Danas je nabavljen termički anemometar (mjerač protoka zraka) Lambrecht 641N iz 1983. godine (uređaj se počeo proizvoditi najkasnije s kraja 1970-tih godina).
Tvrtka Wilhelm Lambrecht GmbH (danas LAMBRECHT meteo GmbH) iz Göttingena osnovana je 1859. godine kao radionica za preciznu mehaniku. Osnivač Wilhelm Lambrecht je blisko surađivao sa znanstvenicima Sveučilišta u Göttingenu, poput astronoma Wilhelma Klinkerfuesa, s kojim je razvijao prve precizne higrometre. Do Prvog svjetskog rata njegovi “vremenski stupovi” (ukrasni vanjski meteorološki instrumenti) krasili su trgove i lječilišta diljem svijeta. Tvrtka je 1923. postala W. Lambrecht KG, a 1980. Wilh. Lambrecht GmbH. Od 2015. posluje kao LAMBRECHT meteo GmbH, a 2019. pridružila se globalnoj grupaciji AEM (Advanced Environmental Monitoring).
Tvrtka Wilhelm Lambrecht je prepoznatljiva po “Göttingenskoj preciznosti” i robusnosti svojih uređaja koji rade u najtežim klimatskim uvjetima. Prepoznatljivi proizvod tvrtke je Polimetar iz 1877. godine, kombinirani instrument s higrometrom na bazi vlasi ljudske kose i termometrom, koji je desetljećima bio standard za prognozu mraza i vremena. Danas je tvrtka fokusirana na visokotehnološke senzore za vjetar, oborine, tlak, temperaturu i vlažnost. Njihova oprema koristi se u pomorstvu (brodovi, luke), industriji vjetroelektrana, zrakoplovstvu te u nacionalnim meteorološkim službama diljem svijeta.
Termički anemometar Lambrecht 641N (često označen i kao 641b N) bio je dio standardne ponude tvrtke Wilhelm Lambrecht GmbH u razdoblju od 1970/80-tih godina i ostao je u upotrebi do kraja 1990-tih godina prije nego što su digitalni uređaji s LCD zaslonima postali norma za precizna mjerenja. Radi na principu “vruće žice” (hot-wire), gdje se strujanje zraka mjeri prema brzini hlađenja zagrijanog senzora. Dizajniran za precizno mjerenje vrlo niske brzine strujanja zraka (npr. u ventilacijskim kanalima ili čistim sobama) koje mehanički anemometri s lopaticama ne mogu precizno detektirati.
Uz uređaj su došle i tvorničke upute za rad na njemačkom jeziku i kalibracijske tablice što možete preuzeti ovdje (pdf 3,4 MB).
U nastavku ćemo preći specifičnosti anemometra Lambrecht 641N prema tvorničkim uputama.
Upute za rad
Termički anemometri omogućuju mjerenje brzina strujanja zraka koje su ispod praga osjetljivosti uobičajeno korištenih mjerila protoka. Stoga se prvenstveno koriste za mjerenje malih brzina. Ovaj je uređaj prikladan za mjerenja u rasponu od približno 0,02 do 5,0 m/s pri temperaturama između -10 i +50 °C.
Opis
Uređaj se sastoji od mjerne sonde s priključnim kabelom i pokazne stanice (mjernog uređaja). Oba dijela spajaju se preko 6-polne DIN utičnice s vijčanim zatvaračem.
U vrhu sonde, između dva nosača, nalazi se NTC otpornik koji služi kao mjerni element. On je slobodno izložen i stoga osjetljiv na mehanički dodir.
Naša sonda je oštećena i neispravna. Pod mikroskopom se jasno vidi da je jedna tanka žica NTC otpornika odvojena od nosača, vjerojatno zbog nepažljive upotrebe sonde.
