MERANIE, RIADENIE A REGULÁCIA Základné pojmy a definície Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a MERANIE, RIADENIE A REGULÁCIA Základné pojmy a definície

Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a MERANIE je proces, pri ktorom zisťujeme kvantitatívne parametre meraného objektu vyjadrené hlavnými alebo vedľajšími jednotkami SI. Hodnota je odvodená od štandardu s prisúdenou hodnotou (relatívne meranie) alebo od fyzického počtu kusov, otáčok a pod. (absolútne meranie). RIADENIE je proces, pri ktorom vhodnou metódou ovplyvňujeme kvantitatívne parametre riadeného objektu. REGULÁCIA je proces, pri ktorom na základe merania, riadením korigujeme kvantitatívne parametre regulovaného objektu. Regulácia je možná len pri vytvorení spätnej väzby a možnosti korekcie (minimalizácie) vzniknutej odchýlky od želanej hodnoty.

PRVKY SÚSTAVY S RIADENÍM PARAMETRA MERANEJ VELIČINY Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a PRVKY MERACEJ SÚSTAVY meraná veličina snímač zosilňovač zobrazovač, vyhodnocovač bez regulačnej slučky PRVKY SÚSTAVY S RIADENÍM PARAMETRA MERANEJ VELIČINY meraná veličina snímač zosilňovač zobrazovač, vyhodnocovač riadenie s otvorenou regulačnou slučkou PRVKY SÚSTAVY S REGULÁCIOU PARAMETRA MERANEJ VELIČINY meraná veličina snímač zosilňovač zobrazovač, vyhodnocovač riadenie komparátor želaná hodnota rozdielový s uzavretou regulačnou slučkou

zmena elektrických vlastností Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Meracia sústava (MS) je spravidla zoskupenie vzájomne prepojených prístrojov, konvertujúcich meranú veličinu na výstupnú veličinu odčítateľnú vizuálne (výchylka ručičky na stupnici, číslo na displeji a pod.) alebo v podobe akcie (odozvy) výkonného člena v prípade regulácie. MS sa skladá zo snímača, prevodníka, prenosového vedenia a vyhodnocovacej jednotky. Snímač je prvým členom MS. Je to prvok premieňajúci fyzikálnu veličinu (neelektrický vstupný signál) na výstupný elektrický, prípadne na zmenu niektorej elektrickej vlastnosti snímača (impedancie, odporu, kapacity, indukčnosti a pod.). Podľa typu prevodovej funkcie rozdeľujeme snímače na lineárne a nelineárne, podľa druhu interakcie s meraným objektom na kontaktné a bezkontaktné. Spôsob prevodu môže byť priamy (teplomer – termoelektrické napätie, pH – elektromotorické napätie a pod.) a nepriamy, kedy pre získanie meranej informácie je potrebné vykonať niekoľko ďalších prevodov z podružných snímačov. SENZORY pasívne aktívne zmena elektrických vlastností premena energie odpor indukčnosť indukčná väzba kapacita termo foto piezo magneto

MERANIE TEPLOTY Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a MERANIE TEPLOTY

Teplota je mierou kinetickej energie atómov a molekúl. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a TEPLOTA je jedna z najdôležitejších termodynamických vlastností hmoty, ktoré určujú jej stav a je súčasťou mnohých fyzikálnych zákonov. Teplota je mierou kinetickej energie atómov a molekúl. Je priamoúmerná kinetickej energii elementárnych častíc hmoty T – termodynamická teplota [K] k – konštanta úmernosti mM – hmotnosť elementárnej častice [kg] vM – stredná rýchlosť pohybu elementárnej častice [m.s-1] Wk– termodynamická teplota [ J ] m – hmotnosť telesa s rýchlosťou v [ kg ] v – stredná rýchlosť hmotného telesa [ m.s-1 ]

Q1 – teplo odovzdané látke s T1 Q2 – teplo odobraté látke s T2 Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a TEPLOTNÁ STUPNICA Termodynamická teplotná stupnica je definovaná na základe účinnosti vratného Carnotovho cyklu, ktorá závisí len na teplote rovnakých prostredí a nezávisí na použitej teplomernej látke. Pre T2>T1 platí:  – účinnosť cyklu Q1 – teplo odovzdané látke s T1 Q2 – teplo odobraté látke s T2 T – termodynamická teplota [K]

Q2 Technická univerzita v Košiciach Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a   - objemová práca prijatá od ohrievača s T2 - teplo prijaté od ohrievača s T2 Q2 T2=konšt.

