MASURARE PRESIUNI

26
MASURARE PRESIUNI.MANOMETRE. SENZORI.TRADUCTOARE. CARACTERIZARE GENERALĂ Presiunea este una din cele mai importante mărimi de stare a fluidelor iar aparatele pentru măsurarea acestei mărimi sunt foarte variate. Unele din ele sunt foarte simple, cum sunt de exemplu cele cu tub în formă de U, iar altele sunt destul de complicate,ca de exemplu cele pentru generarea presiunilor etalon sau cele pentru măsurarea presiunilor foarte mici ori foarte mari. Unele dintre aceste aparate, ca de exemplu manometrele cu tub în U îndeplinesc atât funcţia de senzor-traductor, cât şi funcţia de aparat de măsurare. În cele mai multe cazuri însă, îndeosebi în industrie, măsurarea presiunii se face cu ajutorul unui sistem alcătuit din elemente cu funcţii distincte: senzor sau traductor şi aparat de măsurare În cadrul unui astfel de sistem numai senzorul sau traductorul este specific măsurării presiunii, iar celelalte elemente, convertorul-adaptor şi aparatul de măsurare şi vizualizare, sunt elemente comune în mai multe sisteme de măsurare. Pentru măsurarea presiunii se folosesc o multime de unităţi de măsură. În SI unitatea de măsură este N/m2, dar în practică se folosesc unităţi ca: bar, dN/cm2, atm, mmHg, mmH2O, pound/inch2 ş.a. Aparatele şi sistemele pentru măsurat presiunea pot fi clasificate după mai multe criterii. După valoarea presiunii măsurate deosebim: manometre, dacă presiunea măsurată este mai mare decât presiunea atmosferică; vacumetre, dacă presiunea măsurată este mai mică decât cea atmosferică; manovacumetre, dacă pot măsura şi presiuni mai mari şi presiuni mai mici decât presiunea atmosferică; manometre diferenţiale dacă măsoară diferenţa dintre două presiuni. După subordonarea metrologică deosebim: manometre de lucru; manometre etalon. După modul de prezentare a rezultatului măsurării distingem: manometre indicatoare; manometre înregistratoare, care la rândul lor pot fi: aparate indicatoare / înregistratoare de tip analogic; aparate indicatoare / înregistratoare de tip numeric. După principiul care stă la baza funcţionării lor, mai precis, după principiul care stă la baza senzorilor de presiune există: manometre bazate pe echilibrarea hidrostatică; manometre bazate pe echilibrarea de forte şi momente; manometre bazate pe fenomene / proprietăţi electrice, electronice sau ionice. În cele ce urmează vom prezenta cele mai uzuale tipuri de senzori şi traductoare de presiune în ideea ca acestea pot fi folosite direct sau pot fi cuplate cu elemente uzuale de convertire-adaptare şi măsurare-vizualizare a rezultatului măsurării sau pot fi conectate în sisteme pentru achiziţia de date cu ajutorul calculatorului sau în sisteme de reglare, de semnalizare, de protecţie . MANOMETRE BAZATE PE ECHILIBRAREA HIDROSTATICĂ.

Transcript of MASURARE PRESIUNI

Page 1: MASURARE PRESIUNI

MASURARE PRESIUNI.MANOMETRE. SENZORI.TRADUCTOARE.

CARACTERIZARE GENERALĂPresiunea este una din cele mai importante mărimi de stare a fluidelor iar aparatele pentru

măsurarea acestei mărimi sunt foarte variate. Unele din ele sunt foarte simple, cum sunt de exemplu cele cu tub în formă de U, iar altele sunt destul de complicate,ca de exemplu cele pentru generarea presiunilor etalon sau cele pentru măsurarea presiunilor foarte mici ori foarte mari.

Unele dintre aceste aparate, ca de exemplu manometrele cu tub în U îndeplinesc atât funcţia de senzor-traductor, cât şifuncţia de aparat de măsurare. În cele mai multe cazuri însă, îndeosebi în industrie, măsurarea presiunii se face cu ajutorul unuisistem alcătuit din elemente cu funcţii distincte: senzor sau traductor şi aparat de măsurare În cadrul unui astfel de sistem numaisenzorul sau traductorul este specific măsurării presiunii, iar celelalte elemente, convertorul-adaptor şi aparatul de măsurare şivizualizare, sunt elemente comune în mai multe sisteme de măsurare.

Pentru măsurarea presiunii se folosesc o multime de unităţi de măsură. În SI unitatea de măsură este N/m2, dar în practică se folosesc unităţi ca: bar, dN/cm2, atm, mmHg, mmH2O, pound/inch2

ş.a.Aparatele şi sistemele pentru măsurat presiunea pot fi clasificate după mai multe criterii.

După valoarea presiunii măsurate deosebim:manometre, dacă presiunea măsurată este mai mare decât presiunea atmosferică;vacumetre, dacă presiunea măsurată este mai mică decât cea atmosferică;manovacumetre, dacă pot măsura şi presiuni mai mari şi presiuni mai mici decât presiunea atmosferică;manometre diferenţiale dacă măsoară diferenţa dintre două presiuni.

După subordonarea metrologică deosebim:manometre de lucru;manometre etalon.

După modul de prezentare a rezultatului măsurării distingem:manometre indicatoare;manometre înregistratoare,care la rândul lor pot fi:aparate indicatoare / înregistratoare de tip analogic;aparate indicatoare / înregistratoare de tip numeric.

După principiul care stă la baza funcţionării lor, mai precis, după principiul care stă la baza senzorilor de presiune există:

manometre bazate pe echilibrarea hidrostatică;manometre bazate pe echilibrarea de forte şi momente;manometre bazate pe fenomene / proprietăţi electrice, electronice sau ionice.

