Méréstechnika Méréstechnika biomérnököknek biomérnököknek

Méréstechnika Méréstechnika biomérnököknek biomérnököknek

2020 2020

Vegyi- és bioipari méréstechnika

• Elsősorban az üzemben, az üzemmenet ellen- őrzésénél használatos olyan mérési módszerek- kel és műszerekkel fogunk foglalkozni, amelyek folyamatosan mérnek és a mérendő mennyiség- et elektromos jellé alakítják.

• Nukleáris műszerekkel nem fogunk foglalkozni.

A laboratóriumi és az üzemi mérések összehasonlítása

1. Kutató laboratóriumok Analitikai laboratóriumok

Minőségellenőrző laboratóriumok Univerzális műszereket használnak 2. Üzemi mérés

A technológia minden paramétert rögzít.

Az eltérést kell mérni, hogy gyorsan be lehessen avatkozni (szabályozás).

Célműszereket használnak.

Mérések gyakorisága a vegyiparban

Hőmérséklet mérés 50 %

Térfogat- és tömegáram mérés 15 % Nyomás és nyomáskülönbség mérése 10 %

Szintmérés 6 %

Térfogat- és súlymérés 5 %

Idő mérése 4 %

Kémiai összetétel mérése 4 % Más változók mérése (pl. pH) 6 % 100 %

A mérés

A mérés

A mérés definíciója

• A méréssel a mérendő mennyiséghez egy, a választott mértékegységben (pl. SI) kifejezett számértéket, mérőszámot rendelünk.

Mérendő mennyiség

↓

(Mérés)

↓

mérőszám + mértékegység

A mérési megoldások csoportosítása

1. Egyszerű mérés (pl. feszültség)

Összetett mérés (pl. semlegesítési entalpia- változás)

2. Analóg mérőberendezéssel való mérés Digitális mérőberendezéssel való mérés 3. Közvetlen kitéréses műszerrel való mérés Kiegyenlítéses (nullázó) műszerrel (pl.

Wheatstone híd, kompenzátor) való mérés Részleges kiegyenlítéses (differencia)

műszerrel való mérés

Passzív és aktív mérések, érzékelők

• Passzív (vagy klasszikus) mérésnél a mérő-

berendezés elhanyagolható mértékben zavarja meg a mérendő rendszert.

• Aktív mérésnél ismert jellel megzavarjuk a

vizsgált rendszert és a válaszból következtetünk a keresett tulajdonságra.

• Passzív érzékelő csak a mérendő rendszertől kap energiát (pl. termoelem)

• Aktív érzékelő a mérőberendezéstől is kap (pl.

termo-ellenállás).

Az SI alapegységei

Név SI egység Jele Pontosság

Hosszúság méter m 1*10^-11 Tömeg kilogramm kg 1*10^-8 Idő másodperc s 1*10^-14 Áramerősség amper A 3*10^-7 Hőmérséklet Kelvin K 3*10^-7 Anyagmennyiség mol n 6*10^-7 Fényintenzitás kandela cd 1*10^-4

Az SI alapegységek új definíciója-1

Az alapegységeknek két oldala van. Az egyik a definíció. A másik az alapegység megvalósítása, realizációja. Ez egyben az alapegység elsőrendű etalonja is.

A régi SI rendszernek több gyenge pontja volt. Az alapegységek definíciója és realizációja nem vált szét élesen. A hét egységből ötnek a realizáció volt a definíciója is. A definíciónak nem műveleti- nek kellene lennie, ugyanis ebben az esetben a realizáció pontosságának javításával a definíció is változna, sőt egyes természeti állandók is.

Az SI alapegységek új definíciója-2

Két alapmennyiség jellegét tekintve különbözik a többitől.

Ilyen a tömeg, amelynek 1899 óta változatlan proto- típusa volt (GrandK), valamint a kémiai anyagmennyi- ség, amelyet a mért tömegből számították.

Az amper esetében a realizáció már régóta nagyon távoli kapcsolatban volt a definícióval. A pontossága pedig

nem elégítette ki a modern elektronika igényeit (3*10^-7)

A GrandK

Az SI alapegységek új definíciója-3

A definíciók kérdését a metrológusoknak sikerült

véglegesen és egységes módon megoldani.

A 7 alapegység mindegyikét egy-egy abszolút pontosnak tekintett természeti állandóval defini-

álták. Az új definíciókat úgy állapították meg, hogy az áttérésnél (2019 május 20) az új egységek

nagysága ugyanakkora legyen, mint a régi egységekké.

Mivel az egységek definíciója abszolút pontos, a pontos-

ság a realizációk jellemzője lesz. Ezek pontosságát javítani lehet, sőt kell, de ez nem érinti a definíciókat és azok

abszolút pontosságát.

Az SI alapegységek új definíciója-4

^Δνcs az alapállapotú cézium 133 atom két hiperfinom energiaszintje közötti átmenet frekvenciája

c a fény sebessége vákuumban h a Planck állandó

e az elemi töltés

k a Boltzmann állandó NA az Avogadro szám

Kcd a spektrális fényhasznosítás értéke az 540*10¹²

Hz frekvenciájú monokromatikus sugárzás esetén

Az SI alapegységek új definíciója-5

A hét definíció teljesen hasonló. Pl. az s esetében:

Az s úgy van meghatározva, hogy az alapállapotú

cézium 133 atom két hiperfinom energiaszintje közötti átmenet frekvenciája pontosan 9 192 631 770 Hz

legyen.

