AUTOMATIKAI ÉPÍTŐELEMEK Széchenyi István Egyetem Automatizálási tanszék AUTOMATIKAI ÉPÍTŐELEMEK JELÁTALAKÍTÓK Kovács Gergely egyetemi tanársegéd Széchenyi István Egyetem Automatizálási Tanszék kovacsge@sze.hu

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék 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. 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 érintés nélküli mérőfejek láthatók az ábrán, a jelölései a következők: 1- tekercs, 2- ház a menetes résszel, 3- szigetelőrész, 4- mag, és villamos csatlakozás. Ezt a megoldást 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

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Út (távolság) mérése Induktív módszer Az ilyen típusú mérésekhez javasolt kétféle alapkapcsolás az ábrán látható. Bármely gyártó állítja elő a mérőfejeket, az elv a látottakkal azonos. Különleges célokra állítanak elő egyes gyártó cégek olyan mérőfejeket, amelyek 1µm…1mm közötti mérőtartományban működtethetők

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Út (távolság) mérése Induktív módszer Induktív méretellenőrző elrendezés

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Út (távolság) mérése Kapacitív mérőátalakító Kevésbé használják, mert magasabb frekvenciájú tápfeszültség alkalmazása szükséges. A jobb oldali 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 bal oldali ábra. Jelölések: 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.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Út (távolság) mérése Örvényáramú módszer Nem mágneses fémekből készült fóliák, lemezek, stb. érintkezés nélküli vastagságmérésre alkalmazható az örvényáramú módszer. Jelölések: 1- tápfeszültség generátor, 2- mérendő anyag, 3- erősítő, 4- detektor, 5- műszer. A primer tekercset az 1. jelű oszcillátor gerjeszti. A szekunder tekercsben indukált feszültség a tekercs geometriától és a mérendő vastagságú anyagban indukált feszültség hatására folyó örvényáram intenzivitásától 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 „εr” állandó, ezért az örvényáram csak az anyag vastagságának függvénye. Általában Al, Cu és Zn lemezek vastagságának mérésére használják.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Út (távolság) mérése Mágnesfluxus módszer Fluxusváltozás mérésén alapuló módszer Ferromágneses lemezek vastagságának mérésére szolgál A fluxusváltozás a mágneskör ellenállásának függvénye. A méréshez statikus mágneses teret kell létrehozni. Korszerű hordozható műszerek készíthetők el ezen elv alapján. 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 érzékeli, amelyet az (5) műszer a mérő. 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 mutatója 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. Mágnesfluxusos mérés elve

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Út (távolság) mérése Ultrahangos vastagságmérés Egy (1) mérendő darabra 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. 𝑑=𝑛 𝑣 2 𝑓 𝑛 d - vizsgált anyag vastagsága n - felharmonikus rendszáma fn – n.-ik felharmonikus rezonancia frekvenciája v - hang terjedési sebessége az anyagban. A pontatlanság kb 1 % 1…30mm vastagság között

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Út (távolság) mérése Csúszóérintkezős ellenállásos átalakítók Ellenállásos átalakító Kis értékű lineáris elmozdulás – pl. belső átmérő – mérésére szolgál az ábra. Jelölései: 1- karáttétel, 2- tapogatófejek, 3- csúszóellenállás.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Út (távolság) mérése Mérőérintkezők 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. 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. Működése: 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.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Út (távolság) mérése Nagy elmozdulások mérése Induktív eljárások esetén a már korábban tanult merülővasmagos tekercsek használatosak. A felső eszköz a mozgó (mérendő) objektumhoz csavarokkal rögzíthető, az alsó eszköz pedig tapintós felépítésű. A tapintó (nyomó) erőről rugó gondoskodik. A tárgyalt induktív átalakítók alsó mérési határa 0,5…1mm, a felső pedig 150…200mm Kapacitív mérési eljárásokkal a már korábban tanult dielektrikumos megoldást alkalmazzák. Egy ilyen átalakító felépítését mutatja az ábra. Jelölései: 1 - csatlakozó, 2 - átvezető, 3 - polisztirol szigetelő, 4 - belső elektróda, 5 - külső elektróda, 6 - mozgó dielektromos cső, 7 - csavaros csatlakozó, 8- Al csatlakozó

