Spis treści:
Pomiary wielkości nielelektrycznych odgrywają kluczową rolę w wielu dziedzinach przemysłu, nauki i technologii. Obejmują one różnorodne parametry, takie jak temperatura, ciśnienie, przepływ, wilgotność, ilość substancji chemicznych oraz obciążenie mechaniczne.
Dokładność i precyzja pomiarów nielelektrycznych mają istotne znaczenie dla poprawnego funkcjonowania urządzeń, procesów i systemów. W dziedzinie automatyzacji procesów przemysłowych pomiary nielelektryczne są wykonywane przy użyciu specjalistycznych urządzeń, takich jak czujniki, mierniki, analizatory czy rejestratory danych. Tego rodzaju technologie pozwalają na precyzyjne monitorowanie i kontrolowanie procesów produkcyjnych, co przekłada się na poprawę efektywności i jakości wyrobów. Ważne jest również prawidłowe przetwarzanie danych pomiarowych, aby móc podejmować odpowiednie decyzje w kontekście optymalizacji procesów przemysłowych.
Dlatego w tym materiale autor postanowił usystematyzować wiedzę na temat tych pomiarów – pomiarów wielkości nieelektrycznych, nie wchodząc w aspekty rozwiązań technicznych urządzeń. Pomiary nieelektryczne mogą mieć wpływ na rozwój przemysłu, dlatego istotne jest ciągłe doskonalenie i rozwijanie technologii pomiarowych, aby sprostać coraz większym wymaganiom stawianym przez dynamicznie rozwijające się gałęzie przemysłu. W systemach automatyzacji procesów produkcyjnych najczęściej mamy do czynienia z przetwornikami oraz sensorami takich wielkości fizycznych jak przemieszczenie liniowe i kątowe, prędkość liniowa i kątowa, moment obrotowy, czas, masa, temperatura, ciśnienie, natężenie przepływu i wiele innych.
Pomiar prędkości i przyspieszenia
Najbardziej rozpowszechnionymi przyrządami do pomiaru prędkości są prądnice tachometryczne. Dokonują one pomiaru w sposób bezpośredni. Urządzenia te generują napięcie, którego parametry są uzależnione od prędkości obrotowej wirnika. Dzięki zastosowaniu odpowiedniej przekładni ruchu prostoliniowego na ruch obrotowy mogą służyć do pomiaru prędkości liniowych.
Prądnice prądu stałego wytwarzają napięcie stałe, którego wartość jest proporcjonalna do prędkości kątowej wirnika. Podstawowym parametrem prądnicy tachometrycznej prądu stałego jest stała przetwarzania, wyrażana w V/obr./min.
Innym elementem są generatory prądu przemiennego, w których od prędkości obrotowej wirnika zależy częstotliwość generowanego sygnału.
Prędkość kątową można również zmierzyć za pomocą enkodera inkrementalnego. Jest to urządzenie, które generuje impuls elektryczny, jeśli jego wirnik obrócił się o określony kąt. Częstotliwość generowanych impulsów stanowi miarę prędkości obrotowej wirnika.
Inną metodą pomiaru prędkości liniowej poruszających się obiektów jest pomiar radarowy. Przeprowadza się go przez cykliczny pomiar czasu, który upłynął od momentu wysłania przez radar fali elektromagnetycznej w kierunku poruszającego się obiektu do momentu jej powrotu do radaru w wyniku odbicia się od tego obiektu.
W większości radarów wykorzystuje się jednak zjawisko Dopplera, polegające na powstawaniu różnicy długości fali elektromagnetycznej wysyłanej przez źródło oraz rejestrowanej przez obserwatora, który porusza się względem tego źródła. Radar dopplerowski wysyła wiązkę fali elektromagnetycznej o określonej częstotliwości, która powraca do radaru po odbiciu się od stojącego na jej drodze obiektu. Jeśli obiekt się porusza, to częstotliwość fali docierającej do radaru po odbiciu różni się od częstotliwości fali wysłanej. Jeśli obiekt zbliża się do radaru, to częstotliwość zarejestrowanej fali odbitej jest większa, natomiast gdy się oddala, to radar zarejestruje falę odbitą o częstotliwości mniejszej Urządzeniem przeznaczonym do pomiaru przyspieszenia metodą bezpośrednią jest akcelerometr.
Pomiar temperatury
Przyrządami umożliwiającymi pomiar temperatury są:
termometry oporowe – wykorzystuje się w nich zależność rezystancji materiału od temperatury. Powszechnie stosuje się czujniki wykonane z platyny oraz niklu:
- Pt100,
- Pt500,
- Pt1000,
- Ni100,
- Ni1000,
- półprzewodnikowe, zwane termistorami (NTC czyli termistory o ujemnym temperaturowym współczynniku rezystancji, PTC czyli termistory o dodatnim temperaturowym współczynniku rezystancji, CTR czyli termistory o skokowej zmianie rezystancji po przekroczeniu pewnej temperatury)
termopary (termoelementy)- to element w formie dwóch prętów wykonanych z różnych metali, połączonych na dwóch końcach W wyniku tzw. zjawiska Seebecka między prętami, które w miejscu zespolenia są w różnych temperaturach powstaje siła elektromotoryczna. Temperaturę za pomocą termopary można zmierzyć po umieszczeniu jednego końca połączonych prętów w temperaturze mierzonej, natomiast drugiego – w temperaturze odniesienia. Wówczas wartość mierzonego między prętami napięcia jest proporcjonalna do wartości mierzonej temperatury.
pirometry to przyrząd do bezdotykowego pomiaru temperatury. Podstawę jego działania stanowi analiza promieniowania cieplnego, które emitowane przez badane ciało trafia do umieszczonego wewnątrz pirometru detektora.
