1

AUTOMATSKO VOENJE

PROCESA

2

Sadraj:

1. Uvod u automatiku .................................................................................................................................. 5 1.1. Uvod .................................................................................................................................................. 5 1.2. Pojam automatike i automatizacije ................................................................................................ 5 1.3. Stupnjevi automatizacije u industriji ............................................................................................. 6

1.3.1. Stupnjevi razvoja proizvodnje................................................................................................ 6 1.3.2. Stupnjevi razvoja automatizacije ........................................................................................... 6

1.4. Upravljanje i regulacija .................................................................................................................. 7 1.5. Otvoreni i zatvoreni automatski sustavi ........................................................................................ 7

1.5.1. Otvoreni automatski sustavi ................................................................................................... 8 1.5.1.1. Otvoreni sustav s koranim motorom ............................................................................ 8 1.5.1.2. Jednofazni diodni punovalni ispravlja bez stabilizacije napona ............................... 9

1.5.2. Zatvoreni automatski sustavi.................................................................................................. 9 1.5.2.1. Zatvoreni sustav s koranim motorom ........................................................................ 10 1.5.2.2. Jednofazni diodni punovalni ispravlja sa stabilizacijom napona ............................ 11

1.6. Osnovne jedinice regulacijskih krugova ...................................................................................... 11 1.6.1. Objekt upravljanja ili regulirani proces ................................................................................... 12 1.6.2. Mjerni slogovi, mjerna osjetila i mjerni pretvornici ................................................................ 12 1.6.3. Komparatori ili usporednici ................................................................................................... 12 1.6.4. Regulatori ................................................................................................................................ 12 1.6.5. Izvrni slogovi, postavni motori i postavne sprave ................................................................. 13

2. Procesna mjerenja ................................................................................................................................. 14 2.1. Mjerni slogovi ................................................................................................................................. 14

2.1.1. Mjerna osjetila ....................................................................................................................... 15 2.1.2. Mjerni pretvornici ................................................................................................................. 15 2.1.3. Osnovne karakteristike mjernih slogova ............................................................................. 16

2.1.3.1. Ulazne karakteristike .................................................................................................... 16 2.1.3.2. Izlazne karakteristike .................................................................................................... 17 2.1.3.3. Statike karakteristike .................................................................................................. 18 2.1.3.4. Dinamike karakteristike .............................................................................................. 19

2.1.3.4.1. Standardni signali za snimanje dinamikih karakteristika .................................... 20 2.1.3.4.2. Prijelazne karakteristike ............................................................................................ 21 2.1.3.4.3. Frekvencijske karakteristike ..................................................................................... 24

2.2. Pretvornici pomaka ....................................................................................................................... 26 2.2.1. Otporniki pretvornici pomaka............................................................................................ 26 2.2.2. Kapacitivni pretvornici pomaka .......................................................................................... 26 2.2.3. Induktivni pretvornici pomaka ............................................................................................ 27

2.3. Pretvornici brzine vrtnje ............................................................................................................... 28 2.3.1. Generatorski pretvornici brzine vrtnje ............................................................................... 28 2.3.2. Impulsni pretvornici brzine vrtnje ....................................................................................... 29

2.4. Pretvornici sile i naprezanja ......................................................................................................... 30 2.4.1. Otporniki pretvornici sile .................................................................................................... 30

Ugljeni pretvornici sile ...................................................................................................................... 30 Pretvornici sile s rasteznim osjetilima ............................................................................................. 31

2.4.2. Induktivni pretvornici sile .................................................................................................... 31 2.4.3. Kapacitivni pretvornici sile ................................................................................................... 32 2.4.4. Piezoelektrini pretvornici sile ............................................................................................ 32

2.5. Pretvornici tlaka ............................................................................................................................ 32 2.5.1. Tekuinski pretvornici tlaka ................................................................................................. 33 2.5.2. Deformacijski pretvornici tlaka ........................................................................................... 34

Pretvornici tlaka s membranom ....................................................................................................... 34 Pretvornici tlaka s mijehom .............................................................................................................. 34

2.5.3. Mehaniko-elektrini pretvornici tlaka ............................................................................... 34 Otporniki pretvornici ...................................................................................................................... 34

3

Induktivni pretvornici ....................................................................................................................... 35 2.6. Pretvornici razine tekuine ........................................................................................................... 35

2.6.1. Kapacitivni pretvornici razine tekuine .............................................................................. 35 2.6.2. Ultrazvuni pretvornici razine tekuine .............................................................................. 36

2.7. Pretvornici protoka ....................................................................................................................... 36 2.7.1. Turbinski pretvornici protoka .............................................................................................. 37 2.7.2. Rotacijski pretvornici protoka ............................................................................................. 37 2.7.3. Induktivni pretvornici protoka ............................................................................................ 37 2.7.4. Ultrazvuni pretvornici protoka .......................................................................................... 38

2.8. Pretvornici temperature ................................................................................................................ 38 2.8.1. Dilatacijski pretvornici temperature ................................................................................... 39

Bimetalni pretvornici ......................................................................................................................... 39 Tekuinski pretvornici temperature ............................................................................................... 39

2.8.2. Otporniki pretvornici temperature .................................................................................... 40 2.8.3. Termoelektrini pretvornici temperature ........................................................................... 42

2.9. Pretvornici mjernih signala u standardizirana mjerna podruja ............................................. 42 3. Regulatori i krugovi automatske regulacije ........................................................................................ 43

3.1. Osnovni pojmovi o regulacijskim krugovima ............................................................................. 43 3.2. Prijenosne funkcije ........................................................................................................................ 44 3.3. Blokovska algebra .......................................................................................................................... 45

3.3.1. Serijski spoj ............................................................................................................................ 46 3.3.2. Paralelni spoj .......................................................................................................................... 46 3.3.3. Spoj s povratnom vezom ....................................................................................................... 47 3.3.4. Pravila transformacije shema ............................................................................................... 47 3.3.5. Primjeri transformacije shema ............................................................................................ 48

3.4. Osnovne vrste regulatora .............................................................................................................. 53 3.4.1. Regulatori s kontinuiranim djelovanjem ............................................................................. 54

3.4.1.1. P- regulator ..................................................................................................................... 54 3.4.1.2. I- regulator ..................................................................................................................... 56 3.4.1.3. PI- regulator ................................................................................................................... 57 3.4.1.4. PD - regulator ................................................................................................................. 59 3.4.1.5. PID regulator .............................................................................................................. 60

3.4.2. Regulatori s diskretnim djelovanjem ................................................................................... 61 3.4.2.1. Relejni regulatori ........................................................................................................... 61

Dvopoloajni regulatori................................................................................................................ 62 3.4.2.2. Digitalni regulatori ........................................................................................................ 64

3.5. Tonost zatvorenih regulacijskih krugova .................................................................................. 65 3.5.1. Statika tonost ...................................................................................................................... 65 3.5.2. Dinamika tonost ................................................................................................................. 65

3.6. Stabilnost zatvorenih regulacijskih krugova ............................................................................... 66 4. Daljinsko mjerenje i upravljanje ......................................................................................................... 68

4.1. Vodovi i prijenosnici za daljinsko mjerenje i upravljanje ......................................................... 68 4.2. Vrste daljinskog prijenosa ............................................................................................................ 69

4.2.1. Daljinski prijenos analognih signala .................................................................................... 69 4.2.2. Daljinski prijenos impulsnih signala .................................................................................... 71 4.2.3. Daljinski prijenos digitalnih signala .................................................................................... 72

4.2.3.1. Naini prijenosa digitalnih signala ............................................................................... 72 4.2.3.2. Vrste prijenosa digitalnih signala................................................................................. 73

4.3. Primjer analognog daljinskog mjerenja ..................................................................................... 74 5. Regulacijska pojaala i izvrni slogovi ................................................................................................ 75

5.1. Izvrni ili postavni motori ............................................................................................................. 76 5.1.1. Pneumatski postavni motori ................................................................................................. 76 5.1.2. Hidrauliki postavni motori .................................................................................................. 77 5.1.3. Elektrini postavni motori .................................................................................................... 78

5.1.3.1. Istosmjerni kolektorski motori ..................................................................................... 78

4

5.1.3.2. Trofazni izmjenini asinkroni motori .......................................................................... 80 5.1.3.3. Izmjenini sinkroni motori ............................................................................................ 82

Mali sinkroni motori...................................................................................................................... 82 5.1.3.4. Korani motori ............................................................................................................... 83

Korani motori s linijskim pomakom ........................................................................................... 84 5.2. Izvrne ili postavne sprave ............................................................................................................ 85

5.2.1. Regulacijski ventili ................................................................................................................. 85 5.2.2. Zasuni...................................................................................................................................... 86 5.2.3. Regulacijske zaklopke .......................................................................................................... 86 5.2.4. Elektromagnetski ventili ....................................................................................................... 86

5

1. Uvod u automatiku

1.1. Uvod

Jo od davne prolosti, pri obavljanju tekih fiziki poslova, ovjek je nastojao da energiju svojih miia zamjeni nekom energijom veeg potencijala iz prirodni izvora.

U srednjem vijeku se znaajno koristila energija vjetra i vode (mlinovi, vjetrenjae i sl.). Meutim, intenzivan razvoj automatizacije procesa proizvodnje otpoinje sa pronalaskom parnog stroja (krajem 18. stoljea) ime zapoinje era tzv. industrijske revolucije. Proizvodni procesi postajali su sve sloeniji i bri pa ovjek nije vie bio u stanju da ih runo kontrolira; da donosi upravljake odluke i da neposredno utjee na proces. Zbog toga je bilo neophodno izraditi takva tehnika sredstva koja e djelomino ili u potpunosti preuzeti navedene ovjekove funkcije i obavljati sa veom brzinom i preciznou. Tako dolazi do pojave upravljaki sustava, tzv. sustava automatskog upravljanja koji svoje funkcije obavljaju automatski bez neposrednog uea ovjeka. Automatizacija se danas veoma brzo razvija i nalazi sve iru primjenu u svim oblastima ljudske djelatnosti. Pri tome se ovjekova uloga podie sa pozicije neposrednog izvritelja na poziciju organizatora tj. ovjek organizira rad automatski sustava, projektira ih, realizira, povezuje i koristi. Posebno mjesto i znaaj ima teorija automatskog upravljanja i regulacije ije se teoretske i praktine metode mogu koristiti za prouavanje i ispitivanje elektrini, elektronskih, mehaniki, pneumatski, hidraulini i kombinirane sustava neovisno od njihove fizikalne prirode. Po zavretku drugog svjetskog rata dolazi do ubrzanog razvoja i ire primjene sustava automatskog upravljanja, a naroito sa pojavom elektronskih raunarskih strojeva (1945 g. ENIAC).

Ameriki znanstvenik Norbert Wiener, se naroito bavio prouavanjem slinosti i ponaanja sustava automatskog upravljanja, sa jedne strane, i ivi bia sa druge strane i doao do zakljuka da poznate metode i principi automatskog upravljanja i prenoenja informacija tehnikim sustavima vae i za ive organizme. Na toj osnovi on je razradio i objavio 1948 godine opu teoriju upravljanja koju je nazvao kibernetika znanost o upravljanju i toku informacija u ivoj i neivoj prirodi. Pojavom kibernetike, automatsko upravljanje je dobilo veliki znaaj i mogunost primjene ne samo u tehnikim sustavima nego i u drugim oblastima kao npr. u ekonomiji, medicini itd.

