MJERENJE TLAKA

1. MJERENJE TLAKA Oznaka za tlak je P a osnovna SI jedinica je Pa (Pascal ). Prema definiciji za tlak je 1 Pa omjer sile od 1 N ( Newtona ) i površine od 1 m2. Jedinica Pa je mala po iznosu tako da se u tehnici vrlo često koristi jedinica 1 bar koja je 105 veća od 1 Pa. Važnije anglo-američke jedinice: Pound per square inch ( psi ) 1 psi = 6894,76 Pa, 1 at = 14,22 psi Pound per square foot ( psf ) 1 psf = 47,8803 Pa

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

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

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

5. Slika 8. Bourdonovi manometri: A) analogni (s kazaljkom), mjerni opsezi 0-1 bar, 0-50 bar, klasa točnosti 3 %; B) digitalni mjerni opsezi 0-1 bar, 0-100 bar, klasa točnosti 0,25 %, mjerni signal 4 - 20 mA

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

7. Manometri sa membranama i mjehovima se najviše koriste za mjerenje malih nadtlakova ili podtlakova Skica pretvornika ("transducer") tlaka u električni signal pretvorbom pomaka membrane u pomak kliznika potenciometra. Na slici 10. je prikazano načelo pretvorbe tlaka u električni signal. Pomak membrane se preko pomične grede prenosi na pomak kliznika potenciometra. Promjenljivi otpornik (potenciometar) priključuje se u jedu granu otporničkog Wheastoneovog mosta, čime se kao izlazni signal dobije napon. Izlazni napon se nadalje pomoću električnog sklopa pretvara u standardni strujni signal u području od 4 - 20 mA.

8. Deformacija membrane može se pomoću transformatora razlike također pretvoriti u električni signal. Transformator razlike ima sekundarnu zavojnicu spojenu od dva dijela i pomičnu jezgru. To je linearni pretvornik pomaka i često se koristi i kod drugih mjernih uređaja za pretvaranje pomaka u električni signal, na primjer kod rotametara za mjerenje protoka tekućina. Shematski prikaz manometra s pretvorbom tlaka u električni signal: A) sa membranom i transformatorom razlike; B) Bourdonova cijev i elektromagnet

9. Slika minijaturnog pretvornika tlaka u električni signal Pretvornici tlaka u električni signal mogu se izvesti u minijaturnoj izvedbi (slika 12) kojima je moguće on-line mjeriti raspodjelu tlaka u nekom procesnom prostoru (npr. sušari, destilacijskoj koloni, itd.)

10. Vakuumetri Vakuumetri su manometri za mjerenje niskih tlakova, najčešće manjih od 100 Pa. Najpoznatiji su McLodeov, Piranijev i ionizacijski vakuumetar. Piranijev vakuumetar se koristi za mjerenje tlakova u liofilizatorima za liofilizaciju sojeva mikroorganizama, stanica, u proizvodnji lijekova, i također u proizvodnji vrijednih sastojaka hrane. Mjerenje niskog tlaka se zasniva na efektu promjene koeficijenta prijenosa topline sa vruće niti zavisno od tlaka. Osnovni dijelovi uređaja su staklena cjevčica u kojoj se nalazi žarna nit. Nit se napaja sa konstantnom strujom i električna energija pretvara se u toplinu koja se prenosi kroz hidrodinamički granični sloj oko niti na plin u okolini. Temperatura niti je određena koeficijentom prijenosa topline i koristi se kao mjerni signal tlaka. Na površini niti zavaren je termočlanak tako da se elektromotorna sila termočlanka baždari u zavisnosti od mjerenog tlaka. Baždarna funkcija određena je bilancom topline za nit R(T) je otpor mjerne niti koji je funkcija temperature niti T, I je struja kojom se napaja nit, S je površina niti, h je ukupni koeficijent prijenosa topline koji se mijenja sa mjerenim tlakom P i T0 je temperatura plina u okolini

11. Shematski prikazi Piranijevog manometra Osim temperature može se kao mjerni signal upotrijebiti i električni otpor Piranijeve niti tako da se ispitna cijev spoji u otpornički Wheastoneov most. Mjerno područje Piranijevih vakuumetara je od 1 mPa do 0,1 kPa (slika 13).

12. Za niske tlakove, u području od 1 Pa do 10 mPa koriste se ionizacijski vakuumetri. Za mjerenje se koristi trioda u kojoj se nalazi plin čiji se tlak mjeri. Osnova mjerenja je ionizacija plina do koje dolazi prijelazom naboja između katode i anode. Katoda je užarena i dolazi do termičke emisije elektrona koji se ubrzavaju zbog napona mrežice i anode. Tijekom prijelaza dolazi do sudara elektrona i molekula plina i plin se ionizira. Negativni naboj se prenosi sa katode na anodu, a pozitivni naboji se prenose u suprotnom smjeru. Ukupna struja u krugu ovisi o stupnju ionizacije i mjerni je signal za tlak plina u triodi. Efikasnost ionizacije zavisi od vrste plina tako da se mjerni uređaj baždari zasebno za svaki plin.