Pomiar ciśnienia
Przyrządem wykorzystywanym do pomiaru ciśnienia jest manometr, który mierzy wartość ciśnienia w odniesieniu do ciśnienia otoczenia. Oprócz manometrów do pomiaru ciśnienia używane są przyrządy:
- manometry absolutne – wskazują bezwzględną wartość ciśnienia,
- manometry różnicowe – mierzą różnicę ciśnień,
- wakuometry– służą do pomiaru ciśnienia względnego o wartości mniejszej od wartości ciśnienia atmosferycznego, nazywanego podciśnieniem,
- manowakuometry – służą do pomiaru ciśnienia względnego o wartości zarówno większej, jak i mniejszej od wartości ciśnienia atmosferycznego.
Inną grupę manometrów stanowią manometry sprężynowe, która wykorzystuje zjawisko wygięcia sprężyny pod wpływem działającego na nią ciśnienia. Dzielimy je na:
- manometry ze sprężyną rurkową (tzw. rurką Bourdona),
- manometry przeponowe,
- manometry mieszkowe.
Pomiar naprężeń mechanicznych
Do pomiaru odkształceń przedmiotu służy zamocowany na jego powierzchni tensometr. Ze względu na to, że odkształcenie jest wynikiem działania siły, to tensometry stosuje się do pomiarów takich wielkości fizycznych, jak: siła, masa, ciśnienie, moment obrotowy i przyspieszenie. W tensometrach wykorzystuje się zależność rezystancji od wymiarów geometrycznych przewodnika.
Podczas wyginania się tensometru wydłużeniu ulega ścieżka rezystancyjna naniesiona na jego powierzchni oraz minimalnie maleje średnica tej ścieżki. W konsekwencji rośnie rezystancja samego czujnika W przetwornikach do pomiaru siły, momentu obrotowego, naprężeń wykorzystuje się kilka czujników tensometrycznych jednocześnie, które są elementami mostka pomiarowego.
Pomiar natężenia przepływu
Do pomiaru natężenia przepływu stosuje się:
- przepływomierz zwężkowy działający na skutek umieszczenia w pewnym miejscu rurociągu przewężenia o znacznie mniejszym polu przekroju poprzecznego niż przekrój rurociągu, gdzie powstaje różnica ciśnień przed zwężką i na niej. Ciśnienie bezpośrednio przed zwężką jest większe od ciśnienia na zwężce, a różnica ciśnień jest wprost proporcjonalna do natężenia przepływu medium w rurociągu. Powstałą różnicę ciśnień mierzy się za pomocą manometru różnicowego. W praktyce do pomiaru natężenia przepływu tą metodą stosuje się zwężki o różnych kształtach, takich jak kryza, zwężka Venturiego, dysza i rurka Pitota.
- rotametr to przepływomierz pływakowy wykonany w postaci przezroczystej rurki o zmiennym (zwiększającym się ku górze) przekroju poprzecznym oraz z nadrukowaną skalą odczytową w jednostkach natężenia przepływu.
- przepływomierz strumieniowy tu urządzenie wykorzystujące liniową zależność prędkości obrotowej od ilości medium przepływających przez przepływomierz. We wnętrzu przepływomierza strumieniowego znajduje się wirnik w postaci koła łopatkowego lub turbiny, który zostaje wprowadzony w ruch obrotowy na skutek naporu przepływającego medium.
- przepływomierz ultradźwiękowy to urządzenie opierające się ona na pomiarze czasu transmisji sygnału ultradźwiękowego przekroju poprzecznym rurociągu, przez który przepływa mierzone medium. Sygnał jest wysyłany naprzemiennie raz w jednym, a raz w drugim kierunku. Jeżeli natężenie przepływu wynosi zero, to czasy transmisji sygnału są dla obu kierunków identyczne. Na podstawie zmierzonej różnicy czasów propagacji sygnału ultradźwiękowego oraz prędkości transmisji dźwięku w przepływającym przez rurociąg medium, jak również wymiarów geometrycznych samego rurociągu można wyliczyć objętościowe natężenie przepływu cieczy lub gazu w rurociągu.
Pomiar wilgotności powietrza
Do pomiaru wilgotności powietrza służą higrometry. Przyrządy te wskazują procentową zawartość pary wodnej w powietrzu. Spośród przyrządów do pomiaru wilgotności powietrza wyróżnia się:
- Higrometry włosowe – są to przyrządy wskazujące jedynie orientacyjną wartość wilgotności powietrza. W przyrządach tych wykorzystuje się zależność długości ludzkiego lub zwierzęcego włosa od ilości wchłoniętej przez niego wilgoci.
- Higrometry kondensacyjne – są to przyrządy wykorzystujące zjawisko skraplania się pary wodnej na chłodnych szklanych lub metalowych powierzchniach. Ilość skroplonej w ten sposób w danej temperaturze pary wodnej jest miarą wilgotności powietrza.
- Higrometry absorpcyjne – to przyrządy, których pomiar wilgotności powietrza polega na rejestracji ilości pochłoniętej w jednostce czasu wilgoci przez materiał absorpcyjny.