În cele ce urmează vom prezenta cele mai uzuale tipuri de senzori şi traductoare de presiune în ideea ca acestea pot fi folosite direct sau pot fi cuplate cu elemente uzuale de convertire-adaptare şi măsurare-vizualizare a rezultatului măsurării sau pot fi conectate în sisteme pentru achiziţia de date cu ajutorul calculatorului sau în sisteme de reglare, de semnalizare, de protecţie .

MANOMETRE BAZATE PE ECHILIBRAREA HIDROSTATICĂ.

Principiu de funcţionare. Tipuri. Măsurarea presiunii cu ajutorul acestui tip de aparate se bazează pe echilibrareapresiunii de măsurat cu o presiune cunoscută creată de o coloană de lichid sau produsă într-un cilindru de un piston acţionat cugreutăţi. Unele dintre ele sunt foarte simple şi îndeplinesc şi funcţia de aparat de măsurare pe când celelalte, care se folosesc înindustrie, îndeplinesc numai funcţia de senzor sau traductor.

Manometre diferenţiale cu lichid. Cele mai uzuale tipuri de manometre cu lichid sunt:Manometre cu tub în formă de U;Manometre cu rezervor şi tub;Manometre cu compensare;Manometre cu tuburi concentrice;

Page 2: MASURARE PRESIUNI

Manometre cu două lichide.

Manometre cu tub în formă de U. Acesta este cel mai simplu tip de manometru, care îndeplineşte şi funcţia de comparare în vederea măsurării diferenţei de presiune aplicate la capetele tubului, dacă acesta este transparent. Rezultatul măsurării poate fi citit de utilizator după denivelarea lichidului din tub.

În figura 1 este prezentat un astfel de aparat. El este alcătuit din suportul 1 pe care sunt fixate tubul în U, umplut parţial cu lichid, şi o scara gradata 3. Unul dintre capetele tubului este pus în legătură cu mediul ce are presiunea p1, iar celalalt este pus în legătură cu mediul de presiune p2. Din condiţia de echilibru a presiunilor din cele două braţe deducem:

p1=¿ p2+γh sau ∆ p=p1−p2=γh(10.1)unde este greutatea specifică a lichidului din tub, iar h este diferenţa de nivel a lichidului în cele două braţe ale tubului.

Fig. 1. Manometru diferenţial cu echilibrare hidrostatică.

Cu astfel de aparate se măsoară de obicei diferenţe de presiuni (presiuni diferenţiale) p=p1p2. Dacă p2 este presiuneamediului ambiant, iar p1 > p2 aparatul este un manometru deoarece măsoară o diferenţă p pozitivă. Dacă însă p1 < p2 aparatul esteun vacuumetru deoarece măsoară o diferenţă p negativă. Aparatul poate fi deci şi manometru şi vacuumetru, adică un manovacuumetru care se foloseşte îndeosebi în laborator.

Pentru măsurări curente se folosesc aparate cu lungimi ale scalei gradate de la 100 la 1200 mm sau chiar mai mari (veziSTAS 6526 - 62). Ca lichide se folosesc apă, petrol lampant, alcool etilic, mercur ş.a.

Aparatele cu tub în U sunt într-adevăr foarte simple şi destul de precise, însă prezintă două inconveniente majore: domeniul de măsurare este limitat de lungimea braţelor tubului şi ele nu pot fi cuplate direct cu alte aparate. Pentru măsurări de precizie urmează să se facă unele corecţii ale rezultatului măsurării.

Page 3: MASURARE PRESIUNI

Manometre cu rezervor şi tub. Acestea sunt aparate cu tub în U la care unul dintre braţe este înlocuit cu un rezervor cusecţiune mult mai mare decât secţiunea tubului (fig.2).

Fig.2. Manometre cu rezervor si tub:a) cu tub vertical netransparent; b) cu tub înclinat transparent.

Relaţia dintre diferenţa de presiune si denivelare este de forma:

∆ p=γ h1(1+D3

d2 )=γ h2(1+ d2

D 2 ) (2)

unde h1 este denivelarea din rezervor faţă de reperul 0, greutatea specifică a lichidului din sistem, d diametrul interior al tubului,D diametrul interior al rezervorului, iar h2 denivelarea lichidului din tub faţă de cota 0.

Acest tip de manometre se fabrică în două variante:Cu tub vertical din metal netransparent. Cu tub înclinat din material transparent.Prima variantă, Manometrul cu rezervor şi tub vertical este prezentat în figura 2,a. Dacă

tubul este realizat dinmaterial transparent, acest aparat, funcţionează ca şi cel prezentat mai înainte. În mod obişnuit însă, astfel de aparate se realizeazăîn întregime din metale netransparente şi în acest caz diferenţa de presiune se determină după nivelul lichidului din rezervor, h1, faţă de cota 0. Pentru a putea urmări nivelul din rezervor se foloseşte un senzor de nivel cu plutitor care transformă acest nivel îndeplasare unghiulară. Această deplasare este transmisă în afara rezervorului sub forma deviaţiei unui ac în faţa unei scale sau esteconvertită în alt semnal care urmează a fi măsurat cu un aparat uzual corespunzător.

Traductoarele cu rezervor şi plutitor se fabrică pentru utilizări industriale în mai multe dimensiuni pentru diferenţe depresiune de până la 1 bar.

Pentru mărirea limitelor de măsurare, la aceleaşi dimensiuni ale senzo-rului, se folosesc lichide cu greutate specifică mare,cum este de exemplu mercurul.