Noseća cijev duga je 300 mm i završava rukohvatom duljine 110 mm. Koncentrično s nosećom cijevi postavljena je druga cijev. Ona se može uzdužno pomicati pritiskom palca na gumb na rukohvatu u dva označena položaja. Neposredno iznad kraja rukohvata pojavljuju se oznake “M” (Messen – mjerenje) i “K” (Kontrolle – kontrola). One označavaju za što je sonda pripremljena:
- Položaj M: Mjerni otpornik je izložen strujanju zraka.
- Položaj K: Otpornik se nalazi u mirovanju (zaštićen u cijevi) radi kontrole nulte točke.
Iznad navedenih oznaka na vanjskoj cijevi ugravirana je strelica koja pokazuje smjer u kojem zrak treba strujati prema sondi tijekom mjerenja.
Pokazna stanica sadrži analogni instrument kalibriran u jedinicama brzine, izvor napajanja s punjačom, mjerne i kompenzacijske otpornike, sklopke, kontrolne lampice i osigurač. Mjerni instrument (96 x 96 mm) ima dvije skale (prvo i drugo mjerno područje).
Prebacivanje područja vrši se pomoću preklopnika koji ima četiri položaja:
- Aus/off (Isključeno): Uređaj je potpuno isključen.
- Heizen/heating (Grijanje): zagrijavanje sonde na radnu temperaturu, mjerenje je isključeno
- Mesbereich/range (Prvo mjerno područje): mjerenje strujanja zraka do 5 m/s
- Mesbereich/range (Drugo mjerno područje): mjerenje strujanja zraka do 0,5 m/s
Zelena kontrolna lampica pokazuje da je uređaj u radu.
Iznad preklopnika nalazi se okretni gumb potenciometra koji služi za podešavanje ispravnog napona mosta. S lijeve strane kućišta nalaze se utičnice (crvena + , plava -) za analogni izlaz signala (0-110 mV), što odgovara odabranom mjernom području, uz uvjet da otpor priključenog instrumenta nije manji od 500 kΩ.
Uređaj napaja gel-olovni akumulator (olovni akumulator bez održavanja), koji omogućuje rad do 5 sati bez mrežnog napajanja. Punjenje se vrši preko priloženog mrežnog kabela.
Način rada
Mjerenje se temelji na rashladnom učinku zraka koji struji preko zagrijanog tijela. Stupanj hlađenja je u točno određenom i ponovljivom odnosu s brzinom strujanja. Za razliku od starijih uređaja, ovdje se kao grijaće tijelo koristi NTC otpornik. On s tri otpornika u uređaju tvori Wheatstoneov most. Struja mosta zagrijava mjerni otpornik sve dok struja u dijagonali mosta (koju pokazuje mikroampermetar) ne bude jednaka nuli (kada zrak miruje). To se postiže pri temperaturi otpornika od oko 200 °C. Čim zrak struji preko sonde, temperatura NTC otpornika opada, otpor mu raste, most izlazi iz ravnoteže, a nastala struja na pokazivaču izravno pokazuje brzinu strujanja.
Stavljanje u pogon i mjerenje
Budući da napon akumulatora polako opada tijekom pražnjenja, nulta točka pokazivača pomiče se u istoj mjeri. Promjena nulte točke prirodno se događa i kada se mijenja temperatura zraka koji se ispituje. Iz tog razloga, prije početka mjerenja, potrebno je izvršiti kontrolu nulte točke u mirnom zraku i pri temperaturi na kojoj će se mjeriti.
U tu svrhu, nakon što se mjerna sonda spoji na pokaznu stanicu, treba je izložiti strujanju koje se mjeri, ali vanjsku cijev sonde postaviti u položaj “K” (kontrola). Zatim preklopnik mjernog područja postavite na “Heizen” (Grijanje), pri čemu će zasvijetliti zelena kontrolna lampica. Nakon otprilike 5 sekundi mjerni otpornik je gotovo zagrijan te se preklopnik može prebaciti na manje osjetljivo mjerno područje (1). U tom području se nulta točka grubo podešava okretanjem gumba “Nullpunkt-Korrektion”. Okretanje se vrši u smjeru željenog pomaka kazaljke. Nakon prebacivanja na mjerno područje 2, vrši se konačno (fino) podešavanje nulte točke.