Az alapegység pontos, nullabizonytalanságú. Így időben állandó. Ez nemcsak az alapegységek definíciójára igaz, hanem a belőlük származtatott egységekre is. Megszűnt az alapegység-származtatott egység megkülönböztetés.

Ennek az előnye különösen a realizációnál lesz hasznos.

Az egységek pontossága a realizációnál (etalon) fog megjelenni. Az új realizációk bevezetésének határideje 2024.

A prefixumok

prefixum jele szorzó prefixum jele szorzó atto a 10^-18 kilo L 10³

femto f 10^-15 mega M 10⁶ piko p 10^-12 giga G 10⁹ nano n 10^-9 tera T 10¹² mikro μ 10^-6 peta P 10¹⁵ milli m 10^-3 exa E 10¹⁸

Mérőberendezés általános felépítése

Jelfeldolgozás

• A jelfeldolgozásnak az a szerepe, hogy az

érzékelő kimenő elektromos jelét olyan formára hozza, amely arányos a minket érdeklő informá- cióval.

• Pl. Hőmérsékletmérés ellenállás hőmérővel:

• Jelfeldolgozás:

t) A + 1 ( R

= R

_{t o}

o o t

AR R

= R

t 

Hőmérsékletmérés analóg

jelfeldolgozással

Hőmérsékletmérés digitális

jelfeldolgozással

Távadók

• Távadás segítségével a mért értékek, jelek

nagyobb távolságra átvihetők, központi helyen összegyűjthetők, értékelhetők, tárolhatók,

lehetővé teszik a szabályozást/vezérlést.

• Analóg távadók (néhány száz méter)

• Feszültség-frekvencia konverzión alapuló távadás, telefonvonalon (visszaszorulóban)

• Digitális távadás (pl. interneten)

Valódi nullás analóg távadó

Élőnullás analóg távadó

Műszerek sztatikus és

Műszerek sztatikus és

dinamikus tulajdonságai

dinamikus tulajdonságai

Műszerek sztatikus tulajdonságai

• Mérési tartomány:

• Érzékenység:

• Integrális nemlinearitás:

max min

x

x 

max max

y ) y ( 

 

 





dx

= dy

S

Integrális nemlinearitás - 1

Integrális nemlinearitás - 2

Felbontás vagy érzékenységi küszöb

• Érzékenységi küszöb a nulla értéknél érvényes felbontás

• Felbontás zajmentes esetben:

• Felbontás zajos esetben:

min

min

Δy

S Δx  1

z

min

σ

S

= 2

Δx

Felbontás zajmentes esetben

Felbontás zajos esetben-1

Felbontás zajos esetben-2

• Zajjal borított jelnél a nem olvasható le .

• Ennek megkerülésére bevezetjük a J/Z jel-zaj viszonyt:

ahol legyen

y

min



z

ymin

Z J



 

5 z_pp

z

 



Felbontás zajos esetben-3

•A zajos jel észlelhetőségének a feltétele:

•Így

Ez a kifejezés már nem tartalmazza az ismeretlen értéket.

Z 2 J 

S x_min 2^z





ymin



Be- és kimeneti kör összehasonlítása

A bemeneti és a kimeneti kör terhelhetősége

• A bemeneti körre kapcsolható feszültség, áram- erősség és ennek megfelelő teljesítmény erősen különbözhet a kimeneti kör adataitól

• Pl. pH mérő

Bemeneti kör: impedancia 100 -1000 Gohm áramerősség néhány pA

Kimeneti kör: impedancia 10 - 100 ohm

áramerősség néhány 10 mA

Mérőműszerek dinamikus tulajdonságai

• A mérőműszert átviteli tagnak (fekete doboz) fogjuk tekinteni.

• Az x(t) bemenőjel és az y(t) kimenőjel közti kapcsolatot n-ed rendű, közönséges, állandó- együtthatójú inhomogén differenciálegyenlet írja le:

x(t)

= y(t) dt +

dy(t) a

+ ...

dt + y(t)

a d

_{n 1}

n n

Átviteli tag

Átviteli tag vizsgálata egységugrással, az időtartományban

• Egységugrás bemenőjel:

• Az átviteli tag válasza (kimenőjel) az egység- ugrás bemenőjelre az átmeneti függvény.













0 t

ha ,

0

0 t

ha ,1

)t ( x

Elsőrendű átviteli tag átmeneti függvénye

• A leggyakoribb átviteli tag elsőrendű.

A

τ

együttható az időállandó.

Az elsőrendű tag átmeneti függvénye:

x(t)

= y(t) dt +

dy(t) τ

τ) / t ( exp 1

=

y(t)  

Elsőrendű átviteli tag átmeneti

függvénye

Válaszadási idő

Az átviteli tag differenciálegyenletének általános megoldása

• A bemenő jelet és a kimenőjelet egy konvoluciós integrál kapcsolja össze:

• A g(t) az átviteli tagra jellemző készülékfüggvény



^







+

)dt' t'

)x(t g(t'

=

y(t)

Áttérés az időtartományról a frekvencia tartományra

• A konvoluciós integrál mindkét oldalát Fourier transzformálva a nehezen használható idő-

tartománybeli összefüggés helyett egy egyszerű és könnyen használhatót kapunk a frekvencia tartományban:

• G(f) az átviteli függvény, amely a készülék

függvény Fourier transzformáltja. Y(f), X(f) az y(t), x(t) matematikai spektruma.

(f) X

(f) G

= (f) Y

Szimmetrikus periódikus jelek matematikai spektruma

• Periódikus jelek matematikai spektrumát nem lehet Fourier transzformációval előállítani.

