív átalakító ábra. Harang típusú induktív nyomásmérő ábra. Burdoncsöves induktív differenciálátalakító ábra. Kettős induktív nyomásmérő 259

260 A számú ábra egy fémmembrános induktív átalakítót ábrázol, amelyet a robbanómotoroknál használnak. Jelölései: 1. membrán, 2. vasmag, 3. tekercs, 4. vízhűtés be és kivezetés. A számú ábrán harang típusú induktív nyomásmérő látható. Az elmozduló harang egy mozgó vasmagos transzformátorhoz kapcsolódik. A skálázás nyomásban történik. Burdoncsöves induktív differenciálátalakítót mutat a számú ábra és kettős induktív átalakítóval ellátott mutatós nyomásmérőt a számú ábra. Ez utóbbi szögátalakítós nyomásmérő Kapacítív nyomásérzékelők A gázok, folyadékok és szilárd anyagok e r -je függ a nyomástól. Ezt a tulajdonságot használják fel az átalakítók készítésénél. A másik módszer a kapacitásváltozás felhasználása. A számú ábra egy nem vezető ábra. Kapacitív nyomásérzékelő ábra. Változó felületű kapacitív érzékelő ábra. Differenciálkondenzátoros érzékelő folyadékok nyomásának mérésére alkalmas érzékelőt mutat. A kondenzátort képező ábra. Elektrolitos nyomáskülönbség érzékelő elektródák hengeres elrendezésűek. Jelölések: 1. külső elektróda, amely egyben a folyadék tartálya, 2. belső elektróda, 3. rögzítő anya, 4. szigetelő. Ezzel a módszerrel Pa mérhető. Az érzékelőket különböző anyagokra hitelesíteni kell. A 260

261 kapacitás-nyomás karakterisztika nemlineáris. A számú ábra változófelületű kapacitív kijelzőt mutat. A külső fegyverzet maga a tartály, a belső pedig általában higany. A számú ábra egy membránnal egybeépített differenciál-kondenzátoros megoldást mutat Elektrolitos nyomáskülönbségmérő Az elektrolitok ellenállásváltozását használja ki ez a módszer. A számú ábra igen nagy érzékenységű nyomáskülönbségmérőt mutat. A szigetelőanyagból készült kamrák műanyag membránt fognak közre. A kamrákban lévő elektrolit a membrán helyzetétől függő vastagságú elektrolit-filmet alkot. A két elektrolitfilm ellenállása így ellenkező értelemben változik, ami megnöveli az érzékenységet. Ez a módszer hőmérséklet és koncentráció független Hővezetés alapján működő nyomás-mérők Alacsony nyomáson a gázok hővezető képessége erősen csökken. Ha nyomástérbe egy fűtött szálat helyezünk és a szálat állandó teljesítménnyel fűtjük, akkor csökkenő nyomáson a csökkent hővezetés miatt a szálról kevesebb hő távozik, így a szál hőmérséklete megemelkedik. Ilyen körülmények között a fűtőszál hőmérsékletének mérésénél a nyomás indikálható. Meg kell említeni, hogy a fűtött szálról hősugárzás és a szerkezeti elemeken keresztül hővezetés is fellép, azonban ez csak kb Pa alatti nyomásokon lesz túlsúlyban a hővezetéshez képest. a, Hőelemes nyomásmérők Elvi felépítése a számú ábrán látható. Mindegyik kialakításnál megtalálható a fűtőszál és a hőelem, a 16.28a. ábrán a fűtés és a hőelem külön egységet képez, amíg a 16.28b. és 16.28c. ábrákon a hőelem ábra. Hőelemes nyomásmérő elvi felépítése és a fűtés szerkezetileg egyesítve van. A méréshatár mindegyik esetben kb Pa között van. b, Ellenálláshőmérős nyomásmérők 261

262 Legismertebb típusa a Piráni mérőfej, amelyet a számú ábrán látható. Az ellenálláshőmérőt búrában kifeszített kb. 0,06 mm átmérőjű platinahuzal képezi. A ábra. Piráni mérőfej kivezetéseket csőlábakhoz csatlakoztatják. A huzal még wolframból és nikkelből is ábra. Egyéb Piráni fej megoldások ábra. Piráni és hőkompenzáló fej bekötése készülhet. A Piráni mérőfej és a hőkompenzáló fej bekötését a számú ábra mutatja. A hidat tápláló áramot állandó értéken tartva a mérőfejben lévő nyomás a híd kimeneti feszültségével mérhető. A kompenzáló fej és a mérőfej paraméterei teljes egészében megegyeznek, de a kompenzáló elemnél az üveg-búrát vákuum alatt lezárják. Ezt a típust Pa nyomás között használják. A Piráni mérőfej félvezetőkkel is megépíthető, amivel a mérési tartomány kibővíthető. Egyéb kiviteli formák láthatók a számú ábrán. A búra üveg vagy fém. A hővezetéses vákuummérőknek három üzemmódja terjedt el: - állandó árammal fűtött ellenállást mérik, - állandó hőmérsékleten tartott szál fűtőáramát mérik, - állandó árammal fűtött szál hőmérsékletét 262

263 mérik A számú ábra tipikus hídkapcsolásokat mutat. Az ábrán az alapkapcsolás látható, ami a legegyszerűbb, de a hátránya, hogy a környezeti hőmérséklet és a fűtőáram változása jelentős mérési hibát okoz. A 16.32b ábrán látható kapcsolás és differenciálkapcsolású félhidat mutat, amely men-tes az elöbbi hibáitól, hiszen a kompenzáló és mérőfej mindenben azonosak, így differenciálkapcsolásban a hidak kompenzálódnak és az érzékenység is kétszerese az előb-bieknek. A 16.32c. ábrán egy teljes híd látható, amely ráadásul differenciálkapcsolású, így a legjobb tulajdonságokkal rendelkezik. c, Hőelemes nyomásmérők A számú ábra mutat hőelemes nyomásmérőt, pontosabban termokeresztes vákuummérőt. Előnye, hogy a ábra. Termokeresztes vákuummérő ábra. Hídkapcsolás Piráni fejjel környezeti hőmérséklet megváltozására a termofeszültséget nem befolyásolja. (A meleg és hidegpont hőmérséklete együtt változik.) Az érzékenység a hőelemek sorba kapcsolásával növelhető, így a mérés 10-2 Pa-ig elvégezhető. Ezt a megoldást a számú ábra mu-tatja. Az első hat elem a mérést, a másik hat elem a kompenzálást végzi. Ez utóbbiak természetesen nem fűtöttek. d, Ionizációs vákuummérők Adott gáztérben időegység alatt keletkező ionok száma az ionizációt kiváltó hatás erősségétől és a térben lévő gázrészecskék számától függ. A mérés során biztosítani kell az állandó intenzitású ionizáló hatást, ami 263

264 általában termikus elektronok útján történik. Egy dióda jellegű elektroncső izzókatódjáról kilépő elektronokat az anód felgyorsítja, így ezek egy-egy gázrészecskével ütközve elektron-ionpárt hoznak létre. Az elektronok az anód, az ionok a katód felé haladnak így hozva létre az elektron és ionáramot. Mivel kevés elektron hoz létre ionáramot, ezért az elektronáram jóval nagyobb és ezek aránya függ a bent lévő nyomástól: Iion = k p Ielektron Hőelemek sorbakapcsolása az érzékenység növelése céljából A rácsra V -os pozitív feszültséget adnak, míg az anódra 2 50 V os negatívot. A rács felé repülő elektronok ionokat hoznak létre, amelyek nagyobb része az anódba, a kisebb része pedig a katódba jut. Izzókatódos vákuummérőket mutat a 16.35a. és 16.35b. számú ábra. A 16.35c. ábrán gázokra tehát a nyomásmérőt hitelesíteni kell. A 16.35d. ábra mutat példát a nyomás és az I i összefüggésre, ha I e állandó. A es kifejezésben szereplő k konstans az elektródarendszer geometriájától függ, továbbá a gáz minőségétől és az alkalmazott feszültségek nagyságától. A mérőt különböző gázokra hitelesíteni kell. A hidegkatódos ionizációs vákuummérőknél az ionizálást az erős villamos tér által felgyorsított részecskék végzik. Még egészen kis anódtávolságok esetén is kv. nagyságú feszültségre van szükség. Elfogadható anódfeszültség esetén is igen kis anódtávolságok adódnak, ezért kis valószínűséggel ütköznek a részecskék rövid a távolság emiatt mágnestérrel spirális pályára kényszerítik az elektronokat, ezzel megnövelik a haladási útvonalat. Elegendő nagy H tér esetén az elektronok útvonala az eredetihez képest több nagyságrenddel nő, így jelentős ionáram jön létre. A rácsra V -os pozitív feszültséget adnak, míg az anódra 2 50 V os negatívot. A rács felé repülő elektronok ionokat hoznak létre, amelyek nagyobb része az anódba, a kisebb része pedig a katódba jut. Izzókatódos vákuummérőket mutat a 16.35a. és 16.35b. számú ábra. A 16.35c. ábrán gázokra tehát a nyomásmérőt hitelesíteni kell. A 16.35d. ábra mutat példát a nyomás és az I i összefüggésre, ha I e állandó. A es kifejezésben szereplő k konstans az elektródarendszer geometriájától függ, továbbá a 264

265 gáz minőségétől és az alkalmazott feszültségek nagyságától. A mérőt különböző gázokra hitelesíteni kell. A hidegkatódos ionizációs vákuummérőknél az ionizálást az erős villamos tér által felgyorsított részecskék végzik. Még egészen kis anódtávolságok esetén is kv. nagyságú feszültségre van szükség. Elfogadható anódfeszültség esetén is igen kis anódtávolságok ábra. Izzókatódos vákuummérő 265

266 ábra. Hidegkatódos vákuummérő ábra. Spirálpálya kialakításának elve 266

267 ábra. Radioaktív ionizációs vákuummérő 267

268 A számú ábrán a spirálpálya kialakításának elvét láthatjuk. Ezzel a módszerrel Pa-ig lehet mérni. A 16.38a. számú ábra radioaktív ionizációs vákuummérőt mutat, a 16.38b. ábrán pedig a különböző gázok esetén felvett nyomás-áram karakterisztika látható. Az A anód a K katód, az S pedig rádiósugárforrást jelöl. Az adott gázt az α részecskék ionizálják. Az áram igen kicsi A nagyságrendű. Az R ellenálláson fellépő feszültséget csak különlegese erősítővel lehet mérni. A mérés Pa között lehet végezni. Ionizációs kamrát mutat a számú ábra is ábra. Ionizációs kamra 268

269 17. Fejezet Magas hőmérsékletek mérése (Termográfia) Bevezetés Az infravörös sugárzáson alapuló hőmérsékletmérés azt a fizikai jelenséget használja, hogy az abszolút nulla K (273,16 o C) felett a testek elektromágneses hullámokat bocsátanak ki. Az itt alkalmazott hullámhossz tartomány 0,8 μm 20 μm között található. Magas hőmérsékleten kb C tól kezdődően az érintkezés útján működő hőmérőkkel történő mérési eljárások egyre több nehézségekkel járnak. A nem nemesfémekből készült hőelemek élettartama, ha alkalmazásuk felső határa C körül van, a nemesfémből készült hőelemeké pedig C felett, tartós üzemben igen rövid. Ezért az e feletti hőmérsékletméréseket ún. sugárzási pirométerekkel mérjük, amikor egy izzótestből kiáramló sugárzási energia alapján végezzük el a mérést. Ez az eljárás azért lehetséges, mert a sugárzási energia az izzótest hőmérsékletével törvényszerű összefüggésben van. A sugárzási pirométer a sugárzó energiát a mérendő közegtől egy bizonyos távolságból méri. A hőmérőkészülék csak jelentéktelen mértékben melegszik fel, és nincs elhasználódásnak kitéve. Általában olyan helyeken, ahol a hőelemek túlságosan erős elhasználódásnak vannak kitéve, pl. az agresszív gázok miatt, már C on is használják. A sugárzási pirométerek nagy előnye a gyors beállási idő. Mivel működési alapelvük a sugárzási törvényeken alapszik, ezekkel is foglalkoznunk kell A hősugárzás alaptörvényei ábra. Abszolút fekete test Ha melegítünk egy testet, az (láthatatlan) hősugarakat bocsát ki. A hősugárzás következtében a meleg tovább terjed anélkül, hogy a közbenső közegeket lényegesen 269

270 felmelegítené. Ha a hőmérséklet emelkedik, növekszik a kisugárzott energia, és a kisugárzásnak az a része, amelyik a látható fény tartományába esik, szintén növekszik. A látható sugárzás fő összetevője először a vörös színben van (vörös izzás kb C tól). Növekvő hőmérséklettel sárga izzásba (kb C), majd kékbe (fehér izzásba) megy át. A hőmérsékletnek becslés útján történő meghatározása az izzási színek megfigyelésén alapszik. Az egyszínű sugárzás az egész kisugárzásnak csak nagyon kis részét tartalmazza, ezért ezt a jelenséget részsugárzásnak nevezzük, míg a sugárzási energia összegét összsugárzásnak mondjuk. Egy testből kiáramló sugárzás függ a test felületi minőségétől és kiképzésétől is. Olyan testnek van a legnagyobb sugárzóképessége, amely az összes ráeső sugárzást elnyeli. Az ilyen sugárzót fekete testnek nevezzük. Az ilyen test minden hőmérsékleten, függetlenül egyéb minőségétől, a maximális sugárzási energiát bocsátja ki. Tökéletes fekete test nincs a természetben. Az ún. üregsugárzók azonban nagyon megközelítik. A fekete test nem más, mint egy minden oldalán lezárt üreg, amelynek falait egyenlő hőmérsékleten tartják (17.1. számú ábra). A 17.1a. számú ábra az elvet mutatja, a 17.1b. ábra pedig a gyakorlati megvalósítást, amelynek során azt kell szem előtt tartani, hogy olyan abszolút fekete testet kell készíteni, amely sugároz. Ez a test két egymásba helyezett csőből áll, amely közül a belső tűzálló anyagból készül. Erre tekercselik fel a néhány század mm vastagságú Pt-PtRh, vagy I-Rh fóliából készült fűtőtestet. A fűtőtest az osztott, üreges 1-es test falát hevíti. A sugárzás innen jut több lépcsőben a 2-es jelű üregbe, amely tehát a sugárzást egy másik üreges tértől kapja. A hőmérséklet mérésére a 3. Pt-Pt-Rh termoelemet használják. A sugárzó a nyíl irányába sugároz. Az ideális sugárzóra (abszolút feketetest) érvényes törvények: a, Planck-féle sugárzási törvény: c1 Ml = [W/cm 2. mm], é æ c ö ù l êexp 2 ç -1ú ë è l. T ø û ahol: c 1 = 3, [W. m 2 ] első sugárzási állandó, c 2 = 1, [K. mm] második sugárzási állandó, λ - hullámhossz [m], M l - a sugárzás intenzitása. b, Stefan-Boltzmann-törvény a Plank törvény integrálásával kapható [felfedezés éve: 1879] ò -1-5 éæ 4 M l (T) = 2 1 exp c ö ù c l êç -1 d = T. T ú l s, ëè l ø û o é W ù ahol: s = 5, ê ú a Steafan-Boltzmann állandó. 2 ë m K 4 û A törvény fizikailag azt jelenti, hogy valamely T felületi hőmérséklettel rendelkező test felületegysége a teljes térbe egységnyi idő alatt a 17.2 kifejezés szerinti 270

271 teljesítménysűrűséget sugározza ki. A sz. ábra mutatja a fekete test által egy-egy adott hőmérsékleten kibocsátott hősugárzást és azt a hullámhosszt, amelyen a sugárzás intenzitása a legnagyobb. Ezt a jelenséget a Wien féle eltolódási törvény írja le, amely a Planck-törvényből vezethető le. A ábra görbéi alapján az a cél, hogy az IR (infrared) hőmérőt minél szélesebb hullámhossztartományra állítsák azért, hogy a lehető legtöbb kisugárzott energiát (görbék alatti terület) tudják összegyűjteni. Azonban vannak olyan esetek is, amikor ez a mérés szempontjából e-lőnytelen. 2 mikron hullámhossznál 10 mikronnal összevetve a sugárzás intenzitása a hőmérsékletnél jóval gyor-sabban növekszik. Minél nagyobb a sugárzásváltozás hőmérsékletváltozás hányados, annál nagyobb pontossággal mér az IR hőmérő. Az emelkedő hőmérséklettel a sugárzási maximum a rövidebb hullámhosszak felé tolódik el (Wien eltolódási törvény), ennek megfelelően az infravörös hőmérsékletmérő hullámhossz-tartományát a mérni kívánt hőmérséklettartománynak megfelelően kell beállítani. Alacsony hőmérsékleten (600 o C alatt) egy 2 mm-en működő IR hőmérő nem mér, mert nincs, vagy túl kicsi az adott hullámhosszon kibocsátott energia. Egy másik ok, ami miatt különböző hullámhosszokon érzékeny műszerekre van szükség az, hogy léteznek úgynevezett nem-szürke anyagok (üveg, fémek, műanyag filmek). Az elméletekben általában egy ideális, ábra. Hullámhossz és sugárzás közötti összefüggés fekete test szerepel, ugyanakkor a valóságos testek nagy része adott hőmérsékleten ennél kisebb sugárzást bocsát ki. A valós és a fekete test sugárzása közti különbségeket az emissziós tényezővel (vagy fekete testtel) lehet kifejezni, melynek jele: e értéke elméletileg 0 és 1 között lehet (fekete test: e = 1). Szürke testeknek nevezik azokat a testeket, melyeknek az emissziós tényezője kisebb 1-nél. Azokat a testeket, melyeknek a kibocsátása a hőmérséklettől és a hullámhoszsztól is függ, nem-szürke testeknek nevezik. Az emisszió (kibocsátás) felírható egy összegként is, melyben a tagok az elnyelés (absorption: A), a visszaverődés (reflection: R) és az áteresztés (transmission: T). 271

272 (17.3. ábra). A tömör tárgyaknak nincs átbocsátó képességük az infravörös tartományban (T = 0). A Kirchhoff törvény alapján feltételezhetjük, hogy egy test hőmérsékletét növelő elnyelt sugárzást a test ki is bocsátja. Így az emisszió és az abszorpció felírható a következő egyenlettel: A = E = 1 R Megjegyzés: Kirchhoff tétele szerint egy tetszőleges testből kibocsátott sugárzás sűrűsége S = e. S f, ahol S f egy azonos hőmérsékletű fekete testről kibocsátott sugárzás sűrűsége és e 1. A sokféle kisugárzás és visszaverődés következtében a már említett üreges test belsejében csak fekete testre jellemző sugárzás tud létrejönni. Ha az ilyen testet egy kis nyílással látjuk el, akkor ezen keresztül az összsugárzás egy része kilép. A sugárzási pirométereket ilyen fekete testekkel hitelesítik. Az ipari kemencék zárt izzótere kémlelőnyíláson keresztül nézve ilyen fekete testnek tekinthető. A sugárzás fajtája ill. tulajdonságai szerint, amelyeket a hőmérsékletmérésekben felhasználunk, megkülönböztetünk: Teljes sugárzást mérő pirométert, Részsugárzást mérő pirométert, Színpirométert (aránypirométer) Össz- sugárzó pirométerek ábra. Átengedett és visszavert sugárzás A teljes sugárzás mérésére szolgáló pirométerekben a mérendő tárgyból kilépő sugárzást optikai lencsékkel egy fénysugárfogó készülékre gyűjtik, s ezzel elnyeletik. A látható és a láthatatlan sugárzás energiája ekkor hővé alakul át, és a felvevő eszköz ábra. Optika és az ablakok viszonya 272

273 melegedése a mérendő tárgy hőmérsékletének mértéke. A sugárzás felfogására vékony, általában platinából készült befeketített lapocskákat használnak. A lapocska hőmérsékletét a legtöbb pirométeren villamos úton mérik. A keletkező termofeszültség arányos a felfogó lap hőmérsékletével, és ennek megfelelően függ a mérendő test hőmérsékletétől. Ezt az értéket hőelemmel mérjük. A sugárzás és a hőmérséklet közötti törvényszerű összefüggések alapján a mérőműszereket 0 C-skálával látják el. Az optikai berendezés többnyire egy, a korábban már tárgyalt gyűjtőlencserendszerből áll. Gyűjtőlencse helyett homorú tükröt (gyűjtőtükröt) is használnak. Megjegyzés Az infravörös hőmérsékletmérő optikai rendszere fogadja a céltárgy felületéről (kör alakban) kibocsátott infravörös energiát, és fókuszálja azt a detektorra. A célnak pontosan ki kell töltenie ezt a kört (spot), különben a szenzor a háttérben más test által kibocsátott sugárzást is észlelni fog, ami pontatlanná teszi a mérést. (17.4. ábra). Az optikai érzékenység jellemzésére a mérendő tárgytól mért távolság és a szenzor által érzékelt kör átmérőjének a hányadosát használják ábra. Infravörös szenzor kép és távolság összefüggés (D:S). Minél nagyobb ezt a hányados, annál jobb a mérőeszköz optikai felbontása, és annál kisebb céltárgyat lehet mérni adott távolságból. (17.5 ábra) Az alkalmazott optika lehet tükör vagy lencse. Lencséket csak bizonyos hullámhossz tartományban lehet használni a lencse alapanyagok átbocsátási hullámhossztartománya miatt, pedig a készülékek tervezésének és kialakításának szempontjából kedvezőbbek. A pirométereket gyakran ellátják célzó teleszkóppal vagy lézerrel, melyek lehetnek beépítettek vagy a készülék tokjára rögzítettek. A lézersugár lehetővé teszi, hogy a műszer használója a mérőpontot gyorsan és precízen irányíthassa a célra, különösen moz-gó céltárgy, illetve gyenge ábra. Mérendő felület és a lézersugár képe 273

274 megvilágítás esetén. Különbséget teszünk a célzó lézerek között kialakításuk szerint: 1, A lézersugár és a szenzor optikai tengelye eltér Ez a legegyszerűbb kivitel, olyan eszközök számára, amelyeknek optikai érzékenysége kicsi (nagy felületek mérése). A lézersugár a mért felület közepét mutatja, de kis távolságnál jelentős pontatlanságot okozhat. 2, Koaxiális lézersugár A lézersugár az optika közepéből lép ki, és az optikai tengely közepén marad. A mérési pont közepe precízen jelölt minden távolságnál. 3, Kettős (iker) lézersugár Az iker lézer két célzó pontja nagy távolságban is megmutatja a mért felület pontos átmérőjét. Ezzel a megoldással a készülék használójának nem kell becsülnie a mérendő pont átmérőjét, ami csökkenti a mérés hibáiból fakadó pontatlanságot. 4, Kör alakú lézer eltolt tengellyel Ez az eszköz a legegyszerűbb megoldás arra, hogy megmutassa a mérési területnek nem csak az elhelyezkedését, hanem a méretét és az alakját is. A mérendő felület a lézer körön belül helyezkedik el, ugyanakkor a célzás csak egy bizonyos távolságon túl használható. A műszerek úgy vannak beállítva, hogy a lézersugár nyílása nagyobb legyen, mint a szenzor optikájáé. Ha a mérendő felület teljesen kitölti a lézersugár képét, akkor biztos, hogy a mérés pontos lesz. (17.6. ábra). 5, Precíziós 3 pontos koaxális lézer A lézersugarat 3 egyvonalban haladó sugárra osztják, melyek közül a két szélső a spot szélét jelöli, a középső pedig a közepét, ami a felhasználó számára lehetővé teszi a kiemelkedően pontos célzást minden szögből és távolságból. További előny, hogy a lézer pontok megmutatják azt a távolságot, amelynél a legkisebb a mért célfelület (ahol a három lézersugár metszi egymást) (17.7. ábra). A lézersugár kiegészítéseként ajánlott célzó távcső alkalmazása azokban az esetekben, amikor a céltárgy nagyon fényes (pl. izzik), erős napfénynél, vagy nagy távolságról kell mérni. A teljes sugárzás mérésére szolgáló pirométer felépítése a számú ábra mutatja. A mérendő hőmérsékletű test által sugárzott ábra. 3 pontos koaxiális lézercélzás energiát az (1) optikai rendszerrel fókuszálják, és a fókuszpontban a (2) matt fekete lemezt (pl. kormozott platina lemezt) helyeznek el, amely az összegyűjtött energia nagyságának megfelelően felmelegszik. A lemez árnyékos oldalán a (3) termoelem foglal helyet, amelyek feszültségét a (6) galvanométer méri. A lemez és a termoelem rendszerint vákuum és üveggömbben van elhelyezve. A gömböt a (4) nyíláson ellátott fémsapkával takarják le. A pirométer beállításához a (5) szemlencsét használják. A 274

275 készülék beállítása akkor helyes, ha a mérést végző személy a sugárzó előtt a lapocskákat sötét lemeznek látja és körülötte egyenletes fényes mező van. Ezt mutatja a számú ábra. Az alacsonyabb mérési tartományoknál több hőelemet sorba kapcsolnak. Ebből a célból a sugárzást érzékelő lapocskát hőelemszámnak megfelelően kell felosztani. Ezáltal a hőelemek ábra. Összsugárzó pirométer felépítése forrasztási pontjait szétválasztjuk. Az egyes lapocskák a pirométer látómezőjében újra kiegészülnek egy kör vagy négyzetfelületé ( számú ábra). Jelölések: 1. hőelem, 2. tartóhuzal, 3. üvegszigetelés, 4. üvegtartóállvány. Ezzel a szerkezeti megoldással a műszer érzékenysége annyira növelhető, hogy az alacsony mérési tartományokban is használhatjuk a platinarhodium-platina hőelemekhez készített mérőműszereket. Hogy a hőelvezetésnek a körülvevő levegő által történő befolyásáthatástalanítsuk, a hőelemet légtelenített üvegburába építik be. Ezáltal a hőelem érzékenysége kb. a négyszeresére nő. Magasabb hőmérsékletek méréséhez az üvegbúrát nem légtelenítik, hanem nemes gázzal töltik meg. Ez a piro ábra Helyes mérési beállítás méter hőtehetetlenségét csök ábra. Helyes és helytelen kenti. Ezzel a beállítás képe módszerrel C-ig lehet mérni. Az itt tárgyalt készüléket ardométernek is nevezik. A másik legjobban elterjedt készülék a pyrradio, amely a számú ábrán látható. Jelölések: 1. gyűjtőlencse, 2. hőelem, 3. kettősfémszalag, 4. szemlencse, 5. homályos üveg. Lényegében csak a hőmérséklet-kiegyenlítés módjában 275

276 különbözik az ardométertől. A pyrradionál a hőmérsékletkiegyenlítés egy kettős fémszalaggal működtetett lappal történik. Akkor, amikor a ház hőmérséklete emelkedik, jobban kinyílik, ezáltal a hőelem jobban felmelegszik, mint amennyire szükséges, hogy a kiegyenlítőhely megnövekedett hőmérséklete következtében a ábra. Pirradio összsugárzó pirométer lelépő termofeszültséget újra kiegyenlítse. Ezáltal elérhető, hogy a pirométer változó környezeti hőmérsékleteken C-ig használható anélkül, hogy a mérési eredmények pontossága lényegesen változna. Az ábrán jelölt okulárlencse egy homályos üvegre vetíti az izzótestnek és a platinalapocskának a képét. Hogy mindkettőt jól felismerhessük, a homályos-üveget legalább 25 cm távolságból kell néznünk. Ennek az elrendezésnek előnye, hogy a műszert figyelő nagyobb távolságban a pirométert jól tudja beállítani, és így a mérőműszer sugárzó hőnek kevésbé van kitéve. A pyrradionál a hőelemeket a légtelenített üvegbúrába építik be. A termofeszültség C-nál magasabb mérési tartományokban is egységesen 30 mv. A pyrradio az alábbi 5 mérési tartományra alkalmas kivitelben készült: C 25mV C.. 30mV C 30mV C 30mV C 30mV Az összsugárzó pirométereknél megadják a sugárzó felülettől való távolságot. Általában minimális és maximális távolságot adnak meg. Az összsugárzásmérőknél a helyes mérés alapvető feltétele, hogy az e- gyenletes hőmérsékletű sugárzó felület képe teljesen töltse ki a látómezőt a számú ábra szerint. Az öszszsugárzó pirométereknél azonban a tárgylencse helyzetét nem ábra. 3 pontos koaxiális lézercélzás lehet állítani, tehát csak egyenletes állás mellett 276

277 bocsát ki éles képet. Ezért gyakran korrekciót adnak meg a tárgy műszertávolság függvényében. ( számú ábra) részsugárzó pirométerek A sugárzó testek felületi hőmérsékletének azt a jelenséget is felhasználjuk, hogy a sugárzási frekvencia-spektrum a hőmérséklet függvénye. A spektrumot a Planck-féle sugárzási törvénye írja le. Ennek alapján egy görbesereg rajzolható fel (17.2. számú ábra). Ezekből a görbékből megállapítható, hogy a hőmérsékletre az energián kívül még valamely adott hullámhosszon kisugárzott energia nagysága is jellemző. Ezt a jelenséget kihasználó hőmérsékletmérő műszereket részsugárzó pirométereknek is nevezzük. E műszerekkel a mérendő izzótest fényerősségét egy hitelesített sugárzó test ábra. Izzószálas pirométer fényerősségével hasonlítjuk össze. Felhasználásuk a látható sugárzás területére, vagyis a C feletti hőmérsékletekre korlátozódik. Két test fényerőségének összehasonlí-tására két lehetőség ad módot. Vagy az összehasonlító sugárzóként használt izzólámpa fényerejét választjuk alapul és a mérendő test fényerejét addig csökkentjük optikai eszközökkel pl. szürke üvegprizmával, míg a fényerők egyenlők nem lesznek, vagy az összehasonlító sugárzóként használt izzólámpa fényerejét változtatjuk addig, míg az meg nem egyezik a mérendő test fényerejével. Az izzószálas pirométer elvi felépítését a számú ábra vázlatosan mutatja. A pirométert alkotó távcső sugárútjába a c tárgylencse és az e okulárlencse közé a d kiegyenlítő lámpát helyezik. Egyszínű fény előállítása végett a szemlencse előtt az f vörös üvegszűrő van. Mérés előtt az izzószál képét és arra a mérendő tárgy képét a ábra. Izzólámpa és a helyes mérés összefüggése lencse elforgatásával a legélesebbre állítjuk be. A lámpa izzószála ekkor a távcsőben az izzótest képén látható. A g forgóellenállással a lámpa izzószálának fényerősségét a 277

278 mérendő test fény-erősségével tesszük egyenlővé. Ekkor a lámpa izzószála a mérendő test felületével egybeolvad ( számú ábra). A17.14a. ábrán az izzószál sötét, a 17.14c. ábrán pedig a világos, így mindkettő helytelen. Az izzólámpa fényerőssége tehát az áramerősségtől függ. Az áramerősség illetve az izzólámpán fellépő feszültségesés tehát egyértelműen meghatározza a mérendő hőmérsékletet, és az izzólámpa áramkörében kapcsolt h forgótekercses műszert ezért közvetlenül hőfokokra lehet hitelesíteni. Az izzószál hőmérséklete nem fokozható tetszés szerint, tehát a mérési terjedelem korlátozott. Nagyobb hőmérsékletek mérésénél ezért a sugárzás gyengítéséremellyel a műszer méréshatárát jelöljük- egy ismert áteresztőképességű, füstszínű üveget kell a sugárzó test és az összehasonlító lámpa közé helyezni. Összehasonlító lámpának néhány század milliméter átmérőjű wolframszálas lámpát használnak. Ennek áramfelvétele kb. 100 ma, ezért áramforrásként zseblámpaelem is alkalmazható. A Pyrradio részsugárzó pirométer felépítése a számú ábrán látható. Ennél a típusnál az összes ábra. Pirradio részsugárzó pirométer alkatrészeket a mutatóműszerrel és a kézifogantyúba beépített akkumulátorral együtt közös tokba építik. A műszert két mérési tartománnyal készítik: C-ig és C-ig (vagy C-ig). A mérési tartományt a füstüveggel növelik. Az izzószál fényerősségét a skála előtt elhelyezett tárcsa forgatásával szabályozzák. Az állítótárcsa 0 végállásban az áramforrást kikapcsolja, és a mérőműszert rövidre zárja. A mérőműszer egy voltmérő, amely az összehasonlító lámpa kapcsán a feszültségesést méri. Más típusú részsugárzó pirométer látható a számú ábrán. Jelölések: 1. tárgylencse, 2. szemlencse, 3. füstüveg hőmérsékletskálával, 4. izzószálas lámpa, 5. pizma, 6. piros üvegtárcsa, 7. zseblámpa elem, 8. árammérő, 9. ellenállás. Ez a megoldás állandó fényerősségű összehasonlító lámpával készül. A mérendő test sugárzását egy ékgyűrű alakú, füstszínű üveg elfordításával állítják be az összehasonlító lámpa fényerősségéhez. A beállítás akkor helyes, ha a műszeren keresztül nézve a látótér pereméről a fényjel eltűnik. Az ékgyűrű külső kerületén van a hőmérsékletskála, amelynek beosztása megközelítően egyenletes. 278

279 ábra. Más típusú részsugárzó A sugár útjában a tárgy- és a szemlencse között két prizma (5) van. Az egyik prizma hátsó falának ezüstözésében van egy ablak, amelyen keresztül az összehasonlító lámpa adja a méréshez szükséges fényjelet. A műszer lencseszerkezete olyan, hogy a mérés 2 m-ről egész tetszőleges távolságig lehetséges. A keresztszálas pirométernél szintén állandó fényerősségű normál sugárzást használnak. A két izzószál közül az egyik wolframból, a másik tantálból készül. Ezek áramfelvétele különböző. A két izzószálból egy változtatható ellenállással sorba kapcsolva csatlakozik az árramforráshoz. Az áramerősség változásakor a két szál fényerőssége azonnal nem lesz megegyező. Azonban egy bizonyos áramerősség értéknél mindkét szál fényerőssége azonos. Ezáltal már egy fix pontként szolgáló hőmérsékletet kaptunk. A mérésnél a tárgylencse és a lámpa közé forgathatóan elhelyezett szürke üvegprizmával a mérendő tárgy sugárzását addig csökkentjük, míg a tárgy és az izzószál fényereje egyenlővé nem válik ábra. Színpirométer felépítése 279

280 16.5. Színpirométer ábra. Gyakori színpirométer Alapelv: Egy sugárzó test színhőmérsékletén a fekete testnek azt a hőmérsékletét értjük, amelyen két egyszínű sugárzás fényerősségének viszonya egyenlő. Ez a viszony a hőmérséklettől függ. A gyakorlatban a zöld és a vörös kiegészítő színeket használják, mert a szem ezekre a színekre a legérzékenyebb. A zöld sugárzást alkalmas szűrővel addig gyengítjük, míg a fehér keverékszín keletkezik, akkor az ehhez szükséges gyengülés nagysága mért sugárzó test színhőmérsékletének mértékéül szolgálhat. A színpirométer felépítése: A pirométer eredeti formájában egy színprizmából áll, amely három prizma összeépítéséből származik ( számú ábra). Az 1. szűrő csak vörös és zöld sugárzást enged át. A 2. szűrőprizma az ékvastagsággal növekedő mértékben elnyeli a vöröset és átereszt minden zöldet. A 3. szűrőprizma elnyeli, de ellenkező értelemben növekedve a zöldet és a vörös sugárzást gyengítetlenül keresztülereszti. A prizmán egy ablakkal ellátott tolóka a skála mentén eltolható. A mérésnél a sugárzást az ablakon keresztül figyeljük. Ez akkor vörösen vagy zölden jelenik meg aszerint, hogy hőmérséklete alacsonyabb vagy magasabb, mint ahogyan a tolókaállásnak megfelel. Helyes beállításnál a megfigyelő sárga-fehér keverékszínt lát. A gyakorlatban legjobban a számú ábra szerinti színpirométer terjedt el. Ez a műszer kombinált szín-fényerősség pirométer, és egy munkafolyamattal tudja mérni a szín- és fekete hőmérsékletet, tehát behatárolja azt a tartományt, amelyben a tényleges hőmérséklet van. A 17.18a. sugárzó képét, a 17.18b. tárgylencsén keresztül, az e ragasztott üvegkocka részben ezüstözött átlós síkjára képezzük le, mialatt egy zseblámpaelemből táplált i összehasonlító lámpafény az ezüstözött részre esik. A megfigyelő ekkor az f szemlencsén keresztül egy összehasonlító mezőt lát a sugárzó képének közepében. A szemlencse és az üvegkocka között a sugár útjában van a c bikromatikus színprizma. Ez csak vörös és zöld sugárzást ereszti át, amely mint keverék szín lesz látható. A prizma eltolásával mindkét színrész viszonya változik, mert a prizma növekvő vastagsággal a zöld részt erősebben nyeli el. Az i 280

281 összehasonlító lámpa fénye ugyancsak vöröset és zöldet áteresztő, h bikromatikus színszűrőn megy keresztül, amely mint ugyanolyan hullámhosszú sárgászöld keverékszín lesz látható. A d semleges szürke prizmával azon kívül a sugárzókép fényerőssége változtatható. Az összes prizmát skálabeosztással készítik. Használathoz a lámpaáramot a k árammérő útján az előírt értékre állítjuk be, majd a szín- és a szürke prizmát annyira betoljuk, hogy a mérési mező színbe és fényerősségben megegyezzen az összehasonlító mezővel. A színhőmérsékletet akkor a színprizma skáláján, a fekete hőmérséklet pedig a szürke prizmán olvashatjuk le. A pirométer mérési terjedelme C. A működés matematikai alapja. A ábra szintén színpirométert mutat beépített szűrővel, de fotóellenállások felhasználásával. A l > 1 mm sugarakat az indiumfoszfát szűrő átengedi az ennél kisebbeket visszaveri. A hősugarak a fényellenállások megváltoztatásával U 1 és U 2 nagyságú feszültséghez tartozó hőmérséklet meghatározható. A következő egyenletet felhasználva kiszámítható a mért hőmérséklet. Az egyenletben az egyes csatorna hullámhossza l 1, a kettesé l 2, a mért hőmérséklet T mért : 1/ T mért = 1/T cél + (l 1 l 2 ) / c 2 [(l 2 - l 1 )] ln (e 2 /e 1 ). Abban az esetben, amikor az emissziós tényező (ε) mindkét csatorna esetében azonos, akkor a + jel utáni kifejezés értéke nulla, így a mért hőmérséklet megegyezik a céltárgy hőmérsékletével (T mért = T cél, c 2 : második sugárzási állandó, mm. K). Ugyanezt az elvet lehet alkalmazni az A célfelület esetében is, ami A 2 és A 1 mindkét csatorna esetében megegyezik, így a + jel utáni kifejezés a következőképpen néz ki: 1/ T mért = 1/T cél + (l 1 l 2 ) / c 2 [(l 2 - l 1 )] ln (A 2 /A 1 ) A mérés tehát független a mért felület méretétől. A szenzorra eső sugárzás arányosan csökken nemcsak a kisebb mért felületnél, hanem akkor is, amikor a szenzor csak egy rövid i- deig látja a céltárgyat. Így o- lyan testek ábra. Fotoellenállásos aránypirométer hőmérséklet is megmérhető, amelyek a szenzor válaszidejénél rövidebb ideig tartózkodnak annak látómezejében. 281

282 Hasonlóképpen küszöbölhetők ki a cél és a szenzor közötti átviteli közeg tulajdonságaiból származó mérési pontatlanságok is. Ezek az eszközök akkor is nagy pontossággal alkalmazhatók, amikor por vagy füst csökkenti a céltárgy által kibocsátott sugárzást. A modern készülékek érzékelik a szennyezett optika okozta sugárcsökkenést, és a beállított szennyezettség túllépésekor riasztójelzést küldenek a jelfeldolgozó központba (pl. légbefúvó berendezés meghibásodása esetén). Az arány pirométerekkel a következő esetekben lehet hőmérsékletet mérni: 1, Amikor a mérendő célfelület kisebb, mint a mért spot átmérője, vagy mérete állandóan változik. 2, A céltárgy a szenzor válaszidjénél gyorsabban áthalad a mért felületén. 3, A mérendő felület por, füst, vagy egyéb részecskék miatt nem megfelelően látható. 4, A mérés alatt a cél emissziós tényezője változik. 5, A csillapító-faktor kiegészítő információkat ad a folyamatról (pl. szennyezett lencsék vagy ablakok), amivel riasztójelzés vezérelhető Fejezet: Speciális pirométerek - Üvegszálas (fiber optic) pirométerek Az üvegszálas pirométereket olyan helyeken alkalmazzák, hol a mérőeszköz különösen erős elektromágneses sugárzásnak van kitéve. Az üvegszálas technológia lehetővé teszi, hogy az érzékeny elektronikus részegységeket a veszélyes zónán kívülre lehessen helyezni. Jellemző alkalmazási területei az indukciós kemencék és az indukciós hegesztés. Mivel az optikai szál nem tartalmaz elektronikus alkatrészeket, a működési hőmérsékletet jelentősen lehet emelni a hűtés igénye nélkül. Az általános felhasználási hőmérséklet 200 o C, de a legmagasabb környezeti hőmérséklet akár 300 o C is lehet. Az üzembe helyezés és a folyamatos működtetés költségei alacsonyabbak, mivel nincs szükség vízhűtésre. A modern készülékekben a száloptika és a lencse cseréje a készülék újrakalibrálása nélkül valósítható meg, egyszerűen meg kell adni a műszernek az új optika többjegyű gyári kalibrációs számát. A száloptikás kábelek 1 mm és 1,6 mm közötti hullámhossztartományban képesek átvitelre, amely 250 o C feletti célpontok hőmérsékletének mérését teszi lehetővé. 282

283 18. Fejezet Szintmérés A folytonos gyártási eljárásokban általában igen nagy jelentősége van a szintmérésnek és a szintszabályozásnak (pl.: desztilláció, lepárlás stb.). A szintméréssel azonban közvetett módon meg lehet határozni a tartályokban lévő folyadék tömegét, de fontos szerepet játszik a kazánoknál és a vízműveknél is. Az alkalmazott módszereknél figyelembe kell venni a mérést befolyásoló tényezőket: pl. hőmérséklet, nyomás, ábra. Szintérzékelés elvei agresszivitás mértéke, szennyezettség stb. A szintmérésnek sokféle módja van. A legfontosabbakat a sz. ábra mutatja. A ábrán néhány megoldás elvi vázlatát és néhány tulajdonságát mutatjuk be. A következőkben sorba vesszük a felsorolt mérési módszereket, de még ezen kívül is megemlítünk néhányat Ellenállás változáson alapuló szintmérők Villamos vezető folyadékok szintje a folyadékba merülő megfelelő alakú elektródok között ohmos ellenállás mérésével ellenőrizhetjük. Legegyszerűbb a szintérzékelő relé, amelyben két érzékelő akkor zár, ha az emelkedő folyadék az elektródákkal kapcsolatba lép. Ez csak szakaszos mérésre alkalmas, de folyamatos mérés is végezhető ezzel a módszerrel, ha követőrendszert alkalmazunk. Előbbire a számú ábra, utóbbira a számú ábra mutat példát. Mindkét esetben hibaforrást jelent a folyadék hullámzása és az érintkezők korróziója. Egy a vezető folyadékba merített ellenállás értéke a folyadék szintmagasságának függvényében változik. Olyan ellenállás alkalmazásával, amelyet alakos csévetestre lásd korábban tekercselnek lineáris összefüggés teremthető a műszer által mutatott érték és a folyadék mennyisége között. Hibaként a fajlagos ellenállás változás jelentkezik. Erre mutat példát a számú ábra. Ezeknél a méréseknél még felhasználhatók az elektromos mérőátalakítók is. Látható, hogy az itt tárgyalt módszereknél a folyadékok villamos tulajdonságait használjuk fel Mágneses sajátosságok megváltozásán alapuló módszerek 283

284 Ez a mérési eljárás is csak villamos vezető folyadékok szintmérésére használható. A váltakozó árammal táplált tekercset úgy kell elhelyezni, hogy a szint váltakozásakor a folyadék a tekercs belsejébe kerüljön. Hibát a fajlagos ellenállás változás okozhat, amely a hőfokfüggés miatt következik be. Erre a mérésre mutat példát a 18.6 számú ábra ábra Folyadékok tulajdonságain alapuló szintmérők 284

285 18.3. Kapacitásmérésen alapuló szintmérők ábra. Érintkezős szintkapcsoló a skálázásnál figyelembe kell venni. Hibaként e r hőmérséklet függése illetve az anyag összetétel változásából eredő függése szerepel. A kapacitások számítását már korábban ismertettük Termikus tulajdonságokon alapuló szintmérés Ez a módszer igen elterjedt a szintmérésben. Lényege, hogy koaxiális elektródarendszert merítenek a folyadékba. A változó magasságú folyadék néhányszor 100 pf kapacitásváltozást eredményez, ezért a mérőkör táplálására nagyfrekvenciás generátort alkalmaznak (18.7. számú ábra). Látható, hogy az egyik fegyverzet maga a tartály, a másik, pedig egy védőanyagba helyezett rúd, cső stb. A védőanyag általában műanyagból készül, és a korróziótól védi a rudat. Ennél a módszernél a műszer kitérése és a folyadék magassága között nem lineáris kapcsolat van, amit A mérés ábra. Folyamatos működésű szintérzékelés ábra. Ellenállásos érzékelő ábra. Mágneses tulajdonság alapján alapelve, hogy egy test hőátadása a környezet sajátosságától függ. Ezen az elven működő szintmérőt mutat a számú ábra. Alapelve egy nagy hőmérsékleti együtthatóval rendelkező ellenállás, amelyet a rajta áthaladó áram melegít. Nem folytonos működésű kapcsolás esetén (18.8a. számú ábra) az ellenállást az érzékelni kívánt el a tartályon belül. Ha a szint szint magasságában helyezkedik emelkedik, akkor az ellenállás a működő gázneműből a folyékony közegbe kerül. A hőmérsékleti vi- érzékelő szonyok ekkor megváltoznak és ezzel az ellenállás értéke is. Folyamatos mérés esetén rúd alakú függőlegesen elhelyezett ellenállást helyeznek el, amelyet a 18.8b. számú ábra szerint csak egy része merül a folyadékba. 285

286 úszók elmozdulása működtet valamilyen áttételen ke-resztül. Erre mutat példát a számú ábra és a számú ábra. A potenciométert mindkét esetben az úszó mozgatja, de pontosabb leolvasást tesz lehetővé a számú ábra, amelyen két potenciométer mozog, de áttételen keresztül. Az egyik durva, a másik fonom leolvasást tesz lehetővé. b) Induktív mérő-átalakítók ábra. Kapacitív érzékelő Még egy ugyanolyan ellenállást helyeznek el a folyadék aljára hőkompenzálás céljából. Hibaforrást a folyadék összetételének és a hőmérsékletnek változása jelent Úszóval működő átalakítások a) Ellenállásos mérőátalakító Ennél a módszernél a csúszóellenállások a leggyakoribbak, amelyet az ábra. Termikus tulajdonságokon alapuló szintmérés Ezt a megoldást szintén az úszók elmozdulásának érzékelésére használják. Egy mm-es folyadékszint mérésére alkalmas megoldást mutat a számú ábra, ahol az úszó mereven csatlakozik a vasmaghoz. Az ábra mutatja a kimenő feszültség változását a szint függvényében. Természetesen csak lineáris tartományban használjuk. Nagyobb elmozdulások mérésére az úszó és átalakító közé áttételt kell kialakítani a számú ábra szerint. Ez az átalakító mm-ig mér miközben a 286

287 vasmag elmozdulása csak ±30 mm. A kompenzáció elvén működő megoldást mutat a számú ábra. Az induktív ábra. Ellenállásos úszós szintérzékelő ábra. Ellenállás hatása a leolvasásra 287

288 ábra. Induktív szintérzékelő ábra. Áttétellel működő induktív szintérzékelő 288

289 ábra. Kompenzációs megoldás ábra. Magas nyomáson működő szintmérő 289

290 mérőátalakítók előnyösen felhasználhatók a folyadékszint feletti nagy sztatikus nyomás esetén is szintmérésre. A ábra egy tartály oldalára szerelhető berendezés vázlatos elrendezését mutatja. Az úszónak a felhajtóerő változásából eredő elmozdulását közvetlenül egy vasmagra visszük. Az érzékelő egy olyan transzformátor, amelynek a primertekercse kettéosztott és a két fél szembekapcsolódik egymással. A folyadékszint kívánt értékén amikor a vasmag középen helyezkedik el, a transzformátor szekunder tekercsében feszültség nem mérhető. A vasmag elmozdulásakor a szekunderfeszültség egyenirányítón keresztül Deprez-műszerrel mérhető. Kb Pa nyomásig használható. Fekvő hengeres tartályokban tárolt folyadékok szintjének egyszerű módszerét mutatja a ábra. A rugóra függesztett úszó, amely 10 m hosszú is lehet és mm átmérőjű csőből áll. Az úszó hengeres vasmaghoz csatlakozik. A vasmag nyomásálló antimágneses csőben mozog. A mérés a kölcsönös induktivitás megváltozásán alapul. A primer kört, amely egy L 1 induktív tekercsből, egy csőből, egy változtatható L induktivitásból és egy párhuzamosan kapcsolt R 1 ellenállásból áll. Az érzékenység durva beállítása az R 1 ellenállás, finom beállítása a változtatható L induktivitás segítségével történik. A kapcsolás gyakorlatilag feszültséghőmérséklet- és frekvencia független mutatást tesz lehetővé. Az úszó elmozdulása mm. A szekunder feszültség nagysága és a folyadékszintváltozás közötti függvénykapcsolat nem lineáris. Azonban a folyadékszint és a tartályban ábra. Vizszintes tartály szintmérése levő folyadék mennyisége közötti függvénykapcsolat fekvő hengeres tartály esetén szintén S alakú, tehát könnyen belátható, hogy a mutató kitérése és a folyadék mennyisége közötti lineáris függvénykapcsolat könnyen megteremthető Folyadékszint mérés hőmérsékletmérés útján ábra. Szintmérés hőmérsékletméréssel Amennyiben kisebb mérési pontossággal is megelégszünk (például kazánok esetében) akkor nagyon egyszerű szintmérési módszert tesz lehetővé a termoelemek felhasználása ( ábra). A tartály oldalára egy acélból 290

