2. Osjetila 1

2.5. Termoelektriki osjetilni elementi (Termoparovi) Thomas Johann SEEBECK (1821) istraivao elektromagnetske pojave

u krugovima s bizmutom i bakrom, bizmutom i antimonom i otkrio pojavu termoelektromotorne sile.

T

Tr

Materijal A

Materijal B

Materijal B

U

Mjerno spojite

Referentno spojite

T temperatura koju treba mjeriti;

Tr referentna (poznata) temperatura;

U termoelektromotorna sila.

U = a1T + a2T2 + a3T3 + = UTAB-UTrAB; T = T - Tr

a1, a2, a3, - konstante ovisne o materijalima A i B.

2. Osjetila 2

Prethodna shema moe se prikazati kao (T1 = T; T2 = Tr):

Zakoni termoparova

1. Zakon: Termoelektromotorna sila termopara ovisi samo o temperaturama spojeva, tj. neovisna je o temperaturi spojnih ica.

2. Osjetila 3

2. Zakon: Ako se umetne trei metal (C) u A ili u B, i ako su oba nova spoja na jednakoj temperaturi (T3) termoelektromotorna sila se ne mijenja. To znai da se u krug moe ukljuiti mjerni ureaj napona (voltmetar) i da on ne utjee na tonost mjerenja.

3. Zakon: Ako su dva nova spoja AC i CB na jednakoj temperaturi (bilo T1 ili T2) termoelektromotorna sila se ne mijenja. To znai da se mjerni spojevi, ice A i B mogu lemiti s treim metalom, odnosno da se na mjerne spojeve moe prikljuiti mjerni ureaj napona, odnosno pojaalo.

2. Osjetila 4

4. Zakon: Ovaj zakon naziva se zakonom meumetala (engl. law of intermediate matals). Omoguuje, primjerice, odreivanje iznosa termoelektromotorne sile termopara bakar-eljezo (AB) ako su poznate termoelktromotorne sile termoparova bakar-konstantan (AC) i konstantan eljezo (CB).

5. Zakon: Ovaj se zakon naziva zakonom meutemperatura (engl. law of intermediate temperatures). Daje mogunost ugradnje produnih vodova.

U1,2 = U1,3 + U1,3

2. Osjetila 5

Osnovni krugovi termoparova Ugradnja termopara: Oklapanje i zatita (mehanika i

kemijska) termoparova Referentna temperatura T2 mora

biti konstantna. U praksi se esto koristi

kompenzacijski most s otpornikim osjetilom temperature, koji kompenzira promjene referentne temperature (d), tj. mjeri ET2,0 =>

2. Osjetila 6

Shema spajanja termopara s kompenzacijskim mostom:

2. Osjetila 7

Tipovi termoparova:

2. Osjetila 8

Jednadbe termoparova (polinomski oblik):

2. Osjetila 9

Poveanje osjetljivosti mjerenja temperature (Thermopiles):

T1 T2

2. Osjetila 10

2.6. Elastini osjetilni elementi

Pri narinutoj sili na oprugu dolazi do izduljenja ili sabijanja opruge, koje je proporcionalno narinutoj sili.

Na ovom principu temelje se elastini osjetilni elementi za pretvorbu sile u pomak.

Elastini osjetilni elementi koriste se takoer za mjerenje: momenta M = Fx (x pomak);

pritiska FPA

= ;

ubrzanja Fam

= ;

Uz elastini osjetilni element koriste se sekundarni osjetilni elementi pomaka (rastezna osjetila) koji pretvaraju pomak u elektriki signal.

Pomak moe biti linearni ili kutni (zakret).

2. Osjetila 11

Prijenosna funkcija elastinoga osjetilnoga elementa sile

Masam

kxOpruga

Priguiva

xx=0

dxF

k - konstanta elastinosti [N/m]; d - konstanta priguenja [Ns/m]

Jednadba ravnotee sila: F kx dx mx =

odnosno: mx dx kx F+ + = .

U stacionarnom stanju je: F = kx

Za poetne uvjete 0 0x i x= = L-transf. daje prijenosnu funkciju:

2

2

( ) 1 12( ) 1

n n

X ssF s k s

=+ +

gdje su: nkm

= ; 2

dkm

= ;

1 Kk

= - osjetljivost elementa.

(Korektno bi trebalo pisati: X(s) i F(s)).

2. Osjetila 12

Dinamiki model elastinog osjetila linearnog ubrzanja:

Seizmiki slog: masa m se giba po ini u smjeru ubrzanja bez trenja.

Ako na kuite djeluje ubrzanje a, tada se masa m suprotstavlja inercijalnom silom iznosa ma.

Dakle, pobudna sila na opruni slog je ma. Slian se efekt javlja pri vonji automobila:

ubrzanje pritie sjedalo koenje gibanje naprijed

Optimalni 0,7; Zrak ima tipino = 0,1 pa se koriste tekuinski ili elektromagnetski priguivai.

n mora biti nekoliko puta vea od maksimalne frekvencije mjernoga signala max => za veliki n osjetljivost u stacionarnom stanju K je mala pa je potreban kompromis => rjeenje primjena sekundarnih osjetila.