• Periódikus jelnél a matematikai spektrum

diszkrét, tulajdonképpen a Fourier sor együtt- hatói a kf_O függvényében.



^



+

= k

o s

ps(t) = H (k)cos(2πkf t) h

Szimmetrikus periódikus jel

Szimmetrikus periódikus jel

matematikai spektruma

Nemperiódikus, időben korlátozott jel matematikai spektruma

• Nemperiódikus, de időben korlátozott jel mate- matikai spektruma folytonos. Fourier transzfor- mációval lehet előállítani. Szimmetrikus esetben:



^



 +

s

s(t) = H (f)cos(2πft)df h



^



 +

s

s(f) = h (t)cos(2πft)dt H

Szimmetrikus jel és matematikai

spektruma

Aszimmetrikus jel matematikai spektruma

• Időben aszimmetrikus jel matematikai spektruma komplex.

dt ) ft j2π (

exp (t)

h

= (f) H

+



^









^H(f)



^{exp[j (f)]}

= (f)

H 

df ) tf 2 j exp(

) f ( H )

t (

h  ^



 





Aszimmetrikus jel és matematikai

spektruma

Átviteli tag átviteli függvényének kimérése

• Az átviteli függvény kimérhető olyan bemenőjel segítségével, amelynek X(f) matematikai

spektruma ismert és egyszerű, valamint az Y(f) matematikai spektrum is ismert és egyszerű, minden átviteli tag esetében.

• A bemenőjel kielégíti ezt a feltételt.

• X(f) valós, értéke 0,5 minden ±f frekvenciánál.

• A kimenőjel mindig .

• Y(f) komplex, abszolutértéke A(f).

ft]

2π [

cos

(f)]

+ ft 2π [ cos

A(f) 

Az átviteli függvény abszolutértékének

kimérése

Az átviteli függvény fázisszögének

kimérése

Sztochasztikus folyamatok és Sztochasztikus folyamatok és

a zaj

a zaj

Zaj, sztochasztikus folyamat, sztochasztikus jel

• Vannak determinisztikus és sztochasztikus

folyamatok. A determinisztikus folyamatot repro- dukálni lehet, a belőle eredő determinisztikus jel egy tűréshatáron belül szintén reprodukálódik.

A sztochasztikus folyamatot nem lehet repro- dukálni.

• A sztochasztikus folyamatot nem a jellel jelle- mezzük, hanem a jelekből meghatározható

eloszlásokkal, az idő- és a frekvenciatartomány- ban.

A sztochasztikus folyamatoknál használt egyszerűsítő feltevések

1. A sztochasztikus folyamat legyen additív.

2. Legyen ergodikus.

3. Legyen stacionárius.

4. Eloszlása az időtartományban legyen normális (Gauss).

Additív zaj

Multiplikatív zaj

Nem-ergodikus zaj

eloszlásfüggvényének becslése

Ergodikus zaj eloszlásfüggvényének

becslése

Teljesítménysűrűség spektrum

• A sztochasztikus jelek végtelen ideig tartanak, nem Fourier transzformálhatóak. A teljesítmény- sűrűség spektrummal adják meg az eloszlást a frekvenciatartományban. Az összefüggés:

amely végtelen hosszú zajmintát tartalmaz. Mi azonban csak véges hosszúságú zajmintából

tudunk számolni. Igy csak becslést kaphatunk.

(f) T Z

lim 1

S(f)

_T²

T



A becsült teljesítménysűrűség spektrum a

zajminta hosszának függvényében-1

A becsült teljesítménysűrűség spektrum a

zajminta hosszának függvényében-2

A becsült teljesítménysűrűség spektrum a

zajminta hosszának függvényében-3

Három sztochasztikus jeltípus

• 1. Fehér zaj. (Nem létezhet, a zaj teljesítménye ekkor végtelen, elméleti meggondolásoknál

használják)

• 2. Szélessávú zaj.

• 3. Flicker vagy 1/f zaj. Szűk, néhány Hz-es

tartományra korlátozódik a teljesítménye, 0 Hz környezetében.

Nehezen távolítható el.

Fehér zaj teljesítménysűrűség spektruma

Szélessávú zaj teljesítménysűrűség

spektruma

Flicker zaj teljesítménysűrűség spektruma

Determinisztikus jellegű zajok

• 1. Kisfrekvenciás interferencia zaj. Az elektroni- kából, tápegységből eredhet.

• 2. Nagyfrekvenciás interferencia zaj. Külső eredetű (TV, rádió adás, esetleg elektromos kisülések).

• 3. Impulzus zaj. Az elektromos hálózat terhe- lésének hirtelen változása okozza. A stabilizá- torok nem tudják kivédeni.

Impulzus zaj szűrése

Analóg zajcsökkentési Analóg zajcsökkentési

módszerek

módszerek

RC aluláteresztő szűrő

RC aluláteresztő szűrő átviteli függvénye

• Az átviteli függvény (elsőrendű átviteli tag) szá- mítható a kapacitancia és az eredő impedancia arányából. Az időállandót az R (ohm) és a C-ből (F) lehet számítani.

]

1

f j2π +

1 [

= (f)

G 

^

RC

= τ

 ^{G (f)}  ^{= [ 1 + 4π}

²

^τ

²

^f

²

^]

^1/2

RC aluláteresztő szűrő átviteli

függvénye

Az RC aluláteresztő szűrő sáv félértékszélessége

• Sáv félértékszélesség a zajszűrő képesség mértéke:

Az RC aluláteresztő szűrő csak szélessávú zajok csökkentésére használható, flicker zajra nem.