13. Kapacitivni pretvornik vakuuma

14. Piezoelektrični element (pojava) • Slika 15. Prikaz Piezoelektrične pojave: • A)pojava deformacije kristala zbog električnog polja • B) pojava električnog napona zbog deformacije kristala djelovanjem sile Piezoelektrični ( grčki piez = tlačiti ) elementi se rabe u različitim mjernim uređajima (sustavima), kao na primjer za sljedeća mjerenja: razina, tlak, sila, pomak, ultrazvučno mjerenje protoka, ultrazvučna spektrografija (slikanje) u medicini, itd. Piezelektrični efekt je pojava deformacije nekih kristala (npr. kvarc, SiO2) i keramičkih materijala u električnom polju, i obrnuto, pojava električnog naboja na površini tih materijala ako se deformiraju djelovanjem mehaničke sile (slika 15).

15. Piezoelektrični pretvornici tlaka (slika 12 i 16) mogu se izvesti u minijaturnom mjerilu, imaju izvrsne dinamičke značajke, i zahvaljujući linearnoj statičkoj karakteristici omogućuju precizno umjeravanje i veliku točnost mjerenja. Piezoelektrični pretvornik tlaka

16. Glavna primjena piezoelektričnih elemenata je za izvedbu generatora i detektora ultrazvuka. Generator je izveden tako da je piezoelektrični element u izmjeničnom električnom polju visoke frekvencije ( > 20 kHz) zbog čega dolazi do njegove oscilirajuće deformacije koja se prenosi na okolinu (zrak, kapljevina, tkivo) u obliku tlačnog poremećaja, odnosno ultrazvuka. Isto načelo se koristi i za izvedbu detektora. Kod detekcije tlačni val okoline djeluje na piezoelektrični kristal, dolazi do deformacije kristala zbog kojeg dolazi do električne polarizacije. Na osnovu intenziteta prostiranja ultrazvuka, promjene frekvencije (Dopplerov efekt) i faznog kuta reflektiranog snopa izvedeni su najsuvremeniji mjerni uređaji u medicini, ali koji imaju i primjenu u procesnoj industriji

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

18. Slika 4. Tlačno osjetilo razine. Promjena sastava kapljevine, ili temperatura, mogu utjecati na varijacije gustoće tako da je potrebno točno poznavati gustoću za precizno mjerenje razine.

19. Električni pretvornik razine (kapacitivna metoda) Shematski prikaz načela kapacitivnog mjerenja razine. Kapacitivno mjerenje razine zasniva se na razlici dielektrične konstante plina (zraka) iznad kapljevine i dielektrične konstante kapljevine. U posudi se nalaze uronjene dvije ravne ploče između kojih se nalazi kapljevina i plin iznad kapljevine. Između ploča nalazi razlika električnog potencijala tako da ploče tvore ravni kondenzator. Ukupan kapacitet je zbroj kapaciteta C1, kondenzatora za koji je dijalektrik zrak, i dijela C2, za koji je dielektrik tekućina.

20. Oba kondenzatora su spojena paralelno, tako da je ukupan kondenzator jednak zbroju kapaciteta Pojedini kapaciteti su: Ukupan kapacitet je Kapacitet C je proporcionalan razini h i koeficijent osjetljivosti je određen razlikom dijelektričkih konstanata. Kondenzator se priključuje na kapacitivni mjerni most koji je napajan izmjeničnom strujom i ispravljemi signal sa dijagonale mosta se nakon pojačala koristi kao mjerni signal.

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

23. Na granici zraka i kapljevine ili sipkog materijala dolazi da refleksije ultrazvučnog vala. Instrumentom se precizno mjeri trenutak emitiranja impulsa ultrazvuka i zatim vrijeme kada se reflektirani impuls registrira u detektoru. Ultrazvučni val je usmjeren prema dnu posude pod točno određenim kutem tako da se iz razlike vremena t može jednostavno odrediti razina u spremniku. Metoda se odlikuje izuzetnim karakteristikama. Baždarna funkcija je linearna, jednostavna i pouzdana. Mjerni signal je nezavisan o uvjetima, kao što su tlak i temperatura, i promjene sastava materijala ne utjeću na mjerenje. Instrument se povezuje on-line sa računalom za nadzor i upravljanje procesa.