TEPLOTNÁ STUPNICA 2. Adiabatická expanzia Q=0 Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a TEPLOTNÁ STUPNICA 2. Adiabatická expanzia Q=0 T2T1, V2V3, Q=konšt.

- Q1 Technická univerzita v Košiciach Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a   - Q1 T1=konšt.

Adiabatická kompresia Q = konšt., Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a TEPLOTNÁ STUPNICA Adiabatická kompresia Q = konšt., Q=0 T1T2, V4V1

Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a TEPLOTNÁ STUPNICA Celková práca A° vykonaná systémom (ideálnym plynom) je daná plochou ohraničenou izotermami 1,2 a 3,4 a adiabatami 2,3 a 4,1.

TEPLOTNÉ STUPNICE Kelvinova termodynamická teplotná stupnica Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a TEPLOTNÉ STUPNICE Kelvinova termodynamická teplotná stupnica p0 – 101325 Pa T0 – 273,15 K Celziova teplotná stupnica Fahrenheitova teplotná stupnica

MEDZINÁRODNÁ TEPLOTNÁ STUPNICA ITS-90 Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a MEDZINÁRODNÁ TEPLOTNÁ STUPNICA ITS-90 Teplota Látka Stav Wr T90 [K] t90 [°C] 3 ÷ 5 -270,15 ÷ -268,15 He tlak nasýtených pár 13,8033 -259,3467 e-H2 trojný bod 0,00119007 ~17 ~ -256,15 e-H2, (He) ~20,3 ~ -252,85 24,5561 -248,5939 Ne 0,00844974 54,3584 218,7916 O2 0,09171804 83,8058 -198,3442 Ar 0,21585975 234,3156 -38,8344 Hg 0,84414211 273,16 0,01 H2O 1,00000000 302,9146 29,7646 Ga bod topenia 1,11813889 429,7485 156,5985 In bod tuhnutia 1,60980185 505,078 231,928 Sn 1,89279768 692,677 419,527 Zn 2,56891730 933,473 660,323 Al 3,37600860 1234,93 961,78 Ag 4,28642053 1337,33 1064,18 Au 1357,77 1084,62 Cu

MEDZINÁRODNÁ TEPLOTNÁ STUPNICA ITS-90 Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a MEDZINÁRODNÁ TEPLOTNÁ STUPNICA ITS-90 Rozsah 0,65 K ÷ 5,0 K Tlak nasýtených pár 3He alebo 4He Rozsah 3 K ÷ 24,556 K Konštanty a,b,c z kalibrácie na trojný bod 3He alebo 4He, čo zohľadňuje Bx, g je koncentrácia plynu v mol.m-3 Rozsah 13,8033 K ÷ 961,8 °C Odpor Pt teplomeru 100 , alebo 1000  Rozsah 13,8033 K ÷ 961,8 °C Definovaný Planckovým vyžarovacím zákonom zo spektrálnych hustôt čierneho telesa pri teplote tuhnutia Ag, Au alebo Cu. c2 = 1,438769±0,000012.10-2 m.K

Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a ODPOROVÉ TEPLOMERY využívajú jav zmeny elektrického odporu kovov v závislosti na teplote Meraním elektrického odporu kovového vodiča môžeme merať nepriamo teplotu. Pt100 – platinový odporový teplomer s odporom 100 W pri teplote 0°C pracovný rozsah teplôt je -220°C ÷ 1000 °C. V rozsahu 0 ÷ 200 °C dosahuje presnosť 0.01 °C, pri 1000 °C je chyba merania do 0.5 %. Pt1000 má odpor 1000 W pri 0°C. Ni100 – niklový odporový teplomer s odporom 100 W pri teplote 0°C pracovný rozsah teplôt je -60°C ÷ 200 °C. Teplotná charakteristika nedosahuje linearitu Pt. Ak nie sú kladené vysoké nároky na presnosť, výhodou je cena sklená/keramická kapilára merací odpor z platiny alebo niklu