πτ 2

= 3

Δf

_1/2

Hőmérséklet mérése

Hőmérséklet mérése

Termodinamikai hőmérséklet

• A termodinamikai hőmérsékletet többféle módon lehet definiálni (Carnot-ciklus, statisztikus me-

chanika, stb.).

• Kisérleti megvalósítása a tökéletes gázzal töltött hőmérő.

• Pontatlanságot okoz az edény (V) hőtágulása.

R pV)

= 1

T

lim (

0

t p



Termodinamikai hőmérséklet mérése

gázhőmérővel

A termodinamikai hőmérsékleti skála

• Termodinamikai hőmérsékletet mérő hőmérő (pl. gázhőmérő) hőmérő effektusa lineárisan

függ a termodinamikai hőmérséklettől. A skála tehát egyenletes. Továbbá a hőmérő effektus nulla az abszolút nulla fokon (tökéletes gáz).

Így elég egyetlen pontot rögzíteni.

Legyen a víz hármaspontján a hőmérséklet 273,1600 K.

ITS-90

• International Temperature Scale. A gyakorlat-

ban használható hőmérsékleti skála. Nagyon jól közelíti a termodinamikai hőmérsékleti skálát.

• Két mérési módszert használ, Pt ellenállás- hőmérőt (az ezüst dermedési pontjáig) és e

fölött a fekete test sugárzásán alapuló hőmérőt.

• A hőmérőket kalibrálni kell gázhőmérővel kimért kalibrációs pontokkal, a közti értékeket interpo- lációval kapják.

Elsőrendű kalibrációs pontok az ITS90-hez

Egyensúlyi pontok t₉₀/^oC Egyensúlyi pontok t₉₀/^oC H₂ hármaspontja -259,3417 In dermedéspontja 156,5985 Ne hármaspontja -248,5939 Sn dermedéspontja 231,928 O₂ hármaspontja -218,7916 Zn dermedéspontja 419,527 Ar hármaspontja -189,2442 Al dermedéspontja 660,322 Hg hármaspontja -38,8344 Ag dermedéspontja 961,78 H₂O hármaspontja -0,1000 Au dermedéspontja 1064,18 Ga olvadáspontja 29,7646 Cu dermedéspontja 1084.62

Ipari ellenálláshőmérők

• Pt vagy Ni-ből készülnek, ellenállásuk 0 ^oC-on 100 ohm.

• A fém fajlagos ellenállása legyen nagy (méret).

• Az A együttható legyen nagy (érzékenység), B viszont kicsi (linearitás).

• A fémek tulajdonságai legyenek időben állandó- ak. A fémeket tisztán, reprodukálható tulajdon- ságokkal lehessen előállítani.

) Bt + At + 1 ( R

=

R _{t o} ²

Pt és Ni ellenálláshőmérők

karakterisztikája

Ipari hőmérők - ellenálláshőmérő

Termisztorok

• Kerámia félvezető ellenálláshőmérők.

• Ellenállásuk exponenciálisan csökken a hőmérséklettel:

Szűk tartományban használják hőmérséklet mérésre (nemlinearitás). Pl. szabályozó rend- szerekben (és orvosi lázmérőkben).



 



 

T exp c

R

= R(T)

Termisztor R(T) – T karakterisztikája

Termoelem

Termo effektus

• Seebeck effektus – termo-elektromotoros erő

• Az egyes tagok nem önálló effektusok !

) t , (t U + ) t , (t U + ) (t U

+ ) (t U

= ) t

; (t

E_{AB 2 1 AB 2 BA 1 A 1 2 B 1 2}

(t) U

= (t)

U_AB  _BA

Peltier effektus

• Ha a két különböző, A és B fémből készített termoelemben áramot keringtetünk, az erede- tileg azonos hőmérsékletű hegesztési pontok egyike lehűl, a másik pedig felmelegszik. Ez a Peltier effektus.

• A Peltier effektus meghamisítja a termoelemmel mért hőmérsékletet. A termoelem melegpontja hűlni fog, a hidegpont pedig melegedni.

• A termofeszültséget árammentes állapotban kell mérni (termo-elektromotoros erő).

Termikus rövidzár

Termikus rövidzár tétel

• Ha a termoelem körébe más fémet is beiktatunk, amely két végpontja azonos hőmérsékletű, a

termo-elektromotoros erő nem változik meg.

mivel

) t , (t U + ) t , (t U + ) (t U

+ ) (t U

+ ) (t U

= ) t

; (t

E_{AB 2 1 CA 1 AB 2 BC 1 A 1 2 B 1 2}

) (t U

= ) (t U

+ ) (t

U_{CA 1 BC 1}  _{AB 1}

Különböző termoelemek

karakterisztikája

A termoelemes hőmérsékletmérés

lehetséges elrendezései-1

A termoelemes hőmérsékletmérés

lehetséges elrendezései-2

A termoelemes hőmérsékletmérés

lehetséges elrendezései-3

A termoelemes hőmérsékletmérés

lehetséges elrendezései-4

A hidegpont kérdése

• A termoelemekkel csak hőmérséklet különbsé- geket tudunk mérni, a hidegponthoz képest. A hidegpont hőmérsékletét ismert és időben

állandó értéken kell tartani. Ez gyakran a hideg- pont hőmérsékletének a mérését is jelenti.

• Kompenzáló vezetékpár. Olyan vezetékpár, amelynek termo-elektromos tulajdonsága egy szűk, néhány tíz fokos tartományban meg-

egyezik az eredeti anyagpár (pl. PtRh-Pt) tulaj- donságával.