Spre deosebire de aparatele cu rezervor şi tub vertical, Manometrele cu rezervor şi tub înclinat au tubul înclinat cu un unghi faţă de orizontală, pentru a le mări sensibilitatea, deoarece la aceeaşi denivelare h2 pe verticală, corespunde o lungime l mai mare a tubului înclinat, de-a lungul căruia este plasată scala (fig 2,b).

Dependenţa dintre diferenţa de presiune şi denivelarea lichidului este de forma:

∆ p=γ h2(1+ d2

D2 )=γlsinα (3)

unde l este lungimea coloanei de lichid în tubul înclinat, faţă de cota 0.

Manometrele cu tub înclinat se realizează în două subvariante şi anume:cu tub înclinat la un unghi fix; cu tub înclinabil la diverse unghiuri.

Page 4: MASURARE PRESIUNI

Erorile de măsurare cu aceste aparate sunt cuprinse între 0,5 şi 1% din limita superioară a domeniului de măsurare, decifac parte din clasele de precizie 0,5 sau 1. Ele se folosesc pentru măsurarea diferenţelor de presiune de până la 200 mm H2O.

Manovacumetre de verificare. Acestea sunt aparate de precizie folosite ca etaloane de presiune şi vid, pentru gama depresiuni 250 N/m2, (circa 250 mm H2O).

Un astfel de aparat, schematic prezentat în figura 3, este alcătuit din vasele 1 şi 2 umplute parţial cu apă distilată şi unite printr-un tub elastic 3. Rezervorul 1 se poate deplasa pe verticală prin rotirea tamburului 4, solidar cu şurubul 5. Acest rezervor poate fi poziţionat prin intermediul reperului 7 faţă de scala aparatului 6, gradată în mm H2O. Tamburul are pe circumferinţă gradaţii reprezentând fracţiuni de mm deplasare pe verticală şi un reper 11. Vasul 2 este fix, dar în cadrul operaţiei de reglare iniţială a aparatului, poate fi deplasat pe verticală cu ajutorul şurubului 8, acţionat prin rozeta 9, astfel încât nivelul din el să ajungă în dreptul reperului 10. Pentru a observa mai uşor nivelul faţă de reperul 10 se foloseşte un sistem cu lupă şi oglindă.

Fig. 3. Microvacuumetru cu compensare.

Înainte de utilizare, micromanovacumetrul se reglează la zero (fără presiuni) în felul următor:se aşază aparatul cu vasele 1 şi 2 în poziţie verticală;se aduce reperul 7 la valoarea zero a scalei;

Page 5: MASURARE PRESIUNI

se aduce şi reperul 11 la valoarea zero a tamburului;cu ajutorul rozetei 9 se deplasează vasul 2 până când nivelul din acest vas ajunge în dreptul reperului 10.

Producerea cu acest aparat a unei presiuni etalon se face în felul următor: presupunând că se doreşte o suprapresiune de80,5 mm H2O rezervorul 1 se deplasează pe verticală, rotind tamburul 4 astfel încât, reperul 7 să ajungă între gradaţiile 80 şi 81, iar tamburul 4 în dreptul gradaţiei 0,5 mm. În acest fel nivelul în vasul 2 creste. Se aplică apoi prin racordul 12 o presiune reglabilă,aceeaşi care se aplică şi manometrului de verificat, şi se măreşte până când nivelul din vasul 2 ajunge în dreptul reperului 10. În acest fel se generează o presiune (etalon) egală cu cea prescrisă (80,5 mm Hg).

În cazul că se doreşte producerea unei depresiuni etalon se procedează în acelaşi mod, cu singura deosebire că depresiunea reglabilă se aplică prin ştuţul 13, asupra rezervorului 1.

Manometre cu tuburi concentrice. Aceste aparate sunt alcătuite dintr-un tub exterior şi un tub interior concentric, formând două vase comunicante umplute parţial cu lichid (fig. 4). Pe suprafaţa lichidului din vasul interior se află un plutitor, care, prin intermediul unui mecanism cu pârghii şi articulaţii sau angrenaje, transmite în afara tubului nivelul lichidului din vas, ca măsură a diferenţei presiunilor p1 şi p2, aplicate în cele două tuburi.

Dependenţa dintre denivelarea din vasul interior şi diferenţa de presiune aplicată este exprimată de relaţia:

∆ h≅ (1+ d2

D2+d2 )γ ∆ p (4)

unde D este diametrul interior al tubului exterior, d diametrul exterior al tubului interior, este greutatea specifică a lichidului din tuburi, iar p = p1 p2.

Aceste aparate pot fi folosite şi ca vacuumetre, dacă p < 0.

Fig.4. Manometru diferenţial cu tuburi concentrice.

Manometre cu două lichide. Schema unui astfel de aparat este prezentată în figura 5. În tubul sub formă de U se introduc două lichide manometrice, cu greutăţile specifice 1 şi respectiv 2, cel cu greutatea specifică mai mică situându-se deasupra celuilalt. Din condiţia de echilibru hidrostatic rezultă:

p1+γ 2h=p2+γ 1h sau∆ p=p1−p2=( γ1−γ2 )h (5)unde h este denivelarea suprafeţelor de separare a lichidelor.

Page 6: MASURARE PRESIUNI

Fig. 5. Manometru diferenţial cu două lichide. Prin alegerea unor lichide corespunzătoare, cu 1 şi 2 cât mai apropiate, se obţine o sensibilitate foarte înaltă, aceasta fiind invers proporţională cu diferenţa 1 2. Ca lichide manometrice se aleg apa şi unul dintre lichidele: benzină, nitrobenzen, cloroform, tetraclorura de carbon ş.a. Lichidul cu greutatea specifică mai mică trebuie astfel ales încât acesta să nu fie miscibil cu celălalt lichid manometric cu mediile având presiunile p1, respectiv p2 şi să nu se combine chimic cu acestea.

