Universitatea Politehnica Bucuresti

Facultatea de Energetoca

Traductoare de presiune2007~2008

Cuprins:

1. Consideraii generale Definiia presiunii Presiunea atmosferic, absolut, diferenial Uniti de msur a presiunii.2.Traductoare de presiune cu elemente sensibile elastice

Membrane

-Membrane ondulate (gofrate). -Tuburile ondulate (silfoanele)

-Tuburi Bourdon -Elemente de tip inductive:

-Elemente de tip capacitiv:

-Elemente de tip rezistive:

-Adaptorul deplasare unghiular-tensiune3. Traductoare de presiune cu elemente piezoelectrice -Puni de msurare pentru elemente sensibile piezorezistive

4.Elemente sensibile piezoelectrice pentru traductoare de presiune -Element sensibil piezoelectric

5. Traductoare pentru presiuni foarte nalte

6.Traductoare de presiune cu elemente elastice vibrante7.Traductoare de presiune cu membran vibrant

8.Traductoare de presiune cu lichid

Elemente sensibile de tip clopot

-Element sensibil tip oscilant

9. Traductoare de presiune integrate:

Consideraii generale

Traductoarele de presiune reprezint una dintre categoriile de traductoare care cunosc o larg rspndire n automatizrile industriale, presiunea constituind un parametru de baz pentru numeroase procese tehnologice.

n multe ramuri industriale, ca de exemplu industria petrolului, chimiei, termoenergetic etc., reglarea presiunii este chiar determinant pentru asigurarea desfurrii corecte a ntregului proces tehnologic

Definiia presiunii Considernd fluidele ca medii continue, ntr-o mas oarecare de fluid fiecare element de volum suport aciunea unor fore din partea restului de fluid, care n cazul fluidului perfect sunt perpendiculare (normale) pe fiecare suprafa a volumului unitar considerat.

O for F, uniform repartizat pe o suprafa S, exercit pe aceast suprafa o presiune p a crei valoare este dat de:

p = F/S (10.1)

Pe baza relaiei (10.1) se poate deduce uor c n general msurrile de presiune sunt legate de fapt de msurrile de for, ceea ce face ca o serie ntreag de metode de msurare a presiunilor (ca de exemplu, cele bazate pe efecte piezoelectrice, magnetostrictive, utiliznd elemente elastice, mrci tensometrice etc.) s poat fi aplicate i n domeniul msurrii forelor, i invers.

Presiunea atmosferic, absolut, diferenial. Presiunea exercitat de nveliul gazos care nconjoar globul pmntesc se numete presiune atmosferic (barometric). ntruct presiunea atmosferic variaz n raport cu altitudinea, s-a ajuns la necesitatea de a stabili o presiune atmosferic de referin fa de care s se considere starea fizic a unui corp. Aceast presiune stabilit convenional se numete presiune normal.

S-a definit astfel presiunea normal tehnic, ca fiind presiunea exercitat de o coloan de mercur de nlime 735,56 mm.

Uniti de msur a presiunii.Unitatea de msur pentru presiuni din cadrul sistemului internaional (SI) este newtonul pe metru ptrat (N/m2), care mai poart numele i de pascal (Pa).

Pascalul, unitatea SI pentru msurat presiunile, este foarte mic (( 0,1 mm H2O). De aceea n practic se folosesc multiplii pascalului: kPa, MPa, (kPa = 103Pa, MPa = 106 Pa). Un multiplu cu largi utilizri este barul (105 Pa), care are avantajul c difer foarte puin de alte uniti de msur (atm, at).

n msurrile industriale se consider de obicei o mprire a domeniului de variaie a presiunii (n presiuni mari sau mici, etc). O astfel de divizare fr a avea pretenia c este exhaustiv, este prezentat n diagrama din figura 10.1.

Fig. 10.1 Domenii de variaie a presiunii tehnice

Traductoare de presiune cu elemente sensibile elastice

Aceast categorie de traductoare conin elemente elastice care convertesc presiunea n deformaia elastic a unor corpuri de form special. Elementele sensibile utilizate frecvent sunt: tubul simplu curbat, tubul spiral, membrana simpl sau dubl (capsul) i tip burduf.

