ELEMENTI AUTOMATIZACIJE POSTROJENJA

1. Mjerenje razine i protoka ELEMENTI AUTOMATIZACIJE POSTROJENJA

2. Senzori - za mjerenje temperature - za mjerenje tlaka Predavanje 5 - EAP Prethodno predavanje

3. Mjerenje razine Mjerenje protoka Predavanje 5 - EAP SADRŽAJ

4. Plivajući mehanizmi • Razina se preko plovka pretvara u linearni ili kutni pomak, koji se različitim postupcima pretvara u električni signal, (npr. potenciometarski). h = k x ili h = k φ • Specifična gustoća plovka mora biti manja od specifične gustoće tekućine. • Mjerenje tekućine može biti diskretno, tj. potrebno je detektirati točno određenu razinu. U tom slučaju plovak može mehanički aktivirati kontaktni prekidač ili se u njega ugrađuje magnet koji kod određene razine uključuje magnetsku sklopku, npr. tzv. “reed relej”. Predavanje 5 - EAP Mjerenje razine φ plovak x h Cijev-vodilica plovak magnet reed relej h

5. Uzgonski mehanizmi • Prema Arhimedovu zakonu tijelo (ronilo) uronjeno u tekućinu gubi na težini, tj. javlja se uzgonska sila (FU). Za poprečni presjek S i visinu ronila b uzgonska sila je: gdje su ρA i ρt specifične težine zraka, odnosno tekućine. • Sila teže, tj. težina ronila je: gdje je m masa ronila, a ρRnjegova specifična težina. Predavanje 5 - EAP Mjerenje razine Mjerenje sile FR FU ρA ρR b a h ρt FG

6. Uzgonski mehanizmi • Razlika sile teže i uzgonske sile je: • Mjerenjem sile FR može se odrediti razina (h) iz visine uronjenosti ronila: • Da bi ronilo uronilo u tekućinu treba vrijediti: ρRρt Predavanje 5 - EAP Mjerenje razine Mjerenje sile FR FU ρA ρR b a h ρt FG

7. Hidrostatski mjerni uređaji • Hidrostatski tlak na dnu tanka s tekućinom jest: , gdje je p0 atmosferski tlak. • Razina se određuje iz razlike tlakova: gdje je g gravitacijska konstanta, a ρt specifična težina tekućine. • Hidrostatski mjerni uređaji često se spajaju prema konfiguraciji na desnom dijelu slike, pa se mjerenjem razlike tlakova određuje razina. Predavanje 5 - EAP Mjerenje razine p p0 h p Δp Δp = p – p0 = k h

8. Hidrostatski mjerni uređaji • Drugi način mjerenja je da se hidrostatska sonda uroni na dno posude (na lijevom dijelu slike), pa se, uz poznavanje atmosferskog tlaka, mjerenjem tlaka tekućine na dnu posude određuje razina tekućine u posudi. Predavanje 5 - EAP Mjerenje razine p p0 h p Δp Δp = p – p0 = k h

9. Hidrostatski mjerni uređaji - Primjer - proizvođač SIEMENS, tip SITRANS P Predavanje 5 - EAP Mjerenje razine

10. Kapacitivni mjerni uređaji • Kapacitivni mjerni uređaji razine koriste cilindrični kondenzator s rešetkastom vanjskom elektrodom koji je uronjen u dialektričnu tekućinu kojoj se mjeri razina. • Kapacitet cilindričnog kondenzatora bez tekućine je: gdje su r1 i r2 unutrašnji, odnosno vanjski polumjer cilindričnog kondenzatora. Predavanje 5 - EAP Mjerenje razine ε1 L h ε2

11. Kapacitivni mjerni uređaji • Kapacitet cilindričnog kondenzatora uronjenog u tekućinu je: gdje su ε1 i ε2 dialektrične konstante zraka, odnosno tekućine. Predavanje 5 - EAP Mjerenje razine ε1 L h ε2

12. Ultrazvučni mjerni uređaji • Danas se ultrazvučni mjerni uređaji najviše primjenjuju za mjerenje razine zbog zadovoljavajuće točnosti, jednostavne ugradnje i otpornosti na utjecaj okoline (temperatura, vlaga, onečišćenje). • Princip rada temelji se na slanju ultrazvučnih signala iz odašiljača (kristal) prema površini kojoj se mjeri razina (tekućina, rasuti materijal). • Valovi se odbijaju od mjerene površine i vraćaju do prijamnika (kristal). • Mjerenjem vremena (t) za koji signal prođe od odašiljača do prijamnika, uz poznavanje brzine signala (va,) određuje se udaljenost senzora od razine (D), tj. sama razina (h) u spremniku. Predavanje 5 - EAP Mjerenje razine Odašiljač/prijamnik D h

