Transcript Méréstechnika13

Méréstechnika
2013
Vegyipari méréstechnika
• Elsősorban az üzemben, az üzemmenet ellenőrzésénél használatos olyan mérési módszerekkel és műszerekkel fogunk foglalkozni, amelyek
folyamatosan mérnek és a mérendő mennyiséget 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 rögzit.
Az eltérést kell mérni, hogy gyorsan be
lehessen avatkozni (szabályozás).
Célműszereket használnak.
Mérések gyakorisága a vegyiparban
Hőmérséklet mérés
Térfogat- és tömegáram mérés
Nyomás és nyomáskülönbség mérése
Szintmérés
Térfogat- és súlymérés
Idő mérése
Kémiai összetétel mérése
Más változók mérése
50 %
15 %
10 %
6%
5%
4%
4%
6%
100 %
A mérés
A mérés definiciója
• A méréssel a mérendő mennyiséghez egy, a
választott mértékegységben (pl. SI) kifejezett
számértéket, mérőszámot rendelünk.
Mérendő mennyiség
↓
(Mérés)
↓
mérőszám + mértékegység
Az SI alapegységei
Név
SI egység
Jele
Elfogadás
Pontosság
Hosszúság
méter
m
1983
1*10-11
Tömeg
kilogramm
kg
1899
1*10-8
Idő
másodperc
s
1967
1*10-14
Áramerősség
amper
A
1946
3*10-7
Hőmérséklet
Kelvin
K
1967
3*10-7
Anyagmennyiség
mol
n
1967
6*10-7
Fényintenzitás
kandela
cd
1983
1*10-4
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
A mérési megoldások csoportosítása
1. Egyszerű mérés (pl. feszültség)
Összetett mérés (pl. semlegesítési entalpiaváltozás)
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 mérőberendezés elhagyagolható mértékben zavarja
meg a mérendő rendszert.
• Aktív mérésnél ismert jellel megzavarjuk a mérendő 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.
termoellenállás).
Mérőberendezés általános felépítése
Jelfeldolgozás
• A jelfeldolgozásnak az a szerepe, hogy az
érzékelő kimenő elektromos jelét olyan formára
hozza, amely arányos a minket érdeklő információval.
• Pl. Hőmérsékletmérés ellenállás hőmérővel:
R t  R o (1  A t)
• Jelfeldolgozás:
t
R t R o
AR o
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 és élőnullás analóg
távadó
Műszerek sztatikus és
dinamikus tulajdonságai
Műszerek sztatikus tulajdonságai
• Mérési tartomány:
• Érzékenység:
• Integrális nemlinearitás:
x min  x max
 dy 
S

 dx 
(y ) max
y max
Integrális nemlinearitás - 1
Integrális nemlinearitás - 2
Felbontás vagy érzékenységi küszöb
• Érzékenységi küszöb a nulla értéknél érvényes
felbontás
• Felbontás zajmentes esetben: x min  S1 y min
• Felbontás zajos esetben:
x min  2  z
S
Felbontás zajmentes és zajos esetben
Be- és kimeneti kör összehasonlítása
A bemeneti és a kimeneti kör
terhelhetősége
• A bemeneti körre kapcsolható feszültség, áramerősség 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, állandóegyütthatójú inhomogén differenciálegyenlet
írja le:
d n y( t )
dy( t )
an
 ...  a1
 y( t )  x ( t )
dt
dt n
Átviteli tag
Átviteli tag vizsgálata egységugrással,
az időtartományban
• Egységugrás bemenőjel:
x(t)
1, ha t  0


0, ha t  0

• Az átviteli tag válasza (kimenőjel) az egységugrás jelre az átmeneti függvény.
Elsőrendű átviteli tag átmeneti
függvénye
• A leggyakoribb átviteli tag elsőrendű.
dy ( t )

 y( t )  x ( t )
dt
A τ együttható az időállandó.
Az elsőrendű tag átmeneti függvénye:
y(t )  1  exp(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:

y( t ) 
 g(t' )x(t  t ' )dt '

• A g(t) az átviteli tagra jellemző készülékfüggvény
Áttérés az időtartományról a frekvencia
tartományra
• A konvoluciós integrál mindkét oldalát Fourier
transzformálva a nehezen használható időtartománybeli összefüggés helyett egy egyszerű
és könnyen használhatót kapunk a frekvencia
tartományban:
Y(f )  G(f )X(f )
• G(f) az átviteli függvény, amely a készülék
függvény Fourier transzformáltja. Y(f), X(f) az
y(t) és az x(t) Fourier transzformáltjai.
Periódikus jelek matematikai
spektruma
• Az időtartománybeli jel Fourier transzformáltját
matematikai spektrumnak nevezik.
• Periódikus jelnél a matematikai spektrum
diszkrét, tulajdonképpen a Fourier sor együtthatói a kfo függvényében.
h ps ( t ) 