Cu toate că lichidele manometrice sunt incolore, suprafaţa lor de separare se distinge cu uşurinţă datorită refracţiei diferite a luminii prin cele două medii.

Erori şi corecţii comune manometrelor hidrostatice. Cele mai importante erori sistematice care pot apărea sunt cauzate de temperatură, de gravitaţie şi de abaterea de la verticalitate a tuburilor şi scării gradate.

Corecţia pentru temperatură are două componente: una datorită dilatării / contractării lichidului pe verticală, iar cealaltă datorită dilatării / contractării scării gradate.

Dacă hT este denivelarea coloanei de lichid la temperatura de lucru T, denivelarea coloanei corespunzătoare uneitemperaturi de referinţă T0 se determină din relaţia:

h0=hT

1+β (T−T 0 ) (6)

unde este coeficientul mediu de dilatare volumică a lichidului manometric.Pentru corectarea rezultatului măsurării prin eliminarea influentei dilatării scării gradate se

foloseşte relaţia:

h0=1+α (T−T 0 ) (7)unde este coeficientul de dilatare liniară a scării gradate iar T0 temperatura de referinţă (T0 = 20o C). Prin urmare, calcululdenivelării h0 corespunzătoare temperaturii de referinţă T0 pe baza denivelării hT la temperatura de lucru T, se face conform relaţiei:

h0=1+α (t−T 0 )1+β (T−T 0 )

hr (8)

Page 7: MASURARE PRESIUNI

Corecţia pentru gravitaţie este necesară dacă la locul măsurării acceleraţia gravitaţiei g este diferită de valoarea normală,gn=9,81 m/s2, atunci denivelarea hn corespunzătoare unei gravitaţii normale se determină din relaţia:

hn=hggn

(9)

unde h este denivelarea constatată la locul măsurării.Corecţia pentru verticalitate se introduce atunci când axa scării gradate este paralelă cu axa

tuburilor şi acestea au oînclinare faţă de verticală; denivelarea se corectează cu relaţia:

h=hn cos∝ (10)unde heste denivelarea citită pe scala înclinată.

MANOMETRE BAZATE PE ECHLIBRARE DE FORŢE ŞI/SAU MOMENTE

Măsurarea presiunii cu astfel de aparate are la bază echilibrarea forţelor sau momentelor create de presiunea sau diferenţa de presiune de măsurat asupra unui senzor de forţe sau momente reactive ale senzorului respectiv.

După mijloacele şi modul de echilibrare distingem:Manometre bazate pe echilibrare cu greutăţi;Manometre cu echilibrare prin forte reactive;Manometre cu echilibrare prin momente reactive.

Manometre bazate pe echilibrare cu greutăţiAceste aparate sunt utilizate ca aparate etalon pentru generarea şi măsurarea presiunilor în game foarte largi. Eleîncadrează în clasele de precizie 0,2; 0,1; 0,05; 0,02; 0,01 şi 0,005. Au ca element specific un ansamblu cilindru - plunger carefuncţionează pe baza legii lui Pascal.

Există mai multe variante de realizare, dintre care vom prezenta:Manometre cu plunger şi greutăţi;Manometre cu plunger şi multiplicator hidrostatic.

Manometre cu plunger şi greutăţi. Acest tip de aparat are ca elemente esenţiale un cilindru 1 cu plunger 2, asupra căruia acţionează greutatea unor piese 3, aşezate pe talerul 4 (fig. 6).

Page 8: MASURARE PRESIUNI

Fig 6. Manometru cu plunger şi greutăţi.

Presiunea creată în interiorul cilindrului este:

p=GS

(11)

unde G este greutatea plungerului, tijei şi a pieselor aşezate pe taler, iar S aria suprafeţei frontale a plungerului.

Cu astfel de aparate pot fi create presiuni până la 100 bar.

Manometre cu multiplicator hidrostatic. Pentru a crea presiuni mai mari se folosesc cilindrii cu secţiuni mai mici sau se folosesc sisteme cu multiplicarea forţei sau a presiunii hidrostatice. Un manometru cu multiplicator hidrostatic este prezentatprincipial în figura 7.

În componenţa acestuia intră trei ansambluri cilindru-plunjer şi anume: cilindrul 1 şi plungerul 2 de înaltă presiune, cilindrul 3 şi plungerul 4 de presiune intermediară şi cilindrul 7 cu plungerul 8 de joasă presiune. Spaţiul intermediar 5 este umplut cu ulei, iar plungerele 2 şi 4 sunt solidarizate cu tija intermediară 6.

Dependenţa dintre presiunea obţinută la racordul 9 şi greutăţile 10 aplicate pe plungerul de joasă presiune este exprimată de relaţia:

p=GS4S2S8

+G 'S2

(12)

unde G reprezintă greutăţile plungerului, tijei, talerului şi a pieselor de pe taler, S4aria plungerului intermediar, S2 aria plungerului de înaltă presiune, S8 - aria plungerului de joasă presiune iar G' greutatea plungerelor 2 şi 4 inclusiv greutatea tijei intermediare.

Page 9: MASURARE PRESIUNI

Fig. 7. Manometru etalon cu multiplicator hidrostatic.

Există şi alte tipuri de manometre de acest fel: manometre cu piston dife-renţial, manometre cu piston combinat, manometer cu piston echilibrat ş.a.