2. Osjetila 13

Osjetila linearnog ubrzanja a), tlaka b), kutnog ubzanja c) i momenta d):

2. Osjetila 14

etiri osjetilna elementa s rasteznim osjetilima:

a) konzolno osjetilo sile; b) valjkasto osjetilo optereenja (engl. Pillar load cell); c) osjetilo momenta i d) osjetilo linearnog ubrzanja.

2. Osjetila 15

2.7. Piezoelektriki osjetilni elementi Ako se narine sila na neki kristal, tada dolazi do udaljavanja atoma

kristala u reetci od normalnog poloaja.

Ovaj je pomak proporcionalan narinutoj sili i za stacionarno stanje

vrijedi izraz: 1x Fk

=

gdje je k krutost kristala [Nm-1] (tipino je 2109 Nm-1)

2. Osjetila 16

Dinamika ovisnost izmeu x i F izraava se prij. funkcijom 2. reda:

2

2

( ) 1/2( ) 1

n n

X s ksF s s

=+ +

. (tipino je n 60 do 600 s-1, 0.01)

Deformacija reetke piezoelektrikog kristala rezultira pojavom naboja proporcionalnoga deformaciji x (direktni piezoelektriki efekt):

pKq Kx F k Fk

= = =

gdje je kp - piezoelektrika konstanta (tzv. piezomodul). Za kvarc (kvarcni kristal, SiO2): kp = 2,310-12 [As/N]. Za bariumtitanat (piezokeramika, BaTiO3): kp = 25010-12 [As/N].

(Nedostatak: piroelektriki efekt) Dakle, piezoelektriki kristal daje izravno elektriki izlaz i nije

potrebno dodatno sekundarno osjetilo pomaka.

2. Osjetila 17

Postoji i obrnuti (inverzni) efekt kristala: Narinuti napon U na kristal uzrokuje mehaniko izduenje

(deformaciju) x kristala:

x = kpU - inverzni piezoelektriki efekt vano za ultrazvune pretvornike.

Da bi se mogao mjeriti naboj, kristal se umee izmeu ploastih elektroda te se na taj nain formira kondenzator kapaciteta:

oN

ACd

=

gdje je: d - debljina kristala A - povrina plohe kristala

2. Osjetila 18

Nadomjesna shema piezoelektrikoga kristala

iN=dq/dt

CN

Ndq dxi Kdt dt

= ; ( )( )

NI s KsX s

=

Dakle, uz konstantnu silu F struja iN bit e jednaka nuli.

2. Osjetila 19

Ako se piezoelektriko osjetilo izravno spoji na isti otporniki teret otpora RT preko kabela, za kojega se moe pretpostaviti da je isti kondenzator kapaciteta Cc, dobije se sustav prikazan na slici:

iN=dq/dt

CN CC RT uT

Piezoelektrinikristal

Kapacitivnivod

Teret

2. Osjetila 20

Prijenosna funkcija izlaznog napona uT u odnosu na struju iN je:

( )( ) 1 ( )

T T

N T N C

U s RI s R C C s

=+ +

,

a u odnosu na mjerenu silu F: ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )NT T

N

I sU s U s X sF s I s X s F s

=

2

2

( ) 1/2( ) 1 ( ) 1

T T

T N C

n n

U s R kKssF s R C C s s

=+ + + +

(A)

2

2

( ) 1 ; , ( )2( ) 1 1

pTp T N C

N C

n n

kU s s Kk R C CsF s C C s ks

= = = ++ + + +

2. Osjetila 21

Dva su nedostatka ovog bazinog mjernog sustava:

1. osjetljivost u stacionarnom stanju jednaka je: pN C

kC C+

, dakle,

ovisna je o kapacitetu kabela, a time i o duljini i tipu kabela;

2. zbog lana 1

ss

+

ne mogu se mjeriti konstantne i

sporopromjenljive sile. Ovi se nedostaci mogu znatno zaobii uvoenjem nabojnog pojaala.

Nabojno pojaalo je integrator koji daje izlaz proporcionalan Ni dt => Na taj nain, za konstantnu silu sustav ne daje izlaz jednak nuli.

2. Osjetila 22

iN=dq/dt

CN CC RT UT

Piezoelektrinikristal

Kapacitivnivod

Teret

RF

CF

Nabojsko pojaalo

i1 iF

i1 + iF = 0 iF = UTsCF

F TF Fdq dUi Cdt dt

= = (B)

1 TF FdUi i Cdt

= =

2. Osjetila 23

S obzirom da je pad napona kroz CN i CC priblino jednak nuli, ne tee struja kroz CN i CC, pa je:

1 Ndqi idt

= =

Odakle je:

TFdq dUCdt dt

= (C)

1

TF

U qC

= - prijenosna karakteristika idealnoga nabojskog pojaala.

