Colegiul Tehnic Energetic

Ramnicu Valcea

Proiect pentru examenul de certificare a Calificarii profesionale

NIVEL 3

SPECIALIZAREA: Tehnician in automatizari ELEV: Vlad Stefan-Alin

INDRUMATOR: Ing. Popescu Monica CLASA: a XII-a B

1

Traductoare de debit

CUPRINS:

Argument...................................................................pag 1 Capitolul 1. Notiuni generale........………...............pag 4 – 6

Capitolul 2. Caracteristici generale..........................pag 6 – 7

Capitolul 3. Clasificarea traductoarelor...................pag 7 – 8

Capitolul 4.Traductoare de debit..............................pag 9 – 21 4.1 Notiuni generale.................................pag 9 - 10 4.2 Exemple de traductoare de debit........pag 10 - 11 4.3 Traductoare cu diafragma…………..pag 12 - 17 4.4 Traductoare rotametrice.....................pag 17 - 21

2

Argument

Electronica si automatizari – cuvinte cu rezonanta vasta in lume - joaca un rol de frunte si ca ramura industriala se situeaza prioritar in domeniile de varf ale dezvoltarii, intrunind sufragii unanime privind investitiile materiale si pregatirea profesionala. In viata de zi cu zi fiecare persoana utilizeaza aparatura audio-video, aparate electrocasnice si multe alte tipuri de aparate fara de care viata fiecaruia dintre noi nu ar mai avea farmec. Fiecare dintre aceste produse prezinta in componenta lor elemente de circuit electronice cu un grad de dificultate mai mic sau mai mare. Electronica si automatizari este un domeniu in crestere contino, crestere in tara noastra mai ales in industria constructoare de masini, de exmplu calculatoarele de bord sau roboti industriali sint doua argumente foarte bune pentru care merita sa fi electronist si bine inteles sunt multe altele dar nu necesita sa fie enumerate pentru ca sunt foarte cunoscute si mai ales oameni care sunt specializati in acest domeniu, meseria de electronist necesita multa rabdare si mult devotament si asta pentru ca mereu iese ceva nou, inovator, piesele vechi sunt devansate de tehnologie in fiecare an iar noi electronisti de meserie o sa ajungem sa facem doar munca de supraveghere daca nu de pe acum se intampla asa, o sa ajunga si tara noastra la aceasta tehnologie dar in cativa ani, oricum in viitorul apropriat, pentru ca tara noastra este un teren necultivat in mediul afacerilor.

3

Traductoare

1. Notiuni Generale

In scopul masurarii marimilor fizice ce intervin intr-un proces tehnologic, este necesara de obicei convertirea („traducerea”) acestora in marimi de alta natura fizica care pot fi introduse cu usurinta intr-un circuit de automatizare (de exemplu, o temperatura poate sa influenteze un circuit de automatizare numai daca este convertita (tradusa) intr-o tensiune electrica proportionala sau dependenta de temperatura respectiva) Elementul care permite convertirea („traducerea”) undei marimi fizzice (de obicei neelectrica) intr-o alta marime fizica (de obicei electrica) dependenta de prima, in scopul introducerii acesteia intr-un circuit de automatizare se numeste traductor.

Se numeste traductor acel element al SRA care realizeaza convertirea unei marimi fizice -- de obicei neelectrica -- in marime de alta natura fizica -- de obicei electrica -- proportionala cu prima sau dependenta de aceasta, in scopul utilizarii intr-un sistem de automatizare.

In structura traductoarelor se intalnes, in general, o serie de subelemente consecutive, ca de exemplu: convertoare, elemente senibile, adaptoare etc.Dupa cum v-a reiesi din exemplele urmatoare, structura generala a traductoarelor este foarte

4

diferita de la un tip de traductor la altul, cuprizand unul, doua, sau mai multe convertoare conectate in serie. In majoritatea cazurilor, structura generala a unui traductor este urmatoarea:

Marimea de la intrarea i (eprezentand valori de temperatura, presiune, forta, turatie,nivel etc.) este convertita („tradusa”) de catre elementul sensibil ES intr-o marime indermediara l (de exemplu o deplasare liniara, o rotatie etc.) care se aplica adaptorului AD (convertorul de iesire). Aceasta transforma marimea l in marime de iesire y, de obicei de natura electrica (tensiune, curent, rezistenta, idunctanta etc.), ce poate fi observata sau prelucrata mai usor in circuitul de reglare. Convertoru (adaptorul) de iesire are totodata rolul de a realiza si o adaptare cu celelalte elemente din cadrul SRA. In cazul particular al SRA unificate (sisteme cu semnal standard, atat ca natura, cat si ca nivel) –de exemplu, sistemul unificat E-IEA cu componente electronice discrete de tip serie sau sistemul SRA cu circuite integrate, fabricate in tara – adaptoarele au rolul de a converti o marime de iesire oarecare intr-un semnal unificat (de exemplu semnalul de curent unificat: 2-10 mA c.c. sau respectiv, 4-20 mA c.c.,sau pentru reglarile fluidice ce-l de presiune unificata: 0,2-1 daN/cm’).

5

De obicei adaptorul cuprinde si sursa de energie SE necesara pentru convertire marimii indermediare l in marimea dorita la iesire y.

2. Caracteristici generale ale traductoarelor

Indiferent de tipul traductorului utilizat, se pot stabili următoarele caracteristici generale, valabile pentru orice traductor:- natura fizică a mărimilor de intrare şi de ieşire (curent, tensiune electrică, rezistenţă electrică, presiune, temperatură, debit, nivel, etc.);- puterea consumată la intrare ( de obicei o putere mică sau foarte mică, de ordinul câtorva waţi sau miliwaţi sau chiar mai puţin). Consumul propriu fiind, de regulă, neglijabil, înseamnă că puterea transmisă elementului următor este insuficientă pentru a determina o acţionare; de aceea, în schemele de automatizare, un traductor este urmat, aproape întotdeauna, de un amplificator; - caracteristica statică a traductorului, care reprezintă grafic dependenţa xe=f(xi) dintre mărimile de ieşire, respectiv de intrare ale traductorului . Dupa tipul traductorului, această variaţie poate reprezenta o funcţie liniară sau neliniară, continuuă sau discontinuuă (cu valori discrete);- domeniul de măsurare, definit de pragurile superioare de sensibilitate xi max şi xe max şi de cele inferioare xi min şi xe min - panta absolută (sau sensibilitatea) Ka, reprezentând raportul dintre variaţiile mărimilor de ieşire ∆xe, respective de intrare ∆xi :Ka=∆xe/∆xi;- panta medie (Km), reprezentând coeficientul unghiular (panta) dreptei care aproximează

6

caracteristica statică reală a traductorului : Km=tg ά ≈Ka.

3. Clasificarea traductoarelor

Întrucât circuitele de automatizare cel mai des

folosite sunt de natură electrică, mărimea de ieşire a

traductoarelor este aproape exclusiv de natură

electrică.

Clasificarea traductoarelor poate fi făcută în funcţie

de natura mărimii de ieşire xe sau în funţie de natura

mărimii de intrare xi.

În funcţie de natura mărimii electrice de la

ieşire xe se deosebesc:

- traductoare parametrice, la care mărimea măsurată

este transformată într-un “parametru de circuit

electric” (rezistenţa, inductanţa sau capacitatea).

Traductoarele parametrice se împart, la rândul lor,

în: traductoare rezistive, traductoare inductive,

traductoare capacitive şi traductoare fotoelectrice;

- traductoare generatoare, la care mărimea măsurată

este transformată într-o tensiune electromotoare, a

cărei valoare depinde de valoarea mărimii

7

respective (de inducţie, sincrone, piezoelectrice,

termoelectrice).

În funcţie de natura mărimii aplicate la

intrare (xe) se disting:

- traductoare de mărimi neelectrice (temperatură,

deplasare, debit, viteză, presiune etc.);

- traductoare de mărimi electrice (curent, frecvenţă,

putere, fază etc.).

În practică, traductoarele sunt definite pe baza

ambelor criterii arătate mai sus (de exemplu, traductor

parametric rezistiv de temperatură).

