Traductoare de Presiune Si de Nivel

7/15/2019 Traductoare de Presiune Si de Nivel

1/24

TRADUCTOARE DE PRESIUNE SI DE NIVEL

1.Traductoare de presiune

1.1. Consideraii generale

1.2. Definiii. Uniti de msur a presiunii

1.3.Principii de msurare a presiunii

1.4. Traductoare de presiune cu elemente sensibile elastice

1.4.1. Membrane

1.4.2. Tuburile ondulate (silfoanele)

1.4.3. Tuburi Bourdon

1.5. Traductoare de presiune integrate

1.6. Traductoare de presiune cu lichid

1.6.1. Elemente sensibile de tip clopot

1.6.2. Tor oscilant

1.7. Traductoare de presiune cu elemente piezoelectrice

1.8. Traductor de presiune realizat pe principiul balantei de forte

2. Masurarea nivelului

2.1.Traductoare de nivel cu imersor

2.2.Traductoare de nivel bazate pe principii electrice

2.3. Traductoare de nivel de tip rezistiv

2.4. Traductoare de nivel capacitive

1


2/24

1.Traductoare de presiune

1.1. Consideraii generale

Traductoarele de presiune reprezint una dintre categoriile de traductoare care cunosc o largrspndire n automatizrile industriale, presiunea constituind un parametru de baz pentrunumeroase procese tehnologice.

n multe ramuri industriale, ca de exemplu industria petrolului, chimiei, termoenergeticetc., reglarea presiunii este chiar determinant pentru asigurarea desfurrii corecte a ntreguluiproces tehnologic.

1.2. Definiii. Uniti de msur a presiunii

Presiunea reprezint o mrime esenial pentru descrierea strii unui fluid.

Fluidele se caracterizeaz prin faptul c pot s curg cu uurin (straturile acestoraalunec uor unele fa de celelalte). Din categoria acestora fac parte lichidele i gazele.Delimitarea lichidelor de gaze se poate face prin aceea c primele au o suprafa liber care laechilibru este plan i orizontal, pe cnd gazele nu au aceast suprafa ele ocupnd tot volumulincintei n care sunt introduse. O a doua deosebire este aceea c lichidele sunt practic

incompresibile, pe cnd gazele sunt compresibile.

Legile generale ale fluidelor se studiaz pentru fluidele perfecte; un lichid perfect esteacela la care straturile se pot deplasa unul fa de cellalt fr frecare (nu exist vscozitate) i alcrui volum nu poate fi modificat prin comprimare, iar un gaz perfect este un gaz la care, pentruo anumit cantitate, produsul dintre presiunea i volumul acestuia este constant (respect legeaBoyle-Mariotte). In realitate nu exist fluide perfecte, ci fluide reale, care respect ntr-o msurmai mare sau mai mic proprietile fluidelor perfecte. Metodele de msurare a presiunii suntadaptate fluidelor reale.

Definiia presiuniiConsidernd fluidele ca medii continue, ntr-o mas oarecare de

fluid fiecare element de volum suport aciunea unor fore din partea restului de fluid, care ncazul fluidului perfect sunt perpendiculare (normale) pe fiecare suprafa a volumului unitarconsiderat.

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

p = F/S

2


3/24

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

Presiunea atmosferic, absolut, diferenialPresiunea exercitat de nveliul gazoscare nconjoar globul pmntesc se numete presiune atmosferic (barometric). ntructpresiunea atmosferic variaz n raport cu altitudinea, s-a ajuns la necesitatea de a stabili opresiune atmosferic de referin fa de care s se considere starea fizic a unui corp. Aceastpresiune stabilit convenional se numete presiune normal.

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

n practica msurrii presiunii se pot ntlni de obicei trei situaii:

a) msurarea presiunii n raport cu vidul absolut (considerat de presiune zero)- situaie n carerezult presiunea absolut;

b) msurarea diferenelor de presiune fa de cea atmosferic. Aceast diferen poart numelede presiune relativ sau efectiv (presiunile msurate cu manometre sunt n general presiuniefective). Dup cum aceast diferen este pozitiv sau negativ, mai poart numele desuprapresiune sau depresiune. Relaia dintre presiunea efectiv i presiunea absolut este:

pa = pe + 1,01325 - [bar]

n care: pa este presiunea absolut; pe presiunea efectiv; - factor de corecie reprezentnd

diferena dintre presiunea atmosferic normal i presiunea atmosferic real n momentul

msurrii.

c) -msurarea diferenei de presiune fa de o valoare de referin convenional (care poate fialeas de utilizator n funcie de cerinele procesului tehnologic).

n acest caz rezultatul msurrii poart denumirea de presiune diferenial.