Membrane

Membranele sunt plci elastice de grosime mic, de form circular, ncastrate la extremitate. Fixarea pe contur a membranelor face ca sub aciunea presiunii aplicate pe o fa s dea deformaii relativ uor msurabile, ceea ce a cptat o larg utilizare de aparate de msurat. Prin caracteristicile lor, membranele fac posibil msurarea presiunilor de la civa mm H2O pn la sute de atmosfere (at). Se pot utiliza ca elemente sensibile ca atare, sau n corelaie cu alte traductoare de presiune (piezoelectrice, magnetoelastice etc.).

Dup forma constructiv, membranele pot fi clasificate:

plane, a cror suprafa este dreapt (fig.10.2);

gofrate, a cror suprafa are un anumit profil (fig.10.3); sferice, a cror suprafa este curbat n form de calot sferic (figura 10.4).

Fig. 10.2 Membran planFig.10.3 Membran gofrat

Fig. 10.4 Membran sfericFig. 10.5 Domenii de lucru ale membranelor metalice

Membrane ondulate (gofrate):

Membranele ondulate sunt prevzute cu o serie de gofreuri concentrice, avnd n zona central o poriune plan, de obicei rigidizat. Fa de membranele plane, membranele gofrate prezint o serie de avantaje n funcionare, cum ar fi: posibilitatea obinerii unor deformaii (sgei) mari fr deformri permanente (se pot deci msura presiuni mari); o caracteristic de funcionare apropiat de cea liniar; stabilitate mai mare a caracteristicilor etc.

Utilizarea capsulelor n msurrile de presiune este avantajoas, deoarece se poate realiza o sgeat dubl n comparaie cu o membran ncrcat similar. O mrire substanial a sgeii se poate obine dac se utilizeaz o baterie de capsule (mai multe capsule suprapuse). n aceast situaie, deplasarea centrului bateriei fb este:

(10.6)

n care: fc - este deplasarea centrului unei capsule; k - numrul de capsule;

fm - deplasarea centrului unei membrane.

Fig. 10.7 Capsul

Tuburile ondulate (silfoanele)

Silfonul este un tub cilindric cu gofraje transversale pe suprafaa lateral. Forma general a unui silfon este prezentat n figura 10.8.

Materialele cele mai indicate pentru confecionarea silfoanelor sunt:

p ( 1,5 daN/mm2: bronzul cu beriliu;

presiuni mari (solicitri ciclice): bronzul cu beriliu i adaos de litat;

p > 200 daN/mm2 i funcionare n medii agresive: oel inoxidabil.

n construcia aparatelor de msurat se folosesc de obicei (pentru game medii de presiune) tuburi ondulate cu diametrul 7150 mm i h = 0,080,3 mm, cu care se pot realiza sensibiliti de ordinul 10-1 mm H2O. Profilul tuburilor este diferit funcie de modul n care este utilizat. Astfel, de exemplu, dac solicitrile sunt de ntindere, profilul se execut cu un punct de inflexiune, pentru compresiune se folosesc profile drepte, etc.

Fig. 10.8 SilfonFig. 10.9 Tub Bourdon simplu

Tuburi Bourdon

Tuburile Bourdon sunt tuburi cu perei subiri sau groi de forma unui arc de cerc avnd la centru n jur de 250oC (fig.10.9). Deoarece din punct de vedere constructiv sunt relativ simplu de executat, au o mare rspndire n dispozitivele de msurare a presiunii. Deoarece sensibilitatea este relativ mic, pentru obinerea unei deplasri apreciabile a captului liber se monteaz un mecanism de multiplicare.

Tuburile Bourdon se ntrebuineaz att pentru msurarea presiunilor joase (civa mm Hg), ct i pentru msurarea presiunilor nalte (( 400 daN/cm2). Pentru presiuni p > 10 daN/cm2 se ntrebuineaz tuburi cu perei groi.

Cteva dintre formele cele mai utilizate de seciuni ale tuburilor Bourdon sunt prezentate n figura 10.10.