În funcţie de domeniul de variaţie al

mărimii de ieşire, traductoarele se clasifică în:

- traductoare unificate – la care mărimea de ieşire

reprezintă un semnal unificat electric (2-10 mA sau

4-20 mA), sau pneumatic (0,2-1 kgf/cm2); aceste

traductoare se utilizează în sistemele de reglare

automată cu elemente unificate;

- traductoare neunificate.

4.Traductoare de debit4.1.Notiuni generale

8

Debitul de fluid Q (m3/s) reprezintă cantitatea de fluid A (m3) ce printr-o conductă în unitatea de timp t (s): Q=y(m3/s) (1)Considerînd o secţiune de arie dată S (m2) prin care fluidul trece viteza v (m/s), debitul de fluid se mai poate exprima şi prin relaţia: Q=vS(m3/s) (2)Aparatul pentru măsurarea debitului poartă denumirea generală de debimetru.în sistemul internaţional de unităţi de măsură pentru debit sînt adoptate următoarele unităţi:— metrul cub pe secundă (ITI3/S) — debitul volumic;— kilograme pe secundă (kg/s) — debitul masic;— newton pe secundă (N/s) — debitul de greutate.O unitate practică pentru debitul de Volum este şi metrul cub pe oră(m3/h). Din relaţia (2) se constată că, deoarece într-un anumit punct (secţiune) al conductei aria secţiunii este constantă, rezultă că între debi unui fluid şi viteza sa într-o secţiune dată este o strictă proporţionalitate. Aşadar, măsurarea debitului sau vitezei unui fluid este practic acelaşi lucru, între valorile celor două mărimi neexistînd decît un factor de proporţionalitate (de scară).Pe de altă parte; conform legii lui Bernoulli, căderea de presiune statică AP pe o strangulare a secţiunii conductei (rezistenţă hidraulică sau pneumatică) depinde de pătratul vitezei fluidului:

AP=K0v2

In consecinţă, prin măsurarea diferenţei de presiune pe o asemenea rezistenţă hidraulică sau pneumatică se poate determina valoarea vitezei respectiv a debitului fluidului respectiv.

9

In sfîrşit, prin însumarea în timp a debitului Q de fluid se obţin cantitatea totală D (m3) de fluid ce traversează conducta în timpul t0:

Aparatul care realizeaza o asemenea integrare (insumare) poarta denumirea generala de contor.OBSERVATIE:Debitul total se poate exprima in metri cubi (volumic) ,kilograme (masic) sau Newtoni (de greutate)

4.2.Cateva exemple simple de Traductoare de debit

Traductorul de debit cu paletă

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.

Deplasarea paletei în mediul conductor lichid aflat sub acţiunea unui câmp magnetic produce, conform legii inducţiei

10

α

v

electromagnetice, o tensiune electromotoare proporţională cu viteza de deplasare a lichidului prin conductă.

Dezavantaje : măsurarea modifică debitul de curgere a fluidului iar informaţia care se obţine este însoţită de erori.

Traductorul electromagnetic de debit

Schema de principiu a unui astfel de traductor este următoarea:

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.

11

~

VSN vB

electrod (metalic)

pol magnetic (al unui

electromagnet)tub izolator

(conductă de curgere)

v

E1 E2

e

D

H

~U

4.3. TRADUCTOARE DEBITMETRICE CU DIAFRAGMĂ

Aceste aparate au o secţiune constantă de curgere şi o cădere variabilă de presiune creată artificial printr-o strangulare hidraulică (pneumatică). Dispozitivele de strangulare pot fi de mai multe feluri, în funcţie de viteza absolută a fluidului şi de viscozitatea sa dinamică. In majoritatea cazurilor se folosesc diafragme şi, mai rar, duze, tuburi Venturi etc.Corespondenţa dintre căderea de presiune pe diafragmă (fig.a.) şi viteză (debit) se stabileşte pe baza legii lui Bernoulli şi a legii continuităţii materiei. Aplicînd aceste legi la o secţiune 1 înainte de diafragmă şi o secţiune 2 de după diafragmă şi neglijînd pierderile prin frecare şi turbionari care se formează în jurul diafragmei, rezultă (fig.b.)