Presiune static i dinamic. Acesti termeni se utilizeaz n cazul fluidelor n micare.Considernd o suprafa plan care separ dou mase de fluid n micare, presiunea care seexercit pe cele dou mase de fluid n planul lor de separaie este presiunea static. Dac nacelai curent de fluid se pune un obstacol, n punctul de oprire viteza fluidului se anuleaz intreaga energie cinetic specific a lichidului apare sub form de presiune. Presiunea dinpunctul de oprire se numete presiune total. Diferena dintre presiunea total i cea staticpoart numele de presiune dinamic.

Uniti de msur a presiunii.

Unitatea de msur pentru presiuni din cadrul sistemului internaional (SI) este newtonulpe metru ptrat (N/m2), care mai poart numele i de pascal (Pa). Pe lng aceast unitate, ntehnic este larg rspndit o unitate tolerat, i anume kilogramul-for/metru ptrat, kgf/m2, sau

3


4/24

un multiplu al acestuia, kgf/cm2, numit i atmosfer tehnic (at), deoarece permite o reprezentarecomod i simpl a valorilor presiunilor mari.

Una din primele uniti de msur a presiunii a fost atmosfera fizic (atm), stabilit nraport cu presiunea atmosferic i fiind definit iniial ca presiunea pe care o exercit coloana de

mercur cu nlimea de 760 mm, cu densitatea 13,595 g/cm3

la 0o

C i acceleraia gravitaionalde 980,665 cm/s2. Valoarea acestei uniti s-a pstrat, fiind definit astzi

1 atm = 101325 N/m2

Utilizarea dispozitivelor cu lichid pentru msurarea presiunii a determinat adoptarea unornoi uniti de msur: milimetru coloan ap (mm H2O), milimetru coloan mercur (mmHg),denumit i torr.

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 multiplucu 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 apresiunii (n presiuni mari sau mici, etc). O astfel de divizare fr a avea pretenia c esteexhaustiv, este prezentat n diagrama din figura de mai jos.

domenii de variaie a presiunii tehnice

1.3.Principii de msurare a presiunii

n practica curent exist mai multe tipuri de traductoare pentru msurat presiunea.Perfecionarea continu a acestora, precum i apariia altor tipuri sunt justificate de considerenteca: necesitatea msurrii presiunii cu precizie ridicat, reducerea costului, msurarea simultan amai multor presiuni i centralizarea datelor, msurri n condiii speciale (temperaturi mari,

4


5/24

presiuni dinamice, pulsatorii cu frecven ridicat, vibraii etc.).Ca n orice operaie de msurare,i n acest caz este necesar alegerea unor elemente sensibile adecvate.

De regul aceste elemente sensibile convertesc presiunea fie ntr-o mrime intermediarde natura unei deplasri sau deformaii mecanice, fie direct ntr-o mrime electric (tensiune,

sarcin electric etc.). n primul caz, msurarea presiunii presupune o serie de conversii p deformare mecanic parametru electric, i ca atare, pe de o parte, este necesar o metod de

proiectare i alegere riguroas pentru asigurarea sensibilitilor i preciziilor necesare, iar pe dealt parte, structuri specializate de adaptoare.

1.4. 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.

1.4.1. Membrane

Membranele sunt plci elastice de grosime mic, de form circular, ncastrate laextremitate. 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 H 2Opn la sute de atmosfere (at). Se pot utiliza ca elemente sensibile ca atare, sau n corelaie cualte traductoare de presiune (piezoelectrice, magnetoelastice etc.).

Dup forma constructiv, membranele pot fi clasificate:

plane, a cror suprafa este dreapt.

gofrate, a cror suprafa are un anumit profil .

sferice, a cror suprafa este curbat n form de calot sferic.