13. Ultrazvučni mjerni uređaji • Da bi se povećala točnost određivanja brzine signala kroz zrak mora se uzeti u obzir i njena ovisnost o temperaturi zraka prema izrazu: gdje su v0 brzina signala pri 00C , a va brzina signala pri temperaturi zraka [0C]. Predavanje 5 - EAP Mjerenje razine Odašiljač/prijamnik D h

14. Ultrazvučni mjerni uređaji • Prvi ultrazvučni mjerni uređaji razvili su se za medicinske primjene, zbog velikih ulaganja u njihovo istraživanje i razvoj, a osim toga propagacija zvučnih signala 100 puta je lakša kroz ljudsko tkivo nego kroz zrak. • Uobičajeni mjerni uređaji za mjerenje razine koriste piezokeramičke kristale tipa PZT-4 i PZT-5, s frekvencijskim rasponom od 5,5 kHz do 200 kHz. • Vlaga, para i zagađenost imaju značajan utjecaj na apsorpciju akustičke energije koja se pretvara u toplinu. Ti su gubici značajniji na višim frekvencijama, pa na tim frekvencijama uređaji imaju manji raspon mjerenja, nego uređaji koji rade u području od 7 do 25 kHz. Predavanje 5 - EAP Mjerenje razine

15. Ultrazvučni mjerni uređaji • Točnost ultrazvučnih uređaja za mjerenje razine tekućine (npr. nafte) može biti ±0,1mm za mjerno područje 15 m. • Snop ultrazvučnih zraka uređaja je stožastog oblika s kutom nagiba od 70 do 140. • Različita je ultrazvučna refleksija za tekućine, prah (npr. brašno) i čvrste zrnaste tvari (npr. šljunak, žitarice), pa se vrsta tvari mora uzeti u obzir pri kalibraciji mjernog uređaja. • Tekućine su najpogodnije za točno određivanje razine, a zrnasti materijali su porozni za ultrazvučne zrake, pa je reflektirani signal složen i mjerni uređaj određuje srednji iznos razine. Predavanje 5 - EAP Mjerenje razine

16. Radarski mjerni uređaji Predavanje 5 - EAP Mjerenje razine • Radarski mjerni uređaji rade na sličnom principu kao i ultrazvučni, ali frekvencija elektromagnetskih valova je značajno veća i iznosi između 5 - 10 GHz. Primjer: proizvođač SIEMENS, tip SITRANS LR

17. Uređaj za mjerenje protoka mjeri protok fluida koji se giba u zatvorenom ili otvorenom vodu. • Brzina čestica fluida kroz neki presjek A nije konstantna pa se promatra njena srednja vrijednost: • Volumni protok kroz presjek A je: • Ako se pozna gustoća medija može se odrediti maseni protok: gdje je ρ – specifična gustoća fluida Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka v1 v2 v3 vn A

18. Prigušnica – metoda diferencijalnog tlaka • Uređaj za mjerenje protoka mjeri protok fluida koji se giba u zatvorenom ili otvorenom vodu. • Metoda se temelji na Bernoulli-jevoj jednadžbi za mirne i neviskozne protoke nestlačivih fluida, na temelju koje se za gornju konfiguraciju može napisati: • Diferencijalni tlak je: Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka A2 v1 v2 A1 p2 p1 Δp

19. Iz jednadžbe kontinuiteta slijedi da je u stacionarnom stanju protok jednak kroz oba presjeka: iz čega slijedi: • Uvrštavanjem izraza za v1 u izraz za diferencijalni tlak dobiva se: • Brzina fluida u manjem presjeku je: • Volumni protok jednak je: • Konstanta ξ određuje se kalibracijskim postupkom. Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka

20. Ovisnost protoka o diferencijalnom tlaku je korjenska, što znači da se za određivanje protoka iz signala Δp treba izračunati njegov drugi korijen. Danas se to radi pomoću mikroprocesora. • Prednost ove metode je korištenje standardnih osjetila tlaka (jednog diferencijalnog ili dva apsolutna), a mana je promjena presjeka cijevi. Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka Q ~ Δp