Materiály používané pre odporové teplomery Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a ODPOROVÉ TEPLOMERY Materiály používané pre odporové teplomery Materiál .10-2 [K] Teplotný rozsah [°C] Pomer odporov W100 Platina 0.385 ÷ 0.391 -20 ÷ 850 1.3850 Nikel 0.617 ÷ 0.675 -70 ÷ 150 (200) 1.6180 Ni-Fe 0.518 ÷ 0.527 -100 ÷ 200 1.462 Meď 0.426 ÷ 0.433 -50 ÷ 150 1.4260

Materiály používané pre odporové teplomery Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a ODPOROVÉ TEPLOMERY Materiály používané pre odporové teplomery

TERMISTORY POLOVODIČOVÉ TEPLOMERY Výhody Nevýhody Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a POLOVODIČOVÉ TEPLOMERY využívajú jav zmeny elektrického odporu polovodičov v závislosti na teplote TERMISTORY NTC – (negastor) negatívny teplotný koeficient el. odporu PTC – (pozistor) pozitívny teplotný koeficient el. odporu Výhody vyššia citlivosť nižšia tepelná kapacita menšie rozmery nízka cena Nevýhody vysoká nelinearita rozsah teplôt -70 ÷ 300°C

POLOVODIČOVÉ TEPLOMERY Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a POLOVODIČOVÉ TEPLOMERY Monokryštalické snímače teploty

 TERMOELEKTRICKÉ ČLÁNKY SEEBECKOV JAV E – termoelektrické napätie Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a TERMOELEKTRICKÉ ČLÁNKY SEEBECKOV JAV teplý koniec studený  E – termoelektrické napätie  – Seebeckov koeficient tA, tB – teploty koncov W – energia WF – Fermiho hladina T – termodynamická teplota

TERMOELEKTRICKÉ ČLÁNKY Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a TERMOELEKTRICKÉ ČLÁNKY SEEBECKOV JAV

TERMOELEKTRICKÉ ČLÁNKY Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a TERMOELEKTRICKÉ ČLÁNKY SEEBECKOV JAV izotermický priestor merací spoj tM spojovacie vedenie porovnávacia teplota

TERMOELEKTRICKÉ ČLÁNKY Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a TERMOELEKTRICKÉ ČLÁNKY Statická charakteristika niektorých typov termočlánkov NAJPOUŽÍVANEJŠIE TYPY TERMOČLÁNKOV J – všetky typy atmosfér do 700 °C E – stredne oxidačná atmosféra a vákuum, najvyšší termoelektrický koeficient  K – oxidačná a inertná atmosféra, nevhodný do vákua N – ako K, ale odolný proti tepelným šokom S – oxidačná a inertná atmosféra, nevhodný do redukčnej atmosféry G, C – vhodný pre oxidačnú, inertnú aj redukčnú atmosféru pre meranie vysokých teplôt nad 400°C

+ – TERMOELEKTRICKÉ ČLÁNKY K T J E R „PtRh13“ S „PtRh10“ B „PtRh18“ U Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a TERMOELEKTRICKÉ ČLÁNKY Medzinárodné značenie najpoužívanejších termočlánkov a kompenzačných vedení Označenie + – Termoelektrické napätie [mV/°C] (Elektromotorická sila) EMF Pracovný rozsah [°C] 100°C 500°C 1000°C Trvalá Krátka K Nikel-Chróm „Chromel“ Nikel-Hliník „Alumel“ 42 43 39 0 až +1100°C -180 až +1350°C T Meď Meď-Nikel „Konštantán“ 46 - -185 až +300°C -250 až +400°C J Železo 56 59 +20 až +700°C -180 až +750°C E 68 81 0 až +800°C R „PtRh13“ Platina-13% Ródium Platina 8 10 11 0 až 1600°C -50 až +1700°C S „PtRh10“ Platina-10% Ródium 9 0 až 1550°C B „PtRh18“ Platina-30% Ródium Platina-6% Ródium 1 5 +100 až 1600°C +50 až 1750°C U Meď s nízkym obsahom niklu Používa sa ako kompenzačné vedenie pre termočlánky „S“ a „R“ v teplotnom rozsahu 0 až 50°C