5


6/24

1. membran plan 2. membran gofrat

3.membrana sferica 4. domenii de lucru ale membranelor metalice

Membrane plane. Membranele plane se pot clasifica n funcie de :

a) rigiditate: metalice (cu rigiditate mare); nemetalice (rigiditate mic, foarte flexibile);

b) raportul dintre sgeata y de la mijlocul membranei i grosimea ei ():

- membrane groase (y ); membrane cu grosime medie (y 3); membrane subiri (y> 3);

c) modul de ncastrare, care poate fi: perfect (realizat prin lipire) sau liber (alunector, realizatprin strngerea membranei ntre dou inele cu ajutorul unei garnituri).

Materialele din care se confecioneaz de regul membranele plane metalice sunt:bronzul fosforos, bronzul cu beriliu, alpacaua, oelul inoxidabil. Ct privete membranele planenemetalice, ele pot fi executate din cauciuc, esturi cauciucate, piele. Deoarece n cadrultraductoarelor de presiune se utilizeaz ca elemente sensibile membrane metalice, n cele ceurmeaz ne vom referi numai la aceast categorie. Domeniile de lucru ale membranelor metalicese pot stabili dac se traseaz o curb caracteristic aproximativ, ca n figura 10.5.

6


7/24

Se observ existena a 3 zone de lucru posibile, corespunztor raportului dintre grosimea

a membranei i sgeata maxim y:

a- pentru y < , la membranele groase, caracteristica este liniar;

b- pentru y 3, la membranele subiri, caracteristic neliniar.

5. caracteristica de funcionare a membranelorgroase

Lund n considerare forele i momentele care acioneaz asupra elementului de volumse deduce relaia general, valabil n cazul membranelor groase

=

yA

E

pR14

4

n care: p este presiunea plicat uniform pe suprafaa membranei; R- raza membranei E- modulul

de elasticitate al materialului din care este confecionat membrana; - grosimea

membranei; y- sgeata maxim (obinut n centrul membranei, pentru r = 0);

)1(3

16A

21 = - constant de material;

- coeficientul lui Poisson.

n cazul membranelor metalice de grosime medie (y 3), relaia (1) devine:

3

314

4 yA

yA

E

pR

+

=

(2)

valoarea coeficientului A3 depinznd de sistemul de ncastrare. Astfel, la ncastrare perfect, A3

3, iar la ncastrare liber A3 = 6/7 (pentru un = 0,3).

Pentru membranele metalice subiri (y > 3), relaia (1) are forma:

7


8/24

3

'3

'14

4y

Ay

AE

pR

+

=

(3)

n care '1A i'3A depind de material i de modul de ncastrare.

Membrane ondulate (gofrate). Membranele ondulate sunt prevzute cu o serie de gofreuriconcentrice, avnd n zona central o poriune plan, de obicei rigidizat. Fa de membraneleplane, membranele gofrate prezint o serie de avantaje n funcionare, cum ar fi: posibilitateaobinerii unor deformaii (sgei) mari fr deformri permanente (se pot deci msura presiunimari); o caracteristic de funcionare apropiat de cea liniar; stabilitate mai mare acaracteristicilor etc.

Dezavantajul important l constituie tehnologia de execuie care este mult mai complicatfa de membranele plane.

Formele cele mai utilizate de gofreuri sunt: sinusoidal; trapezoidal; ascuit..Membraneleondulate pot fi folosite simplu, sau sub forma unor ansambluri de dou membrane lipite pecircumferin, care poart numele de capsule.

Dup destinaia lor, capsulele pot fi: manometrice (presiunea de msurat se introduce ninterior), care msoar diferena de presiune dintre un mediu interior i mediul exterior (fig.6);aneroide (n interior se realizeaz o rarefiere, putndu-se deci msura presiunea mediuluiexterior); umplute (n interior se introduc gaze, vapori, lichid).Utilizarea capsulelor n msurrilede presiune este avantajoas, deoarece se poate realiza o sgeat dubl n comparaie cu omembran 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 baterieifb este:

meb kf2kff == (4)

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

fm - deplasarea centrului unei membrane.

8


9/24

fig 6. capsula

Materialul din care se confecioneaz membranele ondulate i capsulele este bronzul cuberiliu (material cu o caracteristic stabil i pierderi mici prin histerezis 0,20,5%).