291 készült mérőcsövet szerelnek. Az acélcső külső falára különböző magasságban termoelemeket forrasztanak, és sorba kapcsolják őket. Mivel a gőztérrel érintkező csőszakasz az állandó kondenzáció következtében magasabb hőmérsékletű, mint a folyadékkal érintkező, ezért az eredő termofeszültség a tartály folyadékszint magasságának függvénye lesz. A módszer akkor is alkalmazható, ha a folyadékhőmérséklet alacsonyabb a környezeti hőmérsékletnél. Ebben az esetben a tartályba egy elektromos fűtött rudat helyeznek el, amelynek a folyadékkal érintkező része erősebben hűl, mint a folyadékkal nem érintkező része. A szintmagasságot ekkor vagy termoelemekkel, vagy a fűtött tekercsek ellenállás változásának mérésével állapíthatjuk meg Ultrahangos szintmérők Ultrahangos szintmérés esetén a mérendő folyadékon ultrahangot bocsátunk át. Az ultrahangnak a terjedési viszonyai a folyadék tulajdonságaitól nagymértékben függnek. Az ultrahanggal történő szintmérési módszereket ezek alapján úgy csoportosítjuk, hogy ezen rugalmas rezgéseknek mely jellemzőjét használjuk fel a folyadékszint meghatározására. Az ultrahangos szintmérők működése történhet: a) a rugalmas rezgések csillapításának mérés alapján, b) a mért közeg meghatározott útszakaszán a rezgés áthaladási idejének mérése alapján. Ultrahangforrásként és vevőként 100 khz-nél nagyobb frekvenciatartományban piezoelektromos, 100 khz alatti frekvencia tartományban magnetostrikciós jelátalakítókat alkalmaznak. a, Mérés az ultrahang csillapodásának mértéke alapján ábra. Ultrahang csillapodásán alapuló szintmérés szerint gyengül: -a l X = X 0 e Az ultrahang l vastagságú közegen való áthaladásakor a következő törvényszerűség ahol: X o a kezdeti rezgések amplitúdója, X a rezgésamplitúdó a megtett út végén; a az elnyelési tényező, amely a közeg sajátosságaitól és a hang frekvenciájától függ az a = A. f 2 függvénykapcsolat szerint. 291

292 Az ultrahanghullámok csillapodásának mérésén alapuló szintmérésre példákat ábrán láthatunk. A mérés alapja az, hogy a hanghullámnak más-más a csillapodási tényezője, ha folyadékokban, illetve gázokban halad át. A bemutatott példák nem folytonos működésű berendezések elvi vázlatai. Az ábrában 1. jelenti az adót, 2. a vevőt, 3. a tükröző, visszaverő felületet. A b. ábrán bemutatott módszert akkor célszerű alkalmazni, ha a folyadékot tartalmazó berendezéshez csak egy oldalról férünk hozzá. Az ultrahanghullámok csillapodásának mérésén alapuló szintmérés pontossága nem nagy, mivel az alkalmazott rezgések intenzitására a mérendő jellemzők mellett a generátor (a hangforrás), a vevő és erősítő jellemzői is hatnak. b, A hang terjedési idejének mérésén alapuló szintmérés A mérés elve (lásd ábra) a következő: 4 adóberendezés úgy vezérli a 3 ultrahangot előállító generátort, hogy az ultrahang-impulzusok azonos T időközökben jussanak az 1. sugárzóba. Megfelelő elektronikus kapcsolás ábra. Ultrahang terjedési idején alapuló szintmérés segítségével (5) megmérhető az a Dt időtartam, amely az első impulzus kibocsátása és a 2 vevőbe jutása között eltelik. A hangnak a h magasságú folyadékrétegen való áthaladásához szükséges időtartam: D t = h. v hang ábra. Ultrahang visszaverődési idején alapuló szintmérés Szokásosabb kialakítás a visszavert hanggal működő berendezés. Előnye ennek a megoldásnak ( ábra) az előbbivel szemben, hogy a hangforrás és az érzékelő a berendezésnek ugyanazon az oldalán (a tartály alján) helyezhető el. Visszaverő felületként a folyadék felszíne használható fel. Az ábra jelmagyarázata ábráéval megegyezik. 292

293 Gyakran előfordul, hogy a hangforrást és a vevőt egy berendezésben egyesítik. A ábrán egy változó impulzus-frekvenciájú ultrahangos szintmérő be-rendezés elvi vázlatát láthatjuk. Ebben a kapcsolásban a 3. generátort a 4. adóberendezés útján a 2. vevőből kiadott impulzusok az 5. erősítőn keresztül vezérlik. Az 1. hangforrásból abban a pillanatban indul el a következő impulzus, amikor az előző impulzus a vevőbe jut. Az impulzus ismétlődés gyakorisága (frekvenciája): 1 vhang f = =. Dt h Az f frekvenciaváltozást a 6. berendezés segítségével árammá alakítják át. A helyes és pontos működés érdekében a hangrezgés időtartamának szor kisebbnek kell lenni a Dt időtartamnál. A frekvencia nagyságát az akusztikai csatorna ellenállása, tehát a közeg sajátosságai korlátozzák. A jeladó működésének pontosságát befolyásolja az impulzus alakja (az impulzushomlok meredeksége), a ábra. Változó impulzusfrekvencia alkalmazása Dt -t vagy a periódusszámot meghatározó áramkör mérési hibája és a hangot közvetítő közeg tulajdonságai (a v hang terjedési sebességén keresztül). Az utóbbi függ a környezeti hőmérséklettől. Az alkalmazott frekvencia khz között határozható meg. A különböző kibocsátási frekvenciákkal a mérési távolság 5 m-től 45 m-ig változhat. Az opcionális forgatható tartószerkezetek segítségével ideális pozícióba állíthatjuk a készüléket szilárdanyag mérésnél, de jól használható még az agresszív folyadékoknál is, mert nem befolyásolja a mérést sem a mért ábra. Ábra a számításhoz közeg összetételének megváltozása, sem a teljesen új mérendő közeg. Új beállítás nem szükséges közegváltás esetén. 293

294 Mérési feladat Elv Méréstartomá ny Pontos ság Folyadékokat, masszákat tartalmazó tartályokban való mérés futási idő mérése 0,4 5 m 0,5 12 m 0,5 % Folyadékszint mérés olyan esetekben, ha a felszín felett változó a gáz összetétele referenciatávolságmérés 0,5 4 m 1 10 m 1 % Granulátumok, darabos anyagok, szemes termények silóban, bunkerekben történő mérése futási idő 1 50 m 2 3 % a felülettől Porokat tartalmazó silóban vagy tartályokban való mérés mérés 1 15 m függően Folyadékszint mérés futási idő mérése 0,5 10 m 2 % X Számítási képlet: X = H B a. b. c.d. e, ahol: X H - elméleti hatótávolság, X B - biztonságos méréstávolság Példa: Az érzékelő max. hőmérséklete 65 o C a = 1,6 Fellépő kondenzáció b = 1,4 Nincs páraképződés c = 1 Nincs habosodás d = 1 A felület örvénylik e = 2,5 Eredő korlátozó tényező = a. b. c. d. e = = m Biztonságos méréstávolság: = 4,46 m

295 Folyadék Szilárd anyagok a b c d e kondenzáció nincs a = 1 van a = 1,4 Légnyomás p > 0,05 Mpa b = 1 p < 0,05 Mpa b = 2 p < 0,03 Mpa b = gőzölés nincs c = 1 van c = 1,2 3 habosodás nincs d = 1 van d = 1,2 10 hullámzás nincs e = 1 gyenge e = 1,4 erős e = 2 örvénylés e = 2,5 porlerakódás nincs a = 1 van a = 1,3 porzás nincs c = 1 van c = 1,5 10 szemcseméret >20 mm d = 1,0; 20 5 mm d = 1,5 5 mm d = 1,5 3 Rézsű, boltozódás képződése nincs e = 1 van e = 1, Mikrohullámú szintmérők A rádióhullámmal működő szintmérők a hullámvezetők vagy rezonátorok jellemzőinek a folyadéktöltés hatására történő megváltozása alapján működnek. Jelenleg több típusú rádió-hullámmal működő folyadék szintmérőt alkalmaznak. 1. Vezetett mikrohullámú szintmérő (TDR) A mikrohullámú folyadék-szintmérő működését a ábra alapján érthetjük meg. A szintérzékelőnél a nagyfrek-venciás generátorból a hullámok a hullámvezetőbe jutnak, amelynek egyik végét az edényben levő folyadék határolja. A beeső és visszavert hullám kölcsönhatása folytán a hullámvezetőben l hullámhosszúságú állóhullám jön 295

296 létre. A csőtápvonal egy hosszirányú bemetszésén keresztül az energia egy részét kicsatolva a 3. detektorba vezetik. A folyadékszint eltolódása esetén megváltozik az állóhullámnak a hullámvezetékhez viszonyított helyzete. A hullámvezetékbe iktatott kicsatoló elemeken fellépő DU feszültség egyenirányítás és erősítés után feldolgozásra kerül. A jel egyenirányításának megkönnyítésére a mikrohullámú sugárzást a hálózati frekvenciával modulálják. Abból a célból, hogy a visszavert hullámok ismét ne reflektálódjanak, a csőtápvonalat a generátor felé a hullámellenállásával kell lezárni. A hullámhosszt úgy választják meg, hogy a maximális szintváltozás a negyedét ne haladja meg. A mérés pontosságát nem befolyásolja sem a nagymértékű porosodás, sem az erős gőzképződés. A sűrűség változása, és a változó szemcseméret sincs hatással a pontosságra. Nem okoz problémát a mért anyagok nedvességtartalmának változása vagy kirakódása a tartály falára, illetve az antennára. Folyadékok, és szilárd anyagok folytonos szintmérésén kívül a vezetett mikrohullámú elv lehetővé teszi folyadékok határfelületének mérését. Tipikus felhasználási terület víz és olaj, illetve víz és oldószerek fázishatárának mérése. A mikrohullámú impulzusok a kábel, vagy a rúd hullámvezető mentén haladnak, és visszaverődnek egy más dielektromos állandójú felületről, ez lehetővé teszi ábra. Vezetett mikrohullámú szintmérő több réteg mérését. Előnye más rétegmérési technológiákhoz képest, hogy független a közeg sűrűségétől, és nem tartalmaz mozgó alkatrészt, ezért karbantartást nem igényel. Megjegyzés. A radaralapú méréstechnika elterjedésével az elmúlt évek során jelentősen megváltozott a folyamatos folyadékszintmérők termékkínálata - mikrohullámú mérés angol nevének rövidítésével a TDR. Az eljárás szinte valamennyi technológiai paramétertől, például a dielektromos állandótól, a fajsúlytól, a habosodástól, a gőzöktől, a portól vagy a nyomástól és hőmérséklettől függetlenül a folyadékok és ömlesztett áruk legáltalánosabb mérési módszerévé vált. A TDR érzékelők további előnye, hogy már 0 %-os és 100 %-os szintre hangolva szállítják, és üzembe helyezésükre rendszerint egyáltalán nincs szükség. Ezért ezt nem plug and play 296

297 módszernek, hanem fit and forget megoldásnak nevezik. A vezetett mikrohullámú eljárás alkalmazása ma már egyre inkább terjed a határréteges mérésekben is. A folyamatos folyadék szintmérés talán egyetlen más területén sem lehet olyan egyértelműen látni a különböző mérési elvek határait, mint a határ rétegmérésben. Egy olyan tartályban, amelyben két elkülönült vagy elkülönülő közeg találkozik, a lehetséges méréstechnikai megoldást a fizikai és vegyi tulajdonságok határozzák meg. A határrétegek mérésére jelentős számú mérési elvet ismerünk a kapacitív mérőfejektől az úszós mágneses rendszereken át az ultrahangig, a radarig vagy a lézeres megoldásokig. Mindegyik eljárás többé-kevésbé a két közeg adott tulajdonságaitól függ, és ha ezek üzem közben megváltoznak, akkor a mérési elv ezt gyakran nem képes kezelni. A folyamatos határréteg mérések tekintetében viszonylag még új eljárás a vezetett mikrohullámú mérés. A radaros érzékelőknél vagy a mikrohullámú készüléknél ismert módon a mikrohullám áthatol a villamos vezetőképességgel nem rendelkező közegekben. Ha azonban egy mikrohullámú impulzus villamos vezetőképességgel rendelkező közeghez ér, teljesen visszaverődik. Ezt a jelenséget kihasználva a tartály feltöltési szintjét azáltal határozzák meg, hogy megmérik a nyaláb futási idejét a beépítési helytől, illetve a mérőfej csatolásától a felső, villamoson nem vezető folyadék feletti gázokon át. A mikrohullámok a felső közegen áthatoló, maradó energiája áthalad ezen a rétegen, és másodszor az alsó, második közegről verődik vissza. A felső közeg áthatolási ideje a folyadék dielektromos állandójától függ. Ennek az értéknek az ismeretében a hangnyaláb futamideje kiszámítható, vagyis meghatározható a tartályban a második folyadékszint. 2. Szintmérés, ha a tartályt üregrezonátorként használjuk ábra. Radarelven működő szintmérő A rádióhullámmal működő szintmérők másik csoportját azok a berendezések képezik, amelyekben a folyadékot tartalmazó tartály vagy a folyadékba merülő fémcsövet üregrezonátorként használják fel. Az üregrezonátort tápvonal segítségével nagyfrekvenciás generátor frekvencia meghatározó elemeihez kapcsolva egy hangolható rezgőkört létesítenek, és a gerjesztett rezgések frekvenciáját mérik, amely a szintmagasság függvénye. Mindkét mikrohullámokkal működő folyadékszintmérőben hiba lép fel a folyadék dielektromos állandójának és villamos vezetőképességének változására. A hibák minimálisak olyan jól vezető folyadékok esetén, amelyek felületükkel a hullámot gyakorlatilag teljesen visszaverik. 3. Radarelven működő szabadon sugárzó 297

298 szintmérők Az antennarendszer rövid mikrohullámú impulzusokat sugároz a mérendő közeg felé, azok a közeg felületéről visszaverődnek és az antennarendszeren keresztül a vevőbe kerülnek. Az impulzusok fénysebességgel terjednek a kibocsátástól a vételig, a közben eltelt idő arányos a tartály szintjével. A nagyon rövid időperiódusok pontos és megbízható mérését a speciális időkiterjesztéses eljárás teszi lehetővé. A radaros műszerek kis sugárzási teljesítménnyel működnek a C (4 8 GHz) és K (18 26 GHz) frekvenciatartományban. Elvi felépítése a ábrán látható. A radaros szenzorok két különböző frekvenciatartományban kaphatók, a minél szélesebb felhasználási kör érdekében. A K frekvenciatartományú készülékek 18 GHz feletti tartományban működnek, ennek köszönhetően elérhetők a kis antennák és a kompakt folyamatcsatlakozások. A jelfókuszálásnak köszönhetően a mérés pontossága nagy lesz. A C hullámsávra a 8 GHz alatti frekvencia jellemző. A legtöbb esetben a felszín habosodása, a mért közeg kicsapódása az antennán, illetve az antenna szennyeződése nincs hatással a mérési eredményre. A mikrohullámok terjedése érzéketlen a környezet hőmérsékletére és nyomására, ezért a radaros szintmérők felhasználása ideális nehéz ipari körülmények között. A vákuumtól 20 MPa-ig terjedő nyomás és a o C közötti hőmérséklet nem okoz problémát a radaros szenzoroknak. Érzéketlen a mért közeg tulajdonságaira, nem befolyásolja a mérést sem a mért közeg összetételének megváltozása, sem a teljesen új mérendő közeg. Új beállítás nem szükséges közegváltás esetén. A szabadon sugárzó radaros megoldás legnagyobb előnye az érintésmentes mérés, ami a nagy mérési tartomány miatt főként olyan koptató anyagoknál előnyös, mint a kő, a sóder vagy a cement. Mivel az érzékelő nem érintkezik közvetlenül a mért közeggel, olyan szélsőséges méréseket is el lehet végezni, mint a szintmérés egy nagyolvasztóban, vagy az izzó koksz szintmérése az acélgyártásban. Az antennarendszer levegős vagy nitrogénes hűtéssel az érzékelő 1000 o C feletti hőmérsékletnek is ellenáll. Cementgyár kivételével az érzékelőket széles körben alkalmazzák a széntüzelésű erőművektől a műanyag granulátum gyártásán át a gabona és a liszttárolókig. Az érintésmentes mérés főként durvaszemcsés kőszén vasúti szállításánál hasznos. E célra korábban nagy teljesítményű ultrahangos érzékelőket használtak azért, hogy a mérés a jelentős porképződés közben is megbízható legyen. Mivel a radaros mérést nem befolyásolja a por, az anyagszintet még a szénporraktár pneumatikus feltöltése során is megbízhatóan lehet felügyelni. A kisugárzáshoz kürt (Horn), vagy rúdantennát használunk Radiometriai mérési módszer Ha egy tartály egyik oldalára egy radioaktív sugárzót, a másik oldalára egy mérőberendezéssel ellátott számlálócsövet helyezünk, akkor különböző mérési eredmények adódnak aszerint, hogy a számlálócsövet a sugárforrással összekötő 298

