Upload
serban-daniel
View
145
Download
5
Embed Size (px)
DESCRIPTION
senzori
Citation preview
INTRODUCERE
Noţiuni introductive de metrologie
Conducerea automată a proceselor implică luarea unor decizii referitoare la modul
în care trebuie să evolueze mărimile implicate în funcţionarea procesului respectiv, şi,
prin urmare, lansarea unor comenzi care să asigure evoluţia dorită. Deciziile de
conducere pot fi luate numai pe baza informaţiilor obţinute din interiorul procesului
condus, informaţii care se referă la valoarile unor parametri semnificativi pentru
caracterizare tehnico-economică a procesului. Informaţiile respective se obţin ca rezultat
al unor operaţii de măsurare. Chiar şi în cazul conducerii manuale a proceselor, atunci
când decizia este luată de un operator uman, este necesar ca decizia să se bazeze pe
informaţiile obţinute din proces pe baza operaţiilor de măsurare a unor parametri.
Există mai multe definiţii ale operaţiei de măsurare. Una dintre acestea, pe care
personal o prefer este:
Operaţia de măsurarea este o operaţie prin care se stabileşte pe cale experimentală
raportul numeric între mărimea de măsurat şi o valoare oarecare a acesteia, luată ca
unitate de măsură.
O primă observaţie este aceea că operaţia de măsurare este un procedeu experimental.
Rezultatul măsurătorii se obţine în urma unei comparaţii între o anumită mărime fizică şi
o anumită cantitate a acesteia luată ca unitate de măsură. Atunci când destinatarul
informaţiei este operatorul uman, acesta trebuie să poată realiza compararea celor două
mărimi fizice (mărimea măsurată şi unitatea de măsură). Cum numai o mică parte din
mărimile fizice sunt accesibile simţurilor umane (măsurarea lungimilor de exemplu) este
necesar în general să se intercaleze între procesul de măsurare şi operatorul uman un
dispozitiv care să facă accesibil operatorului uman rezultatul măsurătorii.
Prin aparat de măsurat se înţelege acel dispozitiv care stabileşte o dependenţă
între mărimea de măsurat şi o altă mărime care poate fi percepută nemijlocit de organele
de simţ umane, de o manieră care permite determinarea valorii mărimii necunoscute în
raport cu o anumită unitate de măsură.
1.1.1. Clasificare mărimilor de măsurat
Mărimile de măsurat pot fi clasificate în funcţie de mai multe criterii.
Un prim criteriu ar fi acela care se referă la aspectele dimensional spaţiale. După
acest criteriu, mărimile de măsurat se pot clasifica în:
- mărimi scalare – sunt acele mărimi care pot fi caracterizate prin valoarea unui
singur parametru, deci printr-o valoare scalară.
- mărimi vectoriale – sunt acele mărimi ce pot fi caracterizate prin valorile mai
multor parametri (amplitudine şi direcţie sau amplitudine, frecvenţă şi fază, etc.) O astfel
de mărime poate fi reprezentată printr-un vector care conţine valorile proiecţiilor pe axele
ce constituie spaţiul n dimensional al parametrilor ce caracterizează complet mărimea
respectivă.
- mărimi tensoriale – pentru descrierea acestora este nevoie pe lângă cele n
componente referitoare la spaţiul vectorial în care poate fi reprezentată mărimea şi de m
moduri de ataşare a acestor dimensiuni într-o anumită ordine; reprezentarea acestor
mărimi va fi realizate prin intermediul unei matrice de dimensiuni nxm.
Un ala doilea criteriu este determinat de tipul relaţiilor empirice ce pot fi defiinite
pe mulţimea de obiecte sau de fenomene cărora le sunt asociate. Conform acestui criteriu,
mărimile de măsurat se pot clasifica în:
- mărimi reperabile – pentru aceste mărimi se pot defini numai relaţii de
echivalenţă sau de ordine (culoare, duritate, etc)
- mărimi extensive – acestora li se pot asocia pe lângă relaţiile de echivalenţă şi
ordine şi relaţii de concatenare (lungime, masă, forţă, etc.)
- mărimi intensive – nu admit concatenare directă ci cel mult pe intervale
(temperatură, timpul ca durată) sau cele măsurabile indirect (densitate, concentraţie, etc.)
Referitor la aspectele energetice ce apar în timpul operaţiei de măsurare, mărimile
de măsurat pot fi clasificate în:
- mărimi active – sunt acele mărimi care conţin energia necesară în procesul de
măsurare (nu este nevoie de o sursă de energie separată) în acest caz fiind necesar ca
raporul dintre energia utilizată în procesul de măsurare şi energia totală a mărimii de
măsurat să fie cât mai mic pentru ca procesul de măsurare se nu modifice mărimea de
măsurat.
- mărimi pasive – pentru măsurarea acestora este nevoie de o sursă separată de
energie (rezistenţe, capacităţi, etc.)
1.1.2. Relaţii între mărimi şi unităţi de măsură
S-a arătat că în cursul operaţiei de măsurare, se stabileşte pe cale experimentală
valoarea raportului dintre mărimea de măsurat şi o anumită cantitate din aceasta luată ca
unitate de măsură. În acest caz, mărimea de măsurat (X) poate fi exprimată astfel:
][XaX (1)
unde a este valoarea mărimii măsurate, iar [X] reprezintă unitatea de măsură
pentru X
Dacă se modifică unitatea de măsură [X’] evident se va modifica şi valoarea mărimii
măsurate a’. Deoarece mărimea fizică rămâne nemodificată va exista relaţia:
][]'[' XaXaX (2)
Legătura dintre două sau mai multe măsuri se exprimă în modul cel mai general
prin relaţii matematice. De exemplu:
amF (3)
În acest caz nu sunt implicate unităţile de măsură. În cazul în care se urmăreşte descrierea
unor aspecte practice legate de mărimile implicate, în relaţie vor fi incluse unităţile de
măsură. În acest caz relaţia 3 devine:
amkamF
amF
][
][][ (4)
Se observă apariţia unui factor suplimentar k, denumit în mod uzual factor perturbator.
Dacă se alege unitatea de măsură a forţei astfel:
][][][ amF (5)
atunci factorul perturbator va deveni egal cu unitatea. Unităţile alese în acest mod se
numesc unităţi coerente iar relaţiile de definiţie se numesc relaţii condiţionale.
Pentru definirea unităţilor de măsură într-un anumit domeniu este necesar ca toate
unităţile de măsură să fie coerente. Pentru aceasta, se vor alege un număr de mărimi
fizice a căror unităţi de măsură se vor defini arbitrar; mărimile a căror unităţi sunt alese
convenţional se numesc mărimi fundamentale. Stabilirea numărului minim de mărimi
fundamentale se realizează pornind de la numărul de relaţii şi de mărimi dintr-un
domeniu. Astfel, dacă notăm cu l numărul de relaţii iar cu m numărul de mărimi
implicate, numărul minim de mărimi fundamentale va fi:
lmn (6)
Odată stabilit numărul de mărimi fundamentale este necesar ca acestea să fie
nominalizate. Nominalizarea trebuie să ţină seama de anumite criterii:
- mărimile fundamentale trebuie să fie mărimi reprezentative din domeniul
respectiv;
- între mărimile fundamentale şi cele derivate (care sunt definite pe baza celor
fundamentale) este necesar să se stabilească relaţii cât mai simple;
- este necesar ca etaloanele realizate pentru unităţile fundamentale să se poată
realiza comod;
- valoarea efectivă a unităţii de măsură pentru mărimile fundamentale se adoptă
ţinând seama de considerente practice privind utilizarea lor şi a unităţilor
derivate, precum şi de posibilitatea realizării unor multipli şi submultipli
corespunzători cerinţelor de folosire curentă
1.2. Caracterizarea traductoarelor
În cazul sistemelor automate, conducerea proceselor realizându-se fără intervenţia
directă a omului, mijloacele prin care aceasta se realizează - inclusiv cea de informare –
se modifică în conformitate cu noile condiţii. În consecinţă, operaţiile de măsurare în
sistemele automate sunt efectuate de traductoare, dispozitive ce stabilesc o corespondenţă
între mărimea de măsurat şi o altă mărime cu un domeniu de variaţie calibrat, aptă de a fi
recepţionată şi prelucrată de de echipamentele de conducere (regulatoare, calculatoare de
proces, etc.). Sensul prezentat al noţiunii de traductor este cel definit de automatică.
Noţiunea de traductor a fost extinsă şi la dispozitive cu funcţiuni similare care intră în
structura unor lanţuri de măsurare complexe utilizate în scopuri de cercetare, în
laboratoare, etc. şi care nu sunt incluse într-o buclă de reglare sau într-un sistem de
conducere automată a proceselor.
O primă constatare este aceea că traductorul reprezintă o componentă tipică a
oricărui sistem automat sau de reglare automată. O a doua constatare este aceea că
traductorul şi aparatul de măsurat a funcţii similare. De aici apar asemănări între aparatele
de măsurat şi traductoare, dar şi deosebiri importante.
O primă deosebire se referă la caracteristicile statice ale celor două tipuri de
instrumente(caracteristicile statice exprimă legătura dintre mărimile de intrare şi cele de
ieşire ale unui element în regim static, adică în condiţiile în care ambele mărimi sunt
constante în timp); în timp ce în cazul aparatelor de măsurat caracteristicile statice pot fi
atât liniare cât şi neliniare (scala aparatelor putând fi gradată neliniar) în cazul
traductoarelor este necesar ca relaţia dintre mărimea de intrare şi cea de ieşire (deci
caracteristica statică) să fie liniară.
O a doua deosebire este legată de caracteristicile dinamice, adică de cele care
exprimă variaţia în timp a mărimilor de intrare şi ieşire. În timp ce în cazul aparatelor de
măsurat datorită vitezei relativ lente de reacţie a operatorului uman măsurătorile se
efectuează asupra unor mărimi constante sau cvasiconstante, în cazul traductoarelor, este
necesar ca acestea să poată urmări variaţia în timp a mărimilor măsurate. În acest caz este
necesar ca timpul de răspuns (timpul de stabilire a mărimii proporţionale cu mărimea de
măsurat) să fie neglijabil în raport cu constantele de timp ale procesului reglat.
Din punct de vedere al preciziei de măsurare este necesar ca traductoarele să aibă
o precizie apropiată de a aparatelor de măsurat deoarece în cazul întregului sistem de
reglare se consideră că eroarea introdusă de traductor este neglijabilă.
Fiabilitatea traductoarelor trebuie să fie mai mare decât a aparatelor de măsurat
uzuale deoarece, în cazul aparatelor de măsurat, defectarea acestora poate fi remarcată
relativ rapid de către operatorul uman fapt ce nu se mai regăseşte în cazul sistemelor de
conducerea sau reglare automată, informaţia eronată a aparatului defect fiind interpretată
ca atare de către restul buclei de reglare.
1.2.1. Locul traductorului în cadrul unui sistem de reglare
Structura generală a unui sistem de reglare este prezentată în figura 1.1. La
intrarea sistemului se aplică mărimea de referinţă i. Aceasta este permanent comparată de
către elementul de comparaţie EC cu mărimea de reacţie r (mărime proporţională cu
mărimea reglată), mărime furnizată de către traductor care are la intrare mărimea
măsurată din proces y. Funcţie de rezultatul acestei comparări, în conformitate cu legea
de reglare implementată, regulatorul R comandă elementul de execuţie EE prin
intermediul mărimii de comandă u, astfel încât acestea să acţioneze asupra procesului
supus reglării P cu mărimile de execuţi m în sensul anulării erorii de la ieşirea
elementului de comparaţie.
După cum se observă, regulatorul, aflat pe calea de reacţie, primeşte la intrare
mărimea reglată din proces, mărimea ce va constitui mărimea de măsurată şi furnizează la
ieşire elementului de comparaţie o mărime ce trebuie să conţină toată informaţia
referitoare la mărimea reglată (măsurată) şi în acelaşi timp să fie compatibilă cu restul
sistemului de reglare.
1.2.2. Structura traductorului
Pentru a-şi îndeplini funcţia, un traductor are structura generală ca cea prezentată
în figura 1.2.
Elementul sensibil converteşte mărimea de măsurat x într-o mărimea compatibilă
cu restul traductorului. Elementul sensibil numit şi senzor sau detector, este specific
fiecărei mărimi fizice măsurate şi fiecărei metode de măsurare. Mărimea furnizată de
elementul sensibil trebuie să conţină toată informaţia referitoare la mărimea de măsurat x.
Rolul adaptorului este de a compara mărimea obţinută de la elementul sensibil cu
unitatea de măsură (mărimea etalon) şi de a furniza la ieşire o mărime proporţională cu
rezultatul comparaţiei şi, în acelaşi timp, compatibilă cu restul sistemului de reglare.
Mărimea etalon poate fi aplicată simultan sau succesiv cu mărimea obţinută de la
elementul sensibil. De cele mai multe ori, semnalul furnizat de elementul sensibil trebuie
condiţionat şi transmis la distanţă. Din această cauză între elementul sensibil şi adaptor se
intercalează un element care să asigure condiţionarea şi transmiterea la distanţă a
semnalului. Energia necesară funcţionării ansamblului astfel obţinut nu poate fi obţinută
de la mărimea măsurată (sau mărimea este o mărime pasivă sau energia mărimii active
este insuficientă) şi de aceea este necesară o sursă suplimentară de energie, sursă care
asigură funcţionarea întregului ansamblu. Ca urmare structura generală a traductorului se
modifică aşa cum este arătat în figura 1.3.
Elementele ce caracterizează un traductor şi pe baza cărora se pot compara între ele 2
traductoare (deci elementele ce trebuie luate în considerare atunci când alegem un
traductor sau altul) sunt:
1) Natura fizică a mărimi de intrare (y) şi a mărimi de ieşire (r).
2) Puterea consumată la intrare şi cea transmisă la sarcină.
3) Caracteristica statică exprimabilă prin dependenţa în regiuni statice
r = f(y)
(10.1)
Această caracteristică poate fi liniară (fig. 10.2.b), neliniară univocă (fig. 10.2.b) sau
neliniară neunivocă (fig. 10.2.c). În practică caracteristicile statice pot prezenta un grad
mai mic sau mai mare de neliniaritate şi de aceea e necesară liniarizarea lor, printr-o
metodă adecvată, în gama de variaţie a mărimi de intrare şi de ieşire. Cu cât gama de
variaţie liniară este mai mare, cu atât traductorul este mai bun. Gradul de liniaritate se
poate aprecia prin abaterea (eroarea) de neliniaritate definită prin:
%100l
l
lr
rr (10.2)
unde r este valoarea reală iar rl este valoarea liniarizată de gama pe variaţie.
Această mărime se poate exprima şi în funcţie de mărimea de intrare (y).
Pe baza caracteristicilor statice se pot defini următoarele mărimi:
a) Domeniul de măsurare (gama de lucru) definită prin valorile minimă şi
maximă a mărimii de intrare, respectiv de ieşire:
minmax yyy (10.3)
minmax rrr (10.3)
b) Sensibilitatea, care se defineşte pentru variaţii lente ale mărimi de intrare
şi ieşire şi care se exprimă sub mai multe forme:
Sensibilitatea medie
Ky
rSm (10.4)
unde K este o mărime constantă pentru o caracteristică liniară sau liniarizată;
Sensibilitatea diferenţială
y
r
dy
drSd
(10.4)
Sensibilitatea relativă
yy
rrS
* (10.4)
Aceste mărimi împreună cu erorile de măsurare ne permit să apreciem calitatea
măsurători.
r
y a)
r
y b)
r
y
c)
Fig. 10.2
4) Caracteristica dinamică exprimă comportarea în regim dinamic şi rezultă din
ecuaţia diferenţială ce leagă variaţia în timp a mărimii de ieşire cea de intrare :
F(r, r, r, …, r(n)
, y, y, …, y(n)
) = 0
(10.5)
De cele mai multe ori ne interesează comportarea la o mărime standard de
intrare sau caracteristicile de frecvenţă, mai ales dacă elementul are o comportare tip
filtru.
5) Pragul de sensibilitate reprezintă limita inferioară a variaţiei mărimi de intrare
sesizată cu certitudine de către traductor. Atunci când acesta este raportat la
domeniu de măsură exprimă rezoluţia (puterea de rezoluţie).
6) Gradul de precizie (Clasa) este raportul dintre eroarea maximă admisibilă a
mărimi de ieşire care se produce în regim staţionar de funcţionare şi domeniul
ei de măsurare, exprimat în procente.
7) Nivelul de zgomot (zgomotele interne şi externe) al traductorului
trebuie să fie cât mai redus pentru a nu influenţa deciziile sistemului în care traductorul
este element primar.
10.1.1. Clasificarea traductoarelor.
a) Un prim criteriu este cel determinat de forma semnalului de ieşire; după acest criteriu
traductoarele se împart în:
- traductoare analogice – care au la intrare un semnal cu variaţie continuă
- traductoare numerice – care au la ieşire un semnal cu variaţie discontinuă
b) Criteriul principal de clasificare este cel funcţie de mărimea de intrare şi cea de ieşire.
- Intrare – electrică – frecvenţă, curent, tensiune, putere, fază
– neelectrică – debit, nivel, deplasare, viteză, acceleraţie,
temperatură, presiune, etc.
- Ieşire – Parametrică – Rezistive – Reostatice, termorezistive
– Inductive– de înaltă şi de joasă frecvenţa.
– Capacitive – cu S, d, sau variabil
– Generatoare – Inductive, Piezoelectrice, termoelectrice,
Holl, etc.
Vom considera cazul cel mai des întâlnit în practică, care constă în transformarea mărimi
de intrare a traductorului într-o mărime electrică.
III. MĂSURAREA MĂRIMILOR GEOMETRICE
3.1. Generalităţi
Măsurarea mărimilor geometrice este legată de existenţa unui sistem de referinţă
faţă de oricare care oricare punct ocupă la un moment dat o anumită poziţie. Schimbarea
poziţiei punctului reprezintă o deplasare, iar spaţiul dintre două puncte o distanţă.
Situarea unui punct în apropierea unui reper fix se numeşte proximitate. Deplasările pot fi
liniare (în cazul mişcărilor de translaţie) sau unghiulare (în cazul mişcărilor de rotaţie).
Mărimile geometrice se poate face prin metode absolute sau metode relative
(incrementale) prin care se stabileşte o abatere faţă de o valoare de referinţă.
Datorită unor particularităţi distincte, măsurarea mărimilor geometrice se poate
clasifica în:
- măsurarea deplasărilor liniare mici (până la ordinul sutelor de
milimetri);
- măsurarea deplasărilor liniare mari (de ordinul metrilor şi zecilor
de metri);
- măsurarea deplasărilor unghiulare;
- determinarea proximităţii.
O problemă specifică traductoarelor de deplasare se referă la asocierea acestora cu
sistemele de cuplare la mărimea de măsurat, care pot fi atât liniare, cât şi rotative. Din
acest punct de vedere se deosebesc variante de măsurare directă (deplasare liniară prin
translaţie; deplasare unghiulară prin rotaţie) şi variante de măsurare indirectă (de
exemplu, deplasare unghiulară pentru caracterizarea unei deplasări liniare).
Importanţa deosebită a măsurărilor deplasărilor este dată de faptul că, se poate
realiza atât controlor mărimilor geometrice propriu-zise (deplasări, dimensiuni,
planeitate, rugozitate) cât şi de faptul că o serie de alte mărimi fizice se pot determina
prin măsurarea efectului produs de acestea efect materializat prin deplasarea unui punct
(presiuni, forţe, nivel, temperaturi, etc.) care de regulă sunt caracterizate de deplasări mici
(atât liniare cât şi unghiulare).
O altă problemă specifică măsurării mărimilor geometrice este determinată de
dispozitivele utilizate pentru cuplarea mărimii măsurate la traductor, aceste dispozitive
putând fi prin contact mecanic (palpatoare, şublere, micrometre) pe cale optică sau
fotoelectrică.
3.2. Traductoare pentru deplasări liniare mici
Deplasările liniare mici sunt măsurate pentru determinarea dimensiuunilor
geometrice ale corpurilor (sau a abaterii faţă de anumite dimensiuni prestabilite) sau
pentru determinarea unor mărimi fizice care se manifestă prin deplasarea unui punct
material.
Astfel pentru măsurarea dimensiunii grosimilor se utilizează un palpator care
urmăreşte profilul macroscopic al corpului de măsurat, variaţiile de grosime ale acestuia
sunt convertite în deplasări liniare ale unui sistem mecanic legat solidar cu palpatorul.
Deplasarea liniară a sistemului mecanic este convertită în variaţia unui parametru
de circuit (R, L, C,), rezultând traductoare inductive, capacitive sau rezistive.
3.2.1. Traductoare rezistive
Traductoarele rezistive sunt realizate sub forma unor rezistenţe bobinate sau cu
pistă conductoare şi pot fi folosite la măsurarea unor deplasări liniare de ordinul
centimetrilor sau unghiulare în domeniul 0-2400 (360
0), respectiv nx360
0 pentru
traductoare multitură, unde n reprezintă numărul de ture. Forma constructivă a unui
traductor rezistiv bobinat de deplasare este prezentată în figura 3.1. Pe un suport izolator
este dispusă o înfăşurare realizată din materiale conductoare de mare rezistivitate, care au
în acelaşi timp bune calităţi mecanice şi o bună stabilitate termică (Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Cr-
Fe, etc.) bobinajul fiind realizat spiră lângă spiră; spirele sunt izolate între ele de obicei
prin oxidare şi au partea superioară neizolată pentru a putea face contact cu un cursor ce
se poate deplasa de-a lungul traductorului.
Cursorul realizează
legătura dintre înfăşurare şi o
pistă de contact; el trebuie să
prezinte o rezistenţă mică, să
fie rezistent la uzură şi
acţiunea vibraţiilor şi să nu
aibă tensiune termo-
electromotoare faţă de
înfăşurare sau pista de
contact. Valoarea rezistenţei
cursorului depinde de starea
suprafeţei materialului din care se confecţionează (grafit, cupru grafitat, bronzuri
elastice). Variaţia aleatoare a rezistenţei de contact este o sursă de zgomot şi afectează în
mod special montajele reostatice de măsurare.
În locul bobinajului poate fi utilizată o pistă conductoare realizată prin depunerea
unor granule metalice cu dimensiunea mai mică de 10-2m.
Caracteristica statică a traductoarelor rezistive este în general liniară, neliniarităţi
semnificative putând apărea la capetele cursei traductoarelor.
Avantajele traductoarelor rezistive sunt determinate de liniaritatea şi rezoluţia
suficient de bune, preţul scăzut şi circuitele de măsurare simple.
Dezavantajele sunt legate de forţa de acţionare relativ mare, prezenţa frecărilor
între cursor şi bobinaj sau pista conductoare ceea ce duce la apariţia unor zgomote
importante şi la uzură mecanică ce scurtează durata de viaţă şi duce la creşterea
neliniarităţilor. Numărul maxim de acţionări a traductoarelor rezistive este cuprins între
106 pentru traductoarelor obişnuite şi 10
8 pentru traductoarelor de calitate ridicată.
Rezistenţa totală a traductoarelor rezistive poate fi cuprinsă între 100 şi 100k,
cu toleranţe de circa 10% şi liniaritate între 0,1 şi 1%.
Fig. 3.1. Schema constructivă a traductorului rezistiv
Circuitele de măsurare pot fi atât reostatice cât şi potenţiometrice, cele mai
performante fiind cele potenţiometrice. Un astfel de circuit este prezentat în figura 3.2.a.
şi are în compunere un amplificator operaţional, tensiunea de intrare fiind dependentă de
poziţia cursorului; amplificatorul este utilizat în montaj inversor având ca rezistenţă de
intrare rezistenţa R1, tensiunea de ieşirea având expresia:
11
1
20
1R
R
R
R
R
R
RR
R
REU
xt
t
x
tx (3.1)
Creşterea impedanţei de intrare se obţine prin utilizarea unor montaje
neinversoare ca în figura 3.2.b
Pentru deplasări mici ale cursorului se utilizează amplificatoare de instrumentaţie
care asigură o impedanţă de intrare ridicată şi o rejecţie puternică a modului comun.
2.2.1. Traductoare inductive
La traductoarele inductive pentru deplasări, deplasarea liniară a palpatorului determină
modificarea modificarea inductanţei proprii sau mutuale a unei bobine prin deplasarea unui miez
mobil sau prin modificarea întrefierului [60].
a) Traductoare inductive cu miez mobil.
Legând rigid palpatorul de un miez feromagnetic mobil M ce se deplasează în interiorul unei
Fig2.4. Element sensibil
inductiv cu miez mobil
Fig. 2.5 Variaţia inductanţei
la un senzor inductiv
Fig. 3.2. Circuite de măsură pentru traductoare rezistive
bobine B ca în figura 2.4, deplasarea miezului va determin modificarea inductivităţii proprii a
bobinei ca în figura 2.5.
Pentru compensarea caracterului pronunţat neliniar al dependenţei inductanţă deplasare,
se utilizează elemente sensibile diferenţiale, caracteristica devenind în acest caz liniară (sau
aproximativ liniară) pentru domenii relativ largi ale deplasării miezului. Elementele diferenţiale
se obţin prin legarea a două bobine şi utilizarea
unui miez mobil comun, care se poate deplasa. în
interiorul celor două bobine, în poziţia de
referinţă. de „zero” miezul fiind introdus egal în
cele două bobine (figura 2.6).
Modificarea reluctanţelor de închidere a
fluxurilor prin deplasarea miezului comun
determină modificarea inductanţelor proprii ale
celor două bobine şi, ca urmare, apariţia unei
variaţii de impedanţă.:
21 ZZZ (2.11)
Legând cele două bobine în braţele unei
punţi de c.a. ca în figura (2.7) se obţine aşa cum o
tensiune de dezechilibru Ud dependentă de poziţia
miezului mobil (x), a cărei expresie este dată de:
)(2))((
)(2/2
12
2222 LjRRZLLxLjRR
xLRjU
pp
p
a
(2.12)
în care:
12
/
21
21
;2
)()()(
;2
)()()(
LLL
xLxLxL
xLxLxL
R = rezistenţa ohmică a bobinelor Ll, L2;
L12=impedanţa mutuală de cuplaj.