 H s (k) cos(2kfo t )
k  
Periódikus jel és matematikai
spektruma
Nemperiódikus, időben korlátozott jel
matematikai spektruma
• Nemperiódikus, de időben korlátozott jel
matematikai spektruma folytonos. Fourier
transzformációval lehet előállítani.

h s (t) 
 H s (f ) cos(2ft)df


H s (f ) 
 h s (t ) cos(2ft)dt

Szimmetrikus jel és matematikai
spektruma
Aszimmetrikus jel matematikai spektruma
• Időben aszimmetrikus jel matematikai spektruma
komplex.

h(t ) 
 H(f ) exp( j2ft)df


H(f ) 
 h(t) exp(j2ft)dt

H(f )  H(f ) exp[j(f )]
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 cos[2ft] bemenőjel kielégíti ezt a feltételt.
• X(f) valós, értéke 0,5 minden ±f frekvenciánál.
• A kimenőjel mindig A( f ) cos[2f t  ( f )] .
• Y(f) komplex, abszolutértéke A(f).
Az átviteli függvény abszolutértékének
kimérése
Az átviteli függvény fázisszögének
kimérése
Sztochasztikus folyamatok és
a zaj
Zaj, sztochasztikus folyamat,
sztochasztikus jel
• Vannak determinisztikus és sztochasztikus
folyamatok. A determinisztikus folyamatot reprodukálni lehet, a belőle eredő determinisztikus jel
egy tűréshatáron belül szintén reprodukálódik. A
sztochasztikus folyamatot nem lehet reprodukálni.
• A sztochasztikus folyamatot nem a jellel jellemezzük, hanem a jelekből meghatározható
eloszlásokkal, az idő- és a frekvenciatartományban.
Autokorrelációs függvény
• Ismeretlen eredetű jelekről az autokorrelációs
függvényük segítségével megállapítható, hogy
determinisztikusak vagy sztochasztikusak.
T
1
R gg ()  lim
g T ( t )g T (t  )dt

T  T
0
• A τ a jelnek önmagához képest mért időeltolódását méri.
Sztochasztikus és determinisztikus jel
autokorrelációs függvénye
A sztochasztikus folyamatoknál
használt egyszerűsítő feltevések
1.
2.
3.
4.
A sztochasztikus folyamat legyen additív.
Legyen ergodikus.
Legyen stacionárius.
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 teljesítménysűrűség spektrummal adják meg az eloszlást a
frekvenciatartományban. Amely
1 2
S(f )  lim Z T (f )
T  T
• Vagy a Wiener-Hincsin tételel:

S(f )   R zz () cos(2f)d

A becsült teljesítménysűrűség spektrum a
zajminta hosszának függvényében
Három sztochasztikus jeltípus
• 1. Fehér zaj. (Nem létezhet, a zaj teljesítménye
végtelen, elméleti meggondolásoknál használják)
• 2. Szélessávú zaj.
• 3. Flicker vagy 1/f zaj. Szűk, néhány Hz-es
tartományra korlátozódik a teljesitménye, 0 Hz
környezetében.
Nehezen távolítható el.
Zajtípusok teljesítménysűrűség spektruma
és autokorrelációs függvénye
Determinisztikus jellegű zajok
• 1. Kisfrekvenciás interferencia zaj. Az elektronikából, tápegységből eredhet.
• 2. Nagyfrekvenciás interferencia zaj. Külső
eredetü (TV, rádió adás, esetleg elektromos
kisülések).
• 3. Impulzus zaj. Az elektromos hálózat terhelésének hirtelen változása okozza. A stabilizátorok nem tudják kivédeni.
Impulzus zaj szűrése
RC aluláteresztő szűrő
RC aluláteresztő szűrő átviteli függvénye
• Az átviteli függvény (elsőrendű átviteli tag) számítható a kapacitancia és az eredő impedancia
arányából. Az időállandót az R (ohm) és a C-ből
(F) lehet számítani.
G(f )  [1  j2f ]1
  RC
2 2 2 1 / 2
G(f )  [1  4  f ]
RC aluláteresztő szűrő átviteli
függvénye
Az RC aluláteresztő szűrő sáv
félértékszélessége
• Sáv félértékszélesség a zajszűrő képesség
mértéke:
3
f1 / 2 
2
• Az RC aluláteresztő szűrő csak szélessávú
zajok csökkentésére használható, flicker zajra
nem.
Hőmérséklet mérése
Termodinamikai hőmérséklet
• A termodinamikai hőmérsékletet többféle módon
lehet definiálni (Carnot-ciklus, statisztikus mechanika, stb.).
• Kisérleti megvalósítása a tökéletes gázzal töltött
hőmérő.
1
Tt 
lim (pV)
R p0
• Pontatlanságot okoz az edény (V) hőtágulása.
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 interpolációval 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.
R t  R o (1  At  Bt 2 )
• A fém fajlagos ellenállása legyen nagy (méret).
• A A együttható legyen nagy (érzékenység), B
viszont kicsi (linearitás).
• A fémek tulajdonságai legyenek időben állandóak. A fémeket tisztán, reprodukálható tulajdonságokkal lehessen előállítani.
Pt és Ni ellenálláshőmérők
karakterisztikája
Termisztorok
• Kerámia félvezető ellenálláshőmérők.
• Ellenállásuk exponenciálisan csökken a
hőmérséklettel:
c
R (T)  R  exp 
T
• Szűk tartományban használják hőmérséklet
mérésre (nemlinearitás). Pl. szabályozó rendszerekben (és orvosi lázmérőkben).
Termisztor R(T) – T karakterisztikája
Termoelem
Termo effektus
• Seebeck effektus – termo-elektromotoros erő
EAB(t 2; t1)  UAB(t 2 )  UBA (t1)  UA (t1, t 2 )  UB (t1, t 2 )
U AB(t )  U BA (t )
• Az egyes tagok nem önálló effektusok !
Peltier effektus
• Ha a két különböző, A és B fémből készített
termoelemben áramot keringtetünk, az eredetileg 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
fog hűlni, 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.
EAB(t 2; t1)  UCA (t1)  UAB(t 2 )  UBC(t1)  UA (t1, t 2 )  UB (t1, t 2 )
mivel
UCA (t1 )  U BC (t1 )  U AB(t1 )
Különböző termoelemek
karakterisztikája
A termoelemes hőmérsékletmérés
lehetséges elrendezései
A hidegpont kérdése
• A termoelemekkel csak hőmérséklet különbségeket tudunk mérni, a hidegponthoz képest. A
hidegpont hőmérsékletét ismert és időben
állandó értéken kell tartani. Ez gyakran a hidegpont hőmérsékletének a mérését is jelenti.
• Kompenzáló vezetékpár. Olyan vezetékpár,
amelynek termoelektromos tulajdonsága egy
szűk, néhány tiz fokos tartományban megegyezik az eredeti anyagpár (pl. PtRh-Pt) tulajdonságával.
Ipari hőmérők - ellenálláshőmérő
Ipari hőmérők - termoelem
Áramlásmérés
Indukciós áramlásmérő
Indukciós áramlásmérő
• Elektromos vezetésű folyadékok (elektrolitok)
áramlási sebességének mérésére használható.
Ui  konst Bo cos(t )  DvBo sin(t )
• Az első tagot (Faraday indukció) a jelfeldolgozás
során eltávolítjuk. A második tag arányos az
átlagos áramlási sebességgel.
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.
L
t 
c  v sin 
L
t 
c  v sin 
L 1 1
  