299 egyenes a folyadék felszín alatt vagy fölött halad át. A jelenséget a ábra vázlata alapján szintmérésre tudjuk felhasználni. Az ólomházakban elhelyezett P 1 és P 2 preparátumokból kiinduló sugárnyaláb a megfelelő z 1 és z 2 számláló csövekbe jut. Az indikációból megállapítható, hogy a tartály üres (1-1 töltési magasság alatt), vagy telt (a 2-2 töltési magasság felett). Mivel többnyire vastag anyagréteget kell átvilágítani, a folyadékszint mérésben gammasugárzókat alkalmaznak. A számszerű vizsgálatok érdekében jelöljük a tartály falvastagságát d w -vel, a folyadékvastagságot d i -vel. Legyen az edény falainak sűrűsége ρ w és a folyadék ρ i. A folyadékkal töltött tartályból kilépett sugárzás intezitása: -m (2 r w d w + r id i ) I1 = Io e. Üres tartály esetén a kilépő intenzitás: -m 2 r w d I = w 2 Io e értékű lesz. Az intenzitások arányára a I 1 -m ri d e 18.1 I2 299

300 18.24.ábra. Radiometriás érzékelő 300

301 kifejezést kapjuk. A (18.1) egyenlet nem tartalmazza a falvastagságot, tehát az intenzitáscsökkenés attól nem függ. Mégis túlságosan vastag acélfalat nem célszerű alkalmazni, mert szórás lép fel és a sugárzási irányát ez lényegesen befolyásolja. Ha a leírt elrendezésre olyan magas preparátumerősség adódna, hogy sugárveszélytől kell tartani, akkor célszerű a sugárzót a tartályon belül elhelyezni. A tartályban levő folyadék hatására az intezitásnak legalább 20 %-kal csökkennie kell, tehát I 1 /I 2 -nek maximálisan 0,8-nak kell lennie ahhoz, hogy a működés kifogástalan legyen. A folyadék felületsűrűsége ebből az okból kifolyólag egy meghatározott F min -nál nem lehet kisebb. A következő -m F e min = 0,8 kifejezésből a két legfontosabb gammasugárzóra az alábbi értékek adódnak: Co 60 : F min» 5 g/cm 2 és Cs 137 : F min» 3 g/cm 2. A tartály folyadékszintjének esetenkénti megállapításához hordozható készüléket is lehet alkalmazni. Indikátorként egy fejhallgató is elegendő, amelyhez a számlálócső által kibocsátott impulzusokat vezetjük. A folyadéknívó átlépésekor a fejhallgatóban hallható ropogásszerű zaj lényegesen erősebb, vagy gyengébb lesz. Ez a készülék erősítő nélkül is üzemel. Folyamatos szintmérés valósítható meg a b. ábra alapján. A preparátumot és a számlálócsövet a ábra. Radiometriás érzékelő 18.24a. ábra elrendezésével ellentétben nem vízszintes, hanem függőleges síkban helyezzük el. A tartály alján kilépő sugárzás intenzitása a folyadékszint függvénye. A mérés folyamatos lesz, ha egy rúd alakú preparátumot alkalmazunk (18.24c. ábra) Súlymérésen és a hidrosztatikai nyomáson alapuló folyadékszintérzékelők ábra. Súlyérzékelésen alapuló szintmérés Egy edényben levő folyadék súlya arányos térfogatával. Hengeres edény esetében: Q = A. H, ahol: az A az edény keresztmetszete h a folyadékoszlop magassága. A folyadékoszlop nyomása: p = g. H Ezek az összefüggések lehetővé teszik olyan jeladók megvalósítását, melyek a Q és p érték mérésén alapulnak. Néhány ilyen típusú jeladó vázlatos rajzát a és a ábrán tüntettük fel. A 18.25a. ábrán bemutatott berendezésben a folyadékoszlop közvetlen mérése esetén, az erőérzékelőre ható erő értéke: 301

302 F = g A H + F 0 ahol F o, a berendezés súlya folyadék nélküli állapotban. A b ábrának megfelelő berendezésekben, ha a szintet közlekedőedényben mérjük, a nyúlásmérő által érzékelt erőre érvényes kifejezés: F = m A ( H - H 0 ) + F0 Az ebbe a csoportba tartozó jeladók hibáit a folyadék sűrűségének a hőmérséklet, valamint a folyadék összetételének megváltozása következtében fellépő változásai okozzák. A kimenő szervek hibái kapcsolásuktól és kivitelüktől függenek ábra. Hidrosztatikai nyomáson alapuló szintmérő szintmérés A 18.26b. ábrán látható jeladókban járulékos hibákat okozhat a rendszerben fellépő p o légnyomás inga-dozása Rezgőelemes szintmérők 1. Rezgőrudas szintmérő ábra. Rezgőrudas szintmérő A rezgőrudas szintkapcso-lókat tartályokban, silókban lévő ömlesztet szilárd anyagok szintjének jelzésére használjuk. A tartályba egy rezgőrúd nyúlik be, amelyet egy elektronikus áramkör tart rezgésben. Amint a töltő közeg szintje eléri és részben befedi a rudat, megnő a rezgés csillapítása. Ezt a változást egy áramkör érzékeli, és átkapcsol egy jelfogót, amely felhasználható szint szabályzására, pl. a betöltés vagy ürítés be- és kikapcsolására. A rezgőrudas szintmérés olcsó, megbízható mérési módszer. Olyan porok, szemcsés anyagok és kisebb darabos (<5-10 cm) anyagok szintjének mérésénél alkalmazhatjuk, amelyek fajlagos tömege nagyobb, mint 0,05 kg/dm 3, továbbá belső súrlódása van, amely a rezgést csillapítja. Így jól alkalmazható pl. szénpor, cement, mész, gabona, műanyag granulátum, perlit és hasonlók mérésére. A készülék porrobbanás veszélyes térben is alkalmazható. 302

303 Szerelése csak függőlegesen, vagy bizonyos típusoknál vízszintestől o -os dőléssel történhet. Függőleges szerelés esetén anyagfelrakódás minden egyéb szondás méréssel ellentétben minimális, mivel a rezgőrúd folyamatos rezgése a legtöbb alkalmazás esetén elegendő ahhoz, hogy a szondát tisztán tartsa. A mérőszondát védeni kell az erőteljesen beáramló anyagoktól, olyan helyre kell telepíteni, ahol nagy mechanikai igénybevételnek nincs kitéve. A megoldás a ábrán látható. Olyan tartályoknál ahol erős vibráció lép fel gondoskodni kell a készülékre ható rezgések csillapításáról (pl. gumialátét). 2. Rezgővillás szintérzékelő A készülékek működése a rezgővilla által érzékelt anyagtól függő rezonanciafrekvencia-változás elvén alapul. A piezokristályt tartalmazó mérővilla rezonanciafrekvenciájának a levegőben szabad oszcillálástól való eltérése a villa érintkezési felületétől, az érzékelt közegtől, annak sűrűségétől és viszkozitásától függ. A rezgési frekvencia kevésbé függ a közeg hőmérsékletétől és nyomásától. A 0,5 g/cm 3 -nél nagyobb sűrűségű, mm 2 /s viszkozitású folyadék -40 és +150 o C között, 7 MPa nyomásig problémamentesen érzékelhetőek. A működést nem befolyásolják az áramlatok, turbulencia, rezgések, szárazanyag-tartalom, ragadós, pezsgő, habzó közeg. Szemcsés szilárd anyagok esetében -40 és +150 o C közötti hőmérsékleten, maximum 2 MPa üzemi nyomáson, minimum 30 g/l sűrűségű, maximum 10 mm-es szemcseméretű anyagokban problémamentesen mérhető a szint. Feltétlenül szükséges, hogy a felhasznált szintkapcsoló, lehetőség szerint különféle anyagokban, szélsőséges körülmények között is működjön. Agresszív mérendő közeg esetén a mérővilla anyagát a legtöbb alkalmazásnak megfelelő G-X5 CrNiMoNB (1.4581/ saválló acél ), vagy a erősen korrózióálló NiMo 16 Cr 16 Ti (2.4610/ Haseloy C ) ötvözetből készítik. E mellett, a villa elektronikusan, rezonanciaréssel ellenőrzi a mérés során bekövetkező esetleges korróziós problémát bizonyos korlátot meghaladó rezonanciafrekvencia korróziót jelez -, ami hibajelzést ad. Kivitele a ábrán látható Forgólapátos szintmérő ábra. Rezgővillás szintmérő A forgólapátos szintkapcsoló ömlesztett szilárd anyagok, különféle porok, szemcsés és granulált anyagok szintjének jelzésére szolgál (pl. gabona, pernye, fűrészpor, mészkő, 303

304 szén, agyag, stb.). A forgólapátot szinkronmotor hajtja. Amint a mérendő közeg eléri a forgólapátot, azt lefékezi, megakadályozza forgását. A beépített nyomatékkapcsoló ekkor egy nagyterhelhetőségű váltóérintkezővel külső jelzésre, működtetésre alkalmas kontaktust ad, illetve egy másik érintkezővel a forgatómotort kikapcsolja. A ábra. Forgólapátos szintmérő szintcsökkenést a nyomatékkapcsoló érzékeli és alapállapotba állítja a külső kontaktust, majd bekapcsolja a forgatómotort. Tartályba építés furatos tárcsával történik, a tárcsa mérete akkora, hogy a forgólapát ezen keresztül elhelyezhető. Az érzékelni kívánt szint figyelembevételével a tartály oldalára, tetejére szerelhető a készülék. A függőlegesen beépített készülék 1 m-ig meghosszabbítható. A mérendő közeg fajsúlya szerint különféle alakú forgólapátok választhatók. A forgólapátos szintkapcsoló közeggel érintkező részei galvanizált vagy rozsdamentes acélból készülnek. Általános felhasználásra a 230 V AC tápfeszültségű motorok szolgálnak. A 24 V DC tápfeszültségű forgólapátos szintkapcsoló a DC motorok rövidebb élettartama miatt, csak minimum szint érzékelésére ajánlott. A magas hőmérsékletű kivitelhez 150 o C közeg hőmérséklet felett sűrített levegővel történő hűtés szükséges. Felépítése a szerelés a sz. ábrán látható Vizuális szintjelzők A billenőlamellás, mágneses szintjelzők az ipar régóta ismert, megbízható eszközei. Erősségük az egyszerűség, a folyadékszinttel közvetlen kapcsolatban álló kijelzés; működőképesek maradnak például áramkimaradáskor is, amikor a kifinomult, közvetett mérési elveket megvalósító eszközökre nem lehet számítani. Ennek ellenére nemcsak másodműszerként használatosak, hiszen a biztonságos vizuális szintjelzésen 304

305 túl a fejlett folyamatautomatizálási rendszerekbe integrálást lehetővé tevő villamos kimenetek is rendelkezésre állnak. A billenőlamellás szintjelzők a közlekedőedények elvét használják fel. A szint követése úszóval és mágneses jeltovábbítással történik. A műszer fontos eleme egy nem mágneses fémből vagy műanyagból készült nyomásálló úszókamra, amely külső csövekkel csatlakozik a megfigyelendő folyadékot tartalmazó tartályhoz. Az úszó egy hermetikusan zárt kapszula, belsejében egy állandó mágnessel. Az úszó a folyadék felszínén úszik, tehát függőleges pozícióját a folyadékszint határozza meg. Az úszókamrához kívülről vízszintes tengelyük körül elfordulni képes, oldalanként más színű mágneses lemezekből álló jelzősín van rögzítve. A lamellák 180 o -kal átbillennek, ahogy a mágneses úszó elhalad előttük, így nagyon világos, jól látható, egyértelmű információt adnak a tartályban levő folyadék szintjéről ( ábra) A szintjelzés nem igényel villamos tápfeszültséget. Az úszós elv közvetlen módon valósítja meg szintmérést jól meghatározott, egyértelmű szintjelzéssel. A VLI (típusnév) vezérlőfunkciói függetlenek a szintjelzéstől. Ezért a szint bármikor felügyelhető. A vizuális szintjelzők olyan szerteágazó területeken használatosak, mint például a vegyipar, más ipari eljárások, a hajóépítés, az erőművek, a hidraulikus rendszerek, a vasúti- és közúti járműgyártás, a petrolkémiai és hűtőrendszerek. szabadalmazott mágneses vezetőszalagnak a jelzősín mögé építésével elérhető, hogy az általánosan használt gyűrűmágnes helyett rúdmágnes kerülhessen az úszóba. A rúdmágnes előnye, hogy a jelzősín irányába eső, azonos erősségű mágneses erőtér a gyűrűmágneseknél jóval kisebb tömeggel valósítható meg. A mágneses vezetőszalag szerepe, hogy a rúdmágnessel ellátott úszó egy iránytűhöz hasonlóan a megfelelő irányba álljon, a polarizált lamellákhoz és kapcsolókhoz igazodva. Ez garantálja a kijelző-, a kapcsoló- és a jeladó funk-ciók folyamatos, megbízható működését. A jelzősín minden lamellája saját állandó mágnest tartalmaz. Azáltal, hogy a szomszédos billenőlamellák egymáshoz mágnesesen kapcsolódnak, a kijelzési állapotuk sokkal stabilabb. A szabadalmazott vezetőszalag mágneses csillapító hatása további működési előnyöket is kínál. Garantálja a folyadék szintjének megbízható jelzését még olyan nehéz alkalmazási körülmények között is, ahol a folyadékszint hirtelen változik, vagy rezgések vannak. Előnyök Hőmérséklet-stablitás Megbízhatóság Kiváló láthatóság Más kivitelű megoldás látható a ábrán. 305

306 ábra. Billenőlamellás mérő ábra. Billenőlamellás mérő 306

307 Magnetostrikciós szintmérő A magnetostrikciós szintmérő a Wiedeman-effektust használja szintmérésre. A készülék egy rozsdamentes acélcsőben végighaladó elektromos vezetékből és egy, a csövön le-fel mozgó úszómágnesből és a fejben elhelyezett elektronikából áll. A távadó elektromos impulzust gerjeszt, az végig halad a vezetéken a mágnesig. Az elektromos és mágneses erőtér kölcsönhatásaként a vezeték elcsavarodik, akusztikus hullámot gerjeszt, ami visszajut a távadóhoz. A távadó kimenete arányos a hanghullám futási idejével. ( ábra) ábra. Magnetostrikciós szintérzékelő 307

308 19. Fejezet Áramlás mérés A csövekben szállított folyadékok, gázok, gőzök áramlásának mérése az egyik leggyakrabban felmerülő és sokszor az egyik legkomplikáltabb mérési feladat. Vákuumban vagy több MPa nyomáson, rendkívüli hidegben vagy több száz fokos hőmérsékleten, robbanásveszélyes térben, szigorú higiéniai körülmények között vagy éppen szennyvíztelepeken; nincs olyan mérőeszköz, mérőrendszer, amely minden célra egyaránt megfelelne. Olyan készülékeket kell tehát választani, amelyek az alkalmazás szabta feltételek között megbízhatóan, gazdaságosan, a törvényi előírásoknak megfelelően működnek. Az első tisztázásra váró kérdés: mit, mivel? Vagyis a különböző közegeket, halmazállapotokat folyadékokat, gőzt, gázt milyen elven működő mérőeszközzel lehet jól mérni? Egyes modern, mozgó alkatrészt nem tartalmazó mérőeszközök alkalmazási területe szűkebb, mint hagyományos, mechanikus elődjéé. Ez első látásra hátránynak, visszalépésnek tűnhet. Tekintsünk példaképpen egy forgóelemet tartalmazó, hagyományos mérőeszközt, egy mérőturbinát: mechanikai kialakításától függően különféle folyadékok (pl. víz, olaj), gázok (pl. sűrített levegő, földgáz), de akár még vízgőz méréséhez is alkalmazhatók. Sok, mozgó elemet nem tartalmazó modern mérőeszköz a működés elve miatt kihasználja a mérendő anyag fizikai vagy kémiai tulajdonságait. Nincs tehát olyan áramlásmérő, ami egyformán jó minden alkalmazáshoz, a választás néha zavarónak tűnhet a kereskedelemben jelenlévő áramlásmérőkre és a rendelkezésre álló adatlapok változatosságára való tekintettel. Van öt tényező, amit érdemes megfontolni, mikor azt kell eldönteni, hogy melyik áramlásmérő legyen használva. Ezek a mérendő folyadék fajtája, folyamat feltételei, üzembe helyezési feltételek, teljesítmény követelmények és gazdasági tényezők. Folyadék mérésénél különböző információk megfontolása szükséges, pl. egyfázisú folyadék vagy tartalmaz-e egy második összetevőt, mint gázt vagy szilárd testet, a folyadék viszkozitása és sűrűsége, korróziót okozó-e és ha gázt mérünk, akkor ez száraz vagy nedves. Bizonyos tényezőket figyelembe kell venni a folyamat alatt, mely feltételek tartalmazzák a csővezeték hőmérsékletét, nyomását, átmérőjét, Reynolds számát, a csőhálózat elrendezését a mérési pontnál, az egyenes csőhálózat lehetséges hosszát, vajon az áramlás változik-e, bármilyen áramláshoz szükséges feltétel, küldő erőforrás szükséglet és hogy a mérést veszélyes környezetben végzik-e. A teljesítmény szükséglet kiterjed a pontosságra, ismételhetőség, méréstartomány és az áramlásmérő dinamikus reakciókövetelményeire. Bizonyos területeken, mint például az olajiparban és az élelmiszeriparban növekvő igény van arra, hogy képes legyen kétfázisú áramlásokat mérni, mint például folyadék módosított gázzal, vagy szilárd test folyadékkal. Sajnos a legtöbb fent leírt áramlásmérővel általában csak akkor lehet kétfázisú áramlást mérni, amikor a második összetevő kicsi. Az áramlások közvetlen mérésnek egy lehetősége, hogy egy levezetett módszert használunk. A levezetett módszernél folyadék/gáz áramlásnál szükség van a gáz és folyadék fázis sebességének 308