1.2. Pojam automatike i automatizacije

Pojam automatika dolazi od grke rije ''automatos'' to znai koji se sam dogaa. Prvobitno je oznaavao mehanizam pokretan prema nekom pravilu (npr. kretanje raznih figurica na starim satovima i sl.). Danas, pojam automatika predstavlja tehniku disciplinu koja se bavi automatizacijom svih tehnolokih procesa. Automatika se bavi opim principima projektiranja i primjene automatski ureaja i sustava koji mogu da izvravaju svoje osnovne funkcije samostalno bez neposrednog uea ovjeka.

Automatizacija se moe definirati kao smanjenje udjela ljudskog rada u suvremenoj proizvodnji. ovjek de zamjenjuje ne samo u fizikom radu ve i u funkcijama pamenja i odluivanja. Zamjena ovjeka u suvremenom proizvodnom procesu je nuna iz mnogo razloga. ovjek sporo reagira,brzo se zamara, nije u mogunosti raditi u loim i opasnim uvjetima, nije u stanju nadgledati vie parametara procesa, nije u mogunostima donositi odluke u naglim i brzim promjenama proizvodnog procesa, neekonomian je itd.

Dio kibernetike koji se bavi pitanjima upravljanja strojevima i upravljanje pomou strojeva, naziva se tehnika kibernetika. Kad se govori o upravljanju strojevima, skoro redovno se misli na automatsko upravljanje pa su danas pojmovi automatika i tehnika kibernetika nazivi za istu tehniku disciplinu.

Automatizacija je uvoenje strojeva (sustava za voenje) koji zamjenjuju ovjeka pri obavljanju rutinskih umnih poslova. eli li se neki radni proces automatizirati prije toga se mora mehanizirati (mehanizacija predstavlja uvoenje strojeva koji zamjenjuju ljudski rad).

6

Automatizacija je dakle smanjenje udjela ljudskog rada u suvremenoj proizvodnji. ovjek se zamjenjuje ne samo kao izvor snage ve i u funkcijama pamenja i odluivanja.

1.3. Stupnjevi automatizacije u industriji

Razvoj proizvodnje moemo promatrati dvojako. S jedne strane taj razvoj moemo promatrati kao razvoj drutva openito, a s druge strane to moemo promatrati na nivou tvornice u industrijskom dobu. Ove podjele treba shvatiti uvjetno, jer niti je mogue povui stroge granice izmeu stupnjeva razvoja, niti su se oni u svim dijelovima ovjeanstva desile istovremeno.

1.3.1. Stupnjevi razvoja proizvodnje

Tijekom povijesnog razvoja proizvodnje u drutvu openito razlikujemo nekoliko etapa tog razvoja.

1. Primitivni (barbarsko) doba ili doba divljatva je trajalo od nastanka ovjeka do prije nekih 15 000 godina. Ljudi koriste samo drveni, kotanim i kameni alat. Bavili su se lovom i skupljanjem plodova, a stanovali u peinama. Jo nema poljoprivrede i graditeljstva.

2. Agrarno (poljoprivredno) doba poelo je razvojem poljoprivrede i stoarstva. Kasnije se razvilo i graditeljstvo. Prije 6000 do 7000 godina u Mezopotamiji nastaju prvi gradovi i drave. Poinje se obraivati metal i koristiti kota. Razvijaju se jednostavni sustavi na pogon vode i vjetra te se poinju iskoritavati ivotinje za teki fiziki rad. Dolazi do razvoja kulture i vrlo znaajne podjele rada u drutvu.

Sa stajalita proizvodnje vrhunac je manufaktura u Europi u 18. stoljeu. Od 15. do 19. stoljea znaajno se razvijaju prirodne znanosti i tehnika.

3. Industrijsko doba traje od kraja 18. stoljea. Za proizvodnju u ovom periodu znaajna su dva procesa: mehanizacija i automatizacija. Mehanizacija je uvoenje strojeva koji zamjenjuju ljudski tjelesni rad. Automatizacija oslobaa ljude rutinskih umnih poslova. eli li se neki radni proces automatizirati, prije ga treba mehanizirati. Visoki stupanj automatizacije je robotizacija.

1.3.2. Stupnjevi razvoja automatizacije

Na razini tvornice razlikujemo sljedee stupnjeve automatizacije.

1. Radnik obavlja sve radne operacije runo pomou alata (18. i djelomino 19. stoljee).

2. U procesu mehanizacije ljudski rad zamjenjuju strojevi. Sve upravljake funkcije obavlja radnik (19. i poetak 20.stoljea).

3. Uz naprednu mehanizaciju postupno se uvodi i automatizacija radnih operacija. Radnik opsluuje stroj potrebnim materijalima i priborom te upravlja strojem, bavi se unutranjim prijevozom te skladitenje proizvoda i sirovina. Ovakva proizvodnja karakteristina je za sredinu 20. stoljea u razvijenim zemljama, dok je za nerazvijene zemlje karakteristina i danas. Zbog niza nedostataka ljudskog rada ovakva proizvodnja je sve manje konkurentna na svjetskom tritu.

4. U proizvodnju se uvode raunala za praenje i obradu podataka. Raunala se povezuju u sustav sa senzorima (mjernim ureajima) i izvrnim lanovima (servomotorima). Umjesto radnima, upravljaku funkciju preuzima raunalo. Stroj koji bez radnika obavlja sloene radne operacije na inteligentan nain zovemo ga robotom. Suvremeni roboti nisu ovjekoliki strojevi, ve su to specijalizirani strojevi za sloene radne operacije (npr. zavarivanje karoserija automobila, lakiranje automobila, ispitivanje sloenih elektrotehnikih ureaja. U ovakvoj proizvodnji radnici rade na prijevozu, skladitenju, nadzoru i odravanju strojeva.

5. Poetkom osamdesetih godina 20. stoljea razvijaju se fleksibilni proizvodni sustavi. T o su sustavi kod kojih se, zamjenom upravljakog programa, mijenja i proizvodni asortiman. Pojedini strojevi su roboti koji

7

su u proizvodne lance povezani automatiziranim prijevozom, jer su i prijevozna sredstva roboti. I skladita sirovina i gotovih proizvoda su robotizirana (regalna skladita). Raunala upravljaju itavom tvornicom. Ovo vrijedi za komadnu proizvodnju, ali je slino i kod kontinuiranih tehnolokih procesa (npr. rafinerije, prehrambene industrije itd.). Ovakva proizvodnja jo nije dominantna ali se tei tome. U ovoj proizvodnji nema radnika osim za vrijeme remonta.

6. Stupanj potpune automatizacije itave proizvodnje. Ovaj stupanj jo nije dostignut ali mu se tei.

I pored pribojavanja mnogih da e, uvoenjem automatizacije u proizvodnju, porasti nezaposlenost to se ne deava. To pokazuju podaci o nezaposlenosti razvijenih svjetskih zemalja, kod koji je nivo automatizacije proizvodnje najvei (Japan, vedska, itd). Vikove radnika nastale automatizacijom preuzimaju druge djelatnosti (uslune, sportske, kulturne itd).

1.4. Upravljanje i regulacija

Ako su strojevi, ureaji i pojedina postrojenja, koji uestvuju u proizvodnom procesu, meusobno tako povezane i tehniki opremljene da sami izvravaju postavljeni zadatak bez neposrednog uea ovjeka, tada obrazuju automatski sustav.

Automatski ureaji koji su se prvi pojavili, bili su u poetnoj fazi relativno prosti i sluili su za djelominu automatizaciju pojedini funkcija (npr. za automatsko odravanje temperature, pritiska, broja obrtaja itd.). Takvi ureaji nazvani su regulatori.

Regulacija je automatsko odravanje konstantne vrijednost neke fizikalne veliine. Prema tome automatska regulacija oznaava odravanje neke izlazne veliine nepromijenjenom. Ta izlazna veliina moe biti bilo koja fizikalna veliina (mehanika, elektrina, toplinska itd). Fizika veliina koja se automatski regulira naziva se regulirana veliina, a ureaj kojim se to postie naziva se regulatorom.

Na proizvodni proces utjeu razni, razliiti poremeaji koji se javljaju najee u obliku promjena parametara procesa (interni) i u obliku vanjski smetnji. Da bi se proizvodni proces odvijao po unaprijed utvrenom tijeku potrebno je njime upravljati.

Pod upravljanjem se podrazumijeva skup radnji (akcija) kojima se osigurava unaprijed odreeni tijek radnog procesa (ili ponaanje nekog objekta) u uvjetima poremeaja, to je skup akcija kojima se djeluje na objekt (proces upravljanja) da bi se ostvario odreeni cilj upravljanja.

Pod automatskim upravljanjem podrazumijeva se automatsko ostvarivanje sveukupni djelovanja usmjerenih na odravanje ili poboljanje funkcioniranja objekta upravljanja u suglasnost sa ciljem upravljanja.

Voenje je najiri pojam. Voenje sustava obuhvaa, pored automatskog upravljanja, jo i podsustave zatite, signalizacije i registracije. Voenje je usko vezano za primjenu raunala za upravljanje procesima. Raunalo analizira proces, procjenjuje veliinu i brzinu promjena te donosi odluke o korekciji i usmjeravanju procesa.

1.5. Otvoreni i zatvoreni automatski sustavi

Prema nainu meusobnog djelovanja elemenata, sustavi automatskog upravljanja i sustavi automatske regulacije mogu se podijeliti na:

otvorene automatske sustave i

zatvorene automatske sustave

Sustav je tvorevina prirodna, drutvena tehnika ili mjeovita, koja u danoj okolici djeluje samostalno i ima odreenu svrhu. Tvorevina je bilo koji skup elemenata koje su u meusobnom odnosu. Meutim, nije svaka tvorevina sustav. Npr. most je tvorevina ali nije sustav, ne djeluje, nepokretan je. Naprotiv pokretni most i

8

njegov rukovatelj kao cjelina je sustav. Naime, most i ovjek u nekakvom su uzajamnom odnosu, djeluju samostalno sa svrhom i ine sustav. iva bia ine prirodni sustav. Zajednice ljudi ine drutveni sustav. Tehniki sustavi su razliite tvorevine: hladnjak, televizor ili elektrana. Mjeoviti sustavi su zajednica ljudi i tehnikih tvorevina kao npr. ve spomenuti pokretni most i rukovatelj, tvornica, brod s posadom, automobil s vozaem itd.

1.5.1. Otvoreni automatski sustavi

Otvoreni sustav je onaj sustav u kome je upravljanje objektom neovisno o izlaznoj veliini iz sustava. Primjenjuje se u tehnikim ureajima i sustavima koji su sami po sebi stabilni, gdje nema velikih utjecaja smetnji (poremeaja) i gdje se ne trai velika tonost odravanja izlazne veliine.

Otvoreni sustav nema povratne informacije o ostvarenoj naredbi. Povezanost lanova sustava je jednosmjerna i usmjerena je od upravljakog lana preko izvrnog lana na proces upravljanja (sl.1.5.1.). Na slici su veze meu elementima prikazane tanjim crtama sa strelicom to oznaava informacijski tijek u sustavu i debljim crtama sa strelicama oznaava energetski tijek u sustavu.