Vacumetre cu plunger şi greutăţi

Principial, un astfel de vacumetru este alcătuit din ansamblul plunger 1 cucilindrul 2, pus în comunicaţie cu un rezervor 3, şi o pompă de mână 4, prin intermediul unui vas de separare a lichidelor 5 (fig 8).

Aparatul conţine două lichide de lucru: unul situat în partea inferioară a vasului de separare 5, în tubul de legătură şi înrezervorul 3, care este de obicei mercur, iar celălalt, situat deasupra mercurului din vasul de separare şi în pompa 4, de regulă petrol lampant.

Pentru a funcţiona ca vacumetru este necesar ca greutatea pistonului, a talerului şi a greutăţilor de pe taler să fie echilibrată de forţa hidrostatică a coloanei de lichid din rezervorul 3 şi din tubul de legătură, rezervorul fiind pus în comunicaţie cu atmosfera.Echilibrarea se face, din când în când, fie cu ajutorul pompei cu piston 4, fie adăugând sau scăzând lichid din rezervorul 3.

Pentru măsurarea depresiunii, rezervorul 3 se pune în comunicaţie cu spaţiul a cărei depresiune se măsoară sau seproduce. În momentul punerii în comunicaţie echilibrul se strică: pentru a-l reface se scoate de pe taler o parte dintre greutăţi şi

Page 10: MASURARE PRESIUNI

anume o parte proporţională cu depresiunea din rezervorul 3. Valoarea depresiunii (vidului) astfel măsurate se determină din relaţia p= G/S, unde G reprezintă greutatea pieselor luate de pe taler, iar S suprafaţa frontală a plungerului.

Fig 8. Vacuumetru cu plunger şi greutăţi.

Manometre bazate pe echilibrarea forţelor

Manometre cu clopot. La baza funcţionării acestui tip de aparate stă principiul echilibrării forţelor hidrostatice (gravitaţionale şi arhimedice). Principial, un astfel de aparat este alcătuit dintr-un rezervor 1, umplut parţial cu lichid şi dintr-un clopot 2, cufundat în lichidul din rezervor (fig 9).

Spaţiul din interiorul clopotului este pus în legătură cu mediul, având presiunea de măsurat p1, iar rezervorul comunică cu atmosfera sau cu alt mediu, de presiunea p2. Sub efectul diferenţei de presiune p = p1 p2 > 0, clopotul se ridică până când, prin denivelarea lichidului de sub clopot şi din rezervor, pe înălţimea h, se realizează un echilibru al forţelor ce acţionează asupra clopotului: forţa de presiune ascensională, forţa gravitaţională şi cea arhimedică asupra acestuia.

Page 11: MASURARE PRESIUNI

Fig 9. Manometru cu clopot.

Poziţia pe verticală a clopotului faţă de un anumit reper x este depen-dentă de denivelarea h şi constituie o măsură adiferenţei de presiune p, conform relaţiei

∆ x=f (∆h)≅ K ∆ p (13)unde K este un coeficient dependent de dimensiunile clopotului şi rezervorului (diametre şi grosimi) precum şi de greutatea specific a lichidului din aparat.

Manometrul cu clopot este un aparat foarte sensibil, cu care se pot măsura diferenţe de presiune până la circa 200 mmH2O.

Manometre bazate pe echilibrarea momentelor

Manometre cu tor oscilant. Funcţionarea acestor aparate se bazează pe principiul echilibrării momentului activ depresiune cu un moment reactiv al unui senzor de formă toroidală (fig. 10.10). Senzorul toroidal are în partea superioară un peretedespărţitor şi două racorduri elastice pentru prize de presiune şi se sprijină pe o articulaţie centrală. El are în partea inferioară ocontragreutate şi este umplut parţial cu un lichid. Se formează astfel două camere de presiune: una pentru presiunea p1 iar cealaltăpentru presiunea p2.

Pentru p = p1 p2 = 0, torul capătă o poziţie de referinţă, caracterizată prin unghiul = 0. Sub efectul unei diferenţe depresiune p 0, se creează o denivelare a lichidului din tor şi un moment activ care produce o deplasare unghiulară, până cândaceasta se echilibrează cu momentul reactiv, care creste cu creşterea deplasării unghiulare.

Page 12: MASURARE PRESIUNI

Fig 10. Manometru cu tor oscilant.

Unghiul de înclinare a torului constituie o măsură a diferenţei de presiune, conform relaţiei:

∆ p=p1−p2=G∙ lS ∙ r

sinα (14)

unde G este contragreutatea torului, l distanţa pe orizontală dintre centrul de greutate al sistemului mobil şi punctul de articulaţie, Saria peretelui despărţitor, iar r raza medie a torului.

Cu astfel de aparate se pot măsura diferenţe de presiuni până la 0,2 bar, cu erori de 1 - 2% din limita maximă de măsurare.

MANOMETRE ŞI TRADUCTOARE BAZATE PE DEFORMATIA ELASTICĂ

Caracterizare generalăFuncţionarea acestor aparate se bazează pe dependenta dintre deformaţia elastică a unui

element sensibil şi presiunea sau diferenţa de presiune la care este supus. După forma elementului elastic aparatele de acest tip pot fi: cu tub Bourdon; cu membrană;cu capsulă; cu burduf.

Deformaţia elementului elastic este de obicei amplificată de un mecanism cu angrenaje şi pârghii, şi este folosită ca măsură a presiunii sau diferenţei de presiune aplicate. Uneori, deformatia este convertită în altă mărime mai uşor de transmis şi de prelucrat în vederea măsurării sau a altei operaţii.

Aceste aparate sunt în general compacte şi relativ simple, sunt robuste şi se exploatează uşor. Cu ele se acoperă un domeniu foarte larg de presiuni şi diferenţe de presiuni: de la 0,1 bar la câteva sute de bar.