Fig 2.6. Element sensibil diferenţial;
a)construcţie; b) caracteristică
Fig 2.7. Punte de c.a. pentru traductor
diferenţial
Tensiunea de lucru are o frecvenţă de până la 5kHz; utilizând un redresor sensibil la fază
se obţine la ieşire un semnal continuu care variază aproape liniar cu deplasarea.
O variantă a acestor tipuri de traductoare care elimină necesitatea punţii de măsură este
traductorul tip transformator diferenţial liniar variabil, la care montajul diferenţial constituie
secundarul unui transformator . Elementul sensibil este compus dintr-o bobină primară şi două
bobine secundare plasate simetric pe o capsulă cilindrică. În interiorul bobinelor se află un miez
magnetic deplasabil pe distanţa x care asigură închiderea fluxului magnetic(figura 2.8).
Când bobina primară este alimentată de la o sursă externă de c.a., în bobinele secundare
se induc tensiuni. Întrucât bobinele secundare sunt legate în sens contrar, tensiunile induse sunt în
opoziţie de fază. Astfel la ieşire se obţine diferenţa tensiunilor induse.
Diferenţa este nulă când miezul se află în centrul bobinei, poziţie considerată de zero.
Traductoarele tip transformator folosesc ca adaptor un redresor sensibil la fază, eventual precedat
de un amplificator de c.a. cu impedanţă de ieşire mică, prevăzut şi cu un circuit de intrare trece
jos pentru eliminarea armonicelor parazite.
b) Traductoare cu întrefier variabil
Considerând o bobină cu miez şi o armătură mobilă care se poate deplasa perpendicular
pe miez modificând întrefierul, considerând lăţimea întrefierului la un moment dat /2, inductanţa
va fi dependentă de conform relaţiei:
00
2 ANL (2.13)
unde:
N = numărul de spire a bobinei;
m0= permeabilitatea aerului;
A0 = secţiunea miezului considerată constantă
Fig 2.8. Senzor tip traductor diferenţial
a) schemă constructivă; b) schemă de conexiuni
Pentru obţinerea relaţiei de mai sus s-a considerat permeabilitatea aerului neglijabilă în raport cu
permeabilitatea miezului feromagnetic.
Un astfel de traductor, utilizat la măsurarea benzii de hârtie este traductorul tip CALITEL
HS produs de VALMET AUTOMATION [122].
Traductorul este prevăzut cu două capete montate pe scanerul ce se deplasează de-a latul
benzii de hârtie. Unul din capete, cel superior, conţine bobina cu miez de feromagnetic, iar
capătul inferior armătura mobilă. Ambele capete sunt etanşate, iar contactul dintre senzor şi
banda de hârtie se realizează prin intermediul unei ferestre din safir, ceea ce asigură o rezistenţă
mare la uzură.
Schema de principiu a elementelor active este prezentată în figura 2.9 .
În figura 2.10 este prezentată variaţia reluctanţei iar în figura 2.11 este prezentată alcătuirea părţii
inferioare a capului superior a senzorului. Este asigurată o temperatură contantă de funcţionare
prin intermediul unui circuit de încălzire/răcire cu apă aflat în interiorul senzorului; un termistor
sesizează eventualele depăşiri ale limitelor de temperatură {determinate de funcţionarea
defectuoasă a circuitului de încălzire/răcire) şi
generează un semnal de alarmă.
Prezenţa circuitului de încălzire face ca
să nu mai fie necesară corecţia cu temperatura
a rezultatelor măsurătorii. O placă de presiune
asigură menţinerea etanşeităţii ansamblului
faţă de mediu exterior, asigurându-se în acest
Fig 2.9. Circuitul magnetic al traductorului CALIPEL HS
Fig 2.10.Caractceristica senzorului
CALITEL HS
Fig 2.11. Alcătuirea capului
superior
fel protecţia împotriva pătrunderii prafului sau impurităţilor. Suprafaţa. inferioară este uşor
rotunjită pentru a nu produce ondulări ale hârtiei.
Alcătuirea capului inferior este prezentată în figura 2.12 . Se observă prezenţa unui
cilindru pneumatic care are rolul de a ridica senzorul şi de a-l presa pe banda de hârtie a cărei
grosime se măsoară. Presiunea de lucru a cilindrului este cuprinsă, între 275 şi 4l3kPa şi este
reglată prin intermediul unui controler pneumatic.
Diafragma flotantă care susţine armătura mobilă din material feromagnetic protejată de
un înveliş de safir, este aşezată în capătul superior al cilindrului pneumatic. Diafragma este
presurizată, astfel încât să menţină o uşoară presiune pe suprafaţa inferioară a benzii de hârtie.
Ansamblul senzorului este prevăzut cu un set de role care contribuie la întinderea benzii
de hârtie şi prevenirea ondulărilor locale şi fluturărilor.
Circuitul de măsurare este prezentat în figura 2.13..
Un oscilator generează două semnale sinusoidale decalate la 90° cu frecvenţa de 5kHz;
într-un buffer de stocare, semnalul cu faza 0° este sumat cu o porţiune ajustabilă a semnalului în
cuadratură şi este aplicat apoi amplificatorului bobinei. Circuitele adiţionale elimină
componentele rezistive şi capacitive, lăsând să treacă spre ieşire numai componenta inductivă.
Înaintea ciclurilor de măsurare se realizează un ciclu de standardizare în afara benzii de
Fig 2.12. Alcătuirea capului inferior
Fig 2.13. Circuitul de măsură al traductorului CALITEL
HS
hârtie, în urma căruia se obţine variabila dinamică CS care este o măsură a distanţei standard
dintre cei doi senzori.
Schema de prelucrare soft a semnalelor dinamice în scopul obţinerii valorii finale a
grosimii exprimată în unităţi inginereşti este prezentată în figura 2.14.
Semnificaţia notaţiilor utilizate este:
- AI = semnal dinamic reprezentând amplitudinea semnalului alternativ aplicat bobinei;
- LI = semnal dinamic reprezentând componenta reactivă a tensiunii culese pe bobină;
este o măsură a inductanţei bobinei şi ca urmare reprezintă o informaţie primară referitoare la
grosimea benzii de hârtie.
- AC = amplitudinea semnalului aplicat bobinei în timpul standardizării.
- LC = semnalul LI corectat pentru compensarea modificării amplitudinii semnalului
aplicat bobinei fără de calibrare;
- CB = valoarea instantanee a grosimii înaintea corecţiei liniare, obţinută cu ajutorul
curbei CC care dă dependenţa dintre grosime şi inductanţă.
- SL = coeficient de corecţie liniară de pantă pentru conversia în unităţi inginereşti;
- OF = coeficient de corecţie iniţială de off-set pentru conversia în unităţi inginereşti;
- IV = valoarea finală a grosimii în unităţi inginereşti.
2.2.2. Traductoare capacitive
În general capacitatea totală a unui sistem de corpuri este dependentă de suprafeţele Ai ale
corpurilor, de distanţele di dintre suprafeţe şi de constantele dielectrice ale izolatorilor ce separă
suprafeţele (permitivitatea i), C=f(Ai,di,i). Construcţia oricărui traductor capacitiv se bazează pe
modificarea de către mărimea neelectrică a uneia dintre mărimile Ai, di, sau i.
Traductoare capacitive bazate pe modificarea distanţei dintre electrozi
Considerând un câmp electric omogen între armăturile unui condensator plan (vezi figura
2.15), cantitatea de electricitate acumulată este[74]:
EADAAdDQ 0**
(2.14)
Deoarece:
U
QCiar
d
UE
Rezultă:
Fig. 2.14 Schema de prelucrare soft a semnalelor
d
ACd
0 (2.15)
Dacă ‚x’ este distanţa de măsurat avem:
xd
AC xd
0 (2.16)
Şi deci:
d
xC
C xd
1
1 (2.17)
adică caracteristica Cd+x/C = f(x) este neliniară.
Dacă se micşorează distanţa dintre armături cu d va rezulta:
dd
ACC dd
01
(2.18)
iar
)(*
11* 001
ddd
dA
dddACCC rr
(2.19)
Variaţia relativă este:
dd
d
C
C
(2.20)
sau:
d
dd
d
C
C
1
(2.21)
Din reprezentarea. grafică prezentată în figura 2.16
d
df
C
Cse vede că, deşi prin traductorul capacitiv considerat
Fig. 2.15. Condensator cu armătură mobilă
Fig. 2.16. Caracteristica
condensatorului
nu se obţine o convertire proporţională, abaterile de la proporţionalitate sunt mici când deplasările
sunt reduse.
Între plăcile condensatorului plan ia naştere o forţă de atracţie F care poate fi calculată pe
baza bilanţului energetic:
UdQFdxdW (2.22)
unde: - dW este variaţia energiei câmpului electric,
- Fdx este lucrul mecanic efectuat de forţele de atracţie;
- UdQ este energia consumată de sistem de la sursa de tensiune constantă U (dQ fiind
variaţia sarcinii acumulate pe plăci provocată de modificarea distanţei cu cantitatea dx.)
Cum:
QCUxd
AxdAEdEW rr
r2
1
)(22
)(
2
1 20
2
02
0
(2.23)
iar:
Uxd
AUCQ r
0* (2.24)
respectiv:
dxxd
AdQ r *
)( 2
0
(2.25)
din ecuaţia de bilanţ rezultă:
dx
dQU
dx
dQU
dx
dWU
dx
dQF
2
1* (2.26)
sau:
xd
CU
xd
AF r
*
2)(2
2
2
0 (2.27)
Pentru a avea precizie superioară pentru măsurarea cu traductorul capacitiv simplu, va
trebui ca forţa de atracţie să fie cel puţin cu un ordin de mărime inferior forţei cu care acţionează
mărimea neelectrică asupra armăturii mobile.
Forţele de atracţie sunt în general mici, dar efectul de atracţie poate fi total atenuat la
traductoarele capacitive diferenţiale. Deplasarea armăturii mobile centrale a traductorului
diferenţial (vezi figura 2.17) are ca efect creşterea unei capacităţi şi micşorarea celeilalte [50].
Considerând a şi b distanţele dintre plăci în starea iniţială iar a=-b valoarea deplasării,
Fig. 2.17. Traductor diferenţial
iar condensatorul legat în braţele unei punţi de c.a. alimentată de la o tensiune Ui, tensiunea de
ieşire a punţii va fi:
43
3
21
1
11
1
11
1
*
CC
C
CC
CUU ie (2.28)
unde capacităţile parţiale ale condensatorului sunt:
bb
AC
aa
AC
rr
*;*0201 (2.29)
Iniţial puntea fiind echilibrată, pentru a = 0 se obţine Ue= 0 şi deci C3/C4 = b/a.
Înlocuind aceste valori se obţine:
ba
aUU ie
(2.30)
iar pentru cazul uzual în practică când a=b se obţine:
a
aUU ie
2
(2.31)
adică valoarea semnalului la ieşire este proporţională cu variaţia relativă a distanţei dintre plăci,
sau direct proporţională cu valoarea deplasării.
Traductoare capacitive cu strat dielectric deplasabil
Fie Xo lungimea electrozilor unui condensator, iar X lungimea porţiunii cu dielectric
(vezi figura 2.18).
Sarcina acumulată pe plăci este dată de suma:
ADX
XXAD
X
XQ **
0
01
0
(2.32)
La suprafaţa de separaţie aer dielectric putem scrie:
2201100 EEEdiv
rr
(2.33)
Dacă U este tensiunea exterioară aplicată se poate scrie:
122211 )( EaUEaaaE (2.34)
Eliminând din relaţiile de mai sus valorile E1, E2 obţinem:
2
1
2
1
2
1
0
0
1
1
*1*
a
aX
XC
U
QC (2.35)
Fig. 2.18. Condensator cu
dielectric mobil
în care C0 este capacitatea sistemului fără dielectricul de permitivitate 2. Capacitatea C rezultă
deci ca o funcţie liniară de X. Sensibilitatea se poate calcula cu:
2
1
2
1
2
1
0
0
1
1
*
a
aX
C
X
C (2.36)
Dacă 2 >>1 iar grosimea a2 a dielectricului deplasabil se alege cât mai mare cu putinţă, astfel că
a1/a2 ≈ 1 sensibilitatea devine:
1
2
0
0 *
X
C
X
C
(2.37)
De multe ori constanta dielectrică 2 a stratului deplasabil este dependentă de temperatură
ceea ce conduce la eronarea rezultatului măsurătorii. Pe lângă o corecţie corespunzătoare de
temperatură capacitatea de măsură C poate deveni independentă de temperatură dacă al/a2 >>1. În
acest caz sensibilitatea devine:
1
2
0
0 *a
a
X
C
X
C
(2.38)
mult mai mică decât valoarea anterioară când al/a2 → 1.
Pentru unele aplicaţii stratul dielectric deplasabil umple complet întregul sistem (X0=X).
În acest caz:
2
1
2
1
2
1
0
1
1
1*
a
aCC (2.39)
dependenţa capacităţii sistemului de grosimea a2 este neliniară. În particular, când grosimea
stratului de aer este mare a1/a2 » 1 şi pentru 1/2 « 1 rezultă pentru capacitatea sistemului
valoarea aproximativă:
1
20 1*
a
aCC (2.40)
care este dependentă liniar de grosimea a2 practic independentă de constanta dielectrică 2, ceea ce
îl face foarte potrivit pentru măsurarea grosimii foliilor de hârtie.
2.3.2.Senzori utilizaţi in măsurarea netezimii
2.3.2.1. Senzori bazaţi pe reflexia radiaţiei luminoase
Acţionând în direcţia tendinţelor actuale ce se manifestă în măsurările aferente industriei
producătoare de hârtie (eliminarea contactului cu banda de hârtie, utilizarea traductoarelor
inteligenta) firma SENTROL a dezvoltat un traductor de netezime pe care îl vom prezenta în
continuare [128]. Traductorul are în compunere:
- Un cap senzor montat pe scanerul de precizie din partea finală a maşinii de hârtie; - Un modul
de control cu microprocesor care are incluse:
placă adaptor pentru senzor;
convertor analog numeric;
rnicroprocesor.
Capul senzorului conţine, într-o incintă etanşă şi presurizată prevăzută cu o fereastră transparentă
din cuarţ, un LED, un sistem optic care asigură focalizarea radiaţiei emise de LED, precum şi a
celei reflectate de banda de hârtie, trei senzori fotoelectrici cu siliciu decalaţi mecanic cu 124° şi
câte un preamplificator cu câştig mare pentru fiecare din senzori. Alcătuirea traductorului este
ilustrată în figura 2.20.
Lumina emisă de LED este focalizată astfel încât formează un spot cu diametrul de
250nm pe banda de hârtie, care este reflectat în diferite direcţii şi cu diferite intensităţi funcţie de
iregularităţile microscopice ale hârtiei. Ansamblul optic al senzorului refocalizează lumina
reflectată spre fiecare senzor cu siliciu. Micii curenţi produşi de detectoarele cu siliciu sunt
amplificaţi în preamplificatoarele cu transconductanţă, şi câştig mare localizate în capul senzor
înainte de a fi transmise la modulul de control al senzorului.
Principiul de operare al senzorului
Fig 2.20 Alcătuirea senzorului SENTROL
În figura 2.21 este prezentată alcătuirea capului senzorului. In partea superioară se află sursa de
lumină care este un LED roşu a cărui spectru de radiaţie centrat pe 660nm este prezentat în figura
2.22. Sistemul optic aflat deasupra LED ului
realizează, focalizarea radiaţiei luminoase pe
banda de hârtie într-un spot cu diametrul de
250m, precum şi reflexia radiaţiei reflectate ce
nu se află într-un unghi solid cuprins între 9° şi
15° fală de radiaţia incidentă perpendiculară pe
banda de hârtie. Radiaţia este transmisă prin
intermediul unei ferestre de cuarţ, al cărui
spectru de transmisie este prezentat în figura
2.22; fereastra asigură în acelaşi timp protecţia
senzorului împotriva pătrunderii impurităţilor şi
etanşarea fală. de exterior în partea dinspre
banda de hârtie. Radiaţia reflectată, cuprinsă
într-un unghi de 9° la 15° fală de direclia
radiaţiei incidente este refocalizată printr-un
sistem de lentile aflat sub sursă, filtrată printr-un
filtru optic a cărei caracteristică de trecere este
prezentată în figura 2.23, şi aplicată prin
intermediul unui reflector triedric celor trei
detectoare optice cu siliciu decalate între ele cu
120 grade.
În ciuda faptului că semnalele obţinute
sunt mici, suprafaţa iluminată a detectoarelor
este mică pentru a evita necesitatea unor surse cu
voltaj ridicat şi a zgomotelor de nivele mari de
care acestea sunt în mod inerent însoţite.
Utilizarea unor preamplificatoare cu câştig mare
la ieşirea fiecărui senzor asigură un nivel
suficient al semnalelor de ieşire.
În figura 2.24 este ilustrat modul în care topografa microscopică a benzii de hârtie
afectează radiaţia reflectată în unghiul cuprins între 9° şi 150 faţă de direcţia verticală. LED-ul
este alimentat cu tensiune alternativă dreptunghiulară cu valoare maximă de 6,66V şi frecvenţa,
de 100Hz.
Fig 2.21 Senzorul traductorului SENTROL
Fig. 2.22. Spectrul de emisie a
LED-ului
Fig. 2.23. Caracteristica de transfer
a safirului
Detectoarele Dl-D3 modulează acest
semnal funcţie de intensitatea
radiaţiei reflectate, acest lucru fiind
ilustrat in figura 2.25; cu ajutorul
semnalelor de la ieşirea, detectoarelor
se formează următoarele semnale
dinamice utilizate în continuare de
soft-ul traductorului pentru calcularea
rugozităţii:
- Rl - semnal analogic
reprezentând diferenţa, dintre
semnalul de ieşire al detectorului Dl şi
semnalul de ieşire al detectorului D2;
R2 - semnal analogic reprezentând
diferenţa. dintre semnalul de ieşire al
detectorului D2 şi semnalul de ieşire
al detectorului D3;
- R3 - semnal analogic
reprezentând diferenţa dintre semnalul
de ieşire al detectorului D3 Şi
semnalul de ieşire al detectorului D1;
- AV - media semnalelor celor trei detectoare;
- DIRT - semnal numeric reprezentând calculul petelor întâlnite.
Pentru a asigura stabilitatea senzorului fală de condiţiile de mediu din maşina de hârtie, senzorul
este ermetizat, curăţat şi presurizat cu azot uscat la 70KPa.
Fig. 2.24. Influenţa topografiei microscopice asupra
reflexiei
Fig 2.25. Semnalele senzorului
Prelucrarea SOFT a semnalelor
Prelucrarea soft a semnalelor este realizată pe partea numerică. În figura 2.26 este ilustrat
modul de prelucrare a semnalelor în scopul obţinerii profilului geometric microscopic al benzii de
hârtie şi pentru calcularea netezimii (rugozităţii) in unităţi inginereşti.
Semnificaţia semnalelor care nu au fast definite anterior este:
- CD - semnal de netezime în direclia perpendiculară pe direcţia de deplasare a benzii de
hârtie (CROSS DIRECTION);
- MD - semnal de netezime in direcţia deplasării benzii de hârtie (MACIHINE
DIRECTION);
- SO - semnal general de netezime (SIGNAL OVER.A.LL).
Pentru a obţine valoarea în unităţi predefinite (inginereşti) sunt utilizate curbele LC, LM şi LC
obţinându-se semnalele:
- UC - valoarea necorectată în direcţia perpendiculară (CD via LC);
- UM - valoarea necorectată în direcţia maşinii (MD via LM);
- UO - valoarea generală necorectată (SO via LO);
Utilizând corecţia de pantă şi de offset, cu ajutorul parametrilor de calibrare corespunzători (CS,
MS şi OS pentru pantă, respectiv C0, MO şi 00 pentru offset) se obţin valorile instantanee
corectate:
IC = (UC*CS') + CO
IM = (UM*MS)+MO
(2.41)
IO=(UO*OS)+OO
Fig 2.26. Diagrama de prelucrare soft a semnalelor
O a patra valoare instantanee a netezimii reprezentând anizotropia de netezime IA este
determinată cu relaţia:
IA =IC –IM (2.42)
În paralel din semnalul AV, cu ajutorul curbei LA se obţine semnalul II valoarea
instantanee de intrare. In funcţie de parametrul PV, parametru modificat la fiecare scanare a
senzorului, se înscriu valorile primare pentru calculul netezimii IV şi valorile anterioare (media
valorilor la precedenta scanare) SA. Parametrul PV este corelat cu poziţia scanerului pe care este
montat senzorul.
Înscrierea parametrilor IV şi SA se realizează conform tabelului următor:
PV= 0 1 2 3 4
IV= IO IM IC IA II
SA= OA MA CA AA VA
TRADUCTOARE DE PROXIMITATE
1. Definirea proximităţii
În sens larg proximitatea se referă la gradul de apropiere dintre două obiecte
dintre care unul reprezintă sistemul de referinţă. În esenţă este vorba de controlul unei
anumite poziţii, fără contact între referinţă şi obiectul în deplasare. Din cazul general
derivă o serie de cazuri particulare, care se pot îngloba tot în categoria măsurătorilor de
proximitate: sesizarea capetelor de cursă, sesizarea interstiţiului între suprafeţe, sesizarea
unui obiect în câmpul de lucru, etc.
Traductoarele de proximitate au de regulă o caracteristică de tip releu, mărimea de
ieşire variind discret („tot sau nimic”) şi discernând între două valori ce reprezintă
convenţional prezenţa sau absenţa corpului controlat. Această particularitate conduce la
realizarea compactă a traductorului, elementul sensibil şi adaptorul fiind înglobate în
aceeaşi unitate constructivă.
2. Traductorul inductiv de proximitate
Schema bloc a unui traductor de proximitate este prezentată în figura 1., în care
detectorul are rolul de a converti informaţia asupra poziţiei unui obiect metalic în raport
cu faţa sensibilă în semnal electric, iar blocul electronic adaptor prelucrează semnalul
Fig. 1. Schema bloc a traductorului inductiv de proximitate
electric şi comandă un etaj final cu ieşirea pe sarcină de tip releu. Blocul de alimentare
furnizează tensiunea necesară circuitelor electronice.
Oscilatorul din blocul detector întreţine un câmp magnetic alternativ în
jurul bobinajului. Când un corp metalic este plasat în acest câmp, în masa metalului apar
curenţi Foucault care generează, la rândul lor, un câmp magnetic opus câmpului magnetic
inductor (principal), ce blochează oscilaţiile. Dispariţia oscilaţiilor provoacă inversarea
stării elementului de comutaţie.
Caracteristicile funcţionale ale traductorului pot fi apreciate pornind de la
definirea cotelor utile, notate în figura 2 şi anume: e – grosimea ecranului metalic; l –
lărgimea ecranului; L – lungimea ecranului; X – distanţa de la marginea de atac la faţa
sensibilă; Z acoperirea feţei sensibile de către ecranul metalic; Z distanţa de la ecran la
faţa sensibilă; ZN – distanţa nominală de detecţie.
Principalele caracteristici funcţionale sunt:
a) Zona de acţiune, reprezentând regiunea delimitată de curbele de atac marcate
în figura 3, şi anume curba de anclanşare (oprirea oscilaţiilor) şi curba de
declanşare (oprirea oscilaţiilor). Zonele de acţiune uzuale se încadrează în
gama 3 … 25 mm.
b) Distanţa utilă de detecţie, caracteristică puternic influenţată de natura şi
dimensiunile ecranului metalic, de variaţiile tensiunii de alimentare şi ale
temperaturii, de dispersia de fabricaţie.
c) Fidelitatea, prin care se înţelege toleranţa preciziei de reperare a parametrilor
de pornire şi oprire a oscilaţiilor, în condiţiile invariabilităţii următorilor
Fig. 2. Traductor inductiv - dimensiuni de gabarit
Fig. 3. Zona de acţiune a traductorului
inductiv de proximitate Fig. 4. Histerezisul în traductoarele
inductive de proximitate
parametri: distanţă, sens şi viteză de pornire, temperatură, tensiune de
alimentare.
d) Histerezisul, adică cursa dintre punctele de pornire şi de oprire ale oscilaţiilor,
în aceleaşi condiţii (fig. 4).
e) Durata impulsului de ieşire, determinată în principal de viteza şi dimensiunile
ecranului metalic.
Din punt de vedere constructiv, aceste traductoare se execută în una din
următoarele două variante: cu faţa sensibilă inclusă frontal sau lateral în corpul propriu-
zis al traductorului, sau cu faţa sensibilă separată prin cablu flexibil de corpul
traductorului. Unele dimensiuni orientative de gabarit pentru diferite variante
constructive sunt prezentate în figura 5.
3. Traductoare magnetice de proximitate
Traductorul magnetic de proximitate se compune dintr-un dintr-un contact
întrerupător (de regulă contactul unui releu miniatură) plasat într-un braţ al unei carcase
în formă de U şi dintr-un magnet permanent fixat în celălalt braţ. Trecerea unui obiect
magnetic printre braţele detectorului modifică liniile de forţă ale magnetului. Contactul
releului nemaifiind solicitat îşi schimbă starea.
Aspectul general al acestor traductoare şi unele dimensiuni orientative sunt
prezentate în figura 6. Alte variante constructive sesizează obiecte magnetice ce
Fig. 5. Soluţii constructive pentru traductoarele inductive de proximitate
Fig. 6. Traductoare magnetice de proximitate – soluţii constructive
acţionează direct asupra releului.
Traductoarele magnetice de proximitate pot fi fără memorie, atunci când releul
comută doar sub acţiunea magnetului, sau cu memorie, atunci când revenirea în starea
iniţială nu se poate face decât sub influenţa unui câmp magnetic de sens contrar. Această
schimbare de polaritate magnetică se obţine prin rotirea cu 1800a magnetului efectuată de
un dispozitiv mecanic adecvat (pârghie, scripete, cablu, etc.).
Când viteza de deplasare a magnetului mobil depăşeşte valoarea de 10m/s distanţa
nominală de acţionare se reduce cu un coeficient (0,7 … 0,9) în funcţie de viteza de
lucru.