Opa blok shema otvorenog automatskog sustava prikazana je na sl.1.5.1. Automatski sustavi imaju za cilj upravljanje objektom ili procesom. Da bi se ostvarilo to upravljanje upravljaki signal koji daje neki dava upravljake veliine dolazi na upravljaki ureaj ili regulator koji ce formirati signal za izvrni ureaj. Izvrni ureaj upravlja objektom ili procesom. Izvrni ureaj je najee ureaj vee snage pa zahtjeva i poseban izvor elektrine energije.

Otvorene sustave susreemo u podruju strojarstva (mehaniki, hidrauliki, pneumatski) ili u podruju elektrotehnike (regulacija elektrinih strojeva, nestabilizirani ispravljai, pojaala).

U praksi postoji mnogo primjera za otvorene automatske sustave. Ovdje emo spomenuti dva.

1.5.1.1. Otvoreni sustav s koranim motorom

Ovaj otvoreni sustav je diskretan, radi sa impulsima, a ne sa kontinuiranim (neprekinutim) elektrinim signalom jer se impulsima upravlja korani motor. Na ulazu je referentna veliina (elektrini napon) u digitalnom obliku kojom se odreuje vrijednost izlazne veliine (kut zakreta osovine koranog motora u stupnjevima). U digitalnom regulatoru taj se signal obrauje i alje na elektroniko pojaalo gdje se pojaava. Elektroniko pojaalo je izvrni lan koji pokree korani motor kao objekt upravljanja. Korani ili step motor je vrsta elektromotora koji radi sa impulsima. Jedan impuls na ulazu koranog motora zakree njegovu osovinu za jedan korak. Jedan korak moe biti od 0.5 do 120 ovisno o izvedbi koranog motora. Najee je izmeu 5 i 30. Korani motori se rade u irokom rasponu snaga od W do nekoliko kW.

Ulaznu (referentnu) veliinu moe zadati ovjek (npr. da na tipkovnici otipka eljenu izlaznu veliinu) ili neki ureaj.

9

Primjer otvorenih sustava s koranim motorom su ure (satovi) sa kazaljkama, matrini pisai, crtai (ploteri) i sl.

1.5.1.2. Jednofazni diodni punovalni ispravlja bez stabilizacije napona

Ulazni napon je obino napon mree (220V, 50Hz) koji se transformira na eljenu razinu, a zatim punovalno ispravlja Greatzovom spojem te pegla na kondenzatoru (sl.1.5.3.).

Bitno je uoiti da se promjenom otpora tereta (RT) mijenja i struja tereta (IT). Kad bi ispravlja bio idealan, onda bi na njegovom izlazu bio nazivni (nominalni) napon, bez obzira na promjenu otpora tereta, sve do maksimalne dozvoljene struje (Im) (sl.1.5.4.). Meutim, kod realnih ispravljaa dolazi do pada napona s padom otpora troila, odnosno s porastom struje.

1.5.2. Zatvoreni automatski sustavi

Zatvoreni automatski sustavi krug preko povratne veze dobiva informaciju o izvrenoj naredbi. Izlazna veliina upravljanog objekta ili procesa preko povratne veze vraa u ureaj za obradu informacija tj. na komparator koji usporeuje ulazni signal (x) davaa upravljake veliine i signala povratne veze (yp). Izlaz iz komparatora je signal razlike () koji dolazi do upravljakog ureaja gdje se donosi odluka za sljedei korak upravljanja (sl.1.5.2). Izlazni signal iz upravljakog ureaja (u) je ulaz izvrnog lana. Ovaj signal upravlja energetskim tijekom u sustavu. Energija iz pomonog izvora ide u objekt upravljanja pod nadzorom upravljakog ureaja.

U grani povratne veze nalazi se mjerni lan koji mjeri izlaznu veliinu i pretvara koji tu izmjerenu veliinu pretvori u signal prikladan za obradu u ureaju za obradu informacija.

Objekt upravljanja moe biti bilo koji tehniki ureaj ili bilo koji proizvodni proces. Izvrni ureaji su najee elektroniko pojaalo s elektromotorima ili elektromagnetskim ventilima. Ureaj za obradu informacija u posljednje vrijeme se izvodi kao programabilni digitalni elektroniki ureaj ili mikroraunalo.

10

Sl.1.5.2. prikazuje opu blok shemu zatvorenog automatskog sustava. Na slici, kao i kod otvorenih upravljakih krugova, su veze meu elementima prikazane tanjim crtama sa strelicom to oznaava informacijski tijek u sustavu i debljim crtama sa strelicama oznaava energetski tijek u sustavu.

Ne mora svaki zatvoreni sustav imati sve lanove, a ne postoji uvijek mogunost razdvajanja lanova kao na blok shemi. Npr. mikroraunalo (R) moe biti i komparator i regulator.

Povratna veza moe biti pozitivna i negativna. U automatici se uvijek koristi negativna povratna veza to se u blokovskoj shemi oznaava sa minusom na ulazu u komparator. Pozitivnu povratnu vezu imaju samo oscilatori.

1.5.2.1. Zatvoreni sustav s koranim motorom

Zatvoreni automatski sustav s koranim motorom ostvaren je povratnom vezom. Ulazna veliina sustava je napon u obliku pravokutnih impulsa zadane frekvencije. Izlazna veliina je zakret osovine motora koji pokree neki radni mehanizam. Da bi se u digitalnom regulatoru, koji je ujedno komparator i regulator, mogle usporediti ulazna i izlazna veliina, izlaznu veliinu treba pretvoriti u napon u obliku pravokutnih impulsa (kakva je i ulazna veliina). To pretvaranje vri se u impulsnom pretvarau (IP) sl.1.5.6.

Digitalni regulator je jedinstveni upravljaki ureaj za obradu informacija, koji objedinjuje dvije funkcije i komparatora i regulatora. To je mikroraunalo koje se ponekad naziva i kontroler ili mikrokontroler. Izlaz digitalnog regulatora je razlika izmeu ulaznog signala i signala povratne veze. Taj signal se zbog niske energetske razine (obino 5V i nekoliko mW) mora pojaavati u elektronikom pojaalu snage, osim u sluajevima koranih motora (KM) male snage.

Prednost ovakvih sustava su velika tonost rada, velika brzina odziva, jednostavnost koritenja i jednostavan upravljaki sustav sa zanemarivom potronjom energije.

Primjeri koritenja zatvorenog automatskog sustava s koranim motorom je pogon tvrdog diska kod raunala, pogon raznih industrijskih robota, automatskih automobilskih mjenjaa itd.

11

1.5.2.2. Jednofazni diodni punovalni ispravlja sa stabilizacijom napona

Jednofazni diodni punovalni stabilizirani ispravlja sastoji se od nestabiliziranog izvora istosmjernog napona koji se zatim stabilizira u stabilizatoru napona (sl.1.5.7.). Stabilizator napona ine operacijsko pojaalo (koji ovdje ima ulogu komparatora i pojaala), Zener dioda (ZD koja je izvor referentnog napona), serijski vezan tranzistor snage i naponsko dijelilo (otpornici R1 i R2).

1.6. Osnovne jedinice regulacijskih krugova

Upravljaki (regulacijski) krug moe se prikazati na vie naina. Krug se moe podijeliti na manji ili vei broj osnovnih dijelova, koji se nazivaju jedinicama upravljakog (regulacijskog) kruga. Primjer jedne takve podjele prikazan je na sl.1.5.8.

Upravljaki (regulacijski) krug prikazan je s podjelom na sedam osnovnih dijelova ili jedinica:

- objekt upravljanja ili regulirani proces

- mjerna osjetila

- mjerni pretvornici

- komparator (usporednici)

- upravljaki ureaj (regulator)

12

- postavni motor

- postavna sprava

Ovisno o sloenosti grae regulacijskih krugova, regulacijski krugovi mogu se dijeliti i na mani ili vei broj osnovnih jedinica. Neke od jedinica mogu se izostaviti. U drugom sluaju neke od jedinica mogu se podijeliti u vie dijelova.

1.6.1. Objekt upravljanja ili regulirani proces

Zadatak automatskih sustava je upravljanje objektima ili procesima. Objekt upravljanja moe biti bilo koji tehniki ureaj. U prethodnim primjerima spomenuli smo korani motor i punovalni ispravlja. Regulirani proces ili proces moe biti bilo koji tehniki proces. Automatski se moe regulirati proces zagrijavanja prostorije, proces protoka tekuine ili plina itd. Poremeaji koji djeluju na proces ili na objekt upravljanja su vanjski poremeaji. Ti poremeaji djeluju na izlaznu (reguliranu, upravljanu) veliinu. Mogu postojati jo mnogi utjecaji na proces, kao i na svaku drugu jedinicu promatranog regulacijskog kruga. Na prikazanoj blok shemi prikazan je poremeaj koji djeluje na objekt ili proces upravljanja, meutim, poremeaji (smetnje) u veoj ili manjoj mjeri djeluju na sve elemente regulacijskog kruga.

1.6.2. Mjerni slogovi, mjerna osjetila i mjerni pretvornici

Za bili kakvo upravljanje (ili voenje) tehnolokog procesa neophodno je mjerenje upravljanih (ili voenih) veliina. Zato su meu najvanijim dijelovima regulacijskog kruga mjerni slogovi. Mjerni slog ine dva karakteristina dijela: mjerno osjetilo ili senzor i mjerni pretvornik. Zadaa mjernih osjetila i mjernih pretvornika je uzimanje i mjerenje reguliranih veliina te njihov prijenos i pretvorba u druge oblike signala pogodne za nadzor i upravljanje (voenje) procesa.

esto se sustavima automatske regulacije ne mogu jasno odvojiti dijelovi mjernog sloga, a ponekad nema nekog od ovih dijelova. U promatranom primjeru regulacijskog kruga stabiliziranog ispravljaa signal povratne veze skida se s naponskog dijelila i kako je to elektrini napon, kao i ulazni signal nema potrebe za njegovim pretvaranjem u drugi oblik signala. U primjeru s koranim motorom izlazna veliina je zakret osovine motora, a ulazni signal je impulsni napon pa je tu prvo potrebno mjerno osjetilo koje e registrirati taj zakret, a zatim taj zakret pretvoriti u impulsni napon. U blok shemi je to objedinjeno u impulsnom pretvorniku.

1.6.3. Komparatori ili usporednici

Komparatori ili usporednici (sklopovi za usporeivanje) su karakteristini dijelovi regulacijskih krugova iji je zadatak usporeivanje stvarne (yp) i eljene vrijednosti regulirane veliine (x). Komparatori, zapravo izvode jednostavne raunske operacije zbrajanja ili oduzimanja stvarne vrijednosti izlazne (yp) i eljene vrijednosti regulirane veliine (x), odnosno regulacijsko odstupanje ( = x yp). Predznak regulacijskog odstupanja je jednak predznaku vee vrijednosti, odnosno eljene ili stvarne vrijednosti regulirane veliine.