Unele dintre aparatele din această categorie îndeplinesc atât rolul de senzor, cât şi rolul de aparat de măsurare, cum estede exemplu manometrul cu tub Bourdon, la care tubul elastic este pus în legătură directă cu scala aparatului printr-o transmisiemecanică. Pe acestea le vom numi simplu manometre.

În alte cazuri deformaţia elastică a senzorului este transpusă pe un semnal purtător de informaţie, comod de transmis la distantă. În astfel de cazuri se face distincţia netă între senzor şi aparatul de măsurare.

Page 13: MASURARE PRESIUNI

Manometre cu tub elastic

Manometre cu tub Bourdon. Marea majoritate a manometrelor bazate pe deformaţia elastică au ca senzor un tub elastic sub forma unui arc de cerc cu un unghi la centru de circa 270o

tubul Bourdon (fig.11).

Fig 11. Manometru cu tub Bourdon:a) schema de principiu; b) secţiuni transversale ale tubului.

Pentru presiuni până la 300 bar, tubul se confecţionează din aliaje neferoase (alamă, bronz etc.), iar pentru presiuni mai

mari se confecţionează din oţel. În secţiune, tubul elastic nu este circular, ci are una din formele prezentate în figura 11,b.Deplasarea d a capătului liber a tubului elastic, sub acţiunea presiunii maxime interne, ajunge până la 5 mm, iar raportul dintrepresiune şi deplasare reprezintă sensibilitatea senzorului.

Manometre cu mai multe spire. Pentru a mări sensibilitatea se recurge la tuburi elastice cu mai multe spire (fig. 12).

Fig 12. Senzori de presiune:a) cu tub elicoidal; b) cu tub spiral.

Acestea se realizează în două variante:Cu tub sub formă elicoidală;Cu tub sub formă de spirală.Tuburile elicoidale şi cele spirale se confecţionează din alamă sau bronz, şi se utilizează la presiuni până la 16 bar.

Manometre cu membrană elastică

Page 14: MASURARE PRESIUNI

Senzorul unui astfel de manometru este realizat dintr-o carcasă C şi o placă subţire elastică P, de formă circulară, gofrată,prinsă prin şuruburi de carcasă (fig13). Sub acţiunea diferenţei de presiune p, pe cele două feţe ale acesteia, membrane capătă o deformaţie (săgeată) elastică x, proporţională cu p, deformaţie care este transmisă printr-o tijă centrală la un sistem de indicare sau înregistrare, direct sau după o prealabilă amplificare.

Fig 13. Senzor de presiune cu membrană elastică.

Manometrele cu membrană se construiesc pentru măsurarea de presiuni diferenţiale până la circa 10 bar, în diversevariante şi dimensiuni. Diametrul membranei, forma şi adâncimea ondulaţiilor, ca şi proprietăţile fizice ale materialului din care sunt fabricate, sunt cei mai importanţi parametri de care depind caracteristicile elastice ale acesteia. Pentru aceeaşi formă şi material,diametrul şi grosimea membranei se aleg în funcţie de diferenţa de presiune de măsurat.

Deformaţia membranei este în general mică, de aceea, în unele cazuri, pentru a mări sensibilitatea, se recurge la folosirea unei transmisii cu amplificare.

Manometre cu capsulă elasticăManometrele cu capsulă elastică sunt formate în principal din două membrane ondulate lipite

pe contur. Sub acţiuneadiferenţei de presiune de pe faţa interioară şi cea exterioară, ambele membrane se deformează, rezultând o deformaţie dublă faţă de manometrele cu membrană simplă (fig 14,a).

Senzori cu mai multe capsule. Pentru a obţine o deformaţie şi mai mare la aceeaşi diferenţă de presiune, se construiesc senzori de presiune alcătuiţi din mai multe capsule (fig. 14,b). Capătul liber al blocului de capsule suferă deplasarea x, proporţională cu diferenţa dintre presiunea din interiorul capsulelor şi cea din afara acestora.

Fig 14. Senzori de presiune:a) Cu o singură capsulă; b) cu două capsule.

Cu senzori de acest tip se pot măsura diferenţe de presiuni de până la circa 5 bar. Caracteristica de transfer x - p este în general liniară, dar pentru o mai bună liniaritate, pe suprafaţa capsulelor se ataşează câte un arc de formă specială carecompensează abaterile de la liniaritate.

Manometre cu burdufBurduful simplu este un tub cilindric subţire, ondulat şi astupat la capătul mobil (fig. 15,a).Principiul de funcţionare este asemănător cu cel al blocului de capsule. Sub acţiunea diferenţei

de presiune, capătul liber al burdufului efectuează o deplasare proporţională cu diferenţa de presiune p. Dacă p = p1 p2 >0 burduful se lungeşte, iar dacă p <0 acesta se scurtează. Deplasarea x a

Page 15: MASURARE PRESIUNI

capătului liber al burdufului este transmisă prin intermediul unei tije către un dispozitiv de indicare/înregistrare sau către un convertor.

Fig 15. Senzori de presiune cu burduf:a) Cu burduf simplu; b) Cu burduf interior.

În unele variante constructive între burduf şi corp se amplasează un resort cilindric care serveşte la liniarizareacaracteristicilor statice de transfer şi la modificarea domeniului presiunilor de măsurat.Elasticitatea, deci şi sensibilitatea burdufului, este determinată în principal de diametrul şi grosimea acestuia, precum şi denumărul de ondulaţii şi de proprietăţile mecanice ale materialului din care este confecţionat. Astfel de senzori pot fi folosiţi lamăsurarea diferenţelor de presiune până la 5 bar.