4. Traductoare capacitive de proximitate
Elementul sensibil al acestor traductoare este constituit dintr-un condensator care
face parte dintr-un circuit oscilant. Prezenţa unui material conductor sau dielectric cu
permitivitate r > 1, la o anumită distanţă S de faţa sensibilă a detectorului, modifică
capacitatea de cuplaj şi amorsează oscilaţiile (fig. 7). Caracteristicile constructive sunt
asemănătoare cu cele ale traductoarelor inductive, zona de lucru activă fiind de maxim 15
mm.
Funcţionarea este diferenţiată în funcţie de natura corpului controlat. La detecţia
materialelor conductoare, obiectul a cărui poziţie este controlată formează cu faţa
sensibilă un condensator a cărui capacitate creşte odată cu micşorarea distanţei de la
obiect la faţa sensibilă. La detecţia materialelor izolante, faţa sensibilă reprezintă un
condensator a cărui capacitate este cu atât mai mare , cu cât permitivitate dielectrică a
obiectului controlat este mai mare.
Principalele surse de erori le reprezintă variaţiile de temperatură. Pentru evitarea
perturbaţiilor, la detectarea corpurilor conductoare, acestea trebuie să fie puse la pământ.
Varianta constructivă cea mai utilizată este aceea de tip cilindric, cu dimensiunile
de gabarit comparabile cu cele din figura, …
5. Traductoare fotoelectrice de proximitate
Aceste traductoare se bazează pe modificare fluxului de radiaţii care se stabileşte
între o sursă (emiţător) şi un receptor, datorită prezenţei obiectului controlat. Se disting
două variante constructive de bază (figura 8):
a) de tip barieră, la care emiţătorul şi receptorul sunt de o parte şi de alta a
obiectului controlat;
Fig. 7. Traductor capacitiv de proximitate
b) de tip reflector, la care fascicolul de radiaţii emis de sursă este transmis spre
receptor, situat de aceeaşi parte cu emiţătorul în raport cu obiectul controlat
prin intermediul unui paravan reflectorizant. Prezenţa obiectul controlat
modifică intensitatea fluxului luminos receptat după reflexie. La anumite
variante constructive, paravanul reflectorizant este chiar obiectul controlat.
Ca surse emiţătoare se utilizează fie diode electroluminiscente (LED) cu fascicul
vizibil sau infraroşu, fie lămpi cu incandescenţă. La receptor se utilizează un element
fotosensibil: fotorezistor, fototranzistor, fotodiodă, celulă fotovoltaică. Variaţia de semnal
electric sesizată de detectorul fotosensibil datorită modificării obiectului controlat, este
prelucrată de blocul adaptor (care conţine de regulă, un formator de impulsuri şi un
amplificator) şi apoi transmisă elementului de ieşire de tip releu.
Utilizarea acestor traductoare implică ca măsuri speciale de precauţie evitarea
surselor luminoase puternice şi a mediilor umede care pot provoca aburirea lentilelor, ca
şi îndepărtarea obiectelor puternic reflectorizante din apropierea zonei de acţiune.
6. Traductoare integrate de proximitate
Traductoarele de proximitate la realizarea cărora se utilizează tehnica circuitelor
integrate asigură performanţe ridicate la un gabarit foarte redus.
6.1 Traductor inductiv de proximitate
Un astfel de traductor este cel bazat pe circuitul TCA 105N, a cărui schemă bloc
este reprezentată în figura 9 Traductorul este încapsulat într-o capsulă MP 48 cu 8
terminale. Dintre aceste, 2, 3, 4, reprezintă baza, emitorul respectiv colectorul unui
tranzistor care permite formarea unui etaj oscilator, pe frecvenţa de 1 … 5 MHz, prin
montarea în exterior a unui circuit LC adecvat. În schema tipică de utilizare, atunci când
bobina oscilatorului se apropie de un obiect metalic feromagnetic, oscilaţiile se
amorsează, ceea ce duce la cuplarea la masă a rezistenţei de sarcină din ieşire RS (figura
10). După îndepărtarea obiectului feromagnetic, circuitul de intrare începe să oscileze din
nou, iar ieşirea decuplează sarcina RS în gol.
Fig. 8. Traductoare fotoelectrice de proximitate: a) - barieră, b) - reflector
Pe lângă oscilator, capsula mai conţine stabilizatorul de tensiune, un circuit de
filtrare, un circuit comparator cu histerezis şi etajul de ieşire. Acesta din urmă oferă două
ieşiri în antifază, compatibile TTL (de tip tranzistor cu colectorul în gol). În funcţie de
amplitudinea oscilaţiilor, unul din tranzistoarele de ieşire este saturat, celălalt fiind blocat.
În tabelul 1. sunt prezentate principalele caracteristici ale circuitului TCA 105N.
Tabel 1. Caracteristici tehnice ale senzorului TCA 105 N
Tensiunea de alimentare 20V
Tensiunea de ieşire (stare blocată) 20V
Curent absorbit de ieşire 75mA
Frecvenţă de ieşire a sistemului 40kHz
Frecvenţă maximă oscilator 5MHz
Curent de alimentare 5mA
Curent de intrare 50mA
Curent de intrare la comutaţie 400mA
6.2. Traductor magnetic de proximitate
Termenul magnetic din denumirea acestui traductor derivă la faptul că utilizează
un detector de tip element Hall, care sesizează prezenţa câmpurilor magnetice de
intensităţi relativ reduse (în jur de 50mT) şi produce semnale electrice în gama 1…10
milivolţi. Traductorul se bazează pe utilizarea unor circuite integrate de tip SM 231…
SM 234 sau SM 241, SM 242. Aceste circuite conţin în aceeaşi pastilă de siliciu atât
sesizorul Hall, cât şi blocurile de prelucrare a semnalelor furnizate de acestea şi poartă
denumirea comercială de senzor magnetic comutator.
În figura 11 se prezintă schema bloc a senzorului magnetic comutator SM 23X,
care conţine în plus faţă de SM24 X un etaj de stabilizare a tensiunii de alimentare a
circuitului, restul blocurilor fiind identice.
Fig. 9. Schemă bloc pentru senzorul TCA 105 N Fig. 10. Cuplarea senzorului TCA 105N
Principiul de funcţionare este următorul: la sesizarea prezenţei unui câmp
magnetic de inducţie B, senzorul Hall furnizează o tensiune diferenţială, proporţională cu
B. Această tensiune este preluată de amplificatorul diferenţial, care o aplică unui
comparator cu histerezis ce lucrează ca un comutator. Dacă circuitul este plasat într-un
câmp magnetic a cărui inducţie depăşeşte valoarea corespunzătoare a pragului de
deschidere, comparatorul comandă prin intermediul unui amplificator injecţia unui curent
în baza tranzistorului de ieşire, care este adus în saturaţie, iar colectorul său poate absorbi
un curent important. Dacă inducţia magnetică scade sub valoarea corespunzătoare
pragului de blocare, ieşirea comparatorului revine în starea iniţială, iar tranzistorul de
ieşire este blocat. Între pragul de ieşire şi cel de blocare există un histerezis, necesar
pentru a asigura imunizarea circuitului faţă de zgomote.
Principalele căi de basculare a senzorului magnetic comutator la utilizarea
acestuia în aplicaţii industriale ca traductor de proximitate sunt: a) deplasarea unui
magnet; b) ecranarea câmpului unui magnet; c) concentrarea câmpului magnetic.
a) Deplasarea magnetului permanent se poate face în două moduri: frontal sau
transversal (fig 12). În funcţionare cursa magnetului trebuie să depăşească
două distanţe de prag: una la care are loc deschiderea, cealaltă la care are loc
blocarea, datorită histerezisului.
b) Ecranarea câmpului unui magnet se poate realiza prin intercalarea unui
material feromagnetic (bandă de lăţime peste 1 mm) între sursa de câmp
magnetic şi senzor (fig 13)
c) Concentrare câmpului unui magnet se realizează prin apropierea unui material
feromagnetic în spatele senzorului, amplasat într-un câmp insuficient de intens
Fig. 11. Schema bloc a senzorului magnetic comutator
Fig. 12. Senzor de proximitate cu Fig. 13. Senzor de proximitate cu
deplasarea magnetului ecranarea câmpului
pentru a produce bascularea (figura 14). Prezenţa obiectului feromagnetic
permite bascularea prin creşterea inducţiei.
7. Traductoare ultrasonice
Senzorii ultrasonici sunt de fapt proiectaţi pentru măsurarea distanţelor dintre
senzor şi un obiect ţintă. Senzorii ultrasonici au un traductor acustic care vibrează cu
frecvenţă ultrasonică. Pulsurile ultrasonice sunt emise într-un volum conic şi direcţionate
spre obiectul ţintă. Sunt detectate ecourile reflectate de obiectul ţintă. Traductorul
măsoară intervalul de timp dintre emiterea pulsului ultrasonic şi ecoul reflectat de
obiectul ţintă pentru a determina cu precizie distanţa dintre obiectul ţintă şi senzor.
Senzorii ultrasonici rezolvă cele mai dificile probleme de sensibilitate şi detectează
obiecte ţintă realizate din aproape orice material, indiferent de culoare. Ele detectează
ţinte luminoase, transparente şi lucioase la fel de uşor ca pe cele din materiale întunecate
şi opace. Aceste calităţi permit senzorilor ultrasonici să detecteze o gamă largă de
materiale de la sticlă transparentă până la cauciuc negru. Senzorii ultrasonici lucrează de
asemenea foarte bine în cele mai dificile medii: praf, fum, zgomote, etc.
Spre exemplificare este prezentat senzorul din seria 942 produs de firma
Honeywell. În tabelul 2 sunt prezentate câteva dintre caracteristicile tehnice principale
iar în figura 15 sunt prezentate dimensiunile de gabarit ale senzorului.
Tabel 2. Carectiristici ale senzorului ultrasonic serie 942
Distanţa minimă senzor – obiect ţintă 150mm
Distanţa maximă senzor – obiect ţintă 1500mm
Tensiune de alimentare 19 – 30V
Curent absorbit <30mA
Curent de ieşire 0 – 100mA
Frecvenţă de comutare 5 – 30Hz
Interfaţă RS 232 sau 485
Fig. 14 Senzor de proximitate cu
concentrare de câmp
3.2. Traductoare pentru deplasări unghiulare
Traductoarele pentru deplasări unghiulare au în general aceleaşi principii de realizare ca şi
cele pentru deplasări liniare. Traductoarele unghiulare pot fi utilizate atât pentru măsurarea
deplasărilor unghiulare propriu-zise (între 0 şi 3600 sau 0-180
0) cât şi pentru măsurarea
deplasărilor liniare atunci când sunt cuplate prin intermediul unor dispozitive mecanice
corespunzătoare.
3.3.1. Traductoare rezistive pentru deplasări unghiulare
Principiul pe care bazează funcţionarea acestor traductoare este acelaşi ca şi a
traductoarelor liniare rezistive şi, prin urmare, au aceleaşi dezavantaje şi avantaje pe care le au
acestea (fig. 3.18). Cele mai multe traductoare rezistive unghiulare sunt realizate în montaj
potenţiometric relaţia dintre deplasarea unghiulară a şi tensiunea de ieşire fiind:
max
0UU x
(3.32)
Traductoarele potenţiometrice pot fi:
- servopotenţiometre unitură, la care se
execută o singură rotaţie începând cu o
poziţie de zero până la max (delimitat de
zone în care se dispun contactele), deci sub
3600, dar de regulă în game 270
0-355
0. În
cazul când se doreşte un interval mai redus
de unghi, acesta se limitează prin opritori.
- servopoteţiometru multitură, care se pot
utiliza în domenii ce depăşesc 3600, deoarece
au rezistenţa aplicată pe un suport elicoidal.
Variantele standard au trei rotaţii sau 10
rotaţii. Acestea se pot utiliza şi pentru
măsurarea deplasărilor liniare mari dacă sunt
Fig. 15. Dimensiuni de gabarit ale
senzorului ultrasonic din seria 942
produs de firma Honeywell
Fig. 3.18. Senzor rezistiv
potenţiometric pentru deplasări
unghiulare
acţionate prin intermediul unor reductoare corespunzătoare.
3.2.2. Traductoare capacitive pentru deplasări unghiulare
Singura variantă de traductor capacitiv pentru deplasări unghiulare este cea cu
modificarea suprafeţei elementului sensibil, realizată fie pe principiul condensatoare de acord
întâlnite frecvent în tehnica radio – şi care constă dintr-un condensator format din mai multe
armături fixe, între care se deplasează armături mobile fixate pe un rotor mobil (fig. 3.19.a) – fie
în varianta diferenţială din figura 3.19.b. Ca schemă de măsurare poate fi folosină schema în
punte prezentată în figura 3.16, pentru variante diferenţiale.
Elementul sensibil capacitiv din fig. 3.19 a poate fi utilizat şi în scheme de măsurare de tip
rezonant (fig. 3.20 a), în conjuncţie cu o inductanţă L constituită drept secundar al unui
transformator care permite şi alimentarea. Caracteristica statică Uieş()} (fig. 3.20 b) arată că un
traductor cu adaptor de tip rezonant se pretează ca indicator de nul pentru deplasări unghiulare
(nulul corespunzând tensiunii de ieşire maxime, sesizabilă cu un element de decizie (prag) ED).
3.3.3. Traductoare inductive pentru deplasări unghiulare
Principial sunt asemănătoare cu cele pentru deplasări liniare mici dar elementele sensibile
sunt adaptate pentru deplasări unghiulare.
Fig. 3.19 Senzori capacitivi pentru deplasări unghiulare.
a) montaj simplu; b) montaj diferenţial
Fig. 3.20. Adaptor de tip rezonant pentru elemente sensibile capacitive: a) schema
electrică; b) caracteristica statică
Elemente sensibile inductive cu miez feromagnetic mobil. Cel mai utilizat element sensibil
de acest tip este transformatorul rotativ diferenţial variabil (TRDV). Acesta se aseamănă cu cel
liniar, ca principiu de funcţionare şi performante. Un astfel de transformator constă dintr-o bobină
primara şi două secundare, dispuse pe un miez feromagnetic (uzual tole de tip E), la care
inductanţa de cuplaj se modifică. datorită deplasării unui rotor feromagnetic, prin aceasta
închizând diferit fluxul magnetic în cele doua bobine secundare (fig. 3.21)
Datorita neliniarităţii tensiunii de ieşire, TRDV se utilizează de regulă într-un domeniu
restrâns (40° ), eventual 60° . Traductorul este calibrat din fabrică, iar poziţia de zero este
marcată pe axul său. Singura modificare în performanţele TRDV în raport cu TLDV constă în
apariţia unor frecări suplimentare la rotor, dar cuplul fiind mic, acestea pot fi neglijate. Schemele
de măsură sunt de tipul celor de la TLDV(fie cu ieşire în c.a., fie cu ieşire în c.c.), ambele
variante necesitând protecţie la câmpuri electromagnetice externe. Frecvenţa de alimentare,
ţinând cont de caracteristicile miezului feromagnetic, se alege în gama 400 Hz-2 kHz_
Se pot utiliza şi elemente sensibile inductive cu modificarea reluctanţei, de tipul celor
prezentate în § 7.2.], beneficiind de scheme de măsurare de tip punte. În fig. 7.27 a se prezintă
schema de principiu pentru un astfel de element sensibil. .
VOM PREZENTA ÎN CONTINUARE CÂTEVA REALIZĂRI INDUSTRIALE CE
UTILIZEAZĂ PRINCIPIILE TEORETICE PREZENTATE ANTERIOR.
Înclinometrul IT9420 produs de firma americană CELESCO Transducer Products
Este realizat în carcasă de aluminiu şi are aspectul din figura .3.29a şi
dimensiunile prezentate în figura 3.29.b.
Are în compunere un pendul cu amortizare magnetică, cuplat cu un potenţiometru de
precizie realizat pe suport de plastic.
Domenii de măsurare de la 0-45 la 0-2400 cu ieşire în semnal unificat 4-20 mA şi semnal
de alimentare între 12 şi 20 Vc.c. (recomandat 24Vc.c).
Performanţe:
- precizie: ± 1% pe întreg domeniul de măsurare
- rezoluţie teoretic infinită
Fig. 3.21. Element sensibil de tip transformator rotativ diferenţial variabil; a)
schema constructivă; b) caracteristica statică
- ieşire liniară conform diagramei din figura …
Senzorul rezistiv PF1010 şi traductorul PT-1000 produs de Jordan Controls, Inc.
PF-1010 este un senzor rezistiv rotativ cu construcţie robustă destinat conversiei mişcării
a) b)
c)
Fig 3.29 Înclinometrul IT 9420 a) aspect general; b) diagrama de ieşire; c)
dimensiuni (în paranteze sunt dimensiunile exprimate în milimetri)
Fig. 3.30 . Senzorul PF 1010 Fig. 3.31. Cuplarea axului
senzorului cu potenţiometrul
de rotaţie a axului antrenat mecanic, într-un semnal electric într-un semnal electric.
Domeniul de măsurare poate fi cuprins între 580 şi 460 de rotaţii funcţie de
potenţiometrul utilizat şi de reductorul mecanic utilizat pentru cuplarea axului
potenţiometrului cu axul senzorului. Senzorul poate fi dotat cu limitatoare de capete de
cursă cu contact electric. Valoarea potenţiometrului este de 1000W, ia prin cuplarea
senzorului cu un adaptor PT-1000 produs de aceeaşi firmă se obţine la ieşire un semnal
unificat de 4-20mA.
În figura 3.30 este prezentat aspectul exterior al acestui senzor, iar în figura 3.32 sunt
prezentate dimensiunile de gabarit funcţie de variantă.
Modul de conectare a axului senzorului şi a axului potenţiometrului şi axului senzorului
sunt prezentate în figura 3.31.
Senzorul rezistiv DFP-2 produs de Magnetic
Power Systems, Inc.
Senzorul este dotat cu un potenţiometrul de
1K, având un domeniu de măsură de 3600 şi
este destinat controlului poziţiei rolelor de
ghidaj. Aspectul exterior al senzorului este
prezentat în figura 3.33. iar dimensiunile de
gabarit şi modul de conectare sunt prezentate în
figura 3.34. Se remarcă cablul de conectare de
Fig. 3.32. Dimensiuni de gabarit ale senzorului PF-1010
Fig. 3.33. Senzorul DFP-2
4,5 m ce face parte din senzor şi asigură cuplarea comodă la circuitul de măsurare.
Senzori pentru măsurarea solicitărilor mecanice
Cunoaşterea solicitărilor la care sunt supuse structurile mecanice precum şi a
efectului pe care acestea îl au asupra structurilor este esenţial pentru siguranţa în
funcţionare a acestor structuri. Principiile Rezistenţei materialelor descriu legăturile
dintre deformaţiile corpurilor şi solicitările mecanice la care acestea sunt supuse. Pornind
de la acest principiu, o categorie de senzori măsoară deformaţiile pe care diferite solicitări
le produc asupra unor corpuri pentru a determina mărimea solicitărilor. O altă categorie
de senzori utilizează principiul coardei vibrante care constă în aceea că frecvenţa de
oscilaţie a unei coarde elastice suspendate între două puncte depinde de distanţa dintre
cele două puncte. Deformare produsă de solicitarea mecanică va determina modificarea
distanţei dintre cele două puncte şi deci frecvenţa de oscilaţie; măsurând frecvenţa de
oscilaţie se va obţine deci o informaţie legată de solicitările ce acţionează asupra
structurii în care coarda vibrantă este inclusă.
Pornind de la principiile menţionate anterior se realizează traductoare de forţă, de
presiune de cuplu şi de acceleraţie.
3.1. Principii generale
Sondele rezistive sunt senzori pasi~i, care transformă variaţia dimensiunii proprii
în variaţie de rezistenţă electrică. Atunci când aceşti senzori sunt cuplaţi solidar pe o
structură mecanică, variaţia dimensiunii proprii va fi egală cu deformarea structurii,
deformare produsă de solicitările mecanice ce acţionează asupra acesteia.
Fig. 3.34. Dimensiuni de gabarit şi mod de cuplare pentru senzorul DFP-2
Se defineşte deformaţia ca raport dintre variaţia l a unei dimensiuni şi valoarea
iniţială l a acesteia:
l
l (3.1)
Cu ajutorul senzorilor rezistivi cunoscuţi sub numele de mărci tensiometrice se
pot determina deformaţii între 10-5
şi 2x10-1
cu precizii de până la 0,1%. Limita
inferioară a domeniul de măsură este determinată de zgomotul asociat circuitelor de
măsură iar limita superioară de limitele de elasticitate a materialului sondei şi a
adezivului de fixare pe structura de măsurat a acesteia.
În caz general, un senzor este constituit dintr-o grilă formată dintr-un conductor
filiform de rezistivitate , secţiune s şi lungime totală nl, l fiind lungimea unei ramuri iar
n fiind numărul total al acestora (figura 3.1); n este cuprins în general între 10 şi 20
pentru sondele mărcile metalica şi este egal cu 1 pentru mărcile semiconductoare. (figura
3.1.b)
Conductorul este fixat pe un suport izolant, hârtie sau plastic, care este la rândul
lui lipit pe structura studiată. Rezultă că marca suferă a deformare identică cu cea a
structurii, în direcţie paralelă cu ramurile; considerăm că deformarea este l/l.
Expresia rezistenţei mărcii este dată de:
snlR (3.2)
Sub influenţa deformaţiei, rezistenţa mărcii se modifică cu R, variaţia relativă a
acesteia fiind:
s
s
l
l
R
R (3.3)
Deformaţia longitudinală a mărcii antrenează variaţia dimensiunilor transversale:
lăţimea a şi înălţimea b în cazul unei secţiuni dreptunghiulare şi respectiv diametrul d în
cazul unei secţiuni circulare. Deformaţia transversală va fi proporţional cu deformaţia
longitudinală, adică:
l
l
d
d
b
b
a
a
(3.4)
unde este coeficientul lui Poisson, cu valori în jur de 0,3 pentru deformaţii elastice.
Deoarece secţiunea este bas sau 42ds rezultă variaţia relativă a
secţiunii:
l
l
s
s
2 (3.5)
a) b)
Fig. 3.1. Mărci tensiometrice; a) marcă metalică b) marcă semiconductoare
Mărcile metalice şi semiconductoare diferă prin expresia şi valoarea variaţiei
rezisivităţii /.
Pentru mărcile metalice relaţia dintre variaţia rezistivităţii şi variaţia volumului
este dată de relaţia lui Bridgman:
V
VC
(3.6)
Cum: lnsV , rezultă:
l
l
V
V
21 (3.7)
şi:
l
lC
21 (3.8)
rezultă:
l
lK
l
lC
R
R
21(21 (3.9)
unde K este factorul de marcă tensiometrică, are expresia:
)21(21 CK (3.10)
Ţinând cont de valorile numerice curente ( 0,3 şi C 1) factorul K (factor de marcă)
este în general aproximativ egal cu 2.
Pentru mărcile semiconductoare variaţia rezistivităţii se exprimă în funcţie de
solicitarea s şi coeficientul piezorezistiv cu relaţia:
l
lY
(3.11)
unde Y este modulul lui Young. Coeficientul piezorezistiv depinde:
- de orientarea liniilor rezistive în raport cu axele cristalografice pe de o parte şi
în raport cu direcţia solicitării s pe de altă parte;
- de natura dopajului (p sau n) şi gradul de dopaj al semiconductorului.
Pentru o marcă semiconductoare, variaţia rezistenţei va avea expresia:
l
lY
R
R
21 (3.12)
de unde: YK 21
În condiţii uzuale de utilizare a mărcilor semiconductoare, termenul Y este
preponderent şi se consideră practic că:
YK
Factorul K poate atinge în aceste condiţii valori cuprinse între 100 şi 200, semnul fiind
determinat de tipul dopajului. Mărcile semiconductoare, având o sensibilitate mare sunt
utilizate în special pentru măsurarea deformaţiilor foarte mici; în acelaşi timp, mărcile
semiconductoare au o liniaritate inferioară celor metalice şi o sensibilitate termică mai
ridicată. Se utilizează la măsurarea forţelor, acceleraţiilor, presiunii, etc., la care
etalonarea prealabilă permite stabilirea unui răspuns corespunzător.
Mărcile metalica sunt utilizate pentru măsurarea precisă deformaţiilor şi pot atinge
amplitudini importante pentru domenii de temperatură întinse.
Rezistenţele mărcilor metalice şi semiconductoare au valori standardizate, definite
cu precizii între 0,2 şi 10 şi valori nominale între 100 şi 5000.
3.2. Senzori rezistivi metalici
3.2.1. Efectul piezorezistiv în metale
Rezistenţa electrică a metalelor descreşte în general odată cu creşterea presiunii la
care sunt supuse. Acest lucru poate fi explicat prin faptul că odată cu creşterea presiunii
scad distanţele dintre particulele constituente ale reţelei cristaline şi ca urmare cresc
forţele ce se exercită între acestea. Creşterea forţelor interatomice este însoţită de o
scădere a amplitudinii oscilaţiilor atomilor în jurul poziţiei de echilibru. Cum conducţia
este reprezentată de deplasarea electronilor liberi prin interstiţiile reţelei cristaline, odată
cu scăderea amplitudinii oscilaţiilor atomilor scade probabilitatea de ciocnire a
electronilor liberi cu atomii reţelei deci scade rezistivitatea. Materialele metalica utilizate
pentru realizarea mărcilor tensiometrice metalica trebuie să posede o sensibilitate cât mai
mare, deci valoarea factorului K cât mai mare, dar şi o stabilitate a dimensiunilor şi a
rezistivităţii cu temperatura cât mai mare. În tabelul 3.1 sunt prezentate compoziţia şi
factorul de marcă pentru câteva aliaje utilizate pentru realizarea mărcilor tensiometrice:
Tabel3.1.Materiale metalice utilizate pentru realizarea mărcilor tensiometrice
Aliaj Compoziţie Factor de marcă
Constantan 45% Ni, 55% Cu 2,1
Izoelastic 52% Fe,36% Ni, 8% Cr, Mn+Mo 4% 3,5
Karma 74% Ni, 20% Cr, 3%Cu, 3% Fe 2,1
Nicrom V 80% Ni, 20% Cr 2,5
Platina-Tungsten 92% Pt, 8% W 4,1
Deşi materiale precum izoelastic şi nicrom V au sensibilităţi ridicate, din cauza
valorilor relativ mari a coeficientului de variaţie a rezistivităţii cu temperatura acestea au
o utilizare restrânsă pentru realizarea mărcilor tensiometrice.