309 (v g és v f ) és a gáz fázis keresztmetszet törtjének (a) a független mérésére, hogy ki lehessen számolni a keverék térfogatáramát (Q m ). Qm = v f A ( 1 - a ) + vg A a. Az áramlásérték a független mérések pontosságától függ. Nem lehet elérni, hogy a folyadék és gáz fázisának sebessége ugyanakkora legyen, és a gáz útja szétoszlik a folyadékban (az áramlásrendszer), különböző tényezők miatt változni fog a gáz tartalma, mint az egyéni fázis sebessége és nyomása. A legtöbb közös kétfázisú áramlás folyadék/gáz (pl. gáz a vízben), folyadék/folyadék (pl. víz az olajban) gázszilárd (pneumatikusan szállított szilárd test) és folyadék/szilárd vagy iszap (pl. szén az olajban). Adott technológiai folyamatban az időegység alatt résztvevő anyagok mennyiségének mérésére kétféle lehetőség kínálkozik: egyik esetben az átfolyt mennyiség pillanatnyi értékét mérjük a folytonossági törvény alapján, vagyis az áramlási sebesség és a keresztmetszet szorzatából képezzük a mennyiséget. A másik módszer szerint az anyagból folyamatosan azonos térfogatú, vagy súlyú mennyiségeket veszünk el, ezek számát összegezzük egy kezdő és egy záró leolvasás között. Az előbbi módszer csak folyadékok és gázok, az utóbbi szilárd anyagok mennyiségének mérésére is alkalmazható. Mi csak az áramlási sebességmérésen alapuló módszereket tárgyaljuk. Áramlási sebességnek, ill. folyadék- (gáz-) áramnak nevezzük az időegység alatt valamely adott keresztmetszeten áthaladó folyadék- (gáz-) vagy gőzmennyiséget. Az áramlási sebesség mérésére szolgáló eljárások közül leginkább elterjedt az áramló folyadékok és gázok dinamikai törvényszerűségein alapuló ún. nyomáskülönbségi módszer. Ez az eljárás azon kívül, hogy igen egyszerűen megvalósítható, egyúttal a legtöbb mérési feladat által támasztott pontossági követelményeknek is megfelel Áramlási sebesség mérése nyomáskülönbségi módszerrel Az eljárás alkalmazhatóságának feltételei a következők: - Áramló folyadéknak (gáznak) a vezeték teljes keresztmetszetét be kell töltenie. - Az áramlásnak stacionáriusnak (állandósultnak) kell lennie. Stacionáriusnak az olyan áramlást nevezzük, amelyben a közegáramlási sebesség az időben változatlan. - Az áramló rendszerben nem léphetnek fel jelentősebb rezgések. A vegyipar üzemekben felmerülő mérési feladatok többségénél ezek a feltételek teljesülnek. A nyomáskülönbségi módszer legfőbb előnye, hogy a termékeket továbbító vezetékbe nem kell mozgó alkatrészeket beépíteni. A mérés végrehajtására a csővezetékeket mérőperemekkel, ill. torkokkal látják el. A fellépő nyomásesés, valamint az áramlási sebesség közötti összefüggések olyan pontosan ismeretesek, hogy a szóban forgó mérőberendezések minden előzetes, a helyszínen végrehajtott kalibrálás nélkül is alkalmasak nagypontosságú mérések elvégzésére. Az áramló folyadékot vagy gázt vivő vezeték keresztmetszetét a mérés helyén mérőperem vagy torok beépítésével leszűkítik (19.1 számú ábra). A keresztmetszet csökkenésének hatására az áramlási sebesség a szűkületben megnövekszik. A sebességnövekedés egyúttal az áramló folyadék kinetikus energiájának növekedését is jelenti, ami viszont az áramló 309

310 folyadékokra vonatkozó fizikai törvények szerint csak úgy lehetséges, ha a sebességnövekedéssel egyidejűleg az adott keresztmetszetben a folyadéknyomás csökken. Tehát a szűkítés előtt és után mérhető nyomáskülönbség lép fel. Az előálló nyomáskülönbség függvénye a vezetékben haladó folyadék, áramlási sebességének és felhasznál-ható arra, hogy vele meghatározzuk a csővezetéken az időegység alatt átáramló folyadék mennyiségét. A mérőperem előtti csőszakaszban a folyadék összetorlódik. A torlódás eredményeképpen a folyadék eredeti statikus p nyomása az A helyen p 1 torlódási nyomásértékre növekszik. Ez utóbbi képviseli a méréshez szükséges első (vonatkoztatási) nyomásértéket. A szűkületben a sebeségnövekedéssel párhuzamosan a nyomás csökken és a B helyen a p 2 értéket veszi fel. A két nyomásértékből adódik a méréshez felhasználható nyomáskülönbség: ábra. Mérőperem nyomás és áramlási viszonyai D p = p 1 - p Továbbiakban vizsgáljuk meg részletesebben a mérési módszer elvét. A számú ábra jelöléseivel a keresztmetszeti viszony: A a = A2 Az áramlás kontrakciós (összehúzódási) tényezője μ, így ezzel az áramlás a legszűkebb keresztmetszetre: m A 2 = m a A A sebesség viszonya: v v 1 2 = m a A Bernoulli egyenlet a p 1 és a p 2 helyekre vízszintes elrendezésnél: 310

311 r 2 2 r ( v - v ) = ( - m a ), p 1 - p 2 = 2 1 v2 1, ahol: ρ az áramló közeg sűrűsége p 2 Bernoulli egyenletből számítható nyomás p 2 valóságban mérhető nyomás (p 2 < p 2 ) A 19.5-ből :, ( p p ) 1 2 v2 = m a r , Ha a p 2 helyett p 2 értéket írunk be, akkor ennek hatását a β tényezővel (β<1) vesszük figyelembe. b, ( p p ) v2 = m a r Az időegység alatt átáramló térfogat: q = A2 v2 = A2 b 2 ( p1 - p2 ) m a r 19.8 Vezessük be az átömlési tényezőt: Ezzel q 2 x = b r 2 2 ( 1- m a ) e x A p - p = A Dp = x 2 Az ξ -t berendezésenként hitelesítik az ε pedig az állapotváltozás fajtájától függ és expanziós tényezőnek nevezzük. Tájékoztató számítások esetén ε ~ 1-nek tekinthető. A ξ átáramlási (átömlési) tényező függ a Raynolds- számtól, amelynek értéke: -3 G Re = 36,1 10, D h ahol : G -tömegsebesség (kg/h), D -csővezeték átmérője (mm), η -átáramló közeg kinematikai viszkozitása (m 2 /sec). Minél nagyobb valamely közeg viszkozitása és minél kisebb a sűrűsége adott csőkeresztmetszetnél,annál kisebb az áramlási jellemző Reynolds-szám értéke. Az ξ tényező nagysága mindaddig független a Reynolds-számtól, amíg az egy adott 311

312 keresztmetszeti viszonyszámnál egy bizonyos kritikus érték alá nem csökken. A kritikus Reynolds-szám annál nagyobb, minél nagyobb az adott keresztmetszeti viszonyszám, azaz minél nagyobb a furat átmérője a cső belső méretéhez képest (táblázat). m Re kr 0, , , , , , , Alkalmas peremformák kiválasztása útján az üzemi gyakorlatban igen sok esetben lehetségessé válik, hogy a Reynolds-számot a számítások során figyelmen kívül ábra. Néhány fojtóelem megoldás hagyjuk (kettős mérőperem, negyedkörszelvényű mérőtorok stb.). Hátránya, hogy a Δp gyök alatt szerepel, ezért gyökvonást is kell alkalmazni, vagy négyzetre emelést. Főleg olajok, víz, szeszes oldószerek, üzemanyagok, tüzelőanyagok, levegő és néhány gáz (O 2, N, CO, CO 2, CH 4, C 2 H 2, vízgőz, stb) 312

313 áramlásánál alkalmazzák. A fojtóelemek lehetnek: mérőperem, mérőtorok, rövid és hosszú Venturi cső (19.2 számú ábra). Újszerű megoldás a négylyukú mérőperem, ahol az örvénylés minimálisra csökken Áramlási sebességmérés rotaméterrel ábra. Rotaméter elve Az áramlási sebesség meghatározásának egyik további módszere azon fizikai jelenségen alapul, amely szerint a függőleges csőben felfelé áramló folyadékok vagy gázok az áramlás útjába helyezett testre az áramlási sebességgel arányos F K nagyságú erőt fejtenek ki, amely a testet az áramlás irányába elmozdítani igyekszik (19.3 számú ábra). Az erő nagysága az áramlási sebességen kívül függ a szóban forgó ún. ratométertest keresztmetszetétől, az áramló közeg sűrűségétől. Az áramló közeg által gyakorolt erővel ellentétesen hat a rotamétertest effektív, vagyis az F A hidrosztatikai felhajtó erővel csökkentett F G súlya. Abban az esetben, ha ezek az erők egyen-súlyba kerülnek egymással, a rotaméter egyhelyben lebeg, és így az egyensúlyi feltétel alapján felvilágosítással szolgál az áramlási sebesség értékére. A lebegő kúpos test felső hengeres peremét ferde ábra. Rotaméter induktív érzékelőkkel vájatokkal szokás ellátni, ami az áramlás hatására annak forgó mozgást kölcsönöz (innen a rotaméter elnevezés). Erre 313

314 a forgó mozgásra azért van szükség, nehogy a rotaméter test a csőfalhoz érjen, mert az a súrlódási erők fellépése következtében zavarólag hatna a mérési eredményeire. A kúpos, szabadon forgó rotamétertest alkalmazása nagy viszkozitású folyadékok esetén, a belső súrlódásnak a forgó mozgásra kifejtett gátló hatása miatt csak kellően nagy Reynolds-számok (Re>100000) mellett lehetséges. A forgó mozgás gátoltsága mi-att ugyanis az áramló folyadék által a ferde vájatokban létesített forgatónyomaték fel-hajtóerő többletként jelentkezik és így az áramlási sebességre a ténylegesnél nagyobb érték adódik.) Ennek elkerülése céljából olyan esetekben, amikor a leolvasási érték viszkozitásfüggővé válik, más kialakítású, pl. megvezetett, éles szélű tárcsás lebegő testet szokás alkalmazni. Ezek egyes változatainál a viszkozitás függés már 500 körüli Reynolds-számoknál megszűnik. A rotaméter alapkiépítésben nem villamos méréshez készül, amely egyébként igen elterjedt. Ha villamos műszerhez akarjuk alkalmazni, akkor kizárólag induktív elmozdulásmérést alkalmazunk a 19.4 számú ábra alapján történő kiépítésben. Itt még láthatók a kapcsolási rajz is a jelleggörbék. A rotaméter mérési elvét a kifejezés, illetve a 19.3 számú ábra alapján tárgyalhatjuk: D p = p 1 - p 2 és A2 = A - a, ( A - a) Dp q = x A nyomáskülönbségből (a. Δp) nagyságú felhajtóerő adódik, ez tart egyensúlyt az úszó súlyával. G = a Dp, G D p =. a Az a - const; ξ - const; G - const, így ezzel: ahol: G q = x ( A - a) = k ( A - a), a G k = x a A rotamétert elsősorban olyan helyeken alkalmazzák, ahol igen nagy áramlási sebességeket kell meghatározni. Igen előnyösen használhatók továbbá minden olyan esetben, amikor az áramló közeg erősen szennyezett és ennél fogva a mérőperemes készülékek nem alkalmazhatók. Mérési tartományuk meglehetősen széles határok között mozog. A mérési tartomány felső határa tovább növelhető úgy, hogy rotamétert a főág helyett az abból párhuzamosan leágaztatott kisebb keresztmetszetű mellékágba helyezik el. A méréshatár növekedését a vezeték- keresztmetszetek viszonya (legtöbbször 1/1000) adja meg. A fojtást a főágba helyezett fojtótárcsával biztosítják. Erősen zavaros vagy olyan folyadékoknál, amelyek áramlási sebességének mérése üzembiztonsági szempontok miatt üvegből készült rotamétercsővel nem engedhető meg, és emiatt a 314

315 közvetlen leolvasás nem lehetséges, a rotaméter állását a 19.4 számú ábra szerinti megoldás segítségével lehet leolvasni. A rotaméter mennyiségskálája kúpos cső alkalmazása esetén nemlineáris. A lineáristól való eltérést vizsgálva azonban kitűnik, hogy kis kúpszög és kis mérési tartomány esetén a hiba jelentéktelen (kb. 1%). Nagyobb pontosság esetén a csövet parabolikusra kell kiképezni. Az alapegyenletek levezetésénél a mérendő közeg súrlódásából adódó erőket nem vettük figyelembe. Ez az erő a közeg viszkozitásától, sebességétől és az úszó alakjától függ. Ez utóbbi lényeges, mert ettől függ, hogy az áramló közeg mekkora felülettel tapad az úszóhoz. A közeg súrlódásából származó erő mérési hibát okoz. Mérési hibát okoz még a mérendő közeg fajsúlyváltozása. A mért áramló mennyiség a közeg fajsúlyától akkor független, ha: G = 0 g feltétel biztosítva van, amelynek eredménye: ábra. Úszók típusai és g u = 2 g, ahol: γ u az úszó fajsúlya, γ - a mérendő közeg fajsúlya. Megjegyzés: A G képlete a 26. sz. irodalom 433. oldalán megtalálható. karakterisztikái A különböző hibák kiküszöbölésére úszótípusokat dolgoztak ki. Ezekre mutat példát a 19.5 ábra. Az ábrán az átfolyási tényező (C) és a Reynolds szám van ábrázolva. Látható, hogy a legmegfelelőbb úszó a fordított kúpos kialakítás (19.5c ábra). A 19.6 ábrán a különböző közegsebességek esetén előálló áramlási képet szemléltetjük. Itt is látható, hogy a fordított kúpos úszónál az áramlási kép gyakorlatilag független a közeg sebességétől Áramlási sebességmérés turbinával 315

316 Ebben az esetben, a turbinakerékben (lapátokon) a folyadék áramlása által létrehozott forgatónyomatékot használják. A fordulatszám arányos a mérendő közegmennyiséggel, vagyis a közeg áramlási sebességével. A turbinakerék lehet tangenciális, vagy axiális átömlésű, amelyeket a 19.7 és számú ábrák mutatnak. A 19.7 ábrán egy és többsugaras kivitel látható. Az egysugaras rendszer hátránya, hogy az áramló közeg a forgástengelyt aszimmetrikusan terheli. A többsugaras rendszer ezt a hátrányt kiküszöböli, mert az áramló közeg egyszerre több, a kerületen érintőlegesen elhelyezett beömlő nyíláson lép be, ami a szárnykerék egyenletes terhelését biztosítja. Mindkét típus készülhet ún. nedves vagy száraz kivitelben. A megkülönböztetés annak alapján történik, hogy a szárnykerék fordulatait számláló mechanikus szerkezet a nyomás alatt levő mérőtérben, vagy pedig azon kívül van-e. A száraz kivitel hátránya, hogy a mérőtérből tömszelencén keresztül kell kicsatlakoztatni, ami a súrlódási hiba szempontjából kedvezőtlen. Az ipari méréstechnikában főként az axiális megoldást alkalmazzák. Az elméleti vizsgálatokat a 19.9 számú ábra alapján végezzük, ahol a 19.9a ábrán a lapát geometriája, a 19.9b ábrán pedig a lapátkerék elhelyezkedése látható. Eszerint az ábra jelöléseivel: L tg a = p D T ábra. Különböző áramlási képek 316