Iz jednadbi (A), (B), (C) slijedi: 22

( ) 12( ) 1

pT

F

n n

kU ssF s C s

=+ +

Osjetljivost je sada: kp/CF - ne ovisi o kapacitetu kabela.

2. Osjetila 24

2.8. Elektrokemijski osjetilni elementi Ovi osjetilni elementi spadaju u skupinu osjetila za analizu tekuina

(kapljevina) i plinova. Ovo su, dakle, osjetila za analitike podatke. Osjetila za analitike podatke sastavni su dio ureaja za analizu koji

upravlja tehnikim procesom ili se ova osjetila zajedno s mjernim sklopovima (za obradbu mjernih signala) koriste za nadzor pogona, proizvodnoga procesa ili za nadzor zagaenja okolia.

U analizi kapljevina koriste se osjetila za:

pH-vrijednost; sadraj soli; vlanost zraka.

2. Osjetila 25

U analizi plinova koriste se osjetila zasnovana na: toplinskoj vodljivosti; magnetskome mjerenju kisika (paramagnetizmu kisika); ionizaciji plamena; infracrvenoj apsorpciji.

2.8.1. pH-mjerenje Pomou pH-mjerenja odreuje se kiselost (aciditet) odnosno lunatost

(alkalitet) vodene otopine. Podruja primjene:

prehrambena industrija; obradba vode za termoelektrane; neutralizacija otpadnih voda.

2. Osjetila 26

pH-vrijednost (lat. potentia hydrogenii) definira se kao negativni dekadski logaritam koncentracije vodikovih iona (ili H+iona) CH+

pH = -log10CH+ (pH = -log10[H+])

(CH+ se izraava u g-ionima/l).

Iz zakona o djelovanju masa dobije se:

21410 25 o

H OH

g ionC C kod Cl+

=

CH+ - koncentracija vodikovih iona; COH- - koncentracija hidroksil iona;

2. Osjetila 27

U neutralnoj otopini je: 710

H OH

g ionC Cl+

= =

Dakle, pH-vrijednost neutralne otopine je 7 (pH = 7). To je ista voda. ista voda ima 10-7 grama vodikovih iona (H+) u jednoj litri otopine.

Za kiselu otopinu je pH < 7 (tj. 710H

g ionCl+

> )

Za lunatu otopinu je pH > 7 (tj. 710H

g ionCl+

< )

Podruje praktine pH-skale je od pH 0 (jako kiselo) do pH 14

(jako lunato).

2. Osjetila 28

Elektriko mjerenje pH-vrijednosti obavlja se prema shemi na slici:

pH- mjerna elija (Siemens)

Mjerna elektroda se za pogonska mjerenja u pravilu izvodi kao staklena elektroda i povezana je s mjernom otopinom preko staklene membrane.

S unutarnje strane staklene membrane nalazi se referentna otopina (tamponska, puferska otopina) poznate pH vrijednosti (npr. pH = 7), iji se potencijal dobiva pomou odvodne elektrode.

Pomou referentne elektrode odvodi se potencijal mjerne otopine. Na donjem kraju referentne elektrode zavarena je dijafragma koja predstavlja

galvansku vezu s mjernom otopinom.

2. Osjetila 29

Razlika potencijala izmeu mjerne otopine i referentne otopine koja nastaje na obje granine plohe staklene membrane opisuje se Nernstovom jednadbom:

lno

H

H

CRUFn C +

+

=

R=8,3143 [J/K] - univerzalna plinska konstanta (molarna plinska konstanta);

[C] - temperatura; F = 96487 [As/mol] - Faradayeva konstanta; n - valencija (ovdje je n = 1); CH+ - koncentracija vodikovih iona u mjernoj otopini; CH0+ - koncentracija vodikovih iona u referentnoj otopini.

Uvrtenjem konstanti dobije se (uz ln x = 2,303 log10 x):

2. Osjetila 30

54,2 (log log )273,15 o

o

H H

pH pH

U mV C CK

+ +

=

odnosno

U=kN(pHo - pH) - Galvanijev napon gdje je:

ln10 54,2 0,20( 0 )oNRk C mVF

= = + - temperaturno ovisna

Nernstova konstanta.

Npr. za = 25C je kN = 59,2 mV.

2. Osjetila 31

Mjerno pojaalo:

mjerni spoj za mjerenje pH-vrijednosti

(Hartmann&Braun)

Zbog velikoga otpora staklene membrane mjerne elektrode (red veliine 10 100M) mjerna pojaala moraju imati relativno veliki ulazni otpor.

Gornji potenciometar na slici slui za umjeravanje nul-toke i prilagodbu na pojedine mjerne elektrode.

Osim toga, mora se uzeti u obzir i utjecaj temperature. Za to se koristi temperaturno osjetilo uronjeno u mjernu otopinu.

Izlaz ovog osjetila spojen je na mjerne sklopove radi korigiranja utjecaja temperature.

2. Osjetila 32

U nekim izvedbama obje elektrode mogu biti u zajednikom kuitu: