Senzori si traductoare

1

Traductoare pentru msurarea nivelului Nivelul unui lichid sau nivelul de interfa dintre dou lichide nemiscibile poate fi determinat prin urmrirea suprafeei de separaie dintre faze, prin msurarea presiunii hidrostatice, exercitate de coloana de lichid sau prin metode indirecte. I.1. Traductoare bazate pe urmrirea nivelului. Acestea pot fi de tipul cu plutitor i de tipul cu imersor. Cele cu plutitor pot msura nivele pn la 20m, pe cnd cele cu imersor pot msura nivele pn la 2-3m. Traductoare cu plutitor: Acestea msoar nivelul prin intermediul unui plutitor care se deplaseaz odat cu suprafaa de separaie dintre faze (lichid-vapori/aer sau lichid-lichid) i transmite n afara vasului poziia sa prin diverse mijloace: articulaii, prghii, angrenaje .a. n figura 1.a este prezentat un traductor cu plutitor pentru o variaie relativ mic a nivelului, iar n figura 1.b un traductor pentru msurarea nivelului n rezervoare nalte.

Fig. 1: Traductoare de nivel cu plutitor.

a b

Principala problem a acestor traductoare o constituie transmiterea n afar a poziiei plutitorului fr frecri, cu asigurarea etanietii mediului din vas. n acest scop, se prefer transformarea deplsrii liniare a plutitorului n micare unghiular, care poate fi transmis n afar cu frecri minime. Traductoare cu imersor: Spre deosebire de plutitor, adncimea de scufundare a imersorului este variabil, iar poziia sa este determinat de echilibrul dintre greutatea proprie, fora arhimedic i reaciunea din elementul de suspensie. n cele mai multe cazuri, ca element de suspensie se folosete un bra solidar cu un tub de torsiune, care servete i ca element de transmitere n affara vasului a poziiei imersorului, deci a nivelului, fr a fi nevoie de elemente de etanare (figura 2). Unghiul de torsiune al captului interior al tubului de torsiune constituie o msur a cuplului reactiv de torsiune i, implicit, o msur a nivelului din interior.

Senzori si traductoare

2

Fig. 2: Traductor de nivel cu imersor.

Cnd nivelul se afl sub cota h0, toat greutatea imersorului este echilibrat de reaciunea din tubul de torsiune pe baza relaiei:

,r

CG M= unde M este unghiul maxim de torsiune, C este o constant de rigiditate a tubului de torsiune, iar r este braul cuplului. Cnd nivelul depete cota h0, imersorul se deplaseaz n sus pe inlimea h1 i, n acelai timp, se scufund n lichid pe adncimea h2, astfel nct greutatea s fie echilibrat de reaciunea din tubul de torsiune i de fora arhimedic. n condiii de echilibru static avem:

( ) ,12

==rh

rC

rCShG MM

unde este masa specific a lichidului, iar S este seciunea transversal a imersorului. Din ultimile dou relaii obinem o relaie ntre deplasarea h2 a imersorului i adncimea de scufundare a acestuia:

.122 hSrCh =

Nivelul din vas este determinat de relaia: ( ) ( ) .11 010210 ++=++=++= krhkhhhhhh

I.2. Traductoare hidrostatice. O metoda veche si mult folosita pentru determinarea nivelului unui lichid foloseste masurarea presiunii hidrostatice exercitate de coloana de lichid asupra vasului. Relatia de baza este: P = dgH sau H = P/(dg) unde: P = presiunea g = acceleratia gravitationala H = inaltimea coloanei de lichid d = densitatea variaza cu temperatura. Principala surs de erori a traductoarelor de acest fel o constituie variaia densitatii lichidului cu temperatura.

Senzori si traductoare

3

Pentru masurari de precizie ridicata se impune compensarea variatiei densitatii cu temperatura, ca in cazul jojelor hidrostatice (hydrostatic tank gauging, HTG). Instrumentele pentru masurarea presiunilor diferentiale (celulele DP), folosite initial la masurarea caderii de presiune pe un orificiu (diafragma) dintr-o conducta pentru monitorizarea debitului, se pot adapta usor pentru masurarea nivelului. Pentru rezervoarele deschise se conecteaza conducta de presiune mare la fundul vasului, iar cealalta catre atmosfera. Pentru rezervoarele presurizate conducta de presiune mare se conecteaza la fundul vasului, iar cea de presiune mica la partea de sus a vasului, astfel instrumentul raspunde doar la schimbarile de nivel ale lichidului.

Figura 3. Joja hidrostatica, sau metoda presiunii diferentiale, determina nivelul lichidului din

rezervor (hydrostatic tank gauging HTG). Pot crea probleme lichidele "murdare" si cheltuielile pentru instalarea conductelor de masura. Sistemele HTG furnizeaza informatii precise privind nivelul, masa, densitatea si volumul continutului din fiecare rezervor, permitand un inventar corect al transferurilor de lichid in depozite. Valorile masurate se pot transmite digital intr-o retea catre un computer centralizator. Sistemul simplificat din figura are doar un transmitator de presiune (PT) cu un transmitator de temperatura (TT) si un transmitator de nivel (LT) pentru detectarea acumularii de apa in partea de sus a rezervorului. Masa (greutatea) continutului se calculeaza din presiunea hidrostatica (masurata de PT) inmultita cu aria bazei rezervorului. Cu relatia temperatura-densitate a lichidului se calculeaza volumul si nivelul. Datele se trimit unui sistem computerizat pentru monitorizare continua si eventual facturare. Transmitatorul de nivel (LT), montat oblic in partea de sus a rezervorului, detecteaza acumularile de apa pe suprafata petrolului si permite corectarea precisa a nivelului de petrol. Sisteme mai noi utilizeaza un transmitator de presiune de forma unei tevi din otel inox (similar probelor termometrice). Joja se introduce pana la fundul rezervorului. Conexiunile electrice din partea superioara merg catre un sistem de afisare care transmite informatia spre centrul de monitorizare, inregistrare si control. I.3. Traductoare electrice. Aceste traductoare determin nivelul pe baza unui parametru de circuit care depinde de nivel. Trei variante de asemenea traductoare sunt:

- cu traductor rezistiv, unde coloana de lichid scurtcircuiteaz o poriune de rezistor dependent de nivel;

- cu traductor inductiv, unde nivelul de lichid modific inductivitatea unei bobine;

Senzori si traductoare

4

- cu traductor capacitiv, unde nivelul modific capacitatea condensatorului prin schimbarea naturii dielectricului.

Metoda foloseste modificarea capacitati electrice pentru masurarea nivelului dintr-un vas. Este utila pentru lichide, paste sau granule izolante electric. Frecventele folosite sunt de la 30kHz la 1MHz. Doi conductori plani separati de distanta "d" au capacitatea electrica: C = 0 r A/d unde: 0 = permitivitatea absoluta a vidului r = permitivitatea relativa a materialului izolator (lichidul) A = aria suprafetei comune a conductorilor

Figura 4.Principiul de functionare pentru metoda capacitatii.

Electrodul sesizor este o bara inserata in rezervor, iar peretele metalic al rezervorului este celalalt electrod. Pentru rezervoarele nemetalice trebuie introdus si al doilea electrod in rezervor. Cu vasul gol dielectricul este aerul si avem o valoare minima a capacitatii. Cand in vas este o anumita cantitate din materialul izolator monitorizat se modifica constanta dielectrica dintre electrozi pe portiunea acoperita de material. Capacitatea creste liniar cu cresterea nivelului din vas. Pentru materiale conductoare se foloseste un electrod central acoperit cu un strat izolator (Teflon sau Kynar). Celalalt electrod este chiar lichidul conductor conectat electric la vasul metalic. Mediul dielectric este stratul izolator. Modificarea nivelului lichidului schimba aria dintre electrozi. Capacitatea este proportionala cu nivelul. Masuratoarea nu este afectata de schimbarile de temperatura sau de compozitia materialului procesat.

Substanta r Alcool izopropilic Benzina Kynar Ulei mineral Apa pura Nisip Zahar Teflon

18.3 1.8 8.0 2.1 80.0 4.0 3.0 2.0

Figura 5. Electrodul sesizor din metoda capacitiva pentru masurarea nivelului lichidului este conectat la un transmitator din exteriorul vasului.

Senzori si traductoare

5

Depunerile de pe electrozi ce apar in anumite cazuri afecteaza precizia masurarii de nivel. Un circuit capabil sa determine componenta rezistiva si capacitiva a impedantei poate deosebi semnalul capacitiv util datorat schimbarii de nivel de cel parazit al depunerilor de pe electrodul de sesizare. Impedanta este: Z = R + 1/(j2 f C) (2) unde: R = rezistenta in ohmi j = (1)1/2 = 3,1416 f = frecventa de masurare C = capacitatea I.4. Traductoare ultrasonice si sonice Se emite un impuls acustic scurt catre suprafata lichidului si timpul dupa care revine sunetul (ecoul) determina nivelul materialului din rezervor. Mai precis, distanta D dintre sursa acustica si suprafata lichidului din rezervor determina timpul:

= D/v = Distanta / viteza sunet Domeniul frecventelor utilizate este ultrasonic ~20200kHz sau audibil ~10kHz.

Figura 6. In metoda sonica de masurare a nivelului un traductor montat in partea de sus a rezervorului trimite impulsuri sonore in jos spre materialul din rezervor pentru a-i determina

nivelul.

Materialele piezoelectrice se folosesc pentru conversia semnalelor electrice in unde sonore si pentru sesizarea undelor acustice. In aplicatii trebuie stiut ca:

Viteza sunetului in aer variaza cu temperatura. Un senzor de temperatura va trebui sa compenseze aceasta variatie ce influenteaza distanta calculata si masuratoarea de nivel.

Spuma de la suprafata materialului actioneaza ca absorbant de sunet. In anumite cazuri acest fenomen exclude folosirea ultrasunetului.

Turbulenta mare a lichidului poate cauza fluctuatii ale indicatiilor instrumentului. Medierea semnalului ajuta la diminuarea acestei probleme ca si utilizarea unui ghid de unda.

Senzori si traductoare

6

I.5. Traductoare cu microunde Metoda foloseste de obicei microunde din banda X (10 GHz). Din partea de sus a rezervorului se trimite un fascicul de microunde spre suprafata continutului din rezervor. Fasciculul reflectat este receptionat dupa un anumit timp. Acest timp este utilizat pentru determinarea nivelului.

1. In metoda undei continue modulate in frecventa (frequency-modulated continuous wave FMCW) se transmite un semnal la care frecventa variaza liniar in timp pe o banda de frecvente data. Din cauza intarzierii fasciculul receptionat va avea alta frecventa decat cel ce se transmite. Prin heterodinarea (amestecul) celor doua semnale se obtine un nou semnal cu frecventa proportionala cu distanta. Noua frecventa este o masura foarte precisa a nivelului din rezervor. Frecventa variaza de la 0 la ~200 Hz cand distanta variaza de la 0 la 60 m. Metoda are o mare imunitate la zgomote.

2. Metoda in impuls masoara timpul de tranzit al impulsului de microunde pentru a calcula nivelul lichidului. Fiind de putere mai mica decat FMCW, performanta tehnologiei este influentata de obstructiile dimensionale din rezervor, spuma si de constanta dielectrica mica a materialului vizat (r

Senzori si traductoare

7

Propagarea eficienta a microundelor in ghidul de unda minimizeaza degradarea semnalului. Se pot astfel masura materiale cu constanta dielectrica mica (r