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Út (távolság) mérése Elmozdulás mérése impulzusszám alapján Impulzusok közvetlen számlálásával Az impulzusszám alapján történő mérés úgy valósítható meg legegyszerűbben, ha a mérendő tárgy haladási útvonalán elhelyezett jeladók impulzusait számoljuk. Erre mutat példát az ábra melyen a 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. Az alsó ábra szerinti relatív mérési módszer, az előforduló legkisebb mérés túllépése alapján határozza meg az elmozdulást. A számlálás pillanata akkor kezdődik, mikor a tárgy hátsó éle az FD1 jeladó tengelyvonalát metszi. A megvilágított fényérzékelők N számától függ a legkisebb mérés Δl túllépése. Megvilágított az az érzékelő, amelynek látóterében megtalálható a mérendő tárgy. A jeladók lehetnek fényelektromos, rádióizotópos és egyéb elven működő eszközök.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Út (távolság) mérése Hosszúságmérés időmérés 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 rész mérése. Erre mutat példát a bal oldali ábra. A Δl = L-Lmin 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.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Út (távolság) mérése Hosszúságmérés időosztás alapján Különböző méretű és profilú anyagok egymástól eltérő sebességgel mozoghatnak, így az előbbi módszer szerint jelentős hiba keletkezne. A pontosságot az FD3 jelű jeladóval lehet növelni. Az Lmin méret feletti Δl méret a következő kifejezéssel határozható meg: ∆𝑙=∆𝐿 𝑉 ∆𝑙 𝑡 ∆𝑙 𝑉 ∆𝐿 𝑡 ∆𝐿 ∆𝑙=∆𝐿 𝑡 ∆𝑙 𝑡 ∆𝐿 „tΔl” - a tárgy elülső élének, és az FD1 jeladó tengelyvonalának metszés-pontjai közötti időkülönbség, „tΔL”- 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:

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Gyorsulás és rezgés mérése Gyorsulás: a sebesség időegység alatti megváltozása. A gyorsulás – és rezgés – mérésére Newton II. törvénye (𝐹=𝑚𝑎) ad lehetőséget, vagyis 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. Két alapmódszere ismeretes aszerint, hogy a rezgésmérőnek milyen a kapcsolata a rezgést végző tárggyal . Abszolút rezgésmérés: A rezgésmérő műszer közvetlenül a mérendő tárgyakhoz van rögzítve 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

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Gyorsulás és rezgés mérése Gyorsulásmérő elvi felépítése Matematikai elv: Egyszabadságfokú modell Főbb elemei; 1 - ház, 2 - C rugóállandóval rendelkező rugó, 3 - M, hiteles tömeg és R - sebességarányos csillapító. A rendszert az „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 rendszer viselkedését leíró differenciálegyenlet: 𝑀 𝑑 2 𝑦+𝑥 𝑑 𝑡 2 +𝑅 𝑑𝑥 𝑑𝑡 + 𝑥 𝑐 =0 𝑀 𝑑 2 𝑥 𝑑 𝑡 2 +𝑅 𝑑𝑥 𝑑𝑡 + 𝑥 𝑐 =𝑀 𝑑 2 𝑦 𝑑 𝑡 2 A csillapítás nélküli lengő rendszer rezonancia körfrekvenciája: 𝜔 0 = 1 𝑀𝑐 Csillapítási tényezője: ξ= 𝑅 2 𝑐 𝑀

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Gyorsulás és rezgés mérése Gyorsulásmérő elvi felépítése Közelítések Nagy tömeg és kis csillapítás Ekkor: M és c nagy, illetve 𝜔 0 és ξ igen kicsi így 𝑑 2 𝑥 𝑑 𝑡 2 =−a= 𝑑 2 𝑦 𝑑 𝑡 2 Kétszeres integrálás elvégezve: 𝑥=−𝑦 Ebben az esetben a mérőrendszer együtt mozog, ugyanakkor a környezethez viszonyítva nem mozog, mert amennyit elmozdul a rezgésmérő, annyit mozdul el ellenkező irányban a lengő tömeg. Ezt a rendszert útérzékenynek nevezzük.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Gyorsulás és rezgés mérése Gyorsulásmérő elvi felépítése Közelítések Kis tömeg és kis rugómerevség Ekkor: M kicsi és c nagy, illetve 𝜔 0 kicsi és ξ nagyon nagy, így 2ξ 𝜔 2 𝑑𝑥 𝑑𝑡 =− 𝑑 2 𝑦 𝑑 𝑡 2 =−𝑎 Egyszeres integrálás elvégezve: 2ξ 𝜔 2 𝑥=− 𝑑𝑦 𝑑𝑡 −𝑣 Ebben az esetben a lengő rendszer tömegének relatív kitérése a mérendő rezgés sebességével egyenesen arányos, ezért a mérőérzékelőt sebességérzékenynek nevezzük.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Gyorsulás és rezgés mérése Gyorsulásmérő elvi felépítése Közelítések Igen merev rugó , kis tömeg és kis csillapítási tényező Ekkor: M kicsi és c igen kicsi, illetve 𝜔 0 nagyon nagy és ξ kicsi, így 𝑎= 𝑑 2 𝑦 𝑑 𝑡 2 =− 𝜔 0 2 𝑥 Egyszeres integrálás elvégezve: 2ξ 𝜔 2 𝑥=− 𝑑𝑦 𝑑𝑡 −𝑣 Ebben az esetben a mérendő tömeg kitérése a gyorsulással arányos, ezért gyorsulásérzékeny mérőrendszerről beszélünk..