Mărcile metalice pot fi realizate ca:
- mărci realizate din fire (fig. 3.2.a) cu diametre de ordinul a 20m lipite pe
suporturi izolatoare din hârtie cu grosimi de ordinul 0,1mm sau plastic cu grosimi de
ordinul 0,03mm. Deasupra este lipit un alt strat izolator şi întreg ansamblul este lipit cu
un adeziv special pe structura supusă încercării(fig. 3.3). Este preferată structura în grătar
sau meandre deoarece în acest fel cea mai mare parte din lungimea totală a conductorului
este poziţionată pe direcţia efortului de măsurat. Pentru cazul în care nu se cunoaşte
direcţia efortului sau efortul îşi modifică direcţia se utilizează mărci tensometrice cu două
sau trei elemente identice, cu axele decalate cu 900 sau 120
0 (figura 3.2.b,3.2.c). În cazul
utilizării mărcilor realizate din fire apar următoarele dificultăţi:
- În afara deformaţiei pe direcţia efortului principal se deformează şi porţiunea
transversală de întoarcere a conductorului. Deformarea acestei porţiuni este însoţită de
modificarea secţiunii şi deci şi a rezistenţei electrice, modificare care de obicei nu este
luată în calcul;
- Deformarea elastică a mărcii este însoţită de o
deformare plastică lentă a adezivului; acest efect poartă
numele de postefect la mărcile tensomentrice.
- Efectul deformaţiei porţiunii transversale dispare
dacă marca se realizează ca în figura … cu un singur fir
lipit. Dimensiunea mărcilor tensometrice diferă după
domeniul de utilizare al acestora; mărcile tensometrice
miniaturale sunt utilizate pentru studierea deformaţiilor
materialelor omogene, iar mărcile mari dimensiuni sunt
utilizate pentru studierea deformaţiilor structurilor
neomogene (grinzi de beton, lemn, etc.)
- Mărci peliculare (fig. 3.3) realizate prin
corodarea stratului conductor prin tehnologie similară
realizării cablajului imprimat. Structura de grătar se
obţine prin corodarea unei folii de metal de grosime 20-
40mm lipită pe un suport electroizolant. În cazul mărcilor
peliculare se pot obţine secţiuni mai mari în porţiunea de
întoarcere ceea ce face ca variaţia rezistenţei pe această
porţiune cauzată de efort, să fie neglijabilă. Utilizarea
tehnologiei imprimate oferă următoarele avantaje:
- reducerea dimensiunilor ceea ce permite măsurări punctuale precum şi a
gradientului deformaţiilor;
- obţinerea unor secţiuni mai mari în porţiunea de întoarcere ceea ce face ca
variaţia rezistenţei pe această porţiune cauzată de efort, să fie neglijabilă.
Fig. 3.2. Mărci tensometrice metalice cu fir
Fig. 3.3. Realizarea mărcii
tensometrice metalice cu
fir multiplu
Fig. 3.3. Marcă
tensometrică peliculară
- creşterea suprafeţelor laterale ale capetelor ceea ce va face ca la aceeaşi
rezistenţă să se obţină un contact termic mai bun cu structura şi o evaluare mai uşoară
energiei termice produse de curentul de măsură.
- grosimea suportului şi a grilei metalice mai mică (20-35mm în total) reduce
eroarea determinată de distanţa grilă-suprafaţa structurii în special în cazul măsurării
deformaţiilor.
Mărci tensometrice din materiale semiconductoare
O plăcuţă de siliciu cu grosimi de 100-150mm poate fi folosit ca marcă
tensometrică dacă la suprafaţa acesteia se depun impurităţi corespunzătoare; ea poate fi
lipită direct pe structura de încercat. Se pot realiza tensometre cu semiconductoare sub
forma unui filament (fig. 3.4.a,b) realizat prin corodare în cristal sau separat direct în fază
gazoasă. Mărcile semiconductoare au factori de conversie mult superioare mărcilor
metalice. Cum valoarea factorului de marcă K îşi schimbă valoarea la schimbarea tipului
de semiconductor (p sau n), este posibilă realizarea unei mărci duble pe acelaşi suport, cu
factori de conversie apropiaţi, dar la care semnele sensibilităţii sunt opuse (fig.3.4.c)
Rezistenţele electrice ale mărcilor tensometrice sunt normalizate la valorile 120,
300 sau 600. Ele se conectează în punţi cu două sau mai multe elemente, tensiunea de
alimentare a punţilor fiind de asemenea normalizate; tensiunea de alimentare astfel
dimensionate încât curentul sap se încadreze în valorile unificate de semnal electric. La
încercări de scurtă durată, valorile curentului pot fi mărite. În cazul mărcilor miniatură cu
lungimi de ordinul milimetrilor, tensiunea de alimentare a punţilor este limitată la
1..1,5V.
Caracteristici ale mărcilor tensometrice
3.2.2. Caracteristici principale ale mărcilor
Fig. 3.4. Mărci tensometrice semiconductoare
3.2.2.1. Rezistenţa
Rezistivitatea a aliajelor utilizate trebuie să fie suficient de ridicată pentru că
valoarea dorită a rezistenţei (între 100 şi 5000) să poată fi obţinută fără a fi necesară o
lungime excesivă a firelor sau secţiuni exagerat de reduse, care ar duce la scăderea
curentului de măsură şi ca urmare la scăderea sensibilităţii.
3.2.2.3. Factorul mărcii
Valorile cele mai întâlnite pentru factorul de jojă sunt în jurul de 2±0,1 cu
excepţia aliajului Izoelastic şi a celui platină-tungsten care au factori de marcă în jurul a
3,5 şi respectiv 4,1.
Influenţa solicitare –liniaritate: atât timp cât marca rămâne în limita de elasticitate,
factorul de marcă este constant asigurând o excelentă liniaritate între variaţia rezistenţei şi
deformaţiei. Când firul metalic este deformat peste limita de elasticitate (|l/l| între 0,5%
şi 20% funcţie de material) coeficientul lui Poisson devine egal cu 0,5 iar factorul de
marcă K, devine apropiat de 2 (de exemplu, pentru aliajul izoelastic, K=3,5 pentru
|l/l|<0,65%; peste această valoare K devine egal cu 2). Pentru materialele al căror
coeficient K este apropiat de 2 (constantanul de exemplu) nu apar practic variaţii ale
acestuia la depăşirea limitei de elasticitate; totuşi, în acest caz apar deformaţii permanente
ale firului mărcii şi o modificare permanentă a valorii rezistenţei electrice a acestuia
(histerezis).
Variaţia factorului K este relativ scăzută cu temperatura şi neglijabilă pentru
izoelastic. Pentru temperaturi între -100 şi 3000C se poate considera o variaţie liniară a
factorului K cu temperatura, conform relaţiei:
)(1)( 00 TTKTK k
unde K0 este coeficientul mărcii la temperatura de referinţă T0 care este în general de
250C. Ordinul de mărime al coeficientului de variaţie cu temperatura k este între -
0,04%/0C pentru Nicrom V şi +0,01%/
0C pentru constantan.
Sensibilitatea transversală
În calculul variaţiei rezistenţei în funcţie de deformaţie, nu s-a ţinut cont până
acum decât de rezistenţa longitudinală RL a ansamblului de fire. Între acestea (figura 3.1.)
se află o lungime lt, perpendicular pe direcţia longitudinală, cu o rezistenţă Rt şi care este
sensibil la deformaţia transversală.
Rezistenţa totală a mărcii fiind:
tL RRR
Variaţia relativă a rezistenţei va putea exprimată cu relaţia:
R
R
R
R
R
R tL
unde:
l
lK
R
R
L
L
şi
t
t
t
t
l
lK
R
R
Variaţia relativă a rezistenţei totale va avea deci expresia:
t
t
tL
L
tL
L
l
l
RR
RK
l
l
RR
RK
R
R
sau:
t
t
tLl
lK
l
lK
R
R
Se obţine: - factorul de marcă longitudinal : tL
LL
RR
RKK
.
- factorul de marcă transversal: tL
t
tRR
RKK
.
În cazul mărcilor cu fir Kt = 2*10-2
Efectul deformării porţiunii transversale devine neglijabil dacă marca realizată din
fire metalice are o secţiune mare în zona de întoarcere, iar lungimea acesteia (lt) este cât
mai redusă. În cazul mărcilor realizate prin tehnologie imprimată, porţiunea transversală
va avea lăţimi mai mari (fig. 3.3)
Elasticitatea (extensibilitatea) mărcii tensometrice
Deformările relative ce sunt măsurate pentru diferite structuri cu ajutorul mărcilor
tensometrice nu depăşesc 4-5‰, pentru aceste domenii fiind garantată liniaritatea
răspunsului mărcii tensometrice. Pentru materiale nemetalice (mase plastice, compunduri,
etc.) se pot măsura în condiţii speciale şi deformări de 20-40‰ iar în cazuri cu totul
excepţionale de ordinul a 100‰.
Influenţa temperaturii asupra rezistenţei mărcii tensometrice
Considerăm o marcă tensometrică lipită pe o structură metalică şi o variaţie a
temperaturii mediului. Datorită variaţiei de temperatură se modifică rezistenţa electrică a
mărcii, dimensiunea geometrică a acesteia, precum şi dimensiunea structurii pe care
aceasta este lipită.
Considerăm sensibilitatea mărcii K şi R coeficientul de variaţie cu temperatura a
rezistenţei mărcii. Variaţia va determina o variaţie relativă a rezistenţei mărcii
conform relaţiei:
RR
R
Vom nota cu T coeficientul de dilataţie liniară a mărcii şi cu S coeficientul de
dilataţie liniară a structurii mecanice pe care aceasta este lipită. Dacă marca tensometrică
ar fi liberă, variaţia de temperatură , ar produce o variaţie relativă a lungimii:
Tl
l
Cum însă marca este lipită pe structură, deformaţia rezultantă a mărcii va fi:
TSl
l
În acest caz variaţia relativă a rezistenţei produsă de variaţia relativă a lungimii va fi:
)(2
TSKl
lK
R
R
Variaţia totală a rezistenţei mărcii produsă de variaţia a temperaturii va fi:
TSR KR
R
R
R
R
R 21
sau:
R
R
unde este coeficientul total de variaţie a rezistenţei cu temperatura:
TSR K
Spre exemplificare, pentru o marcă de Cr-Ni lipită pe o structură de duraluminiu,
pentru o variaţie de temperatură de 1000C se obţine o deformaţie aparentă de 0,5‰ care
trebuie compensată.
Metode de compensare a erorilor de temperatură
a. Alegerea corespunzătoare a mărcilor şi structurilor
Posibilitatea cea mai simplă ar fi aceea de a alege mărci tensometrice
corespunzătoare anumite tipuri de structuri pe care acestea sunt lipite, astfel încât:
0)( TSR K
Această metodă se poate aplica numai în cazul măsrcilor metalice lipite pe
structuri metalice şi nu se poate aplica în cazul mărcilor semiconductoare.
b. Folosirea mărcilor compensate individual
Această metodă constă din introducerea
unor rezistenţe în serie sau în paralel cu marca
tensometrică (fig. 3.5.). Coeficientul de variaţie a
rezistenţei cu temperatura şi valoarea acestor
rezistenţe, sunt alese astfel încât, ansamblul marcă
tensometrică plus rezistenţă, să nu-şi modifice
valoarea la variaţii de temperatură.
Dacă în domeniul de lucru este îndeplinită
condiţia: <<1 (condiţie ce este de obicei
îndeplinită) atunci pentru compensarea serie (fig.
3.5.a) este necesar să fie îndeplinită condiţia:
CSCSCSCS RRRR ; În
cazul compensării paralel, în aceeaşi ipoteză,
trebuie realizată condiţia:
CPRR
Rezistenţa totală în cazul compensării serie va fi:
Fig. 3.5. Montarea rezistenţelor
de compensare
CS
tot RR
1
iar în cazul compensării paralel:
CP
tot
RR
1
În concluzie, dacă se urmăreşte păstrarea aceloraşi parametri pentru circuitul de
măsură, este necesar ca în urma compensării, rezistenţa totală să nu se modifice în mod
esenţial. Acest lucru se întâmplă dacă CP,CS>> şi din acest motiv, pentru compensări
se folosesc termistoare, care au coeficienţi de temperatură de (10-20) de ori mai mare
decât la rezistenţele metalice.
Dezavantajul esenţial al acestora este neliniaritatea pronunţată a dependenţei
R(T); din acest motiv, compensarea prin această metodă este eficientă numai pentru
domenii înguste de temperatură.
c) Compensarea efectului termic prin conectarea corespunzătoare a mărcilor tensometrice
în punţi de rezistenţe.
Punţile cu mărci tensometrice (fig. 3.6) sunt echilibrate iniţial
funcţionând în regim dezechilibrat în exploatare, iar instrumentul de
ieşire este gradat direct în valori ale deformaţiei relative l/l[m/m].
Elementele sunt conectate în braţele punţii astfel încât
variaţia temperaturii să nu afecteze tensiunea de dezechilibru a
punţii. Deoarece condiţia de echilibru a punţii este aceea ca produsul
rezistenţelor din braţele opuse să fie egal, conectarea în braţele
alăturate a punţii a doi senzori identici va face ca, la modificarea
temperaturii, condiţia de echilibru să nu fie modificată (modificarea
rezistenţei senzorului dintr-un braţ al punţii va fi compensată de modificarea în aceeaşi
măsură a rezistenţei senzorului din braţul alăturat). În cazul montării senzorilor în braţe
opuse ale punţii efectul modificării rezistenţei prin efect termic s-ar multiplica. În figura
3.6. rezistenţele R1 şi R2 pot fi mărci tensiometrice iar rezistenţele R3 şi R4 rezistenţe fixe.
În figura 3.7. sunt prezentate câteva modalităţi de poziţionare a mărcilor
tensometrice pentru determinarea solicitărilor diverse.
Fig. 3.6. Punte
de rezistenţe
Fig. 3.7. Variante de montare a senzorilor tensometrici
În figura 3.7.a. este prezentat un ansamblu de doi senzori tensometrici montaţi pe
două structuri diferite; faptul că solicitările nu sunt corelate şi faptul că există
posibilitatea ca mediile corespunzătoare celor două structuri să nu fie identice fac să nu
fie posibilă compensarea modificării temperaturii prin montarea în punte rezistivă.
Montarea a două mărci tensometrice pe aceeaşi structură, ca în figura 3.7.b., în
care una dintre mărci (1) este pe direcţia efortului (activă) iar cealaltă (2) este pe direcţie
normală efortului (pasivă) permite compensarea efectului temperaturii atunci când
acestea sunt montate în două braţe alăturate a punţii de rezistenţe (R1 şi R2 de exemplu în
figura 3.6.).
Montarea a patru mărci tensometrice pe aceeaşi structură ca în figura (3.7.c) din
care două sunt active (1 şi 3) iar două pasive (2 şi 4) permit prin montarea într-o punte de
rezistenţe nu numai compensarea efectului modificării temperaturii şi creşterea (dublarea)
sensibilităţii punţii.
Atunci când se utilizează două mărci active (fig. 3.7.d) la care variaţia rezistenţei
lor sub efectul efortului este de semn contrar, montarea lor în două braţe alăturate ale unei
punţi (R1 şi R2 din figura 3.6) permite, la fel ca în cazul anterior, compensarea efectului
modificării temperaturii şi dublarea sensibilităţii punţii.
Utilizarea a patru mărci tensometrice identice cu axele decalate la 450 faţă de
generatoarea axului care se supune unui cuplu de torsiune (figura 3.7.e) are ca efect
solicitarea la întindere a mărcilor 1 şi 3 şi solicitarea la compresiune a mărcilor 2 şi 4 . Ca
urmare atunci când cele 4 mărci sunt conectate într-o punte de rezistenţe ca în figura 3.6.
se realizează o creştere de 4 ori a sensibilităţii punţii şi compensarea efectului modificării
temperaturii.
Reproductibilitatea măsurărilor cu mărci
tensometrice nu depăşeşte o durată de timp de
ordinul câtorva ore, deoarece au loc deformări
ireversibile, plastice, ale adezivului cu care este
lipită marca pe structura supusă efortului, adeziv
care este format cin compoziţii pe bază de răşini
acrilice, celulozice, fenolice, etc. Fiecărui tip de
adeziv, îi corespunde un domeniu strict de lucru al
mărcii tensometrice. Mărcile odată lipite, nu mai pot
fi folosite în alte măsurători, deoarece se distrug la
dezlipire. Există şi posibilitatea de realizare a unei
reproductibilităţi în măsurările tensometrice chiar de
ordinul anilor dacă este utilizat un procedeu de
măsurare cu fir tensionat aşa cum este figurat în
figura 3.8. în care sunt utilizate un ansamblu de
fire tensionate pe care sunt montate mărci
tensometrice într-un mod similar celor prezentate
în figura 3.7.d.. Atunci când axul B este solicitat
la torsiune faţă de structura fixă A se fixează tije
electroizolante rigide pe structura A între care se
tensionează conductoare de constantan prin
înfăşurare. Se pot realiza aceleaşi rezistenţe
iniţiale pentru toate elementele care se conectează
Fig. 3.8. Creşterea
reproductibilităţii măsurărilor
cu mărci tensometrice
Fig. 3.9. Alungirea relativă produsă
de efectul de alunecare în cazul
adezivilor pe bază de răşini acrilice
într-o punte ca în figura 3.6. Răsucirea axului B determină întinderea firului 1 şi 3 şi
comprimarea firelor 2 şi 4. Rezultatele rămân aceleaşi la acest dispozitiv, chiar şi după
câţiva ani.
Domeniul de temperatură
Domeniul temperaturilor de lucru pentru senzorii tensorezistivi este dat de tipul
constructiv al acestora, dar şi de adezivul folosit pentru fixarea acestuia pe structura
supusă efortului; trebuie luate în considerare stabilitatea fizico-chimică a acestuia precum
şi intensitatea postefectului acestuia.
Iniţial, după lipire şi uscare, marca se consideră rigidizată pe structură, deci se
deformează odată cu aceasta. În timp însă, adezivul se deformează, alunecă încet către
starea netensionată, modificând rezultatul măsurătorilor. Procesul este accelerat la
temperaturi mai ridicate. Pentru exemplificare, în figura 3.9 este prezentată deformarea
aparentă ce apare ca urmare a „alunecării” adezivului la temperatura de 200C şi la
temperatura de 700C în cazul utilizării unui adeziv pe bază de răşini acrilice; se observă
că acest efect se dublează practic atunci când temperatura de lucru este de 700C faţă de
cazul unei temperaturi de lucru de 200C. Trebuie menţionat că rezultatele măsurătorii
sunt afectate de eroarea de „alunecare” mai ales în cazul măsurărilor statice, în cazul
măsurătorilor dinamice, la care timpul de răspuns este foarte scurt, influenţa acestui
fenomen fiind neglijabilă.
Adezivii obişnuiţi lucrează în domenii care nu depăşesc 2000C iar pentru
compoziţii speciale se poate ajunge la 2800C. Pentru temperaturi mai mari apare şi
problema stabilităţii fizice a metalului (sau a aliajului) din care este realizată marca
tensometrică. Se pot atinge temperaturi de lucru ridicate prin utilizarea unor mărci din
aliaje de platină-iridiu cu adezivi pe bază de chituri ceramice. Se fixează marca pe o
ţesătură din fibră de sticlă şi întreg ansamblul se lipeşte cu chit ceramic pe structura a
cărei solicitare se măsoară. În acest fel se pot face măsurători până la temperaturi de
4000C în regim continuu şi de circa 600
0C în regim de scurtă durată.
Circuite de măsură pentru mărcile tensometrice.
Ca circuite de măsură se utilizează punţi de c.c. ce funcţionează în regim
dezechilibrat, punţi în care se montează una, două sau patru mărci tensometrice (fig. 3.10.
La contactul dintre marcă şi circuit, din cazuza naturii
diverse a conductoarelor şi a mărcii, pot apărea
tensiuni termo-electromotoare, tensiuni ce se
suprapun peste tensiunea de dezechilibru dependentă
de modificarea mărcii tensometrice. Pentru eliminarea
erorii determinate de tensiunile termo-
electromototoare se recomandă realizarea a două
măsurători în aceleaşi condiţii dar cu polarităţi diferite
ale tensiunii de alimentare; media rezultatelor
obţinute va elimina eroarea determinată de aceste
tensiuni.
Fig. 3.10. Circuite de măsură
în punte cu mărci tensometrice
În măsurătorile de laborator se utilizează o rezistenţă reglabilă suplimentară (Ra
din figura 3.10.) ce permite compensarea eventualelor nesimetrii ale mărcilor
tensometrice în stare nesolicitată.
În curent alternativ se preferă aşa numita „punte cu frecvenţă purtătoare”
prezentată schematic în figura 3.11. Întreg ansamblul se realizează ca aparat portabil
(punte tensometrică) prevăzute cu intrări corespunzătoare configuraţiei circuitului de
măsură utilizat. Puntea se alimentează de la un oscilator (O) cu frecvenţă constantă (de
ordinul KHz); semnalul de dezechilibru este amplificat de un amplificator de c.a.(AM) şi
detectat sincron de detectorul DSF. Instrumentul de ieşire, analog sau nimeric, este gradat
direct în valori ale deformaţiei (m/m). Pentru aceasta, este necesar să fie cunoscut
factorul de conversie (K) al mărcilor tensometrice utilizate, iar puntea este reglată iniţial
funcţie de această valoare. În curent alternativ efectul tensiunii de contact este nul, în
schimb trebuie compensate elementele
capacitive parazite din punte, cele mai
importante fiind capacităţile mărcilor
tensometrice şi capacitatea acestora faţă de
masă. Măsurătoarea este corectă numai
după compensarea elementelor capacitive
parazite.
Pentru ambele tipuri de punţi, dacă
distanţa dintre punctul de măsură şi
puinctul de lucru, unde sunt poziţionate
mărcile; este mare, trebuie să se ţină cont
de căderea de trensiune pe conductoarele
de legătură (deci pe rezistenţa acestora) dar
mai ales de variaţia acestei rezistenţe cu
temperatura. De exemplu, pentru un
conductor de legătură de 4mm2 cu
lungimea de 10m se obţine la temperatura
de 200C o rezistenţă de aproximativ 44
Fig. 3.11. Circuit de măsură în punte de c.a.
dezechilibrată pentru mărci tensometrice
Fig. 3.12. Variaţia în timp a purtătoarei
în cazul măsurării solicitărilor dinamice.
m; o variaţie de ±100C determină o variaţie a rezistenţei conductorului de legătură de
circa 1,7m.
În cazul măsurătorilor dinamice se utilizează o frecvenţă purtătoare f1 din figura
3.12. mult mai mare (de circa 20 de ori) decât frecvenţa solicitărilor dinamice (f2).
Semnalul de dezechilibru va fi o tensiune modulată în amplitudine; după demodulare se
obţine semnalul u(t) ce reflectă fidel variaţia solicitării mecanice semnal ce poate fi
vizualizat şi prelucrat ulterior. Datorită dimensiunilor mici, inerţia mecanică a mărcilor
tensometrice este neglijabilă şi din acest motiv pot fi studiate solicitări dinamice cu
frecvenţe de până la 50KHz (de exemplu vibraţii).
Aplicaţii ale senzorilor tensometrici
Senzorii tensometrici au aplicaţii diverse, începând de la măsurarea presiunilor,
forţelor şi cuplurilor până la măsurarea acceleraţiei. În figura 3.12. sunt prezentate câteva
aplicaţii tipice pentru utilizarea senzorilor tensometrici în măsurări.
În figura 3.12.a este figurată utilizarea mărcilor tensometrice la măsurarea
presiunilor mici, absolute sau diferenţiale. Pentru aceasta, cele două presiuni, P1 şi P2,
acţionează prin intermediul a două tuburi gofrate (elastice) asupra unei membrane
elastice centrale care este supusă la încovoiere (în dreapta sau în stânga); pe membrană
sunt montate două mărci tensometrice care lucrează diferenţial. Atunci când se măsoară o
Fig. 3.12. Aplicaţii ale senzorilor tensometric în măsurări
singură presiune, una din intrări se blochează. Pentru o măsurare corectă este necesar ca
să nu existe histerezis mecanic în tuburile gofrate.
În figura 3.12.b mărcile tensometrice sunt utilizate tot pentru măsurarea presiunii
diferenţiale, dar în acest caz, cele două mărci (1 şi 2) sunt lipite direct pe membrana
elastică (metalică) care se deformează sub influenţa celor două presiuni (P1 şi P2). În mod
implicit, se măsoară diferenţa P1-P2; dacă se măsoară numai una dintre presiuni, cealaltă
intrare se blochează.
Mărcile tensometrice de formă specială prezentate în fig. 3.12.c şi 3.12d, sunt
utilizate pentru măsurarea deformărilor tangenţiale (fig. 3.12.c) şi a celor radiale (fig.
3.12.d.) a unor membrane metalice elastice. Se pot realiza şi elemente specializate pentru
membrane care posedă ambele tipuri de mărci atât tangenţiale cât şi radiale.
În figura 3.12.e. este figurată o masă inerţială care este suspendată într-un lichid
prin intermediul a două lamele elastice. La apariţia unui şoc mecanic pe direcţie
orizontală, masa inerţială rămâne practic în repaus; în schimb se deplasează carcasa, iar
mărcile 1-4, lipite pe cele două lamele, permite determinarea acceleraţiei mişcării.
Măsurarea deplasărilor foarte mici este posibilă prin intermediul unui dispozitiv
ca cel din figura 3.12.f. Corpul C, prevăzut cu un plan înclinat, se deplasează pe
orizontală. Deplasarea planului înclinat determină încovoierea unei lamele pe care sunt
fixate mărcile 1 şi 2. Se pot astfel deplasări liniare foarte mici.
Cap. yyy. Măsurarea temperaturii
Consideraţii generale legate de măsurarea presiunii
Mărimi fundamentale. Definiţii
În cazul fluidelor, fiecare element de volum suportă acţiunea unor forţe din partea restului
de fluid, care, în cazul fluidelor perfecte sunt perpendiculare pe fiecare suprafaţă a volumului de
fluid considerat.