12

Si

unde P1,ν1,γ1,S1 reprezintă respectiv: presiunea, viteza medie de curgere, greutatea specifică şi aria secţiunii fluidului înainte de diafragmă (secţiunea 1), iar P2,ν2,γ2 şi S2 — aceleaşi mărimi după diafragmă (secţiunea 2).Inlocuind ν1 din prima relatie in relatia a doua si explicitand pe ν2,se obtine:

(1)

S-a stabilit experimental că secţiunea S2 depinde de aceea a diafragmei S0 cu un factor de proporţionalitate µ (µ<l):

S2=µS0

şi notînd cu m raportul:

m=S0/S1

se obtine in definitiv pentru viteza ν2 a fluidului expresia:

13

(2)

Cunoscînd viteza de curgere v2 în secţiunea 2 se deduce uşor expresia debitului volumic:(3)

Relaţiile de mai sus sunt valabile bineînţeles pentru fluidele compresibile, în speţă pentru gaze şi vapori, la care γ1≠γ2 ; în cazul lichidelor (γ1=γ2=γ) relaţiile de mai sus capătă forme mai simple:

(4)

respectiv:

14

(5)

In practică, presiunile P1 şi P2 se măsoară în imediata vecinătate a diafragmei (orificiile a1, şi a2), astfel că se determină. în realitate P01 Şi P02 puţin diferite de P1 şi P2,Din figura (fig.b.),se observă că ambele presiuni măsurate (P01 şi P02) sînt ceva mai mari, însă diferenţa P01- P02 este aproximativ aceeaşi cu P1-P2,fapt care conduce la erori neglijabile.Relaţia (5) se poate scrie sub formă simplă:

In care :

este o constanta numita coeficient de debit ,iar ΔP este

presiunea diferentiala.In practică, relaţia de mai sus este corectată printr-o serie de factori numerici care ţiri seamă de pierderile prin frecare în diafragmă, de curenţii turbionari, de neuniformitatea vitezei de curgere în secţiune, de factorul adiabatic al fluxului gazos etc.

Conform relaţiilor de mai sus , pentru a măsura debitul (viteza) unui fluid este necesară utilizarea

15

manometrelor diferenţiale sau a traductoarelor dife-renţiale de presiune. In figura de mai jos sînt reprezentate două variante de măsurare a debitului unui lichid folosind o diafragmă D şi manometrul diferenţial MD plasat deasupra conductei (fig.a), respectiv sub conductă (fig.b).

Pentru separarea gazelor, care s-ar infiltra în sistemul de măsurare, sînt prevăzute două separatoare de gaz SG, precum şi două vase de separare VS conţinand un

16

lichid de protecţie care separă un eventual lichid corosiv din conductă.In cazul măsurării debitului de lichide mai uşoare decît lichidul de protecţie, acest lichid umple partea inferioară a vaselor de separare, iar în caz contrar acesta umple partea superioara.In scopul măsurării automate a debitului, precum şi a realizării buclelor de reglare a debitului, se pot folosi traductoare de presiune diferenţială.

4.4.Traductoare rotametrice

La baza funcţionării acestor aparate, numite şi traductoare cu strangulare variabilă, stă principiul echilibrării forţei gravitaţionale (greutatea) a unui imersor cu forţă ascensională, provocată de o cădere de presiune care trebuie menţinută constantă, şi care depinde de viteza de deplasare verticală a unui fluid.Rotametrele sunt formate dintr-un tub tronconic T în interiorul căruia se află un imersor I ridicat de curentul de fluid ascendent.Nivelul de ridicare al imersorului va fi cu atît mai mare, cu cît viteza (debitul) fluidului prin tub este mai mare.Se observă că, cu cît imersorul este ridicat mai sus, secţiunea de trecere a fluidului (strangulaţia) creşte, deci aria acestei secţiuni reflectă viteza fluidului prin rotametru. Scara gradată paralelă cu tubul tronconic care este transparent permite citirea directă a vitezei lichidului.Neglijînd forţa de antrenare mecanică prin frecare, forţa ascensională Fa a imersorului va fi :

Fa=Si(P1-P2),

în care:

17

Si este secţiunea transversală de trecere a fluidului;

P1-P2 este căderea de presiune pe strangulaţie.