v
2 sin   t  t  
• c az ultrahang sebessége az álló közegben.
Piezoelektromos ultrahang
adó-vevő
Piezoelektromos ultrahang adó-vevő
• Az ultrahang adó-vevő fejekben piezoelektromos 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 frekvenciájával (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 meg 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 hullámhosszát 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 alkalmaznak, amely Z-je az Al és a levegő impedanciája szorzatának gyöke.
Kompozit tárcsa rezonátor adó-vevő
•
v[ms-1]
Al
6420
PZT
4000
Polisztirol hab 1440
Levegő
344
Z[Mrayl]
17,3
31
0,055
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
Ultrahangos szintmérés tartályokban
• A tartály legfelső pontjában UH adó-vevőt
helyeznek el. Az UH pulzus a folyadék vagy
szilárd tartalom felszínéről visszaverődik. A jeladás és a jelvétel (echo) időkülönbségéből
számítják a felszín tartálybeli x magasságát.
• Az ultrahang levegőben való terjedési sebessége 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 kapacitású kondenzátor két fegyverzete. A kondenzátorra RF feszültséget kapcsolnak és mérik a
kapacitást.
2o
C
[H  ( r  1) x ]
ln(R / r )
Nyomásmérés
Piezoellenállásos nyomásmérés
• A fémek és a félvezetők ellenállása függ a
nyomástól.
• Nagy nyomásokon (400–12000 bar) fém piezoellenállásos nyomásmérőket használnak. Az
ellenállásuk gyakorlatilag csak a nyomástól függ
(manganin).
• Kisebb nyomásokon (0-400 bar) Si egykristályból 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 hőmérséklet növelésével exponenciálisan növekszik.
• A termisztorok ellenállása a hőmérséklet növelésével exponenciálisan csökken.
• A félvezető ellenállásokkal válogatott termisztorokat sorba kapcsolva a Wheatstone hidas érzékelő hőmérsékletfüggése széles tartományban
elhanyagolhatóvá tehető.
• A Wheatstone hidas kapcsolás is ezt segíti elő.
Hőmérsékletkompenzált
piezoellenállásos nyomásmérő híd
Súlymérés nyúlásmérő
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 súlycsökkenésel. A hídkapcsolás a hőmérsékletváltozás
hatását széles tartományban kiejti.
Gázérzékelök
Gázok mágneses tulajdonságai
• A diamágneses gázmolekuláknak nincs állandó
mágneses dipólusmomentumuk. A paramágneseseknek van.
• Homogén mágneses térben a mágneses dipólusok igyekeznek beállni a tér irányába (forgatónyomaték), ez ellen hat a hőmozgás.


M  vH
• Inhomogén mágneses térben erő is hat a dipólusokra.
Inhomogén mágneses tér
Inhomogén mágneses tér
megvalósítása
Mágneses dipólus inhomogén
mágneses térben
• Inhomogén mágneses térben a mágneses dipólusra erő hat, amely arányos a dipólussal és a
mágneses indukcióstér inhomogenitásával.
 
 

F( r )  mGrad[B( r )]
• Célszerübb az egységnyi térfogatra vonatkozó
kifejezést használni.
 
 
 
