Capitolul 3

3. Senzori i traductoare de msurare a nivelului lichidelor

3.1. Noiuni introductive

Nivelul lichidelor poate fi msurat prin mai multe metode, folosind diferite tipuri de traductoare. O instalaie care este printre primele sisteme de transmitere la distan a datelor, n spe referitoare la nivelul lichidelor, are ca element sensibil un plutitor care antreneaz o roat dinat n legtur cu un comutator mecanic cu ajutorul cruia se transmit, prin linie, la distan, impulsuri de c.c. pozitive, cnd nivelul crete i negative, la scderea nivelului, numrul de impulsuri pozitive sau negative fiind direct proporional cu valoarea nivelului, cnd acesta crete sau scade. Aceste impulsuri, la distan sunt numrate i afiate cu un sistem electromecanic.

O alt instalaie de telemsurare a nivelului lichidelor care trebuie s fie bune conductoare de electricitate, are ca element sensibil un traductor rezistiv format din mai multe trepte de rezistene capsulate legate n serie prin plcue din alam nichelate sau din oel inoxidabil, care sunt scurtcircuitate la creterea nivelului, valoarea rezistenei echivalente rmas n aer fiind indicat cu un aparat de tip logometru, specific ohmetrelor clasice, etalonat n uniti de nivel.

Cel mai simplu sistem de telemsurare a nivelului are elementul sensibil un plutitor care printr-un reductor acioneaz cursorul unui poteniometru circular. La ieirea poteniometrului, dac acesta este alimentat n c.c. de la o surs de tensiune stabilizat, se obine o tensiune direct proporional cu nivelul lichidului care este msurat la distan cu un voltmetru etalonat n metri. Axul cursorului poate aciona un comando-aparat prevzut cu came profilate corespunztor care comand microntreruptoare cnd nivelul atinge diferite valori (NI nivel inferior, NS nivel superior, NA nivel de avarie etc.).

Un alt sistem de telemsurare a nivelului lichidelor bune conductoare de electricitate are ca element sensibil un traductor rezistiv, format din doi electrozi cilindrici concentrici la bornele cruia, rezistena coloanei de lichid dintre electrozi este variabil n funcie de valoarea nivelului i anume: pentru nivel mic rezistena este mare, iar pentru nivel mare, rezistena are valoare mic. Prin alimentarea elementului sensibil nseriat cu un miliampermetru, are loc a doua conversie i anume modificarea rezistenei traductorului determin variaia curentului din circuitul de msur. Dependena dintre mrimea de ieire (curentul indicat de miliampermetru) i cea de intrare (nivelul lichidului) este liniar. Pentru evitarea fenomenului de polarizare, circuitul de msur este alimentat n c.a. printr-un transformator de separare, cobortor de tensiune, cu tensiune stabilizat de joas frecven. Cu acest traductor se poate msura nivelul lichidelor bune conductoare de electricitate care au rezistivitatea constant, de aceea nu este indicat folosirea lui dac lichidul este ap potabil sau necesar consumului industrial. Aceste lichide se tie c au rezistivitatea variabil n funcie de anotimp. Dac lichidul al crui nivel se msoar este dielectric, elementul sensibil este un condensator cu armturi cilindrice concentrice care are armtura interioar dezizolat.

n continuare se prezint dou sisteme de msurare a nivelului lichidelor cu traductoare capacitive cu electrozi cilindrici concentrici, unul pentru lichide dielectrice, care are electrodul central dezizolat i al doilea, pentru lichide bune conductoare de electricitate, care are electrodul central izolat. Primul sistem este format dintr-un oscilator de frecven stabilizat (fc = 500 kHz) care alimenteaz un circuit de msur format dintr-un redresor monoalternan, un microampermetru magnetoelectric etalonat n uniti de nivel i traductorul capacitiv, cel de-a doilea sistem fiind format tot dintr-un oscilator cu fc = 500 kHz care are ca sarcin un transformator cu dou nfurri secundare identice legate n serie adiional, care constituie dou brae adiacente a unei puni de c.a., celelalte brae fiind formate din dou impedane cu caracter capacitiv, prima impedan fiind format din circuitul traductorului capacitiv, cea de-a doua, dintr-un rezistor i un condensator cu parametri variabili cu care se regleaz corespunztor tensiunea de dezechilibru. n continuare tensiunea alternativ de dezechilibru, direct proporional cu valoarea nivelului, este redresat, cu un redresor bialternan i filtrat cu un filtru trece jos, dup care semnalul obinut este aplicat unui circuit de msur cu element activ, un miliampermetru magnetoelectric etalonat n uniti de nivel.

n final se analizeaz dou instalaii electronice cu senzori de nivel inferior i superior, prima instalaie avnd senzori rezistivi, care comand prin dou amplificatoare logice, dou relee electromagnetice ale cror contacte normal deschise se utilizeaz n instalaiile de comand automat a motoarelor de acionare a pompelor, cea de-a doua instalaie fiind format dintr-un oscilator L-C, cu band larg de frecvene, frecvena lui fiind funcie de capacitatea traductorului de nivel, un formator de semnal dreptunghiular, urmat de un divizor de frecven, semnal cu care sunt alimentate dou relee de frecven cu filtre rezonante de tip L-C unul, dimensionat pentru semnalul de frecven maxim, corespunztoare nivelului inferior, iar cel de-al doilea, care funcioneaz la frecvena minim corespunztoare nivelului superior.

3.2. Telemsurarea nivelului lichidelor folosind un sistem cu impulsuri de tensiune continu

Sistemul cu impulsuri de tensiune continu, pentru telemsurarea nivelului lichidelor (fig. 3.1) este o instalaie clasic de transmitere la distan a informaiei referitoare la valoarea unui parametru tehnologic controlat (n cazul acesta, nivel de lichid) [13].

Fig. 3.1. Sistem cu impulsuri de tensiune continu folosit la telemsurarea nivelului lichidelor

Plutitorul 2 al sistemului de telemsurare, urmrete nivelul hx (0( hx ( hmax) la un moment dat al lichidului. La creterea nivelului, plutitorul 2 cu masa mp se deplaseaz n sus. Lanul 3 antreneaz roata stelat 5 care este rotit spre stnga deoarece masa mcg a contragreutii 5 este mai mare dect masa echivalent aparent a plutitorului mepu la urcare (mepu = mp madu; madu este masa apei dislocuite), la creterea nivelului, deci la urcarea plutitorului. Are loc prima conversie n cadrul sistemului i anume: creterea nivelului care este o deplasare liniar a plutitorului, este convertit ntr-o deplasare unghiular a roii stelate. Prin axul 6 deplasarea unghiular este transmis roii dinate 7 care acioneaz contactul mobil 8, comun contactelor normal deschise (c.n.d.) S1 i S2. Se nchide c.n.d. S1 i este activat sursa de tensiune continu UC1 (UC1 = UC2). Apare un impuls de tensiune continu cu polaritatea - pe borna A i + pe borna B a liniei de transmisie. Conduce dioda D1 i se alimenteaz cu tensiune bobina 9, este atras armtura mobil M, care deplaseaz liniar, spre stnga, ancora 12. Aceasta este n contact cu roata dinat 13 care execut o deplasare unghiular (p, corespunztor pasului de danturare. Tot cu (p este deplasat spre dreapta i acul indicator 14, care se mic n dreptul scalei 15 gradat n uniti de nivel. Meninerea n poziie mijlocie a armturii mobile 11 este realizat cu arcurile solenoidale 16 tensionate cu uruburile 17.

Se observ c pentru indicarea nivelului lichidului 1 au loc o serie de conversii succesive i anume: nivelul sau deplasarea liniar a plutitorului, n deplasarea unghiular a elementelor 5, 6, 7, 8, deplasarea unghiular, n impulsuri de tensiune continu transmise prin linia B-D, A-C, impulsurile de tensiune n deplasare liniar a miezului 11 i ancorei 12 i, n final, deplasarea liniar a ancorei, n deplasare unghiular a roii dinate 13 i a acului indicator 14.