O forţă F uniform distribuită pe o suprafaţă S exercită asupra acesteia o presiune p a
cărei valoare este:
S
Fp (2.69)
Din expresia presiunii se observă că, măsurătorile de presiune sunt de fapt măsurători de forţă,
astfel încât, metodele utilizate pentru măsurarea presiunii pot fi utilizate şi pentru măsurarea forţei
şi invers.
Moduri de exprimare a presiunii
În practica măsurării presiunii se întâlnesc în mod obişnuit trei situaţii:
- măsurarea presiunii în raport cu vidul absolut (considerat presiune zero) – în acest fel
se defineşte presiunea absolută;
- măsurarea diferenţei de presiune faţă de presiunea atmosferică – în acest fel se
defineşte presiunea relativă (efectivă). Presiunea atmosferică este presiunea exercitată
de aerul ce constituie atmosfera terestră; s-a stabilit o presiune convenţională, numită
presiune atmosferică normală egală cu presiunea exercitată de o coloană de mercur cu
înălţimea de 733,5 mm;
- măsurarea diferenţei de presiune faţă de o presiune convenţională de referinţă (aleasă
de utilizator funcţie de proces) + în acest mod se defineşte presiunea diferenţială.
Pentru un fluid în mişcare se pot defini:
- presiunea statică – se defineşte ca presiune exercitată de fluidul imobil, sau presiune
care se exercită la suprafaţa plană de separare a două mase ale aceluiaşi fluid aflat în
mişcare;
- presiune totală; dacă într-un curent de fluid se montează un obstacol, perpendicular
pe direcţia de deplasare a fluidului, în punctul de oprire, viteza se anulează şi întreaga
energie cinetică a fluidului apare sub formă de presiune ce se exercită în punctul de
oprire se numeşte presiune totală;
- presiune dinamică – definită ca diferenţă dintre presiunea totală şi presiunea statică.
Unităţi de măsură
În Sistemul Internaţional , conform relaţiei de definiţie a presiunii, se obţine:
Pam
N
S
FP 11
][1
][1][1
2 (2.70)
Unitatea de măsură pentru presiune definită mai sus (Pa) poartă numele de Pascal.
Deoarece presiunea de 1 Pa este o presiune foarte mică, în tehnică se folosesc în mod
uzual multiplii acestuia Kpa şi Mpa; un multiplu frecvent utilizat este 1bar = 105Pa.
Alte unităţi utilizate în tehnică pentru exprimare presiunii sunt:
- atmosfera tehnică: 1[at]=1Kgf/cm2=98066,5Pa=0,98bar
- atmosfera (atmosfera fizică) 1[atm] este egală cu presiunea exercitată de o coloană de
mercur cu înălţimea de 760mm la 00C şi g=9,8m/s
2: 1[atm]=101325N/m
21,01[bar]
- milimetru coloană de mercur: 1[mmHg]133,3Pa;
- milimetru coloană de apă – presiunea exercitată de o coloană de apă cu înălţimea de
1mm la 40C şi g=9,8m/s
2: 1[mmH2O]=9,807Pa;
În funcţie de valoarea presiunii faţă de valoarea de presiunea de 1bar”1atm presiunile se pot
grupa în :
- suprapresiuni - presiuni care au valoarea mai mare de 1 bar; la rândul lor
suprapresiunile se pot clasifica în:
o presiune medie între 10 şi 102 bar;
o suprapresiune tehnică între 102 şi 10
4 bar;
o presiuni foarte înalte, mai mari de 104bar;
- subpresiuni – presiuni care au valoare mai mică de 1bar; la rândul lor acestea se pot
clasifica în:
o vacuum între 10-6
şi 10-1
bar;
o vacuum tehnic între 10-9
şi 10-6
bar;
o vacuum extrem – presiuni mai mici de 10-9
bar.
2.7.2. Elemente sensibile
Pentru măsurarea presiunii se utilizează pentru conversia primară deformaţia pe care un
care un corp de probă o suferă sub acţiunea presiunii de măsurat; această deformaţie depinde de
presiunea ce se exercită asupra corpului, de forma şi dimensiunile corpului şi de proprietăţile
acestuia [60]. Astfel, pentru un corp cilindric (vezi figura 2.85) care suferă atât o deformare
longitudinală cât şi una radială deformaţiile relative (l/l) sunt date de relaţiile:
- pentru un tub lung (L>>r)
e
r
Y
P
e
r
Y
P
85,0
211
(2.71)
e
r
Y
P
e
r
Y
P
20,0
2
12 (2.72)
- pentru un tub scurt (L>r):
e
r
Y
P
rL
L
221
(2.73)
e
r
Y
P
rL
L
22
12 (2.74)
unde: - este coeficientul lui Poisson care descrie raportul dintre deformarea în direcţia forţei şi
deformarea în direcţia perpendiculară;
- Y este modulul de elasticitate Young.
Pentru o membrană elastică încastrată (figura 2.86) parametrii care descriu deformarea datorată
presiunii P sunt [81]:
- săgeata maximă f a cărei valoare se calculează cu relaţia:
3
42
2)1(
8
3
e
R
Y
Pf (2.75)
- ecuaţia deformării:
3
22221
16
3
e
rR
Y
Pz
(2.76)
Fig. 2.85. Deformaţia unui tub cilindric
Fig. 2.86. Deformaţia unei membrane încastrate
- deformaţia radială 1 dată de ecuaţia:
2
222
1
3)1(
8
3
e
rR
Y
P (2.77)
- deformaţia tangenţială 2 dată de ecuaţia:
2
222
2 )1(8
3
e
rR
Y
P (2.78)
Membranele ondulate
(gofrate) prezintă, faţă de
membranele plane, următoarele
avantaje: posibilitatea obţinerii unor
deformări (săgeţi) mai mari fără
deformări permanente, o
caracteristică de funcţionarea mai
apropiată de cea liniară, stabilitatea
mai bună a caracteristicilor. Aceste
membrane au o zonă centrală plană
rigidizată şi onduleuri concentrice
de diferite forme (sinusoidale,
trapezoidale, ascuţite) prezentate în
figura 2.87.
Membranele ondulate pot fi simple, având profilul prezentat în figura, 2.87 sau sub
forma unor ansambluri lipite pe circumferinţă, care poartă numele de capsule, care avantajul
obţinerii unei săgeţi duble fală. de membrana simplă.
Dezavantajul membranelor ondulate este dat de dificultăţile tehnologice de obţinere a acestora.
Săgeata maximă este legată de presiune printr-o relaţie de forma:
3
//
4
4
e
fb
e
fa
Ye
PR
(2.79)
Tuburile ondulate (silfoanele) sunt tuburi
cilindrice care prezintă gofraje transversale pe
suprafaţa laterală. Forma generală a unui silfon
este prezentată în figura 2.88.
În mod uzual, diametrele tuburilor ondulate sunt
cuprinse între 7 şi 150mm, iar grosimea
materialelor, h=0,08...0,3mm. Considerând tubul
ondulat ca un sistem de plăci inelare legate pe
conturul exterior, rezultă săgeata f dată de
relaţia:
3
2
02Yh
FrnAf k (2.80)
unde: - F este forţa centrată care acţionează axial
asupra tubului;
Fig. 2.87. Membrane gofrate. a) sinusoidale,
b)trapezoidale, c) triunghiulare
Fig. 2.88. Tuburi ondulate (silfoane)
- n = numărul de onduleuri;
- h = grosimea;
- r0 = razele de curbură ale onduleurilor;
- Ak = coeficient care depinde de materialul tubului şi de geometria lui.
Ţinând cont că :
efApF (2.81)
unde Aef este aria efectivă considerată constantă dată de relaţia:
2
2
i
ef
RRA
(2.82)
se obţine:
pkf 0 (2.83)
unde s-a notat:
efk A
hY
nAk
30
2 (2.84)
Tuburile Bourdon sunt tuburi cu pereţii subţiri sau
groşi de forma unui arc de cerc având la centru un unghi de
circa 250° vezi figura 2.89. Deoarece din punct de vedere
constructiv sunt relativ simplu de executat au o mare
răspândire în dispozitivele de măsurare a presiunii. Deoarece
sensibilitatea este relativ mică, pentru obţinerea. unei
deplasări apreciabile a capătului liber se montează un
mecanism de multiplicare. Mişcarea elementului sensibil datorată deformării sub influenţa.
presiunii este transformată. în semnal electric prin intermediul unui traductor pentru deplasări
mici ataşat elementului sensibil, traductoare descrise anterior.
Pentru exemplificare vom prezenta în continuare modul de realizare şi caracteristicile
tehnice ale senzorilor din familia GF 2450 produşi de firma SIGNET. Aspectul exterior ala
acestora este prezentat în figura 2.90 Elementele componente ale senzorului sunt:
a) bloc de ieşire
b) cablu de conectare pentru conectare la distanţă (4,5m)
c) Cablu pentru instalare integrală (152mm)
d) Conectare filetată ¾’
e) Corp realizat prin injecţie
f) Diafragmă plană
g) Conectare filetată 1/2’
Fig. 2.89. Tub Bourdon
Fig. 2.90 Senzor GF 2450 SIGNET
Senzorul măsoară diferenţa dintre presiunea din proces aplicată pe o faţă a diafragmei şi
presiunea atmosferică aplicată pe cealaltă faţă a diafragmei. Pentru a asigura aplicare presiunii
atmosferice pe un din feţele diafragmei este prevăzut un tub capilar în spatele diafragmei; trebuie
luate măsuri ca să nu pătrundă umezeala prin acest tub spre partea posterioară a difragmei,
aceasta putând fi deteriorată. O secţiune prin senzor este prezentată în figura 2.91.
Senzor
ul poate fi
utilizat pentru
măsurări de
presiune de
gaze şi de
lichide,
caracteristicile
tehnice pentru
trei variante de
senzor fiind
prezentate în
tabelul 2.8,
realizarea senzorului realizându-se în conformitate cu standardele de calitate ISO 9001 şi ISO
14001
Tabel 2.8. Caracteristici tehnice ale senzorilor GF 2450
Caracteristică 2450-xU 2450-xL 2450-xH
Presiune de operare [bar] 0…0,7 0…3,5 0…17
Presiune maximă 1,5 5 20
Conectare la proces Reducţie filetată ½’ sau ¾’
Precizie ±1% din domeniu maxim la 250C
Derivă de temperatură ±0,03% din domeniu/0C
Repetabilitate ±0,5% din domeniu
Greutate 0,151kg
Temperatură de depozitare -550C …100
0C
Aparatele care convertesc presiunea într-o deformare (deplasare) a unui element elastic sunt
utilizate în special pentru măsurătorile statice, timpii de măsurare fiind relativi mari.
2.7.3. Senzori piezoelectrici
Pentru a genera un semnal electric senzorii piezoelectrici folosesc efectul piezoelectric (din
termenul grecesc piezo care în semna a strânge). Atunci când un element piezoelectric este supus
unei forţe de comprimare exterioare, se produce o deplasare a sarcinilor electrice, acestea
acumulându-se pe feţele opuse. Figura 1 ilustrează deplasarea sarcinilor electrice în reţeaua unui
cristal piezoelectric natural. Cercurile mai mari reprezintă atomii de siliciu iar cele mai mici
atomii de oxigen. Cuarţul cristalin, atât în forma lui naturală cât şi cea procesată este unul dintre
cele mai sensibile şi mai stabile materiale piezoelectrice disponibile.
Fig. 2.91. Secţiune prin senzorul GF 2450 SIGNET
Pe lângă cuarţurile cristaline se pot utiliza în senzorii piezoelectrice şi materialele
policristaline piezoceramice. Aceste materiale devin piezo-electrice prin aplicarea unui câmp
electric foarte intens şi furnizează o foarte mare cantitate de sarcini la ieşire. Această proprietate
este ideală pentru sistemele de măsură cu zgomot redus. În tabelul 2.9 sunt prezentate comparativ
avantajele şi dezavantajele celor două tipuri de materiale piezoelectrice
Tabel 2.9. Caracteristici ale materialelor piezoelectrice
Cuarţ cristalin Policristaline ceramice
Material piezoelectric natural Material polarizat artificial
Sensibilitate ridicată în tensiune Sensibilitate ridicată în sarcină electrică
Calităţi mecanice comparabile cu ale oţelului Disponibil într-o gamă nelimitată de
dimensiuni şi forme
Stabilitate termică pe termen lung excelentă Operează până la circa 5500C
Nu este piroelectric (polarizarea nu depinde de
temperatură)
Sunt piroelectrice
Coeficient de variaţie cu temperatura scăzut Caracteristicile depind de temperatură
În senzorii industriali se utilizează elemente piezoelectrice de forme şi dimensiuni diferite. Având
o precizie ridicată diferite configuraţii de elemente (prezentate în fig 2.93) oferă diferite avantaje
şi dezavantaje (săgeţile indică sensul efortului la care sunt supuse cristalele de cuarţ). Atunci când
sunt solicitate la compresiune elementele piezoelectrice pot fi utilizate pentru măsurarea presiunii
şi forţei la eforturi şi frecvenţe mari. Dezavantajele sunt legate în acest caz de sensibilitatea la
modificarea temperaturii. Solicitările la
încovoiere permit o realizare simplă a
senzorilor dar permit o utilizare într-un
domeniu îngust de frecvenţe şi au o
capacitate de supraîncărcare redusă.
Configuraţia de solicitare la forfecare
este tipică senzorilor de acceleraţie,
oferă posibilitatea utilizării într-un
domeniu larg de frecvenţe, sensibilitate
scăzută la solicitări în afara axelor şi la
temperatură.
Chiar dacă au o rezistenţă mecanică de ordinul 104x109N/m
2, care este comparabilă cu a
multor metale, materialele piezoelectrice pot produce semnale de ieşire ridicate la solicitări
reduse, adică au o sensibilitate ridicată. Senzorii piezoelectrici au o liniaritate excelentă şi un
domeniu de amplitudine larg, iar atunci când sunt cuplaţi cu un circuit de condiţionare a
semnalului corespunzător pot ajunge până la o amplitudine dinamică (definită ca raport între
domeniu maxim de măsură şi zgomot) de 120dB.
Trebuie subliniat faptul că senzorii piezoelectrici pot măsura realiza numai măsurători
dinamice; ei nu sunt capabili să măsoare evenimente continui statice precum presiune barometrică
Fig 2.92 Deplasarea sarcinilor în materialele
piezoelectrice
Fig. 2.93. Moduri de aplicare a efortului
măsurări de greutate, etc. În timp ce evenimentele statice vor produce o semnal de ieşire iniţial,
acest semnal va scădea în timp funcţie de constanta de timp materialului piezoelectric sau a
electronicii ataşate. Această constantă de timp corespunde unui filtru de ordin I şi depinde de
capacitatea şi rezistenţa electrică a dispozitivului. Acest filtru determină în final frecvenţa minimă
la care poate lucra dispozitivul.
2.7.3.1. Realizarea senzorilor
Ne vom referi în continuare la modul de realizare a senzorilor piezoelectrici produşi de
PCB Piezotronics. Se realizează două tipuri de senzori ţinând cont de caracteristicile lor de ieşire:
senzori cu semnal de ieşire în sarcină care produc sarcini pe o impedanţă de ieşire ridicată
(senzori în mod sarcină) şi senzori cu ieşire în tensiune care au inclus un amplificator
microelectronic (ICP – Integrated Circuit Piezoelectric), ce converteşte sarcina de impedanţă
ridicată într-o tensiune de ieşire cu
impedanţă redusă . Senzorii piezoelectrici
sunt disponibili într-o gamă largă de
dimensiuni şi forme, cu diferite moduri de
conectare la proces pentru diferite tipuri
de măsurări de presiune. Cristalele de
cuarţ sunt preîncărcate în carcasă pentru a
asigura o bună liniaritate şi o bună
repetabilitate a măsurătorilor. Se mai
utilizează ca material piezoelectric
turmalina, material cristalin natural şi
stabil, mai ales atunci când este necesară
o sensibilitate volumetrică ridicată. O
secţiune printr-un senzor piezoelectric este
prezentată în figura 2.94.
Senzori în mod sarcină
Atunci când senzorul este supus
presiunii sunt generate sarcini electrice;
acest semnal de ieşire de impedanţă ridicată trebuie trimis, prin intermediul unui cablu special cu
zgomot mic, la un convertor de impedanţă şi un amplificator. Trebuie menţinută o rezistenţă de
sarcină ridicată în cabluri şi conectori.
Prima funcţie a amplificatorului de sarcină sau tensiune este de a converti impedanţa de
ieşire ridicată într-un semnal de tensiune de impedanţă scăzută care să poată fi înregistrat.
Amplificatoarele de sarcină de laborator au capabilităţi suplimentare pentru normalizarea,
etalonarea şi filtrarea semnalului.
Senzorii de presiune piezoelectrici în mod sarcină pot fi utilizaţi la temperaturi mai
ridicate decât senzorii ICP
deoarece temperatura limită este
determinată mai mult de
temperatura limită a cristalului decât
de electronica inclusă.
Ţinând cont de faptul că în modul
sarcină semnalul de ieşire al
cristalului este o sarcină de
impedanţă ridicată, componentele
interne şi conectorii externi ai
Fig. 2.94 Secţiune prin senzor piezoelectric
Fig. 2.95 Schema echivalentă a circuitului de
transmitere a semnalului în mod sarcină
senzorului de presiune trebuie să asigure o rezistenţă de izolaţie foarte ridicată (în mod normal de
1013
ohm); în consecinţă, orice conector, cablu sau amplificator utilizat trebuie să aibă de
asemenea o rezistenţă de izolaţie ridicată pentru a menţine integritatea semnalului. În figura 2.95
este prezentat schematic modul de obţinere şi schema echivalentă a circuitului de transmitere a
semnalului în mod sarcină cu notaţiile:
- q este semnalul de ieşire ;
- C1 capacitatea cristalului;
- C2 capacitatea echivalentă a cablului;
- C3 capacitatea de intrare a amplificatorului de sarcină
- C4 capacitatea din reacţie
Factorii de mediu care acţionează asupra elementelor de legătură (umezeală, murdărie,
ulei, unsori) produc micşorarea rezistenţei de izolaţie şi ca urmare produc erori de semnal şi
rezultate ce pot fi incorecte; este necesară de aceea utilizarea unor cabluri de legătură cu zgomot
mic. În mod normal, atunci când un cablu cu două fire sau coaxial este îndoit generează o sarcină
între conductoare. Această sarcină este cunoscută sub numele de zgomot triboelectric şi nu poate
fi discriminat din semnalul de ieşire în mod sarcină al senzorului. Trebuie deci utilizat un cablu
de legătură de zgomot mic (aşa cum reiese din figura 2.96) care are montat între izolator şi ecran
un strat lubrifiant din grafit. Acest cablu reduce zgomotul triboelectric şi contribuie la
îmbunătăţirea calităţii semnalului util al senzorului.
Senzori cu ieşire în
tensiune ICP
Senzorii
ICP au încorporat un
amplificator
microelectronic
MOSFET care
converteşte
semnalul de ieşire
sarcină electrică de impedanţă ridicată într-un semnal de tensiune de impedanţă scăzută. Un
senzor ICP este alimentat de la o sursă de curent constant şi poate opera cu cabluri lungi, atât
coaxiale cât şi de tip panglică, fără a se pierde din calitatea semnalului. Semnalul de tensiune de
impedanţă joasă nu este afectat de zgomotul triboelectric al cablului sau de reducerea rezistenţei
de izolaţie de către factorii de mediu.
Sursele utilizate de senzorii ICP au tensiuni cuprinse între 24 şi 27 Vc.c. şi 2 la 20mA
curent constant. Figura 2.97 ilustrează schematic un sistem tipic cu senzor ICP.
Fig. 2.96. Legarea senzorilor în mod sarcină
Unele sisteme de achiziţie date au incluse surse ce curent constant de la care pot fi
alimentaţi direct senzorii ICP. Se realizează dispozitive de condiţionare a semnalului care permit
utilizarea şi calibrarea în regim static a senzorului sau măsurări qvasistatice.
Pentru unele medii foarte dificile se pot utiliza sisteme hibride prin cuplarea unui senzor
în mod sarcină cu un amplificator miniatură de sarcină sau tensiune şi un condiţioner ICP. În
figura 2.97 sunt prezentate câteva moduri de configurare completă a sistemelor pe două fire.
Când este aplicată o tensiune pozitivă unui senzor de presiune ICP, senzorul produce o
tensiune pozitivă. Polaritatea senzorilor în mod sarcină produşi de PCB este de sens contrar: când
este aplicată o presiune pozitivă, tensiunea de ieşire a senzorului este negativă. Senzorii în mod
sarcină sunt în mod uzual utilizaţi cu un amplificator de sarcină extern care inversează polaritatea
Fig. 2.97 Prezentarea schematică a senzorului ICP
Fig. 2.97. Moduri de legare a senzorilor ICP
semnalului de ieşire; prin urmare polaritatea semnalului de ieşire a senzorului în mod sarcină
cuplat cu amplificator extern de sarcină va fi aceeaşi cu senzorilor ICP.
Timpul de răspuns al senzorilor este de ordinul microsecundelor iar frecvenţa de
rezonanţă de ordinul sutelor de kHz cu suprareglări şi oscilaţii minime. Răspunsul la înaltă
frecvenţă şi tipii de creştere pot fi afectate de geometria porturilor de conectare şi a electronicii
asociate, apărând limitări a lungimii cablurilor de conectare.
Cristalele de cuarţ piezoelectric a senzorilor de presiune generează sarcină atunci când la
este aplicată o presiune. Totuşi, chiar şi în cazul rezistenţelor de izolaţie foarte mari sarcina scade
în timp spre zero.; rata cu care sarcina scade spre zero este dependentă de rezistenţa de izolaţie. În
cazul senzorilor în mod sarcină care au la ieşire amplificator de tensiune, rata de scădere a sarcinii
este determinată de rezistenţa electrică şi capacitatea senzorului, a cablului de zgomot mic şi a
oricărui amplificator de tensiune exterior montat în serie cu senzorul. . În cazul senzorilor în mod
sarcină care au la ieşire amplificator de sarcină, rata de scădere a sarcinii este determinată de
rezistenţa şi capacitatea din reacţia amplificatorului. În cazul senzorilor IPB rata de scădere a
sarcinii este determinată de rezistenţa şi capacitatea cristalului de cuarţ şi a electronicii incluse.
Atunci când apare o tensiune sau o sarcină electrică într-un circuit RC, tensiunea,
respectiv sarcina scade exponenţial, exponentul fiind produsul dintre rezistenţa circuitului
exprimată în Ohmi şi capacitatea exprimată în Farazi. Acest lucru este valabil şi în cazul
senzorilor piezoelectrici, constanta de timp de descărcare (CTD) fiind definită ca timp (exprimat
în secunde) în care, după ce senzorului (sau sistemului de măsură) i s-a aplicat un semnal treaptă,
semnalul scade la 37% din valoarea iniţială. Sunt de dorit valori mari ale CTD deoarece, în acest
caz, senzorul poate fi utilizat şi pentru calibrări sau măsurători quasistaţionare.
Când unui senzor PCB îi este aplicat un semnal treaptă la intrare, este produsă o cantitate
de sarcină q proporţională cu semnalul de presiune aplicat. Semnalul de ieşire va fi V=q/C
unde C este capacitatea totală a elementului sensibil, a amplificatorului şi a circuitului de
transmitere a semnalului. Această tensiune este amplificată de un amplificator MOSFET pentru
obţinerea sensibilităţii finale a senzorului. După saltul iniţial sarcina scade conform ecuaţiei:
RCt
eQq
(2.85)
unde : q este sarcina instantanee (în
pC);
Q este cantitatea de sarcină
iniţială (în pC);
R este valoarea rezistenţei de
polarizare (în Ohm);
C este capacitatea totală (în pF);
T este timpul scurs după
momentul iniţial t0;
Ecuaţia prezentată a fost reprezentată
grafic în figura 2.98. Constanta de timp
de descărcare (CTD) este dată în catalog
pentru fiecare tip de senzor. În cazul
senzorilor IPB CTD-ul este fixat de
către diferite componente interne şi nu
este afectat de către rezistenţa de intrare a instrumentului de măsură. În cazul în impedanţa cu
care este cuplat senzorul la intrare este capacitivă, atunci se fixează constanta de timp la 10
secunde, reglarea realizându-se prin montarea unui şunt rezistiv în paralel cu condensatorul. În
acest caz este necesar ca impedanţa de intrare a instrumentului de măsură cu care este cuplat la
ieşire senzorul să fie mai mare de 1M. În cazul în care impedanţa este mai mică constanta de
timp scade. După determinarea celei mai mici valori a CTD această valoare poate fi utilizată
pentru determinarea frecvenţei de tăiere la care poate lucra senzorul. Constanta de timp a
Fig. 2.98 Reprezentarea grafică a ecuaţiei 2.85
sistemului este analogă unui filtru trece sus de ordin I de tip RC. Frecvenţa de tăiere teoretică (fc)
este ilustrată în figura 2.99 şi este calculată cu relaţiile:
sub 3 dB:
fc =
0.16/CTD
sub 10% :
fc = 0.34/
CTD
sub 5%:
fc = 0.5/
CTD
Spre exemplificare vom prezenta în
continuare aspectul (prezentat în
figura 2.100) şi caracteristicile tehnice
ale senzorilor piezolectrici de uz
general din seria 111A (prezentate în
tabelul 2.10 ) produşi de PCB
PIEZOTRONIC
Tabel 2.10. Caracteristici tehnice ale
senzorilor PCB PIEZOTRONIC
Model: Uz general 111A22 ICP® Uz general 101A06
ICP®, masă izolată
Sensibilitate 1 ± 0.1 mV/psi
(0,145 ± 0,015 mV/kPa)
10 ± 1 mV/psi
(1,45 ± 0,15 mV/kPa)
Domeniu dinamic
(for 5V output)
5000 psi (34 475 kPa) 500 psi (3450 kPa)
Preiune maximă 15 000 psi (103 425 kPa) 5 000 psi (34 500 kPa)
Frecvenţă joasă (-5%) 0.001 Hz 0.01 Hz
Frecvenţă de rezonanţă > 400 kHz > 400 kHz
Timp de creştere < 1µs < 1µs
Constantă de timp de descărcare > 500 sec > 50 sec
Temperatură de operare -100 to +275 °F
(-73 to +135 °C)
-100 to +275 °F
(-73 to +135 °C)
Element sensibil quartz quartz
Dimensiuni 1.38 in. (35.05 mm) 1.38 in. (35.05 mm)
Filet de montaj 5/16-24 (M7 x .75) 3/8-24 (M10 x 1.0)
Fig. 2.100 Senzorii din seria
111A
Fig 2.99 Caracteristicile de transfer ale senzorului ICP
Măsurarea debitului
Debitul face parte dintre parametrii tehnologici cei mai utilizaţi în reglarea proceselor
industriale, fiind utilizat atât pentru asigurarea unei anumite calităţi a produselor cât şi pentru
gestiunea materiilor şi energiei utilizate în proces.
