Pag 1-22 Sisteme de Reglare Automata I

Cuprins

I. Introducere....................................................................................................................4Noţiuni generale despre Sisteme de Reglare Automată (SRA)....................................4

II. Documente necesare pentru activitatea de predare....................................................6III. Resurse.......................................................................................................................7

Tema 1. Noţiuni generale despre Sisteme de Reglare Automată (SRA)......................7Fişa suport 1.1. SRA. Definiţie, rol, scop. Clasificarea SRA....................................7

Tema 1. Noţiuni generale despre Sisteme de Reglare Automată (SRA)....................10Fişa suport 1.2. Schema bloc a unui SRA. Mărimi de intrare/ieşire........................10

Tema 1. Noţiuni generale despre Sisteme de Reglare Automată (SRA)....................12Fişa suport 1.3. Rolul elementelor componente......................................................12

Tema 1. Noţiuni generale despre Sisteme de Reglare Automată (SRA)....................12Fişa suport 1.4. Descrierea funcţionării după schema bloc....................................14

Tema 2. Semnale utilizate în SRA..............................................................................16Fişa suport 2. Semnale utilizate în SRA..................................................................16

Tema 3. Regimuri de funcţionare ale unui SRA.........................................................20Fişa suport 3. Regim staţionar şi regim tranzitoriu..................................................20

Tema 4. Performanţele unui SRA...............................................................................25Fişa suport 4. Performanţe staţionare şi tranzitorii..................................................25

Tema 5. Traductoare..................................................................................................30Fişa suport 5. Prezentarea traductoarelor...............................................................30

Tema 6. Tipuri de traductoare....................................................................................38Fişa suport 6.1. Traductoare de poziţie şi deplasare..............................................38

Tema 6. Tipuri de traductoare....................................................................................45Fişa suport 6.2. Traductoare de forţă şi cupluri.......................................................45Traductoare de forţă cu măsurarea deplasării........................................................46

Tema 6. Tipuri de traductoare....................................................................................50Fişa suport 6.3. Traductoare de presiune...............................................................50

Tema 6. Tipuri de traductoare....................................................................................56Fişa suport 6.4. Traductoare de nivel.....................................................................56

Tema 6. Tipuri de traductoare....................................................................................65Fişa suport 6.5. Traductoare de debit.....................................................................65

Tema 6. Tipuri de traductoare....................................................................................71Fişa suport 6.6. Traductoare de temperatură..........................................................71

Tema 6. Tipuri de traductoare....................................................................................84Fişa suport 6.7. Adaptoare......................................................................................84

IV. Fişa rezumat.............................................................................................................92V. Bibliografie.................................................................................................................94

III. Resurse

Tema 1. Noţiuni generale despre Sisteme de Reglare Automată (SRA)

Fişa suport 1.1. SRA. Definiţie, rol, scop. Clasificarea SRA.

SRA - DEFINIŢIE, ROL, SCOP.

Prin Sistem de Reglare Automată (SRA) se înţelege un sistem realizat astfel încât între mărimea de ieşire şi mărimea de intrare se realizează automat, fără intervenţia omului, o relaţie funcţională care reflectă legea de conducere a unui proces.

Rolul SRA : Sistemele de reglare automată au rolul de a asigura menţinerea automată

– fără intervenţia omului – a unor mărimi tehnologice la o valoare prestabilită, de regim.

Scopul SRA: Automatizarea are ca scop înlocuirea omului în realizarea diverselor operaţii din procesul de producţie.

CLASIFICAREA SRA

Există mai multe posibilităţi de clasificare a SRA în funcţie de criteriul adoptat.

Mai importante sunt următoarele:

1. După caracterul informaţiei apriorice asupra IT se deosebesc: SRA cu informaţie apriorică completă - caracteristicile instalaţiei tehnologice

IT sunt practic invariabile în timp; SRA cu informaţie apriorică incompletă - caracteristicile instalaţiei tehnologice

IT se modifică (sub influenţa unor perturbări) într-un mod care nu este dinainte cunoscut; pentru a compensa influenţa unor asemenea modificări asupra performanţelor sistemului se folosesc elemente suplimentare, de adaptare, rezultând sisteme adaptive.

2. După dependenţele – în regim staţionar – dintre mărimile de ieşire şi de intrare ale elementelor componente se deosebesc:

SRA liniare - când dependenţele sunt liniare; din punct de vedere matematic sistemele liniare sunt descrise prin ecuaţii liniare;

SRA neliniare - când cel puţin una din dependenţe este neliniară; din punct de vedere matematic sistemele neliniare sunt descrise prin ecuaţii neliniare;

3. După caracterul prelucrării semnalelor se deosebesc:

SRA continue - când toate mărimile care intervin sunt continue în timp; SRA discrete - când cel puţin una dintre mărimi are o variaţie discretă în timp;

4. După aspectul variaţiei în timp a mărimii de intrare (şi deci şi al mărimii de ieşire) se deosebesc trei categorii:

sisteme de reglare automată - dacă mărimea de intrare (de referinţă) este constantă;

sisteme cu program - dacă mărimea de intrare (de referinţă) variază după un anumit program;

sisteme de urmărire - dacă mărimea de intrare (de referinţă) variază aleatoriu în timp (mărimea de ieşire urmăreşte mărimea de referinţă);

5. După numărul de bucle principale (de reglare) se deosebesc: SRA cu o buclă de reglare (un singur regulator automat); SRA cu mai multe bucle de reglare (mai multe regulatoare automate);

6. După viteza de răspuns a IT la un semnal aplicat la intrare se deosebesc : SRA pentru procese rapide - când constantele de timp ale IT nu depăşesc 10

secunde (acţionările electrice); SRA pentru procese lente - când IT au constante de timp mai mari şi de multe

ori au şi timp mort;

7. După modul de anihilare a mărimii perturbatoare, pot fi:o SRA după abatere – care nu folosesc direct informaţiile privind mimea

perturbatoare, ci acţiunea acesteia sub forma abaterii ε a mărimii reglate xe faţă de valoarea prescrisă a mărimii de referinţă;

o SRA după perturbare – în care mărimea perturbatoare este măsurată

direct şi se acţionează direct asupra mărimilor procesului (realizarea lor este greoaie – număr mare de mărimi perturbatoare);

o SRA combinate sau în cascadă – conţin atât sisteme după abatere (cu

reacţie) cât şi sisteme după perturbare;

8. După caracteristicile construcţiei dispozitivelor de automatizare se deosebesc: SRA unificate - când toate mărimile care circulă sunt unificate, adică au aceeaşi

gamă şi aceeaşi natură; la sistemele unificate, diferite blocuri ale dispozitivelor de automatizare pot fi conectate în diferite moduri rezultând astfel o varietate mare de structuri realizate cu un număr relativ mic de elemente componente;

SRA specializate - când nu se întâmplă acest lucru;

9. După agentul purtător de semnal se deosebesc: SRA electronice, SRA pneumatice, SRA hidraulice, SRA mixte.


Fişa suport 1.2. Schema bloc a unui SRA. Mărimi de intrare/ieşire

SCHEMA BLOC :

ELEMENTE COMPONENTE:

EC – element de comparaţie RA – regulator automatEE – element de execuţieTr – traductor IT – instalaţie tehnologică

MĂRIMI DE INTRARE/IEŞIRE:

Xi – mărimea de intrare în sistemXr – mărimea de reacţie

ε – semnalul de eroare (abaterea)

Xc – mărimea de comandăXm – mărimea de execuţie Xp – mărimi perturbatoareXe – mărimea de ieşire

RAA

EE IT

Tr

Xi + ε

-Xr

ECXc

Xm

Xp

Xe

Xe


Fişa suport 1.3. Rolul elementelor componente

Elementul de comparaţie (EC) are rolul de a compara permanent mărimea de ieşire a instalaţiei tehnologice cu o mărime de acelaşi fel cu valoare prescrisă (considerată constantă), rezultatul comparaţiei fiind semnalul de eroare ε (abaterea); este de regulă un comparator diferenţial;

Regulatorul automat (RA) are rolul de a efectua anumite operaţii asupra mărimii ε primită la intrare, respectiv are rolul de a prelucra această mărime după o anumită lege, numită lege de reglare, rezultatul fiind mărimea de comandă Xc aplicată elementului de execuţie;

Elementul de execuţie (EE) are rolul de a interveni în funcţionarea instalaţiei tehnologice pentru corectarea parametrilor reglaţi conform mărimii de comandă transmise de RA;

Instalaţia tehnologică (IT) este în cazul general un sistem supus unor acţiuni externe numite perturbaţii şi acţiunii comenzii generate de RA, a cărui mărime de ieşire este astfel reglată conform unui program prescris;

Traductorul (Tr) este instalat pe bucla de reacţie negativă a SRA, şi are rolul de a transforma mărimea de ieşire a IT, de regulă într-un semnal electric aplicat EC;

Convertorul electro/pneumatic sau pneumo/electric (CONV I/P sau P/I) are rolul de a converti semnalul obţinut la ieşirea RA într-un semnal de altă natură fizică, necesar pentru comanda EE, atunci când acestea sunt diferite; dacă semnalul de la ieşirea RA şi cel necesar pentru comanda EE sunt de aceeaşi natură fizică, atunci convertorul poate să lipsească;


Fişa suport 1.4. Descrierea funcţionării după schema bloc

Funcţionarea SRA :

Mărimile perturbatoare Xp acţionează asupra instalaţiei tehnologice IT, determinând variaţii ale mărimii reglate;

Variaţiile mărimii reglate sunt măsurate, semnalizate şi prelucrate, prin intermediul traductorului Tr, cuplat în sistem pe legătura de reacţie negativă, obţinându-se la ieşirea acestuia un semnal de reacţie Xr, de aceeaşi natură fizică cu semnalul de intrare în sistem;

Prin intermediul elementului de comparaţie EC, semnalul de reacţie Xr de la ieşirea traductorului este comparat cu mărimea de intrare Xi, proporţională cu valoarea prescrisă a mărimii de referinţă X0, rezultând la ieşirea comparatorului (de regulă diferenţial, aflat în construcţia RA, pe intrarea cestuia), un semnal de

eroare ε = Xi - Xr ;

Semnalul de eroare ε este amplificat prin intermediul unui amplificator din construcţia regulatorului automat RA şi transformat într-un semnal de comandă Xc (prin circuitul de reacţie care fixează legea de reglare, circuit aflat în RA), la ieşirea RA;

Semnalul de comandă Xc, acţionează asupra servomotorului elementului de execuţie EE, punând în mişcare organul de reglare, în sensul anihilării erorii de

funcţionare ε ;

Dacă semnalul de comandă este de natură fizică diferită de semnalul necesar acţionării servomotorului, atunci, între regulatorul automat RA şi elementul de execuţie EE se cuplează un convertor CONV I/P sau P/I, care realizează conversia semnalului de comandă; altfel, convertorul poate să lipsească;

Dar mărimile perturbatoare Xp continuă să-şi exercite influenţa asupra parametrului reglat din instalaţia tehnologică IT, ale cărui variaţii sunt percepute şi prelucrate de traductorul Tr (de regulă, cuplat local pe IT), şi procesul de reglare se reia (continuă).

Tema 2. Semnale utilizate în SRA

Fişa suport 2. Semnale utilizate în SRA

CLASIFICAREA SEMNALELOR UTILIZATE ÎN SRA : (după A. Szuder)

Tipuri de semnale aplicate SRA:

Semnal treaptă unitară Semnal rampă unitară Semnal impuls unitar Semnal sinusoidal

a) semnal treaptă unitară

1 pentru t > 0 (2.1) u(t) = 0 pentru t ≤ 0

1

U(t)

t

0

b) semnal rampă unitară

t pentru t > 0 (2.2) u(t) = 0 pentru t ≤ 0

c) semnal impuls unitar (semnal impuls unitar Dirac)

pentru t = 0,

pentru t ≠ 0, u(t) = 0

d) semnal sinusoidal

U(t)

0

t

U(t)

t 0

Xr

A

1 3 4 2

2’ 4’ 3’ 1’

t

u

T/2 T

u(t) = Umax sin ωt (2.3)

Analiza comportării elementelor SRA se studiază în funcţie de un semnal de intrare treaptă unitară

Tema 3. Regimuri de funcţionare ale unui SRA

Fişa suport 3. Regim staţionar şi regim tranzitoriu

REGIMUL STAŢIONAR:

Este un regim de echilibru static, când mărimile de intrare şi de ieşire sunt constante în timp; se mai numeşte şi regim static.

Un element al sistemului este descris prin relaţia de interdependenţă dintre mărimea de ieşire şi mărimea de intrare a acestuia.

Reprezentarea grafică a dependenţei dintre mărimea de ieşire Xe şi mărimea de intrare Xi a unui element al SRA, în regim static, se numeşte cacteristică statică a elementului.

Caracteristicile statice pot fi: liniară - descrisă de ecuaţia: Xe = K * Xi (3.1)

- K este factorul de amplificare al elementului SRA : K = Xe / Xi (3.2)

neliniară - pot fi liniarizabile pe zona de funcţionare a elementului SRA

Reprezentarea grafică a caracteristicilor statice :

caracteristică liniară caracteristică neliniară

Mai multe elemente conectate în serie (cascadă), pot fi înlocuite printr-un element echivalent, care are factorul de amplificare echivalent K egal cu produsul factorilor de amplificare ai elementelor conectate în serie:

Caracteristica statică a unui SRA :

- în regim staţionar Xe = f ( Xi ) (3.3)- dacă toate elementele sistemului sunt liniare, atunci şi caracteristica statică a sistemului este liniară:- sistemul SRA este descris de ecuaţia :

(3.4)

0

Xe

Xi

Xe

ee

Xi

0

KRA KEE KIT

KTM

Xi + ε

Xp

Xc Xm Xe

Xr -

K1 K2

K = K1* K2

X1 X3X2

X1 X3

unde Ko = factorul global de amplificare al sistemului:

ε = Xi - Xr Þ Xe = K * (Xi - Xr) = K * (Xi – KTM * Xe) (3.5)Xr = KTM * Xe Þ Xe + K * KTM * Xe = K * Xi (3.6)

Xe = K * ε Þ

Þ

factorul global de amplificare al sistemului.