Ipari hőmérők - termoelem

Áramlásmérés

Áramlásmérés

Indukciós áramlásmérő

Indukciós áramlásmérő

• Elektromos vezetésű folyadékok (elektrolitok) áramlási sebességének mérésére használható.

Az első tagot (Faraday indukció) a jelfeldolgozás során eltávolítjuk. A második tag arányos az

átlagos áramlási sebességgel.

) t sin(

B v D )

t cos(

B .

konst

U

ⁱ

 

⁰

 

⁰



Örvényleválásos áramlásmérő

Örvényleválásos áramlásmérés

• A jelenség felismerése és elméleti magyarázata Kármán Tódor nevéhez fűződik.

• Az áramlásba helyezett zavarótest körül kialakult örvénysorok leválási frekvenciája arányos a

közeg áramlási sebességével.

• Mérési megoldás: pl. Wheatstone hídba kapcsolt termisztor pár.

Kármán örvények a Csendes

óceánon (NASA)

Ultrahangos áramlásmérő

Ultrahangos áramlásmérő

• Az áramlásmérő a Doppler effektust is

felhasználja. Az áramlás irányába és visszafelé küldött UH pulzus haladási ideje különböző.

• c az ultrahang sebessége az álló közegben, ez kiesik.

α sin v + c

= L t₊

α sin v c

= L

t^ 



 



 

t

1 t

1 α

2sin

= L v

+

Piezoelektromos ultrahang Piezoelektromos ultrahang

adó-vevő

adó-vevő

Piezoelektromos ultrahang adó-vevő

• Az ultrahang adó-vevő fejekben piezoelektro- mos kristály vagy polikristályos kerámia van.

• Az ipari berendezésekben ma kizárólagosan

ólom-cirkonát-titanát (PZT) kerámiát használnak.

• Ha a piezokerámia két oldalára olyan váltakozó feszültséget kapcsolnak, amelynek frekvenciája megegyezik a kerámia rezonancia frekvenciájá- val (méret), a piezokerámia rezgésbe jön.

• Ha a piezokerámiát hanghullám éri, amelynek a frekvenciája megegyezik a kerámia rezonancia frekvenciájával, a kerámia két felülete között váltakozó feszültség jelenik meg.

Piezoelektromos ultrahang adó-vevő

• A nagy akusztikus inpedanciájú piezokerámia és a levegő határán reflexió akadályozza a

rezgésnek megfelelő hanghullám kijutását a levegőbe. A reflexió annál nagyobb, minél

nagyobb a két közeg akusztikus impedanciája közti különbség.

• A Z akusztikus impedancia a közeg ρ sűrűsége és a benne terjedő hang v sebességének

szorzata. (kg.m^-2.s^-1, az angol irodalomban Rayl).

Kompozit tárcsa rezonátor adó-vevő

Kompozit tárcsa rezonátor adó-vevő

• Nem a PZT az adó-vevő fej, hanem az Al tárcsa.

• Adó üzemmódban a PZT meghajtja a tárcsát. A tárcsa rezonancia frekvenciája megegyezik a PZT-vel (méret), a hang sebességét és hullám- hosszát a tárcsában az Al szabja meg (v=λf).

• A tárcsa és a levegő közé akusztikus illesztő réteget tesznek, amely lecsökkenti a két közeg közti reflexiót. Valamilyen műanyag habot alkal- maznak, amely Z-je az Al és a levegő impedan- ciája szorzatának gyöke (közelitőleg).

Kompozit tárcsa rezonátor adó-vevő

• v[ms^-1] Z[Mrayl]

Al 6420 17,3 PZT 4000 31

Polisztirol hab 1440 0,055

Levegő 344 0,00043

• Vevő üzemmódban az Al tárcsa rezgédbe jön a hang hatására, megrezgeti a PZT kerámiát. Az elektronika észleli a felületek közti váltakozó feszültséget.

Szintmérés tartályokban

Szintmérés tartályokban

Ultrahangos szintmérés tartályokban

• A tartály legfelső pontjában UH adó-vevőt helyeznek el. Az UH pulzus a folyadék vagy szilárd tartalom felszínéről visszaverődik. A jel- adás és a jelvétel (echo) időkülönbségéből

számítják a felszín tartálybeli x magasságát.

• Az ultrahang levegőben való terjedési sebes- sége függ a nyomástól, hőmérséklettől, a

gőztérben lévő anyagok milyenségétől és koncentrációjától. Ezt figyelembe kell venni.

Kapacitív szintmérés tartályban

Kapacitiv szintmérés tartályokban

• H magasságú, x magasságig folyadékot (lehet elektrolit is, dielektrikum is) tartalmazó tartályba r sugarú rudat merítenek, amelyet R sugarú

henger vesz körbe. A rud és a henger a C kapa- citású kondenzátor két fegyverzete. A konden- zátorra RF feszültséget kapcsolnak és mérik a kapacitást.

)x]

1 (ε

+ r)[H

/ (R ln

πε

= 2

C ^o _r 

Nyomásmérés

Nyomásmérés

Piezoellenállásos nyomásmérés

• A fémek és a félvezetők ellenállása függ a nyomástól.

• Nagy nyomásokon (400–12000 bar) fém piezo- ellenállásos nyomásmérőket használnak. Az

ellenállásuk csak a nyomástól függ (a manganin ötvözet ellenállása gyakorlatilag nem függ a

hőmérséklettől).

• Kisebb nyomásokon (0-400 bar) Si egykristály- ból kivágott lapokat használnak. Nagyobb az effektus, de a hőmérséklettől is függ.