Traductoare cu două burdufuri. În figura16 este prezentat un senzor de presiune diferenţială cu două burdufuri. Cele două burdufuri 1 şi 1' sunt montate în carcasa 2, compusă din două camere de presiune separate de peretele despărţitor 3.Capetele libere ale burdufurilor sunt unite prin tija comună 4, care sub efectul diferenţei presiunilor p1

şi respectiv p2 aplicate în cele două camere de presiune, efectuează o deplasare l. Această deplasare este dependentă şi de reacţiunea resortului elicoidal 5,care, împreună cu caracteristicile elastice ale celor două burdufuri, determină dependenţa l = f(p).

Prin intermediul unei transmisii cu articulaţie elastică etanşă, deplasarea axială l este transpusă în deplasare unghiulară .Această deplasare unghiulară, care constituie o măsură a diferenţei de presiune, poate fi folosită ca mărime de ieşire a manometrului diferenţial sau poate fi convertită în altă mărime (de exemplu - în curent electric) şi aceasta să fie folosită ca mărime de intrare în aparatul de măsurare sau în alt aparat de automatizare.

Traductoare cu membrană flexibilă

Un astfel de traductor (fig 17) este alcătuit din carcasa 1, membrana flexibilă 2, prinsă între două discuri centrale rigide3, din resortul helicoidal 4 şi din tija 5.Membranele flexibile se confecţionează din ţesături de mătase sau fibre sintetice cauciucate ori impregnate cu alte materialeimpermeabile.

Efortul de presiune dezvoltat de membrană şi transmis prin tijă este determinat de diferenţa de presiune de pe feţele eiprecum şi de suprafaţa echivalentă a acesteia. Suprafaţa echivalentă a membranei reprezintă suprafaţaunui piston ideal fictiv care ar dezvolta acelaşi efort ca şi membrana respectivă, sub acţiunea aceleiaşi diferenţe de presiune.

Page 16: MASURARE PRESIUNI

Fig 16. Senzor de presiune diferenţială cu două burdufuri

Page 17: MASURARE PRESIUNI

Fig 17. Senzor de presiune cu membrană flexibilă.

Pentru evaluarea suprafeţei echivalente vom arăta modul în care efortul de presiune exercitat pe o suprafaţă infinitezimală a membranei se transmite tijei centrale ţinând seama de faptul ca membrana este încastrată pe contur (fig. 17). Efortul pe această suprafaţă este:

dF=r ∙ dφ ∙dr ∙∆ p (15)iar partea care se transmite resortului prin disc este

d FD=dFb

a+b=∆ p

2D−d (D2 −r)rdφdr (16)

unde a = r - d/2, b = D/2 - r, r raza discului de rigidizare iar D diametrul de încastrare a membranei.Efortul total dezvoltat de discul central şi de membrană, transmis resortului în vederea echilibrării,

F r=[ π d2

4+ 2D−d

∫0

∫r

D2

r (D2 −r)dφdr ]∆ p= π12

(d2+dD+D2 )∆ p=Se∆ p (17)

Page 18: MASURARE PRESIUNI

Prin urmare, suprafaţa echivalentă Se a unei membrane circulare este:

Se=π12

(d2+dD+D 2 )=π4De2 (18)

iar diametrul echivalent al membrane

De=√ d2+dD+D2

3 (19)

Membranele flexibile sunt folosite nu numai ca senzori de presiune, ci şi ca elemente de execuţie, ca elemente de conversie s.a.

MANOMETRE BAZATE PE PROPRIETĂŢI ELECTRICE

Concepţia şi funcţionarea acestor aparate au la bază efecte ale unor proprietăţi (nemecanice) asupra senzoruluimanometrului respectiv. Dintre proprietăţile folosite, cele mai eficace s-au dovedit a fi variaţia cu presiunea a rezistentei electrice, şi a gradului de absorbţie a radiaţiilor radioactive, precum şi efectul piezoelectric şi magnetostrictiv.Aceste aparate se folosesc pentru măsurarea presiunilor foarte mari ori foarte mici sau pentru măsurarea şocurilor de presiune.

Manometre rezistive. Aceste aparate se folosesc pentru măsurarea presiunilor foarte mari, de ordinul sutelor sau miilor de bari, la care rezistenta unor conductori şi semiconductori variază sensibil cu presiunea la care este supus senzorul respectiv. Ele au ca senzor un rezistor, realizat sub forma unei bobine neinductive 1 sau un termistor aflat în corpul 2 cu capacul electroizolant 3.Cele mai uzuale sunt manometrele cu senzor din manganină (fig 18), la care dependenţa rezistenţă-presiune este de forma:

Rp=R0 (1+kn ∙ p ) (20)unde kR este sensibilitatea senzorului (coeficientul piezorezistiv), iar R0 este rezistenţa senzorului la presiune normală.

Fig 18. Senzor de presiune rezistiv.

Erorile de măsurare cu aceste aparate sunt sub 1% din limita maximă de măsurare, însă senzorii au o reproductivitate deficitară.

Vacumetre bazate pe ionizarea gazelor rarefiate. Aceste aparate se folosesc pentru măsurarea presiunilor foarte mici,adică pentru măsurarea vidului înaintat de ordinul 10-3 - 10-8 mm Hg. Ionizarea gazului rarefiat se poate face prin mijloacetermoelectronice sau cu ajutorul unei surse de radiaţii radioactive.

Gradul de ionizare al gazului rarefiat este proporţional cu presiunea la care este supus, iar curentul ionic ce ia naştere încircuitul electric în care este intercalat gazul ionizat este o măsură a presiunii la care acesta este supus.