1.6.4. Regulatori

Regulator je vaan, a vrlo esto i najsloeniji element automatske regulacije, odnosni sustava automatskog voenja procesa. Glavna zadaa regulatora je da na svako regulacijsko odstupanje preko postavnog motora i postavne sprave djeluje na objekt ili proces upravljanja tako da reguliranu veliinu ponovo dovede u zadanu (eljenu) vrijednost. Predznak regulacijskog odstupanja je vrlo vaan. O njemu ovisi nain djelovanja postavne sprave. Regulatori se grade u mnogo razliitih izvedbi a mogu biti: mehaniki, pneumatski i hidrauliki, elektrina ili kombinirana regulacijska pojaala kojima se signal regulacijskih odstupanja pojaava na optimalnu vrijednost potrebnu za brzo pokretanje izvrnih dijelova regulacijskog kruga. Uz pojaavanje signala regulatori odreuju i djelovanja postavnih motora i postavnih sprava.

13

1.6.5. Izvrni slogovi, postavni motori i postavne sprave

Izvrni dijelovi (slogovi) sustava automatskog upravljanja jesu postavni motori i postavne sprave. Postavni ili izvrni motor pokreu postavnu spravu. Izrauju se u vie vrsta i izvedbi. Osnovne vrste izvrnih motora su mehaniki, pneumatski ili hidrauliki motori, elektrini i kombinirani. Ulazne veliine takoer mogu biti razliite, a najee je to elektrini signal, te pneumatski ili hidrauliki signal. Izlazne veliine postavnih motora najee su mehaniki pomak, snaga i rad kojom izvrni motor pokree postavni ureaj regulacijskog kruga.

Postavne sprave kao vaan dio regulacijskog kruga i kroz njih najee prolazi postavna struja energije ili materije. Postavne sprave su razliite vrste ventila, sklopki itd.

14

2. Procesna mjerenja

Mjerenja, openito, vezana su uz ljudski rad, pa povijest mjerenja zapoinje sa povijeu ljudskog rada.

Mjerenje je eksperimentalni postupak usporedbe neke mjerene fizikalne veliine s nekim odabranim jedininim iznosom iste fizikalne veliine.

Postupom mjerenja dobivaju se informacije o stanju, odnosno fizikim i kemijskim karakteristikama promatranog procesa ili sustava. Mjerenja slue u svrhu promatranja, voenja ili eksperimentalnog istraivanja i analize procesa.

Mjerenje u svrhu promatranja procesa izvode se onda kada se ele dobiti podaci o stanju procesa, a ti se podaci ne koriste za njegovo voenje. Na primjer vodomjer i elektrino brojilo u domainstvu ne slue za reguliranje potronje, nego samo za njezin obraun.

Mjerenje u svrhu voenja procesa izvodi se ako da se rezultati mjerenja koriste kao informacija u sustavu voenja ili reguliranja. Npr. mjerenje temperature u bojleru izvodi se pomou bimetalnog termometra, a taj podatak koristi se za odravanje zadane temperature vode.

Eksperimentalna mjerenja izvode se u svrhu znanstvenih i tehnikih zadataka, a ti se podaci koriste pri analizi procesa s ciljem optimizacije procesa.

Premda ovjek ima pet osjetila, jedino osjetilo vida najvie primjenjuje za mjerenjima. Opaanje duljine je jedan od podraaja, pa se okom zadovoljavajue dobro moe odrediti viestruka daljina il polovica duljine. Meutim postoje veliine koje se ne mogu izravno motriti osjetilom vida, npr elektrina struja, sila, tlak, jakost magnetskog polja itd. Da bismo ih mjerili potrebno je raspolagati odreenim napravama, koje e ih uiniti motrivim. Kae se da ih je potrebno vizualizirati.

Tako su razvijene brojne naprave i instrumenti pomou kojih se mjerne veliine iskazuju duljinom, npr. stakleni termometar, barometar, galvanometar itd. Razvijeni su zatim i instrumenti u kojima se promjene mjerene veliine pretvara u brojanu vrijednost. Na ovom su naelu izvedeni digitalni instrumenti.

2.1. Mjerni slogovi

Mjerenja se izvode pomou mjernih slogova ili mjernih ureaja koji se ovisno o izvedbi i namjeni nazivaju mjerilo, brojilo, mjerni instrument itd. Na sl.2.1. prikazana je mogui opi prikaz pojedinih jedinica mjernog sloga, mjernog ureaja ili mjernog instrumenta. Karakteristini dijelovi ovih mjernih slogova su:

- mjerno osjetilo (MO)

- mjerni pretvornik primarne u sekundarnu neelektrine veliinu (MP I)

- mjerni pretvornik sekundarne neelektrine u elektrinu veliinu (MP II)

- prijenosni slog (PS)

- slog za iskazivanje vrijednosti mjerne veliine (SI)

15

2.1.1. Mjerna osjetila

Mjerna osjetila dolaze u posredan ili neposredan doticaj s materijom kojoj mjerimo karakteristinu mjernu veliinu. Mjerno osjetilo prima osnovni signal mjerene veliine i taj signal, s istom vrstom energije daje na svom izlazu. Za mjerno osjetilo je karakteristino da ne pretvara mjerni signal iz jednog u drugi oblik energije. Mjerno osjetilo troi energiju mjerene veliine. To troenje energije mora biti minimalno, kako bi se odrala potrebna tonost mjerenja i osigurala brzina prijenosa mjernog signala.

Jednostavan primjer izvedbe mjernog osjetila je lukovica plinskog termometra sl.2.2, koja se postavlja u odabrano mjerno mjesto, gdje se eli mjeriti temperatura. Na tom mjernom mjestu lukovica uzima toplinsku energiju od mjerene materije i postie njenu temperaturu. Na taj se nain energija mjerenog signala x(T) s nepromijenjenom vrstom energije pomou mjernog osjetila prenosi od mjernog mjesta do ulaza u pretvornik.

2.1.2. Mjerni pretvornici

Mjerni pretvornici pretvaraju signale mjerenih veliina iz jednog u drugi oblik energije. To pretvaranje jednog mjernog sloga moe biti viestruko, ovisno o tome na koji se nain mjerni signal eli koristiti. Radi toga mjerne pretvornike moemo podijeliti u dvije grupe:

- pretvornici primarne u sekundarnu neelektrine veliinu

- pretvornici sekundarne neelektrine u elektrinu veliinu

Pretvornici obiju ovih grupa mogu biti:

- aktivni i

- pasivni

Aktivni pretvornici sl.2.3. daju izlazne signale (y) na temelju samih ulaznih signala (x) i njihove energije.

Pasivni pretvornici osim energije ulaznih signala trebaju i pomonu energiju (Pe) na temelju koji daje izlazne signale sl.2.4.

Pretvornici primarne u sekundarnu neelektrinu veliinu izvode se tako da signal neelektrine veliine (x) pretvore u analogni signal (M) druge vrste energije koja nije elektrina.

Primjer izvedbe takvog pretvornika je mijeh iz mjernog sloga sa sl.2.2. Na njemu mjerena temperatura smanjuje ili poveava volumen plina, a svaka promjena volumena mijeha izaziva pomak prijenosne poluge na ijem je kraju uvren kliza potenciometra.

Ove pretvornike nazivamo i pretvornici neelektrinih u osnovne neelektrine veliine. Ima mnogo vrsta ovih pretvornika. Jedna nepotpuna klasifikacija primarnih i sekundarnih neelektrinih veliina prikazana je u sljedeoj tablici.

16

Primarne neelektrine veliine (M) Sekundarne neelektrine veliine (Mo)

put, brzina, ubrzanje, razina, hrapavost povrine, sila, tlak, tvrdoa, mehaniko naprezanje, moment naprezanja ..

pravocrtni pomak (l) kutni pomak ()

protok, vibracije, um, brzina vrtnje, udarci, ubrzanje, moment inercije ...

brzina gibanja (v) kutna brzina ()

teina, gustoa, mehaniko naprezanje, zakretni moment, vibracije, tlak, protok ...

sila (F), tlak (p)

koliina topline, toplinske radijacije, tlak, protok, brzina strujanja plinova ...

temperatura (T, )

svjetlosni tok, tlak, mehaniko naprezanje, sila, zakretni moment ...

jakost svjetla (L)

frekvencija, broj impulsa ... vrijeme (t)

Iz tablice se vidi, da se mnoge neelektrine veliine mogu pretvoriti u njihove sekundarne analogne vrijednosti na vie naina. Npr. neelektrina veliina tlak moe se pretvoriti u neelektrinu sekundarnu veliinu pomak, silu, temperaturu, jakost svjetlosti itd.

Pretvornici sekundarnih neelektrini u elektrine veliine pretvaraju signale neelektrinih veliina u analogne elektrine, najee u napon ili struju. I ovi pretvornici mogu biti izvode u vie stupnjeva.

2.1.3. Osnovne karakteristike mjernih slogova

Da bismo mogli poblie opisati mjerno podruje, vladanje i uvjete primjene mjernih pretvornika, definiramo odreene karakteristike prema kojim ih onda ocjenjujemo i primjenjujemo. Karakteristike mjernih slogova svrstat emo u ove skupine:

ulazne karakteristike

izlazne karakteristike

statike karakteristike

dinamike karakteristike

o prijelazne karakteristike

o frekvencijske karakteristike

2.1.3.1. Ulazne karakteristike

Ulazne karakteristike mjernih slogova su:

mjerna veliina,

mjerno podruje i

mjerni opseg.

Mjerna veliina je veliina to je treba osjeati i pretvoriti u mjerni signal. Primjeri mjernih veliina su: temperatura, sila, svjetlost, napon, brzina, vlanost, gustoa, protok, ubrzanje itd. Mjerena veliina je ulazna veliina ili ulaz mjernog sloga.

Mjerno podruje obuhvaa vrijednost mjerene veliine za koje se dani mjerni slog moe upotrijebiti. Izraava se pomou najmanje i najvee vrijednosti mjerne veliine.

17

Mjerni opseg je razlika vrijednosti veliina na gornjoj i donjoj granici mjernog podruja. Uzmimo za primjer mjerni pretvornik temperature kojemu je mjerno podruje -50C do +150C. Temperatura -50C je donja granica podruja, a temperatura -150C je gornja granica podruja. Mjerni opseg ovog pretvornika je 200C.

2.1.3.2. Izlazne karakteristike

Izlazne karakteristike mjernih slogova su:

mjerni signal,

podruje mjernog signala,

vrsta mjernog signala i

izlazna impedancija

Mjernim signalom nazivamo izlaznu veliinu mjernog pretvaraa. Mjerni signal moe biti kontinuirano promjenljiva veliina ili diskretna veliina, a kad je ta diskretna veliina iskazana u brojanom obliku naziva se digitalna veliina. Ovisno o tome kakav je mjerni signal i mjerne pretvornike nazivamo analognim (one kod kojih je mjerni signal kontinuiran) ili digitalnim (one kod kojih je mjerni signal digitalan).

Podruje mjernog signala obuhvaa vrijednosti mjernog signala za odreeni ureaj. Podruje mjernog signala je standardizirano, tako razliiti proizvoai nude mjerne pretvornike s podudarnim podrujem mjernog signala ili skraeno reeno s podudarnim izlazom. Ta podruja za elektrine veliine su:

a) strujni elektrini mjerni signali: 0 do 1mA, 0 do 5mA, 0 do 20mA, 4 do 20mA ili 0 do 50mA;

b) naponski elektrini mjerni signali: 0 do 1mV, 0 do 15mV, 0 do 100mV ili 0 do 3V.