2.8.1. Debitmetre diferenţiale
Funcţionarea acestor debitmetre se bazează. pe legea lui Bernoulli privind curgerea lichidelor
atunci când acestea străbat o rezistentă hidraulică constituită dintr-o strangulare. Considerând că
pe o conductă cu secţiunea A1 este montată o strangulare cu secţiunea A2 ca în figura 2.101 , iar
vitezele lichidului sunt v1 in secţiunea A1 şi v2 în secţiunea A2, considerând fluidul incompresibil,
iar densitatea constantă se poate scrie [83]:
2
2
21
2
1
22pp
(2.85)
unde p1 şi p2 sunt presiunile înainte de strangulare şi după strangulare. Ţinând seama că debitul
volumic Q este constant:
2211 AAQ (2.86)
se deduce:
2
2
2
1
221
2
2 )(2
A
App (2.87)
Notând:
2
12 1/1; mAAm
se obţine debitul de volum:
)(2
212 ppAQ
(2.88)
şi respectiv debitul masic:
)(2 212 ppAQm (2.89)
Fig. 2.101. Montarea unei
strangulări
Cele mai răspândite tipuri de dispozitive de strangulare sunt: diafragma., duza şi tubul
Venturi prezentate în figura 2.102. Diferenţa de presiune p1- p2, numită şi pierdere de sarcină este
maximă pentru diafragme şi minimă pentru tuburile Venturi; ca ordin de mărime această cădere
de presiune este cuprinsă între 1 şi 20 mmH2O.
În conformitate cu expresiile debitului, circuitele de măsurare trebuie să conţină blocuri
de extragere a radicalului. Această cerinţă este rezolvată prin introducerea în circuitul de
măsurare a unui bloc de calcul analogice care să realizeze această funcţie [49]. În sistemele de
măsurare extragerea radicalului se efectuează pe partea numerică a sistemului. În ultima perioadă
au căpătat o mare răspândire debitmetrele cu balanţe de forţe, care asigură o dependenţă liniară
între căderea de presiune p1-p2 şi semnalul de ieşire. Un astfel de debitmetru este prezentat în
figura 2.103.
Diferenţa. de presiune p1-p2 este sesizată de traductorul inductiv TI legat la un bloc
electronic care modifică curentul prin electromagnetul EM astfel încât să se restabilească
echilibrul; la echilibru , momentele produse de cele două forţe sunt egale:
2211 lFlF (2.90)
în care Fl - forţa provenită de la membrană, are expresia: 2'
111 QkpkF (2.91)
unde: kl şi k'1 sunt constante, iar Q este debitul; F2 este forţa produsă de electromagnet, ce se
determină cu relaţia: 2
22 ikF (2.92)
unde k2 este o constantă, iar i este curentul prin electromagnet. Înlocuind se obţine:
Qki (2.93)
adică curentul este proporţional cu debitul. Având practic o reacţie negativă, erorile acestor
debitmetre nu depăşesc ±0,5%.
Fig. 2.102 Dispozitive de strangulare
Fig 2.103 Debitmetru cu balanţe de forţe
2.8.2. Debitmetre electromagnetice
Funcţionarea acestor debitmetre se bazează pe legea inducţiei electromagnetice.
Considerând un segment de conductor în mişcare MlM2 de lungime l, făcând un unghi cu viteza
v, (vezi figura 2.104), variaţia suprafeţei acoperite de
conductorul în mişcare este [69]:
dtvldSc
(2.94)
unde 21MMl
Considerând că mişcarea conductorului are loc
într-un câmp de inducţie constantă B, fluxul prin
suprafaţa considerată va fi:
dtSdBd cc (2.95)
Tensiunea electromotoare indusă :
lvBdt
de c
(2.96)
Dacă vectorul vitezei v este perpendicular pe l şi
B vom avea:
vlBe (2.97)
Generalizând formula la cazul curgerii unui lichid în interiorul unei conducte cu
diametrul D şi viteza v perpendiculară pe B, tensiunea electromotoare indusă numai pe un
diametru perpendicular pe B şi v are expresia:
vDBe (2.98)
În practică viteza variază de-a lungul razei conductei (datorită frecărilor vâscoase din
interiorul fluidului şi la suprafaţa de contact conductă-fluid) ţinând cont că repartiţia vitezelor este
simetrică de-a lungul unui diametru viteza determinată va reprezenta viteza medie.
Debitul volumic ce străbate secţiunea fiind:
4
2DvQ
(2.99)
Rezultă că tensiunea indusă e va fi proporţională cu debitul.
Inducţia magnetică este produsă de două bobine plasate de o parte şi de alta a conductei
de măsură. Aceasta. este realizată din materiale nemagnetice şi este protejată la interior de un
strat izolator şi rezistent la coroziune. Doi electrozi sunt plasaţi la extremităţile unui diametrului
perpendicular pe liniile de câmp. Bobinele sunt alimentate în curent alternativ, astfel încât să se
evite fenomenul de polarizare a electrozilor ce apare în curent continuu. Semnalul de măsură ia
deci forma:
)cos(0 tvDBe (2.100)
B0 fiind valoarea maximală a inducţiei şi pulsaţia acesteia.
Amplitudinea semnalului de măsură este de ordinul milivolţilor, iar semnalul util este
obţinut prin intermediul unui detector sincron, circuitul de măsură fiind prezentat în figura 2.105.
Acest tip de debitmetre asigură o precizie de 1% din domeniul de măsură, timpul
de răspuns fiind în jur de 1 s.
Fig. 2.104 Deplasarea unui
conductor în câmp magnetic
Avantajele acestui tip de debitmetru sunt:
- măsurarea nu depinde de natura lichidului de măsurat, singura condiţie fiind ca acesta să aibă
conductivitatea superioară unei valori limită;
- nu se produc pierderi de presiune ca în cazul măsurării prin strangularea secţiunii;
- nu există piese în mişcare, deci uzura este practic nulă;
- se pot asigura rezistenţe mari la coroziune.
2.8.3. Debitmetre cu Vortex
Măsurarea debitului cu aceste debitmetre se bazează pe efectul pe care îl are asupra
curgerii fluidului inserarea unui obstacol perpendicular pe direcţia de curgere [73] (vezi figura
2.106.), şi anume apariţia unor turbioane perpendiculare pe direcţia de curgere a fluidului. Pentru
lichide a căror număr Reynolds Rs=3 *102...2*10
5, frecvenţa acestor turbioane va fi dependentă
de viteza fluidului conform relaţiei:
185,0D
vf (2.101)
unde D este diametrul conductei.
Apariţia unui astfel de turbion produce o variaţie
locală a presiunii fluidului. Utilizându-se traductoare de
presiune piezoelectrice, variaţia de presiune este
convertită într-un semnal alternativ cu frecvenţa
dependentă de viteza fluidului. Avantajele acestor
debitmetre sunt legate de posibilitatea de măsurarea in
domenii extinse, circuite de măsură simple unui şi o
liniaritate foarte bună.
2.8.4. Debitmetre cu turbion axial
Funcţionarea acestor debitmetre se bazează pe efectul Coandă, conform căruia un fluid în
mişcare aderă la suprafaţa unui perete [27]. Realizându-se un ajutaj de formă specială, se produce
un vârtej axial a cărui frecvenţă depinde de viteza fluidului; variaţiile de presiune de terminate de
vârtej sunt sesizate cu un senzor de presiune piezoelectric, obţinându-se la ieşire un semnal
alternativ de frecvenţă variabilă
Astfel de debitmetre au un domeniu de măsură foarte larg (Qmin,/Qmax=1/100) şi utilizează
circuite de măsură simple şi robuste.
Fig. 2.106. Turbioane în siajul
unui obstacol
Fig. 2.105 Circuit de măsură debitmetru electromagnetic
2.9. Măsurarea temperaturii
2.9.1. Termorezistenţe metalice
Termorezistenţele sunt traductoare rezistive al căror principiu de funcţionare se bazează
pe fenomenul de variaţie a rezistenţei electrice a unui fir metalic în funcţie de temperatura lui.
Cunoscând legea de variaţie a rezistenţei electrice cu temperatura R=f(t), temperatura se poate
determina măsurând rezistenţa electrică a firului cu o instalaţie corespunzătoare.
Coeficientul de temperatură al unei rezistenţe electrice este definit prin relaţia:
dt
dR
R
1 (2.102)
Proprietăţile termometrice ale diferitelor materiale folosite pentru confecţionarea
elementelor sensibile ale termometrelor pot fi exprimate şi comparate cu ajutorul coeficientului
de temperatură a0100
, definit pentru intervalul 0°C ... 100°C. Relaţia de definiţie a acestui
coeficient rezultă din relaţia anterioară, şi este [113]:
0
0100100
0100 R
RR
(2.103)
R0 şi R100 fiind rezistenţele firului la temperatura de 0°C, respectiv 100°C.
Practica arată că valoarea acestui coeficient exprimă gradul de puritate a metalului din
care este confecţionat elementul sensibil. Valoarea maximă a acestui coeficient se obţine atât prin
purificarea la maximum a metalului, cât şi prin înlăturarea tensiunilor mecanice printr-un
procedeu special de recoacere.
Materialele foarte frecvent utilizate la confecţionarea elementelor sensibile ale
termorezistenţelor sunt: platina, cuprul, nichelul, materialele semiconductoare, etc..
Datorită proprietăţilor sale platina s-a dovedit a fi cel mai corespunzător material folosit
la confecţionarea elementelor sensibile pentru termorezistente. Câteva dintre proprietăţile
specifice ale platinei sunt: temperatura de topire foarte mare ( 1769°C), se oxidează foarte greu
(practic se poate spune că nu se oxidează în comparaţie cu celelalte metale utilizate în acelaşi
scop), reproduce foarte bine valoarea rezistenţei electrice pentru orice temperatură cuprinsă în
intervalul de utilizare, îi corespunde o relaţie destul de simplă între valoarea rezistenţei şi
temperatură, care, având caracter de lege în transmiterea practică a unităţii de temperatură, face
ca aceste elemente sensibile să fie considerate practic fără erori sistematice.
La temperaturi înalte platina trebuie protejată de impurificările cu siliciu, cu vapori de
metal, cu gaze de ardere din cuptoare, în special CO şi CO2. Prezenţa acestor gaze la temperaturi
înalte determină carburarea platinei, care îşi modifica valoarea coeficientului de temperatură a
rezistenţei electrice şi îşi micşorează rezistenţa mecanică.
Legătură între temperatura t a unui fir de platină şi rezistenţa lui electrică, pentru domeniul 0
...630,5°C, după cum s-a stabilit pe scala internaţională practică de temperatură (SIPT) este
reprezentată prin funcţia:
)1( 2
0 tBtARRt (2.104)
în care:
- Rt şi R0 sunt rezistenţele electrice ale firului de platină la temperaturile t şi 0°C;
- A şi B sunt constante care se pot determina măsurând rezistenţa electrică a firului de
platină la. încă două temperaturi cunoscute, în afară de punctul de topire a gheţii. Aceste
temperaturi s-au ales în cadrul SIPT ca fiind punctul de fierbere a apei (100°C) şi punctul de
fierbere a sulfului (444,6°C). Valorile acestor constante pentru platină pură pot fi:
A=3,98*10-3
grd-1
, B=-5,8*10 -7
grd-2
.
Cum rezolvarea relaţiei de mai sus oferă expresii complicate pentru t, se foloseşte o
formulă mai simplă pentru calculul temperaturii, şi anume:
1
100100100
0100
tt
RR
RRt t (2.105)
Relaţiile între A, B, şi sunt:
10000;
1001
100
0100
0
BA (2.106)
Măsurările au arătat că relaţia 2.98 poate fi folosită până la minus 30°C fără a produce
erori importante. Sub această. temperatură, erorile cresc simţitor. Astfel la -40°C s-ar face o
eroare de aproximativ 0,01 grade, la -100°C de 0,2 grade, iar la -200°C de circa 24 grade. De
aceea pentru domeniul 0°C ...183°C s-a stabilit o altă relaţie între rezistenţa firului de platină şi
temperatura sa:
])100(1[ 32
0 ttCBtAtRRt (2.107)
Constanta C se determină prin măsurarea rezistenţei R, la punctul de fierbere a oxigenului
(t=182,97°C).
O relaţie asemănătoare relaţiei (2.99) pentru calculul temperaturii în domeniul 0°C...-
183°C este:
1
100100101
100100100
3
8
100
00100
0 ttCtt
RR
RRt t
(2.108)
Pentru platina pură, folosită la termorezistenţe etalon, valorile celorlalte constante sunt:
A0100
≥ 3,92*10-3
grd-l; ≈ 11,49grd
-1, iar C ≈~ -4*10
-l2grd
-1
Pentru a reduce cât mai mult fenomenul de volatilizare care apare la temperaturi ridicate,
se foloseşte pentru confecţionarea. elementului sensibil, sârmă cu diametrul mai mare ( 0,5mm).
În acest caz raportul dintre aria suprafeţei firului şi volumul firului scade, determinând o scădere
considerabilă a vitezei de volatilizare a platinei. Pentru temperaturi între 0...1063°C se poate
utiliza următoarea relaţie între rezistenţa firului de platină Rt şi temperatura acestuia, t:
1
6,4441
1001001
100100100
0100
0 ttttt
RR
RRt t (2.109)
Constantele din relaţia de mai sus se determină la patru puncte fixe: 0°C, 100°C, 444,6°C şi
1063°C. Constanta nu-şi modifică valoarea faţă de cea determinată cu ajutorul relaţiei (2.97)
deoarece termenul din relaţia (2.103) care conţine pe se anulează pentru punctele fixe 0°C,
100°C şi 444,6°C.
Datorită acestor proprietăţi platina este folosită astăzi pentru confecţionarea
termorezistenţelor utilizate la măsurarea temperaturii în intervalul -220°C ... 850°C, iar în
construcţii speciale în intervalul -250°C ... 1000°C.
La termorezistenţele tehnice coeficientul a0100
poate avea una din valorile 3,85*103grd
-1,
3,878*10-3
grd-1
sau 3,91 * 10-3
grd-1
valoarea fiind specificată de către producător.
Tabel 2.11 Rezistenţa în ohmi a termorezistenţelor Pt100,
t[0C] R[] t[
0C] R[] t[
0C] R[] t[
0C] R[] t[
0C] R[] t[
0C] R[]
-200 18,49 -100 60,25 -10 96,09 80 130,89 170 164,76 260 197,69
-190 22,80 -90 64,30 0 100.00 90 134,70 180 168,47 270 201,25
-180 27,08 -80 68,33 10 103,90 100 138,50 190 172,16 280 204,88
-160 35,53 -70 72,34 20 107,79 110 142,29 200 175,84 290 208,45
-150 39,71 -60 76,33 30 111,67 120 146,06 210 179,51 300 212,02
-140 43,87 -50 80,31 40 115,54 130 149,82 220 183,17 310 215,57
-130 48,00 -40 84,27 50 119,40 140 153,58 230 186,92 320 219,12
-120 52,11 -30 88,22 60 123,24 150 157,32 240 190,45 330 222,65
-110 56,19 -20 92,16 70 127,07 160 161,04 250 194,07 340 226,17
Elementele sensibile ale termorezistenţelor tehnice se fac, de obicei, cu rezistenţa.
electrică de 100 la 0°C pentru a elimina cât mai mult influenţa. firelor de legătură. Mai rar se
întâlnesc valorile 50 sau 46 la 0°C
Valorile rezistenţelor pentru diferite valori ale temperaturii sunt date de către
producătorul termorezistenţei de exemplu, pentru termorezistenţele produse de ITRD Paşcani
această corespondenţă este dată în tabelul 2.1.
Elementul sensibil al termorezistenţelor este realizat din sârmă de platină cu diametrul
cuprins între 0,05 ...1mm. Sârma se bobinează pe mai multe tipuri de suporturi aşa cum este
prezentat în figurile 2.107...2.110
- pe un
suport din
sticlă specială
ca în figura
(2.107) se
bobinează
bifilar sârma
de platină şi apoi se introduce totul într-un tub de sticlă cu diametrul interior foarte apropiat de
diametrul exterior al tubului suport. Tubul de sticlă exterior se încălzeşte până la înmuiere astfel
încât să cuprindă în masa lui sârma de platină; acest tip de elemente se folosesc pentru
temperaturi cuprinse în intervalul -288 ... 650°C.
- pe o plăcuţă de mică cu marginile zimţate se bobinează bifilar firul de platină (figura
2.108). Dimensiunile aproximative ale plăcuţei sunt (80 ... 100)mm xl0mm. Plăcuţa este acoperită
pe ambele părţi cu alte două plăcuţe de mică, pentru a-i asigura izolaţia electrică şi o mai bună
rezistenţă mecanică. Cele trei plăcuţe sunt puse într-o montură metalică (figura 2.109). Acest
model de suport al elementului sensibil permite montarea unor aripioare metalice elastice 1, cu
ajutorul cărora se realizează un contact termic bun între elementul sensibil 2 şi teaca de protecţie
3, a termorezistenţei (figura 2.109) asigurând o inerţie termică mult mai mică.
- pe un suport de mică sau de porţelan cu secţiunea transversală în formă de cruce ca în
figura (2.110) se bobinează firul de platină. Acest tip de suport este folosit în special la
termorezistenţele de precizie.
Fig. 2.107 Element sensibil
din platină pe suport de sticlă
Fig.2.108 Element sensibil din
platină pe suport de mică
Construcţia unei termorezistenţe tehnice destinată măsurării temperaturii fluidelor în
conducte şi recipiente este prezentată în figura 2.111. Elementul sensibil 1 este montat într-o
teacă de protecţie 2. Firele de legătură cu circuitul de măsură sunt conectate în cutia de conexiuni
pe o placă de conexiuni 4. Pentru montare se utilizează elementul 3 care poate fi un niplu filetat, o
flanşă fixă sau o flanşă mobilă.
Pentru măsurarea temperatura cilindrilor în rotaţie din maşina de hârtie se folosesc
dispozitive speciale care au în compunere un cilindru montat pe rulmenţi şi rotit prin apăsare pe
suprafaţa cilindrului a cărui temperatură trebuie măsurată, dintr-o termorezistenţă. montată în
interior şi dintr-o carcasă exterioară de protecţie (fig. 2.112) [43] Cu ajutorul unui arc lamelar,
cilindrul aparatului este apăsat pe cilindrul a cărui temperatură se determină. Fiind în contact cu
acesta ajunge la aceeaşi temperatură dacă pierderile de căldură către exterior sunt nule. În acest
scop s-a prevăzut carcasa de protecţie realizată dintr-o manta exterioară, un strat termoizolant
acoperit la interior cu o tablă subţire, vopsit în negru. Pentru a se elimina curenţii de aer, rulmenţii
cilindrului aparatului sunt etanşaţi în casete.
Cel mai simplu circuit de măsurare este circuitul de
măsurare cu logometre magnetoelectrice, care poate
asigura erori maxime de 1-2%. Traductorul R0 în
conexiune cu trei borne, este legat în circuitul de
măsurare prin trei conductoare având rezistenţele
R11, R12 şi R13; suma rezistenţelor de linie R11 şi R12
este adusă la rezistenţa nominală de 10 sau 20 cu
ajutorul rezistenţelor de egalizare Rel şi Re2 ce se
conectează suplimentar ce se conectează suplimentar
în circuitul de măsurare, iar R0 limitează curentul
Fig. 2.109 Secţiune transversală
într-o termorezistenţă 1-aripioare
metalice; 2- element sensibil; 3 -
teacă de protecţie
Fig 2.110 Element sensibil din
platină pe suport în formă de
cruce
Fig. 2.112 Aparat cu element rotitor 1-
tambur; 2- cilindrul aparatului ; 3-suport
elastic; 4-teavă de protecţie; 5-
termorezistenţă; 6-izolaţie termică; 7-
carcasă
Fig. 2.111 Construcţia unei termorezistenţe tehnice
prin termorezistenţă (fig 2.113). Este necesar ca prin termorezistenţă să nu treacă un curent mai
mare de 10-20mA pentru a nu produce o încălzire suplimentară a termorezistenţei. Alimentând
circuitul de la sursa de tensiune E, deviaţia logometrului a va fi proporţională cu raportul
curenţilor ce se stabilesc prin bobinele Bl şi B2:
)(2222
1111
1
2 tfRRRR
RRRRRf
I
If
Bel
Bel
(2.109)
independentă de tensiunea de alimentare.
Un alt
circuit de măsurare cu
mare răspândire îl
reprezintă puntea
Wheastone
prezentată în
figura (2.114) în unul
din braţe fiind
montată termorezistenţa.
În acest caz se măsoară în
special abaterea de la
valoarea
nominală. Dacă
notăm cu R10 valoarea nominală a termorezistenţei şi cu Rt abaterea de la această valoare
datorată variaţiei temperaturii faţă de temperatura nominală, tensiunea de dezechilibru a punţii va
fi dată de:
20
4320
3
20
2
43
2
1))((
RR
R
R
RRRR
RU
RRR
R
RR
RUU
t
t
t
ttt
(2.110)
S-a ţinut seama că Rt0=R2R4. Dacă puntea are braţe egale Rt0=R2=R3=R4 şi admiţând Rt
/2Rt0 se obţine:
Fig.2.113 Circuit de măsurare cu logometru
Fig. 2.114. Circuit de măsură cu punte de c.c. dezechilibrată
00 21
4 t
t
t
t
R
R
R
RUU (2.110)
Problemele care apar la utilizarea punţilor dezechilibrate sunt legate de apariţia tensiunii
de offset şi caracteristica neliniară [74]. Pentru a elimina aceste neajunsuri se utilizează
amplificatoare de instrumentaţie sau se procedează. la modularea amplificarea în c.a. şi
demodularea tensiunii de dezechilibru. Pentru ca perturbaţiile preluate de conductoarele de
legătură să nu influenţeze măsurarea, dat fiind faptul că termorezistenţa se măsoară la distanţe
apreciabile de circuitul de măsură se recomandă conectarea ei pe trei fire. Este necesar ca firele
de legătură termorezistenţă circuit de măsură să fie foarte apropiate între ele (eventual răsucite).
În afară de platină pentru construcţia termorezistenţelor metalice se mai folosesc şi alte
materiale precum cuprul, nichelul, wolframul etc.
2.9.2. Termorezistenţe semiconductoare
Funcţionarea traductoarelor cu termorezistenţe semiconductoare (termistori) se bazează pe
variaţia cu temperatura a rezistenţei termistorilor care are loc după o lege exponenţială descrisă
de:
T
b
T eaR (2.112)
În care:
a - este o constantă dependentă de forma şi dimensiunile termistorului;
b - constantă caracteristică a materialului din care este confecţionat termistorul. Valoarea
acestei constante este cuprinsă între 2500 şi 5000, pentru termistori utilizabile până la 300°C, şi
între 6000 şi 13000, pentru termistori refractari;
T - temperatura absolută (°K) la care rezistorul are rezistenţa RT.
Relaţia anterioară se mai poate scrie şi sub forma:
0
11
0
TTb
T eRR (2.113)
în care T0 este temperatura (°K) la care termistorul are rezistenţa. R0. Coeficientul de temperatură
a unui termistor va fi în baza definiţiei lui, şi a relaţiei (2.106):
2
1
T
b
dT
dR
R (2.114)
În figura 2.77 este reprezentată grafic variaţia cu temperatura a rezistivităţii unui
termistor (curba 1) şi a rezistivităţii platinei (curba 2). Se observă o mare diferenţă între cele două
curbe, de unde reiese sensibilitatea superioară a termistorilor. Din relaţia (2.115) reiese că un
termistor poate fi caracterizat prin valorile constantelor a şi b. În practică se folosesc uneori alte
mărimi şi anume: valoarea rezistenţei electrice a termistorului şi valoarea coeficientului de
temperatură, ambele corespunzătoare unei aceleiaşi temperaturi care de obicei este 25°C.
Termistorii se fabrică în general din amestecuri de oxizi cu proprietăţi semiconductoare,
cum sunt oxizii de Mn, Ni, Co, Cu. Fe, Zn, Al, Mg. Aceşti oxizi sunt măcinaţi, presaţi şi apoi
sinterizaţi la o temperatură înaltă, în formă de disc baghetă sau perlă. Pe acestea se aplică prin
metalizare electrozi, la care se lipesc fire de conexiune, după care ansamblul se protejează prin
acoperire cu lac, închidere in sticlă sau în capsulă metalică.
Dacă prin termistor trece un curent acesta degajă o anumită putere, funcţie de intensitatea
curentului. Dacă această putere este foarte mică, temperatura termistorului este practic egală cu
temperatura mediului ambiant. Dacă însă puterea degajată este mai mare, termistorul se
încălzeşte, temperatura lui fiind mai mare decât cea a mediului ambiant. Menţinând constantă
temperatura mediului ambiant a unui termistor şi trecând un curent crescător prin acesta
(începând cu valori foarte mici) tensiunea de la bornele lui este proporţională cu intensitatea
curentului, adică rezistenţa este practic constantă şi nu depinde decât de temperatura mediului
ambiant. Acest regim de funcţionare este utilizat pentru măsurarea temperaturii cu ajutorul
termistorilor. Dacă se creşte şi mau mult intensitatea aşa cum s-a arătat şi înainte, termistorul se
încălzeşte. În aceste condiţii nu mai există proporţionalitate între tensiune şi intensitate. În figura
2.116 sunt reprezentate curbele tensiune intensitate pentru termistori la diferite valori de
temperatură ale mediului ambiant, punându-se în evidenţă limita maximă a domeniului de lucru.