Mora se uzeti u obzir da se pokazivač ne stabilizira trenutno zbog zagrijavanja otpornika i prilagodbe temperature sonde, već dolazi do određene odgode. Stoga uvijek treba pričekati da se kazaljka instrumenta smiri u stanju ravnoteže. Također se preporučuje grubo podešavanje u manje osjetljivom području kako bi se izbjegli nagli trzaji kazaljke.
Nakon završene kontrole nulte točke, preklopnik se postavlja na područje 1, a vanjska cijev sonde u položaj “M” (mjerenje). Mjerenje uvijek započnite u manje osjetljivom području, odnosno većem mjernom opsegu (1), a tek po potrebi prebacite na manje mjerno područje (2). Na pokazivaču se izravno očita trenutna brzina zraka u m/s.
Korekcije
Skale termičkog anemometra odnose se na atmosferski zrak temperature od cca 20 °C. S porastom temperature osjetljivost opada zbog manjeg hlađenja zagrijanog otpornika. Nasuprot tome, osjetljivost raste s padom temperature. Pri temperaturama mjerenja koje odstupaju od referentne, rezultate je potrebno korigirati pomoću priloženih dijagrama (krivulja).
Transport i održavanje
Nakon završenog mjerenja, vanjsku cijev sonde treba gurnuti u položaj “K” kako bi se mjerni otpornik zaštitio od oštećenja i prljavštine. Preklopnik se postavlja na “Aus” (Isključeno). Uređaj se transportira u predviđenoj kutiji. Sondu treba umetnuti u njezin pretinac tako da mjerna glava ide prva.
Održavanje se uglavnom svodi na punjenje ugrađenog olovnog akumulatora. Potrebno ga je napuniti čim se nulta točka više ne može podesiti potenciometrom. Prekomjerno punjenje nije moguće jer ugrađeni elektronički punjač automatski ograničava struju. Žaruljica na poleđini uređaja signalizira kraj punjenja (ugasi se ili samo prigušeno svijetli kada je baterija puna). Punjenje je automatsko čim se uređaj priključi na mrežu 220 V / 50 Hz.
Ako se mjerna sonda zaprlja nakon duže uporabe, treba ju očistiti krpicom namočenom u vodu ili eter. Pritom se nipošto ne smije dodirivati mjerni otpornik.
Mehanička nula pokazivača mora se uvijek podudarati s nultom točkom skale. Provjerava se kada je uređaj isključen i postavljen okomito. Odstupanja se uklanjaju okretanjem vijka za nulu u donjem desnom kutu pokazivača.
Termički anemometar Lambrecht 641N dolazi u drvenoj kutiji i metalnom kućištu sa „hammer“ efektom što je karakteristika uređaja iz 1950/60-tih godina. Ipak, elektroničke komponente i tehnologija proizvodnje koju vidimo u unutrašnjosti jasno ukazuje na 1980-te godine. Moguće da je ovo modernizirana inačica sličnog anemometra iz ranijih godina (doba elektronskih cijevi) jer je samo kućište prevelikih dimenzija za ovako jednostavan elektronički sklop.
Sklopovlje se bazira na dvije tiskane pločice: jedna je sa komponentama mrežnog ispravljača i punjača dok je druga pločica sa elementima Wheatstone mjernog mosta.
Mrežni ispravljač i punjač akumulatora.
Elementi Wheatstone mjernog mosta.
Elektronička shema termičkog anemometra Lambrecht 641N.
Izveli smo elektroničku shemu i nacrtali tako da se jasno vidi sklop ispravljača i mjerni sklop sa Wheatstone mostom.