Fig. 10.10 Seciuni de tub Bourdon: a) plan-oval; b) eliptic; c) n D

Elemente de tip inductive:

Fig. 10.11. Element de conversie inductiv avnd cuplare direct, cu membran

Fig. 10.12. Element de conversie inductiv avnd cuplare direct, cu tub Bourdon

Elemente de tip capacitiv:

Fig. 10.14. Element de conversie

capacitivElemente de tip rezistiv:

Fig. 10.15. Mrci tensometrice utilizate ca elemente de conversieAdaptorul deplasare unghiular-tensiune:

Sgeata elementului sensibil este transformat ntr-o deplasare unghiular, de un palpator i un sistem de prghii dimensionat astfel nct s asigure la intrarea modulatorului MM o variaie unghiular ((() n domeniul (016o), (0o- considerat o poziie de referin, corespunztoare unei ieiri de 2 mA) corespunztoare domeniului de variaie a presiunii msurate. Modulatorul magnetic transform aceast variaie unghiular ntr-o tensiune alternativ modulat n amplitudine. (Principiul su de funcionare a fost descris n cap.4). Aceast tensiune este amplificat de ACA, redresat de demodulatorul sincron DM i transformat n c.c. de etajul final E.F. Tensiunea alternativ necesar excitrii modulatorului magnetic ct i demodulatorului DM este furnizat de oscilatorul pilot OSC.

Fig. 10.16. Schema funcional a adaptorului unghi-tensiune.

Traductoare de presiune cu elemente piezoelectrice

Utilizarea elementelor piezorezistive a permis crearea n ultimii ani a unei categorii de elemente sensibile care au proprietatea remarcabil de a ngloba n aceeai unitate constructiv i dispozitivul de conversie intermediar. Aplicarea industrial a acestei metode a condus la construcia unei game foarte variate de traductoare de presiune att ca domenii de lucru (game de presiune), ct i ca destinaie.

Piezorezistivitatea reprezint proprietatea unui corp de a-i modifica rezistivitatea (deci rezistena electric) sub aciunea unui cmp de tensiuni (mecanice) la care este supus. Fenomenul apare mai puternic n cazul unor semiconductoare. Modificrile de rezisten se produc att pentru variaii statice ct i dinamice.

Puni de msurare pentru elemente sensibile piezorezistive.

De regul, ele se monteaz sau n schemele de tip jumtate de punte, sau de tip punte complet, deoarece n aceste situaii efectele pot fi separate (fig.10.17 a, b).

Fig. 10.17. Scheme de msurare cu EP

Amplasarea EP se face de aa manier, nct variaiile de rezisten provocate de presiunea de msurat s fie de semne contrare. n figura 10.18 este prezentat o astfel de amplasare a 4 EP pe suprafaa unei diafragme D. Dac asupra acestei diagrame se exercit o presiune p, atunci conform diagramei de efort din figura 10.18-b, EP1 i EP2 sunt supuse la un efort de tensiune, iar EP3 i EP4 la un efort de compresie, ceea ce face ca modificrile de rezisten ale lui EP1 i EP2 s fie de sens invers fa de cele care apar n cazul lui EP3 i EP4.

Fig. 10.18. Amplasarea EP pe o membran

n cele ce urmeaz se va prezenta schema complet a unui adaptor, avnd n componen o punte cu 4 brae active, alimentat n curent constant. Schema este conceput pe principiul transmisiei cu dou conductoare (fire), figura 10.19. RA, RB, RC, RD sunt elemente piezorezistive montate ca n figura 10.18-a.

Fig. 10.19. Traductor cu EP montate n punten schema prezentat, variaiile de temperatur pot provoca erori, prin modificarea strii de echilibru a punii (punctul de zero) sau prin modificarea gamei de lucru. Compensarea acestor efecte poate fi fcut completnd schema iniial de punte ca n figura 10.20.

Fig 10.20. Schem de msurare n punte avnd comensare efectelor termiceElemente sensibile piezoelectrice pentru traductoare de presiuneElementele sensibile piezoelectrice se utilizeaz n construcia traductoarelor destinate msurrii presiunilor foarte nalte, sau a presiunii undelor sonore (microfoane). Trebuie remarcat c datorit modului de funcionare a unui astfel de element sensibil traductoarele de presiune piezoelectrice sunt destinate msurrilor de presiuni variabile n timp (presiuni dinamice).

Dezavantajul unui astfel de element sensibil este acela c orice ncovoiere a ansamblului (cauzat de o centrare imperfect) modific frecvena natural de oscilaie i provoac erori de neliniaritate.

Fig. 10.21. Element sensibil piezoelectricExperienele au demonstrat c o component constructiv minor, cum ar fi bornrele de conectare electric, pot provoca o scdere apreciabil a frecvenei de rezonan, i de aceea n proiectarea acestor elemente sensibile trebuie acordat o deosebit atenie tuturor detaliilor constructive, inclusiv a modalitilor de conectare.

Fig. 10.22 Elemente sensibile piezoelectrice a) cristale de cuar pretensionate

cu diafragm; b) element sensibil special

Traductoare pentru presiuni foarte nalten domeniul presiunilor foarte nalte (mii sau chiar zeci de mii de atmosfere), procedeele de msurare ntmpin dificulti deosebite datorit problemelor dificile de etanare i necesitii de a dimensiona n mod corespunztor instalaia.

De regul, n astfel de situaii se prefer traductoarele ale cror elemente sensibile realizeaz o dubl conversie p ( deformare ( parametru electric, deoarece acestea se bucur de o serie de avantaje importante ca: msurarea presiunii admind variaii foarte mici de volum, sensibilitate ridicat, liniaritate bun, dimensiuni mici.

Astfel, se pot utiliza n aceste situaii:

elemente rezistive (metale, aliaje) a cror rezisten electric crete cu presiunea (de exemplu, manganin cu un coeficient de variaie a rezistenei de 2,3 - 2,5 (/(/at), sau elemente din materiale polimorfice, a cror rezisten crete sau scade odat cu presiunea dup o lege cunoscut;

elemente inductive, la care modificrile de presiune conduc la modificri de inductan, datorit variaiei volumului miezului magnetic;

celule electrolitice, a cror tensiune de ieire descrete (dup atingerea unei anumite valori de vrf) odat cu creterea presiunii.Traductoare de presiune cu elemente elastice vibranten cap.9 s-au prezentat principiile de construcie i utilizare ale unor elemente elastice vibrante, n cazul msurrilor de for. n cele ce urmeaz vom prezenta cteva din aplicaiile acestei metode la msurarea presiunilor.

Traductoare de presiune cu membran vibrant. Schema de principiu a traductorului este prezentat n figura 10.26. Traductorul prezint o cavitate n care ptrunde presiunea de msurat. Sub aciunea presiunii are loc o deformare a geometriei cavitii de msurare, ceea ce conduce la o deformare a suporturilor de prindere, deformare care se transmite sub forma unei fore de ntindere n membrana vibrant.

Fig. 10.26. Traductor cu membran vibrant

Dac iniial, membrana este excitat de un oscilator prin intermediul unui generator de vibraii electromagnetic i are o micare vibratorie de amplitudine constant, fora de ntindere care ia natere tensionnd-o, frecvena de oscilaie se modific. Msurnd noua frecven, avem o determinare cantitativ a mrimii presiunii p. Modificrile de frecven ale membranei vibrante sunt funcie de rigiditatea pereilor cavitii de msurare, rigiditatea suporturilor de prindere i a membranei vibrante. S-au construit astfel de traductoare care msoar p ( 100 at, cu o precizie de 0,1%.

Traductoare de presiune cu lichidTraductoarele cele mai reprezentative din aceast categorie utilizeaz elemente sensibile de tip clopot i tor osclant.

Elemente sensibile de tip clopot

Fig.10.27. Element sensibil de tip clopot

Semnificaia notaiilor din figur este:

(- greutatea specific a lichidului din rezervor;

(- grosimea pereilor clopotului;

d- diametrul interior al clopotului;

D- diametrul interior al rezervorului,

Element sensibil tip oscilant:

Fig. 10.28 Element sensibil tip oscilant

Traductoare de presiune integrate:

Progresele fcute n tehnologia circuitelor integrate au facilitat construirea traductoarelor de presiune integrate care nglobeaz n acelai ansamblu elementul sensibil i adaptorul.

Fig. 10.29. Structura unui traductor de presiune integrat

Fig. 10.30 Element sensibil pentru msurarea presiunii difereniale.

Bibliografie:

[1]. Grigorescu L.Oproescu G., Nastac S., - Teoria sistemelor si automatizari-Editura Impuls

2002, Bucuresti.

[2]. R. Constantinescu s.a. Sisteme de reglare automata Ed. Militara, 1969.

[3]. V. Ionescu. Sinteza structurala a sistemelor liniare. Editura Academiei, Bucuresti, 1979.

[4]. D. Mihoc. Automatizari n energetica. EDP, Bucuresti 1976.

_1104145451.unknown