Page 19: MASURARE PRESIUNI

Ca exemplu, în figura 19 este prezentată schema de principiu a unui vacumetru cu sursă de radiaţii.

Fig 19. Senzor de vid radioactiv.

El este alcătuit din carcasa 1 – o cameră de ionizare – în care se află sursa de radiaţii 2 şi anodul colector de ioni 3. Încircuitul electronic alimentat de sursa electrică S se formează un curent dependent de presiune. Acest curent creează pe rezistorul R o cădere de tensiune, care, direct sau după o prealabilă amplificare, constituie măsura presiunii.

Manometre piezoelectrice. Măsurarea presiunii cu astfel de aparate se bazează pe efectul piezoelectric pe care-l prezintă unele cristale (cuarţ, turmalită ş.a.) şi care constă în apariţia unor sarcini electrice pe suprafaţa acestor cristale atunci când asupra acestora acţionează forţe pe anumite direcţii ale cristalului.

O caracteristică importantă a efectului piezoelectric o constituie lipsa de inerţie, datorită căreia manometrele piezoelectrice se folosesc la măsurarea presiunilor dinamice care variază foarte rapid. Cel mai uzual element piezoelectric este cuarţul (SiO2) datorită următoarelor calităţi: are rezistentă mecanică mare, este nehigroscopic şi nu este sensibil la variaţia temperaturii în limite de la 120 la 500o C.

La o lamă de cuarţ cum sunt lamele 1 şi 2 din figura 20, dependenţa dintre sarcina electrică şi presiune este de forma:

qx=K eFx=K e Sx px (21)unde Kc este constanta piezoelectrică a lamei de cristal, Fx – forţa aplicată pe axa x, Sx – suprafaţa lamei în planul xy iar px –presiunea pe direcţia axială.

Deoarece sarcinile electrice care apar sunt foarte mici şi se pot scurge rapid, este necesar ca măsurarea lor să se facă cuaparate având impedanţa de intrare foarte mare: voltmetre electronice de curent continuu, milivoltmetre electrostatice, oscilografecatodice sau oscilografe electromecanice.

Senzorul piezoelectric. În figura 10.20 este prezentat un senzor piezoelectric de uz industrial. El este alcătuit din douălame de cuarţ 1 şi 2, aşezate cu feţele de aceeaşi polaritate faţă în faţă, dar separate de o placă metalică de contact 3. Pe celelaltedouă feţe opuse ale lamelor sunt montate două şaibe metalice 4 şi 5 care asigură contactul cu corpul 6 şi capacul 8 ale senzorului.

Page 20: MASURARE PRESIUNI

Fig 20. Senzor de presiune piezoelectric.

Grupul lamelor de cuarţ este închis etanş şi separat de camera de intrare prin membrana flexibila 7. Lamele de cuarţ şişaibele sunt strânse între corpul 6 şi piuliţa capac 8, prin intermediul membranei 7 şi a bilei 9. Presiunea de măsurat acţioneazăasupra membranei care supune lamele de cuarţ la eforturi de compresiune variabile şi produce astfel apariţia de sarcini electrice pe feţele acestora.

SENZORI DE PRESIUNE CAPACITIVILa baza funcţionării acestor senzori stă deformaţia elastică a unei membrane plane, care

constituie una dintre armăturileunui condensator plan, şi modificarea capacităţii condensatorului respectiv, produsă de deformarea armăturii elastice,cealaltă armatură fiind rigidă şi fixă.În figura 21 este prezentat un astfel de traductor, alcătuit din corpul 1 cu membrana elastică 2, iar în acest corp fixat prinînşurubare, un suport electroizolant 3, având în capăt armatura fixa 4 a condensatorului. În interiorul suportului 3 se afla electrodul 5, al armăturii fixe, celălalt electrod constituindu-l corpul senzorului.

Sub acţiunea presiunii, membrana 2 se deformează elastic, modificând capacitatea condensatorului, care constituie omăsură a presiunii. Pe baza măsurării capacităţii se poate deduce valoarea presiunii.Datorită influentei temperaturii mediului şi a capacităţilor parazite ale conductorilor de legătură cu aparatul de măsurat şi aleaparatului de măsurat, eroarea de măsurare poate ajunge până la 2% din limita maximă de măsurare.

Pe acest principiu pot fi concepuţi şi senzori de presiune inductivi, la care deformaţia elastică a unui senzor modificăinductanţa unei bobine.

Page 21: MASURARE PRESIUNI

Fig 21. Senzor de presiune capacitiv.

TRADUCTOARE PELICULARE DE PRESIUNE

Principiu de funcţionare. Utilizarea tehnologiilor peliculelor subţiri la realizarea traductoarelor de presiune oferăposibilitatea de realizare a unor senzori miniaturali, stabili, cu inerţie mică, de construcţie simplă şi relativ ieftini, care transformăpresiunea în semnal electric, uşor de măsurat.Traductoarele de acest fel sunt în fond traductoare capacitive cu senzori dintr-o folie poliamidică, flexibilă şi elastică,metalizată pe ambele feţe, formând un condensator (fig. 22).

Fig 22. Senzor de presiune pelicular cu dielectric solid.

Pe aceste principii au fost realizate recent traductoare peliculare cu dielectric solid şi traductoare cu dielectric gazos.Traductoarele cu dielectric solid sunt realizate pe folie de Kapton şi suportă presiuni statice relativ mari. Traductoarele cu dielectric gazos au cavităţi circulare în folia de Kapton şi se caracterizează printr-o sensibilitate foarte

Page 22: MASURARE PRESIUNI

inaltă.