La scderea nivelului apei, masa echivalent a plutitorului mapc (mapc masa echivalent a plutitorului la coborre: mapc ( mapu) este mai mare dect masa contragreutii, roata stelat 5 mpreun cu axul 6 i roata dinat 7 sunt rotite invers situaiei precedente, este acionat contactul S2 i activat sursa de tensiune continu UC2, se schimb polaritatea tensiunii de la bornele A-B ale liniei de transmisie (polaritatea este + pe borna A i pe borna B), conduce dioda D2, este alimentat cu tensiune bobina 10, ancora 12 este deplasat liniar spre dreapta i acul indicator 14 este rotit spre stnga.

Sistemul de telemsurare a nivelului, cu impulsuri de tensiune continu, este realizat n aa fel nct cnd plutitorul parcurge distana hmax i acul indicator s execute deplasarea unghiular (max. Pentru aceasta, n scopul msurrii valorilor mari de nivel se impune folosirea unui reductor dimensionat corespunztor ntre roata dinat 13 i axul acului indicator.

Un dezavantaj al acestei instalaii electromecanice de telemsurare a nivelului lichidelor este acela c la defectarea prii electrice (bateriile UC1 sau UC2 consumate, linie de transmisie ntrerupt etc.), dup remedierea defectului, se impune reglarea dispozitivului de indicare. Aceasta se face fie cnd nivelul este minim, fie cnd nivelul are valoare maxim.

De remarcat este faptul c acest sistem de telemsurare face parte din primele sisteme de control de la distan a unor parametri tehnologici, care utilizeaz impulsuri de tensiune continu.

3.3. Telemsurarea nivelului lichidelor, care au rezistivitatea mic, cu logometru indicator de nivel

3.3.1. Determinarea relaiei dintre mrimea de ieire i cea de intrare la sistemul de telemsurare cu logometru de nivel

Pentru telemsurarea nivelului lichidelor care au rezistivitate mic, se utilizeaz frecvent logometrul indicator de nivel a crui schem de principiu este dat n fig. 3.2. Elementul sensibil al traductorului este format din n trepte de rezistene egale ntre ele, nseriate prin plcue de oel inoxidabil sau din alam nichelat, care prin creterea nivelului sunt scurtcircuitate de lichid. Aa cum se demonstreaz n continuare, dependena dintre indicaia (x i nivelul hx al lichidului nu este liniar (vezi (3.17)). Din acest motiv, pentru acest tip de traductor, este prezentat o metod de liniarizare.

Fig. 3.2. Logometru pentru msurarea nivelului lichidelor

n continuare, se determin, pentru sistemul actual de telemsurare, relaia dintre deplasarea unghiular (x a acului indicator 6 i nivelul curent hx: hx ( [0 hmax].

Prin bobinele 3 i 4 ale logometrului montate pe rotorul 1, cu un decalaj geometric de , circul curenii:

;

(3.1)

.

(3.2)

Aici: R1 i R2 sunt rezistenele bobinelor 3 i 4, Rl1 i Rl2, rezistenele de limitare a curenilor prin cele dou bobine (Rl1 = Rl2 = Rl), RV este o rezisten variabil montat n interiorul aparatului pentru compensarea cderii de tensiune pe liniile de transmisie, 2(RL rezistena total a liniei de legtur dintre traductor i aparatul indicator, iar Rhx este rezistena traductorului cnd nivelul are valoarea hx. Dac:hx = 0, Rhx = Rmax, Rmax = n(RT

(3.3)unde RT este rezistena unei trepte a traductorului rezistiv de nivel.

Pentru o anumit valoare a nivelului hx, rezistena Rhx se determin cu:

.

(3.4)

Numrul de trepte n a traductorului rezistiv de nivel este proporional cu valoarea maxim a nivelului:

;

(3.5)

deci:

.

(3.6)

Rezistena din traductor scurtcircuitat de lichid este:

;

(3.7)

dar:

;

(3.8)

deci:

;

(3.9)

.

(3.10)

nlocuind (3.3) i (3.10) n (3.4) rezult:

.

(3.11)

Cu (3.11) i (3.2) rezult:

.

(3.12)

Deplasarea unghiular (x a acului indicator se obine pentru un anumit nivel hx, n cazul echilibrului momentelor active i de sens contrar Ma1 i Ma2, care se calculeaz cu:

(3.13)

n care K1 i K2 sunt constante care depind de parametri constructivi ai logometrului, iar ( - fluxul de valoare constant, produs de magnetul permanent 5. Momentul activ Ma2 se mai poate scrie:

(3.14)

Din egalitatea:

(3.15)

rezult:

;

(3.16)

nlocuind n (3.16) relaiile (3.1) i (3.12) obinem:

.

(3.17)

n relaia (3.17), dac se menine constant suma:

(3.18)

singura variabil este hx, deci (x = f(hx).

Cnd crete nivelul hx, scade numitorul relaiei (3.17) i crete deviaia unghiular (x a acului indicator, dar scala 7 a aparatului de msur este gradat neuniform deoarece dependena (3,17) dintre (x i hx este neliniar. Scala aparatului este etalonat n uniti de nivel. Etalonarea se realizeaz folosind relaia (3.17), innd seama de condiia (3.18) n care RV1 i 2(RLi, i = 1n, sunt valorile pentru o anumit linie de transmisie, ale rezistenei variabile i liniei respective. Suma lor trebuie s fie constant (RC = RVi + 2(RLi). Deci pentru o anumit linie de transmisie se obine valoarea de reglaj RVi a rezistenei RV:

(3.19)

Valoarea maxim a rezistenei variabile RV se obine n cazul ideal, cnd RL = 0:

(3.20)

Cum:

(3.21)

(3.22)

rezult c pentru RV = 0( se obine valoarea maxim a rezistenei liniei de transmisie:

(3.23)

Aceast valoare nu poate fi depit, deoarece n fabrica constructoare, etalonarea aparatului se face pentru o anumit valoare a rezistenei RC.

3.3.2. Liniarizarea sistemului de telemsurare cu logometru indicator de nivel

Logometrul indicator de nivel, cu traductor rezistiv format din n trepte RT (fig. 3.2) are scala gradat neuniform potrivit relaiei (3.17). Pentru liniarizarea sistemului de telemsurare a nivelului se impune folosirea unui traductor rezistiv format din trepte de rezistene de valori diferite (RT1 ( RT2 ( (RTn).

nlocuind n expresia (3.17), relaia (3.11), se obine:

.

(3.24)

innd seama i de (3.4), relaia de sus devine:

.

(3.25)

Pentru hx = 0, Rx = 0 i (x = (0:

.

(3.26)

Cnd nivelul crete pn la valoarea maxim, acul indicator are deplasarea unghiular:

(3.27)

tiind c traductorul are n trepte, la creterea nivelului cu o treapt deplasarea unghiular a acului indicator trebuie s fie (T:

(3.28)

Deplasarea (max a acului indicator:

(3.29)

se poate obine din (3.25) cnd hx = hmax, Rx = Rmax:

.

(3.30)

innd seama de (3.29) i (3.25) se obin:

(3.31)

n care:

.

(3.32)

.

(3.33)

Din (3.31) rezult valoarea rezistenei primei trepte (presupunnd c rezistena coloanei de ap h1 este mult mai mic dect rezistena treptei):

(3.34)

n acelai mod se obin:

(3.35)

(3.36)

--------------------------------------------------------------------------------------------------

(3.37)

(3.38)

Cu aceste relaii se calculeaz treptele traductorului:

(3.39)

Practic etalonarea echidistant a scalei logometrului se face foarte simplu i anume: se stabilete care este lungimea maxim a liniei de transmisie i rezult RC:

(3.40)

Se apreciaz ct trebuie s fie rezistena maxim a traductorului pentru care (0 s aib o valoare ct mai mic i n acelai timp, rezistenele treptelor s fie mult mai mari dect rezistena echivalent a lichidului care le scurtcircuiteaz. Avnd nseriat Rmax cu RC se obine deviaia (0. Scurtcircuitnd Rmax rezult (max, deviaii care se marcheaz pe scala gradat. Se stabilete numrul n de trepte ale traductorului pentru care, pe scal, se traseaz diviziunile corespunztoare potrivit relaiei (3.28). Se utilizeaz o rezisten de laborator variabil care iniial se pune pe valoarea Rmax dup aceea aceasta se micoreaz treptat. Cnd acul este n dreptul primei diviziuni se msoar Rh1 i rezult:

(3.41)

pentru a doua, se obine rezistena Rh2 i se determin Rx2:

(3.42)

.a.m.d. (se utilizeaz i relaiile (3.39)).

3.4. Instalaie de telemsurare a nivelului lichidelor, cu plutitor i traductor rezistiv

Instalaia cu plutitor i poteniometru circular, este cel mai simplu sistem de telemsurare a nivelului.

Schema de principiu a instalaiei este dat n figura 3.3 [11], [14].

Cursorul poteniometrului 7 este antrenat de roata stelat 5 prin reductorul 6. Roata stelat este acionat de sistemul format din plutitorul 2, lanul 3 i contragreutatea 4. Prin acest sistem deplasarea liniar hx este convertit ntr-o deplasare unghiular.

Raportul de transmisie al reductorului este astfel ales nct cursorul poteniometrului 7 s se deplaseze cu unghiul (max cnd nivelul crete de la zero la hmax.

Pentru aceasta se impune ndeplinirea relaiilor:

(3.43)

i

(3.44)

n care hmax este nlimea rezervorului 1, hx este valoarea momentan a nivelului , (max este deplasarea unghiular maxim a cursorului poteniometrului corespunztoare unei deplasri a plutitorului pe distana hmax, (x este deplasarea unghiular curent a cursorului poteniometrului, corespunztoare unei deplasri liniare a plutitorului pe distana hx, iar k o constant dat de relaia:

(3.45)

Fig. 3.3. Instalaie de telemsurare a nivelului lichidelor cu plutitor i traductor rezistiv

n relaia (3.45) d1 este diametrul mediu al roii stelate 5 iar d2 i d3, diametrele de divizare ale roilor dinate din reductorul 6. Din relaiile (3.43) i (3.44), prin mprire membru cu membru, se obine relaia dintre deplasarea unghiular (x, a cursorului poteniometrului la un moment dat, i mrimea curent hx a nivelului, n acelai moment:

(3.46)

Deplasarea unghiular (x, determin modificarea rezistenei RAB (RAB = Rx) dintre cursor i borna comun B a poteniometrului. Rezistena electric de la bornele de ieire a poteniometrului se calculeaz cu [6]:

(3.47)

n care Rmax este rezistena maxim a poteniometrului (Rmax = REB).

nlocuind n relaia (3.47) deplasarea unghiular momentan (x, dat de formula (3.46) rezult:

(3.48)

Formula (3.48) exprim dependena dintre mrimea de intrare hx a sistemului (parametru neelectric) i mrimea de ieire Rx din sistem (parametru electric) cnd instalaia de telemsurare a nivelului nu este alimentat cu tensiunea.

Alimentnd sistemul de telemsurare a nivelului cu tensiunea US de la sursa stabilizat 8 i considernd voltmetrul V este ideal (Rx = (), se obine:

(3.49)

n care:

(3.50)

iar

(3.51)

I fiind curentul care strbate poteniometrul, iar Ux (Ux = UAB) tensiunea de la bornele de ieire ale poteniometrului.

n relaia (3.49) raportul:

(3.52)

este constant, deci relaia (3.49) devine:

(3.53)

Mrimea de ieirea a sistemului de telemsurare, alimentat cu tensiune, este tensiunea Ux. Aceasta este proporional cu mrimea de intrare hx a instalaiei. Sistemul de telemsurare a nivelului, cu plutitor i poteniometru circular se ncadreaz n categoria elementelor de automatizare de tip proporional.

Utiliznd relaia (3.49) voltmetrul V se poate etalona n uniti de nivel, astfel nct pentru hmax s corespund numrul maxim (v max de diviziuni ale aparatului. Scala de msurare este liniar.

Aparatul indic corect nivelul dac are rezisten interioar foarte mare i este montat local, lng rezervor. La montarea local lungimea l a liniei de transmisie este 0 (l = 0).

Real, linia de transmisie are o anumit lungime, chiar i la montarea local a aparatului de msur.

n majoritatea cazurilor, aparatul indicator de nivel se gsete la o distan de zeci sau chiar sute de metri de locul unde este montat traductorul de nivel. Ca urmare, se impune corectarea indicaiei aparatului n funcie de cderea de tensiune (UL pe linia de transmisie a instalaiei de telemsurare. Cderea de tensiune pe linia de transmisie se determin cu formula:

(3.54)

n care ( [(m], l [m] i d [m2] sunt parametri liniei (rezistivitatea conductoarelor, lungimea liniei i diametrul conductoarelor) iar Ix, curentul care strbate linia de transmisie cnd nivelul are mrimea hx.

Curentul Ix este dat de:

(3.55)

n care Rl este rezistena liniei de transmisie:

(3.56)

nlocuind n ecuaia (3.55) mrimile Ux (3.49) i Rl (3.56) se obine expresia curentului din circuitul de msurare a nivelului:

(3.57)

Cu formulele (3.54) i (3.57), rezult expresia cderii de tensiune pe linia de transmisie a instalaiei:

(3.58)

Tensiunea UCD de la bornele aparatului indicator se determin cu teorema a doua a lui Kirchhoff aplicat pe linia de transmisie:

(3.59)

Relaia care exprim dependena real dintre mrimea de ieire UCD a sistemului de telemsurare a nivelului i mrimea de intrare hx, se obine nlocuind cu formula (3.59), mrimile Ux (3.53) i (Ul (3.58):

(3.60)

n expresia (3.60) singura mrime variabil este nivelul hx.

Expresia (3.60) este relaia general care se folosete la etalonarea aparatului indicator.

Pentru montarea local a aparatului de msur, l = 0 i din relaia (3.60), dup simplificri, se ajunge la dependena ideal (3.49) dintre mrimea de ieire i cea de intrare. Pe de alt parte, chiar dac pentru etalonare se utilizeaz formula (3.60), deoarece rezistena voltmetrului este foarte mare este adevrat inegalitatea:

(3.61)

Din acest motiv paranteza de la numitorul relaiei (3.60) are forma:

(3.62)

i n acest fel se ajunge de la expresia (3.60), la relaia (3.49).

n aceast analiz a funcionrii, instalaiei de telemsurare cu plutitor i traductor rezistiv, s-a considerat c rezistena Rmax a poteniometrului, ntre bornele de alimentare cu tensiune continu, este mult mai mic dect RV, de aceea i Ix (( I. Real ns Rx este parcurs de curentul I iar restul Rmax Rx, de curentul I + Ix. Pentru limitarea curentului de scurtcircuit n linie, ntre cursorul 7 al poteniometrului i captul A al liniei se monteaz rezistena Rl1 (fig. 3.4) care are valoarea egal cu cea a poteniometrului.n vederea obinerii unei cderi de tensiune constant pe linie, ntre borna C i voltmetru se monteaz rezistena RV1 care este considerat c face parte din linie. Rezistena variabil continuu RV1 are valoarea egal cu valoarea maxim impus a liniei (RV1 max=Rl max). Cu acestea relaia (3.55) devine:

(3.63)

Fig. 3.4. Limitarea curentului de scurtcircuit i compensarea cderii de tensiune pe linia de legtur a traductorului de nivel (fig. 3.3) cu aparatul de msur

La numitorul relaiei (3.63) pentru orice valoare a rezistenei liniei, n limitele 0 i Rlmax, se impun:

(3.64)

Cnd Rl = Rl max = RC, Rv1 = 0, iar pentru Rl = 0, Rv1 = Rv1 max = RC.

n acest caz (3.63) devine:

(3.65)

Cderea de tensiune pe linie se determin cu:

(3.66)

Tensiunea la bornele aparatului de msur este:

(3.67)

(3.68)

Se observ c acum tensiunea UED, indicat de voltmetru, este direct proporional cu valoarea nivelului hx, factorul de proporionalitate kh dat de relaia:

(3.69)

fiind constant. n acest caz etalonarea voltmetrului n uniti de nivel, deci de deplasare liniar, se face utiliznd relaia (3.68).

Cu ajutorul acestui sistem de telemsurare a nivelului lichidelor se poate face i comanda automat a pompelor dintr-o staie dac axul poteniometrului antreneaz dou sau trei came (fig. 3.5) profilate corespunztor, care acioneaz microntreruptoare ce transmit semnale referitoare la procesul condus, instalaiei de comand automat n care acestea lucreaz [26].

a.

b.

c.Fig. 3.5. Camele acionate de axul poteniometrului

a. Cama pentru nivelul inferior (NI); b. Cama pentru nivelul superior (NS);c. Cama pentru nivelul de avarie (NA)

n fig.3.5 sunt prezentate camele acionate de axul poteniometrului, cnd se comand automat pompele dintr-o staie de evacuare a apei la o exploatare minier subteran. Pompa n funciune este oprit de senzorul NI, pornit de senzorul NS i este activat i pompa de rezerv de senzorul NA. Un astfel de traductor cu poteniometru i senzori de nivel a fost realizat de ICEMIN Bucureti (Institutul de Cercetri Miniere) la care transmisia 6 (fig.3.3) a fost realizat cu un reductor melcat.

3.5. Msurarea nivelului lichidelor, care au rezistivitate mic cu traductorul rezistiv cu armturi cilindrice concentrice

Traductorul rezistiv cu armturile cilindrice concentrice este prezentat n fig.3.6. Acesta este folosit pentru msurarea nivelului hx al lichidului 1 (ap potabil, ap necesar consumului industrial etc.) care are rezistivitate mic. Armturile cilindrice concentrice 2 i 3, n legtur cu bornele A, B au diametrelor d1 i d2 (diametrul interior al armturii exterioare) sunt realizate din oel inoxidabil sau alam nichelat. Coaxialitatea celor doi electrozi este asigurat cu ajutorul unor rondele din material electroizolant, prevzute cu orificii de trecere a lichidului; acestea nu sunt prezentate n fig.3.6. n partea inferioar armtura 3 are orificiile 4 de trecere a lichidului n interiorul traductorului.

La creterea nivelului hx a lichidului, se micoreazrezistena ntre bornele A i B ale traductorului deoarece n relaia simplificat (3.70), crete seciunea s:

(3.70)

a)

b)

Fig. 3.6. a. Traductor rezistiv de nivel cu armturi cilindrice concentrice: seciune longitudinal; b. seciunea A A (transversal) prin traductor

n continuare se determin relaia de calcul a rezistenei Rx n funcie de rezistivitatea ( a lichidului, de nivelul hx i de dimensiunile d1 i d2 ale traductorului. Pentru aceasta se determin rezistena foarte mic dRx pe care o are cilindrul de lichid de raz r, cu peretele de grosime dr i nlimea hx (fig.3.6.a i b):

(3.71)

Rezistena infinitezimal dRAB corespunztoare lui RAB din relaia (3.70) este:

(3.72)

Din comparaia relaiilor (3.71) i (3.72), rezult:

(3.73)

(3.74)

Pentru determinarea rezistenei Rx a traductorului (RAB = Rx), se integreaz ambii membri ai relaiei (3.71) i se obine:

(3.75)

n care limitele de integrare sunt razele r1 i r2:

(3.76)

(3.77)

n felul acesta se stabilete dependena dintre mrimile de ieire Rx i de intrare hx, ale traductorului:

(3.78)

deci:

(3.79)

(3.80)

Se observ c funcia (3.78) este neliniar.

Fig. 3.7. Schema de principiu a convertorului nivel de lichid curent alternativ, cu traductor rezistiv

Dac traductorul TRN este introdus ntr-un circuit de msur (fig. 3.7) alimentat n c.a. cu frecvena fc constant, care are valoarea cel mult de ordinul sutelor de Hz, neglijnd rezistena intern a ampermetrului, are loc conversia rezistenei Rx n curentul Ix indicat de aparatul de msur:

(3.81)

deci Ix = f1(Rx). i aceast funcie este neliniar. nlocuind n (3.81), relaia (3.78), se obine funcia Ix = f2(hx):

(3.82)

Ix = k1((kx

(3.83)deci curentul Ix este direct proporional cu valoarea nivelului hx factorul de proporionalitate fiind kI:

(3.84)

Funcia de transfer a instalaiei de msurare a nivelului lichidelor, cu traductor rezistiv care are armturi cilindrice concentrice se determin aplicnd transformata Laplace funciei (3.82). Rezult:

(3.85)

n aceast relaie:I(s) = L [Ix(t)]

(3.86)

iH(s) = L [hx(t)]

(3.87)

Potrivit relaiilor (3.85) i (3.84):

Y(s) = kI

(3.88)

Deoarece funcia de transfer Y(s), a instalaiei de msurare a nivelului lichidelor, este o constant, aceasta face parte din categoria elementelor de tip P.

Caracteristica static a instalaiei de msurare a nivelului lichidelor, cu schema de principiu din fig. 3.7 este dat n fig. 3.8. Aceasta este o dreapt cu nclinarea (:

( = arctg kI

(3.89)

care trece prin originea axelor hx 0 Ix.

Pentru tensiunea U2 riguros constant, coeficientul de proporionalitate kI depinde numai de rezistivitatea ( a lichidului, din acest motiv aparatul de msur este etalonat pentru lichide la care rezistivitatea se menine constant n timp.

n cazul lichidelor care au rezistivitatea mic, pentru limitarea valorii curentului din circuitul de msur, se impune scderea corespunztoare a valorii tensiunii U2 sau creterea raportului d2/d1.

Fig. 3.8. Caracteristica static a instalaiei de msurare a nivelului lichidelor, din fig. 3.7

Sensibilitatea acestui sistem de msurare a nivelului lichidelor, se obine din relaia (3.82):

(3.90)

Din formula sensibilitii rezult c aceasta crete cnd crete tensiunea U2 i/sau scad ( i raportul d2/d1, de aceea trebuie s se ajung la un compromis n ceea ce privete limitarea valorii maxime a curentului Ix i obinerea unei sensibiliti acceptabile din punct de vedere practic.3.6. Traductor capacitiv cu armturi cilindrice concentrice, pentru msurarea nivelului lichidelor dielectriceConstrucia acestui traductor este identic cu cea a traductorului rezistiv cu armturi cilindrice concentrice (fig. 3.6.a), numai c n acest caz, lichidul 1 este dielectric (are permitivitatea electric relativ (rl).Capacitatea echivalent CAB (CAB = Cx) a traductorului (fig.3.9.b) este format din condensatoarele variabile C1 i C2 legate n paralel [23]. C1 este capacitatea dintre cele dou armturi, cu dielectric lichidul 1 care are nivelul hx:

(3.91)

iar C2 capacitatea dintre armturi, cu lungime hmax hx, care are ca dielectric aerul ((ra ( 1):

(3.92)

a)

b)

Fig. 3.9. a. Traductor capacitiv de nivel, cu armturi cilindrice concentrice pentru lichide dielectrice; b. Schema electric echivalent

n aceste relaii d1 i d2 sunt diametrele suprafeelor active ale armturilor, iar (0, permitivitatea electric absolut ((0 = 1 / (4(((9(109) F/m). nlocuind n relaia capacitii echivalente a traductorului:

Cx = CAB; Cx = C1 + C2

(3.93)

formulele de calcul (3.89) i (3.90), ale capacitilor C1 i C2, se obine:

(3.94)

Aceast relaie mai poate fi pus i sub forma:

(3.95)

care este ecuaia dreptei (3.96):

(3.96)

cu ordonata la origine:

(3.97)

i coeficientul unghiular Cm/h, capacitatea Cm fiind dat de:

(3.98)

Caracteristica static a traductorului este o dreapt (fig. 3.10), cu ordonata Cn la origine i coeficient unghiular km:

(3.99)

deci:

(3.100)

Sensibilitatea traductorului se determin cu:

(3.101)

n care Cx max este capacitatea traductorului plin:

(3.102)

Fig. 3.10. Caracteristica static a traductorului capacitiv de nivel pentru lichide dielectrice

Sensibilitatea traductorului, pentru aceiai valoare maxim a nivelului, este cu att mai mare cu ct (rl are valoare mai mare. De asemenea sensibilitatea crete cnd scade raportul d2/d1 (d1 ( d2, dar d1 ( d2).

i la acest traductor armtura interioar 2 este centrat cu ajutorul unor rondele din material electroizolant, cu orificii de trecere a lichidului (nu sunt prezentate n desen). n cazul rezervoarelor cilindrice verticale, armtura exterioar poate s fie chiar peretele acestuia [8, 15].

3.7. Traductor capacitiv cilindric, cu armtura interioar izolat, pentru msurarea nivelului lichidelor care au rezistivitatea mic

Traductorul [16] este prezentat n fig.3.11.a (seciune longitudinal). Deosebirea fa de traductorul analizat anterior (fig.3.9 a) const n aceea c electrodul central 2 este izolat. n schema electric echivalent a traductorului, dat n fig.3.11.c, C1 este capacitatea condensatorului cilindric cu dielectricul 4, care are armturile interioar 2, cu diametrul d1, cea exterioar lichidul 1, cu rezistivitatea ( i nlimea hx, n contact cu suprafaa cilindric cu diametrul d2, a izolaiei 4 din policlorur de vinil ((r ( 5,5; (r ( 1), dat de relaia (3.103), R1 este rezistena coloanei cilindrice de lichid, cu nlimea hx, rezistivitatea ( i diametrele interior d2 i exterior d3, care se calculeaz cu formula (3.104), C2 capacitatea condensatorului cilindric asemntoare lui C1 de care difer doar prin lungimea armturilor (hmax hx); aceasta se determin cu (3.105), i C3 care este capacitatea condensatorului cilindric cu diametrele armturilor d2 i d3 avnd ca dielectric aerul ((ra ( 1) exprimat analitic prin relaia (3.106):

(3.103)

(3.104)

(3.105)

(3.106)

Fig. 3.11. a. Traductor capacitiv cilindric de nivel, cu armtur interioar izolat; b. Detaliu din zona de contact nivel de lichid aer; c. Schema electric echivalent a traductorului

Capacitatea echivalent CAB (Cx = CAB) a traductorului, dac se neglijeaz capacitatea conductoarelor de legtur, este:

(3.107)

Pentru simplificarea determinrii capacitii Cx [8], [23] se apeleaz la relaiile capacitilor maxime C1 max i C3 max. Acestea se obin cu formulele (3.103), n care hx = hmax (pentru rezervorul plin) i (3.106) unde hx = 0 (pentru rezervorul gol):

(3.108)

(3.109)

Cu capacitile constante CI, CII i folosind coeficientul de umplere (:

(3.110)

Se determin C1, C2 i C3:

(3.111)

(3.112)

(3.113)

Cu formulele de mai sus i cu (3.107) rezult:

(3.114)nlocuind (3.108), (3.109) i (3.110) n (3.114), dup simplificri se obine:

(3.115)

care este ecuaia dreptei (fig.3.12):

(3.116)

n care Cn este ordonata la origine:

(3.117)

iar:

(3.118)

coeficientul unghiular al acestei drepte. Capacitatea Cm din relaiile (3.116) i (3.118) are expresia:

(3.119)

Sensibilitatea traductorului este :

(3.120)

Fig. 3.12. Caracteristica static a traductorului capacitiv cilindric cu armtura interioar izolatImpunnd n expresia (3.115) pe hx = hxmax i efectund diferena de la numrtorul relaiei (3.120), tiind c Cn are forma (3.117) rezult:

S = km

(3.121)Fa de axa 0 hx caracteristica static are nclinarea :

( = arctg km

(3.122)

n calculele care s-au efectuat s-a considerat c lichidul are rezistivitatea foarte mic: 0, de aceea i R1 0. n realitate, pentru calculele pretenioase, se impune determinarea impedanei echivalente a traductorului, care n complex, are i parte real i anume o rezisten echivalent ce nu poate fi omis. Trebuie n acest caz s se cunoasc i frecvena sursei de alimentare a circuitului de msurare din care face parte traductorul. Se impune i cunoaterea capacitii cablului traductorului.

Sensibilitatea traductorului, innd seama de expresia (3.118) crete dac r a izolaiei are valoare mare i dac scade grosimea dielectricului, deci dac se micoreaz raportul d2/d1.

n funcie de nivelul hmax acest traductor poate s ajung la capaciti de ordinul sutelor de pF. i n acest caz, dac se msoar nivelul de lichid bun conductor de electricitate, dintr-un recipient metalic de form cilindric, cu axa vertical, armtura exterioar, cu diametrul interior d3, poate s fie chiar peretele rezervorului.

Pentru ca influena capacitii liniei, care face legtura dintre traductor i circuitul de msur, n care acesta lucreaz, s fie ct mai mic, trebuie ca traductorul s fie prevzut n partea superioar cu o carcas cilindric n care s fie montat aceast instalaie (spre exemplu oscilatorul traductorului pentru modulare n frecven a semnalului transmis).

3.8. Dispozitiv electronic de msurare a nivelului lichidelor electrice, cu circuit basculat astabil i traductor capacitiv

Acest dispozitiv are schema de principiu din fig.3.13. Traductorul rezistiv de nivel TRN, cu armturi cilindrice concentrice, este nseriat cu microampermetrul A i cu dioda rapid D1 (redresor monovalen). Circuitul de msur este alimentat de la generatorul de semnal dreptunghiular format din tranzistoarele T1 i T2, care sunt elementele active ale CBA simetric (R1 = R2 = Rc, R3 = R4 = Rb, C1 = C2 = C) la ieirea cruia semnalul are frecvena (fc([350.500]kHz) [1]:

(3.123)

Fig. 3.13. Sistem electronic de msurare a nivelului, cu CBA i traductor capacitiv

Deoarece CBA este simetric cele dou intervale de timp TA i TB, n care tensiunea Ue de la ieirea CBA, are valorile Uas[V] i 0 [V] (fig. 3.14.a), sunt egale:

(3.124)

(3.125)

(3.126)

Rezult c:

(3.127)

Se presupune, c la alimentarea dispozitivului electronic de la sursa de tensiune continu stabilizat Uas, tranzistoarele CBA au strile: T2 este blocat, iar T1 n stare de conducie. Rezistena emitor-colector RECT2 a tranzistorului T2 are valoare mult mai mare dect cea a rezistenei R2 i de aceea se consider c pe RECT2 cderea de tensiune se apropie de valoarea Uas. Acum dioda D1 conduce i condensatorul cilindric CTCN se ncarc de la sursa Uas (polaritatea +) prin R2, D1, RA, CTCN i polaritatea - sursei. Tensiunea ntre armturile condensatorului crete exponenial ctre valoarea Uas (fig. 3.14.b):

(3.128)

n care T este constanta de timp a circuitului de ncrcare:

T = Re CTCN

(3.129)

Fig. 3.14. Forma semnalelor din dispozitivul electronic prezentat n fig. 3.13

a. Ue = f1(t); b. uc = f2(t); ic = f3(t); imed = f4(t)

Rezistena echivalent Re a circuitului de ncrcare dat de:

Re = R2 + RD1C +RA

(3.130)

este format din rezistena R2 din colectorul tranzistorului T3, rezistena RD1C a diodei D1 n stare de conducie i rezistena interioar RA a microampermetrului. Se precizeaz c R6>>RDAC + RA i de aceea Re R2. Tot n intervalul de timp TA curentul care trece prin CTCN scade exponenial de la valoarea maxim ICmax, la 0.

;

(3.131)

.

(3.132)

n semiperioada TB se schimb starea tranzistoarelor i anume: T2 sunt n stare de conducie, iar T1 este blocat. Condensatorul CTCN, ncrcat pozitiv pe armtura central i negativ, pe cea exterioar, se descarc prin circuitul RD2C i RCET3c (3.133):

;

(3.133)

;

(3.134)

.

(3.135)

n aceste relaii Td este constanta de timp a circuitului de descrcare a condensatorului CTCN, RD2c rezistena interioar a diodei D2 n stare de conducie, iar RCET3c este rezistena interioar a tranzistorului T2 n stare de conducie. Se observ c n semiperioada TA dioda D1 este n conducie i D2 este blocat, iar pe durata TB, D1 este blocat, iar D2 este n conducie i c aparatul de msur este parcurs de curentul ic (3.132) numai n semiperioadele TA. Microampermetrul A realizeaz i integrarea semnalului ic, curentul mediu icmed obinndu-se din egalitatea suprafeelor haurate delimitate de cele dou axe i de graficele ic = f3(t) i imed = f4(t) din figura 3.14.b:

SOAB = SOCDE ;

(3.136)

;

(3.137)

Cu ajutorul relaiilor (3.124), (3.132) i (3.137) se obine:

;

(3.138)

Se rezolv aceast integral i rezult:

;

(3.139)

Fig. 3.15. Caracteristica static a dispozitivului electronic din fig.3.13.

Relaia (3.139) poate fi pus i sub form:

;

(3.140)

n care:

;

(3.141)

n formele de sus CTCN este capacitatea Cx a traductorului de nivel pentru lichidele dielectrice (relaiile (3.95) i/sau (3.96)):

(3.142)

Deoarece n relaia (3.140), CTCN ct i kh sunt funcii de nivel, caracteristica static a acestui dispozitiv electronic este neliniar. Neliniaritatea este pus n eviden mai ales n domeniul (0,6 ( 1)( hmax.

Pentru evitarea erorilor de msur a nivelului datorit fluctuaiei frecvenei fc a CBA se impune utilizarea unui oscilator cu cuar de nalt frecven (350(500 kHz).

3.9. Aparat electronic cu traductor capacitiv, de msurare a nivelului lichidelor bune conductoare de electricitate

Aparatul [8], [14] are ca element de baz o punte dezechilibrat de c.a. de nalt frecven. Aceasta este alimentat ntr-o diagonal (diagonala AB) cu o tensiune alternativ de nalt frecven (f0 = 500 kHz) produs de oscilatorul sinusoidal OSC, care este alimentat cu tensiune continu stabilizat de la sursa STCS. Alimentarea punii se face prin intermediul unui transformator T1, de nalt frecven, care are dou nfurri secundare identice. Transformatorul are miezul magnetic din permaloy, ferocart sau din alte materiale feromagnetice speciale pentru reducerea pierderilor n fier.

Semnalul obinut din cea de a doua diagonal (diagonala CD) este aplicat amplificatorului de c.a. A, care este apoi redresat i filtrat cu etajul RFTJ (redresor bialternan i filtru trece jos) i aplicat aparatului de msur mA etalonat n uniti de msurare a nivelului.

Fig. 3.16. Aparat electronic cu traductor capacitiv, de msurare a nivelului lichidelorCnd nivelul lichidului din rezervorul RL este maxim, se regleaz valorile rezistenei R1 i capacitii condensatorului C1 pn cnd aparatul indicator arat un curent maxim (corespunztor nivelului maxim hmax).

Traductorul capacitiv de nivel TCN a crui armtur exterioar este chiar rezervorul metalic RL, este legat la punte prin cablu ecranat coaxial CE1. Tot prin cablu ecranat (CE2) este legat la punte impedana :

;

EMBED Equation.3

(3.143)

Cnd rezervorul este gol, puntea de c.a. trebuie s fie n echilibru, deci:

;

(3.144)

n care:

;

(3.145)

;

(3.146)

iar

;

;

(3.147)

Se precizeaz c: R21 = R22, L21 = L22, deoarece cele dou secundare ale transformatorului T1 sunt identice.

i n acest caz capacitatea echivalent a traductorului capacitiv, cu armtura interioar izolat, se determin aa cum s-a demonstrat n subcapitolul 3.7, numai c diametrul d3 este cel interior al rezervorului RL care are form cilindric.

Dac dup blocul RFTJ se utilizeaz un convertor tensiune continu-frecven, de exemplu cel realizat cu circuit integrat E555, semnalul de ieire al aparatului este modulat n frecven a crui valoare este proporional cu nivelul hx. n acest caz aparatul de msur este un frecvenmetru electronic analogic sau numeric, etalonat n uniti de nivel.

3.10. Senzori rezistivi de nivel pentru lichide care au rezistivitatea mic

Senzorii rezistivi de nivel, mpreun cu circuitele electronice aferente, au schema de principiu dat n fig.3.17. Senzorii se monteaz n bazinul utilizat la distribuia apei potabile sau a apei necesar consumului tehnologic industrial. Acetia, n general, sesizeaz nivelul inferior i cel superior al lichidului 9. Senzorii rezistivi analizai sunt formai din trei electrozi, de lungimi diferite, rigidizai n partea superioar de suportul 1 din material electroizolant. Lungimea cea mai mare o are electrodul central 3 legat prin borna R la mas. Electrozii 4 i 6 sesizeaz nivelul superior, respectiv cel inferior, capetele de jos ale lor fiind n legtur fiecare cu cte un cilindru (5, 8) care nconjoar electrodul de referin, capetele superioare fiind legate la bornele S, respectiv I. Cnd apa din rezervor are nivelul maxim, cilindrii sunt n ntregime acoperii cu ap. ntre electrodul de referin 3 i cilindrii 5 i 8 rezistena electric a coloanei de lichidare valoarea [27]:

;

(3.148)

n aceast relaie l este rezistivitatea apei, d1 i d2 sunt diametrele exterior, al electrodului de referin, i cel interior al cilindrilor 5 i 8, iar hc - nlimea acestora. Electrodul de legtur dintre borna I i cilindrul 8 este izolat (7).

Senzorii rezistivi de nivel comand motorul M de acionare al pompei centrifugale PC (fig. 3.18).

Fig. 3.17. Senzori rezistivi de nivel de lichid care are rezistivitatea mic. Varianta II

Fig. 3.18. Instalaia electric a motorului de acionare a pompei

n fig.3.18. s-au fcut urmtoarele notaii:

SA - surs de alimentare cu ap potabil sau pentru consumul tehnologic industrial, CA - conducta de aspiraie, CR - conduct de refulare, F1 - protecia la suprasarcin a motorului M, K3 contactorul de alimentare cu energie electric a motorului M, F2 - sigurane de protecie la scurtcircuit, F3 - sigurane de protecie a instalaiei de comand, K4 - elementul de execuie al senzorului de nivel inferior al apei din SA (K4 este acionat cnd nivelul apei din SA este mai mare dect cel inferior; bobina releului K4 nu este prezentat n fig.3.17 i 3.18), S1 este un comutator bipoziional cu care se stabilete regimul de lucru al motorului M de acionare a pompei PC: poziia CL corespunde comenzii locale, iar CA, pentru comanda automat n funcie de nivelul apei din rezervorul de distribuie, S2 este butonul de pornire al pompei cnd comutatorul S1 este pus pe poziia CL, S3 este butonul de oprire al pompei, n acelai regim, K2 este elementul de execuie al senzorului de nivel inferior, iar K1 este elementul de execuie (releu electromagnetic) al senzorului de nivel superior.

Cnd apa din bazinul 9 are nivelul sub cota NI, ntre electrodul de referin 3 i cilindrul 8 (fig. 3.17) rezistena electric are valoare infinit. Tranzistorul T3 este polarizat pozitiv pe baz, de la sursa UCS prin rezistena R4 de aceea T3 este blocat. Rezistena emitor colector a tranzistorului T3 n stare blocat, notat cu RECT3B, este mult mai mare dect R5. Considernd practic c RECT3B , divizorul de tensiune R5, R6 i R7 este parcurs de curentul:

;

(3.149)

Cderea de tensiune pe rezistena R7, calculat cu:

;

;

(3.150)

depete tensiunea prag echivalent UPD a tranzistoarelor T4 i T5 n montaj Darlington:

UR7 > UPD ;UR7 > UPT4 + UPT5 .

(3.151)

Ca urmare tranzistoarele T4 i T5 intr n conducie, acioneaz releul electromagnetic K2, i se nchide contactul normal deschis (c.n.d.) K2 din circuitul 6 (fig. 3.18). i ntre electrodul central 3 i cilindrul 5 rezistena este infinit, ca urmare prin rezisten R2 tranzistorul T1 este polarizat, de la sursa UCS , pozitiv pe baz de aceea att T1 i T2 sunt blocate, iar releul electromagnetic K1 nu este acionat. Contactul su normal nchis (c.n..) K1, din circuitul 6 (fig.3.18) este n starea normal. n aceast situaie, dac comutatorul S1 este pus pe poziia CA, bobina contactorului este K3 este alimentat cu tensiune: curentul care trece prin bobina strbate circuitul: faza R, F3, F1 c.n.d. K4 (care este nchis) S1- CA, c.n.d. K2, c.n.. K1, bobina K3 i nulul sursei de alimentare. Acioneaz contactorul K3 i se nchid c.n.d. din circuitele 1, prin care se alimenteaz cu energie electric motorul M i 7 care prin scurtcircuitarea c.n.d. K2, memoreaz comanda de pornire a lui M. Din S.A. apa este adus la PC (pompa submersibil) prin conducta de aspiraie CA care refuleaz apa prin conducta CR n rezervorul 9 (fig. 3.17). Nivelul apei n rezervorul de distribuie 9 crete. Cnd depete cota NI i cilindrul 8 este complet imersat, senzorul de nivel inferior SNI are rezistena Rc dat de relaia (3.148). Divizorul de tensiune format din rezistenele Rc, R3 i R4 este parcurs de curentul ID2:

;

(3.152)

Cderea de tensiune UR4, calculat cu:

;

;

(3.153)Depete tensiunea prag a tranzistorului T3:UR4 > UPT3 ;

(3.154)

tranzistorul T3 intr n conducie i rezistena sa interioar RECT3c scade foarte mult.

RECT3c UPT1 + UPT2 ;

(3.158)

intr n conducie cele dou tranzistoare i acioneaz releul electromagnetic K1. Se deschide c.n.. K1 din circuitul 6, declaneaz contactorul K3, se oprete motorul M de acionare a PC prin deschiderea c.n.d. din circuitul 1 i se memoreaz comanda de oprire, prin deschiderea c.n.d. K3 din circuitul 7.

Funcionarea instalaiei din fig.3.18 este identic cnd S1 este pus pe poziia CL cu deosebirea c n locul contactelor K1 i K2 se folosesc butoanele de comand S1 i S2.

3.11. Senzori de nivel de lichid, cu traductor capacitiv i circuite rezonante L-C

Senzorii de nivel de lichid, cu traductor capacitiv, au schema bloc dat n fig.3.19.

Fig. 3.19. Senzori de nivel de lichid, cu traductor capacitiv i circuite rezonante L-C. Schema bloc

n schema bloc s-au fcut urmtoarele notaii: OSS este oscilator sinusoidal de tip L-C, TCN este traductor capacitiv de nivel care pentru lichidele bune conductoare de electricitate, are electrodul central izolat, iar pentru lichidele dielectrice are electrodul central desizolat, ES este etaj de separare, obinuit un amplificator sau repetor pe emitor, LTD - linie de transmisie a datelor, care este parcurs de un semnal sinusoidal modulat n frecven ce poart informaie referitoare la valoarea nivelului hx, CFSD este un circuit formator de semnal dreptunghiular, obinuit circuit trigger Schmitt, DF divizor de frecven, RFNI i RFNS sunt relee de frecven care sesizeaz cele dou cote ale nivelului hx de lichid i anume nivelul inferior (NI), respectiv nivelul superior (NS), iar STCS1 i STCS2 sunt sursele de tensiune continu stabilizat de alimentare a emitorului (blocurile OSS i ES) i a receptorului (blocurile CFSD, DF, RFNI i RFNS).

Traductorul capacitiv de nivel (TCN) este montat n oscilatorul sinusoidal de tip L-C, cu elemente active tranzistoarele T1 i T2 (fig. 3.[16]). Frecvena oscilatorului se modific odat cu capacitate echivalent Cex, dat de:

;

(3.159)

potrivit relaiei lui Thomson:

;

(3.160)

n aceste relaii capacitile C1A, C1B i inductana L1 sunt variabile predeterminat. Valorile lor se regleaz pe durata ncercrilor, nainte de montarea oscilatorului n instalaia n care lucreaz. Condensatoarele C1A, C1B au rolul de liniarizare a caracteristicii:

fx = f(hx)

(3.161)

Capacitatea traductorului Ctrx se modific liniar n funcie de nivelul lichidului:

;

(3.162)

Fig. 3.20. Senzori de nivel de lichid, cu traductor capacitiv pentru lichide care au rezistivitate mic, traductorul capacitiv de nivel (TCN) are armtura interioar izolat, ca n figur, iar pentru lichide dielectrice, TCN are armtura interioar dezizolatPentru micorarea distanei dintre TCN i oscilatorul sinusoidal, oscilatorul se monteaz n partea superioar a TCN.

Dup oscilator urmeaz un circuit de separare i n acelai timp, de amplificare a semnalului de ieire din oscilator, cu element activ tranzistorul T3.

ntre bornele A i B sunt montate: linia de transmisie a datelor (LTD) i blocurile CFSD i DF. Prin borna B semnalul intr n dou circuite care sesizeaz frecvenele corespunztoare nivelului minim i a celui maxim. Cele dou relee electronice de frecven au o construcie identic diferind numai valorile elementelor celor dou filtre L-C. Filtrele sunt montate n baza primului tranzistor (T4, respectiv T6) din montajul Darlington, al fiecrui releu, elementele de execuie fiind relee electromagnetice K2 i K1.

Cnd nivelul este minim, capacitatea TCN, are valoarea minim:

Ctmin = Cn ;

(3.163)

deoarece n (3.162) hx = 0. Capacitatea echivalent Cex are valoarea minim:

;

(3.164)

iar frecvena oscilatorului are valoarea maxim:

;

(3.165)

Circuitul L3, C3 al senzorului de nivel inferior intr n rezonan deoarece:

;

(3.166)

Aici n este numrul prin care DF mparte valoarea frecvenei fx :

n = 10y ;

(3.167)

Dac n blocul DF lucreaz mai multe divizoare prin zece legate n serie, y este numrul acestora (y = 1, 2, 3).

Pentru fx = fmax impedana circuitului format din L3, C3 legate n paralel crete foarte mult (Z3 ), ca urmare intr n conducie tranzistoarele T6 i T7 i acioneaz releul electromagnetic K2, care prin conductele sale transmite aceast informaie instalaiei de comand deservit. Dac TCN este montat ntr-un rezervor de alimentare cu ap potabil, sau cu ap necesar consumului tehnologic industrial, releul K2 d comand de pornire a motorului de acionare a pompei.