21. U - cijev • Razlika visina stupca medija u U-cijevi (h) proporcionalna je razlici tlakova, tj. protoku kroz cijev. • Protok se očitava samo vizuelno. Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka p2 h~Δp=p1-p2 p1

22. U – cijevPrimjer – firma PRESO Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka

23. Termoanometar – mjerenje protoka prijenosom topline • Moguće su dvije varijante termoanometra: - s zasebnim grijačem (kao na slici) - bez grijača, senzor Rsje samogrijući • Termometar R0 mjeri temperaturu medija (voda, para, plin) T0 koja ne ovisi značajno o brzini medija. • Grijačem, koji se napaja konstantnom snagom, zagrijava se medij u okolišu termometra RS.. Ovisno o brzini medija, više ili manje topline se odvede s grijača, pa je temperatura medija u okolišu termometra Rsovisna o brzini medija, tj. njegovu protoku. Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka Otpornički termometri RS R0 v grijač T0 U0 R0 R1 Uiz RS R2 TS

24. Termoanometar – mjerenje protoka prijenosom topline • Protok se dobije u funkciji razlike otpora RS i R0, tj. temperatura TS i T0. • Na slici je prikazan mogući spoj grijača i otporničkih termometara, pri čemu je izlazni napon (Uiz) proporcionalan protoku. Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka Otpornički termometri RS R0 v grijač T0 U0 R0 R1 Uiz RS R2 TS

25. Ultrazvučni mjerni sustavi • Osnovne značajke ultrazvučnih mjernih sustava već su prije prikazane , kada je opisana njihova primjena kod mjerenja udaljenosti. • Ultrazvučni valovi predstavljaju valove na frekvencijama višim od pojasa čujnosti čovječjeg uha, a to su frekvencije iznad 18 kHz. • Ultrazvučne valovi imaju manju valnu duljinu od niskofrekvencijskih valova i lakše ih je usmjeriti. To je važno kod mjerenja malih debljina i određivanja protoka. • Ultrazvučni mjerni uređaji su pogodni za mjerenje protoka kiselina ili otopina koji djeluju korozivno na metale. Budući da ultrazvučni valovi jednostavno prolaze kroz metale, mjerna oprema se može ugraditi i izvan fluida. Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka

26. Ultrazvučni mjerni sustavi • Svaki ultrazvučni mjerni sustav sastoji se u osnovi od ultrazvučnog odašiljača, prijenosnog medija i ultrazvučnog prijamnika. • Najčešće korišteni uređaji za ultrazvučne odašiljače i prijamnike su piezoelektrički osjetilni elementi. Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka

27. Mjerenje protoka na temelju mjerenja vremena tranzicije ultrazvučnog vala između dva kristala • Kristali A i B ugrađuju se na suprotne strane cjevovoda, a svaki se može koristiti kao odašiljač i prijamnik ultrazvučnih valova. • Brzina propagacije vala različita je za oba smjera propagacije (A B; B A), budući da se brzina dobije kao vektorska suma brzine zvuka kroz mirujući fluid (c) i brzine fluida (v). Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka Odašiljač / prijamnik A L v D Θ B Odašiljač / prijamnik

28. Mjerenje protoka na temelju mjerenja vremena tranzicije ultrazvučnog vala između dva kristala • Vrijeme propagacije zvuka između kristala A i B: • Predznak + odnosi se na vrijeme kada zvuk putuje od kristala B prema A (veća brzina), a predznak - za smjer zvuka od A prema B (manja brzina). • Kako bi se smanjio šum, tj. povećala točnost, za mjerenje protoka koristi se razlika vremena propagacije (ΔT), a to znači da oba kristala prvo rade kao odašiljači, a zatim kao prijamnici. Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka Odašiljač / prijamnik A L v D Θ B Odašiljač / prijamnik

29. Mjerenje protoka na temelju mjerenja vremena tranzicije ultrazvučnog vala između dva kristala • Razlika vremena propagacije: jer je c puno veći od v•cosΘ. Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka Odašiljač / prijamnik A L v D Θ B Odašiljač / prijamnik

30. Ultrazvučno mjerenje protoka na temelju Dopplerova efekta • Kada se zvuk konstantne frekvencije reflektira od gibajućeg objekta reflektirani signal ima različitu frekvenciju od poslanog signala (Dopplerov efekt). • Dopplerov efekt koristi se za mjerenje protoka fluida. Uređaj radi na principu da se odaslani signali odašiljača frekvencije f reflektiraju frekvencijom f ’ od pomičnih mjehurića ili čestica u fluidu natrag prema prijamniku. Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka Prijamnik Odašiljač f ’ f v Θ D

31. Ultrazvučno mjerenje protoka na temelju Dopplerova efekta • Ako se čestice gibaju brzinom tekućine, Dopplerova promjena frekvencije proporcionalna je iznosu protoka. • Odašiljač šalje konstantni signal frekvencije od 0,5 do 10 MHz , brzine c i pod kutem Θu odnosu na smjer gibanja tekućine. • Dopplerov mjerač protoka relativno je jeftin, ali ne tako precizan kao mjerač koji mjeri vrijeme tranzicije između dva kristala postavljena na suprotnim stranama cjevovoda. Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka Prijamnik Odašiljač f ’ f v Θ D

32. Industrijska primjena ultrazvučnih mjerača protoka • Industrijski ultrazvučni mjerni uređaji protoka sastoje se od dva ili više pretvornika (kristala) koji su trajno instalirani na cijev. • Postoji veliki broj načina ugradnje pretvornika pri čemu je potrebno poznavati promjer, debljinu i konfiguraciju cjevovoda, te materijal od kojeg je načinjen cjevovod. • Zbog kvalitetne kalibracije, kod ugradnje Dopplerovih mjernih uređaja potrebno je specificirati sve karakteristike tekućine. Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka

33. Industrijska primjena ultrazvučnih mjerača protoka • Budući da kvaliteta mjerenja ovisi o kompaktnosti ulaska ultrazvučnih valova u tekućinu, nije poželjno uređaje instalirati na cijevi od materijala koji rasipaju valove (keramika, beton, porozni metali). • Na slici su prikazane minimalne duljine ravnog dijela cjevovoda u odnosu na promjer (D) za različite konfiguracije, a koje su nužne da bi protok kroz mjerni uređaja bio kontinuiran i točnost mjerenja bolja od 1%. Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka Protok Protok Protok 50xD 5xD 25xD 5xD 10xD 5xD 20xD 5xD 50xD 5xD

34. Ultrazvučni mjerači protoka - Primjer – firma SIEMENS – tip SITRANS F US Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka

35. Elektromagnetsko mjerenje protoka • Elektromagnetski uređaji za mjerenje protoka koriste se za mjerenje protoka električki vodljivih tekućina (npr. kiseline). • Princip rada se zasniva na Faradey-evom zakonu magnetske indukcije, s razlikom da se umjesto vodiča u magnetskom polju giba vodljiva tekućina. • Os postavljanja elektroda (os y) okomita je na smjer gibanja tekućine (os z) i na smjer indukcije (os x). Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka z e elektrode v B x y D Q

36. Elektromagnetsko mjerenje protoka • Inducirana elektromotorna sila između elektroda je: e = k D B v, gdje je: D - udaljenost između elektroda, B – magnetska indukcija, v – srednja brzina gibanja tekućine, k – konstanta koja se određuje kalibracijom. • Volumni protok je: • Magnetski se tok može stvoriti istosmjernim ili izmjeničnim elektromagnetom, kao i permanentnim magnetima. Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka z e elektrode v B x y D Q

37. Turbinski mjerni uređaji • Turbinski mjerni uređaj protoka ugrađuje se unutar same cijevi i okreće se uslijed strujanja fluida. • Broj okretaja turbine u sekundi (f) proporcionalan je volumnom protoku (Q), tako da se mjerenjem frekvencije vrtnje dobiva iznos protoka. • Turbinski mjerni uređaj često se koristi za mjerenje ukupnog volumena tekućine, npr. ukupni utrošak neke tekućine u nekom periodu T je: , gdje je N ukupni broj okretaja turbine za vrijeme T. Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka

38. Turbinski mjerni uređaji • Turbinski mjerni uređaj koristi se, između ostalog, za mjerenje utroška vode u domaćinstvima i industrijskim postrojenjima. • Ovi uređaji imaju zadovoljavajuću točnost kada je protok u granicama od 10% do 100% maksimalne vrijednosti, a ona iznosi ±0,5%. • Pri mjerenju protoka ispod 10% maksimalne vrijednosti, trenje osovine i tekućine postaje značajno, odnos između Q i f postaje nelinearan, pa se pogreška povećava. Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka

39. Turbinski mjerni uređaji – izvedbe Predavanje 5 - EAP Mjerenje protoka