Si lapra integrált radiális és merőleges

mérőellenállás párok

A deformált Si lapban ébredő húzó és

torziós feszültségek eloszlása

A hőmérsékletfüggés csökkentése

• A félvezető ellenállások ellenállása a hőmérsék- let növelésével exponenciálisan növekszik.

• A termisztorok ellenállása a hőmérséklet növe- lésével exponenciálisan csökken.

• A félvezető ellenállásokkal válogatott termiszto- rokat sorba kapcsolva a Wheatstone hidas érzé- kelő hőmérsékletfüggése széles tartományban elhanyagolhatóvá tehető.

• Ezt maga a Wheatstone hidas kapcsolás is segíti.

Hőmérsékletkompenzált

piezoellenállásos nyomásmérő híd

Súlymérés nyúlásmérő Súlymérés nyúlásmérő

bélyeggel

bélyeggel

Nyúlásmérő bélyeg

Súlymérés nyúlásmérő bélyeggel

• Alkalmas tartályokban lévő folyadékok súlyának folyamatos mérésére. A bélyeget a teli tartály lábára ragasztják úgy, hogy a tartály ürülésekor a bélyeg aktív ellenállása nyúljon meg. Az aktív és a kompenzáló ellenállást Wheatstone hídba kapcsolják. A kibillenés arányos a súlycsökke- nésel. A hídkapcsolás a hőmérsékletváltozás hatását széles tartományban kiejti.

Paramágneses és Paramágneses és termomágneses O

termomágneses O ^{2 2} mérők mérők

Gázok mágneses tulajdonságai

• A diamágneses gázmolekuláknak nincs állandó mágneses dipólusmomentumuk. A paramág-

neseseknek van.

• Homogén mágneses térben a mágneses dipó- lusok igyekeznek beállni a tér irányába (forgató- nyomaték), ez ellen hat a hőmozgás.

• Inhomogén mágneses térben erő is hat a dipó- lusokra.

H χ

=

M _v 

Inhomogén mágneses tér

megvalósítása

Mágneses dipólus inhomogén mágneses térben

• Inhomogén mágneses térben a mágneses di-

pólusra erő hat, amely arányos a dipólussal és a mágneses indukcióstér inhomogenitásával.

• Célszerübb az egységnyi térfogatra vonatkozó kifejezést használni.

)]

r ( B Grad[

m

= ) r (

F    

)]

r ( B )Grad[

r ( B χ

μ

= ) r (

F_v  _{o v}    

Paramágneses oxigénkoncentráció

mérő (Servomex)

Termomágneses effektus

• A termomágneses gázérzékelők a

paramágneses effektus mellett a termo- mágneses effektust is felhasználják.

• A diamágneses gázmolekulák térfogati szuszceptibilitása ( ) független a

hőmérséklettől. A paramágneses gáz- molekuláké viszont fordítva arányos T- vel.

• Mágneses szél.

χ

v

Termomágneses oxigénkoncentráció

mérő (Magnos 2)

Nemdiszperziós és szűrős Nemdiszperziós és szűrős infravörös gázkoncentráció infravörös gázkoncentráció

mérők mérők



Szén-monoxid forgási-rezgési

spektruma kis- és nagynyomáson

NDIR gázkoncentráció mérő Luft

detektorral

A zavarógázok hatásának eltávolítása

Interferencia szűrő szén-monoxidhoz

5 szűrős gázkoncentráció mérő kimenő

jele

White típusú gázküvetta

Galvánelemes gázszenzorok Galvánelemes gázszenzorok



Galvánelemes gázszenzor

• ZrO₂ gázszenzor oxigént mér, tökéletesen sze- lektív. A ZrO₂ kerámia magas hőmérsékleten (600-900 ^oC) ionosan oldja az oxigént és elek- trolitként viselkedik. A galvánelem elektro-

motoros ereje követi a Nerst összefüggést.

Cirkónium-oxid oxigén szenzor

DO mérő galván cella

Galvánelemes oldott O

₂

(DO) mérő

• A cellában kisméretű Pt vagy szén elektród a katód. A nagyfelületű anód Pb. A cella elektród- jai csak gázok által átjárható vékony membrán- on (teflon, polipropilén) keresztül érintkeznek a vizsgálandó folyadékkal. A cella belsejében

kocsonyásított elektrolit van.

• Az oxigén a katódon redukálódik.

Katód O₂ + 2H₂O + 4e^- → 4OH^-

Anód 2Pb → 2Pb²⁺ + 4e^-

A cella jele a redukálódó O₂ mennyiségétől függ.

Időnként kalibrálni kell.

Voltametriás (amperometriás) Voltametriás (amperometriás)

gázszenzorok gázszenzorok



Voltametriás gázszenzor (eCOlyzer)

1 ppm CO-val egyenértékű zavarógáz (ppm)

CH₄ 10000 NO₂ 12,0 NH₃ 1000 C₃H₈ 5,0

SO₂ 500 NO 1,5

H₂ 48 C₂H₄ 0,5

H₂S 30 C₂H₂ 0,3

A keresztérzékenység

• Az amperometriás gázszenzorok nem elég sze- lektívek. Több szenzort sorba kapcsolunk és mérjük a szenzorok áramát. Az érzékenységek és a keresztérzékenységek ismeretében a

koncentrációk számíthatók.

4 3 2 1

4 44 3

43 2

42 1

41

4 34 3

33 2

32 1

31

4 24 3

23 2

22 1

21

4 14 3

13 2

12 1

11

I

= I

= I

= I

=

c a + c

a + c

a + c

a

c a + c

a + c

a + c

a

c a + c

a + c

a + c

a

c a + c

a + c

a + c

a

Clark elektród oldott O

₂

(DO) méréséhez

Voltametriás Clark elektród oldott O

₂

(DO) méréséhez-1

• Az O₂ elektrokémiai redukcióján alapszik a Clark oxigén elektród.