REGIMUL TRANZITORIU (DINAMIC):

Caracteristica dinamică a elementelor SRA

în regim dinamic, elementele SRA sunt descrise de ecuaţii care exprimă dependenţa dintre mărimile de ieşire şi intrare, variabile în timp: Xe(t), Xi(t)

a convenit în practică, să se stabilească variaţia mărimii de ieşire, în regim dinamic pentru o mărime de intrare variabilă sub formă de treaptă unitară;

o astfel de caracteristică dinamică este numită răspuns la semnal treaptă sau răspunsul indicial;

comportarea dinamică a elementelor SRA are loc după anumite legi ca:

- proporţionale- integratoare- derivative- combinaţii ale acestora.

Elementul proporţional: - este descris de legea: Xe(t) = K * Xi (t) ; (3.7)- grafic - răspunsul indicial:

K = - în regim staţionar

Xe = f ( Xi )

(3.3)* K2

X3X2

X1 X3

Xe(t)

Xi(t)

t

t

Xe(t)

Xi(t)

t

t

Elementul integrator : - este caracterizat de legea: (3.8)

- grafic - răspunsul indicial:

Elementul derivativ :

- mărimea de ieşire a unui element derivativ este proporţională cu viteza de variaţie a mărimii de intrare, după legea:

(3.9)

Caracteristica dinamică a unui SRA :

- comportarea dinamică a unui SRA este apreciată în funcţie de răspunsul său indicial : Xe(t) = f(Xi(t));

- comportarea dinamică a unui SRA depinde de comportarea dinamică a elementelor de automatizare din componenţa SRA.;

grafic:

Xe(t)

Xi(t)

t

t

Xi(t)

Xe(t)

t

t

t

t

xio

xi i

0xe

xo

To0

Xi(t)

Xe(t)

t

t

- răspunsul indicial al SRA reprezintă variaţia mărimii de ieşire a SRA la o variaţie sub formă de treaptă unitară a mărimii de referinţă (a mărimii de intrare):

- mărimea reglată atinge valoarea prescrisă pentru mărimea de referinţă

abia la infinit : t ∞ (t tinde la infinit)

- cu cât constanta de timp To este mai mică, cu atât mărimea reglată se apropie mai repede de valoarea prescrisă Xo.

Tema 4. Performanţele unui SRA

Fişa suport 4. Performanţe staţionare şi tranzitorii

Calitatea reglării automate este exprimată prin precizia cu care SRA asigură menţinerea mărimii de referinţă, indiferent de acţiunea perturbaţiilor ;

Variaţia în timp a erorii ε(t) la variaţia treaptă a mărimii de referinţă

ideal este ca, la apariţia unei abateri ε, sistemul să o înlăture instantaneu, dar acest lucru nu este posibil datorită întârzierilor existente în sistem;

astfel, între mărimea reglată Xe(t) şi mărimea de referinţă Xo(t) există o diferenţă numită abatere dinamică ε(t).

variaţia în timp a erorilor dinamice ε(t) :

X0

X0*e-t/To

X0(t)

ε(t)t p

t p

se observă că la t ∞, eroarea dinamică se anulează şi sistemul intră în regim staţionar.

pentru unele SRA, ε(t) nu se anulează total, existând în regim staţionar o abatere permanentă, numită eroare staţionară a SRA.

PERFORMANŢE STAŢIONARE

Performanţele SRA în regim staţionar :

- în regim staţionar, mărimile din sistem sunt constante - principalul indice de performanţă în regim staţionar este eroarea staţionară

EROAREA STAŢIONARĂ a SRA:

-deoarece în regim staţionar mărimile din sistem sunt constante, derivatele lor

sunt nule şi acest regim se stabileşte teoretic la infinit t ∞, deci eroarea

staţionară este eroarea ε(t) pentru t ∞:

lim ε(t) = lim Xi (t) – lim Xe (t) (4.1)

t ¥ t ¥ t ¥

atunci, eroarea staţionară devine : εst = Xi – Xe.st

unde : Kr = factorul de amplificare al dispozitivului de prescriere a mărimii de referinţă

Xe = Kr*K0*X0 (4.2)

Kr K0 Xe

p

Xi

p

Xo

unde: (4.3)

- eroarea staţionară devine:

(4.4)

- eroarea staţionară poate fi modificată prin factorul de amplificare pe cale directă K, ce duce la micşorarea erorii;

- factorul de amplificare se poate modifica, modificând KRA:

- dacă SRA conţine pe cale directă un element integrator atunci eroarea staţionară a sistemului este nulă.

- pentru ca sistemul să funcţioneze cu eroarea staţionară nulă, se utilizează de regulă un SRAde tip PI.

-Performanţa staţionară impusă unui sistem de reglare este de forma :

εst = 0 (4.5)

sau, prin raportare la valoarea Xe.st , poate fi de forma:

εst ≤ εst.imp [exprimată în %] (4.6)

unde εst.imp este valoarea impusă erorii staţionare, maxim admisibilă din considerente legate de buna desfăşurare a procesului tehnologicautomatizat.

PERFORMANŢE TRANZITORII (REGIMUL DINAMIC)

KEE KIT

KTM

r

Xp

KRA KEE KIT

KTM

Xi + ε Xc Xm Xe

Xr -

Xe

performanţele sunt apreciate în funcţie de eroarea dinamică (abaterea dinamică) ε(t) pe întreaga perioadă, din momentul apariţiei până la stabilizare ;

sistemele SRA pot fi comparate între ele după precizia reglării în regim dinamic, deci în funcţie de răspunsurile lor la un semnal treaptă unitară (răspunsuri indiciale);

calitatea reglării poate fi apreciată în funcţie de următorii indicatori de performanţă:

- suprareglajul σ - indică valoarea maximă cu care mărimea reglată depăşeşte mărimea de referinţă Xo = Xe.st (primul maxim al mărimii reglate); σ = Xe.max - Xe.st (4.7)

la sistemele stabile, cu evoluţia regimului tranzitoriu de forma I, oscilaţiile sunt

amortizate şi suprareglajul este σ ≠0 (primul maxim, prima depăşire a valorii staţionare), iar la sistemele cu regim tranzitoriu aperiodic, de forma II ,

suprareglajul este nul : σ = 0. (4.8)

performanţa impusă suprareglajului are aspectul unei condiţii de limitare, de

forma : σ ≤ σimp [exprimată în %]. (4.9)

valoarea maximă impusă sau maximă admisibilă a suprareglajului σimp depinde de tipul instalaţiei tehnologice şi al procesului care se desfăşoară în această instalaţie ; depăşirile mari ale valorii staţionare duc la suprasolicitarea instalaţiei şi, în final, la deteriorarea acesteia.

- timpul de răspuns (reglare) tr – este durata regimului tranzitoriu şi reprezintă intervalul de timp dintre momentul inceputului procesului

II

tr II

I

Xe(t)

Xe.st

t p

tr I

tranzitoriu şi momentul în care absolută a diferenţei Xe – Xe.st scade sub o valoare limită fixată

durata regimului tranzitoriu exprimă timpul în care eroarea ε(t) scade sub 5% din valoarea mărimii de referinţă Xo (sau a valorii staţionare Xe.st).

Xe – Xe.st ≤ ± 5% Xe.st (4.10)

pentru asigurarea rapidităţii necesare desfăşurării procesului de reglare, pentru timpul de răspuns se impune o performanţă (valoare limită a tr) de forma:

tr ≤ tr.imp (4.11)

valoarea maximă impusă timpului de răspuns tr.imp este valoarea maximă admisibilă şi depinde de tipul instalaţiei tehnologice şi al procesului care se desfăşoară în această instalaţie ;

În unele cazuri, se impun şi alte performanţe tranzitorii, cum sunt:Gradul de amortizareTimpul de creştere Lărgimea de bandă (în cazul regimurilor sinusoidale) etc.

Tema 5. Traductoare

Fişa suport 5. Prezentarea traductoarelor

GENERALITĂŢI, PERFORMANŢE, CLASIFICARE

În scopul măsurării mărimilor fizice care intervin într-un proces tehnologic, este necesară, de obicei, convertirea acestora în mărimi de altă natură fizică pentru a fi introduse cu uşurinţă într-un circuit de automatizare.

Traductoarele sunt elemente din structura sistemelor automate care au rolul de a măsura valorile parametrului reglat şi de a converti acest parametru (de obicei o mărime fizică neelectrică) într-o mărime fizică (de obicei electrică) dependentă de prima, compatibilă cu mărimea de intrare în elementul următor al sistemului.

Traductoarele sunt cunoscute şi sub denumirea de elemente de măsură, destinate măsurării mărimilor conduse şi a unor mărimi semnificative, pe baza cărora se pune în evidenţă echilibrul proceselor

Prin intermediul traductoarelor putem obţine informaţiile necesare conducerii automate a proceselor în circuit închis

Traductoarele sunt montate de regulă pe bucla de reacţie.

În structura traductoarelor există, în general, o serie de subelemente constructive ca, de exemplu: convertoare, elemente sensibile, adaptoare etc.

Structura generală a traductoarelor este foarte diferită, de la un tip de traductor la altul, cuprinzând unul, două sau mai multe convertoare conectate în serie. În majoritatea cazurilor, structura generală a unui traductor este cea din figura următoare:

Elementul sensibil numit şi detector, efectuează operaţia de măsurare propriu-zisă, luând contact cu mediul al cărui parametru se măsoară; este specific fiecărui parametru măsurat;

Adaptorul numit şi transmiter asigură transformarea (adaptarea) semnalului măsurat într-un alt semnal, în general electric sau pneumatic, unificat, semnal ce se pretează pentru transmiterea la distanţă.

Mărimea de intrare Xi (de exemplu: presiune, nivel, forţă etc.) este convertită de către elementul sensibil într-o mărime intermediară X0 (deplasare liniară sau rotire), care este transformată în mărimea de ieşire Xe (tensiune electrică, rezistenţă electrică, inductanţă, capacitate etc.), aplicată circuitului de automatizare cu ajutorul adaptorului.

De obicei, adaptorul cuprinde şi sursa de energie care face posibilă convertirea mărimii Xo în mărimea Xe.

Mărimea de ieşire a traductoarelor :

Elementsensibil

AdaptorXi Xo Xe

Traductor

pentru sistemul electronic unificat E, este un semnal electric în gama 2-10 mApentru sistemul electronic nou de automatizare (S.N.A.) (sistemul electronic unificat F) este un semnal electric în gama 4-20 mApentru sistemul unificat pneumatic folosesc ca semnal unificat presiunea de 0.2-1daN/cm2.

Caracteristicile generale ale traductoarelor

La un traductor, mărimea de intrare Xi şi cea de ieşire Xe sunt de natură fizică diferită, însă sunt legate între ele printr-o relaţie generală de dependenţă de forma:

Xe = f(Xi) (5.1)

Relaţia de dependenţă poate fi o funcţie liniară sau neliniară, cu variaţii continue sau discontinue.

Performanţele traductoarelor pot fi apreciate pe baza următoarelor caracteristici:

natura fizică a mărimilor şi de ieşire de intrare (presiune, debit, tempe-ratură, deplasare etc., respectiv rezistenţă electrică, curent, tensiune etc.);

puterea consumată la intrare şi cea transmisă elementului următor (de sarcină); de obicei, puterea de intrare este relativ mică (câţiva waţi, miliwaţi sau chiar mai puţin), astfel încât elementul următor în schema de automatizare este aproape totdeauna un amplificator;

caracteristica statică a traductorului - este reprezentarea grafică a relaţiei generale de dependenţă dintre mărimea obţinută la ieşirea traductorului şi mărimea aplicată la intrarea sa; este prezentată în figura de mai jos:

Xe min

Xe max

α

Xe

Xi min

Xi max

X i

liniaritatea - se referă la aspectul caracteristicii statice a elementelor şi, această caracteristică nu trebuie să prezinte curburi şi histerezis pe tot domeniul de variaţie al mărimilor de intrare şi ieşire.

sensibilitatea absolută sau panta Ka - este raportul dintre variaţia mărimii de ieşire şi a mărimii de intrare:

(5.2)

sensibilitatea - reprezintă limita raportului dintre variaţia infinit mică a mărimii de ieşire şi cea de intrare, când ultima tinde spre zero, adică:

(5.3)

Observaţie:

- este necesar ca această sensibilitate să fie constantă pe tot domeniul de măsură, adică elementul să fie liniar, în caz contrar sensibilitatea putându-se defini în jurul oricărui punct de funcţionare;

- în mod normal, elementele de măsurat prezintă un anumit prag de sensibilitate, adică o valoare limită Xi sub care nu mai apare o mărime măsurabilă la ieşire.

panta medie (Km) - se obţine echivalând caracteristica statică cu o dreaptă având coeficientul unghiular:

Km = tg α ≈ Ka (5.4)

domeniul de măsurare - definit de pragurile superioare de sensibilitate Xi max

şi Xe max şi de cele inferioare Xi min şi Xe min; reprezintă intervalul în care variază mărimea de intrare şi în care traductorul are precizia cerută.

precizia – definită în funcţie de eroarea relativă a traductorului, exprimată în procente:

(5.5)

rapiditatea sau timpul de răspuns - reprezintă intervalul de timp în care un semnal aplicat la intrare se va resimţi la ieşirea elementului; acest timp poate fi oricât de mic, dar niciodată nul, putând fi asimilat cu inerţia.

fineţea sau gradul de fineţe - se caracterizează prin cantitatea de energie absorbită de traductor din mediul de măsură, recomandându-se să fie cât mai mică pentru a nu influenţa desfăşurarea procesului; alegerea traductorului se va face în funcţie de parametrul reglat, în funcţie de mediul de măsură, în funcţie de tipul semnalului: continuu, electric sau neelectric, discontinuu, ş.a.

comportarea dinamică - caracteristică ce se referă la capacitatea elementului traductor de a reproduce cât mai exact şi fără întârziere variaţiile mărimii măsurate.

reproductibilitatea - reprezintă proprietatea elementelor de a-şi menţine neschimbate caracteristicile statice şi dinamice pe o perioadă cât mai lungă de timp, în anumite condiţii de mediu admisibile.