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Gyorsulás és rezgés mérése Gyorsulásmérő elvi felépítése Alkalmazások: Útérzékeny esetben: indukciós, nyúlásmérő bélyeges és kapacitív átalakítók. Bemenő jel: kitérés és sebesség Sebességérzékeny esetben: indukciós átalakítások. Gyorsulásérzékeny esetben: piezoelektromos átalakítók. Bemenő jel: rezgés közbeni ismert jel tehetetlenségének villamos átalakítása

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Gyorsulás és rezgés mérése Rezgésmérők típusai Nyúlásmérő bélyeges (piezorezisztív) átalakítók A nyúlásmérő bélyeges átalakítók általában nem közvetlenül a relatív elmozdulást mérik, hanem a beépített laprugóban ébredő mechanikai feszültséget Felépítése: egy zárt házban laprugóval függesztik fel az „M” tömeget, a laprugókra pedig felragasztanak kettő, vagy négy darab nyúlásmérő bélyeget. A helyettesítő kép a jobboldali ábrán látható. „k” - tenzoállandó, „𝜀” - relatív megnyúlás.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Gyorsulás és rezgés mérése Rezgésmérők típusai Nyúlásmérő bélyeges (piezorezisztív) átalakítók Kialakítások: Fél hídba történő kapcsolás: Két aktív bélyeget és két passzív bélyeget használnak. A passzív bélyegek ez esetben hőkompenzációra használatosak. Feltételezve, hogy az R1 = R2 = R3 = R4 = R feltétel teljesül, a híd kimenő feszültsége: 𝑈 𝑘𝑖 = ∆𝑅 2𝑅 𝑈 0 Teljes hídba történő kapcsolás: Négy aktív bélyeget használunk. Ekkor a kimenő feszültség az előzőhöz képet kétszeres: 𝑈 𝑘𝑖 = ∆𝑅 𝑅 𝑈 0

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Gyorsulás és rezgés mérése Induktivitást alkalmazó gyorsulásérzékelők Lényege: egy, a mágnestérben elmozduló tekercs, amelyben a mozgás miatt elektromos feszültség indukálódik. Az indukált feszültség nagysága: 𝑈 𝑖 =− 𝑑Ψ 𝑑𝑡 Ψ – fluxuskapcsolódás, ami hely függvénye (Ψ= Ψ(x)), vagyis 𝑈 𝑖 =−𝑁𝐵𝐷𝜋 𝑑 𝑥 𝑟 𝑑𝑡 𝑈 𝑖 =− 𝑑Ψ 𝑑𝑥 𝑑𝑥 𝑑𝑡 =− 𝑑Ψ 𝑑𝑥 v B – légrésindukció, D – tekercsátmérő, N – menetszám x - elmozdulás (a tekercs helyzete) Uki 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. Induktív gyorsulásérzékelő

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Gyorsulás és rezgés mérése Induktivitást alkalmazó gyorsulásérzékelők Példa kialakításra: Felső ábra: két összeépített lengőrendszer. 1 - lengőtekercs, 2 - serleg, Alsó ábra: a lengőtekercs a felfüggesztő szál körül kis amplitúdójú ingamozgást végez. 1 - felfüggesztés, 2 - állandó mágnes 3 - a lengőtekercs

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Gyorsulás és rezgés mérése Kapacitív mérőátalakítók A kapacitív rezgésmérők működése azon alapul, hogy a kapacitás az elmozdulás mértékének megfelelően változik. Mind út, mind torziós rezgések mérésére alkalmazzák. A kapacitásváltozás történhet úgy, hogy a laptávolság változik, de úgy is, hogy a felületek nagysága változik. A torziós mozgások esetére kialakított mérőátalakítók lineáris gyorsulások és viszonylag lassú rezgések mérésére kiválóan alkalmasak

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Gyorsulás és rezgés mérése Piezoelekromos rezgésmérők Az erő hatására létrejött deformációt villamos töltéssé alakítja át, mivel a kimenő feszültség az erővel arányos. A piezelektromos gyorsulásmérő igen elterjedt a gyakorlatban.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Gyorsulás és rezgés mérése Gyorsulásmérő IC-k A technológia fejlődésével egyre korszerűbb és kisebb méretű gyorsulásmérőket fejlesztettek ki integrált szenzorok formájában. Ezzel létrejöttek az integrált monolitikus mikroelektromechanikus gyorsulásérzékelők. A mozgó tömeget feszített szálhoz rögzítik, amelyet a lapka felületéhez rögzítenek. Ennek a megoldásnak kisebb érzékenysége és nagyobb méréshatára van. Méréshatára: ±50 g