^{Katód O}2 + 2H₂O + 4e^- → 4HO^-

Anód 4Ag+4Cl^- → 2AgCl+4e^-

A meghatározáshoz a Pt katód felületén egy

vékony (~10μm) oldat filmet alakítanak ki, amit a mérendő folyadéktól csak a gázok számára átjárható vékony membrán választ el (teflon, polipropilén). A membránon a mérést zavaró nehézfém ionok nem jutnak át, így a redukciós potenciál tartományban (-0,6 V) kialakuló

Clark elektród oldott O

₂

(DO) méréséhez-2

áramintenzitás és az O₂ koncentráció között arányos kapcsolat van. Az anód Ag.

Ez a mérőelektród rögzített, stabilizált külső feszültséget igényel (amperometria) és ezért referencia elektród is szükséges.

Légnedvesség mérése

Légnedvesség mérése

Gázok nedvességtartalmának mérése

• 1. Relatív nedvességtartalmat (φ) mérünk és hőmérsékletet (t).

• 2. Harmatpontot mérünk (τ) és hőmérsékletet (t).

A levegő abszolút nedvességtartalma és a hő- mérséklet közti összefüggés táblázatosan

ismert.

Automatikus harmatpontmérő

A hőmérséklet és a nedvességtartalom összefüggése

t [^oC] f’(t) [g/m³] t [^oC] f’(t) [g/m³]

0 4,8 16 13,6

2 5,6 18 15,4

4 6,4 20 17,3

6 7,3 22 19,4

8 8,3 24 21,8

10 9,4 26 24,4

12 10,7 28 27,2

14 12,1 30 30,3

Relatív nedvességtartalom a mért harmatpontból

• Legyen a mért harmatpont 12 ^oC és a levegő hőmérséklete 22 ^oC.

• A harmatponton a levegő telítve van, az abszolút nedvességtartalma 10,7 g/m³.

• A levegő hőmérsékletén az abszolút nedvességtartalomnak 19,4 g/m³-nek kellene lennie.

• φ(%)=10,7*100/19,4=55,2 %

Kapacitiv légnedvesség szenzor

pH mérés ipari pH mérés ipari

körülmények között

körülmények között

Feszültségkövető (follower) műveleti

erősítő kapcsolás

Feszültségkövető (follower) kapcsolás

• A kimenet teljes egészében vissza van csatolva az invertáló bemenetre (U_be-=U_ki és U_be+=U_x).

Legyen U_x = 1000 mV, A pedig 10⁴. Ekkor U_ki= 999,90 mV.

A + 1

= AU U_ki ^x

) U

A(U

=

U_{ki be+}  _be

pH mérő és a műveleti erősítő

• A pH mérőknél FET bemenetű műveleti erősítő- ket alkalmaznak.

• Így nagyon nagy a bemeneti impedancia és kicsi a bemeneti áram (néhány pA).

Az ipari pH mérés három problémája

• 1. A fém csövekben vagy tartályokban az elektrolit le van földelve.

• 2. Az elektrolit hőmérséklete széles tartomány- ban változhat.

• 3. A mérendő pH-jú elektrolit szennyezéseket tartalmazhat, amelyek lerakódnak az elektródok- ra.

A kettős földelés hatása a pH mérésre

Virtuális föld

Földfüggetlen pH mérés instrumentális

erősítővel

Földfüggetlen pH mérés instrumentális erősítővel

• Instrumentális vagy műszer erősítő: ez egy különbségképző (differencia) erősítő nagy bemeneti ellenállással (FET bemenet).

• A kimeneti feszültség a két bemeneti feszültség különbségével arányos

tehát esetünkben a két elektród potenciáljának a különbségével.

) U R (U

2R +

= R

U _{1 2}

1 2

ki 1 

pH hőmérséklet függése

pH automatikus hőmérséklet

korrekciója

A pH automatikus hőmérséklet korrekciója

• Az adott kapcsolásban a végerősítő kimeneti pontja (U_ki) és a virtuális föld között két ellen-

állásból álló osztólánc van. Az egyik ellenállás a hőmérséklet független R_s ellenállás, a másik az elektrolitba merülő Ni ellenállás hőmérő(R_t ). Az R_s-R_t közös pont a referencia elektródhoz van kötve. Ennek az elektród potenciálja így U_T lesz.

t s

ki T t

R + R

U

= R U

Önmagát tisztító pH elektród

(Servomex)

ISFET szenzor pH mérésre

• Egyes területeken (pl. élelmiszeripar) el kell kerülni az üvegelektródot, amely eltörhet.

• Az ISFET szenzor olyan FET tranzisztor, amely- nek a gate-je ion érzékeny (IS). Ezt a gate-et borítja az az elektrolit, amely pH-ját akarjuk

mérni. Az elektrolitba merül a referencia elektród is. A gate és a referencia elektród közti potenciál különbség pH függő. Ez határozza meg a

nagyon kis gate áramot, amely viszont szabá- lyozza a nagy drain-source áramot.

ISFET szenzor

Áramlásos cito-fluorimetria

Áramlásos cito-fluorimetria

Áramlásos cito-fluorimetria

• Mérési eljárás, amellyel folyadékáramban szuszpendált részecskék, pl. sejtek, egyedi

fizikai, kémiai, biokémiai, biológiai tulajdonságait lehet meghatározni.