CLASIFICAREA TRADUCTOARELOR

după natura mărimii de intrare

traductoare de mărime

mărimi neelectrice

temperatură

debit

presiune

nivel

umiditate

viteză etc.

mărimi electrice

tensiune

curent

rezistenţă

frecvenţă etc.

traductoare de calitate (caracteristici ale compoziţiei corpurilor)

gazoanalizoare

traductoare de pH

spectrografe etc.

după natura mărimii de ieşire

traductoare parametrice (transformă o mărime neelectrică într-un parametru de circuit electric)

rezistive

inductive

capacitive

fotoelectrice etc.

traductoare generatoare (transformă o mărime neelectrică într-o forţă electromotoare)

de inducţie

sincrone

piezoelectrice

termoelectrice etc.

TRADUCTOARE PARAMETRICE

Mărimi fizice de bază

Mărimi fizice derivate Elemente sensibile tipice

Deplasare

- deplasare liniară;- deplasare unghiulară- lungime (dimensiuni geometrice);- grosime;- straturi de acoperire;- nivel- deformaţie (indirect forţă, presiune sau cuplu); - altitudine.

- rezistive;- inductive;- fotoelectrice;- electrodinamice (de inducţie, selsine, inductosine).

Viteză- viteză liniară;- viteză unghiulară; - debit.

- electrodinamice (de inducţie);- fotoelectrice.

Forţă

- efort unitar;- greutate- acceleraţie (vibraţie); - cuplu;- presiune (absolută, relativă, vacuum, nivel, debit); - vâscozitate.

- termorezistive;- termistoare;- rezistive;- inductive;- capacitive;- piezorezistive;- magnetorezistive.

Temperatură

- temperatură ( pentru solide, fluide, de suprafaţă);- căldură (flux, energie);- conductibilitate termică.

- termorezistenţe;- termistoare;- termocupluri.

Masă - debit de masă- complexe (dilatare+deplasare)

Concentraţie

- densitate;- componente în amestecuri de gaze;- ioni de hidrogen în soluţii.

- idem ca la forţă;- termorezistive; - electrochimice;- conductometrice.

Radiaţie

- umiditate;- luminoasă;- termică;- nucleară.

- fotoelectrice;- detectoare în infraroşu;- elemente sensibile bazate pe ionizare.

TRADUCTOARE GENERATOARE

Mărimea fizică de măsurat

Efectul utilizat Mărimea de ieşire

TemperaturaTermoelectricitate Tensiune

Piroelectricitate Sarcina

Flux deradiaţie optică

Foto-emisie Curent

Efect fotovoltaic Tensiune

Efect foto-electric Tensiune

Forţa Piezo-electricitate Sarcina electrică

Presiune Piezo-electricitate Sarcina electrică

Acceleraţie Piezo-electricitate Sarcina electrică

Viteza Inducţie electromagnetică Tensiune

Poziţie (Magnet) Efect Hall Tensiune

Tema 6. Tipuri de traductoare

Fişa suport 6.1. Traductoare de poziţie şi deplasare

sunt utilizate frecvent

transformă o deplasare liniară sau unghiulară într-o variaţie a unui parametru al unui element pasiv de circuit electric (rezistenţă electrică, capacitate electrică, inductanţă magnetică)

cele mai simple traductoare de deplasare sunt :

rezistive - transformă o deplasare liniară sau unghiulară într-o variaţie a rezistenţei unui reostat sau a unui potenţiometru

capacitive - transformă o deplasare liniară sau unghiulară într-o variaţie a capacităţii electrice a unui condensator

inductive - transformă o deplasare liniară sau unghiulară într-o variaţie a inductanţei unui circuit magnetic

variaţiile parametrilor de circuit sunt măsurate prin determinarea curentului absorbit sau a tensiunii electrice corespunzătoare

pentru măsurarea deplasărilor se utilizează o serie de traductoare cum ar fi: traductoarele rezistive (potenţiometrice), inductive, capacitive, selsinele, traductoare piezoelectrice, cu radiaţii, numerice, de proximitate, ş.a.

I) Traductoare rezistive de deplasare

I.1.deplasare liniară:

Principiul de funcţionare a traductorului rezistiv de deplasare liniară este ilustrat în figura de mai jos:

După cum se cunoaşte, variaţia rezistenţei e dată de relaţia :

(6.1.1)

unde: – rezistivitatea electrică; l – lungimea conductorului; S – secţiunea conductorului. Modificând lungimea conductorului, practic se va modifica rezistenţa electrică R.

Traductorul rezistiv de deplasare are următoarele caracteristici:

diametrul minim al conductorului: 0,05 mm viteza maximă a cursorului: 1 m/s deplasări măsurate: de ordinul centimetrilor numărul maxim de utilizări: aproximativ 106.

pistă de contact: plasată de-a lungul traiectoriei pe care se determină deplasarea

cursor:solidar cu subansamblul mobil a cărui deplasare se măsoară

înfăşurare din conductor de crom (sau nichel-cupru ori nichel-crom-fier, cu rezistivitate mare)

bobinat spiră lângă spiră

suport izolator

Schema electrică prin care este ilustrat principiul de funcţionare a traductorului de deplasare, cunoscând că variaţia rezistenţei este măsurată prin căderea de tensiune între capătul A şi cursor:

Rezistenţa Rx a spirelor dintre capătul A şi cursor este proporţională cu deplasarea liniară x :

(6.1.2)

I.2.deplasare unghiulară:

Pentru deplasări unghiulare se utilizează un potenţiometru de formă circulară, obţinut prin bobinarea pe un suport izolant circular a unui fir rezistiv peste care alunecă un cursor, conform figura următoare:

Rezistenţa la ieşirea potenţiometrului şi tensiunea de ieşire când acesta este alimentat la o tensiune continuă stabilizată, depind numai de unghiul α după relaţia:

xmax

x

RR

şi (6.1.3)

II) Traductoare inductive de deplasare

Pentru cazul deplasărilor liniare mici (sub 2 mm), uzual se folosesc traductoare

inductive cu întrefier variabil (cu armătură mobilă). Circuitul magnetic se realizează dintr-o ,,oală,, de permaloy şi o armătură mobilă de care este fixată o tijă. Prin modificarea distanţei x dintre armătura mobilă şi armătura fixă, se modifică practic inductanţa bobunei

Pentru cazul deplasărilor mai mari de 2 mm în mod obişnuit se utilizează traductoare inductive diferenţiale cunoscute şi sub denumirea de transformatoare diferenţiale.

În cazul unor deplasări între 2 mm şi 4 mm se utilizează traductorul inductiv diferenţial cu întrefier variabil

Pentru deplasări de ordinul centimetrilor se utilizează traductoare inductive diferenţiale, cu miez magnetic mobil. Acestea se realizează constructiv prin bobinarea a două înfăşurări primare şi două secundare identice pe cele două carcase izolante ce se montează pe un tub din material nemagnetic (plastic, textolit, alamă ş.a.) în interiorul căruia se poate deplasa liber un miez magnetic ce se execută obişnuit din fier moale. Practic reprezintă două transformatoare identice montate pe aceeaşi carcasă.

Principiul de funcţionare a traductorului inductiv de deplasare este ilustrat în figurile de mai jos:

Traductor inductiv cu armătură mobilă Traductor inductiv cu(pentru deplasări mici, de ordinul miez mobil

zecimilor de milimetru) (pentru deplasări mari)

Componentele mobile ale traductoarelor inductive (armătura şi respectiv miezul) sunt solidare cu subansamblul a cărui deplasare trebuie determinată.

armătură mobilă

armătură

fixă

solenoid (alimentat în

c.a.)

bobină cilindrică

miez magnetic mobil

Modificarea poziţiei acestora înseamnă – într-un circuit magnetic – modificarea inductivităţii, deci a curentului absorbit de solenoid, respectiv de bobina cilindrică. Deci, curentul indicat de ampermetru este direct proporţional cu deplasarea.

Pentru reducerea perturbaţiilor de natură electromagnetică, întreg ansamblul se ecranează.

III) Traductoare capacitive de deplasare

Principiul de funcţionare a unui traductor capacitiv de deplasare poate fi înţeles pornind de la relaţia de calcul a unui condensator,

(6.1.4)

relaţie din care rezultă că se deosebesc trei categorii de astfel de traductoare:

Un traductor cu dielectric variabil are distanţa dintre armături fixă, iar dielectricul este mobil, putându-se deplasa după una dintre axele Ox sau Oy.

Dacă dielectricul se deplasează după axa Ox, capacitatea traductorului este echivalentă conectării în paralel a două condensatoare cu dielectrici diferiţi: unul cu permitivitatea electrică absolută ε0 şi celălalt cu permitivitatea electrică absolută ε.

Dacă dielectricul se deplasează după axa Oy, capacitatea traductorului este echivalentă conectării în serie a două condensatoare cu dielectrici diferiţi: unul cu permitivitatea electrică absolută ε0 şi celălalt cu permitivitatea electrică absolută ε.

d

SC

.

x

S

ε

ε0d

+

–

x

εε0

d

–

S +

x

S

ε0d

+

–

x

S

ε0

+

–

traductoare cu suprafaţă variabilă

traductoare cu distanţă variabilă

traductoare cu dielectric variabilsau

dS

C

Un traductor cu suprafaţă variabilă are distanţa dintre armături fixă şi suprafaţa armăturilor, de asmenea, fixă. Ceea ce variază este însă, suprafaţa pe care, cele două armături se suprapun (sunt “drept în drept”).

La traductoarele cu distanţă variabilă, distanţa dintre armături variază cu deplasarea, iar suprafaţa armăturilor şi dielectricul sunt aceleaşi.

Pentru deplasări mici, se utilizează traductoare capacitive la care se modifică distanţa dintre armături, armătura 1 fiind suspendată elastic şi se poate deplasa paralel cu ea însăşi sub acţiunea forţei F (a deplasării). Armătura 2 este fixă şi izolată electric faţă de suport.

Sensibilitatea traductoarelor e dată de: (6.1.5)

Pentru măsurarea unor unghiuri se utilizează traductorul capacitiv reprezentat schematic în figura următoare, la care se modifică practic suprafaţa de suprapunere a armăturilor, una fiind fixă - 1, cealaltă - 2 putându-se roti prin fixarea acesteia pe axul 3.

În funcţie de unghiul de rotire α a armăturii mobile se va modifica suprafaţa de suprapunere dintre cele două armături, valoarea capacităţii fiind dată de:

(6.1.6)

rezultă sensibilitatea:

Pentru cazul unor deplasări liniare se utilizează: traductoare cu armături dreptunghiulare şi cilindrice.

Pentru traductorul cu armături dreptunghiulare (1–fixă, 2– mobilă) - figura de mai jos - capacitatea este dată de relaţia:

Fig. 2.16.

1

2

b

d

l

l1

Fig. 2.15.

]pF[d

bl089.0C 1

r

, iar (6.1.7)

Pentru traductorul cu armături cilindrice din figura următoare (1–fixă, 2–mobilă), capacitatea depinde de deplasarea axială a cilindrului interior, fiind:

, iar (6.1.8)

unde r1, r2 sunt razele cilindrului interior, respectiv exterior.

Există şi variante de traductoare capacitive la care se modifică dielectricul (nu în sensul modificării poziţiei dielectricului faţă de cele două armături).

Toate traductoarele capacitive funcţionează în curent alternativ la frecvenţa de cel puţin 1 kHz.

Traductoarele capacitive prezintă o foarte bună sensibilitate fiind utilizate frecvent pentru măsurări de deplasări rapide (metoda compensării).

Datorită faptului că în mare măsură capacitatea traductorului depinde de dimensiunile geometrice ale armăturilor, care pot varia cu temperatura mediului, ducând la erori importante, pentru înlăturarea acestui inconvenient, armăturile se confecţionează dintr-un material special numit invar.

De asemenea se utilizează şi prin montarea în punte a două traductoare identice, numai unul dintre traductoare fiind acţionat de mărimea neelectrică măsurată sau controlată.


Fişa suport 6.2. Traductoare de forţă şi cupluri

r2r1

xFig. 2.17

r2

r1 x

Pentru măsurarea forţei se pot folosi fie traductoare specifice, fie traductoare de deplasare care captează forţa şi o transformă într-o deplasare.

Traductoarele de forţă şi cupluri sunt traductoare elastice care se bazează pe modificarea reversibilă a formei unei structuri de bază (bară, inel) sub acţiunea forţei aplicate: măsurând lungirea sau contracţia structurii respective, se obţin informaţii despre mărimea forţei care a determinat-o.

Lordul Kelvin a descoperit că (în 1856), odată cu modificările de natură

mecanică (lungime l, secţiune S sau rezistivitate electrică ) ale unui corp metalic sau semiconductor supus unei forţe, are loc şi o modificare a rezistivităţii acestuia – efectul tensorezistiv.

Aplicaţiile industriale ale efectului tensometric îşi fac apariţia mult mai târziu, abia prin anul 1920.

Se utilizează timbrele tensorezistive, realizate dintr-un fir conductor în zig-zag sau o folie conductoare foarte subţire ce se depune pe un suport izolator şi se lipeşte pe piesa solicitată. Suportul izolator şi adezivul pentru lipire sunt materiale elastice şi foarte durabile.