Fv ( r )   o  v B( r )Grad[B( r )]
Paramágneses oxigénkoncentráció
mérő (Servomex)
Termomágneses effektus
• A termomágneses gázérzékelők a
paramágneses effektus mellett a termomágneses effektust is felhasználják.
• A diamágneses gázmolekulák térfogati
szuszceptibilitása (  v ) független a
hőmérséklettől. A paramágneses gázmolekuláké viszont fordítva arányos Tvel.
• Mágneses szél.
Termomágneses oxigénkoncentráció
mérő (Magnos 2)
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 gázszenzor
• ZrO2 gázszenzor oxigént mér, tökéletesen szelektív. A ZrO2 kerámia magas hőmérsékleten
(600-900 oC) ionosan oldja az oxigént és elektrolitként viselkedik. A galvánelem elektromotoros ereje követi a Nerst összefüggést.
Cirkónium-oxid oxigén szenzor
Cirkónium-oxid oxigén szenzor
Galvánelemes oldott O2 (DO) mérő
• A cellában kisméretű Pt vagy szén elektród a
katód. A nagyfelületű anód Pb. A cella elektródjai csak gázok által átjárható vékony membránon (teflon, polipropilén) keresztül érintkeznek a
vizsgálandó folyadékkal. A cella belsejében
kocsonyásított elektrolit van.
• Az oxigén a katódon redukálódik.
Katód
O2 + 2H2O + 4e- → 4OHAnód
2Pb
→ 2Pb2+ + 4eA cella jele a redukálódó O2 mennyiségétől függ.
Időnként kalibrálni kell.
DO mérő galván cella
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
• A polarográfiás gázszenzorok nem elég szelektívek. Több szenzort az áramlás szempontjából
sorba kapcsolunk és mérjük a polarográfiás áramokat. Az érzékenységek és a keresztérzékenységek ismeretében a koncentrációk számíthatók.
a11c1
a 21c1
a 31c1
a 41c1
 a12c 2  a13c 3  a14c 4
 a 22c 2  a 23c 3  a 24c 4
 a 32c 2  a 33c 3  a 34c 4
 a 42c 2  a 43c 3  a 44c 4
 I1
 I2
 I3
 I4
Voltametriás Clark elektród oldott O2
(DO) méréséhez
• Az O2 elektrokémiai redukcióján alapszik a Clark
oxigén elektród.
Katód
O2 + 2H2O + 4e- → 4HOAnód
4Ag+4Cl→ 2AgCl+4eA 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 O2 (DO)
méréséhez
áramintenzitás és az
O2 koncentráció között arányos kapcsolat van. Az anód Ag.
Ez a mérőelektród
rögzített, stabilizált
külső feszültséget
igényel (amperometria, referencia
elektród).
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 hőmérséklet közti összefüggés táblázatosan
ismert.
Automatikus harmatpontmérő
A hőmérséklet és a nedvességtartalom
összefüggése
t [oC] f’(t) [g/m3]
0
4,8
2
5,6
4
6,4
6
7,3
8
8,3
10
9,4
12
10,7
14
12,1
t [oC]
16
18
20
22
24
26
28
30
f’(t) [g/m3]
13,6
15,4
17,3
19,4
21,8
24,4
27,2
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
körülmények között
Feszültségkövető (follower) műveleti
erősítő kapcsolás
Feszültségkövető (follower) kapcsolás
U ki  A(U be  U be )
• A kimenet teljes egészében vissza van csatolva
az invertáló bemenetre (Ube-=Uki és Ube+=Ux).
AU x
U ki 
1 A
Legyen Ux = 1000 mV, A pedig 104.
Ekkor Uki= 999,90 mV.
pH mérő és a műveleti erősítő
• A pH mérőknél FET bemenetű műveleti erősítőket 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 tartományban változhat.
• 3. A mérendő pH-jú elektrolit szennyezéseket
tartalmazhat, amelyek lerakódnak az elektródokra.
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
R 1  2R 2
U ki 
( U1  U 2 )
R1
tehát a két elektród potenciáljának a különbségével.
pH hőmérséklet függése
pH automatikus hőmérséklet
korrekciója
A pH automatikus hőmérséklet
korrekciója
• Az adott kapcsolásban a végerősítő kimeneti
pontja (Uki ) és a virtuális föld között két ellenállásból álló osztólánc van. Az egyik ellenállás a
hőmérséklet független Rs ellenállás, a másik az
elektrolitba merülő Rt Ni ellenállás hőmérő. Az
Rs-Rt közös pont a referencia elektródhoz van
kötve. Ennek az elektród potenciálja így UT lesz.
R t U ki
UT 
Rs  R t
Önmagát tisztító pH elektród
(Servomex)
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, amelynek 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 szabályozza a nagy drain-source áramot.
ISFET szenzor
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 használja 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
tartozkódik. A kapillárisra merőlegesen lézer
fénysugár halad át az elemző térfogaton. A
fénysugár szóródik a sejten és abszorbeálódik
is, ami fluoreszcens fény kibocsájtását eredményezheti.
• Több, különböző hullámhosszú lézert is beépítenek 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 kitakarja (obscuration bar).
• A lézer sugárra merőleges irányban fényosztók
(dichroic mirror) vannak. A fényosztók mindegyikének van egy saját hullámhossz értéke,
aminél kisebb hullámhosszú fényt nagymértékben reflektálja (90%), viszont ennél nagyobb
hullámhosszúakat nagymértékben átengedi
(90%).
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 elött 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 sugárzásmentes átmenettel a gerjesztett elektronállapot vibrációs alapállapotába kerül. Ez a
vibrációs relaxáció (VR).
Fluoreszcencia-2
• A gerjesztett elektronállapotból a rendszer alapállapotba kerülhet sugárzásmentes átmenettel
(IC), valamint az elektron alapállapot valamelyik
magasabb vibrációs szintjére foton emisszióval,
sugárzásos átmenettel. Fluoreszcencia spektrumot 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 összetettségétől 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 sejttípusnak (itt limfocita, monocita, stb). Ezeknek a
sejteknek az adatait a program külön kezeli.
SSC – FSC korrelációs diagram
Fluorofor jelzési technika egy
alkalmazása (példa2)
• A legtöbb molekula nem mutat észlelhető fluoreszcenciát. De vannak erősen fluoreszkáló,
úgynevezett fluorofor (vagy fluorokróm) molekulák, amelyek biopolimerekhez kapcsolhatók
(pl. fluoreszcein).
• Ezt használja ki a fluoreszcens immunocitokémia. 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 kapcsolnak közvetlenül vagy közvetve.
Fluorofor jelzési technika egy
alkalmazása
Sejtek osztályozása (FACS)
(példa3)
• Lehetséges a sejtek szétválasztása és osztályozása fluoreszcens tulajdonságaik alapján. Ez a
Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS), ami
egy kiegészítő szolgáltatás.
• 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 rendszeren vezetik át, ami a töltésüknek megfelelően
szétválasztja a cseppeket.
Sejtek osztályozása (FACS)