317 19.7. ábra. Tangenciális átömlésű áramlásmérők ábra. Axiális átömlésű áramlásmérő 317

318 19.9. ábra. A lapát geometriája A lapátokon a rajta átáramló közeg v sebességének megfelelő kerületi sebesség összetevő adódik. A tengelyirányú és kerületi sebesség-összetevőkre a számú ábrán látható sebesség háromszög rajzolható, amelyre írható: v v tga = =, u DT p n ahol n a fordulatszám. A és es egyenleteket egyenlővé téve kapjuk: v = n L Az áramlásmérő átfolyási keresztmetszete: 2 2 ( D ) A = p - D A ábra. Sebesség háromszög A térfogatáramlásra felírható: Vezessük be a D A /D = η jelölést, így ezzel: p 2 ( -h ) 2 A = D

319 =ò q vda A Ennek felhasználásával: q = v A Felhasználva a és es számú egyenleteket: vagyis ahol: 2 ( 1-h ) n p 2 q = D L 4 p, q = q( n) = k n, ( 1-h ) 2 k = D L Lineáris összefüggés itt csak elméleti, mert nem veszi figyelembe a véges lapátvastagságot és a D, illetve D T átmérők közötti különbséget. Legyen a lapátok száma z és ezek vastagsága s. Ekkor a lapátok által elfoglalt terület: 2 z æ p D ö A1 = ( D - D ) s 1+ T T A ç è L ø A gyök alatti kifejezés a lapát kiterített hosszát jelenti, ami megfelel a számú ábra átfogójának. Így: é 2 ù êp 2 2 z æ p D ö q = D ( 1-h )- ( D - D ) s 1+ T ç ú T A, ê 4 2 è L ø ú ë û q = k, n ù 2 z æ p D ( ) ( D D ) s T ö 1-h ç ú L é, k êp 2 = D T A. ê 4 2 è L ø ú ë û Tehát a lényegesen jobban megközelíti a valós helyzetet, mint a os számú képlet. Ez látható a es számú ábrán, ahol az 1sz. egyenes a valódi (mért) hitelesítési görbét, a 2-es egyenes a as egyenlet szerinti állapotot, a 3-as egyenes a os számú egyenlet szerinti állapotot mutatja. 319

320 ábra. Különböző mérők karakterisztikája A számú ábrán Woltmann turbinás áramlásmérő látható. A turbina forgását egy szelencén és áttételen vezetik ki a számlálószerkezetre. Ennek viszont az a hátránya, hogy a pillanatnyi áramló mennyiség közvetlenül nem határozható meg. A kivezetés áttételeken és szelencéken keresztül történik, ami szintén hátrány. Ezt küszöböli ki a számú ábrán látható megoldás, az ún. Potter méter. A kiegyensúlyozott forgórészben egy állandó mágnes az érzékelő tekercs előtt forog el és feszültséget indukál. A műszerház - amelyben a tekercs van-, nem mágneses anyagból készül. Ha ismert a fajsúly, abból az átáramló tömeg is mérhető, mert a súlyáram: A Potter méternél az indukált feszültség frekvenciája a forgórész frekvenciájával egyezik, ami arányos a közegáramlás sebességével. A csőkeresztmetszet ismeretében a frekvencia az időegység alatt átáramló térfogatra, adott fajsúly esetén pedig az időegység alatt átáramló súlymennyiségre jellemző. A frekvencia számlálásával tehát pillanatnyi mennyiség, az ò G = g v da A ábra. Woltmann turbina 320

321 impulzusok számlálásával pedig az átáramló össz-mennyiség határozható meg. Ez a típus távadóként is működhet, míg a számú ábra szerinti nem. Nagymértékű viszkozitásváltozás esetén gondoskodni kell a korrekcióról. A Woltmann és ábra. Potter mérő a Potter áramlásmérőnél egyszerű automatikus kompenzálás valósítható meg a számú ábrán látható megoldás szerint. A vastag vonallal jelölt közeg az 1 terelőtest mellett elhaladva forgatja a 2 turbinát. Az 1 terelőtesten belül található a viszkozitás kompenzáló rendszer, amely a turbinával közös tengelyen van, így azzal együtt forog. A mérendő közeg egy kis részét (vékony szaggatott vonal) a mellékágon keresztül a 4 henger és a 3 hüvely közötti résbe vezetik, így ez fékezi a hengert. Növekvő viszkozitás a turbina nagyobb fordulatszámát eredményezné, de nagyobb ábra. Viszkozitás független megoldás 321

322 viszkozitásnál a 4 hengerre ható fékezőerő is nagyobb, és a viszkozitás hatása kompenzálódik. A mellékágon haladó folyadék visszakerül a főágba, így hibát nem okoz a mérésben Indukciós áramlásmérő Működése a mozgásindukció elvén alapul. A mágneses térben mozgó vezető szerepét az áramló folyadék vesz át. (minimális vezetőképesség 10-3 Siemens). Indukciós áramlásmérőre mutat példát a19.15 számú ábra. A szigetelő anyagból készült csőben amely homogén mágnestérben van elhelyezve- folyadék folyik, az áramlás iránya merőleges a homogén térre és a vezetőképességgel rendelkező folyadék csak ebben az esetben használható- v sebességgel mozog a csőben. A mágneses tér és az áramlás irányára merőlegesen vannak elhelyezve az elektródák, amelyekről az alábbi nagyságú feszültség vehető le: U = B d v ahol d a cső belső átmérője, B mágneses indukció és v az anyag áramlási sebessége. A feszültség kicsi (μv nagyságrendű), de egyenesen arányos az áramlási sebességgel, vagyis a karakterisztika lineáris és a közeg sűrűsége, illetve viszkozitása nem befolyásolja, sőt a szilárd részecskék jelenléte sem befolyásolja a mérést. Előnyök és hátrányok. a mért átlagsebességre vonatkoznak, ezért a műszert adott feladathoz kalibrálni kell. Miután a mért folyadék vezetőképessége a mérés pontosságát befolyásolhatja, célszerű árammentes feszültségmérési módszert alkalmazni. A mérés ábra. Indukciós áramlásmérő 322

323 nyomásveszteséggel nem jár, lerakódásra, eltömődésre sem nyújt alkalmat, mivel a vezeték belseje teljesen szabad. Vezetőképes folyadékok áramlási sebességének mérését elsősorban ott alkalmazzák, ábra. Hőellenállásos áramlásmérő elemei ahol hordalékos darabos részeket tartalmazó anyag miatt a fojtásoknál lerakódásra kell számítani, továbbá olyan kis áramlások esetén, ahol a torlóelemek által okozott nyomásesés nem engedhető meg. Az egyszerű csővezeték-kiképzés miatt korrozív anyagok mérésére is jól alkalmazható. Pontossága kb. + 3% Termoanemometria. (Hőhuzalos átalakítók) ábra. Hőhuzalos átalakítók típusai 323

324 Ha felfűtéssel egy hőellenállást a környezeti hőmérséklet fölé emeljük, akkor annakhűtésével adott közeg áramlásának mérése megoldható. Ezt az eljárást termoanemometriának nevezik. Ez a módszer széles körben elterjedt, mert ezzel a módszerrel, gyors áramlási tranziensek is vizsgálhatók. A termoanemometriai érzékelők eleme - átalakítója árammal fűtött vezető, amely egy vékony drót hődrót vagy igen vékony fólia hőfolia. Ezt az ún. hőellenállást az áramlási térbe helyezik és árammal fűtik. Az áramló közeg hűti az átalakítót, és közben mérjük az ellenállás változását, amelyet hoz-zárendelünk az áramlási sebességhez. Növekvő sebességgel a hűtőhatás növekszik. Alaptípusait a számú ábra mutatja. A huzalos átalakító két hordozó szárra fel-erősített (hegeszetett) 2,5 10 μm átmérőjű huzal. A hőfóliás átalakító kvarchordozóra erősített igen vékony fémfólia. Szilárdsága nagyobb az előzőnél, ezért nagy sebességek mérésére is alkalmas. A hőhuzalos átalakító különösen elterjedt (19.17 számú ábra). Ezen belül is az ún. X típusú átalakító a f ábrán látható. A a d ábrák egyhuzalos átalakítót mutatnak, a 19.17e ábra pedig kéthuzalos átalakítót. Az átalakító mérete igen kicsi, ezért az áramlás térbeli struktúrája igen pontosan feltérképezhető. Az X típusú és kételemes hőhuzalos átalakító a termoelemes sebességmérő térbeli összetevőinek meghatározására is alkalmas. Speciális kialakítású átalakító a számú ábrán látható hőhuzalos mérőcső, amely zárt rendszerben -pl. csőhálózatban ábra. Hőhuzalos mérőcső alkalmazható jól sebességmérésre. Ez a módszer a huzal súlyában fellépő sebességek átlagát méri. Ezzel a módszerrel mérhetők korrekciós tényezők felhasználásával- súly, tömeg, és térfogat. A következőkben vizs-gáljuk meg a termoanemometria alapvető összefüggéseit. A legalapvetőbb összefüggés L.V. King-től 1914-ből származik, amely a hengeres test hőátadására vonatkozik: F = l k æ 2 p r c d v ö l ç - ç è ø ( T T ) k pk k 1 + k, lk ahol: Φ hőáramlás [W], λ k közeg hővezető képessége [W/m. K], l test hossza [m], d test átmérője [m], φ k közeg sűrűsége [kg/m 3 ], c pk a közeg állandó nyomáson vett fajhője [Nm/kg. K], T k közeg hőmérséklete távol a testtől [K], T test felületének hőmérséklete [K], v k közeg áramlási sebessége [m/s]. A es képlet felírható egyszerűbben is: 324

325 ' ' F = ( A + B v ) ( T - ) k T k Az A és B a és összehasonlításával meghatározható. Collins és Williams 1959-ben kimutatták, hogy King elmélete korrekcióra szorul, amely korrekciók az alábbiak: 0,17 '' '' n é 1 æ T - T ( ) k öù Nu = A + B Re ê1 + ú = k ( Re Pr) n ë 2 ç T è k ø û ahol: - Nu- módosított Nussel szám - Re a Reynolds szám: -Prandtl szám: v r = k d w l Re = n m k m C p r Pr =, l ahol: ν k a közeg kinematikai viszkozitása, K és n állandók, α a hevített test hőátadási tényezője, l a meghatározó lineáris méret ( hengeres test esetén az átmérő), λ a közeg hővezetése, μ a közeg viszkozitása, C p a közeg hőkapacitása, ρ a közeg sűrűsége és a w a közegnek a testhez viszonyított áramlási sebessége. A vizsgálat eredményei: - ha 0,02 < Re < 44, akkor n=0,45; A = 0,24 és B = 0,56 - ha 44 < Re < 140 akkor n = 0,51; A = 0 és B = 0,48 Az összes fenti eredmény: l/d között érvényes. Megjegyzés: A módosítatlan Nusselt szám: F Nu =, p l lk ( T - T k ) Tömegtehetetlenség elvén működő áramlásmérők Ebbe a csoportba tartozó műszerek közös alapelve, hogy az áramló közeg sebességvektorának definiált megváltoztatására bekövetkező hatásokat mérik. Az észlelt hatás lehet a sebességváltoztatásnak ellenszegülő tömegtehetetlenség (lásd könyökös áramlásmérők; Coriolis áramlásmérő), vagy pedig a közeg sebességváltozásából származó impulzusváltozás (forgócsatornás áramlásmérő) Könyökös áramlásmérő 325

326 ábra. Könyökös áramlásmérő ábra. Coriolis áramlásmérő A változó nyomásesésű áramlásmérőknél már említettük. Az ott látott megoldás a csővezeték megbontása nélkül alkalmazható. A ábrán vázolt mérési módszernél az ívcső rugalmasan csatlakozik a csővezetékhez. Az ívcsőben áramló közegre a centripetális erő hat, melynek nagysága jellemző az időegység alatt átáramló közeg súlymennyiségére. Ez az erő az ismert erőmérési módszerekkel mérhető. A műszer hátránya, hogy a karakterisztika nemlineáris, továbbá a közeg sűrűségének megváltozása mérési hibát okoz Coriolis áramlásmérő A műszer működése a ábrán látható egyszerűsített vázlat alapján érthető meg. A mérendő közeg egy T alakú cső szárán áramlik be, majd kétfelé válva a T cső ágain v állandó sebességgel áramlik kifelé. Forgassuk meg a T -csövet az ábrán berajzolt tengely körül az A-A pontoknál fogva állandó w szögsebességgel. (A forgásirányát és a v szögsebesség vektort az ábrán feltüntettük.) A T -cső ágaiban levő közegrészecskék kétféle mozgása következtében az ún. Coriolis gyorsulás lép fel. A Coriolis gyorsulás vek-tora a sebesség vektorokkal kifejezve, definíció szerint: a c = 2 wxv Jelen elrendezésben az w és v vektorok egymásra merőlegesek, így a Coriolis gyorsulás abszolút értéke: a c = 2. w. v,

327 ábra. Áramló közeg és nyomaték kapcsolata iránya pedig a két sebességvektorra merőleges, mint ahogy az a ábrán látható. A közeget gyorsító Coriolis erő a gyorsulás vektorokkal egyező irányú. A T-cső ágaiban a csőfalra ezen gyorsító erő reakció ereje, a tömegtehetetlenségből származó erő hat. Az ábrán csak ezt az erőt jelöltük (F). Ha a T -cső szárát vékonyfalu rugalmas anyagból készítjük, akkor a F erőből származó nyomatékok hatására a T -cső felső ága elfordul. Ez a szögelfordulás az áramló közeg tömegére jellemző. Vizsgáljuk meg az áramló közeg és a T -csőre ható nyomaték kapcsolatát a ábra alapján. Az ábrán a T -csövet felülnézetben ábrázoltuk. A T -cső egyik ágában levő közegtömeg: m = R. q. r, ahol: R - a csőfél hossza, q a cső keresztmetszete, r a közeg sűrűsége. Az F tehetetlenségből származó erő, behelyettesítve a (19.39) és (19.40) egyenletekkel adott gyorsulást és tömeget: F = m. a c = R. q. r. 2. v. w Az F erő a 2 R karon hat, így az ebből származó nyomaték: R M = F. = R 2. q. r. v. w A másik csőfélre az elrendezés szimmetrikus, ezért az össznyomaték a (19.42) egyenlettel adott érték kétszerese: M ö = 2. M = 2. R 2. q. r. v. w A (19.43) összefüggésben szereplő 2. q. r. v szorzat, a csővezetékben időegység alatt átáramló össztömeget jelenti. (A 2-es szorzó a T-cső két ága miatt szerepel.) jelöljük ezt az értéket m i -vel. A (19.43) egyenlet így: M ö = R 2. w. m i Az összefüggésből látható, hogy a T -csőre ható nyomaték az átáramló közeg tömegsebességével egyenesen arányos (R és w konstans). A műszer karakterisztikája tehát lineáris. Az összefüggésben a közeg egyéb jellemzői nem szerepelnek, így pl. a fajsúlyváltozás, nem befolyásolja a mérést. Ez különösen változó fajsúlyú közeg mérésénél nagy előny. A módszer folyadékok mérésére alkalmas, ugyanis a gázok esetén kapható kis nyomaték nem mérhető. Az érzékelő gyakorlati megvalósítása látható a sz. ábrán. Az adó alapeleme az 1 T-alakú cső, mely a 2 testtel együtt forog. A rendszer hajtása a 3 fogaskerék útján történik. A folyadéknak a csőben végbemenő mozgása következtében fellépő, Coriolis-gyorsulás olyan nyomatékot hoz létre, mely a csövet a 2 testhez képest elforgatni igyekszik. Ennek a nyomatéknak a mérésére a rendszerben két ellenállás-huzalos nyúlásmérőt alkalmaznak. A cső végei az 5 karokkal csatlakoznak a jeladóhoz a 6 tömítő membránon keresztül. A nyúlásmérő konstantán ellen-álláshuzalja az 5 kar vége és a két 7 álló kar közé van tekercselve. A cső elmozdulása a huzalok feszítésének megváltozását, és ez által a mérőhíd ágainak 327