Tako standardizirani podruja mjernog signala prilagoena su s ulazima svih razliitih ureaja za postupanje signalima, ulazima pokaznih instrumenata, zapisnih sprava itd. (npr. ulazna pojaala, regulatora, ampermetara, voltmetara, pisaa itd.).

Izlazna impedancija opisuje ponaanje mjernog pretvornika kada je povezan sa sklopovima u mjernom lancu. Kada je mjerni signal istosmjerni elektrini napon, onda je izlazna impedancija izlazni elektrini otpor mjernog pretvornika. Na primjeru takvog pretvornika prikazat emo utjecaj izlazne impedancije na mjerni signal (sl.2.5.).

U promatranom primjeru idealna vrijednost mjernog signala oznaena je sa Ui, izlazni otpor sa Ri i otpor tereta sa RT. Stvarna vrijednost naponskog mjernog signala oznaena je sa U, a strujnog mjernog signala sa I. Zavisnost vrijednosti U i I od vrijednosti Ui lako je odrediti Kirchhoffovim zakonom za promatrani krug

Ui - IRi IRT = 0

pa za strujni mjerni signal vrijedi

iTi

URR

I+

=1

(1)

a za naponski mjerni signal

U = IRT = iTi

T URR

R

+ (2)

18

Lako je uoiti da stvarna vrijednost mjernog signala u odnosu na idealni ovisi od izlaznog otpora (ili izlazne impedancije). Najpovoljnije bi bilo ostvariti takve vrijednosti Ri da pretvornik s naponskim mjernim

signalom daje U Ui, a pretvornik s strujnim mjernim signalom ii

UR

I1

.

Prema ovome se usklauju izlazne impedancije mjernih pretvornika.

U sluaju naponskog mjernog signala, preuredimo li izraz (2) dobijemo

i

T

i

U

R

RU

1

1

+

=

elimo li da je U Ui, tada mora biti T

i

R

R1, to znai da izlazna impedancija mora biti mnogo manja od

impedancije tereta. Kada je to tako, pretvornik se vlada kao naponski izvor.

U sluaju strujnog mjernog signala, preuredimo li izraz (1) dobijemo

i

i

T

i U

R

R

RI

1

1

+

=

elimo li da je ii

UR

I1

, tada mora biti i

T

R

R1, to znai da izlazna impedancija mora biti mnogo vea od

impedancije tereta. Kada je to tako, pretvornik se vlada kao strujni izvor.

Mogue je i takvo usklaivanje u kojem pretvornik omoguuje prijenos najvie snage na idui stupanj. Takvo usklaivanje postie se takvim izborom optereenja da je RT = Ri.

2.1.3.3. Statike karakteristike

Statika karakteristika predstavlja odnos mjerenog signala (izlazne veliine mjernog pretvornika) i mjerene veliine (ulazne veliine mjernog pretvornika). Obino se prikazuje grafiki unutar granica mjernog podruja (sl. 2.6.).

Idealna statika karakteristika je linearna. Izlazna veliina takvog pretvornika odgovarala bi po obliku i vrijednostima ulaznoj veliini. Idealna karakteristika bi bila da je pretvornik idealno zamiljen i da je izveden od idealnih materijala. Meutim, u praksi dolazi do razliitih odstupanja.

Stvarna se statika karakteristika odreuje eksperimentom. Postupak odreivanja statike karakteristike naziva se badarenje (umjeravanje), a upotrebljava se i pojam kalibriranje.

Iz oblika statike karakteristike zakljuuje se da li je zavisnost izlazne i ulazne veliine linearna ili nelinearna, a odreuju se i druge osobine pretvornika: ponovljivost, razluivost, osjetni prag, histereza itd.

19

Linearnost

Veina mjernih pretvornika izvedena je tako da im je statika karakteristika linearna tj. pravac. Teorijski to je pravac koji prolazi krajnjim tokama mjernog podruja (sl. 2.7. toke A i B). Blizina stvarne statike karakteristike tom pravcu je linearnost.

Ako je statika karakteristika mjernog pretvornika nelinearna, tada se pojam linearnosti ne moe primijeniti.

Ponovljivost

Mogunost mjernog pretvornika da daje jednake vrijednosti izlazne veliine pri uzastopnim mjerenjima iste vrijednosti u konstantnim radnim uvjetima oznauje se kao ponovljivost.

Ponovljivost se izraava kao najvee razlika vrijednosti izlaznih veliina pri stalnoj vrijednosti ulazne veliine unutar mjernog podruja. Ponovljivost je prikazana na sl.2.8.

Histereza

Mjeri li se vrijednost izlazne veliine tako da ulazna veliina najprije raste, a zatim se smanjuje, mogu se razlikovati vrijednosti izlazne veliine za iste ulazne veliine. Ta se pojava naziva histerezom. Ovo je nelinearna statika karakteristika. esto je prisutna, a naroito kod feromagneta. Grafiki prikaz statike karakteristike s histerezom je na sl. 2.9.

Razluivost (rezolucija, razlonost)

Razluivost statike karakteristike je pojava kada se, uz neprekinutu promjenu ulazne veliine, izlazna veliina mijenja u malim koracima (skokovito). Karakteristian primjer za ovo je kod ianog potenciomatarskog pretvornika pomaka s klizaem koji preskae sa ice na icu. Pojednostavljen grafiki prikaz razluivosti pokazuje slika 2.10.

Osjetni prag

Osjetni prag je najmanja vrijednost promjene mjerene veliine potrebne da se prouzroi mjerljiva promjena izlazne veliine. Izraava se u jedinicama mjerene veliine i moe imati razliite vrijednosti unutar mjernog podruja. Osjetni prag grafiki je prikazan na slici 2.11.

2.1.3.4. Dinamike karakteristike

Dinamike karakteristike mjernih slogova pokazuju vremensku ovisnost izlazne veliine o promjenama ulazne veliine. One pokazuju ponaanje mjernih slogova u dinamikom stanju, za vrijeme prijelaznih pojava. Ove se karakteristike prikazuju grafiki (sl.2.12.) ili analitiki izrazima:

y = f[x(x)]

gdje su:

20

y izlazna veliina; x ulazna veliina; t vrijeme.

Za najvei broj praktinih izvedbi mjernih slogova spomenuti je izraz manje ili vie sloene diferencijalne jednadbe, ije je rjeavanje sloeno i teko, a danas se najee izvodi pomou raunala.

Meu najvanije dinamike karakteristike spadaju:

prijelazne karakteristike i

frekvencijske karakteristike.

Ove se karakteristike odreuju matematiki i snimaju grafiki na razliite naine i razliitim postupcima.

2.1.3.4.1. Standardni signali za snimanje dinamikih karakteristika

Standardni signali za snimanje karakteristika bilo kojeg sklopa pa time i mjernog pretvornika ponekad se nazivaju: ispitni signali, pobudne funkcije, pobudni signali, pobuda, ulazni signali, ulazne promjene, ulazi. Promjena izlazne veliine koju uzrokuje promjena ulazne veliine naziva se odziv. Na sl. 2.13. prikazan je princip ispitivanja nekog sklopa ili sustava metodom crne kutije.

Ponaanje sustava moglo bi se ispitivati bilo kakvim signalom, ali se ispitni signali standardiziraju da bi se mogli ispitivati razliiti ureaji.

Standardne ispitne funkcije su:

jedinina odskona funkcija

jedinini impuls

nagibna funkcija

sinusna funkcija

Jedinina odskona funkcija zove se jo i jedinini skok, skokovita funkcija, step funkcija, udarna funkcija i skokomina promjena. Ovo je najznaajnija ispitna funkcija i najee se koristi za odreivanje dinamike sustava u vremenskoj domeni. To je ujedno i najtea ispitna funkcija za bilo koji sustav, jer u sebi sadri itav frekvencijski spektar. Ako sustav daje dobar odziv na odskonu funkciju onda e davati dobar odziv i na bilo koju drugu funkciju.

Odziv sustava na odskonu funkciju naziva se prijelazna pojava (prijelazni proces, prijelazna karakteristika ili prijelazna funkcija). U praksi je odskona funkcija zatvaranje sklopke.

Jedinini impuls je signal koji ima jedininu amplitudu i jedinino vrijeme trajanja (sl.2.15.). Ispitivanje pomou ovih signala izvodi se najee u elektronikim sklopovima. Pomou njih se mogu ispitivati ostale jedinice i mjerni slogovi kad ih se eli analizirati u djelovanju kod brzih impulsnih djelovanja mjernih signala.

Nagibna funkcija jo se naziva i uzlazna funkcija. Karakterizira je kontinuirani porast od vrijednosti nula do neke druge vrijednosti (sl.2.16.).

21

Matematiki opis signala je:

x = kt

gdje je:

x vrijednost signala; k nagib: t vrijeme porasta.

Sinusna funkcija jo se naziva i harmonijska ili harmonika pobuda. Ima vrlo iroku primjenu. Primjenjuje se najee za snimanje frekvencijskih karakteristika.

Matematiki se zapisuje funkcijom:

x = Asint

gdje su:

A amplituda; t vrijeme; kruna frekvencija i T period promjene signala.

2.1.3.4.2. Prijelazne karakteristike

Prijelazne karakteristike su vrlo vane u mjerenjima kod automatskog voenja procesa. Za potrebe snimanja u automatici prijelazne karakteristike najee se izvode pomou odskone funkcije. Pomou ove karakteristike se najbolje pokazuje i analizira ponaanje jedinica automatskog voenja procesa za vrijeme prijelaznih procesa.

Postoji vie oblika prijelaznih karakteristika, a ovdje emo prikazati samo one najvanije koje se najee susreu u praksi.

Karakteristika nultog reda ili P0 karakteristika

Ova karakteristika pokazuje ponaanje jedinica automatske regulacije koje nemaju nikakvo vremensko zadravanje odskonog ulaznog signala, a mijenjaju mu samo amplitudu (sl.2.18.), pa njihova prijelazna funkcija ima oblik

y = Kpx

gdje su:

x ulazni signal, y izlazni signal, Kp faktor osjetljivosti ili pojaanje.

Tipini primjeri izvedbe ovih jedinica su: otporniko naponsko djelilo ili potenciometarski spoj, mehanika poluga, reduktor, itd.

Karakteristino je za ove jedinice da nemaju nikakvu akumulaciju energije.

Karakteristika nultog reda s mrtvim vremenom ili Ptm karakteristika

Ova karakteristika pokazuje dinamiko djelovanje jedinica automatske regulacije koje imaju odreeni vrijeme zadravanje (tm) odskonog ulaznog signala, koje se naziva mrtvim vremenom (sl.2.19.).

22

Primjer izvedbe ove jedinice je relej, gdje je mrtvo vrijeme ono vrijeme ukljuivanja releja.

Bez obzira to se ponekad ovakva svojstva jedinica mogu ponekad zanemariti, veina realnih izvedbi jedinica nultog reda ima ovakvu karakteristiku.

Karakteristika prvog reda ili P1 karakteristika

Jedinice koje imaju jedno spremite energije ili materije nazivamo sustavima prvog reda. Izlazna veliina ovakvih sustava na odskonu funkciju tei nekoj konanoj vrijednosti po eksponencijalnom zakonu (sl.2.20.). Prijelazna funkcija ima oblik

xeKyt

=

)1(1

gdje su:

x ulazna veliina, y izlazna veliina, t vrijeme, vremenska konstanta i e = 2.718 baza prirodnog logaritma.