Schema de principiu:

Timbrele tensometrice se utilizează

cunoscându-se caracteristica de transfer.

Pentru un timbru metalic, această caracteristică

se reprezintă ca în figură :

suport izolator

fir (folie)

terminal

Δl (F)

ΔR

un timbru tensometric are rezistenţa nominală între 100 şi 500 Ω şi poate măsura deformaţii de la câţiva milimetri până la câţiva centimetri

materialele conductoare utilizate la realizarea timbrelor tensometrice sunt aliaje de nichel-crom (nichrom), nichel-crom-cupru-fier (karma), platină-wolfram, nichel-cupru (constantan)

timbrele tensometrice semiconductoare au sensibilitatea mult mai mare decât cele metalice, însă sunt neliniare (dependenţa rezistivitate–forţă nu este o ecuaţie de gradul I)

referitor la influenţa temperaturii, se produc concomitent trei fenomene: dilatarea piesei, dilatarea firului traductorului şi modificarea rezistenţei acestuia. Alegând convenabil materialele, devine posibilă compensarea acestor efecte (realizare dificilă în practică) prin compensarea erorilor cu temperatura, utilizând montaje diferenţiale sau montaje compensate termic.

Traductoare de forţă cu măsurarea deplasării

Aceste tipuri de traductoare prezintă o complexitate ridicată, funcţionând pe principiul transformări succesive a mărimilor, prin transformarea forţei F într-o deplasare l cu ajutorul unui traductor elastic, deplasare care, la rândul său este măsurată cu un traductor electric.

Notând u - tensiunea la ieşirea circuitului de măsurare putem scrie:

(6.2.1)

unde u/l reprezintă funcţia de transfer a traductorului electric cu circuitul său de măsurare.

După cum s-a arătat, traductoarele electrice de deplasare pot fi rezistive, capacitive sau inductive, ultimele având o utilizare mai frecventă .

Principial, în figură se prezintă un traductor inductiv diferenţial de tip transformator cu următoarele elemente : 1 - tijă; 2 - arcuri spirale; 3 - înfăşurări; 4 - distanţier; 5 - miez magnetic.

Traductoarele de elastice utilizate (arcuri spirale, inele dinamometrice, console) prezintă deformaţii mari pentru sarcini mici şi sunt prevăzute cu opritoare (limitatoare) de deplasare mecanică pentru a nu se deteriora la suprasarcini accidentale.

123

4

532

2

4

31

Miezul magnetic plasat pe axa tijei mobile asupra căreia acţionează forţa F, se poziţionează în raport cu înfăşurările traductorului cu ajutorul celor două arcuri cu sensul de înfăşurare opus, în scopul compensării erorilor de temperatură.

Tensiunea de ieşire nominală poate fi de ordinul 1V la tensiuni de alimentare de câţiva volţi, frecvenţa de lucru atinge ordinul kilohertzilor, iar domeniul de măsurare al acestor traductoare este de circa ±1 daN pentru deplasări de ±0,5 mm.

În cazul traductorului de cuplu asociat cu traductorul inductiv diferenţial, prezentat în figura alăturată, pe arborele - 1 cu diametrele diferite D şi d, sunt plasate la o distanţă l faţă de suprafaţa de separare a secţiunilor, bobinele - 2 şi circuitul magnetic - 3.

Solidar cu secţiunea de diametru mai mare a arborelui se fixează o armătură mobilă - 4, a cărui poziţie este perfect simetrică în raport cu bobinele, dacă nu apare un cuplu.

Când arborele este supus unui cuplu va avea loc o deplasare a armăturii mobile datorită deformării acestuia, modificându-se cele două inductivităţi ale bobinelor.

Trebuie precizat faptul că dacă apare şi un cuplu de încovoiere, acesta nu influenţează măsurătorile.

Traductoare optoelectronice de cuplu

funcţionează pe principiul schemei prezentate în figura de mai jos ; pe arbore sunt plasate, la o anumită distanţă d, două discuri perforate cu fante

transparente şi opace. În practică există două posibilităţi de măsurare:

1 - Cu modulaţie de amplitudine, caz în care sursa de lumină S şi fotodetectorul FD sunt plasate în afara sistemului

Discuri cu fante

deoarece zonele transparente aferente celor două discuri sunt plasate decalat cu 1/4 din perioada geometrică, va rezulta, în absenţa cuplului dacă arborele se roteşte, o succesiune de impulsuri cu durata de 1/4 din perioadă.

La apariţia unui cuplu, datorită răsucirii arborelui, se produce o modificare a poziţiei relative a planelor celor două discuri şi implicit a lăţimii impulsurilor, mărimea măsurată fiind dată ca o valoare medie a semnalului de la ieşirea fotodetectorului FD.

Datorită faptului că fluxul luminos al sursei nu este constant (la becuri cu incandescenţă fiind proporţional cu puterea a cincea a tensiunii de alimentare) este necesară calibrarea în amplitudine a impulsurilor la fotodetector.

2 - Cu modulaţie de fază, caz în care sursa S se plasează între cele două fotodetectoare FD1 şi FD2 aşezate de o parte şi de alta a discurilor.

În cazul rotirii arborelui şi transmiterii cuplului prin acesta, datorită modificării poziţiei relative a celor două discuri, va apărea un defazaj suplimentar între semnalele produse de cele două fotodetectoare, defazaj care este proporţional cu cuplul transmis.

Este necesară precizarea că traductoarele bazate pe metode optice se pot utiliza numai în regim dinamic (arborele este în rotaţie) şi, spre deosebire de metodele prezentate anterior nu necesită contact între arbore şi partea de măsurare.

În cazul traductoarelor de cuplu cu timbre tensometrice sau traductoare inductive, la rotirea arborelui, este necesară realizarea unor legături electrice între circuitele de măsurare şi traductoare, care în principiu pot fi cu contact sau fără contact.

Pentru realizarea legăturilor electrice cu contact este necesară utilizarea unor inele şi perii colectoare sau contacte în baie de mercur. Rezistenţa de contact a acestora este variabilă şi depinde de oscilaţiile vitezei, asperitatea suprafeţei de contact şi a vibraţiilor, variaţie cu valori de 5 ÷ 50 m pentru inele, perii şi de 0,25 m pentru contacte în baie de mercur.

În cazul unor materiale de natură diferită ce intră în contact pot să apară şi tensiuni termoelectromotoare, din cauza creşterii temperaturii locale şi a frecării, fenomene ce duc în acelaşi timp la reducerea timpului de viaţă şi la limitarea vitezei maxime de rotaţie. Se consideră că viteza liniară maximă la nivel de contact este de circa 25 m/s, la viteze mai mari fiind necesare dispozitive suplimentare pentru răcire.


Fişa suport 6.3. Traductoare de presiune

Presiunea reprezintă un parametru de bază pentru majoritatea proceselor tehnologice în care se folosesc fluide şi se defineşte prin relaţia:

[raport dintre forţă F şi suprafaţă S] (6.3.1)

Presiunea poate fi : absolută , atunci când se măsoară în raport cu vidul

absolut, relativă sau efectivă, dacă măsurarea se face ca o

diferenţă faţă de presiunea atmosferică, diferenţială , atunci când măsurarea se face în raport cu o

presiune considerată ca referinţă.

Unitatea de măsură a presiunii :pascalul (1 Pa = 1 N/m2), în tehnică se preferă barul (1 bar = 103 Pa), unităţi derivate:

atmosfera fizică (1 atm reprezintă presiunea hidrostatică echivalentă a unei coloane de mercur cu densitatea de 13,595 g/cm3, cu înălţimea de 760 mm, la acceleraţia gravitaţională g = 980,666 cm/s2);

mm coloană de mercur (1 mm Hg = 1 torr – presiunea hidro-statică a unei coloane de mercur cu înălţimea de 1 mm, în condiţiile anterioare;

mm coloană apă (1 mm H2O reprezintă presiunea hidro-statică echivalentă unei coloane de apă cu înălţimea de 1 mm).

Presiunea normală, luată ca referinţă în tehnică – presiunea exercitată de o coloană de mercur cu înălţimea de 735,56 mm (echivalentul unei atmosfere tehnice) – diferă de presiunea atmosferică normală, care corespunde presiunii hidrostatice echivalente unei coloane de mercur cu înălţimea de 760 mm la 00 C şi g = 980,666 cm/s2.

Domeniul presiunilor din tehnică este deosebit de vast, metodele de măsurare fiind specifice doar pentru anumite intervale

Deoarece presiunea p se defineşte pe baza forţei, rezultă că metodele de măsurare sunt asemănătoare cu cele pentru măsurarea forţelor.

Principiul de funcţionare al traductoarelor de presiune (elementele sensibile ale acestora) constă în general, în convertirea unei presiuni într-o deplasare liniară care, la rândul său este convertită într-o variaţie de tensiune cu ajutorul unui montaj potenţiometric.

În funcţie de domeniul presiunilor de măsurat, elementele sensibile ale acestor traductoare diferă.

Elementele sensibile pot fi:

Membrane

a – plană

b – gofrată triunghiular

c – gofrată sinusoidal

d – gofrată trapezoidal

Tuburi

a – silfon

b – tub Bourdon (1 – oval;

2 – eliptic; 3 – în D)

Pistoane

cu resort

Caracteristici :

membranele gofrate sunt mai dificil de realizat, dar sunt mai sensibile

se poate considera că o membrană gofrată amplifică efectul obţinut cu o membrană plană, de atâtea ori, câte onduleuri are

a)

b)

c)

d)

a)

b)

1)

2)

3)

la pistonul cu resort, forţa elastică a acestuia, echilibrează presiunea de măsurat

silfoanele şi tuburile fac parte din aceeaşi categorie de elemente sensibile

burdufurile metalice ondulate (silfoane), realizate dintr-un material elastic cunoscut tehnic sub denumirea de tombac sau din oţel obişnuit, au proprietatea

de a-şi modifica dimensiunile sub acţiunea unei presiuni, fiind reprezentate în două variante posibile

În cazul în care e necesară măsurarea unei presiuni absolute sau diferenţiale, se utilizează baterii de burdufuri montate în opoziţie

Camerele cu membrană, cunoscute şi sub denumirea de membrane gofrate, se execută în general dintr-un aliaj de bronz şi beriliu sau din oţeluri inoxidabile.

Funcţionarea membranei este similară cu cea a burdufului ondulat, adică sub acţiunea unei presiuni se va produce deformarea acesteia, ceea ce duce la convertirea unei presiuni într-o variaţie de deplasare liniară.

Tuburile Bourdon se execută în general din alamă arcuită, cunoscută sub numele de “tombac”, sub forma unui tub cu secţiune ovală, eliptică sau semisferă (a, b, c), cu un capăt rigid la care se aplică presiunea de măsurat. Celălalt capăt (liber) se va deforma sub acţiunea presiunii, realizând fie o deplasare liniară, fie una unghiulară (cazul manometrelor), putând fi prevăzute cu contacte electrice de minim şi maxim (cazul presostatelor).

Sensibilitatea maximă a tuburilor Bourdon se obţine pentru cele cu secţiunea semisferică.

Traductoarele de presiune prezentate au o sensibilitate relativ redusă, precizia lor fiind influenţată de vibraţii şi şocuri, temperatură, umiditate existenţa derivei de zero etc.

Durata de viaţă a acestor traductoare este influenţată de ciclurile de funcţionare şi suprasarcinile la care sunt supuse, fiind totuşi traductoarele de presiune cele mai utilizate.

p c

c p

a.b.

Silfoane

pc

Membrană Tub Bourdon

p

a.

b.c.

Oţelinoxidabil

Firrezistiv

Presiune

Traductor de presiune special

Pentru cazul presiunilor foarte mari (sute sau mii de daN/cm2) se folosesc traductoare de presiune speciale, una din variante fiind reprezentată principial în figura de mai sus.

Elementul sensibil este executat de obicei din oţel inoxidabil care, sub acţiunea unei presiuni este supus unei dilatări. Acest lucru va duce la variaţia lungimii unui fir rezistiv bobinat, adică la variaţia rezistenţei electrice a acestuia.

Cu ajutorul unui montaj potenţiometric sau cu o punte de măsură, variaţiile de

presiune sunt preluate sub forma unor semnale de tensiune electrică.

Pentru măsurarea subpresiunilor se utilizează :

vacuumetre Pirani,

traductoare de vacuum cu ionizare cu catod cald sau rece (Penning),

traductoare cu ionizare prin radiaţii (alfatron) şi traductoarele de tip magnetron.

Alte exemple de traductoare de presiune:

Timpanul - este un traductor de presiune acustică

undele sonore sunt caracterizate prin presiune şi viteză: pentru procesele tehnologice în care intervin aceste unde, foarte importantă este presiunea, deoarece viteza particulelor, fiind foarte mică, este dificil de determinat

în cazul urechii, vibraţiile sonore sunt “culese” de pavilionul urechii; undele intră în conductul auditiv şi ajung la timpan; acesta începe să vibreze şi informaţia este transformată (prin componentele anatomice ale urechii) în impulsuri electrice care sunt transmise la creier; se poate spune că timpanul este un traductor de presiune

Microfonul - în figura următoare sunt reprezentate schema de principiu şi componentele unui microfon cu rolul lor funcţional :

capilar: prin acesta, cavitatea şi exteriorul comunică pentru a elimina influenţa variaţiilor de presiune ale

mediului ambiant

membrană: preia presiunea acustică şi o transformă într-

o deplasare care se transmite unui traductor

carcasă

cavitate închisă (capsula microfonului)

spre traductorul electric

Traductoare piezoelectrice – sunt traductoare de presiune bazate pe fenomenul piezoelectric

fraţii Curie au descoperit fenomenul piezoelectric; astfel, cristalele de cuarţ (SiO2) presate pe două feţe opuse produc între alte două feţe opuse, o tensiune proporţională cu presiunea exercitată

proprietăţi piezoelectrice mai au şi turmalina, oxidul de zinc, titanatul de bariu şi altele

cristalele de cuarţ sunt folosite la ceasurile electronice de mână şi de precizie, a căror eroare în măsurarea timpului este foarte mică, de câteva zecimi de secundă într-o mie de ani

Traductoare de presiune relativă, absolută sau diferenţială : Cu următoarele caracteristici :

clase de precizie: ± 1%; ± 0,5%; ± 0,25% ; ± 0,1% semnale de ieşire: 2 fire (4…20 mA) sau 3 fire (0...20 mA; 0…5 V ; 0…10 V)


Fişa suport 6.4. Traductoare de nivel

Măsurarea nivelului în recipienţi este foarte importantă pentru multe procese tehnologice şi pentru evaluarea stocurilor existente.