• A sejtek fényszórását és fluoreszcenciáját hasz- nálja fel. Több ezer sejt egyedi tulajdonságát

tudja másodpercenként meghatározni, majd feldolgozni.

Áramlásos cito-fluoriméter

Áramlásos cito-fluoriméter-1

• A folyadékban szuszpendált sejtek laminárisan áramlanak át egy kapillárison úgy, hogy az

elemző térfogatban mindig csak egy sejt

tartozkodik. A kapillárisra merőlegesen lézer fénysugár halad át az elemző térfogaton. A

fénysugár szóródik a sejten és abszorbeálódik is, ami fluoreszcens fény emisszióját eredmé- nyezheti.

• Több, különböző hullámhosszú lézert is beépí- tenek a készülékbe.

Áramlásos cito-fluoriméter-2

• A lézer sugár irányában kisszögű szórt fényt mér az FSC detektor (Forward SCatter) úgy, hogy a detektorra eső direkt fénysugarat egy lap elta- karja (obscuration bar).

• A lézer sugárra merőleges irányban fényosztók (dichroic mirror) vannak. A fényosztók mind-

egyikének van egy saját hullámhossz értéke, aminél kisebb hullámhosszú fényt nagymérték- ben reflektálja (R>90%), viszont ennél nagyobb hullámhosszúakat nagymértékben átengedi.

Fényosztó reflexiója

Áramlásos cito-fluoriméter-3

• Az első fényosztó reflektálja a nagyszögű szórt fényt, amelyet az SSC detektor mér (Side

SCatter).

• A második fényosztóra a teljes fluoreszcens

spektrum jut. Ebből a fényosztó a kék tartományt reflektálja a PM-1 detektorra, amely előtt még

egy megfelelő sávszűrő is van. A harmadik

fényosztóra a fluoreszcens spektrum maradéka jut, amelyből a zöld tartományt reflektálja a PM-2 detektorra. És így tovább. 15-20 fényosztót és

detektort is használnak.

Fotoelektron-sokszorozó (PM) elvi

felépítése

Fluoreszcencia Jablonski diagramja

Fluoreszcencia-1

• A fluoreszcencia lényege látható a Jablonski diagramon. A molekula alapállapotában az

elektronok spinjei párosítottak, szingulett állapot.

Foton abszorbció hatására az egyik elektron a gerjesztett elektronállapot valamelyik magasabb vibrációs szintjére kerül, ami szintén szingulett állapot. Nagyon rövid idő alatt a elektron su-

gárzásmentes átmenettel a gerjesztett elektron- állapot vibrációs alapállapotába kerül. Ez a

vibrációs relaxáció (VR).

Fluoreszcencia-2

• A gerjesztett elektronállapotból a rendszer alap- állapotba kerülhet sugárzásmentes átmenettel (IC), valamint az elektron alapállapot valamelyik magasabb vibrációs szintjére foton emisszióval, sugárzásos átmenettel. Fluoreszcencia spekt- rumot akkor észlelük, ha a sugárzásos átmenet megfelelően nagy az IC-hez képest.

• Ha alap- és gerjesztett elektronállapotban a

rezgési szintek eléggé hasonlítanak egymásra, az abszorbciós spektrum és a fluoreszcencia

spektrum egymás tükörképe. Az intenzitásokban lehetnek különbségek.

Az abszorbciós és a fluoreszcencia

spektrumok tükörszimmetriája

SSC-FSC korrelációs diagram (példa1)

• A kisszögű szórás (FSC) a sejt térfogatával függ össze.

• A nagyszögű szórás (SSC) a sejt összetett- ségétől függ, így pl. a sejtmag alakjától, a

sejtplazmában lévő granulátumoktól, a membrán egyenetlenségétől. Az SSC fény a sejt belső

összetevőin szóródott.

• Az SSC és az FSC közti korrelációs diagramon foltok határolhatók körül (kapuzás). Az adott

kapuba eső sejtek megfelelnek valamilyen sejt- típusnak (itt limfocita, monocita, stb). Ezeknek a sejteknek az adatait a program külön kezeli.

SSC – FSC korrelációs diagram

Fluorofor jelzési technika egyik alkalmazása (példa2)

• A legtöbb molekula nem mutat észlelhető fluo- reszcenciát. De vannak erősen fluoreszkáló, úgynevezett fluorofor (vagy fluorokróm) mole- kulák, amelyek biopolimerekhez kapcsolhatók (pl. fluoreszcein).

• Ezt használja ki a fluoreszcens immunocito- kémia. Humán CD (Cluster of Differentiation) antitestekkel azonosítják a sejtfelszínen lévő megfelelő antigént. Pl. a T-limfocitát a CD3

antigénen keresztül mutatják ki, olyan anti CD3 segítségével, amelyhez fluorofor molekulát kap- csolnak közvetlenül vagy közvetve.

Fluorofor jelzési technika egy

alkalmazása

Sejtek osztályozása (FACS) (példa3)

• Lehetséges a sejtek szétválasztása és osztályo- zása fluoreszcens tulajdonságaik alapján. Ez a Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS), ami egy kiegészítő szolgáltatása a berendezésnek.

• A cito-fluoriméter elemző térfogata után egy piezoelektromos kristály rezgése cseppekre

bontja a szuszpenziót. Egy cseppben legfeljebb egy sejt van. A mért fluorescens jelek alapján a cseppet pozitív vagy negatív töltéssel töltik fel. A cseppeket egy elektrosztatikus eltéritő rendszer- en vezetik át, ami a töltésüknek megfelelően

szétválogatja a cseppeket.