Cnd nivelul lichidului din rezervor atinge valoarea maxim, n relaia (3.162) hx = h, deci traductorul de nivel are capacitatea maxim:

Ctmax = Cn +Cm

(3.168)

Acum capacitatea echivalent (3.165) are valoarea maxim:

;

(3.169)

iar oscilatorul OSS produce un semnal sinusoidal de frecven minim:

;

(3.170)

Intr n rezonan circuitul paralel L2 - C2 care este acordat pe frecvena fmin/n:

;

(3.172)

Acum circuitul L2 - C2 paralel, are impedana maxim (teoretic Z2 ), intr n conducie tranzistoarele T4 i T5 i acioneaz releul electromagnetic K1 care prin contactele sale d comand de oprire a motorului de acionare a pompei de alimentare cu ap a rezervorului.

Pentru:

fmin < fx < fmax ;

(3.173)

circuitele L2 - C2 i L3 C3 ale releelor de frecven au impedane mici care determin blocarea tranzistoarelor T4 i T5 respectiv T6 i T7 care ntrerup alimentarea cu tensiune a bobinelor releelor K1 i K2 .

Nivelul lichidului din rezervor poate s fie i msurat cu un frecvenmetru electronic analogic etalonat corespunztor, sau cu un frecvenmetru numeric construit special n acest scop. Aceste aparate se leag ntre borna A i pmnt la captul liniei LTD.

3.12. Exemple de traductoare pentru msurarea nivelului

n industrie, traductoarele pentru msurarea nivelului se pot utiliza la msurarea nivelului n recipiente, bazine, etc. n continuare, sunt prezentate cteva tipuri constructive de senzori de nivel.

Fig.3.21. Traductoare capacitive de nivel

Fig.3.22. Traductoare de nivel multi-electrod

Rv

Ux

Rl1

Rv1

E

A

B

C

D

V

l

d2

hx

d1

2

3

1

4

A

A

dr

dr

r

r

(

A

B

3

2

1

dr

r1

r2

r

(

dNI

dmax

1

1

2

4

3

5

6

2

4

U1, fC

T1

1. Axul poteniometrului

2. Cam NI (sau NS, NA)

3. Tij electroizolant

4. Pies de contact cam tij

5. Ghidaj

6. Contact acionat de cam

7. Sensul acionrii

6

5

7

3

dNS

dNA

U2, fC

Ix

A

A

B

TRN

hx

hmax

hx

Ix

(

0

Cn

0

(

Cx

hx

hmax

B

C1

B

A

A

(rl

hmax

C2

(ra

C1

C2

4

1

3

2

d1

hx

d2

Cn

0

(

Cx

hx

(

Uas

+

R6

R1

R4

R3

R2

R5

Ue

C1

C2

C3

T1

T2

T3

D1

D2

(A

R(A

TRN

(r

b.

hx

h

a.

t

D

E

B

uc=f2(t)

imed=f4(t)

ic=f3(t)

IC

imed

0

C

A

Ic max

Uas

UC

t

TB

TA

TC

Ue

Uas

0

CE1

imed

hx

2N(230V

STCS

OSC

L1

T1

L21

L22

CE2

A

B

C

R1

C1

TCN

hx

RL

D

P1

A

R

FTJ

mA

SA

CA

NL

CR

PC

La reyervorul 9 din Fig. 3.12

F1

R

F3

K4

S1

CA

CL

S2

K3

K2

K3

S3

K1

K3

0

F2

K3

F1

M

3(

1 2 3 4 5 6 7

fx

CFSD

ES

STCS1

fx

TCN

hx

h

OSS

( NI

Receptor

( NS

Emitor

STCS2

RFNI

B

fx / n

DF

A

LTD

RFNS

PAGE 84

_1446450026.unknown

_1446456670.unknown

_1446457825.unknown

_1446458820.unknown

_1454003306.unknown

_1454003980.unknown

_1454004045.unknown

_1454004079.unknown

_1454004087.unknown

_1454004152.unknown

_1454004061.unknown

_1454004026.unknown

_1454003640.unknown

_1454003948.unknown

_1454003343.unknown

_1446459533.unknown

_1446459713.unknown

_1446460117.unknown

_1446460142.unknown

_1446460258.unknown

_1446460282.unknown

_1446460244.unknown

_1446460130.unknown

_1446459923.unknown

_1446459992.unknown

_1446459913.unknown

_1446459693.unknown

_1446459709.unknown

_1446459541.unknown

_1446459316.unknown

_1446459332.unknown

_1446459519.unknown

_1446459330.unknown

_1446458838.unknown

_1446458981.unknown

_1446458834.unknown

_1446458334.unknown

_1446458765.unknown

_1446458797.unknown

_1446458805.unknown

_1446458776.unknown

_1446458496.unknown

_1446458754.unknown

_1446458375.unknown

_1446458143.unknown

_1446458227.unknown

_1446458323.unknown

_1446458152.unknown

_1446458048.unknown

_1446458128.unknown

_1446457846.unknown

_1446457656.unknown

_1446457718.unknown

_1446457778.unknown

_1446457794.unknown

_1446457762.unknown

_1446457682.unknown

_1446457700.unknown

_1446457665.unknown

_1446457534.unknown

_1446457612.unknown

_1446457635.unknown

_1446457590.unknown

_1446456707.unknown

_1446456720.unknown

_1446456680.unknown

_1446455343.unknown

_1446456025.unknown

_1446456121.unknown

_1446456144.unknown

_1446456160.unknown

_1446456136.unknown

_1446456059.unknown

_1446456080.unknown

_1446456047.unknown

_1446455526.unknown

_1446455950.unknown

_1446456008.unknown

_1446455550.unknown

_1446455419.unknown

_1446455458.unknown

_1446455358.unknown

_1446455179.unknown

_1446455263.unknown

_1446455303.unknown

_1446455317.unknown

_1446455291.unknown

_1446455231.unknown

_1446455238.unknown

_1446455214.unknown

_1446454698.unknown

_1446454771.unknown

_1446455100.unknown

_1446454728.unknown

_1446454605.unknown

_1446454648.unknown

_1446454557.unknown

_1446448535.unknown

_1446449502.unknown

_1446449744.unknown

_1446449864.unknown

_1446449927.unknown

_1446449941.unknown

_1446449884.unknown

_1446449789.unknown

_1446449835.unknown

_1446449757.unknown

_1446449584.unknown

_1446449614.unknown

_1446449690.unknown

_1446449608.unknown

_1446449565.unknown

_1446449572.unknown

_1446449526.unknown

_1446448751.unknown

_1446449370.unknown

_1446449414.unknown

_1446449478.unknown

_1446449391.unknown

_1446448827.unknown

_1446449353.unknown

_1446448813.unknown

_1446448685.unknown

_1446448695.unknown

_1446448737.unknown

_1446448690.unknown

_1446448674.unknown

_1446448680.unknown

_1446448543.unknown

_1446448099.unknown

_1446448346.unknown

_1446448458.unknown

_1446448493.unknown

_1446448518.unknown

_1446448476.unknown

_1446448405.unknown

_1446448430.unknown

_1446448368.unknown

_1446448267.unknown

_1446448294.unknown

_1446448303.unknown

_1446448283.unknown

_1446448142.unknown

_1446448254.unknown

_1446448110.unknown

_1446447875.unknown

_1446447940.unknown

_1446448053.unknown

_1446448073.unknown

_1446447984.unknown

_1446447897.unknown

_1446447926.unknown

_1446447884.unknown

_1446447799.unknown

_1446447828.unknown

_1446447867.unknown

_1446447812.unknown

_1446447667.unknown

_1446447682.unknown

_1446385911.unknown

_1445456163.unknown