Vremenska konstanta je ono vrijeme koje je potrebno da izlazna veliina dostigne 63% svoje konane vrijednosti.

Na prijelaznoj karakteristici vremenska konstanta se moe odrediti i grafiki tako da se u toci t0 povue tangenta, pa iz toke gdje ona sijee liniju maksimalne vrijednosti spusti okomica na vremensku os. Vremenski razmak t1 - t0 jednak je vremenskoj konstanti.

Primjeri izvedbe ovakvih jedinica su brojni spomenimo samo RC spoj.

Karakteristika drugog reda ili P2 karakteristika

Sustavi drugog reda imaju dva spremita energije. Dinamika ovih sustava ne moe se opisati samo sa jednom veliinom, kao to je to bila vremenska konstanta kod sustava prvog reda. Za opis ove karakteristike potrebno je vie parametara, a najvaniji je parametar stupanj priguenja ().

Za automatiku je prouavanje karakteristike drugog reda od izuzetne vanosti jer se veina sustava vieg reda moe svesti na sustav drugog reda. Primjera u praksi za ove sustave je mnogo: Serijski i paralelni RCL lanovi, elektromotori, hidrauliki i pneumatski sustavi.

U RCL lanovima moe doi do izmjene magnetske energije akumulirane u zavojnici i elektrine energije akumuliran u kondenzatoru. To je oscilatorni proces ili istitravanje. Kada se energija potroi pretvaranjem u toplinu u otporniku, prijelazna pojava zavri.

Ovisno o uporabljenim lanovima, odziv sustava drugog reda moe biti:

aperiodski i

oscilatorni.

Aperiodski odziv

Ako je stupanj priguenja jednako jedan ili je vei ( 1) sustav ima aperiodski odziv (sl.2.21.). Sustav nema niti nadvienja niti oscilacija. Izlazna veliina monotono raste do stacionarne vrijednosti (Yst), sto je ujedno i asimptota. Tangenta u t0 je apascisna os.

23

Oscilatorni odziv

Ovisno o stupnju priguenja, oscilacije mogu biti:

o priguene,

o konstantne i

o nepriguene (raspirujue).

Ako je stupanj priguenja izmeu nula i jedan (0< < 1), oscilatorni odziv biti e priguen (sl.2.22.). Razlika izmeu maksimalne vrijednosti i stacionarne vrijednosti izlaznog signala (ym yst) je nadvienje.

Doputeno nadvienje je obino 10 % 30 %. Prijelazna pojava zavri kada je izlazna veliina u granicama 5 % do 1 % od stacionarne vrijednosti. Vremenom amplituda oscilacija postaje sve manja, a frekvencija priguenja ostaje nepromijenjena.

Ovojnica ili anvelopa priguenja je eksponencijalna funkcija.

Ako je stupanj priguenja jednak nuli ( = 0) nastaju nepriguene oscilacije tj. sklop se ponaa kao oscilator (sl.2.23.). To je sluaj u RCL- lanu ako je R = 0. Ovakav odziv je na granici stabilnosti i nije doputen u

automatici.

U sluaju kada je stupanj priguenja manji od nule ( < 0) dolazi do nepriguenih oscilacija (sl.2.24.). To moe nastati u sluaju pozitivne povratne veze. Nepriguen (raspirujue) oscilacije znae nestabilan odziv. On je zabranjen u automatici jer moe dovesti do unitenja ureaja. Sa slike je vidljivo da se izlazna veliina udaljava od stacionarnog stanja. Ovojnica signala je eksponencijalna funkcija.

Derivacijska ili D karakteristika

Ovu karakteristiku imaju jedinice automatskog upravljanja kod kojih je vrijednost izlazne veliine jednaka brzini promjene ulazne veliine. Matematiki izraz za ovakvu prijelaznu karakteristiku je

dt

dxKy D=

gdje je:

x vrijednost ulazne veliine, y vrijednost izlazne veliine, t vrijeme

24

i KD pojaanje jedinice automatske regulacije.

Derivacijska karakteristika prikazana je na sl.2.25. Na karakteristici je odreena vremenska konstanta (), a predstavlja vrijeme potrebno da vrijednost izlazne veliine padne na 37% maksimalne vrijednosti koja se postie u trenutku t0.

Sklopovi koji imaju ovakvu prijelaznu karakteristiku nazivamo sklopovima za diferenciranje.

Integracijska ili I karakteristika

Jedinice s ovakvom karakteristikom na odskonu ulaznu funkciju daju izlaz koji linearno raste s vremenom (sl.2.26). Matematiki izraz za ovu prijelaznu karakteristiku je

y = KI xt

gdje je:

x vrijednost ulazne veliine, y vrijednost izlazne veliine, t vrijeme i KI osjetljivost ili faktor pojaanje jedinice automatske regulacije.

Za jedinice s ovakvim djelovanjem karakteristino je akumuliranje energije ili materije.

2.1.3.4.3. Frekvencijske karakteristike

Prijelazna karakteristika je odziv jedinica sustava automatskog upravljanja na odskonu funkciju ovisno o vremenu. Frekvencijska karakteristika je odziv sustava na sinusnu funkciju ovisno o frekvenciji u stacionarnom stanju.

Frekvencijska karakteristika se snima tako da se na generatoru funkcija namjesti odgovarajua amplituda (Xm) sinusoide i mijenja se frekvencija ulaznog signala. Za svaku namjetenu ulaznu frekvenciju osciloskopom se snima izlazni signal. mjeri se amplituda (Ym) i fazni pomak () izlaznog signala. Svaki linearni sustav ima svoje frekvencijsko podruje djelovanja.

Ako sinusoida na ulazu ima oblik

x = Xm sint

izlazni signal bit e oblika

y = Ym sin(t+)

Vidimo da izlazna veliina ima oblik sinusoide iste frekvencije i valnog oblika, ali razliite amplitude i s faznim pomakom (sl.2.27.).

esto ne znamo napraviti matematiki model ispitivanog sustava pa ga ispitujemo eksperimentalno. Snima mu se prijelazna i frekvencijska karakteristika.

Sustavi se ispituju samo za frekvencije koje su za njih vane. Npr. za elektromotore nisu vane visoke frekvencije, jer ih priguuju namotaji (RL lan), u elektroakustici su vane samo frekvencije koje uje ovjek (16 Hz do 20 kHz).

Od frekvencijski karakteristika razlikujemo sljedee tipove:

amplitudno-frekvencijska karakteristika,

25

fazno-frekvencijska karakteristika i

amplitudno-fazno-frekvencijska karakteristika.

Amplitudno-frekvencijska karakteristika odreuje ovisnost omjera izlaznog i ulaznog signala o frekvenciji

(). m

m

X

YA =)(

Fazno-frekvencijska karakteristika odreuje ovisnost faznog pomaka izlaznog i ulaznog signala o frekvenciji (). )(

Frekvencijska karakteristika grafiki se prikazuje vrlo jednostavno, dok su analitiki izrazi esto vrlo sloeni. Zato grafike metode imaju veliku primjenu. Grafike metode koje se primjenjuju u analizama frekvencijskih karakteristika su:

1. Bodeov prikaz,

2. Nyquistov dijagram i

3. Nickolsov dijagram.

Bodeov prikaz frekvencijskih karakteristika

Bodeov prikaz se sastoji od dva dijagrama:

amplitudno frekvencijske karakteristike i

fazno frekvencijske karakteristike

I kod jedne i kod druge karakteristike na apscisu se nanosi frekvencija () u logaritamskom mjerilu zbog preglednosti dijagrama, jer se esto prikazuje iroko frekvencijsko podruje.

Na Bodeovoj amplitudnoj karakteristici crta se ovisnost amplitude o frekvenciji, pa se na ordinatu nanosi logaritamski omjer izlazne i ulazne amplitude

L() = 20 log A()

Izraava se u decibelima (dB). Decibel nije mjerna jedinica ve logaritamski omjer amplituda. (Npr. ako je omjer izlazne i ulazne amplitude 1000, znai 60 dB, a omjer od 0.01 znai -40 dB).

Bodeova fazno-frekvencijska karakteristika je u lin-log mjerilu. Na apscisu se nanosi frekvencija u logaritamskom mjerilu a na apscisu faza (u stupnjevima ili radijanima) u linearnom mjerilu.

Zbog brzine i jednostavnosti, obino se Bodeovi dijagrami crtaju priblino, bez raunanja ili mjerenja toku po toku, a sastoji se od izlomljenih pravaca. Stvarna karakteristika neto odstupa od izlomljenih pravaca, a najvee odstupanje je lomnoj frekvenciji. Na sl.2.28. je prikazana amplitudno frekvencijska i fazno - frekvencijska karakteristika prvog reda. Odstupanje stvarne od lomljene karakteristike na amplitudnoj karakteristici najvee je na lomnoj frekvenciji i iznosi -3 dB, a na faznoj karakteristici oko 5%. Pad amplitude iza lomne frekvencije iznosi -20 dB / dekadi. Nagib faze iznosi -45/ dekadi.

26

2.2. Pretvornici pomaka

Pomak moe biti linearni (pravocrtni) i kutni (zakret). Pretvornike pomaka moemo razvrstati prema vrsti mjernog signala na elektrine, pneumatske i hidraulike. Najee se primjenjuju elektrini pretvornici:

otporniki pretvornici pomaka,

kapacitivni pretvornici pomaka i

induktivni pretvornici pomaka.

2.2.1. Otporniki pretvornici pomaka

Otporniki pretvornici pomaka su pasivni elektroniki pretvornici. Mogunost pretvore pomaka u elektrini signal moe se vidjeti iz izraza za elektrini otpor vodia:

S

lR =

Vrijednost otpora ianog otpornika moe se najlake mijenjati djelovanjem na duljinu ice (l), presjeka (S) i specifinog otpora ().

Pretvornici s djelovanjem na duinu vodia su potenciometarski pretvornici od kojih su najpoznatiji pravocrtni i kruni potenciometri.

Kod pravocrtnih potenciometarskih pretvornika (sl.2.29.), izlazna vrijednost otpora ovisi o pomaku koju je izazvala ulazna veliina (l). Ako oznaimo cjelokupni hod klizaa sa l0, a trenutni poloaj klizaa sa l prema sl. 2.29, moemo postaviti omjer l : l0 = R : R0, tada je otpor na odreenom poloaju klizaa:

0

0l

lRR =

Budui da su vrijednosti l0 i R0 konstantne vrijednost otpora R ovisi samo o duljini l tj. o pomaku koji je napravio kliza.

Slino je i kod krunih potenciometarskih pretvornika (sl.2.30.), izlazna vrijednost otpora ovisi o krunom pomaku koju je izazvala ulazna veliina (), odnosno

0

0

RR =

Budui da su vrijednosti 0 i R0 konstantne vrijednost otpora R ovisi samo o kutu zakreta tj. o krunom pomaku koji je napravio kliza.