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Erő és nyomaték mérése Elv: A koncentrált erők mérése, vagy az átalakítása külső behatás útján, vagy a bemeneti mennyiségek egy közbülső mennyiséggé történő átalakítása segítségével történik. Lehet elmozdulás, vagy rugalmas elem deformációja. Közvetlen hatás útján történő mérés: Ebben az esetben mágneses, rugalmas és piezoelektromos átalakítókat alkalmaznak. Az átalakítók – nagy merevségük miatt – saját frekvenciája magas (<50kHz), ezért dinamikus erők mérésére alkalmasak. Az „a, b, és c” ábrákon piezoelektromos, a „d” ábrán elektromágneses, és az „e, f” illetve „g” ábrán tenzoellenállásos átalakítók láthatók. Néhány erőmérő megoldás

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Erő és nyomaték mérése Nyúlásmérő bélyeges nyomóerő mérés Néhány bélyeges nyúlásmérő Az „a” ábra egyszerű gyűrű alakú próbatestet szemléltet, amelynek oldalaira két-két bélyeget ragasztottak. A „b” ábra szerinti megoldásnál a gyűrű alakú próbatest külső és belső felületére ragasztják fel a bélyegeket. A 6 darab bélyeg bekötésének kapcsolását az alsó ábra mutatja, a „c” ábrán nyomásra, a „d” ábrán egy húzásra-nyomásra igénybe vehető megoldás, az „e” ábrán pedig speciális megoldás látható Gyűrűs próbatest helyettesítő képe

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Erő és nyomaték mérése Szénoszlopos erőmérő Szénoszlopos erőmérő cella 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. Több összetevős piezoelektromos erőmérőket csak a 70-es évek után fejlesztettek ki. Ezek kvarckristályokból különböző irányokba kihasított kvarclemezeket tartalmaznak, amelyek más-más irányú erőhatásra érzékenyek. Egy három összetevős piezoelektromos erőmérőcellát mutat az 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.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Erő és nyomaték mérése Közvetett mérési módszerek Deformációs változáson alapuló módszer Tenzoellenállások alkalmazása: Úgy kell felragasztani a vizsgálandó elemre, hogy a hosszanti tengelye megegyezzen a fődeformáció irányával 243-244.oldal!!!!

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Erő és nyomaték mérése Közvetett mérési módszerek Deformációs változáson alapuló módszer Erőmérő cella nyúlásmérő bélyeggel cella Erőmérő cella Erőmérő cella 1. mérőtest, 2. nyúlásmérő bélyeg 3. membrán, 4. ház, 5. és 6. felfüggesztés. Mindkét esetben bélyegekkel van megoldva a mérés. Jelölések: 1. mérőtest, 2. bélyegek, 3. ház, 4. nyomófelület.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Erő és nyomaték mérése Nyomatékmérés tenzoellenállásokkal Forgatónyomaték méréséhez a tenzoellenállásokat az ábra szerinti elrendezésben helyezik el. Csavarónyomaték méréséhez a tenzoellenállásokat a rúd tengelyével 45°-os szöget bezárva ragasztják fel. A tengely feletti, illetve a tengely alatti részek nyújtást és nyomást mérnek, így hídkapcsolásban a kimenő jel kétszereződik. Az ábrán szintén nyúlásmérő bélyegeket mutat nyomatékmérésre alkalmazva. Jelölések: 1. karimás tengelykötés, 2. átvevőrendszer, 3. mérőbélyeg (rozetta), 4. mérő-tengely, 5. csavarhajtású kalibráló kapcsoló. Az elérhető pontosság < 0,5 %, linearitás < 1 %. Mérősor 20, 500, 1000, 2000, 5000 Nm. Kb. 10.000 fordulat / perc határig használható. Bélyeges nyomatékmérő