Imersorul este supus greutăţii proprii date de forţa Fg:

Fg=Vi(γi-γf)

în care: Vi este volumul imersorului; γi,γf sînt greutăţile specifice ale imersorului,

respectiv ale fluidului.

Prin egalarea celor două forţe (Fa=Fg) şi ţinînd seamă de relaţia de dependenţă a vitezei v în funcţie de căderea de presiune pe secţiunea inelară, se obţine in final:

,unde K0 este o constanta de proportionalitate.

Principiul de functionare a unui rotametru

Rotametrele sunt aparate utilizate pentru masurarea debitului lichidelor si gazelor pe baza deplasarii unui plutitor in interiorul unui tub tronconic gradat, dispus vertical cu sectiunea mica jos, prin care circula fluidul

de masurat. Rotametrul este un debitmetru cu diferenta

18

constanta de presiune si plutitor rotativ. Se utilizeaza mult in medicina, laboratoare, industria alimentara, dar in special in industria petrochimica si oriunde trebuie

controlate continuu debitele de lichide sau gaze.

Componentele rotametrului sunt tubul tronconic si plutitorul (flotorul, imersorul).

Tubul tronconic,

se construieste din sticla, la tipul de baza al rotametrelor unde plutitorul este vizibil, sau din metal la aparatele cu plutitor cu prelungitor sau cu transmiterea indicatiilor la distanta. Limitele maxime de presiune si temperatura (la rotametrele cu tubul din sticla) sunt pana la 5 kgf/cm2 (5.105N/m2) si 1000C. Tuburile metalice pot fi proiectate sa reziste la orice valoare uzuala a presiunii si temperaturii. Procesul de fabricatie a fost imbunatatit substantial si astfel s-au obtinut

19

tuburi interschimbabile a caror diametre interioare sunt in tolerante de ± 0,1%.

Putitorul,

 se afla in interiorul tubului, avand o forma cilindrica sau reprezentand o imbinare de mai multe tronsoane de forma cilindrica de diferite diametre. Diametrul maxim al plutitorului trebuie sa fie mai mic decat diametrul interior al tubului, deoarece el trebuie sa se deplaseze liber pe toata inaltimea tubului. Forma si materialul plutitorului se aleg in functie de proprietatile mediului masurat si valorile de debit pe care trebuie sa le indice aparatul. Greutatea plutitorului (materialul din care este construit) determina limita superioara de masurare a aparatului. Materialul din care se construieste plutitorul trebuie sa reziste impotriva coroziunii fluidului al carui debit se masoara putand fi: otel inoxidabil, plumb, aluminiu, bronz, ebonita, masa plastica etc. Ele se pot executa pline sau goale in interior, pentru eventualele modificari ulterioare ale masei. Cele mai raspandite forme de plutitoare sunt:

plutitorul normal (plin sau gol in interior) este des intalnit la rotametrele cu tub din sticla;

plutitorul ajutaj se foloseste atunci cand fluidul al carui debit se masoara are o curgere in regim turbulent sau cantitatea de fluid care trebuie sa treaca prin tub este prea mare fata de sectiunea de trecere pe care o ofera spatiul liber dintre plutitor si tub;

plutitorul cu fascicul dublu se utilizeaza in fluidele ce au o curgere in regim turbulent, avand calitatea ca revin pe axa de simetrie aproape imediat dupa abatere;

plutitorul combinat este o combinatie intre plutitorul ajutaj si cel cu fascicul dublu.

20

Plutitoarele pot avea in partea superioara niste fante (santuri) care le imprima o miscare de rotatie ce le

mentine pe axa de simetrie a tubului. Rotatia are ca efect plasarea plutitorului in centrul curentului si astfel nu atinge peretele tubului. Dirijarea plutitoarelor grele

se face printr-o tija de ghidare dispusa in mijlocul tubului, la rotametrele mari.

21