Domeniul de măsură care poate acoperit de tiristoare este de -100°C ...+ 400°C,
neliniaritatea pronunţată a caracteristicii face însă ca domeniul de utilizare a unui termistor să fie
restrâns la câteva grade (zeci de grade) în jurul unei valori nominale.
Circuitele de măsură sunt în general asemănătoare cu circuitele de măsură asociate
termorezistenţelor metalice, termistorii prezentând avantajul că valoarea rezistenţei proprii fiind
mare se pot neglija rezistenţele firelor de legătură, deci nu mai trebuie compensată influenţa
firelor de legătură. Prin şuntarea termistorului cu o rezistenţă fixă de precizie, se obţine o
îmbunătăţire a liniarităţii caracteristicii în detrimentul sensibilităţii.
2.9.3. Termocuple
Termocuplele sunt senzori de tip generator a căror funcţionare se bazează pe efectul
Seebeck, care se enunţă astfel:" Într-un circuit închis format din două sau mai multe conductoare
Fig 2.115. Variaţia rezistivităţii cu
temperatura pentru un termistor şi o
termorezistenţă.
Fig. 2.116 Caracteristica curent tensiune
a unui termistor
diferite, ia naştere un curent electric, dacă cel puţin două puncte de legătură au temperaturi
diferite”. Tensiunea termoelectromotoare care determină închiderea curentului într-un circuit
format din două conductoare de natură diferită numite termoelectrozi, este dată de suma t.e.m. de
contact (efect Volta) şi t.e.m. datorată efectului Peltier-Thompson.
Considerând concentraţia volumică de electroni liberi în cei doi termoelectrozi NA şi respectiv
NB, şi NA>NB, energia necesară migrării electronilor din termoelectrodul A este mai mică decât
energia necesară ieşirii electronului din termoelectrodul B; în consecinţă un număr mai mare de
electroni din termoelectrodul A va difuza în termoelectrodul B decât invers. Ca urmare
conductorul A se încarcă pozitiv iar B se încarcă negativ. Pe măsură. ce procesul de difuzie
progresează apare la locul de contact un câmp electric, care caută să împiedice această difuzie.
Echilibrul dinamic se stabileşte când diferenţa de potenţial, care apare la locul de contact,
egalează diferenţa dintre potenţialele de ieşire ale celor două conductoare. Diferenţa de potenţial
care apare în punctul de contact este:
B
A
B
ABA
N
NT
N
NT
e
kVV ln1087,2ln 7
(2.115)
în care: - VA,VB sunt potenţialele conductorului A, respectiv B;
- NA, NB este numărul de electroni liberi pe unitatea de volum a conductorului A,
respectiv B;
- k =1,38*10-16
erg*grd-l este constanta lui Boltzmann;
- e = 4,802*10-10
u.e.s. abs este sarcina electronului;
- T este temperatura punctului de contact în °K.
Deci valoarea t.e.m. de contact este dependentă de temperatura absolută a punctului de
contact şi de natura conductoarelor.
Pe de altă parte considerând că un conductor omogen de secţiune constantă este încălzit
într-un anumit punct se constată că temperatura scade simetric de o parte şi de altă a punctului de
încălzire. Dacă prin conductorul încălzit trece curent electric, se constată o deplasare a curbei de
repartiţie a temperaturii în sensul curentului la unele metale şi în sens invers la altele. Porţiunea
rece şi porţiunea încălzită se comportă ca două metale diferite. Datorită concentraţiei diferite de
electroni liberi, la diferite temperaturi, electronii din porţiunea conductorului încălzit difuzează în
porţiunea mai rece, cu viteză mai mare decât în sens contrar (efectul Thompson). T.e.m. care
apare se poate exprima cu relaţia:
dTdT
NTd
Ne
kVV
T
T
TT
)(1
0
0 (2.116)
în care: T este temperatura locului de contact;
T0 este temperatura iniţială a conductoarelor;
N este numărul de electroni liberi pe unitatea de volum.
În fig. 2.117 este reprezentat un circuit termoelectric închis, format
din doi termoelectrozi A şi B; punctele de legătură constituie sudura caldă,
respectiv sudura rece, funcţie de valorile celor două temperaturi. T.e.m. care
apar în circuit reprezintă valoarea tensiunii termoelectromotoare (t.t.e.m.)E:
dTdT
TNd
Ne
k
N
NT
e
kdT
dT
TNd
Ne
k
N
NT
e
kE A
T
TTA
TBBT
TBT
AT )(1ln
)(1ln
000
0
0 (2.117)
După efectuarea calculelor rezultă:
Fig. 2.117 Cuplu
termoelectric
T
T A
B dTN
N
e
kE
0
ln (2.118)
Integrală ce nu poate fi efectuată decât dacă se cunosc funcţiile de repartiţie a densităţii
electronilor cu temperatura NA=fl(T) şi NB=f2(T).
Considerând integrala nedefinită ca o funcţie de temperatură rezultă:
0)]()([ 0 TT EETT
e
kE (2.119)
În intervale restrânse de temperatură, se pot considera valorile NA şi NB constante, ceea ce duce la
relaţia:
)(ln 0TTN
N
e
kE
B
A (2.120)
Dacă temperatura sudurii reci T0 este constantă, rezultă:
)(TfE (2.121)
adică tensiunea termoelectromotoare este funcţie numai de temperatura joncţiunii calde.
Tensiunea termoelectromotoare care ia naştere în
termoculpu are valori reduse (0,01 ...0.06mV/grd) dar
suficientă pentru a fi măsurată direct cu un -.
milivoltmetru ca în figura 2.118.
Pentru realizarea termocuplurilor, două
conductoare din materiale diferite sunt sudate într-un
punct, punctul de sudură constituind joncţiunea caldă,
această joncţiune fiind pusă în contact cu mediul a cărui
temperatură se măsoară. Capetele libere formează aşa
numita joncţiune rece, această joncţiune fiind păstrată la o
temperatură constantă, de referinţă (de obicei 20°C).
Tensiunea termoelectromotoare va fi determinată de
diferenţa dintre temperatura joncţiunii calde şi a joncţiunii
reci.
Materialele din care se realizează cei electrozi
sunt foarte diverse; principalele combinaţii utilizate
pentru realizarea termocuplurilor sunt:
- PtRh-Pt un electrod este realizat din platină pură, iar celălalt din aliaj 90% Pt şi
10%Rh; se poate utiliza pentru temperaturi între 0 ...1400°C, dar se recomandă pentru temperaturi
ridicate (peste 900°C) datorită preţului mai mare decât ai altor combinaţii. T.t.e.m. specifică este
de 6V/grd (între 0 şi 100°C) şi circa 10V/grd la temperaturi mai înalte.
- cromel-alumel, un termoelectrod este compus din 85%Ni,10%Cr şi 5% adaosuri, iar
celălalt (cel negativ) din 95%Ni şi în rest adaosuri (Al, Si, Mn).
- Fe-constantan, la care termoelectrodul pozitiv este realizat din fier, iar cel negativ din
constantan;
- cromel-copel, copelul fiind un aliaj de Cu cu Ni.
- Cu-constantan
- Aliaje pe bază de Pt, Rh, Ir, Wf, Mo, Ta sau materiale ceramice pentru măsurarea
temperaturilor ridicate.
Fig. 2.118. Conectarea unui
milivoltmetru la termocuplu
Realizarea constructivă a unui termocuplu pentru măsurarea temperaturilor în incinte,
recipiente sau conducte este prezentată în figura 2.119.
Termoelectrozii care alcătuiesc elementul sensibil (1) sunt dispuşi în interiorul unui
izolator (în general ceramic) şi protejaţi într-o teacă metalică (2). Joncţiunea rece este constituită
din cutia de borne (4) în care se face legătura între elementul sensibil şi circuitul de măsură.
Prinderea ansamblului la locul de măsură se poate realiza prin niplu filetat, flanşă sudată sau
flanşă mobilă (3). De menţionat că în timp ce joncţiunea rece trebuie să se găsească la
temperatura de măsură, joncţiunea rece (cutia de borne) trebuie să. rămână la o temperatură
constantă şi, pentru ca temperatura cutiei de borne să nu fie influenţată de temperatura mediului
de măsurat, este necesar ca raportul dintre lungimea porţiunii aflate în exteriorul mediului de
măsură şi cea aflată in mediul de măsurat să fie de minim 4/1. Legarea la circuitul de măsură se
realizează prin conductoare speciale, care pot fi din aceleaşi materiale ca şi termoelectrozii sau
din materiale care au caracteristici termoelectrice apropiate.
Pentru compensarea variaţiilor de temperatură ale joncţiunii reci se montează circuite de
compensare care constau în principiu din intercalarea în circuitul de măsurare a diagonalei unei
punţi Wheastone, alimentată în curent continuu, având cel puţin o rezistenţă dependentă de
temperatură. Printr-o dimensionare corespunzătoare a acestei rezistenţe şi a tensiunii de
alimentare a punţii, se poate obţine ca pentru orice temperatură a sudurii reci în timpul măsurării,
tensiunea. diagonalei să fie atât de mare şi astfel dirijată, încât să corecteze tensiunea
termoelectromotoare la valoarea corespunzătoare temperaturii de gradare.
Cap ….Măsurarea nivelului
Necesitatea măsurării nivelului apare în majoritatea proceselor tehnologice. De
remarcat că în cazul în care măsurarea se realizează în cadrul unei bucle de reglare nu
este impusă în caz general o precizie deosebită deoarece reglarea are ca scop asigurarea
unei debit minim la ieşirea recipientului în care se realizează măsurătoarea.
Metodele de măsurare sunt diverse, realizându-se atât măsurători continui cât şi
discontinui, citirea nivelului putându-se realiza direct de către operatorul uman sau prin
Fig. 2.119. Realizarea practică a unui termocuplu industrial
conversia într-o mărime electrică destinatarul măsurătorii putând fi în acest caz o maşină
operator.
7.1. Măsurarea nivelului cu aparate cu citire directă
Dispozitivele utilizate pentru citirea directă sunt dispozitive simple, foarte ieftine,
nu necesită o conversie intermediară de semnal, rezultatul măsurătorii este destinat în
exclusivitate operatorului uman, determinarea nivelului poate fi realizată atât continuu cât
şi discontinuu, precizia este însă în general redusă. Principalele dispozitive utilizate
pentru măsurarea prin citire directă a nivelului sunt: tija de nivel, sticla de nivel, robinete
sau buşoane de control.
7.1.1. Tija de nivel
Este utilizată atunci când măsurările se fac la intervale mari de timp în recipiente
care nu se află sub presiune. Pentru măsurare, tija, gradată sau prevăzută cu repere, este
introdusă vertical în recipientul a cărui nivel se măsoară, până la fundul
vasului sau până la un opritor special prevăzut pentru măsurare (figura
7.1). Pentru determinarea nivelului se scoate tija din vas şi se măsoară
porţiunea udată de lichidul a cărui nivel se măsoară. Atunci când nu este
necesară măsurarea nivelului ci numai sesizarea faptului că acesta se află
între limite prestabilite tija va avea trasate numai două repere
corespunzătoare celor două limite. Înaintea fiecărei măsurători tija trebuie
să fie ştearsă.
O variantă constructivă constă dintr-un fir sau o bandă gradată
prevăzută la un capăt cu o greutate care se coboară în lichidul de măsurat
la fel ca tija; atingerea de către greutate a fundului vasului sau a
opritorului este sesizată de operator prin faptul că firul nu mai rămâne
întins.
Precizia este de ordinul 1mm, iar domeniul este limitat de
posibilitatea de manevrare a tijei. Trebuie remarcat de asemenea faptul că
această metodă nu se poate utiliza decât în cazul când este posibil accesul
pe la partea superioară a recipientului în care se află lichidul a
cărui nivel se măsoară.
7.1.2. Sticla de nivel
Dispozitivul se compune dintr-un tub de sticlă gradat
montat în exteriorul recipientului al cărui nivel se măsoară tub
ce este conectat direct la recipient ca în figura 7.2. Pe principiul
vaselor comunicate lichidul se va ridica în sticla gradată la
aceeaşi înălţime ca şi în recipient citirea nivelului realizându-se
direct pe sticla gradată. De obicei montarea se realizează prin
intermediul unor armături (flanşe, ştuţuri robinete) care permit
izolarea dispozitivului în scopul operaţiilor de întreţinere. Se
poate utiliza şi în cazul recipientelor aflate sub presiune, în acest
Fig. 7.1.Tija
de nivel
Fig. 7.2. Sticla
de nivel
caz impunându-se aplicarea unor măsuri de protecţie a personalului (plase de sârmă,
supape de siguranţă) care să asigure evitarea accidentelor în cazul în care sticla de nivel
cedează ca urmare a suprapresiunilor.
Precizia este de ordinul 1mm, iar domeniul este limitat de lungime sticlei. Se pot
utiliza două sau mai multe sticle înseriate pentru extinderea domeniului. Pentru o precizie
corespunzătoare este necesar ca temperatura lichidului din sticla de nivel să fie aceeaşi cu
cea din recipient, în caz contrar fiind necesară realizarea corecţiei de temperatură.
7.1.3. Orificiul sau robinetul de control
Aceste dispozitive se pot utiliza numai pentru a sesiza dacă
lichidul a atins un nivel prestabilit. Orificiul practicat în
peretele lateral al vasului este obturat cu dop, buşon filetat
sau robinet (figura 7.3). Controlul se face prin desfacerea
obturării. Uneori, obturatorul poate conţine şi un dispozitiv
de protecţie (de exemplu, în cazul unor cazane de abur cu
focare deschis, scăderea nivelului apei sub limita minimă
poate fi sesizată de un obturator fuzibil care, în momentul
când apa scade sub nivelul minim se topeşte, aburii care ies
prin orificiul astfel eliberat ajung în focar şi sting focul).
7.2. Măsurarea nivelului cu dispozitive care
măsoară presiunea hidrostatică
Funcţionarea acestor nivelmetre se bazează pe legătura dintre presiunea
hidrostatică exercitată de lichidul dintr-un recipient pe fundul recipientului sau faţă de un
nivel de referinţă şi înălţimea coloanei de lichid faţă de nivelul de referinţă:
Hp (7.1)
Unde: p este presiunea hidrostatică;
este greutatea specifică a lichidului
H este înălţimea faţă de referinţă.
Dezavantajul metodei este dat de faptul că etalonarea este făcută pentru o anumită
densitate a lichidului; pentru lichide cu altă densitate decât a lichidului pentru care s-a
făcut etalonarea sunt necesare corecţii.
7.2.1. Nivelmetru cu citire directă
Când este posibil, la baza rezervorului se montează
un manometru cu tub Bourdon sau cu membrană (figura
7.4). Pe acul manometrului se pot monta contacte electrice
corespunzătoare unuia sau mai multor nivele, semnalul
putând fi astfel transmis la distanţă. Dispozitivul nu se poate
utiliza decât în recipiente deschise, în caz contrar, presiunea
din recipient, diferită de cea atmosferică, se adaugă presiunii
hidrostatice producând erori inacceptabile. Domeniul de
Fig. 7.3. Robinet de
control
Fig. 7.4. Nivelmetru
cu citire directă
măsură este limitat numai de înălţimea rezervorului, precizia fiind de 1% din domeniul
de măsură.
7.2.2. Nivelmetru cu manometru diferenţial
Acest dispozitiv se poate utiliza în dispozitive sub
presiune. Tubul manometric fiind de sticlă (figura 7.5), la
echilibru hidrostatic se obţine relaţia:
hph
HHp
211
2 (7.2)
Atunci când există riscul ca în ramura din dreapta a
tubului U să apară condens al lichidului din vas. În acest
caz este necesară montarea unor oale de condens înainte de
ajungerea în braţul vertical şi purjarea periodică a acestora.
La presiuni mari nu se mai poate utiliza tubul U din sticlă, fiind necesară
confecţionarea lui din oţel. Sesizarea înălţimii coloanei din tub fiind în acest caz realizată
magnetic sau discret cu contacte electrice, ca în figura 7.6.a. În vasul cu mercur (1) sunt
introduse contactele electrice (2) de lungimi diferite, care şuntează porţiuni din rezistenţa
(3) funcţie de înălţimea h a lichidului din vas. Curentul din circuit este dependent de
valoarea rezistenţei şi este măsurat cu instrumentul (4) gradat direct în unităţi de lungime.
O soluţie asemănătoare este prezentată în figura 7.6.b. Atunci când cele două lichide sunt
miscibile sau când nu trebuie să vină în contact se utilizează membrane elastice pentru
transmiterea presiunii hidrostatice.
Fig. 7.5. Nivelmetru cu
manometru difernţial
Fig. 7. 6. Nivelmetre presostatice cu contacte electrice
7.2.3. Nivelmetru cu clopot şi membrană flexibilă
Un clopot cu membrană elastică închide aer la presiune atmosferică (figura 7.7).
Imersat în lichid, asupra membranei aflată la un nivel cunoscut, se exercită o forţă a cărei
expresie este:
hpShSF (7.3)
Unde: - S este suprafaţa membranei
- este greutatea specifică a lichidului
- ph este presiunea hidrostatică.
Deformarea membranei elastice exercită asupra aerului din capsulă o presiune
egală cu ph care este transmisă la manometru prin intermediul unui
tub capilar. Se utilizează pentru recipiente descoperite, unde nu
există acces la pereţii laterali (puţuri de exemplu).
Membrana este realizată din cauciuc, neopren sau materiale
similare. În unele cazuri (lichide corosive, condiţii de sterilitate)
acest nivelmetru poate fi montat în exterior (fig. 7.8)
7.2.4. Nivelmetru cu capsulă cu burduf elastic
În locul clopotului se poate utiliza o capsulă elastică,
presiunea hidrostatică exercitată producând o deformare a acesteia
(figura 9). Presiunea exercitată asupra aerului din interior este
transmisă prin intermediul unui tub capliar la
manometru.
Pe acelaşi principiu se poate utiliza în
locul capsulei un burduf elastic. În aceste cazuri
pot apărea erori cauzate de neetanşeităţi. În cazul
nivelmetrelor cu burduf, deformarea poate fi
măsurată cu un traductor de deplasări liniare.
Pentru exemplificare vom prezenta în
continuare câteva traductoare de nivel bazate pe
măsurarea presiunii hidrostatice produse de firme
cu tradiţie în domeniu. Primul dintre ele este
traductorul CS 420 produs de CAMPBELL
Fig. 7.7. Nivelmetru manometric
cu clopot
Fig. 7.8. Nivelmetru manometric cu
membrană montată în exterior
Fig. 7. 9. Nivelmetru
cu burduf elastic
Fig. 7.10 Senzor CS 420-aspect general
SCIETNIFIC INC prezentat în figura 7.10 . Traductorul are în compunere o capsulă
metalică prevăzută cu membrană elastică capsulă ce este scufundată în lichidul a cărui
nivel se măsoară. Modificarea nivelului, determină modificarea presiunii hidrostatice şi
ca urmare deformarea membranei. În interior este introdus un material piezorezistiv a
cărui rezistenţă electrică se modifică funcţie de presiunea aplicată. Circuitul de măsură
detectează variaţiile de curent din circuitul în care este inserat elementul piezorezistiv
alimentat la o tensiune continuă constantă. Principalele caracteristici ale traductorului
sunt: precizie 0,1% din domeniu (sunt incluse erorile de neliniaritate, de histerezis şi de
repetabilitate), presiune de lucru între 5 şi 100psig (pound per inch2), tensiune de
alimentare maxim 10V c.c., consum maxim 5mA, temperatură de lucru -20+600C,
dimensiuni 1,75 cam diametru, 9,5 cm lungime, greutate 1,4kg, tensiunea maximă de
ieşire 50mV. Este necesar ca senzorul să fie calibrat funcţie de lichidul al cărui nivel se
măsoară, funcţie de tensiunea de alimentare şi de domeniul de măsurare, producătorul
oferind programe speciale de calibrare.
Pe acelaşi principiu se realizează traductorul LL-V cod BP 712 produs de
Honneywell al cărui aspect general este prezentat în figura 7.11.a) şi cu dimensiunile de
gabarit prezentate în figura 7.11.b) . Principalele caracteristici sunt:
- domeniu de măsură: 0-25, 0-50, 0-100, 0-200, 0-300, 0-500, 0-1000”H2O
0-1, 0-2, 0,5, 0-10, 0-25, 0-50 psig
- precizie: +/- 0,1%
- temperatură de operare –20+800C
- ieşire: 0+/-5Vc.c. cu alimentare de 18-28 Vc.c. la 40mA
4-20mA cu alimentare 13-40Vc.c.
4-20mA cu alimentare de 22-32mA
7.3. Măsurarea nivelului cu aparate cu plutitor
Aceste dispozitive au ca principiu urmărirea nivelului de către un plutitor.
Fig. 7.11 Traductorul LL-V BP 712 produs de Honneywell
Au ca avantaj faptul că indicaţia nu mai este dependentă de densitatea lichidului.
Montarea plutitorului se poate face într-o mare diversitate de feluri aşa cum se poate
observa în figura 7.12.
Transmisia mişcării plutitorului la aparatul indicator se poate face de asemenea
într-o multitudine de feluri precum: mecanic, hidraulic, electric, magnetic, etc.
7.3.1. Transmisie mecanică
Transmisia mecanică poate fi
realizată prin cablu ca în figura 7.13.a
sau cu pârghii, ca în figura 7.13.b.
În cazul transmisiei prin cablu,
plutitorul (12) este suspendat pe un fir
care se roteşte pe canelurile unui ax
(3) prin intermediul unui fir
inextensibil (2). Contragreutatea (4)
asigură echilibru staţionar de forţe şi
cupluri. Deplasarea verticală a
plutitorului determină coborârea
contragreutăţii şi mişcarea axului pe
care este fixat solidar, acul indicator. Această variantă nu poate
fi utilizată decât în cazul unor recipiente deschise.
Transmisia mecanică cu pârghii aplicabilă în cazul
recipientelor este prezentată în figura 7.13.b. Plutitorul este
prins prin intermediul unei pârghii pe un ax ce trebuie etanşat
prin intermediul unor presetupe; prezenţa presetupelor
determină apariţia unor forţe de frecare relativ ridicate şi prin
urmare este necesară dimensionarea plutitorului de aşa manieră
încât să de deplaseze în jos la scăderea nivelului sub acţiunea
propriei greutăţi şi să se ridice sub acţiunea forţei arhimedice,
la creşterea nivelului.
Un traductor care combină avantajele transmiterii prin
fir (bandă) a mişcării este traductorul SDI 12 produs de firma
Fig. 7.13. Transmisia mecanică a mişcării
plutitorului: a)prin cablu, b) cu pârghii
Fig. 7.14 Traductorul
AMASSER SDI 12
Fig. 7.12. Modalităţi de montare a plutitorului
AMASSER. Acesta este destinat măsurării nivelului apelor freatice şi are în compunere
un senzor cu fir cu plumb suspendat prin intermediul unei benzi gradate. Poziţia firului cu
plumb este comandată printr-un motor controlat de un procesor. În ciclu de măsurare firul
este coborât până când greutatea atinge suprafaţa apei. Motorul este blocat pentru câteva
secunde permiţând eventualului operator uman să citească direct, pe banda gradată,
adâncimea la care se află suprafaţa pânzei freatice în puţ. Pe axul tamburului este montat
un senzor de deplasare incremental care furnizează 384 de impulsuri pe o rotaţie
completă număr egal cu gradaţiile benzii pe o turaţie. Traductorul este prevăzut cu un
circuit de măsurare care inclus un procesor permiţându-se conversia numerică a mărimii
măsurate şi transmisia la distanţă a informaţiei.
Transmiterea mecanică a mişcării va fi exemplificată prin prezentarea senzorului
FS00 produs de CLARK & Associations, senzor ce este prezentat în figura 7.15. Senzorul
are în compunere un plutitor din neopren prins printr-un tub flexibil de o cameră în care
se află un releu cu mercur cu contact comutator. Contactul releului poate fi legat în
circuite alimentate cu până la 250V la maxim 15A. Cablu de legătură poate avea până la
Fig. 7.15. Senzorul FS 500 a) Aspect general; b) Montaj
Fig. 7.16. Senzorul LC 007. a) Aspect exterior b) Dimensiuni
20m lungime şi conţine trai conductoare cu secţiunea de 1,5mm. Presiunea maximă de
lucru este d 5bar în timp ce temperatura de operare este cuprinsă între –20 şi +800C.
Pe acelaşi principiu, dar cu braţ rigid este realizat senzorul din seria LC007 al
aceluiaşi producător, senzor ce este prezentat în figura 7.16. Corpul şi braţul senzorului
pot fi realizate din oţel inoxidabil sau din materiale plastice.
Prin unirea mai multor plutitoare aflate pe acelaşi ax se obţine un lanţ de măsurare
cu contacte electrice aşa ca la senzorii din seria L312 şi L500 care au în compunere 5 sau
6 contacte ce pot fi montate în circuite
separate sau cu conductor comun, contacte
simple (normal deschise, normal închise) sau
contacte comutatoare, aşa cum reiese din
figura 7.17.
7.3.2. Transmisia hidraulică
Transmisia hidraulică are în
compunere un sistem de capsule elastice şi
conducte de legătură care sunt umplute cu
lichid hidraulic. În figura 7.18 este prezentată
transmisia hidraulică. Creşterea nivelului
provoacă deplasarea în sus a plutitorului (1) şi
în consecinţă creşterea presiunii în capsula 2
şi scăderea corespunzătoare în capsula 3.
Lichidul se va deplasa din capsula 2 în
capsula 4 şi din 5 în 3 ceea ce va avea ca efect
deplasarea acului indicator. Mişcarea Fig. 7.18. Transmisia hidraulică a
mişcării plutitorului
Fig. 7.17. Senzori din seria L312. a) aspect exterior; b) variante de contacte
plutitorului poate fi transmisă prin această metodă până la maxim 80 m.
7.3.3. Transmisia electrică
Transmisia electrică poate fi rezistivă sau inductivă.
Transmisia electrică rezistivă utilizează un dispozitiv similar transmisiei mecanice
cu pârghii, acul indicator acţionând în acest caz cursorul unui potenţiometru. Prin
intermediul unui circuit de măsură adecvat, informaţia poate fi transmisă la distanţă.