În procesul de măsurare a nivelului pot apărea o serie de probleme specifice ca, de exemplu: vase speciale sub presiune sau la temperaturi înalte, prezenţa spumei la suprafaţa exterioară sau a turbulenţelor, corozivitatea substanţelor folosite etc. Aceste probleme se rezolvă prin soluţii constructive adecvate.

Metodele de măsurare a nivelului au la bază măsurarea altor mărimi şi pot fi:

continue când se urmăreşte în permanenţă măsurarea nivelului prin intermediul lungimii coloanei de substanţă

discontinue când se urmăreşte măsurarea nivelului între anumite limite, de obicei minime şi maxime.

directe, caz în care se măsoară lungimea (înălţimea) efectivă a coloanei de substanţă

indirecte dacă nivelul se determină cu ajutorul unor mărimi intermediaare (presiune, masă, parametri ai circuitelor electrice, atenuarea unei radiaţii etc.).

Cele mai simple nivelmetre utilizate sunt:

nivelmetre cu sticle cilindrice sau prismatice ce se montează pe conductă în paralel cu rezervorul (recipientul) al cărui nivel se măsoară

nivelmetre cu plutitor magnetic.

Nivelmetre bazate pe proprietăţile electrice de material

Luând în considerare faptul că materialele al căror nivel se măsoară pot să fie dielectrice sau conductoare, rezultă că metodele de măsurare a nivelului diferă.

Pentru materialele dielectrice se folosesc în mod uzual traductoare de nivel capacitive, prezentate în schema principială din figura de mai jos.

In vasul metalic – 1, în care se găseşte lichidul – 2, se plasează un electrod metalic - 3 care, în unele cazuri este izolat cu teflon - 4.

Dacă vom nota cu h înălţimea vasului şi cu y înălţimea lichidului, între electrodul central şi vas vom avea capacitatea totală dată de:

(6.4.1)

unde C0 reprezintă capacitatea totală a ansamblului, fără lichid.

Această metodă poate fi aplicată în cazul lichidelor sau pulberilor dielectrice dacă εr > 2, variaţia de capacitate fiind de 10 – 100 pF.

Sursa principală de erori în acest caz, o constituie modificarea permitivităţii dielectrice cu temperatura, deficienţă ce poate fi înlăturată prin utilizarea de metode de compensare adecvate.

C1234 C C h y

4

h

13

2x

1

A

3

4

5

6 7

8

2

Detaliu “A”

Spre rezervor Spre aparatulmăsură

2

Pentru cazul materialelor conductoare, cu o conductibilitate σ > 10-2 S/m, se pot folosi nivelmetre rezistive, principiul funcţional al acestora fiind prezentat în figura de mai jos. Astfel, în vasul – 1 ce conţine lichidul – 2, se plasează rezistorul R .

Lichidul conductor va şunta o porţiune a rezistorului R astfel că rezistenţa totală din circuit va fi:

(6.4.2)

unde r(y) reprezintă rezistenţa ehivalentă a lichidului.

Principalul dezavantaj al acestor dispozitive derivă din faptul că temperatura şi natura lichidului influenţează conductibiliatea σ, fenomen ce poate fi ameliorat utilizând un nivelmetru cu rezistor cu bandă elastică, cu schema de principiu din figura următoare, în care rezistenţa bobinată - 1 se introduce într-o bandă elastică bună conductoare – 2 ce se va deforma sub acţiunea presiunii lichidului – 3.

Metodele descrise pot măsura nivele până la 1-2m, cu precizii relativ bune.

Industrial se utilizează teleindicatorul de nivel cu traductor rezistiv tip TNTR – 2, care este un dispozitiv ce permite transmiterea la distanţă a nivelului lichidelor corosive şi necorosive, neinflamabile, bune conducătoare de electricitate, depozitate în rezervoare.

1 23

2

1

2

R

Ansamblul dispozitivului este prezentat în figura de mai sus, unde: 1– scripete; 2 – detaliu de fixare; 3 – cablu de susţinere; 4 – rezistenţe; 5 – lanţ de rezistenţe (traductor rezistiv); 6 – greutate; 7 – tijă împământare; 8 – teleindicator.

Domeniul de măsurare al dispozitivului este de 1,5 – 10 m, în trepte normalizate de 0,5 m, iar numărul de nivele intermediare total, indiferent de lungimea traductorului este de 40, scala fiind gradată în 40 de diviziuni de la 0% la 100%.

Când nivelul de lichid este sub minim, rezistenţa dintre lanţul traductor şi elementul de referinţă este infinită.

Astfel, în circuitul traductorului intervine doar rezistenţa ce realizează pasul de zero, circuitul de măsurare având un curent de 2 mA ce se reglează cu un potenţiometru de pe aparat.

Scala aparatului este etalonată astfel ca la indicaţia 0% să corespundă 2 mA, iar la 100% să corespundă 10 mA.

Distanţa dintre traductor şi aparatul indicator nu poate depăşi 10 m, deoarece în circuitul traductorului, curentul alternativ foarte mic (16 mA) este influenţat de perturbaţiile externe.

Pentru a nu influenţa măsurătorile, conductorul de legătură traductor – aparat trebuie să aibă o rezistenţă electrică sub 30 ohmi.

In serie cu teleindicatorul se poate monta un aparat auxiliar (mA) dacă e necesară o teleindicare mai mare de 10 m.

Deoarece în circuitul de indicare se lucrează cu curent continuu, influenţa perturbaţiilor fiind mai mică, distanţa de teleindicare este impusă de rezistenţa maximă a liniei de transmisie ce nu trebuie să depăşească 500 ohmi.

Nivelmetre bazate pe foţa arhimedică

Funcţionarea acestor traductoare fiind bazată pe forţa arhimedică, pot fi utilizate numai pentru lichide;

Se construiesc în variantele :

Traductoare cu plutitor

Traductoare cu imersor

Traductorul de nivel cu plutitor

Schemă de principiu, construcţie şi funcţionare:

G

x

tambur: poziţia sa relativă dă

indicaţii despre nivelul lichidului contragreutate:

echilibrează mişcarea plutitorului

plutitor: se află permanent pe suprafaţa

lichidului

La utilizarea traductorului cu plutitor nu este necesară cunoaşterea densităţii lichidului.

Acest tip de traductor poate fi utilizat şi la măsurarea nivelului unor pulberi sau granule, urmărindu-se tensiunea din firul de suspendare şi prin dispozitive speciale, mentinând constantă această tensiune.

În cazul substanţelor sub formă de pulbere sau granule, determinarea nivelului are drept scop determinarea masei de substanţă: pentru aceasta se recurge la cântărirea recipientului cu tot conţinutul său. Masa de substanţă este egală cu diferenţa dintre masa măsurată şi masa recipientului.

Traductorul de nivel cu imersor

Schemă de principiu, construcţie şi funcţionare:

Funcţionează strict pe baza forţei arhimedice

Pentru traductorul cu imersor, este necesar să se ştie valoarea densităţii lichidului.

La echilibru se poate scrie:

Se poate adapta foarte uşor la un traductor de tipul balanţă de forţe, metoda fiind aplicabilă dacă se cunoaşte densitatea lichidului, principalele erori

resort: forţa sa elastică şi forţa arhimedică

sunt echilibrate de greutatea imersorului

imersor: parţial introdus în lichid şi suspendat de resort, îşi modifică poziţia în funcţie de

nivelul lichidului

G

x

Fa

Fe

fiind date de dependenţa de temperatură a densităţii, aceste erori putând fi compensate.

Nivelmetre cu radiaţii

Metodele de măsurare a nivelului cu ajutorul radiaţiilor sunt foarte avantajoase pe motivul că nu există un contact între material şi dispozitivul de măsurare.

Aceste metode se pot folosi la măsurarea nivelului în buncărele de alimentare din metalurgie, în condiţii speciale ca: recipiente sub presiune la temperaturi ridicate, medii deosebit de corozive sau toxice, medii inflamabile etc.

În funcţie de natura radiaţiilor, nivelmetrele pot fi :

cu ultrasunete,

cu microunde

cu radiaţii nucleare.

Traductoare de nivel cu ultrasunete

Sunt realizate în variantele :

cu undă continuă (dacă traductorul cu ultrasunete funţionează continuu)

în impuls.

Ambele variante pot folosi :

metoda prin transmisie, când în mod obligatoriu se folosesc două traductoare,

metoda prin reflexie, caz în care acelaşi traductor îndeplineşte atât rolul de emiţător cât şi de receptor.

In practică, deoarece determinarea nivelului se face cu ajutorul vitezei de propagare a ultrasunetelor ce depinde de temperatură, e necesar să se prevadă circuite de corecţie a acesteia în funcţie de temperatură cu ajutorul unor convertoare tensiune – frecvenţă.

Domeniul de măsurare al acestor traductoare este între 10 – 30 m, la frecvenţe de lucru între 20 – 40 mHz, cu erori de măsurare sub 1%.

Traductoare de nivel cu microunde

AP SMP

DP A R E OAer

Lichid

Funcţionează pe principiul reflexiei microundelor de către materialele conductoare şi atenuării acestora de către materialele dielectrice.

În cazul unor condiţii speciale (temperaturi ridicate, medii corozive, periculoase etc.) măsurarea nivelului se efectuează fără a interveni asupra recipientului – adică fără contact – apelând la ultrasunete sau microunde.

Principiul de funcţionare a traductorului de nivel cu microunde este reprezentat în schema următoare:

În cazul materialelor conductoare, emiţătorul de microunde E va transmite cu ajutorul antenei de emisie AE un fascicul de microunde spre lichidul conductor din recipient.

Prin reflexie, acesta este captat de antena de recepţie AR şi transmis receptorului R, timpul de tranzit al impulsului fiind o măsură a distanţei până la suprafaţa de separare, deci timpul între emisia şi recepţia microundelor, respectiv atenuarea acestora, reprezintă o măsură a distanţei până la suprafaţa de separare între lichid şi aer.

Ţinând cont că viteza de propagare este foarte mare (viteza luminii), intervalul de timp măsurat este mic, ceea ce face ca erorile de măsură să nu poată fi reduse sub 1 – 2%.

Nivelmetre cu radiaţii nucleare

Funcţional, se bazează pe principiul de atenuare a radiaţiilor nucleare de către pulberi sau lichide, utilizând de obicei ca substanţe radioactive pe cele generatoare de radiaţii γ ca: 60Co, cu perioada de înjumătăţire de 5,3 ani şi 137Ca, cu perioada de înjumătăţire de 33 ani.

Ca şi traductoarele cu ultrasunete, traductoarele cu radiaţii nucleare pot fi realizate şi în variante de urmărire automată a nivelului, una din schemele principiale putându-se realiza după figura de mai jos :

receptor de microunde

lichid conductor (reflectă microundele) sau dielectric

(atenuează microundele)x

REAE - antenă de emisie

emiţător de microunde

AR - antenă de recepţie

Pe recipientul cu lichid se plasează traductorul emiţător E şi traductorul receptor R, primul fiind comandat de oscilatorul O şi transmiţând un fascicul de ultrasunete prin lichid (cu atenuare mică) sau prin aer (cu atenuare mare).

Semnalul recepţionat de R este amplificat prin A şi se aplică detectorului de prag DP. Cu ajutorul unui amplificator de putere AP şi servomotorului SM se dă comandă de deplasare simultană a celor două traductoare în aşa fel încât acestea să rămână în zona de separare aer – lichid.

Cu precizarea că metoda este avantajoasă în cazul unor recipiente cu acces numai din exterior, dificultăţile constructive fiind legate de realizarea părţii mecanice, trebuie reţinut că ultrasunetele se pot folosi numai în cazul lichidelor, iar radiaţiile nucleare se pot utiliza pentru orice fel de substanţe, în acest caz receptorul fiind un contor de radiaţii, emiţătorul fiind sursa radioactivă.

Traductorul de nivel submersibil tip MPU

Este executat de firma RITTMEYER pentru apa din rezervoare, lacuri, râuri, reprezintă o serie de traductoare alimentate din bucla de semnal unificat 4 – 20 mA.

Nivelul este determinat pe baza presiunii măsurate cu un senzor realizat dintr-un cristal de siliciu care asigură o liniaritate şi stabilitate în timp foarte bune.

Această serie de traductoare este proiectată special pentru măsurarea nivelului în lacuri, bazine, puţuri, fiind destinată hidroenergeticii, instalaţiilor de tratare a apei reziduale etc., cu domeniul de măsură de până la 20 m coloană apă, existând modele asemănătoare pâna la 200 m cu o precizie de măsură de până la 0,015%.

Traductorul de nivel tip RADAR

Varianta ECLIPSE, este realizată cu ghid de undă (GWR), alimentat din buclă

Spre deosebire de traductoarele de nivel cu radar convenţionale, care transmit semnalul electromagnetic în aer liber, traductorul ECLIPSE utilizează pentru semnal un ghid de undă introdus în fluidul de măsurat, reducându-se în acest fel fenomenul de absorbţie, respectiv distorsiunile determinate de natura fluidului şi condiţiile tehnologice (spumă, turbulenţă, vapori, densitate etc.)