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Erő és nyomaték mérése Induktív nyomatékmérők Felépítése és kapcsolási vázlata az ábrán látható. Jelölései: „a” a kivitel alakja, „b” a kapcsolási vázlata, Jelölések: 1. mérőtengely, 2. kábelcsatlakozó, 3. induktív mérőrendszer, 4. kompenzáló ellenállás, 5. induktív teljesítmény bevezetés, 6. induktív jelkivezetés. Az elrendezést mérőtengelynek is nevezik és több méretben is készül (1 Nm….106 Nm). Érintkező nélküli mérést tesz lehetővé. Vivőfrekvenciás mérő-rendszert alkalmaznak 5…12 kHz közötti frekvencián.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Nyomásmérés Billenőgyűrűs manométer 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 eredeti helyzetéből, ami viszont a gyűrű elfordulását vonja maga után. A gyűrű elfordulása mindaddig tart, amíg az ellensúly elfordulásából származó ellennyomaték a túlnyomás által kiváltott forgatónyomatékot ki nem egyensúlyozza. Egyensúlyi állapotban a forgatónyomaték nagysága – nyilvánvalóan – egyenlő a nyomáskülönbségnek a csőkeresztmetszettel valamint a gyűrű sugarával alkotott szorzatával.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Nyomásmérés U csöves manométer Működése egyenértékű az U csöves Hg szálas ellenállás működésével. Membrános nyomásmérő A membránra ható erő a két tuskót kifelé nyomja, így feszíti a rácsévélt tekercsellenállást. A másik cséve nem deformálódik, így a kompenzációt szabályozza. Kisebb nyomások esetén használják.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Nyomásmérés Szifonmembránnal való nyomásmérés A laprugó két oldalára ragasztják a bélyegeket, így hídba kötve négyszeres érzékenység érhető el.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Nyomásmérés Nyomásfüggő ellenállásos nyomásmérők Piezoelektromos nyomásátalakítók Az „a” ábra magas hőmérsékletű mérőhelyre (vízhűtéssel) kialakított. Belsőégésű motoroknál alkalmazzák. A kvarc hűtéséről cirkuláló vízzel gondoskodni kell. A „b” ábra szintén magas hőmérsékletű mérőhelyre van kialakítva, de nyomásközlő dugattyúval, a hosszú dugattyú vízhűtés nélkül is védi a kristályokat. A „c” ábra magas frekvenciás alkalmazásra kialakított nem kvarc lapokat, hanem csövecskéket tartalmazó megoldás A „d” ábra miniatűr kivitelű átalakítókat mutat igen magas frekvenciára szintén kvarc csövecskéket tartalmaz. Az ilyen kialakítású átalakítónak nagy a kimenő ellenállása, ezért főleg változó nyomások mérésére alkalmas. A mérhető nyomástartomány: 3·103 …7·108Pa. Hőmérséklet kompenzálásáról gondoskodni kell (alsó ábra).

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Nyomásmérés Induktív átalakítók Az elvet a korábban tárgyaltuk, így itt csak a különböző megoldásokat mutatjuk be. Nagy elmozdulásokra kiképzett induktív nyomásmérőt láthatunk jobbra. A balra az ábra egy fémmembrános induktív átalakítót ábrázol, amelyet a robbanómotoroknál használnak. Jelölései: 1. membrán, 2. vasmag, 3. tekercs, 4. vízhűtés be – és kivezetés.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Nyomásmérés Kapacitív nyomásérzékelők A gázok, folyadékok és szilárd anyagok dielektromos állandója függ a nyomástól. Ezt a tulajdonságot használják fel az átalakítók készítésénél. Nem vezető folyadékok nyomásának mérésére alkalmas érzékelő jobbra. A kondenzátort képező elektródák hengeres elrendezésűek. Jelölések: 1. külső elektróda, amely egyben a folyadék tartálya, 2. belső elektróda, 3. rögzítő anya, 4. szigetelő. Ezzel a módszerrel 0…2.107 Pa mérhető. Az érzékelőket különböző anyagokra hitelesíteni kell. Változófelületű kapacitív kijelző. A külső fegyverzet maga a tartály, a belső pedig általában higany.

Villamos Jelátalakítók Elektrolitos nyomáskülönbség érzékelő Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Nyomásmérés Kapacitív nyomásérzékelők Membránnal egybeépített differenciálkondenzátoros megoldás Elektrolitos nyomáskülönbség mérő Az elektrolitok ellenállás változását használja ki ez a módszer. A bal oldali ábra igen nagy érzékenységű nyomáskülönbség mérőt mutat. A szigetelőanyagból készült kamrák műanyag membránt fognak közre. A kamrákban lévő elektrolit a membrán helyzetétől függő vastagságú elektrolit filmet alkot. A két elektrolit film ellenállása így ellenkező értelemben változik, ami megnöveli az érzékenységet. Ez a módszer hőmérséklet és koncentráció független Elektrolitos nyomáskülönbség érzékelő

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Nyomásmérés Hővezetés alapján működő nyomásmérők 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. Legismertebb típusa a Piráni mérőfej, Az ellenálláshőmérőt búrában kifeszített kb. 0,06 mm átmérőjű platinahuzal képezi. 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 üvegbúrát vákuum alatt lezárják. Ezt a típust 102…10-1 Pa nyomás között használják. A Piráni mérőfej félvezetőkkel is megépíthető, amivel a mérési tartomány kibővíthető Piráni és hőkompenzáló fej bekötése