2.2.2. Kapacitivni pretvornici pomaka

Poznato je da kapacitet ploastih kondenzatora ovisi o povrini ploa (S), razmaku izmeu ploa (d) i dielektrikinoj konstanti izolatora (r), to se izraava izrazom

d

SC r 0=

27

Promjenu kapacitivnosti kod ovih pretvornika (kondenzatora) moemo izvesti na vie naina:

promjenom dielektrikine konstante izolatora (r),

promjenom povrine ploa (S),

promjenom razmaka izmeu ploa (d)

U praksi se koriste sva tri naina, na temelju kojih se izvede pretvornici.

Na sl.2.31. je prikazan primjer izvedbe pretvornika s promjenom dielektrine konstante. Pomak dielektrine konstante izmeu ploa kondenzatora mijenja kapacitet kondenzatora.

Pretvornik pomaka izveden na principu promjene povrine ploa prikazan je na sl.2.32. Pomak uzrokuje promjenu meusobnog poloaja ploa, to mijenja aktivnu povrinu ploa kondenzatora, a ima za posljedicu promjenu kapaciteta kondenzatora.

Sl.2.33. prikazuje principijelnu izvedbu kapacitivnog pretvornika na temelju promjene razmaka izmeu ploa. Mijenjanjem razmaka izmeu ploa mijenja se i kapacitet kondenzatora.

U praksi se koriste nekoliko spojeva pri izvedbi kapacitivnih mjernih pretvornika. Na sl.2.34. je prikazan spoj u Wienovom mostu. Pomak kao ulazna veliina mijenja kapacitet kondenzatora C1, to ima za posljedicu promjenu izlaznog napona (ui).

2.2.3. Induktivni pretvornici pomaka

Induktivitet svitka ovisi o magnetskoj permeabilnosti (), povrine presjeka svitka (S), duljine svitka (l) i broja zavoja svtka (N), t ose iskazuje izrazom

2Nl

SL =

Promjenu induktiviteta kod ovih pretvornika (svitaka) moemo izvesti na vie naina:

promjenom koeficijenta permeabilnosti (),

28

promjenom presjeka zavojnice (S),

promjenom duine zavojnice (l),

promjenom broja zavoja svitka (N).

Najee se induktivni pretvornici izvode na principu promjene magnetskih svojstava zavojnice i djelovanjem na ukupni koeficijent permeabilnosti magnetskog kruga.

Na sl.2.35. prikazana je naelna izvedba induktivnog pretvornika pomaka, kod kojeg se pomakom jezgre mijenja permeabilnost () svitka, ime se mijenja i njegov ukupni induktivitet. Na taj se nain mijenja izlazna veliina pretvornika, induktivni otpor, struja li napon, analogno promjenama vrijednosti ulazne veliine (pomaka).

Slika 2.36. prikazuje naelnu izvedbu induktivnog pretvornika pomaka u elektrinu veliinu. Pomak mijenja zrani raspor (l), a time i ukupni koeficijenta permeabilnosti () magnetskog kruga svitka. to se na izlazu oituje kao promjena napona ili struje zavojnice.

Za mjerenje sa induktivnim pretvornicima vrlo esto se koriste mosni spojevi.

2.3. Pretvornici brzine vrtnje

Kako postoje dvije vrste brzina (pravocrtna i kutna), tako postoje i dvije vrste pretvornika brzine:

pretvornici pravocrtne brzine i

pretvornici kutne brzine koje emo zvati i pretvornici brzine vrtnja.

Od svih mjerenja brzine najee se primjenjuje mjerenje brzine vrtnje. Mnoga mjerenja brzine gibanja zapravo su mjerenja brzine vrtnje (npr. brzina gibanja automobila, brodova itd.).

Jedinica za mjerenje kutne brzine je rad/s, a za pravocrtnu brzinu m/s.

Za automatsku regulaciju mjerenje brzine vrtnje naroito je znaajno kod reguliranih elektromotornih pogona.

Razvijeno je vie naina pretvorbe brzine vrtnje. Najee su to mehaniki ili elektrini pretvornici.

Od mehanikih pretvornika najpoznatiji je centrifugalni pretvornik brzine vrtnje.

Od elektrini mjernih pretvornika razlikujemo generatorske pretvornike koji brzine vrtnje pretvaraju u analogni elektrini signal i impulsne pretvornike koji brzinu vrtnje pretvaraju u niz impulsa.

Generatorske pretvornike susreemo i pod nazivom elektromagnetski pretvornici. Oni obuhvaaju pretvornike to se nazivaju tahometrima.

esto se generatorski pretvornici brzine vrtnje nazivaju i tahogeneratori.

2.3.1. Generatorski pretvornici brzine vrtnje

Generatorski pretvornici rade na principu generiranja elektrinih napona u vodiima koji se gibaju u magnetskom polju. Ovi generatori mogu biti izmjenini ili istosmjerni. Principijelna shema ovih generatora prikazana je na sl.2.37.

29

Ako se rotor generatora okree kutnom brzinom () inducirani napon na rotorskom svitku je proporcionalan toj brzini

uind =Asint

gdje je:

A maksimalna vrijednost induciranog napona; kutna brzina; t vrijeme.

eli li se dobiti istosmjerni napon, umjesto kliznog koluta na izlaznom dijelu rotora ugradi se kolektor. Inducirani napon sada je ispravljen i njegova srednja vrijednost je

Ui = kA

gdje je:

k konstanta ispravljanja, A maksimalna vrijednost induciranog napona; kutna brzina.

Istosmjernim pretvornicima ove vrste mjeri se brzina vrtnje do 6000 o/min, a izmjeninima i vie.

2.3.2. Impulsni pretvornici brzine vrtnje

Impulsni pretvornici brzine vrtnje izrauju se kao kapacitivni, induktivni, fotoelektrini i optiko-elektrini.

Od impulsnih pretvornika najee se koriste induktivni koji se izrauju u mnogo razliitih izvedbi. Jedna izvedba principijelno je prikazan na sl.2.38.

U rasporu nepominog svitka (3) vrti se zupasta ploa (1). Na svakom zupcu ploe je permanentni magnet. Ploa je privrena na osovinu (2) iju brzinu vrtnje mjerimo. Prolaskom zupca s permanentnim magnetom kroz raspor svitka u svitku e inducirati napon u obliku pravokutnog impulsa.

Frekvencija impulsa je

fi = nz

gdje je:

n brzina vrtnje osovine (o/s); z broj zubi na ploi.

Principijelna izvedba fotoelektrinog impulsnog pretvornika prikazan je na sl.2.39.

Izbuena ploa (1) privrena je na osovinu iju brzinu vrtnje mjerimo. S jedne strane ploe postavljeno je fotoosjetilo (2) , a sa druge strane izvor svjetlosti s usmjerenim optikim sustavom (3). Nailazak rupe na snop svijetlosti prouzroit e osvjetljivanje fotoosjetila tj. generiranje impulsa.

Frekvencija impulsa je

fi = nz

gdje je: n brzina vrtnje osovine (o/s); z broj provrta na ploi.

30

2.4. Pretvornici sile i naprezanja

Sila je veliina koja uzrokuje gibanje ili deformaciju tijela. Kad sila djeluje na tijelo, tijelo se ubrzava u smjeru te sile. sila je uzrok gibanja tijela. Ako su sile u ravnotei, tada one optereuju tijelo i uzrokuju deformaciju tijela, stezanje ili rastezanje tijela.

Teina je sila uzrokovana ubrzanjem Zemljine tee, tj ona sila kojom Zemlja privlai tijelo i ovisi o geografskom poloaju.

Za mjerenje sile razvijene su mnoge metode i mnotvo izvedbi mjernih instrumenata. Ovdje emo obraditi:

otpornike pretvornike sile,

induktivne pretvornike sile,

kapacitivne pretvornike sile i

fotoelastine pretvornike sile.

2.4.1. Otporniki pretvornici sile

Meu otpornike pretvornike sile ubrajamo:

ugljene,

potenciometarske i

pretvornike s rasteznim osjetilima.

Potenciometarski pretvornici sile upotrebljavaju se rijetko, a rade na principu pretvorbe pomaka uzrokovanog silom, kojom se pomie kliza pretvornika.

Ugljeni pretvornici sile

Ugljeni pretvornici sile rade na temelju promjene otpora ugljenog stupca, ako na njega djeluje sila (sl.2.40.). Otpor ugljenog stupca sastoji se od otpora pojedinih ploa i prijelaznog otpora izmeu ploa

R = Rpl + Rpr

Otpor pojedinih ploa (Rpl ) je konstantan, ali se pod djelovanjem sile mijena prijelazni otpor (Rpr), po zakonu

Rpr = F

K

gdje je:

K konstanta ovisna o vrsti ugljena i dimenzijama ploa, F sila.

Ukupni otpor stupca je

R = Rpl + F

K

pa je iznos mjerene sile

31

prRR

KF

=

Ovi se otpornici primjenjuju za mjerenje sile do nekoliko kN.

Mjerni spojevi za mjerenje s ugljenim pretvornicima najee se izrauju kao mosni u kojima se pokazni instrumenti badare u jedinicama za silu. Jedan takav mosni spoj prikazan je na sl.2.41.

Pretvornici sile s rasteznim osjetilima

Pretvornici sile s rasteznim osjetilima rade na principu elastine deformacije tijela izazvane djelovanjem sile.

I kod ovih pretvornika iskoritena je mogunost promjene otpora promjenom duljine, poprenog presjeka i specifinog otpora.

Princip rada ovih pretvornika prikazan je na sl.2.42. Najjednostavniji oblik ovog pretvornika moe se predstaviti kao vodi iji je jedan karaj uvren, dok mu na drugi slobodni kraj djeluje sila. Ako sila djeluje tako da istee vodi, pod njenim djelovanjem vodi se izdui i rastanji, a djelomino mu se promjeni i specifini otpor.

Rastezna se osjetila izvode tako da se na elastinu podlogu (1) zalijepi ili kemijskim putem nanese otporna ica (2) u vie navoja (sl.2.43.).

I kod izvedbe ovih pretvornika najee se koriste mosni spojevi. S njima se mogu mjeriti sile od nekoliko MN do 2000MN.

2.4.2. Induktivni pretvornici sile

Za mjerenje veih sila upotrebljavaju se induktivni pretvornici sile. Principijelna shema prikazan je na sl.2.44. Sastoji se od elektromagneta sa pominom kotvom. Sila djeluje na kotvu i mijenja irinu zranog raspora (0). Promjena zranog raspora mijenja duljinu magnetskih silnica magnetskog kruga, tonije duljinu silnica kroz zrani raspor, a time i promjenu induktiviteta. Induktivitet je ovisan o broju navoja i magnetskom otporu kruga. Ako zanemarimo magnetski otpor eljeza, onda je magnetski otpor kruga priblian magnetskom otporu zranog raspora (Rm0), pa je induktivitet kruga

0

02

0

0

2

0

2

SN

S

N

R

NL

m

===

gdje su: Rm0 magnetski otpor zranog raspora; N broj navoja elektromagneta; S povrina poprenog presjeka eljezne jezgre: 0 apsolutna permeabilnost; 0 irina zranog raspora.

Induktivni otpor je

32

0

02

SNLX L ==

Struja koja tee elektromagnetom je

SN

U

X

UI

L 02

0

==

Iz izraza je vidljivo da je struja proporcionalna irini zranog raspora (0). Na taj nain smo silu pretvorili u strujni signal.