Cracteristicile tehnice principale sunt: gama de măsură 610 … 6100 mm (cu sondă rigidă) sau 1 … 15 m (cu sondă flexibilă), precizia 0,1%, respectiv 0,5%

din lungimea sondei, rezoluţia ±2,5 mm, presiunea de lucru, maxim 345 bari, temperatura de operare, maxim 2000C.

Se utilizează pentru măsurarea nivelului lichidelor omogene sau neomogene


Fişa suport 6.5. Traductoare de debit

Măsurarea debitului este o problemă legată de curgerea unui fluid

Ca fenomen, curgerea este caracterizată prin viteză însă, de cele mai multe ori, interesează debitul

Prezenţa unui traductor într-un fluid poate influenţa curgerea acestuia

Debitul poate fi:

volumic Qv = volumul de fluid care trece printr-o secţiune a conductei de curgere, în unitatea de timp

masic Qm = masa de fluid care trece printr-o secţiune a conductei de curgere, în unitatea de timp

Qm = ρ . Qv (6.5.1)

Măsurarea debitului fluidelor se poate realiza ca urmare a modificării regimului de curgere prin intermediul unui corp fizic sau prin intermediul unor fenomene care sunt influenţate de curgere.

Traductorul de debit cel mai simplu se bazează pe faptul că un fluid care curge, poate pune în mişcare de rotaţie un sistem mecanic. Astfel, există înlănţuirea:

densitatea fluidului

curgerea fluidului

traductoare cu cupe

traductoare cu elice

traductor electric de turaţie

măsurarea debitului volumic

Traductorul de debit cu paletă

Este un traductor de debit foarte simplu, care se obţine prin montarea unei palete pe direcţia de curgere a fluidului .

Funcţionare:

Datorită curgerii fluidului, asupra paletei acţionează o forţă care o roteşte în jurul articulaţiei, rotire care este pusă în evidenţă printr-un traductor de deplasare unghiulară; cu cât forţa este mai mare, cu atât unghiul α este mai mare.

Apar următoarele dezavantaje :

măsurarea modifică debitul de curgere a fluidului,

informaţia care se obţine este însoţită de erori.

Aceste dezavantaje pot fi evitate astfel:

De exemplu, sunt numeroase situaţiile în care, în diferite procese tehnologice (industriale) se impune măsurarea debitului de apă. Pentru aceasta, trebuie să cunoaştem că apele industriale sunt bune conducătoare de electricitate; practic, ele sunt un conductor lichid care curge (se deplasează) cu o anumită viteză.

Există astfel, două dintre condiţiile necesare pentru a genera o tensiune electromotoare prin fenomenul de inducţie:

α

v

conductor

deplasare

câmp magnetic

+

+

legea inducţiei

tensiune electromotoare proporţională cu viteza de deplasare

Traductorul electromagnetic de debit

Schema de principiu a unui astfel de traductor este următoarea:

sau

Funcţionare:

Aceste debitmetre sunt utilizate pentru măsurarea vitezei de deplasare a fluidelor bune conducătoare de electricitate, principiul lor de funcţionare bazându-se pe legea inducţiei electromagnetice.

În varianta simplificată prezentată, pe un tub nemagnetic (izolator) prin care curge fluidul cu viteza v se execută o bobină în aer (există variante constructive la care bobina se execută pe un miez magnetic) şi se prevăd doi electrozi E1 şi E2.

Electromagnetul produce un câmp magnetic de inducţie B, ale cărui linii de câmp sunt “tăiate” de conductorul lichid format de fluidul care curge cu viteza v (orientată perpendicular pe secţiunea de curgere, dinspre planul desenului).

Între cei doi electrozi metalici, conectaţi la un voltmetru V, se culege o tensiune electromotoare indusă:

e = k H v D (6.5.2)

unde H - intensitatea câmpului magnetic creat de bobină, D - diametrul tubului şi k - o constantă.

VSN vB

electrod (metalic)

pol magnetic (al unui electromagnet)

tub izolator (conductă de curgere)

E1 E2

e

U ~

D

v

H

Indicaţia voltmetrului V este proporţională cu viteza de curgere, deci cu debitul fluidului.

Măsurătorile nu sunt influenţate de vâscozitatea fluidului, densitatea sau conductibilitatea acestuia şi nici de modul de curgere laminar sau turbulent.

Precizia de măsurare este de ± 1% la lichide cu o conductibilitate minimă de 100 μS/cm şi viteze între 0 – 1 m/s până la 10 m/s.

Debitmetre cu secţiune variabilă (rotametre)

Schema de principiu a unui rotametru este prezentată în figura de mai jos

Funcţionarea sa se bazează pe echilibrul plutitorului – 1 acţionat de forţa gravitaţională în raport cu debitul de fluid şi secţiunea varabilă a tubului conic – 2.

Deplasarea liniară a plutitorului este convertită într-un semnal electric prin intermediul unui traductor inductiv diferenţial de deplasare - 3.

Rotametrele pot fi utilizate atât pentru gaze cât şi pentru lichide, cu o precizie de 1 – 2%, pe un domeniu de variaţie al debitului relativ restrâns.

Asupra plutitorului, pe lângă greutatea G şi forţa arhimedică Fa, acţionează o forţă dinamică ascensională Fas care este proporţională cu pătratul vitezei.

Luând în considerare o curgere staţionară şi notând cu ρ, V, densitatea, respectiv volumul plutitorului şi cu ρ0 densitatea lichidului, la echilibru se poate scrie:

3

D

d Fas

Fa

2

1

G

v

h

(6.5.3)

unde S e suprafaţa plutitorului de diametru d, iar k e coeficient de

curgere.

Plutitorul se va deplasa într-o zonă de diametru D, care în funcţie de h şi un factor de proporţionalitate k’ e dat de:

D = d + k’ * h (6.5.4)

In aceste condiţii, debitul masic Q se poate exprima cu relaţia:

(6.5.5)

Rezultă că debitul masic Q este direct proporţional cu cu înălţimea la care se găseşte plutitorul.

Rotametrele măsoară debite de ordinul 10-4 – 200 m3/oră, în limitele Qmax/Qmin=10 , cu precizii de ordinul procentelor şi, trebuie precizat faptul că introduc rezistenţe în curgerea fluidului, rezistenţe ce pot fi importante în unele aplicaţii industriale.

În exploatare, se mai pot utiliza şi debitmetre cu ştrangulare la care forţa dinamică roteşte paletele unei turbine, viteza de rotaţie a acesteia fiind o măsură a debitului.

Au dezavantajul unei comportări neliniare şi introduc rezistenţe importante în curgerea fluidului.


Fişa suport 6.6. Traductoare de temperatură

Măsurarea electrică a temperaturii prezintă importanţă nu numai în ceea ce priveşte mărimile termice; ea poate furniza, indirect, informaţii şi despre debite, presiuni joase, tensiuni, curenţi.

Traductoarele de temperatură sunt dispozitive care funcţionează fie pe principiul generării unei tensiuni electromotoare, fie pe principiul convertirii temperaturii într-o variaţie a unui parametru al circuitelor electrice (de obicei rezistenţă) sau, cele mai simple convertesc temperatura într-o deplasare sau dilatare (gaz sau metal).

Un traductor de temperatură foarte simplu se realizează pornind de la proprietatea cunoscută a materialelor conductoare de a-şi modifica rezistivitatea, şi deci şi rezistenţa electrică, atunci când temperatura lor se modifică.

Măsurând (prin metode cunoscute) rezistenţa electrică a unui conductor cu o anumită temperatură, se pot obţine informaţii despre valoarea temperaturii respective.

Un astfel de traductor, numit termorezistor, poate fi realizat şi cu materiale semiconductoare şi în acest caz se numeşte termistor.

Constructiv, traductoarele termorezistive se pot realiza:

fie ca o înfăşurare, pe un suport izolant; fie ca o peliculă (film) depusă pe o placă din aluminiu, oxidată (timbre

termorezistive). Cele mai simple traductoare de temperatură sunt temometrele cu sau fără

contact (reglabil sau nereglabil), ambele tipuri fiind cu mercur, Cele cu contact reglabil (Beckmann) au posibilitatea de modificare a temperaturii

reglate cu o precizie mai mare decât cele cu contact nereglabil. Contactul se realizează între coloana de mercur ce se dilată într-un tub capilar şi

un electrod prevăzut cu un şurub de reglare la partea superioară. Curentul maxim din circuit nu poate depăşi 1 A

Pentru curenţi mai mari sunt prevăzute cu dispozitive de amplificare (relee), iar domeniul temperaturilor este de 0 – 3000 C cu o precizie de ±2%.

Traductoare termoelectrice (termocuple)

Termocuplele tehnice, constructiv se realizează din două conductoare metalice sau aliaje diferite (termoelectrozi) sudate împreună la unul din capete; prin încălzirea locală a sudurii (joncţiunea de măsurare – capăt cald), prin efectul termoelectric direct (efectul Seebeck) se va genera o tensiune termoelectromotoare la capetele libere ale conductoarelor (joncţiunea de referinţă – capăt rece).

Materialele utilizate la realizarea termocuplelor pot fi conductoare sau semicon-ductoare, trebuind să asigure o sensibilitate ridicată şi stabilitate în timp la acţiunea agenţilor atmosferici.

R = R0 (1 + α*Δθ)

rezistenţa electrică la o temperatură

oarecare rezistenţa electrică la temperatura de referinţă

(de obicei, 20 ˚C)

coeficient de variaţie a rezistenţei cu temperatura

variaţia de temperatură (faţă de temperatura de

referinţă)

e

mV

M1

M1

M3M2

a. b.

Termocuplu Fire de extensie Circuit de măsură

În figură este prezentat schematic un termocuplu (a) şi schema de legare a acestuia (b), prezentându-se şi un al treilea electrod M3, care se poate utiliza la prinderea, lipirea, răsucirea sau sudarea capătului cald.

În denumirea unui termocuplu, primul material indică electrodul pozitiv pentru o diferenţă de temperatură pozitivă.

Prin menţinerea constantă a temperaturii joncţiunii de referinţă (capăt rece), de preferat la o valoare standardizată (0, 20, 500C) numită temperatură de referinţă, tensiunea termoelectromotoare ce se va produce depinde, la acelaşi termocuplu, numai de temperatura sudurii (capătul cald).

Menţinerea temperaturii la valoarea constantă este greu realizabilă, deoarece instalaţiile şi agregatele tehnologice la care se măsoară aceasta degajă cantităţi importante de căldură prin radiaţie.

Însăşi conductibilitatea termică a termocuplelor duce la încălzirea capetelor reci, uneori temperatura acestora atingând valori apreciabile de până la 100 – 2000 C.

Reducerea erorilor de măsurare datorate faptului că temperatura capetelor reci (cutia de borne sau sudura rece) este diferită de cea de referinţă, se face pe cale electrică, prin introducerea unor cabluri de compensare sau a cutiilor (dozelor) de compensaţie, ce au o comportare dinamică în concordanţă cu traductorul.

Principalele părţi constructive ale termocuplelor sunt redate în figură, cu următoarele elemente :

12345

1 – unul sau două termoelemente realizate din electrozi diferiţiizolaţi cu tuburi sau mărgele ceramice; 2 – teacă de protecţie cu sau fără dispozitiv de montare, confecţionată din: oţel carbon (OLT 45), oţel inoxidabil (ST 3), oţel refractar (P-4S), ceramică (PENTRU-1, KER 610, KER 710); 3 – dispozitiv de montare: flanşă mobilă F, flanşă sudată Fw, niplu filetat (G ¾’’ sau 1’’); 4 – cutie de borne cu capac; 5 – placă de borne.

Seria standardizată a lungimii nominale LN este: 250, 500, 750, 1000, 1250, 1500 şi 1750 mm, iar lungimea de imersie LI trebuie să fie cu cel puţin 100 mm mai mică decât cea nominală.

Deoarece, în ţară, tensiunile electromotoare sunt standardizate, termocuplele de orice tip pot fi conectate cu milivoltmetre etalonate în conformitate cu aceste standarde.

Caracteristicile principale ale termocuplelor utilizate în practică, sunt redate sintetic în tabelul 6.6.1, cu precizarea că momentan în ţară se execută doar cele cu codurile J, K, R şi S, iar dependenţa tensiunii electromotoare cu temperatura este prezentată în Anexa 8.

Tabelul 6.6.1

TERMOCUPLU

Cod

DOMENIU DE TEMPERATURĂ [0C]

SENSIBILITATEA μV/0C

Chromel / Constantan E - 270… 870 70 valoare medie

Fier / Constantan J - 210… 800 52,9 la 00C; 63,8 la 7000C

Cupru / Constantan T - 270…370 15 la –2000C; 60 la 3500C

Chromel / Alumel K - 270…1250 40 valoare medie

Platină- rodiu(13%) / Platină R - 50….1500 10 valoare medie

Platină- rodiu(10%) / Platină S - 50….1500 6,4 la 00C; 11,5 la 10000C

Platină- rodiu(30%) / Platină-rodiu(6%)

B 0………1700 6 valore medie

Wolfram-reniu(5%) / Wolfram-reniu(26%)

0…2760 100 aplicaţii speciale

Horning[(Bi 95%;Sn 5%) / (Bi 97%; Sb 3%)]

- < 100 13 valore medie

Schwartz[(Te 33%, Ag 32%,

Siliciu “n”Siliciu “p”

231

Cu 27%, Se 7%, S 1%) / Ag2S 50%, Ag2Se 50%)]

- < 100 > 1000 aplicaţii speciale

Siliciu “p” / Aluminiu - - 50….-150 44

Cupru / Paladiu - < 100 - aplicaţii speciale

Termocuplele din materiale semiconductoare nu se folosesc în mod direct la măsurarea temperaturii deoarece siliciul prezintă o rezistenţă termică redusă dar, pot măsura alte mărimi ce au la bază măsurarea temperaturii diferenţiale, prezentând avantajul că pot fi realizate în tehnica circuitelor integrate.