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Általános mérési elv 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, szennyezettség stb.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Ellenállás változáson alapuló szintmérők Érintkezős szintkapcsoló 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 eszköz. Folyamatos mérés is végezhető ezzel a módszerrel, ha követőrendszert alkalmazunk. Mindkét esetben hibaforrást jelent a folyadék hullámzása és az érintkezők korróziója. Folyamatos működésű szintérzékelés

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Ellenállás változáson alapuló szintmérők 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. Ellenállásos érzékelő

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Elektromágneses sajátosságok megváltozásán alapuló módszerek 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. Elektromágneses tulajdonság alapján működő érzékelő

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Kapacitásmérésen alapuló szintmérők 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. 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 skálázásnál figyelembe kell venni. Hibaként a dielektromos állandó hőmérséklet függése illetve az anyag összetétel változásából eredő függése szerepel. Kapacitív érzékelő

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Úszóval működő átalakítások Ellenállásos mérőátalakító Ennél a módszernél a csúszóellenállások a leggyakoribbak, amelyet az úszók elmozdulása működtet valamilyen áttételen keresztül. A potenciométert mindkét esetben az úszó mozgatja, de pontosabb leolvasást tesz lehetővé az alsó ábra, amelyen két potenciométer mozog, de áttételen keresztül. Az egyik durva, a másik finom leolvasást tesz lehetővé.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Termikus tulajdonságokon alapuló szintmérés Alapelve, hogy egy test hőátadása a környezet sajátosságától függ. Működése egy nagy hőmérsékleti együtthatóval rendelkező ellenállás, amelyet a rajta áthaladó áram melegít. Nem folytonos működésű kapcsolás esetén (bal oldali ábra) az ellenállást az érzékelni kívánt szint magasságában helyezik el a tartályon belül. Ha a szint emelkedik, akkor az ellenállás a gázneműből a folyékony közegbe kerül. A hőmérsékleti viszonyok ekkor megváltoznak és ezzel az ellenállás értéke is. Folyamatos mérés esetén függőlegesen helyeznek el egy ellenállást, amelynek a jobb oldali ábra szerint csak egy része merül a folyadékba. Még egy ugyanolyan ellenállást helyeznek el a folyadék aljára hőkompenzálás céljából. Hibaforrást a folyadék összetételének és a hőmérsékletnek változása jelent.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Induktív mérőátalakítók Induktív szintérzékelő Ezt a megoldást szintén az úszók elmozdulásának érzékelésére használják. Egy 10…20cm-es folyadékszint mérésére alkalmas megoldást mutat az 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. Ez az átalakító 0…60cm-ig mér miközben a vasmag elmozdulása csak ±30 mm. Áttétellel működő induktív szintérzékelő

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Induktív mérőátalakítók Az induktív mérőátalakítók előnyösen felhasználhatók a folyadékszint feletti nagy sztatikus nyomás esetén is szintmérésre. Egy a tartály oldalára szerelhető berendezés vázlatos elrendezését láthatjuk. 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. 8·107Pa nyomásig használható. Magas nyomáson működő szintmérő

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Induktív mérőátalakítók Fekvő hengeres tartályokban tárolt folyadékok szintjének egyszerű módszerét mutatja az ábra. A rugóra függesztett úszó, amely 10 m hosszú is lehet és 20-40 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 „L1” induktív tekercsből, egy csőből, egy változtatható „L” induktivitásból és egy párhuzamosan kapcsolt „R1” ellenállásból áll. Az érzékenység durva beállítása az „R1” ellenállás, finom beállítása a változtatható „L” induktivitás segítségével történik. A kapcsolás gyakorlatilag feszültség, hőmérséklet és frekvencia független érzékelést tesz lehetővé. Az úszó elmozdulása 350-500 mm. A szekunder feszültség nagysága és a folyadékszint-változás közötti függvénykapcsolat nem lineáris. Vizszintes tartály szintmérése

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Folyadékszint mérés hőmérsékletmérés útján Amennyiben kisebb mérési pontossággal is megelégszünk (például kazánok esetében) akkor nagyon egyszerű szintmérési módszert tesz lehetővé a termoelemek felhasználása. A tartály oldalára egy acélból 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.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés 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 rugalmas rezgések csillapításának mérése alapján, a mért közeg meghatározott útszakaszán a rezgés áthaladási idejének mérése alapján. Ultrahang csillapodásán alapuló szintmérés

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés A hang terjedési idejének mérésén alapuló szintmérés Ultrahang terjedési idején alapuló szintmérés A mérés elve: (4) adóberendezés úgy vezérli a (3) ultrahangot előállító generátort, hogy az ultrahang-impulzusok azonos T időközökben jussanak az (1) sugárzóba. Megfelelő elektronikus kapcsolás segítségével (5) megmérhető az a Δt időtartam, amely az első impulzus kibocsátása és a (2) vevőbe jutása között eltelik. A hangnak a „h” magasságú folyadékrétegen való áthaladásához szükséges időtartam: ∆𝑡= h v ℎ𝑎𝑛𝑔 Szokásosabb kialakítás a visszavert hanggal működő berendezés. Előnye ennek a megoldásnak 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. Ultrahang visszaverődési idején alapuló szintmérés