25. Mjerenje razine rasteznim osjetilom ( "vaga za razinu") Jedan od suvremenih načina mjerenja razine je upotrijeba rasteznih osjetila (" tenzo traka "). Takav način mjerenja razine se vrlo često koristi kod mjerenja razine u biokemijskim reaktorima. Rastezna osjetila su metalni ili poluvodički otpornici izvedeni u obliku dugih i tankih savitih niti (slika 11 i 12).

26. otpornik vodovi rastezno osjetilo podloga

27. priključni vodovi

29. Takova osjetila su posebnim ljepilima zalijepljena na metalne podloge koje se deformiraju pod djelovanjem sile ( na primjer pod težinom kapljevine ). Deformacija podloge se direktno prenosi na deformaciju rastezne trake koja se pri tome izdužuje ili skračuje. Zbog promjene dužine otpornika dolazi i do promjene njegovog električnog otpora Otpor niti je proporcionalan električnom specifičnom otporu materijala  , dužini niti L, i obrnuto proporcionalan presjeku niti S.

30. Nakon uvrštavanja u izraz za R dobije se proporcionalnost između izduženja i promjene električnog otpora: Rastezna osjetila se spajaju u otpornički mjerni most koji ujedno omogućava kompenzaciju temperaturne promjene otpora. Električni signal je pad napona u dijagonali mosta i nakon pojačanja pretvara se u naponski ili strujni signal za povezivanje sa računalom. Tako dugo dok se radi o elastičnoj deformaciji mjerni signal je linearan u odnosu na razinu ili masu kapljevine. Baždarenje je vrlo jednostavno i pouzdano a mjerna metoda ima brzi vremenski odziv, malu vremensku konstantu.

32. MJERENJE VLAŽNOSTI ZRAKA Vlažnost zraka izražava se na više načina zavisno od primjene veličine u nekom procesu ili bilanci. Najčešće se koriste slijedeće definicije vlažnosti zraka: Definicije vlažnosti zraka: masa vodene pare apsolutna vlažnost YA = ----------------------- (kg v.p./kg s.z.) masa suhog zraka broj molova vodene pare molarna vlažnost YM = ------------------------------ ( mol v.p./ mol s.z.) broj molova suhog zraka Masa prividnog 1 mola suhog zraka je 29 g !

33. parcijalni tlak vodene pare relativna vlažnost YR(%)= ----------------------------------------------. 100 parcijalni tlak vodene pare u zasićenju pri istoj temperaturi i tlaku apsolutna vlažnost relativno zasićenje YZ(%) = ----------------------------------------.100 apsolutna vlažnost u zasićenju na pri istoj temperaturi i tlaku

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

35. ANTOINOVA korelacija temperature i tlaka vodene pare u uvjetima zasićenosti glasi: A = 10,23255 B =1750,286 C = 235 Ove konstante vrijede za temperaturno područje od 0 do 60 oC pri ukupnom tlaku vlažnog zraka od 1 bar. Korelacija omogućava izračunavanje relativne vlažnosti ako se izmjeri temperatura rosišta.

36. MJERNI POSTUPCI STANDARDNA METODA ( National Bureau of Standards ): vaganje mase vode apsorbirane na LiCl ili MgCl, klasa točnosti 0,1% Opisane su slijedeće metode koje se primjenjuju u procesnoj industriji: 1. Mjerenje sa suhim i mokrim termometrom 2. Određivanje vlažnosti mjerenjem temperature rosišta 3. Mjerenje vlažnosti sa osjetilom sa LiCl 4. Kapacitivno mjerenje vlažnosti

37. Mjerenje sa suhim i vlažnim termometrom Kao termometri se upotrebljavaju živin stakleni termometar, termočlanci i otpornički termometar. Shematski prikaz mjerenja sa živinim termometrom prikazan je na slici 1

38. Uređaj se sastoji od dva termometra oko kojih struji vlažni zrak. Prvim termometrom mjeri se temperatura vlažnog zraka, označena sa Tssuhi termometar, a drugi termometar ima obavijenu lukovicu sa gazom. Gaza je jednim krajem uronjena u posudicu sa vodom tako da se oko lukovice termometra stalno stvara sloj vode. Zbog nezasićenosti zraka vodenom parom dolazi do isparavanja vode sa površine termometra a pri tome dolazi do potrošnje energije (topline) akumulirane u termometru.