În figură este prezentată forma tehnologică a unui termocuplu cu siliciu de tip “p”/aluminiu, realizat din zone de silicIu “p” – 1 şi benzi de aluminiu – 2 şi SiO2 –3, structură ce permite şi interconectarea la folosirea unor baterii de traductoare.

Sensibilitatea acestor traductoare depinde de proprietăţile electrice ale semiconductoarelor şi de temperatură, fiind cuprinsă între 0,4 – 1mV/K pentru cazul folosirii unor baterii de traductoare.

Principalele dezavantaje ale acestor traductoare constau în existenţa conexiunii termice realizată prin siliciu între joncţiunea caldă şi cea rece şi rezistenţa interioară mult mai mare decât la termocuplele metalice (de ordinul zecilor de kΩ).

În cazul în care variaţiile de temperatură ale mediului ambiant sunt reduse, se poate utiliza un circuit de corecţie ca cel prezentat în figura următoare, care foloseşte un termistor RT ce se conectează într-o punte alimentată de la sursa de tensiune E.

La temperatura de referinţă impusă T0 puntea este în echilibru şi tensiunea U în braţele opuse lui E este nulă

Dacă temperatura mediului ambiant Ta se modifică faţă de cea de referinţă puntea nu mai e în echilibru şi tensiunea va fi dată de:

mV

Termocuplu Fire de

extensie

Circuit compensare

RT R3

R2R1

E

(6.6.1)

Dacă vom alege convenabil elementele punţii şi traductorul, variaţia tensiunii termoelectromotoare poate fi compensată datorită modificării temperaturii Ta, adică:

ΔU = S.(T0 – Ta) (6.6.2)

unde S este sensibilitatea traductorului care, în cazul unui traductor platină-rodiu (10%)/platină la 15000C, cu temperatura de referinţă de 250C şi variaţii ale lui Ta

de ±15%, ne dă o tensiune de compensare de ±140 μV, eroarea de compensare fiind mai mică de 1%.

Cu toate că sensibilitatea termocuplelor este mai redusă decât a termorezistenţelor, ele sunt caracterizate de o serie de avantaje din care amintim:

nu produc semnal de ieşire dacă nu există o diferenţă de temperatură;

nu interferează cu alte mărimi de influenţă, cu excepţia luminii şi a unor radiaţii nucleare ce pot produce transmutaţii (fierul şi nichelul sunt stabile la aceste fenomene;

nu necesită polarizări iniţiale.

Principalele dezavantaje ale temocuplelor constau în:

scăderea accentuată a sensibilităţii la temperaturi scăzute;

apariţia fenomenelor de evaporare, contaminare chimică sau chiar topirea la temperaturi ridicate;

limitarea pragului de sensibilitate datorită zgomotului termic propriu.

Traductoare termorezistive

Din această categorie fac parte :

Traductoare termorezistive metalice - termorezistenţele

Traductoare termorezistive semiconductoare - termistoarele

Termorezistenţele – sunt traductoare la care, odată cu modificarea temperaturii (datorită variaţiei energiei interne proprii), materialele din care se confecţionează suferă o serie de schimbări ce se referă la structura cristalină, agitaţia termică ş.a., schimbări ce duc la modificarea rezistenţei electrice în raport cu temperatura.

Această dependenţă poate fi exprimată cel mai simplu prin relaţia:

R = R0 (1 + α ΔT) (6.6.3)

unde R0 e rezistenţa electrică la 00C, α e coeficientul de temperatură iar ΔT este variaţia de temperatură.

Elementul sensibil al termorezistenţei este realizat dintr-o înfăşurare plată sau cilindrică peste un suport izolant din mică, izoplac, ceramică, textolit ş.a., cu un fir bobinat neinductiv pe suport şi fixat de acesta prin impregnare sau presare mecanică.

Aspectul exterior al termorezistenţelor tehnice este similar cu cel al termocuplelor realizându-se în varianta cu unul sau cu două elemente sensibile.

Dependenţa cu temperatura a rezistenţei electrice se exprimă prin coeficientul de temperatură α al conductorului din care se execută înfăşurarea elementului sensibil şi definit ca mărime a variaţiei rezistenţei de 1 Ω la o variaţie de 10C a temperaturii.

Deoarece acest coeficient nu este dependent numai de natura materialului folosit, ci şi de valoarea temperaturii, se obişnuieşte a se lua în calcule o valoare medie stabilită pentru intervalul 0…1000C pe baza relaţiei:

(6.6.4)

R100 fiind rezistenţa electrică în ohmi la 1000C.

La alegerea materialelor din care se execută termorezistoarele se va ţine cont de următoarele criterii:

rezistivitate mare pentru reducerea gabaritelor;

coeficient de variaţie a rezistivităţii cu temperatura ridicat, ceea ce permite şi sensibilităţi ridicate;

caracteristica de transfer să prezinte o bună liniaritate pentru a nu utiliza circuite suplimentare de liniarizare;

o bună stabilitate în timp şi la acţiunea agenţilor chimici;

puritate ridicată pentru o bună reproductibilitate;

preţ de cost redus.

Toate aceste cerinţe nu pot fi îndeplinite simultan, în realizarea termorezistenţelor folosindu-ce materiale ca: platina (-180 ÷+6000C şi mai rar –200 ÷ +10000C), nichelul (-100÷+2500C), cupru, wolfram, fier.

Cele mai utilizate sunt termorezistenţele din platină, care se folosesc şi ca etaloane de temperatură în intervalul 0÷6000C.

Cu toate că nichelul are o sensibilitate mai mare decât platina, acesta are o aplicabilitate mai redusă deoarece se oxidează la temperaturi ridicate şi prezintă fenomenul de tranziţie la temperatura de 3500C ceea ce modifică accentuat rezistivitatea. În acelaşi timp, nichelul prezintă neliniarităţi importante.

O foarte bună liniaritate şi sensibilitate o prezintă cuprul, dar domeniul de măsură este redus prezentând şi dezavantajul unei acţiuni chimice pronunţate, structura sa cristalină modificându-se în timp.

Rezistenţa nominală a dispozitivelor este de 25, 50, 100, 500 sau 1000Ω la 00C, ultimele variante fiind recomandate pentru temperaturi scăzute.

Termorezistenţele executate în ţară se confecţionează din platină, cu rezistenţe nominale de 50 şi 100 Ω, de tipul PT 50 şi PT 100, fiind confecţionate din fire cu diametre între 0,05 ÷0,2 mm, cu lungimi de ordinul 5 ÷ 20 cm, firele de legătură la blocul de borne fiind de nichel, cu diametru mult mai mare, în scopul neglijării variaţiei rezistenţei acestora cu temperatura.

Constructiv, termorezistenţele trebuie :

să asigure protecţia la acţiunea agenţilor externi,

să preia rapid temperatura mediului de măsură,

să permită măsurarea atât în curent continuu cât şi alternativ,

să nu fie influenţate de fenomenul dilatării.

Timpul de răspuns al acestor traductoare este de ordinul secundelor în apă şi de ordinul zecilor de secunde în aer, iar pentru reducerea influenţei conductoarelor de legătură se construiesc în variante cu 2, 3 sau uneori 4 borne de conectare.

Termistoarele - sunt traductoare de temperatură realizate din material semiconductor, fenomenele de conducţie în acest caz fiind mult mai complexe.

În faza iniţială au fost utilizate pentru temperaturi scăzute, între 1 ÷35 K (germaniu) şi < 20 K (carbon), dar datorită perfecţionării tehnologiei siliciului, în ultima perioadă (în special In tehnica circuitelor integrate) acesta se foloseşte dopat cu impurităţi de tip “n.

Termistoarele de siliciu au o bună stabilitate pentru temperaturi între –50 ÷ +1200C. Până la 1200C, în mecanismul de cnducţie intervine dopajul ce reduce mobilitatea purtătorilor de sarcină, pentru temperaturi mai mari, datorită ionizărilor termice, rezistenţa scade cu temperatura.

În tehnică se utilizează temistoare a căror sensibilitate este superioară cu cel puţin un ordin de mărime faţă de termorezistenţe.

Se execută din oxizi cu proprietăţi semiconductoare ca oxizii de mangan, nichel, cobalt, cupru, magneziu, zinc, aluminiu, fier, care sunt măcinaţi şi apoi presaţi prin sinterizare la o temperatură ridicată, la extremităţi aplicându-se prin metalizare electrozi de legătură.

Se realizează în forme miniaturizate de discuri, plachete, perle, cilindri şi permit măsurarea cvasipunctuală a temperaturii cu o viteză de răspuns ridicate.

Domeniul de măsură poate acoperi plaja –200 ÷ +4000C, uzual fiind până la 2000C şi se poate demonstra că rezistenţa lor variază cu temperatura după relaţia:

(6.6.5)

unde: T – temperatura absolută; A – constantă dependentă de dimensiuni şi forma constructivă (T→∞ => R = A, rezistenţa convenţională a termistorului); B – constantă caracteristică a materialului din care e confecţionate termitsorul, cu valori între 2500 ÷ 5000 pentru temperaturi până la 2000C.

Pentru cazul puterii disipate nule, caracteristica termistorului este o exponenţială ce se poate obţine în practică doar prin extrapolare.

Aceste traductoare prezintă o serie de avantaje ca sensibilitate foarte ridicată, putând atinge rezoluţii până la 0,010C, fiind indicate în măsurările de presiuni diferenţiale dar, prezintă marele dezavantaj de interşanjabilitate (nu pot fi “împerecheate”).

Este foarte dificil ca dintr-un lot destul de mare să alegem două termistoare cu rezistenţă identică la temperatura de referinţă, înlăturarea acestui neajuns făcându-se prin înserierea unei rezistenţe fixe în circuitul de măsurare.

Alte traductoare de temperatură:

Traductoare bimetalice

Sunt realizate din materiale metalice, fabricate din table sau benzi din componente diferite, unite intim între ele şi caracterizate de coeficienţi de dilatare termică liniară diferiţi.

Bimetalul funcţionează pe principiul deformării la modificări de temperatură sau la orice alte modificări de stări şi de procese ce au la bază variaţii de temperatură.

În aplicaţiile industriale traductoarele bimetalice sunt elemente esenţiale în cazul protecţiei la suprasarcini a masinilor electrice, transformatoare-lor, conductelor electrice, iar în scopuri mai puţin “industriale” sunt utilizate la aparatele şi dispozitivele electrocasice (calorifere, perne, plite, uscătoare, fiare de călcat etc.).

Prin deformarea lamelei bimetalice se pot închide sau deschide contacte electrice fixe sau reglabile cu temperatura.

Bimetalele sunt traductoare robuste, cu erori de măsurare ce nu depăşesc ±1%, fiind utilizate cu rezultate bune în plaja de temperaturi -50 ÷ +1000C.

Traductoarele dilatometrice

Funcţionează principiul dependenţei dintre variaţiile de temperatură şi dilatarea termică a unei ţevi metalice.

Principial, un astfel de traductor, prezentat în figură, se compune din :

123

ţeava metalică – 1 (confecţionată obişnuit din cupru cu coeficient de dilatare termică liniară mare şi o tijă – 2 confecţionată din invar (coeficient de dilatare redus).

Prin intermediul unui dop, tija se sudează cu un capăt la fundul ţevii, iar celălalt capăt acţionează direct sau prin intermediul unui sistem de pârghii , una sau mai multe perechi de contacte – 3 ce se conectează în sistemul de reglare a temperaturii.

Traductoarele manometrice

Funcţionează pe principiul variaţiei presiunii lichidelor şi gazelor la volum constant în funcţie de temperatură.

Constructiv, sunt realizate din rezervorul – 1 umplut cu un lichid cu punct de fierbere ridicat, vapori sau gaze ce se introduce în mediul de măsură, tubul capilar – 2 şi resortul manometric – 3.

Aceste părţi componente formează un sistem ermetic protejat faţă de corpul dispozitivului.

Variaţiile de temperatură ale fluidului din rezervor vor produce variaţii de presiune ale vaporilor de fluid şi deformarea proporţională a resortului manometric, care printr-un sistem de transmitere adecvat va acţiona pentru indicare, înregistrare, semnalizare sau reglare.

Domeniul temperaturilor de lucru este cuprins între –50 ÷ +4000C, cu o eroare de măsurare ce nu depăşeşte ±1,5%, fiind utilizate la scară redusă datorită construcţiei dificile şi preţului de cost ridicat.

Traductoare pirometrice.

Noţiunea de pirometrie derivă de la cuvântul grecesc “piro” (foc), referindu-se la măsurarea

12

3

temperaturii pe baza unor metode fără contact, în concordanţă cu legile radiaţiei termice.

Este cunoscut faptul că toate substanţele emit energie radiantă ce depinde de temperatura absolută a corpurilor respective, fenomenele de radiaţie termică fiind descrise de o serie de legi deduse din termodinamică.

Aceste legi au fost verificate pentru un corp negru absolut, care este un emiţător sau receptor total al energiei radiante.

Dar, nu toate corpurile îndeplinesc această condiţie, fiind necesară introducerea unui coeficient de corecţie (emisivitatea) mai mic decât unitatea, coeficient ce depinde de natura şi starea suprafeţei corpului, precum şi de lungimea de undă a radiaţiei (cu excepţia corpurilor gri).

Pe baza legilor lui Planck, Wien şi Stefan-Boltzmann s-au realizat pirometrele ce permit măsurarea temperaturii prin intermediul energiei radiante în mai multe variante ca:

- pirometre cu radiaţie totală;

- pirometre monocromatice (cu bandă îngustă);

- pirometre cu dispariţie de filament;

- pirometre bicromatice.