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Változó impulzus-frekvenciájú ultrahangos szintmérő berendezés 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): f= 1 ∆t = v ℎ𝑎𝑛𝑔 h Az „f” frekvenciaváltozást a (6) berendezés segítségével árammá alakítják át. A helyes és pontos működés érdekében a hangrezgés időtartamának 10…100-szor kisebbnek kell lenni a „Δt” időtartamnál. A frekvencia nagyságát az akusztikai csatorna ellenállása, tehát a közeg sajátosságai korlátozzák. Az alkalmazott frekvencia 10…70 kHz között határozható meg. A különböző kibocsátási frekvenciákkal a mérési távolság 5 m-től 45 m-ig változhat. Változó impulzusfrekvencia alkalmazása

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Mikrohullámú szintmérők Vezetett mikrohullámú szintmérő 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. Vezetett mikrohullámú szintmérő (TDR) A szintérzékelőnél a nagyfrekvenciás generátorból a hullámok a hullámvezetőbe jutnak, amelynek egyik végét az edényben levő folyadék határolja. A beeső és visszavert hullám kölcsönhatása folytán a hullámvezetőben „λ” hullámhosszúságú állóhullám jön 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 „∆U” feszültség egyenirányítás és erősítés után feldolgozásra kerül. A maximális szintváltozás a hullámhossz negyedét ne haladja meg.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Radiometriai mérési módszer Ha egy tartály egyik oldalára egy radioaktív sugárzót, a másik oldalára egy mérőberendezéssel ellátott érzékelőt (vagy számlálócsövet) helyezünk, akkor különböző mérési eredmények adódnak aszerint, hogy a számlálócsövet a sugárforrással összekötő egyenes a folyadék felszín alatt vagy fölött halad át, mivel a folyadék hatással van az átsugárzás energiaszintjére. A jelenséget szintmérésre tudjuk felhasználni. Az ólomházakban elhelyezett „P1” és „P2” preparátumokból kiinduló sugárnyaláb a megfelelő „z1” és „z2” 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.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Súlymérésen és a hidrosztatikai nyomáson alapuló folyadékszint-érzékelők Egy edényben levő folyadék súlya arányos térfogatával. Hengeres edény esetében: 𝑄=𝐴∙𝐻 Folyadékoszlop estében 𝑝=𝛾∙𝐻 Ezek az összefüggések lehetővé teszik olyan jeladók megvalósítását, melyek a „Q” és „p” érték mérésén alapulnak A bal oldali ábrán bemutatott berendezésben a folyadékoszlop közvetlen mérése esetén, az erőérzékelőre ható erő értéke: 𝑓=𝛾∙𝐴∙𝐻+ 𝐹 0 ahol F0, a berendezés súlya folyadék nélküli állapotban Hidrosztatikai nyomáson alapuló szintmérők

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Rezgőelemes szintmérők Rezgőrudas szintmérő Rezgőrudas szintkapcsolókat 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. Szénpor, cement, mész, gabona, műanyag granulátum, perlit és hasonlók mérésére. A készülék porrobbanás veszélyes térben is alkalmazható.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Rezgőelemes szintmérők Rezgővillás szintérzékelő Rezgővillás szintmérő 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. Alkalmazhatósága: szilárd anyagok, folyadék -40 és +150 oC között, 2 MPa nyomásig, maximum 10 mm-es szemcseméretig.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Forgólapátos szintmérő A forgólapátos szintkapcsoló ömlesztett szilárd anyagok, különféle porok, szemcsés és granulált anyagok szintjének jelzésére szolgál (pl. gabona, pernye, fűrészpor, mészkő, szén, agyag, stb.). A forgólapátot szinkronmotor hajtja. Amint a mérendő közeg eléri a forgólapátot, azt lefékezi, megakadályozza forgását.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Billenőlamellás mérő 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 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.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Szintmérés Magnetostrikciós szintmérő Magnetostrikciós szintérzékelő 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 elvileg 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.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Áramlásmérés 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? 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.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Áramlásmérés Bizonyos tényezőket figyelembe kell venni a folyamat alatt, mely feltételek tartalmazzák a csővezeték hőmérsékletét, nyomását, átmérőjét, 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. 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. 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.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Áramlásmérés 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 vegyipari 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.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Áramlásmérés Áramlási sebesség mérése nyomáskülönbségi módszerrel Az áramló folyadékot vagy gázt vivő vezeték keresztmetszetét a mérés helyén mérőperem vagy torok beépítésével leszűkítik. 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 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 felhasználható arra, hogy vele meghatározzuk a csővezetéken az időegység alatt átáramló folyadék mennyiségét. Mérőperem nyomás és áramlási viszonyai