2.4.3. Kapacitivni pretvornici sile

Djeluju na osnovi promjene kapaciteta ploastog kondenzatora kod kojeg je izmeu ploa elastini dielektrik (sl.2.45.). Kada sila (F) djeluje na plou mijenja se razmak izmeu ploa, a time se mijenja i kapacitet kondenzatora. Odnos sile i kapaciteta kondenzatora moe se izraziti formulom

F = k C

gdje su:

k konstanta; C = C C0.

Ovi se pretvornici koriste za mjerenje malih sila.

2.4.4. Piezoelektrini pretvornici sile

Kada se na neke kristale (npr. kvarc) djeluje silom na njegovim plohama pojavi se naboj. Naboj se javlja na plohama okomitim na smjer djelovanja sile. To svojstvo kristala iskoriteno je kod piezoelektrinih pretvornika sile. Principijelna shema ovih pretvornika prikazan je na sl.2.46.

Piezoelektrini pretvornici prikladni su za mjerenje impulsnih sila (brzih promjena sila i po iznosu i po vremenu) do frekvencija od 15 kHz.

Koriste se za mjerenje sila u kompresorima, crpkama, eksplozijskim motorima, topovskim cijevima itd.

2.5. Pretvornici tlaka

Tlak je definiran kao djelovanje sile na povrinu. Razlika tlaka je bilo koja razlika tlakova mjerenih na dva mjesta u prostoru. Tlak mjeren s obzirom na atmosferski tlak naziva se relativni tlak a iskazuje se omjerom mjerenog i atmosferskog tlaka. Uzimajui atmosferski tlak kao osnovicu, uobiajeno je da se relativni tlak vei od atmosferskog zove nadtlak, o manji od atmosferskog podtlak.

Jedinica za mjerenje tlaka je paskal (1Pa = N/m2). Tlak manji od 133 Pa smatra se vakuumom, a tlak od 0.1Pa je visoki vakuum.

Osim paskala ponegdje su jo u uporabi i stare jedinice za tlak:

33

- normalna (fizikalna) atmosfera (1 atm = 101325 Pa)

- milimetar stupca ive (1 mm Hg = 133.322 Pa)

- milimetar stupca vode (1 mm H2O = 9.80665 Pa)

Budui da je tlak djelovanje sile na povrinu, mjerene tlaka svodi se na usporeivanje dviju sila i mjerenje njihove razlike. Sile koje izazivaju tlak mogu se svrstati u dvije osnovne skupine:

- sile koje nastaju uslijed gravitacije na bazi kojih se grade tekuinski pretvornici tlaka i

- sile koje djeluju na bazi elastine deformacije na bazi koji se grade deformacijski pretvornici tlaka.

Mjerni pretvornici tlaka osjeaju promjene tlaka pomo mehanikih osjetila u kojima se na prikladan nain uspostavlja ravnotea sila i kao posljedica mjerljiv pomak ili deformacija.

Pretvornik tlaka s indikatorom naziva se tlakomjer ili manometar.

Ovdje emo obraditi pretvornike tlak koje smo svrstali u tri skupine:

tekuinske pretvornike tlaka,

deformacijske pretvornike tlaka i

mehaniko-elektrine pretvornike tlaka.

2.5.1. Tekuinski pretvornici tlaka

Tekuinski pretvornici tlaka su pretvornici punjeni ivom, vodom, alkoholom, uljem, glicerinom itd. Tekuine kojima se pune moraju imati mali temperaturni koeficijent irenja, kako bi greka mjerenja uslijed promjene temperature bila to manja.

Princip rada ovih pretvornika objasnit emo na primjeru pretvornika tlaka sa U-cijevima (U-manometar). Kod ovih pretvornika u staklenoj cijevi oblika slova U (sl.2.47.) nalazi se tekuina (iva, alkohol, voda itd). Na jednom kraju cijevi prikljuen je referentni (atmosferski) tlak p0, a na drugi mjereni tlak p1. Ako je p1 vei od p0, kako je prikazano na slici, pokazat e se razinska razlika h.

Budui da razlika tlakova ovdje dri ravnoteu teini stupca tekuine, odnosno:

p1S p0S = G

ili

p1 p0 =

=

=

= hS

hS

S

V

S

G

gdje su:

V volumen istisnute tekuine; S povrina poprenog presjeka cijevi; specifina teina tekuine

Pri mjerenju s ovim pretvornicima, moraju se uzeti u obzir pojava kapilarnosti tekuina, koja od tankih cijevi i malih razlika tlakova mogu izazvati znatne pogreke. Isto je i sa toplinskom rastezljivou tekuina.

34

2.5.2. Deformacijski pretvornici tlaka

Ovi pretvornici tlaka imaju mehanika osjetila koja pretvaraju tlak u male pomake ili deformacije. U tu svrhu koriste se razliite izvedbe membrana i mjehova. Pri tom je bitno da mjerni tlakovi ne prekorae najvee mogue elastine deformacije pretvornika.

Pretvornici tlaka s membranom

Obino imaju krunu elastinu membranu, koja po svom obodu zatvara prostor u kojem djeluje mjerni tlak. Otklon sredita membrane pretvornika je proporcionalan mjernom tlaku. Taj se pomak najee prenosi polugom na kazaljku pokaznog sloga (sl.2.48.).

Pod djelovanjem tlaka sredite membrane se pomie za pomak:

l = K(p1 p0) = Kp

Konstanta K sadri faktore ovisne o mehanikim osobinama membrane: elastinost, geometrijske dimenzije i nain izrade membrane.

Mjerni tlakovi ovise o izvedbi pretvornika i iznose 0.2 30 kPa.

Pretvornici tlaka s mijehom

Izrauje se od metala ili drugih elastinih materijala (sl.2.49.). Mijeh se izdui ili skrati, ako na njegovu povrinu, vanjsku ili unutarnju, djeluju tlakovi razliitih vrijednosti. Kod praktinih izvedbi se jedna ploha mijeha uvrsti nepomino, a na drugoj se postavi prijenosni mehanizam s kazaljkom.

Pomak pokretne plohe mijeha s polugom i kazaljkom ovisi o izvedbi i osobinama materijala od kojeg je mijeh izraen. Taj pomak je odreen izrazom:

l = K(p1 p0) = Kp

Pretvornici tlaka s mijehom koriste se za mjerenje tlakova plinova u regulacijskoj tehnici. Podruje mjerenja tlakova ovih pretvornika je 0.5 5 kPa.

2.5.3. Mehaniko-elektrini pretvornici tlaka

Gore navedeni pretvornici pretvarali su tlak u mehaniki pomak. Ovdje emo prikazati kako taj pomak pretvoriti u promjenu otpora i induktiviteta.

Otporniki pretvornici

Na sl.2.50. prikazana je izvedba pretvornika tlaka s U cijevi, gdje se pretvorba pomaka stupca ive pretvara u napon. U ivin stup U cijevi uronjena je otporna nit. Promjena tlaka uzrokuje promjenu otpora uronjene niti. Spoj je mosni pa je osjetljivost mjernog sloga velika.

35

Induktivni pretvornici

Na sl.2.51. prikazana je izvedba pretvornika tlaka s membranom i induktivnim pretvornikom. Jezgra svitka ima pominu kotvu koja je preko poluge spojena s membranom. Promjena tlaka koja izaziva pomak membrane preko poluge mijenja i zrani raspor svitka s jezgrom. Promjena zranog raspora izaziva promjenu induktiviteta svitka, tj. induktivnog otpora, to dalje dovodi do promjene struje kroz svitak.

2.6. Pretvornici razine tekuine

Mjerenje razine tekuine u spremnicima i posudama u osnovi slui kao mjera njihovog volumena ili mase. Razliiti oblici posuda i razliite karakteristike tekuina ine ova mjerenja sloenim. Razina goriva mjeri se u rezervoarima vozila, termoelektrana, rafinerija, nivo vode u vodospremnicima itd. Razvijene su brojne metode mjerenje razine tekuine i pretvaranje tog podatka u elektrini signal. neke od tih metoda su:

- pomou mehanikog plovka,

- otporna, kapacitivna i induktivna metoda,

- ultrazvuna metoda itd.

2.6.1. Kapacitivni pretvornici razine tekuine

Princip mjerenja razine tekuine kapacitivnom metodom prikazan je na sl.2.52. Dvije elektrode uronjene su u tekuinu. Vidimo da je jedan dio elektroda u tekuini a drugi dio u zraku, pa se izmeu elektroda nalaze dva razliita dielektrika. Jedan je zrak a drugi tekuina. Uronjene elektrode ponaaju se kao dva paralelno vezana kondenzatora iji je ukupan kapacitet

C = C1 + C2

a kapaciteti kondenzatora su

d

SC 111 =

d

SC 222 =

gdje su:

1 i 2 dielektrine konstante zraka i tekuine; S1 i S2 povrine ploa u zraku i tekuini; d razmak meu ploama.

Ako je tekuina elektriki vodljiva tada je potrebno elektrode meusobno izolirati (sl.2.53.). Naelo rada je isto kao i kod onih sa nevodljivom tekuinom, ali je proraun kapaciteta drugaiji. Naime ukupan kapacitet moe se predstaviti nadomjesnim spojem.

kapacitet paralelnog spoja je

36

C12 = C1 + C2

Ukupan kapacitet je

312

312

CC

CCC

+

=

2.6.2. Ultrazvuni pretvornici razine tekuine

Novija metoda mjerenja razne, prikladna za velike spremnike tekuine. Princip rada prikazan je na sl.2.54. Ultrazvuni generator odailje valove koji se odbijaju od povrine tekuine i vraaju na prijemnik. Mjeri se vrijeme izmeu slanja i primanja ultrazvunih valova. Mjerenje ovom metodom podrazumijeva poznavanje brzine irenja valova kroz tekuinu iju razinu mjerimo.

Prijeeni put vala od generatora do prijemnika je l = l1 + l2 jednak je

l = c t

gdje su: c brzina irenja valova (razliita za svaku tekuinu); l prijeeni put vala; t vrijeme putovanja vala.

Iz poznatog istokranog trokuta lako se izrauna visina trokuta (h), to je i razina tekuine u spremniku.

2.7. Pretvornici protoka

Protjecanje je gibane tekuina i plinova. Koliina tekuine ili plina to protee u odreenom vremenu zovemo protok. Obujam tekuine ili plina to protjee u jedinici vremena zove se volumni protok. Masa tekuine ili plina to protjee u odreenom vremenu zove se maseni protok.

Za mjerenje protoka tekuina i plinova razvijeni su mnoge vrste mehanikih i elektrinih pretvornika. Svrstavaju se na razliite naina, a osnovna im je podjela na dvije skupine:

- pretvornici volumenskog protoka, odnosno

t

Vqv = [m

3/h]

- pretvornici masenog protoka, odnosno

t

mqm = [kg/h]

gdje su: qv volumen protjecane materije u jedinici vremena; qm masa protjecane materije u jedinici vremena; t vrijeme; V volumen protjecane materije; m masa potjecane materije

37

2.7.1. Turbinski pretvornici protoka

Princip rada mehanikih pretvornika protoka objasnit emo na turbinskom pretvorniku protoka (sl.2.55.). Pretvornici rade na taj nain da mjerena tekuina ili plin struje kroz cijev (1) i komor