Pirometrele de radiaţie totală

Principial, pirometrul cu radiaţie totală se realizează după schema prezentată mai jos unde corpul – 1 cu suprafaţa emisivă – 2 transmite radiaţia termică spre detectorul – 3, cu ajutorul unei diafragme – 4 şi o oglindă concavă – 5.

Pentru absorbţia totală a radiaţiilor de către detector, care poate fi un termocuplu, acesta va trebui să se înnegrească.

La aceste traductoare, măsurarea temperaturii nu depinde de distanţa dintre suprafaţa emisivă şi pirometru (oglindă), cu excepţia ca suprafaţa vizată de pirometru să fie activă.

1

2 4

3

5

Existenţa unor reflexii suplimentare, de exemplu corpul este executat din aluminiu, duce la apariţia unor erori de măsurare deoarece corpul poate reflecta şi sursa care îl încălzeşte.

Pirometrele cu bandă îngustă (monocromatice)

Fac uz de o serie de filtre optice şi detectoare şi prezintă o sensibilitate maximă pe axa filtrului optic doar pentru o anumită fracţiune a spectrului de radiaţie termică.

Pirometrele cu dispariţie de filament

Funcţionează pe acelaşi principiu cu cele monocromatice, având în componenţa lor şi o lampă etalon cu filament de wolfram.

Măsurarea se face prin comparaţie, adică pe imaginea suprafeţei radiante ce emite o radiaţie în spectrul vizibil, se suprapun lampa etalon.

Reglând curentul de filament se va modifica temperatura acestuia şi implicit culoarea.

În funcţie de temperatura filamentului Tf, valoarea curentului prin acesta constituie o măsură a temperaturii urmărite Tm , astfel:

Pirometrele obişnuite au domeniile: 7000C (filament roşu închis) şi temperatura maximă a filamentului 15000C, dar pot fi extinse până la 30000C prin utilizarea unor atenuatoare optice.

În cazul în care dispariţia filamentului e sesizată cu fotodetectoare, limita inferioară poate ajunge până la 5000C, cu erori de măsurare ce se pot situa sub ± 0,5%.

Tm = Tf

Tm < Tf

Tm > Tf

dacă filamentul lămpii este mai închis decât suprafaţa radiantă, temperatura filamentului este mai mică decât temperatura de

măsurat

creşterea curentului prin filament produce încălzirea acestuia şi treptat, se ajunge la situaţia când filamentul nu se mai vede pentru

că are aceeaşi culoare ca şi suprafaţa radiantă

o nouă creştere a curentului prin filament produce o încălzire şi mai mare, iar filamentul începe să se vadă din nou, dar cu o

nuanţă mai deschisă – chiar alb – faţă de suprafaţa caldă

Tm > Tf Tm = Tf Tm < Tf

Pirometrele bicromatice

Se realizează din două pirometre monocromatice care lucrează în două regiuni apropiate ale radiaţiei termice, în aşa fel încât emisivitatea să se poată considera constantă.

Aceste pirometre pot măsura temperaturi în intervalul 700 ÷ 20000C şi indicaţia lor nu depinde de natura corpului şi starea suprafeţei pentru cazul emisivităţilor cuprinse între 0,3 şi 1.

Pirometrele sunt foarte mult utilizate în siderurgie (metalurgie) pentru măsurarea temperaturii şarjei în cuptoare, furnale etc.


Fişa suport 6.7. Adaptoare

Pe lângă elementul sensibil, în construcţia unui traductor intră şi adaptorul . Mai cunoscute sunt :

Adaptorul tensiune (rezistenţă)-curent ELT 160

Se foloseşte pentru obţinerea semnalului electric unificat, curent 2 - 10 mA, prin cuplarea cu un element sensibil de tip termorezistenţă sau termocuplu.

Schema bloc a adaptorului ELT160 este reprezentată în figura următoare:

Adaptorul se compune din:

bloc de gamă K71…H77 care servesc la obţinerea, la ieşirea lui, a unui semnal standard de curent continuu ±10 μA, în funcţie de semnalul de la ieşirea elementului sensibil;

un amplificator de curent continuu cu modulare, amplificatoare în curent alternativ şi modulare;

un bloc de liniarizare sau corecţie.

Semnalul de la ieşirea blocului de gamă se aplică înfăşurării de comandă a modularului magnetic, fiind transformat într-un semnal alternativ cu frecvenţa de 1000Hz.

Acest semnal este amplificat şi la ieşire un semnal unificat 2-10mA, proporţional cu mărimea de intrare a elementului sensibil (temperatura).

Caracteristica statică a ansamblului element sensibil şi bloc de gamă poate fi neliniară, motiv pentru care este prevăzut blocul de liniarizare sau corecţie.

Caracteristica statică a blocului de liniarizare este şi ea neliniară dar în aşa fel încât să compenseze neliniarităţile introduse de blocul de gamă sau elementul sensibil.

Adaptorul ELT162

Face parte din sistemul nou de automatizare (S.N.A.) – sistemul F (4–20 mA) şi este destinat să înlocuiască adaptoarele ELT162 (161), din sistemul E.

Adaptorul conţine un amplificator de curent continuu, realizat cu amplificator operaţional integrat care asigură o precizie foarte bună, sensibilitate, stabilitate cu temperatura şi amplificarea semnalelor obţinute de la ieşirea blocului de gamă.

Adaptorul ELT162 se foloseşte combinat cu următoarele tipuri de detectoare de temperatură:

termorezistenţe Pt 50 şi Pt 100;termocupluri PR10%, PR 13%, Cromel-alunel, Fier-constant.

Blocurile de gamă situate între elementul sensibil şi amplificator se produc în cinci variante : F751…F755 având o structură asemănătoare cu cea a blocurilor H71…H77.

Adaptoare electronice deplasare-curent

Aceste tipuri de adaptoare sunt frecvent utilizate în cadrul sistemului electronic E, întrucât multe dintre traductoarele acestui sistem conţin elemente sensibile care au ca mărime de ieşire o deplasare liniară sau unghiulară.

Aşa este cazul traductoarelor de presiune, nivel, debit.

Adaptorul deplasare unghiulară-curent ELT370 - foloseşte principiul convertirii unei deplasări mecanice (rotire) într-un semnal de curent alternativ, a cărui amplitudine este proporţională cu deplasarea.

Adaptorul

ELT370 se compune din următoarele părţi:

modulator magnetic cu element mobil de polarizare;un oscilator care generează un semnal de tensiune alternativă cu frecvenţa f=500Hz;

un amplificator de curent alternativ selectiv, acordat pe frecvenţa de 1000Hz;un demodulator (transformă semnalul alternativ de 1000Hz în semnal continuu 2-10mA).

Modulatorul magnetic se compune dintr-un miez magnetic sub formă de tor realizat din permalloy pe care sunt bobinate uniform două înfăşurări identice W1 şi W2 alimentate, prin transformator Tr1 de la o sursă de tensiune alternativă cu frecvenţa f=500Hz (oscilatorul H 31).

În centrul torului se află un rotor realizat din magnet permanent cu doi poli N şi S sub forma unei bare a cărei rotire în jurul axului A este provocată de variaţia mărimii de intrare în elementul sensibil al traductorului.

Acesta constituie deplasarea unghiulară care trebuie convertită în semnal electric.

Prin rezistenţele R8 şi R4 precum şi prin trecerea potenţiometrului R1 se asigură trecerea unor curenţi i’ şi i” prin spirele înfăşurărilor W1 şi W2.

Aceştia sunt curenţi de polarizare determinaţi de sursa stabilizată de curent continuu de tensiune Up.

Cele două înfăşurări ale bobinelor fiind alimentate şi cu tensiunile alternative, identice ca formă şi opuse ca fază prin Tr1 rezultă că prin cele două bobine vor circula şi curenţi variabili.

Datorită acestor curenţi cele două bobine se produc câmpuri magnetice, al căror flux total se stabileşte în miezul toroidal.

În lipsa magnetului permanent mobil, bobinele fiind identice şi parcurse de acelaşi flux, curentul la ieşire ar fi i = 0 nu i = 2mA cât este limita minimă a sensului unificat.

Din această cauză prin modificarea lui R1 se face i’ > i’’ astfel încât în poziţia iniţială a rotorului modulatorului, la ieşirea adaptorului curentul să fie de 2 mA (zero relativ).

În cazul existenţei magnetului permanent rotit cu unghiul α (alfa) faţă de poziţia verticală, mai apare în miezul toroidal un alt flux determinat de magnetul permanent determinând în cele două înfăşurări tensiuni autoinduse diferite şi deci, şi curentul de ieşire va varia, funcţie de poziţia magnetului permanent.

Rezultă că perioada curentului de la ieşirea modulatorului este de două ori mai mică decât a fluxului de excitaţie şi deci o frecvenţă diblă (1000Hz) faţă de cea de excitaţie de 500Hz.

Curentul la modulatorului magnetic alimentează printr-un filtru format din condensatoarele C1 şi C2 şi printr-un transformator de adaptare Tr3 un amplificator H21 de curent alternativ selectiv, acordat pe 1000Hz adică amplifică doar semnalele de frecvenţă 1000Hz.

După amplificare, semnalul este aplicat unui demodulator sincron la ieşirea căruia se obţine semnalul unificat de curent continuu 2-10mA.

Pentru a asigura o funcţionare stabilă a adaptorului se asigură o reacţie de la ieşirea adaptorului înapoi la ieşirea modulatorului.

Adaptorul ELT370 este plasat în aceeaşi carcasă cu elementele sensibile ale traductoarelor în care este cuplat.

Adaptoare forţă-curent

În cadrul traductoarelor din sistemul F se foloseşte un adaptor forţă-curent bazat pe principiul balanţei de forţe (echilibru de forţe).

Adaptorul conţine un traductor diferenţial deplasare-tensiune de tip inductiv.

Bobinele cu inductanţele L1,L2,L3 şi L4 sunt conectate într-o punte alimentată de la un oscilator cu tensiunea alternativă U :

Miezul mobil 1 al adaptorului este fixat la tija 2. Asupra tijei 1 se aplică forţa F primită de la elementul sensibil şi care trebuie convertită în semnal unificat, curent 4-20 mA, proporţional cu forţa F aplicată tijei 2. Tija 2 este articulată în punctul A cu pârghia 3 care are un punct de sprijin în punctul D. Forţa F care acţionează, produce momentul M1:

M1 = a F (6.7.1)

unde a este braţul pârghiei pentru forţa F.

Aplicarea momentului M1 are ca efect deplasarea miezului 1 şi dezechilibrarea puternică a punţii care determină o tensiune de dezechilibru mare, ΔU.

Tensiunea de dezechilibru este amplificată în amplificatorul 4 rezultând tensiunea alternativă U1.

Folosind blocul de redresare 5, tensiunea U1 este redresată şi se obţine o tensiune U2 de curent continuu care alimentează spirele bobinei 6 fixată pe pârghia de balanţă 3.

Bobina 6 este alimentată în serie cu aparatul receptor de rezistenţă R, căruia îi este transmis semnalul unificat 4 egal cu 20 mA.

Sub acţiunea acestui curent i, bobina 6 produce un câmp magnetic şi este atrasă de magnetul permanent 7 cu forţa electromagnetică Fe, care este proporţională cu intensitatea curentului i:

Fe = K2 * I (6.7.2)

Momentul forţei Fe va fi:

M2 = (a + b) Fe = (a + b) K2 * I =K * i (6.7.3)

Cele două momente sunt opuse şi ca urmare pârghia 3 se stabileşte într-o poziţie în care cele două momente se echilibrează:

M1 = M2 (6.7.4)

Egalând expresiile celor două momente rezultă:

a F = (a + b) K2 * i (6.7.5)

sau:

(6.7.6)

Coeficientul de proporţionalitate K3 depinde de braţul a.

Pentru modificarea gamei de măsurare, adică pentru a obţine variaţii ale curentului între 4 şi 20 mA la diverse game de variaţii ale forţei F trebuie schimbat punctul A de aplicaţie al tijei 1.

Adaptoare pneumatice de deplasare unghiulară-presiune

Adaptoarele pneumatice împreună cu elementele sensibile corespunzătoare fac parte din ansamblul definit – traductorul pneumatic.

Indiferent de mărimea fizică pe care o măsoară, aceste traductoare pneumatice se utilizează în sistemul pneumatic de automatizare, pentru măsurarea şi reglarea automată a unor procese din instalaţiile industriale care folosesc diferite fluide.

Elementele sensibile ale traductoarelor convertesc mărimea fizică măsurată în deplasarea unghiulară, cu unghiul α = 80.

Adaptorul pneumatic transformă deplasarea unghiulară în semnal unificat pneumatic 0,2…1 daN/cm2 sau 1…0,2 daN/cm2.

Adaptorul pneumatic deplasare unghiulară-presiune PLT370

Adaptorul pneumatic PLT370 este format dintr-o placă de bază pe care se montează mecanismul respectiv şi care se compune din:

un sistem duză-clapetă;un sistem de reacţie compus dintr-o capsulă mecanică şi un mecanism cu articulaţie elastică;un amplificator pneumatic.

Funcţionarea adaptorului este următoarea: mişcarea de rotaţie primita de la axul elementului sensibil este transmisă sistemului duză-clapetă.

Dacă se apropie de clapetă şi presiunea p în spatele duzei va creşte, aceasta este transmisă amplificatorului pneumatic inversor AP la ieşirea căruia presiunea pe va scădea proporţional cu deplasarea duzei.

Totodată presiunea pe este transmisă şi unei capsule mecanice care, prin articulaţia elastică 1, asigură legătura inversă (reacţia negativă) şi măreşte astfel stabilitatea ansamblului.

Pag 1-22 Sisteme de Reglare Automata I

Documents

Transcript of Pag 1-22 Sisteme de Reglare Automata I