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Áramlásmérés Áramlási sebességmérés rotaméterrel Az áramlási sebesség meghatározásának egyik további módszere azon fizikai jelenségen alapul, amely szerint a függőleges csőben felfelé áramló folyadékok vagy gázok az áramlási sebességgel arányos „FK” nagyságú erőt fejtenek ki az áramlás útjába helyezett testre, amely a testet az áramlás irányába elmozdítani igyekszik. 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 „FA” hidrosztatikai felhajtó erővel csökkentett „FG” súlya. Abban az esetben, ha ezek az erők egyensúlyba kerülnek egymással, a rotaméter egyhelyben lebeg, és így az egyensúlyi feltétel alapján felvilágosítással szolgál az áramlási sebesség értékére.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Áramlásmérés Áramlási sebességmérés rotaméterrel Rotaméter induktív érzékelőkkel A lebegő kúpos test felső hengeres peremét ferde vájatokkal szokás ellátni, ami az áramlás hatására annak forgó mozgást kölcsönöz (innen a rotaméter elnevezés). 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.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Áramlásmérés Áramlási sebességmérés turbinával Tangenciális átömlésű áramlásmérők 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. 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.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Áramlásmérés Áramlási sebességmérés Woltmann turbinával A turbina forgását egy tömszelencén és áttételen vezetik ki a számlálószerkezetre. Hátránya, hogy a pillanatnyi áramló mennyiség közvetlenül nem határozható meg. A kivezetés áttételeken és szelencéken keresztül történik, ami szintén hátrány Woltmann turbina

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Áramlásmérés Potter áramlásmérő 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 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.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Áramlásmérés Indukciós áramlásmérő Működése a mozgásindukció elvén alapul. A mágneses térben mozgó vezető szerepét az áramló folyadék vesz át. A szigetelő anyagból készült csőben amely homogén mágneses térben 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), Egyenesen arányos az áramlási sebességgel, A karakterisztika lineáris és nem befolyásolja a közeg sűrűsége, a viszkozitása a szilárd részecskék jelenléte

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Áramlásmérés Termoanemometria (Hőhuzalos átalakítók) Ha felfűtéssel egy hőellenállást a környezeti hőmérséklet fölé emeljük, akkor annak hűtésével adott közeg áramlásának mérése megoldható. Ezt az eljárást termoanemometriának nevezik. A termoanemometriai érzékelők eleme - átalakítója – árammal fűtött vezető, amely egy vékony drót – hődrót – vagy igen vékony fólia – hőfolia. A huzalos átalakító két hordozó szárra felerősített (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. Az ún. „X” típusú átalakító az „f” ábrán a legelterjedtebb. Az „a…d” ábrák egyhuzalos átalakítót mutatnak, az „e” ábra pedig kéthuzalos megoldást.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Áramlásmérés Ultrahangos áramlásmérők Ultrahangos áramlásmérő elve Terjedési sebességen alapuló mérés Az ábrán az áramlásba helyezett „A” adó és a tőle „L” távolságra levő „V” vevő látható. Az adó az áramló közegben hangjeleket (impulzust v. hullámot) kelt, amelyeket az „V” vevő „∆t” 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: ∆𝜑= 2πfL c+v A vevő olyan, hogy az egymásután érzékelt jelek fáziskésésének reciprokát képezi és ezeket kivonja egymásból, így a kimenő jel (pl. feszültség) 𝑈 𝑘𝑖 = c+v 2πfL − c−v 2πfL = 1 πfL v Arányos a közegáramlási sebességével és független a mérendő közeg sajátságaitól. A módszer igen kis sebességek (0,1 cm/sec) mérésére is alkalmas.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Fordulatszám mérése 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. 𝑈=𝑐∙Φ∙𝑛 ahol: „c” - géptől függő állandó, „Φ” - fluxus, amely bizonyos feltételek és geometriai kialakítás mellett állandó, „n”-fordulatszám. Egyenfeszültségű tachométereket 750…2000 ford/perc értékek mellett használják. Nagyobb, vagy kisebb fordulatszámok esetén áttételt használnak. Ekkor UT = 5…30V. A váltófeszültségű tachogenerátorok 150…3000 ford/perc tartományban működnek. UT = 15…100V feszültségek mellett.

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Fordulatszám mérése Fordulatszám mérése impulzus számlálással 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, 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. Fordulatszám mérése impulzusszámlálással

Villamos Jelátalakítók Automatizálási tanszék Kinematikai mennyiségek mérése, Fordulatszám mérése 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. 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 hozzon létre.