ZAPOJENIE TERMOELEKTRICKÝCH ČLÁNKOV Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a ZAPOJENIE TERMOELEKTRICKÝCH ČLÁNKOV Diferenčné zapojenie termočlánkov Sériové zapojenie termočlánkov

RUŠIVÉ VPLYVY PROSTREDIA Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a RUŠIVÉ VPLYVY PROSTREDIA Indukčná väzba (vplyv silového vedenia) u1, u2 – kapacitná väzba, rušivé striedavé napätia Možnosti eliminácie rušivých vplyvov skrútenie vodičov (twist)

RUŠIVÉ VPLYVY PROSTREDIA Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a RUŠIVÉ VPLYVY PROSTREDIA Kapacitná väzba (vplyv silového vedenia) u1, u2 – kapacitná väzba, rušivé striedavé napätia

RUŠIVÉ VPLYVY PROSTREDIA Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a RUŠIVÉ VPLYVY PROSTREDIA Nesprávne uzemnenie meracieho reťazca Správne uzemnenie meracieho reťazca RS – vnútorný odpor snímača RI – vnútorný odpor snímača RV –odpor vedenia UM – napätie snímača UZ – napätie medzi uzemňovacími bodmi A a B Správne uzemnenie tienenia Nesprávne uzemnenie tienenia

RUŠIVÉ VPLYVY PROSTREDIA Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a RUŠIVÉ VPLYVY PROSTREDIA Rušenie vplyvom termoelektrických napätí RS – vnútorný odpor snímača UM – napätie snímača UT – parazitné termoelektrické napätie

RUŠIVÉ VPLYVY PROSTREDIA Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a RUŠIVÉ VPLYVY PROSTREDIA Možnosti eliminácie rušivých vplyvov indukčný vplyv - skrútenie vodičov (twist) kapacitný vplyv - tienenie správne uzemnenie v jednom bode

Dynamické vlastnosti snímačov teploty Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Dynamické vlastnosti snímačov teploty Použité snímače musia mať vlastnosti, ktoré umožnia sledovať teplotu bez skreslenia signálu. Reálne senzory túto podmienku spĺňajú len čiastočne, pretože ich vlastnosti sú funkciou času – sú dynamické. Dynamické javy popisujeme polynómami alebo diferenciálnymi rovnicami. doba odozvy doba ustálenia 1. rád 2. rád ČASOVÁ KONŠTANTA SÚSTAVY  - doba za ktorú dosiahne teplota 63.2 % z ustálenej hodnoty

Dynamické vlastnosti snímačov teploty Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Dynamické vlastnosti snímačov teploty TEPELNÁ ZOTRVAČNOSŤ SNÍMAČOV TEPLOTY  - koef. prestupu tepla S – plocha aktívnej časti snímača cp – tepelná kapacita materiálu snímača V – objem aktívnej časti snímača  - merná hmotnosť aktívnej časti snímača – časová konštanta ak potom

ÚLOHA Č.1 Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a ÚLOHA Č.1 MERANIE TEPELNEJ ZOTRVAČNOSTI TEPLOMEROV Cieľ: Zoznámiť sa s dynamickými vlastnosťami meracích prístrojov a overiť teoretické predpoklady na praktických príkladoch. Teoretický postup: Pri štúdiu dynamických vlastností rôznych dejov sa pozoruje charakter zmeny, ktorú vyvolá skokový impulz alebo zásah.