39. Grafički prikaz prijenosa mase i topline u graničnom sloju oko mokrog termometra

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

41. S površina lukovice termometra hQ ukupni koeficijent prijenosa topline između žive u lukovici termometri ivlažnog zraka u okolini hM ukupni koeficijent prijenosa mase vode sa površine lukovice termometra i vlažnog zraka u okolini TS temperatura vlažnog zraka , suhog termometra TM temperatura mokrog termometra QL latentna toplina isparavanja YAS apsolutna vlažnost na površini lukovice termometra, na TM YA vlažnost zraka u okolini, to je mjerena veličina

42. Iz bilance proizlazi zavisnost mjerene veličine YA o mjernom signalu TS - TM Složenost izvedene relacije proizlazi iz nelinearnosti koja je posljedica zavisnosti transportnih koeficijenata (hQ i hM) o parcijalnom tlaku vodene pare. Najčešće se koriste psihrometrijske karte, tablice ili nomogrami za izračunavanje vlažnosti za izmjerene vrijednosti temperatura suhog i mokrog termometra.

43. MJERENJE TEMPERATURE ROSIŠTA Antoineva korelacija omogućava jednoznačno određivanje vlažnosti zraka ako se odredi temperatura rosišta. Na slici je prikazan suvremeni uređaj za automatsko mjerenje temperature rosišta kojim je omogućeno pretvaranje vlažnosti u električni signal i povezivanje mjernog uređaja sa PC računalom za nadzor (monitoring) i automatsko upravljanje Uređaj se sastoji od male komore u kojoj se elektronskom regulacijom održava temperatura rosišta. Komora se zagrijava električnim grijačem a hladi sa Peltierovim elementom. Peltierov element je kristal kod kojega dolazi do gradijenta temperature kada kroz njega teće električna struja. Regulacija se izvodi dvopoložajnim regulatorom i regulator uključuje i isključuje grijač i Peltierov element ovisno o struji iz fotočelije. Fotočelijom se mjeri intenzitet reflektirane zrake svjetlosti sa površine ogledala smještenog na gornjoj plohi Peltierovog kristala.

45. Kada je temperatura u mjernoj komori iznad temperature rosišta, ogledalo je suho i reflektirani snop svjetla je maksimalnog intenziteta. Pri tim uvjetima regulator uključuje Peltierov element i time se snizuje temperatura uzorka vlažnog zraka. Kada se zrak ohladi do temperature rosišta dolazi do kondenzacije vode na površini ogledala. Orošeno ogledalo rasipa zraku svjetlosti u svim smjerovima i zbog toga pada struja koju daje fotoćelija. U tom stanju regulator isključuje Peltierov element i uključuje grijač. Stalnim uključivanjem i isključivanjem regulira se temperatura vlažnog zraka na točki rosišta. Mjerni signal se dobije mjerenjem temperature ogledala na čijoj površini se nalazi termočlanak.

46. Ova metoda omogućuje mjerenje temperature rosišta sa pogreškom  0,1 oC. Antoineova korelacija omogućuje jednoznačno određivanje vlažnosti zraka za izmjerenu temperaturu rosišta.

47. Shematski prikaz Peltierovog učinka

48. MJERENJE VLAŽNOSTI ZRAKA OSJETILOM SA LiCl Električna vodljivost vlažnog LiCl omogućava primjenu za mjerenje vlažnosti zraka. Suhi LiCl je električni izolator a kada veže vodu postaje električni vodljiv i vodljivost mu raste povećanjem koncentracije vode. Mjerno osjetilo se sastoji od otporničkog termometra Pt100 smještenog u središtu osjetila i njegov otpor (temperatura) je mjerni signal vlažnosti. Oko termometra nalazi se sloj staklene vune koja se natapa sa LiCl. Preko staklene vune namotan je bifilaran svitak vodiča, tako da namotaji nisu u direktnom kontaktu. Namotaji se napajaju iz izvora izmjenične električne energije.

50. Osjetilo se priprema za mjerenja tako da se čisti uzorak vune prvo natopi u koncentriranu otopinu LiCl, zatim se izloži struji suhog zraka i voda iz LiCl se ispari. Na taj način dobije se anhidrid LiCl koji je električni izolator. Kada se takovo osjetilo izloži struji suhog zraka i uključi električno napajanje struje ne prolazi kroz LiCl i ne dolazi do povećanja temperature Pt100. Kada se u zraku nalazi vodena para zbog higroskopičnosti LiCl dolazi do apsorpcije vode i time postaje električni vodljiv. Prolazom struje kroz LiCl električna energija se pretvara u toplinu i termometar Pt100 je na temperaturi iznad temperature vlažnog zraka u okolini. Povećanjem temperature povećava se brzina isparavanja i mjerenje se provodi u stacionarnom stanju kada se izjednači brzina isparavanja sa brzinom apsorpcije vode. Temperatura LiCl u ravnoteži je mjerni signal vlažnosti zraka. Temperatura LiCl je uvijek iznad temperature vlažnog zraka i to je veća što je veća vlažnost zraka.