328 ennek megfelelő ellenállás változását okozza. A cső végének elmozdulási lehetőségét a 4 vékonyfalú szakasz, mint rugalmas elem biztosítja. A nyúlásmérő huzalvégeit a 8 érintkező gyűrűkön keresztül vezetik ki. A folyadékot forgó mérőrendszerben megfelelő tömített csőkötésen vezetik be. A létrejövő nyomaték nagyságát meghatározhatjuk a ábra szerinti egyszerűsített rendszer segítségével, amelyben az ábrázolt S keresztmetszetű csőszakasz az 0 középponthoz viszonyítva w szögsebességgel forog. A csövön keresztül a r sűrűségű folyadék w sebességgel áramlik. A Coriolis-gyorsulás: a k = 2 w w A falra ható erő F k = m. a k, ahol m a folyadék tömege; m = S. l. r, A Coriolis-gyorsulás következtében létrejött nyomaték, M k = F k. R = 2. R. l. w. w. S. r = 2. R. l. w. Q ábra. Coriolis mérő egyszerűsített vázlata ahol: Q = w. S. r az átáramló mennyiség tömege. A felírt kifejezések megmutatják olyan tömeg (súly) mennyiségmérő jeladók létrehozásának lehetőségét, melynek jelleggörbéjére a mérendő közeg sajátságait egyáltalán nem hatnak. A ábrán a mennyiségmérők egy másik szerkezeti változatának elvi vázlata látható. A T-alakú cső helyett ebben az adóban két radiális irányú terelőbordákkal ellátott 1 tárcsa van. Hasonló 2 terelőbordák vannak a 3 testre mereven rögzítve. A forgatónyomatékot csavarvonalban a 4 vékonyfalú csőre ragasztott nyúlásmérő bélyegekkel mérik ábra. Coriolis érzékelő felépítése ábra. Köralakú forgórésszel rendelkező mennyiségmérő a 328

329 Az ilyen típusú jeladók dinamikai jellemzőit a mért rendszer f s saját frekvenciája szabja meg, tehát a T -alakú cső vagy a forgórész J tehetetlenségi nyomaték, és a rugalmas elem a cső K rugóállandója: f s = 1 2 p K J A megvalósított készülék saját lengésének felső frekvencia határa Hz, tehát 100 Hz frekvenciával változó mennyiségek mérhetők Forgócsatornás áramlásmérő A műszer vázlatát a ábra mutatja. A folyadékáramlás útjába egy szinkron ábra. Forgócsatornás áramlásmérő motorral állandó fordulatszámon forgatott hengert helyeznek. A hengerben a forgástengellyel párhuzamos csatornák vannak. A hengerbe belépő közeg eredetileg m. v tengelyirányú impulzussal rendelkezik m a közeg tömeg, v pedig az áramló sebesség. A közeg a hengeren áthaladva eredeti impulzusához a forgatás miatt egy járulékos impulzust kap. Ez a járulékos impulzus a forgó henger kerületi sebességének irányába mutat. Nagysága a henger fordulatszámától, sugarától és az átáramló közeg tömegétől függ. A tömegtehetetlenség miatt a közeg ezt a járulékos impulzust a hengeren való áthaladás után is tartja. Ha a forgó hengerrel szemben, egy ahhoz hasonló, rugóhoz rögzítet mérőhengert helyezünk, akkor azt a közeg járulékos impulzusából származó nyomaték alaphelyzetéből kitéríti. A mérőhenger szögelfordulása mágneses úton jelezhető ki. Azért, hogy a forgatott henger és a mérőhenger között a viszkózus nyomatékátadást csökkentsék, a két henger közé a műszerfalhoz rögzített elválasztó tárcsát helyezik. A műszer kimenete egyenesen arányos az időegység alatt átáramló közeg súlyával és a szélső tartományban független a közeg sajátságaitól Kalorimetrikus módszer A kalorimetrikus áramlásmérésnél az áramló közeget folyamatosan hevítik, s a közeg 329

330 hőmérsékletemelkedéséből, ill. hőelnyeléséből következtetnek az áramló mennyiségre. A szokásos mérési elrendezést a ábra szemlélteti. Az ábrán az áramlásba helyezett 1 fűtőtest, s a fűtőtest előtt és után elhelyezett 2 hőérzékelők, hőelemek, ellenálláshőmérők, vagy termisztorok lehetnek. A 19.26b ábrán külső fűtéssel rendelkező megoldás látható. A fűtés villamos úton történik. A módszer gázok és folyadékok mérésére egyaránt alkalmas. A kalorimetrikus áramlásmérőknél két mérési elvet követnek: a, A közeget állandó fűtőteljesítménnyel melegítik, s az ennek hatására bekövetkező hőmérsékletemelkedést mérik. A közeg hőmérsékletemelkedése az átáramló mennyiségre jellemző. b, A közegben előidézett hőmérsékletemelkedést állandó értéken tartják és mérik az ehhez szükséges fűtőteljesítményt, ami jellemző az áramló mennyiségre ábra. Kalorimetrikus áramlásmérő Vizsgáljuk meg milyen kapcsolat van az áramló mennyiség, a közeg hőmérsékletemelkedése és a bevezetett fűtőteljesítmény között. A közeg fűtésére időegység alatt betáplált hőmennyiség: q = c. m. D t, ahol: c az áramló közeg fajhője (gáz esetén c p, állandó nyomású fajhő), m az időegység alatt áramló tömegmennyiség, Dt = t 2 t 1 a közeg fűtése miatt létrejövő hőmérsékletemelkedés. Ugyanez a hőmennyiség egyenesen arányos a betáplált villamos teljesítménnyel: q = k. P vill, ahol: k a hő- és villamos energia közötti átszámítási tényező. (A csővezetéknek hőszigeteltnek kell lenni!) A (19.49) és (19.50) egyenletek összevetéséből: c. m. Dt = k. P vill Ebből a kétféle mérési elvnek megfelelően: Ha P vill = const, akkor: k P K Dt = vill = 1, c m m ahol: K 1 konstans, feltéve, hogy az áramló közeg fajhője nem változik. 330

331 Tehát állandó fűtőteljesítmény esetén, a hőmérsékletet mérve hiperbolikus a karakterisztika. Ha Dυ = const. c Du P vill = m = K2. m, k ahol: K 2 konstans, ha a közeg fajhője nem változik. A (19.53) egyenletből látható, hogy a villamos teljesítményméréseket (Dυ = const.), a mérési karakterisztika lineáris. A Dυ hőmérsékletkülönbséget egy szervórendszer a fűtőteljesítmény változtatásával tartja állandó értéken. A P vill fűtőteljesítmény wattmérővel mérhető. A wattmérőt közvetlenül a pillanatnyi áramló mennyiségben lehet skálázni. Ha az átáramló összmennyiséget kívánjuk mérni, villamos fogyasztásmérőt kell alkalmazni. A mérésben hibát okozhat a közeg egyenlőtlen fűtése, a közeg egyenlőtlen sebességeloszlása, a környezeti hőveszteség, s a közeg fajhőjének megváltozása Hővezetéses módszer A hővezetéses áramlásmérés gázok és villamosan nem vezető folyadékok mérésére széles sebességtartományban alkalmazható. A módszer lényege az, hogy az áramlásba egy elektromosan fűtött ellenállás-szálat helyeznek, amelyet az áramló közeg az áramlási sebességtől függő mértékben hűt. A mérőfej egy lehetséges kialakítását a ábrán láthatjuk. Az ellenállásszálat nagy ellenállás hőmérsékleti tényezőjű anyagból, rendszerint platinából vagy nikkelből készítik. A fűtőszálba bevezetett villamos teljesítményt és a közeg v áramlási sebessége között az alábbi kapcsolat adható meg. I 2. R (υ) = A. v + B, ahol: I a szál fűtőárama, R(υ) a szál hőmérsékletfüggő ellenállása, v a közeg áramlási sebessége a szálnál, A és B konstansok, de függnek a közeg fizikai tulajdonságaitól, továbbá a szál és az elrendezés geometriá-jától. A egyenlet alapján két mérési elv követhető. 1. Az I fűtőáramot állandó ábra. Hővezetéses módszer értéken tartják és mérik a szál ellenállását, ami a közeg áramlási sebességére lesz jellemző. 2. A szál hőmérsékletét (ellenállását) tartják állandó értéken Hőimpulzusos módszer 331

332 A ábrán vázolt hőimpulzusos módszer folyadékok áramlási sebességének mérésére alkalmazható. Az 1 impulzusgenerátor frekvenciája által megszabott ábra. Hőimpulzusos mérés elve ütem szerint a 2 szilfonmembránban a mérendő közeg egy meghatározott adagja periodikusan cserélődik. A szilfonmembránba került folyadékot a 3 fűtőtest felmelegíti, így az áramló közegbe, a generátor frekvenciájának megfelelően, hevített adagok lökődnek, s a folyadékkal együtt v átlagos sebességgel áramlanak a hőimpulzus adótól L távolságra elhelyezett 4 ellenálláshőmérő felé. Az ellenálláshőmérő a hőimpulzusokat a közeg áramlási sebességétől függő D t időkéséssel észlelt. Ezt az időkésést mérve a közegáramlási sebessége meghatározható. A közepes átlagos áramlási sebessége v és az időkésés között az alábbi egyszerű kapcsolat adható meg: Dt = v L Ultrahangos áramlásmérők 1. Terjedési sebességen alapuló mérés A mérés vázlatát a ábra mutatja. Az ábrán az áramlásba helyezett A adó és a tőle L távolságra levő É érzékelő látható ábra. Ultrahangos áramlásmérő elve Az adó az áramló közegben hangjeleket (impulzust v. hullámot) kelt, amelyeket az É érzékelő Dt időkieséssel érzékel. A közegben a hang c sebességnek és a közeg v áramlási sebességének vektori eredőjével terjed. A hang átfutási ideje így, az ábrán látható elrendezésben: 332

333 2 p f L Dj 1 =. c + v Ha X 2 az adó: 2 p f L Dj 2 =. c - v Az érzékelő olyan, hogy az egymásután érzékelt jelek fáziskésésének reciprokát képezi és ezeket kivonja egymásból, így a kimenő jel (pl. feszültség) c + v c - v 1 U ki = - = v. 2 p f L 2 p f L p f L Láthatóan arányos a közegáramlási sebességével és független a mérendő közeg sajátságaitól. A módszer igen kis sebességek (0,1 cm/sec) mérésére is alkalmas. 2. Örvénylésen alapuló áramlásmérés A forgó örvényes áramlásmérő a forgó örvények mérésén alapszik, amelyiket először kísérletképpen Strouhal tanított 1878-ban. Egy nem áramvonalas akadályt helyeznek el a folyadékáram közepén. Ahogy a folyadékáramlás a csőben eléri ezt az akadályt, örvények jönnek létre. A létrehozott örvények frekvenciája összefüggésben van a folyadék áramlási sebességével és az örvénykeltő szerkezet szélességével amelyeket az áramlásmérő K tényezője, határoz meg. Az akadály adott geometriája mellett az áramlásmérő K faktora viszonylag állandó, ezért a cső Reynolds számának széles frekvenciatartománya mellett a folyadék áramlási sebessége lineárisan arányos az örvények frekvenciájával. A létrehozott örvények frekvenciáját általában érzékelőkkel határozzák meg. Nyomás, kapacitás, termikus és ultrahangos a leggyakoribb fajtája az érzékelőknek, amiket erre a célra használnak. Az örvényáramlás-mérő képes a folyadék vagy gáz pontos mérésére (jellemző ±1 %-os pontossággal) egy minimális áramlástartományon belül. Az örvényáramlás-mérő fő korlátja az, hogy csak turbulens áramlás során használható. Emiatt ez általában nem használatos nagy csőátmérőkben, vagy olyan alkalmazásokban, ahol az áramlási sebesség alacsony vagy a folyadék sűrűsége magas. A legtöbb gyártócég egy minimális Reynolds állandót, jellemzően et határoz meg. Ha 3000 körülinél kisebb a Reynolds szám, akkor örvények nem jönnek létre, így mérés sem valósítható meg. A mérési módok a ábrán látható. 333

334 körülmények 3. Doppler-eltolódásos áramlásmérés Örvénylésen alapuló áramlásmérés Ezzel a módszerrel ( ábra) kimutathatóak a folyadékban áramló apró ábra. Doppler- eltolódáson alapuló áramlásmérés 334

335 részecskék, buborékok és az örvények. Ezek megváltoztatják a visszatérő hang frekvenciáját, ami a terjedésének sebességét befolyásolja és ezt kihasználva mérhető a folyadék sebessége. A mérés eredménye függ az áramlás profiljától, számától, az akusztika minőségétől és a hang folyadékban valót erjedési sebességétől. Ha az adót és vevőt a csőbelső falára helyezik el, nagyobb pontosság érhető el. 4. Kereszt korrelációs áramlásmérés A folyadékban lévő véletlenszerű örvények modulálják a kibocsátott jelet. Összehasonlítva a vett jeleket az áramlás mentén, a mérési pontokon az átfolyó időből számolható a folyadék sebessége. 5. Nyílt csatornás áramlásmérés A mérőrendszer lehetővé teszi nyitott csatornákban valamint gravitációs szennyvízcsatornában áramló folyadék mennyiségmérését. Az átfolyásmérő ultrahangos szintmérőből és Parshall tip. szűkítőből áll. Az átfolyásmérő széleskörű felhasználhatósága érdekében jelenleg 9 különböző mérési tartományú PARSHALL-csatorna áll rendelkezésre. A mérhető teljes mérési tartomány 1 m 3 /h 6660 m 3 /h-ig terjed. A Parshall-csatorna polipropilén lemezekből öszszeállított kompakt egységként kerül a felhasználókhoz. A mérőcsatorna helyének megválasztásakor ügyelni kell arra, hogy a lamináris áramlási viszonyok biz ábra. Nyílt csatornás áramlásmérő tosítottak legyenek. Parshall-csatornás átfolyásmérés zárt csőben akkor lehetséges, ha a folyadék nem tölti ki teljesen a cső keresztmetszetét pld. gravitációs szennyvízcsatorna. A szűkítőelemként alkalmazott Parshall-csatornában a torlónyomás hatására megemelkedik a folyadékszint. Ez a szintváltozás arányos a folyadék sebességével, ill. az átfolyt mennyiséggel. A másodpercenként átfolyó mennyiség számítása a következő módon lehetséges: 335

336 b Q = a h a [m 3 /s], ahol: h a - a mért szint [m], a és b táblázatban a gyártó által megadott értékek. A méretek a rajzon láthatók. A mérés pontossága 1,5 2 %. 336

337 20. fejezet Fordulatszám mérése. 1. Fordulatszám mérése tachométerrel. Ez a legismertebb villamos módszer. Azt a tényt használja fel, hogy állandó mágnesű egyen illetve váltakozóáramú generátorok kimenő feszültsége arányos a fordulatszámmal. Az egyenáramú gép kapocsfeszültsége -itt nem részletezett feltételek mellett- egyenlő: U = c F n, 20.1 ahol: c -géptől függő állandó, Φ -fluxus, amely bizonyos feltételek és geometriai kialakítás mellett állandó, n -fordulatszám. A váltóáramú gépeknél is ugyan más feltételek mellett, de fennáll az arányosság. Egyenfeszültségű tachométereket ford/perc értékek mellett használják. Nagyobb, vagy kisebb fordulatszámok esetén áttételt használnak. Ekkor U T = 5 30V. A váltófeszültségű tachogenerátorok ford/perc tartományban működnek. U T = V feszültségek mellett. 2. Fordulatszám mérése impulzus számlálással ábra. Fordulatszám mérése impulzusszámlálással Ez a módszer igen nagy mérési pontosságot biztosít. Itt a szögelfordulást impulzussorrá alakítjuk át, majd azt számlálva a fordulatszám meghatározható, de készítenek olyan kapcsolást is, amelyik emellett még a fordulatszám egyenlőtlenségét is méri. Ilyen megoldást mutat a számú ábra. A forgó tárcsa 60 furatot tartalmaz. Ezáltal elérhető, hogy egy digitális frekvenciamérő a beérkező impulzusokat pontosan 1 percig számolja, így közvetlenül a fordulatszámot mutassa. Itt a fordulatszám ingadozás nem befolyásoló tényező, mert sok körülfordulás átlagát mérjük. Mindemellett a fordulatszámba bekövetkező ingadozás is mérhető, ha az impulzussorozatot aránydetektorra vezetjük. Ennek kimenő jele az ingadozást mutatja. Egyéb típusú (mágneses elven működő), de impulzusszámlálás elvén működő megoldást mutat a ábra. 337

338 3. Fordulatszám mérése örvényáramú módszerrel. E módszer azt a jelenséget használja fel, hogy forgó mágneses mezőbe elhelyezett tárcsában, illetve serlegben indukált feszültség hatására keletkező örvényáramok a mágneses térrel kölcsönhatásban nyomatékot hoz létre, amely arányos a fordulatszámmal. Az örvény-áramok szintén mágnesteret hoznak létre, amelynek hatása ellentétes az őt létrehozó mágnes térrel. Ilyen műszert mutat a 20.3 számú ábra. Szerkezeti felépítése: 1 a tartó tengelyben rögzített 4..8 pólusú állandó mágnes, 2 Al serleg, 3 mágneses vezető gyűrű, 4 spirálrugó, 5. mutató. A spirálrugó feladata, hogy az Al serlegre ható nyomatékkal szemben szögelfordulással arányos ellennyomatékot ábra Egyéb típusú impulzusszámláló hozzon létre ábra. Örvényáramú mérő Ekkor a műszer skálázása lineáris. Általában ford/perc közötti tartományban működik. Működési elvét a 20.4-es számú ábra szemlélteti. Ha a mágnes a pólus előtt forog a tárcsában (serlegben), akkor az erővonalmetszés következtében feszültség keletkezik 338