În cazul transmisiei electrice inductive (figura 7.19) transmisia mecanică roteşte
rotorul unui selsin de formă nesimetrică. Modificarea poziţiei acestuia determină
modificarea întrefierului, deci a curentului indus în înfăşurarea rotorului. Corespunzător
acestui curent se poziţionează rotorul celui de-al doilea rotor.
7.3.4. Transmisia magnetică
Transmisia magnetică (figura 7.20)este utilizată în cazul măsurărilor de nivel în
recipientele aflate sub presiune. În interiorul tubului 1 realizat dintr-un material rezistent
la presiune (oţel inoxidabil) se află plutitorul 3 care are înglobat material magnetic;
poziţia plutitorului 3 este determinată de nivelul lichidului. Tubul 2 cu fereastră
transparentă este umplut cu un amestec de apă ţi glicerină în care este imersat un plutitor
secundar 4 care înglobat de asemenea material magnetic. Greutatea specifică a celui de al
doilea plutitor fiind egală cu cea a amestecului apă glicerină, iar tuburile fiind alăturate,
poziţia plutitorului 4 fiind determinată de poziţia plutitorului 3 poate fi citită pe fereastra
gradată transparentă.
Fig. 7.19. Transmisia electrică inductivă
Fig. 7.20. Transmisia magnetică
O realizare interesantă, bazată pe principiul transmisiei
magnetice a mişcării plutitorului este cea reprezentată de traductoarele
din seria NBK produs de Clark Solutions prezentat în figura 7.21. Un
ansamblu de role pot fi montate pe o parte a corpului tubului aflat în
legătură cu vasul în care se face măsurarea nivelului. Rolele conţin
mici bare magnetice şi se pot roti liber în jurul axei.. Trecerea
plutitorului magnetic producerea rotirea cu 180 0 a rolelor. Deoarece
rolele sunt colorate roşu pe o parte şi alb pe cealaltă, poziţia
plutitorului în interiorul tubului este semnalizată prin trecerea de
culoarea alb la cea roşie în ansamblul indicatorului. Informaţia
referitoare la valoarea nivelului poate fi transmisă la distanţă cu
ajutorul contactelor unor relee acţionate de rolele magnetice contacte
ce pot introduce sau scoate din circuit o serie de rezistenţe electrice. Se
poate utiliza un dispozitiv de control care să permită generarea unui
semnal continuu de 2-10mA sau 4-20mA.
7.4. Măsurarea nivelului cu aparate cu imersor
Schema de principiu a unui astfel de nivelmetru este cea
prezentată în figura 7.22. Un imersor (1) cu greutatea specifică mai
mare decât cea a lichidului a cărui nivel se măsoară. Imersorul este scufundat în lichid,
fiind atârnat de un reper fix (3) prin intermediul unui resort (2). La echilibru static, forţa
ce acţionează asupra resortului este:
hAGF (7.4)
Unde: G este greutatea imersorului şi a firului
A este aria transversală a imersorului;
este greutatea specifică a imersorului;
h este înălţimea părţii imersate.
Dacă imersorul ar fi atârnat direct (fără resort)
printr-un fir inextensibil, atunci variaţia nivelului h ar
determina variaţia forţei în punctul de sprijin. Cum
imersorul nu este fix, variaţia nivelului va determina
variaţia forţei ce va acţiona asupra resortului şi ca urmare
modificarea alungirii acesteia.
Poziţia resortului este sesizată cu ajutorul unui ac
indicator (4) ce se mişcă în dreptul unei scale gradate.
Deplasările sunt în acest caz mult mai mic decât în cazul
plutitorului; deplasările sunt însă măsurate prin
intermediul unor traductoare de deplasări mici (la care conversia în semnal electric este
comodă) liniare sau unghiulare de forţă sau cuplu. În cazul nivelmetrelor cu imersor,
indicaţia este dependentă de densitatea lichidului.
7.5. Măsurarea nivelului cu aparate bazate
pe proprietăţi termice.
Fig. 7.22. Nivelmetru
cu imersor
Fig. 7.21.
Taductor NBK
7.5.1. Nivelmetre bazate pe diferenţa de
temperatura gaz—lichid
Nivelmetru cu ţeavă de dilatare (figura 7.23) În
lichid se introduce o ţeavă înclinată (1) din material cu
coeficient mare de variaţie a lungimii cu temperatura.
Temperatura medie va determina variaţia lungimii care
este sesizată prin acul indicator (2) ce se mişcă în faţa unei
scale gradate. Cuplul mare de ieşire îl face utilizabil direct
pentru acţionarea unei vane de reglare a debitului.
7.5.2. Nivelmetre bazate pe măsurarea
temperaturii lichidului
Se utilizează pentru măsurarea
discontinuă în scopul sesizării atingerii
anumitor valori ale nivelului. Un astfel de
nivelmetru (figura 7.24) are în compunere
două termocuple care sunt legate în mod
diferenţial. Cele două termocuple furnizează la
ieşire o tensiune dependentă de diferenţa de
temperatură între joncţiunea caldă şi cea rece.
În cazul în care temperatura lichidului este
diferită de cea a mediului în cazul în care
joncţiunile calde ale celor două termocuple se
află la aceeaşi temperatură (ambele imersate în
lichid sau ambele în aer) tensiunile furnizate la
ieşirile celor două termocuple vor fi egale, termocuplele fiind legate diferenţial, tensiunea
la bornele milivoltmetrului va fi nulă. În caz că joncţiunile calde ale celor două
termoculpe se vor afla la temperaturi diferite (cel din partea inferioară imersat în lichid
iar cel de la partea superioară în aer) tensiunile furnizate de cele două termocuple vor fi
diferite, iar la bornele milivoltmetrului va ajunge o tensiune diferită de zero. În acest fel
se poate transmite la distanţă momentul atingerii nivelului corespunzător montării
termocuplului T1 sau T2.
Se pot utiliza ca elemente sensibile un lanţ de elemente termorezistive (de obicei
termistori care au o sensibilitate mare) sunt înseriate în braţele unei punţi (figura 7.25).
Tensiunea de dezechilibru este proporţională cu valoarea rezistenţei termoelementelor,
care la rândul ei depinde de numărul elementelor imersate în lichid (presupus la
temperatură diferită de cea a gazului de deasupra). În acest caz este necesar ca tensiunea
de alimentare a punţii să fie dimensionată încât să nu producă încălzirea prin efect Joule a
elementelor termorezistive.
Fig. 7.23. Nivelmetru
cu ţeavă de dilatare
Fig. 7.24. Nivelmetru cu termoculpe
Nivelmetrele cu elemente
termorezistive pot fi utilizate şi în cazul
măsurării nivelului în cazul în care lichidul
în care sunt imersate termoelementele se
află la aceeaşi temperatură cu gazul de
deasupra; în acest caz sursa va trebui
dimensionată în aşa fel încât să determine
încălzirea termoelementelor prin efect
Joule, temperatura şirului de elemente va
depinde de numărul de elemente imersate
în lichid datorită coeficientului diferit de
transmitere a căldurii prin cele două medii
(gaz şi lichid). Cu cât numărul de elemente
imersate este mai mare, cu atât răcire
ansamblului va fi mai bună şi deci
rezistenţa mai mare. Aceleaşi principiu se
poate utiliza şi pentru detectarea nivelului
de separaţie dintre două lichide nemiscibile cu coeficienţi de transmitere a căldurii
diferiţi.
Trebuie menţionat faptul că nivelmetrele cu termistori sau termorezistenţe
realizează o măsurare discontinuă a nivelului.
7.6. Măsurarea nivelului cu aparate gravimetrice
Este o metodă rar utilizată ce presupune
cântărirea rezervorului, şi cunoscându-se masa
acestuia, dimensiunile şi densitatea lichidului de
determină nivelul. Este necesar ca sub rezervor să se
monteze dispozitivul de cântărire, în partea superioară
a rezervorului fiind necesară sprijinirea pe lagăre sau
role în scopul preluării dilataţiilor. Cântărirea poate fi
făcută mecanic (dispozitive dinamometrice, pârghii,
etc) sau electric (doze tensiometrice, doze magneto-
elastice, etc.) Dozele tensorezistive se bazează pe
modificarea rezistenţei elementelor sub acţiunea
deformaţiile produse de efort în timp ce dozele
magneto-elastice se bazează pe modificarea
permeabilităţii magnetice a unor materiale feromagnetice (aliaje de nichel cu fier) atunci
când sunt comprimate sau alungite. Forţa exercitată de greutatea rezervorului determină
modificarea dimensiunilor dozelor. Măsurarea parametrilor unui circuit electric în care
este inclusă o bobină cu miez din astfel de material face posibilă determinarea masei
cântărite. Avantajele sunt determinate de posibilitatea montării dispozitivului în locuri
inaccesibile operatorului uman şi insensibilitatea la agenţi corosivi, praf, etc.
7.7. Măsurarea nivelului cu dispozitive cu ultrasunete
Fig. 7.25. Nivelmetru termic cu
elemente termorezistive
Fig. 7.26. Nivelmetru gravimetric
Există două mari principii pe care se bazează funcţionarea nivelmetrelor cu
ultrasunete:
- măsurarea timpului în care este parcursă o distanţă de către o undă ultrasonică
incidentă şi reflectată (sonarul ultrasonic)
- măsurarea amortizării oscilaţiilor de către lichid
7.7.1. Metoda locatorului ultrasonic
Această metodă se foloseşte pentru măsurarea nivelului lichidelor care nu conţin
impurităţi în suspensie şi care au o vâscozitate redusă, astfel încât suprafaţa liberă este
plană şi orizontală. În acest caz se măsoară timpul în care este parcursă distanţa de la un
punct fix (generatorul de ultrasunete) până la suprafaţa de separare a lichidului şi înapoi.
Funcţionarea se bazează pe faptul că la suprafaţa de separare, unda este aproape complet
reflectată. Generatorul este realizat în general prin intermediul unui element
piezoelectric; elementele piezoelectric sunt în general cuarţuri, titanat de bariu, titanat de
calciu, etc., tăiate după anumite direcţii, care, supuse unor presiuni pe feţele laterale
produc sarcini electrice pe feţele opuse (deci tensiuni electrice) şi invers, atunci când li se
aplică o tensiune electrică pe două feţe îşi modifică dimensiunile pe direcţia
perpendiculară pe cele două feţe. Generatorul poate fi amplasat atât pe fundul vasului, cât
şi deasupra acestuia.
Schema de principiu este prezentată în
figura 7.27. Cu ajutorul blocului electronic 6 se
obţin oscilaţii electronice care sunt transmise
sincron piezoelementelor 1. Unul dintre
piezoelemente este prevăzut cu un canal (5) aflat
complet în lichid. El serveşte ca element de
compensare în scopul eliminării erorilor introduse
de mediul în care are loc propagarea. În canalul de
măsură (2) timpul necesar parcurgerii distanţei 2h
de către unda directă şi cea reflectată de suprafaţa
de separare este:
c
ht
21
(7.5)
Unde s-a notat cu c viteza de propagare a sunetului prin lichid.
Timpul t2 în care unda directă şi cea reflectată parcurge distanţa 2l în canalul de
compensare se determină cu relaţia:
c
lt
22 (7.6)
Semnalele obţinute de la cele două canale sunt captate şi introduse în scheme de
măsurare a timpului, care furnizează la ieşire tensiuni proporţionale cu timpii de
propagare. Indicaţia aparatului de măsură va fi:
Fig. 7.27. Nivelmetru ultrasonic
hkl
hk
U
Uk 31
2
1 (7.7)
Dispozitivele bazate pe măsurarea timpului de propagare se folosesc pentru
măsurarea continuă a nivelului şi utilizează oscilatoare a căror frecvenţă este cuprinsă
între 100KHz şi 36MHz.
Un nivelmetru
bazat pe măsurarea
timpului de propagare
este cel din seria UL
realizat de Dwyer
Instruments Inc,
nivelmetru al cărui
aspect este prezentat în
figura 7.28
(dimensiunile sunt
exprimate în inch). De
menţionat că în acest
caz, nivelmetrul se
montează în partea
superioară a
recipientului în care se
face măsurarea, faţa
senzorului fiind
montată spre în jos, paralelă cu suprafaţa lichidului. Senzorul emite pulsuri ultrasonice
care sunt reflectate la suprafaţa de separaţie aer-lichid; distanţa parcursă de pulsul
ultrasonic este calculată de un circuit electronic şi este convertită în semnal electric în
gama 4-20mA.
Trebuie menţionat că senzorul are o zonă oarbă, astfel încât distanţa minimă pe
care senzorul trebuie să o măsoare (corespunzător valorii curentului de ieşire de 20mA),
trebuie să fie mai mare decât dimensiunea zonei oarbe. De asemenea, fascicolul incident
face un unghi de circa 6,50 cu verticala; pentru ca
să nu apară indicaţii eronate ale senzorului, este
necesar ca în orice punct diametrul interior al
recipientului în care se face măsurarea să fie mai
mare decât diametrul fascicolului incident.
Senzorul are o precizie de 0,3% şi o eroare de
repetabilitate de maxim 3mm.
Mai menţionăm aici senzorul UCL 500
produs de GEMS Sensors (figura 7.29), senzor
care are caracteristici similare celui prezentat
anterior. Trebuie menţionat dispersia mai mică a
fascicolului ultrasonic (conicitate maximă 80) ceea
ce îl recomandă pentru măsurarea nivelului în
incinte înguste, nivelul maxim ajungând la circa
15m.
Fig. 7.28. Nivelmetru tip UL realizat de Dwyer Innstruments
Fig. 7.29. Senzori UCL 500
În încheiere mai trebuie făcută observaţia că acest tip de nivelmetre este
recomandat pentru măsurarea nivelurilor în recipiente de dimensiuni mari şi în medii din
cele mai diverse, lipsa contactului direct senzor-lichid de măsurat recomandându-le în
cazul mediilor agresive.
7.7.2. Metoda amortizării oscilaţiilor
Metoda se utilizează pentru sesizarea unor valori limită ale nivelului.. Principiul
metodei se bazează pe rezistenţa considerabil mai mare pe care un lichid o opune unui
element vibrator faţă de un gaz. Constructiv, într-un ştuţ lateral al recipientului este
introdus un generator ultrasonic care are în capăt o membrană. Membrana oscilează
atunci când în jurul ei se află aer; atunci când în jurul ei se află lichid, rezistenţa sporită
pe care acesta o opune la mişcarea membranei face ca amplitudinea oscilaţiilor să scadă
foarte mult acestea fiind neglijabile în raport cu primul caz. Frânarea oscilaţiilor are loc
atunci când 2/3 din suprafaţa membranei se află scufundată în lichid. Domeniul mare de
măsurare (de ordinul zecilor de metri) precizia bună (c.c.a. 1mm/m) absenţa contactului
cu lichidul a elementului piezoelectric fac ca aceste dispozitive să fie larg utilizate.
7.8. Aparate cu surse radioactive
Dispozitivele cu sursă radioactive (figura 7.30) sunt scumpe, dificil de manevrat,
dar oferă avantajul posibilităţii măsurării lichidelor agresive sau cu parametri (presiuni,
temperaturi) foarte ridicaţi, precum şi posibilitatea măsurării nivelului atunci când nu este
posibil contactul între lichidul de măsurat şi dispozitivul de măsurare. Intensitatea
radiaţiilor emise de sursa radioactivă (1) fixată în exteriorul vasului este măsurată cu
ajutorul unui sistem de detecţie introdus în interior; intensitatea radiaţiilor recepţionate va
depinde de atenuarea produsă de lichid, care la rândul ei depinde de grosimea stratului de
lichid, deci de nivel.
Domeniul de măsură este limitat numai de dimensiunile vasului. Precizia este în
general cuprinsă între 13% putând ajunge în cazuri speciale la 0,1%.
7.9. Aparate fotoelectrice
Fig. 7.30. Principiul de funcţionare al nivelmutrului cu radiaţii
Pentru măsurarea fotoelectrică este necesar ca recipientul să aibă pereţi
transparenţi sau să se monteze sticle de nivel. Se utilizează măsurarea fotoelectrică atunci
când nu este posibil accesul operatorul la sticla de nivel sau când este necesară
transmiterea la distanţă a rezultatului măsurătorii. Există mai variante de realizare a
dispozitivelor fotoelectrice.
7.10. Sesizarea valorilor limită
Schema de principiu a nivelmetrului este prezentată în figura …a. Dispozitivul are
în compunere un emiţător de radiaţie luminoasă (bec cu incandescenţă, LED, etc. şi un
dispozitiv electronic sensibil la radiaţia luminoasă (fotodiodă, fototranzistor, fotorezistor,
etc..) montate de o parte şi de alta a sticlei de nivel. Elementul sensibil la radiaţii este
introdus într-un circuit de măsurare a curentului. Cantitatea de radiaţii luminoase ce
ajunge pe receptor este dependentă de mediul dintre sursă şi receptor; atunci când lichidul
se intercalează între sursă şi receptor se produce o dispersie a fascicolului luminos ceea
ce determină modificarea parametrilor circuitului de măsură şi în acest fel sesizarea
atingerii nivelului la care este montat dispozitivul.
7.11. Măsurarea contină a dispozitivelor de urmărire
O sursă luminoasă (1), o punte cu termoelemente şi un sistem optic (prismă,
paravan cu fantă) sunt montate pe un suport mobil. Puntea este astfel dimensionată încât
este echilibrată atunci când două fotoelemente sunt iluminate iar două nu, adică atunci
când lichidul obturează numai două dintre ele.. Când toate cele 4 elemente fotorezistive
sunt iluminate tensiunea de dezechilibru a punţii comandă rotirea motorului (M) astfel
încât echipajul să fie deplasat în jos, iar când toate cele 4 sunt obturate se comandă
deplasarea în sus. Cu ajutorul unui traductor de deplasare montat pe axul motorului se
urmăreşte nivelul.
7.12. Indicatorul de nivel cu prismă
Sursa 2 emite un fascicul luminos care este reflectat de prisma 1. Atunci când
prisma este imersat în lichid, indicele de reflexie se modifică, o parte din fascicul
dispersându-se în lichid. Scăderea intensităţii fascicolului reflectat este sesizată de către
elementul fotosensibil (3)
Un principiu similar este prezentat în figura…. Senzorul are în compunere un emiţător de
radiaţii luminoase (LED) un receptor şi un sistem de prisme care asigură transmiterea
Fig. . Principiu senzori de nivel optici
radiaţiei de la emiţător la receptor ca în figura, în condiţiile în care propagarea se
realizează prin aer. Senzorul este montat în interiorul vasului al cărui nivel se măsoară;
atunci când senzorul se află imersat în lichid se produce o dispersie a fascicolului luminos
în lichid iar curentul prin receptor scade semnificativ circuitul de măsură sesizează
scăderea curentului detectându-se în acest fel atingerea unor nivele limită.
Un astfel de senzor este ELS 1100 produs de GEMS Sensors. Aspectul senzorului
este prezentat în figura … iar dimensiunile de gabarit în figura … Senzorul care
este ieftin şi uşor de montat, are inclusă electronica de măsurare, electronică ce
permite reglarea nivelului de detecţie, contactul electric acţionat putând fi normal
închis sau normal deschis. Dintre principalele caracteristici se pot aminti:
repetabilitate 1%, carcasă din nylon sau răşini sulfonate, curent absorbit max
15mA, ieşire compatibilă TTL/CMOS open colector curent maxim 30mA
30Vc.c..
Pe acelaşi principiu, dar având un receptor fotorezistiv se bazează senzorul LV
132 care, în plus poate sesiza prezenţa unui lichid conductor (apă) sau izolant
(hidrocarburi). Caracteristicile sunt asemănătoare astfel: carcasă din nylon sau
răşini sulfonate, curent absorbit max 17mA, ieşire compatibilă TTL/CMOS open
colector curent maxim 150mA 38Vc.c..
Fig . Senzor ELS 1100
Aspect general Fig. . Senzor ELS 1100-descriere
Aspectul general este prezentat în figura ….b), dimensiunile de gabarit şi
componenţa în figura …a, iar modul de legare tipic în figura …. De menţionat că
discriminarea prezenţei aer, apă, hidrocarburi se realizează prin combinaţia
valorilor celor două ieşiri (una corespunzătoare lichidelor elecroizolante iar
cealaltă lichidelor electroconductoare) conform tabelului:
Mediu Stare logică ieşire
lichid izolant
Stare logică ieşire
lichid conductor
Aer 0 1
Apă 0 0
Hidrocarburi 1 1
Fig. . Senzorul LV 132
Pentru comparaţie vom prezenta în continuare aspectul şi caracteristicile senzorului din
seria LLE 10500 produs de firma Honeywell a cărui funcţionare se bazează pe acelaşi
principiu al modificării indicelui de reflexie a radiaţiei luminoase, dar care are ca receptor
un fototranzistor. Aspectul şi dimensiunile de gabarit sunt prezentate în figura…. A) iar
modul tipic de legare este prezentat în figura …b). Dintre caracteristici menţionăm:
- repetabilitate 1mm, histerezis 2mm, timp de răspuns la creşterea nivelului
50s, timp de răspuns la scăderea nivelului lichidului 1s în metanol (răspunsul
în cazul altor lichide depinde de vâscozitatea acestora), temperatură de operare
Fig . Modul tipic de legare al senzorului LV 132
Fig.. . Senzorul Honeywell LLE 10500
-25800C, presiunea de lucru 0-5 bar, tensiune de alimentare 5Vc.c., consum
15mA, ieşire compatibilă TTL/CMOS 5Vc.c..
8. Măsurarea nivelului cu nivelmetre rezistive.
Metodele rezistive sunt aplicabile numai în cazul lichidelor conductoare. Pot
realiza atât semnalizarea unor limite de nivel prestabilite cât şi măsurarea continuă a
nivelului. Metodele de măsurare depind de conductivitatea recipientului şi a lichidului.
Metodele de măsurare rezistivă sunt prezentate schematic în figura … . În figura
..a este figurat cazul recipientelor conductoare; la o înălţime corespunzătoare nivelului
limită ce trebuie semnalizat se montează un
electrod conductor. Atingerea de către lichidul
conductor a electrodului determină
închiderea contactului format între peretele
recipientului şi electrod.
Atunci când recipientul este
realizat din material
izolator, se utilizează
schema de principiu din
figura …b. Un electrod
conductor este scufundat în
lichid până la fundul
vasului; cel de-al doilea
electrod conductor este
montat la înălţimea corespunzătoare nivelului limită ce trebuie semnalizat. Creşterea
nivelului lichidului va determina închiderea contactului dintre electrodul montat la fundul
vasului şi cel de la partea superioară. În cazul în care lichidul al cărui nivel se măsoară
are o conductivitate ridicată, se utilizează doi electrozi realizaţi din materiale conductoare
de mare rezistivitate scufundaţi până aproape de fundul vasului. Ridicarea nivelului
lichidului determină şuntarea unor porţiuni din rezistenţa electrozilor. Variaţia de
rezistenţă este utilizată în circuitul de măsurare continuă a nivelului ca măsură a variaţiei
nivelului.
TRADUCTOARE CAPACITIVE
Se utilizează pentru măsurarea
continuă a nivelului atât pentru lichide
izolante cât şi pentru cele conductoare.
Principiul de măsurare constă din realizarea unor condensatoare a căror capacitate să
varieze în funcţie de nivelul lichidului. Realizarea specifică va depinde de conductivitatea
recipientului în care se face măsurătoarea precum şi de conductivitatea lichidului al cărui
nivel se măsoară.
În cazul în care recipientul este conductor iar lichidul este dielectric, electrodul
este neizolat iar senzorul are aspectul din fig …a) iar schema echivalentă a capacităţilor
ce apar este cea prezentată în figura ..b). În schema echivalentă apar următoarele
elemente:
- C1 capacitatea ce apare între electrodul neizolat şi pereţii recipientului în
zona de intrare a electrodului;
- C4 capacitatea ce apare între capătul inferior al electrodului şi fundul
recipientului;
- C2 capacitatea ce apare între electrod şi pereţii laterali ai recipientului
având ca dielectric aerul;
- C3 capacitatea ce apare între electrod şi pereţii laterali ai recipientului
având ca dielectric lichidul;
- R rezistenţa de pierderi totală
Considerând atât recipientul cât şi electrodul de formă cilindrică având diametrele
D şi respectiv d capacitatea echivalentă se calculează cu relaţia:
d
D
h
d
D
hCC ll
fe
ln2
1
ln2
Unde: - h este domeniul de lucru;
- hl înălţimea lichidului din recipient;
- l permitivitatea lichidului.
S-a considerat permitivitatea relativă a aerului er=1 şi electrodul concentric cu
recipientul. Se observă că există o dependenţă liniară între capacitatea echivalentă şi
nivelul hl a lichidului din vas de forma:
le hkkC 21
În cazul în care recipientul este izolator se introduc în recipient până la adâncimea
h doi electrozi concentrici de formă cilindrică. Relaţiile anterioare rămân valabile cu
precizarea că în acest caz D va fi diametrul electrodului interior iar d diametrul
electrodului interior.
În cazul în care lichidul din vas este agresiv şi nu este permis contactul între
lichid şi electrod se introduce electrodul într-un manşon protector izolant aşa cum este
prezentat schematic în figura ….
În acest caz elementele de circuit care apar în schema echivalentă sunt:
- C1 capacitate fixă între electrod şi pereţii recipientului;
- C2, C4 capacităţi între electrod şi pereţii recipientului pe înălţimea ha,
având ca dielectric aerul;
- C3, C5 capacităţi între electrod şi pereţii recipientului pe înălţimea hl având
ca dielectric lichidul al cărui nivel se măsoară, respectiv aerul;
- Rezistenţa totală de pierderi.
Capacitatea echivalentă a schemei din figura …b) se calculează cu relaţia:
Notând:
la
l
hh
h
- gradul de umplee
Csi – capacitatea fixă sondă izolaţie pe toată înălţimea h;
Cir – capacitatea fixă sondă rezervor pe toată înălţimea h;
=Cir/Csi raprortul dintre grosimea izolaţiei şi distanţa de la izolaţie la rezervor;
se obţine:
irsi
irsi
irlsi
irsil
irsi
irsife
CC
CC
CC
CC
CC
CCCC
respectiv:
11
1
1 l
lir
irfe C
CCC
Schemele de măsură sunt constituite în general din punţi de c.a., erorile de măsură
fiind cuprinse între 2% şi 3%.