Ispravljač je potpuno tranzistorski i ima izvedenu regulaciju i stabilizaciju napona te krug za ograničenje struje (zaštita od strujnog preopterećenja i kratkog spoja). Ovo je jedna od mnogih inačica izvedbe tranzistorskog regulatora napona, gdje se kao regulacijski element koristi tranzistor serijski vezan na liniju napajanja. U našem slučaju regulacija je na negativnoj liniji napajanja. Upotrijebljeni tranzistor BD 243A može izdržati 60 V kolektorskog napona i 6 A kontinuirane kolektorske struje.
Tranzistor T1 je senzorski (na bazu je doveden uzorak izlaznog napona). Napon na bazi se može regulirati preko djelitelja napona sa potenciometrom i pripadajućim otpornicima. Ovisno o namještenom naponu na bazi T1 propušta više ili manje napona na pobudni tranzistor T2, a on dalje na regulacijski tranzistor T4. Time se vrijednost izlaznog napona može regulirati u opsegu 11,8 V do 21,3 V. Tranzistor T3 je strujni senzor te ovisno o padu napona na serijski vezanim otpornicima djeluje na pobudni tranzistor T2. Ako struja kroz paralelno vezane otpornike 1,2 Ω i 1,3 Ω previše poraste, porasti će i pad napona na njima, a time i struja kroz T3 koji onda djeluje na bazni otpornik pobudnog tranzistora T2. Tranzistor T5 služi za indikaciju napona punjenja akumulatora i djeluje kao strujni senzor, slično kao T3. Ako je akumulator prazan, potrošnja struje će biti velika, a time i struja (pad napona) kroz otpornik 0,1 Ω. To tranzistor T5 drži otvorenim i LED svijetli. Kako se akumulator sve više puni tako struja punjenja proporcionalno pada, te LED svijetli sve slabije dok se napokon ne ugasi.
Napajanje za Wheatstone most se dobiva preko regulatora napona 5 V (integrirani krug LM 309), a struja se regulira preko reostata „zero point correction“. Grane mosta čine otpornici R1, R2, R3 dok je četvrta grana R4 sam NTC unutar temperaturne sonde. Odabir i kalibracija mjernih opsega vrši se u mjernoj grani sa instrumentom.
Što se tiče sam sheme, ovdje svakako nije trebala biti upotrijebljena trostruka sklopka sa četiri segmenta jer prva dva segmenta sklopke rade isto preklapanje. Također, spuštanje napona sa 13,4 V na 5 V može predstavljati prilično opterećenje za linearni regulator LM 309 iako su deklarirani za 35 V maksimalnog ulaznog napona. Srećom, ovdje je potrošnja mjernog mosta relativno mala tako da i uz ovu razliku napona nema prevelike disipacije topline na regulatoru.
Čini se neekonomičnim što je uopće upotrijebljen akumulator od 12 V kad je napajanje mosta svega 5 V. Međutim, niža standardna vrijednost napona za olovne akumulatore je 6 V, a to je premali napon za dobivanje stabilnih 5 V preko običnih linearnih regulatora. Potpuno pun akumulator od 6 V ima napon do 6,4 V dok je sigurna granica za (duboko) pražnjenje do 5,25 V. Linearni regulator za 5 V pak treba ulazni napon od oko 7 V za ispravan rad. U 1970/80-tim godinama „low-drop“ regulatori nisu baš bili rašireni ni jeftini. Također, ugradnja drugog tipa punjivih baterija (u to vrijeme Ni-Cd) bi značajno povećala cijenu proizvodnje i održavanja uređaja.
Ovo je osnovna (najjednostavnija, najjeftinija) izvedba analognog termičkog anemometra sa Wheatstone mjernim mostom bez ikakvih krugova automatske kalibracije ili kompenzacije. Stoga je kod mjerenja potrebno osigurati adekvatne uvjete, slijediti upute za početno podešavanje instrumenta i uračunati korekcijske tablice kako bi samo mjerenje bilo točno. U tu svrhu je uz instrument priložena opširna procedura koja uključuje podešavanje mehaničke i električke nule instrumenta, pravilan rad sa sondom, pravilan odabir mjernog područja, uračunavanje korekcije i slično.