Caracteristica de funcionare a membranei ondulate se deduce prin nlocuirea membraneiondulate cu una plan, iar influena gofreurilor este luat n considerare prin introducerea unorcoeficieni de anizotropie la ntindere i ncovoiere pe direcie radial i circumferenial. Relaiafinal are forma:

3

4

4 y'b

y'a

E

pR

+

=

(5)

n care: a , b depind de coeficienii de anizotropie, precum i de coeficientul lui Poisson. Aceticoeficieni pot fi determinai direct cu ajutorul unor nomograme trasate funcie de nlimea

gofreurilor, (grosimea membranei) i caracteristicile constructive ale gofreurilor. Semnificaia

celorlalte notaii din relaia (5) este similar cu aceea din (2).

1.4.2. Tuburile ondulate (silfoanele)

Silfonul este un tub cilindric cu gofraje transversale pe suprafaa lateral. Forma generala unui silfon este prezentat n figura 7.

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 depresiune) tuburi ondulate cu diametrul 7150 mm i h = 0,080,3 mm, cu care se pot realizasensibiliti de ordinul 10-1 mm H2O. Profilul tuburilor este diferit funcie de modul n care esteutilizat. Astfel, de exemplu, dac solicitrile sunt de ntindere, profilul se execut cu un punct deinflexiune, pentru compresiune se folosesc profile drepte, etc.

9


10/24

fig7. Silfon fig.8 Tub Bourdon simplu

Sgeata care rezult n urma aplicrii unei presiuni p poate fi calculat considerndu-se,ntr-o prim aproximaie, tubul ondulat ca un sistem de plci inelare legate pe conturul exterior.

Rezult c sgeata y are forma:

3

2o

kEh

FrnA2y = (6)

n care: F este fora central care acioneaz axial asupra tubului; n- numrul de onduleuri; Ak-coeficient care depinde de materialul tubului i de geometria lui; h- grosimea; r0- razele de

curbur ale onduleurilor.Valorile coeficientului Ak depind de raportul ie RR .

1.4.3. Tuburi Bourdon

Tuburile Bourdon sunt tuburi cu perei subiri sau groi de forma unui arc de cerc avndla centru n jur de 250oC (fig.8). Deoarece din punct de vedere constructiv sunt relativ simplu deexecutat, au o mare rspndire n dispozitivele de msurare a presiunii. Deoarece sensibilitatea

10


11/24

este relativ mic, pentru obinerea unei deplasri apreciabile a captului liber se monteaz unmecanism 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 prezentaten figura 9.

Fig. 9 Seciuni de tub Bourdon: a) plan-oval; b) eliptic; c) n DSeciunile eliptic i plan-oval sub aciunea presiunii de msurat i mresc raza de curbur, darau o sensibilitate mai mic n raport cu aceea n form de D.

Ceea ce intereseaz n funcionarea ca element sensibil a tubului B este deplasarea

captului liber sub aciunea presiunii interioare din tub (presiunea de msurat) deplasare care seface n sensul ndreptrii tubului.

Presupunnd un tub Bourdon cu unghiul la centru


12/24

2

2

22

b12

h

1

bh

R

E

1p

+

=

, pentru tuburile cu perei groi

n care a, b, h, R sunt parametri constructivi ai tubului; , / coeficieni tabelai n funcie de

raportul a/b; este dat sub form de diagrame, funcie de 2ahR

Din (8) se observ c n cazului Bourdon exist o relaie liniar ntre deplasarea captuluiliber i presiunea p aplicat n interiorul tubului.

1.5. Traductoare de presiune integrate

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

Avantajele funcionale i constructive ale acestor traductoare sunt: domenii de presiuni(p) largi; precizia (0,25% 1%); sensibilitate ridicat (0,1% 0,5%); alimentare n cc (24 30 V); imunitate la ocuri mecanice i vibraii; gabarit redus; eroare de neliniaritate mic:(0,05% 0,1%); cuplare uoar n sistemele de msurare (sisteme de reglare automat, display);band larg a frecvenei de rspuns (0 Hz 50 kHz).

Structura unui astfel de traductor corespunde cerinelor de utilizare industrial. Schemabloc a unui traductor integrat de presiune diferenial este prezentat n figura 10.

Fig. 10. Structura unui traductor de presiune integrat

Pentru a-i mentine propietile de sensibilitate i precizie, schema traductorului conine unamplificator de semnal (A), un regulator de tensiune i un sistem de compensare a erorilorgenerate de variaia temperaturii.

12


13/24

Elementul sensibil este de tip piezorezistiv (rezistoare difuzate) montat pe un suportceramic.Acest senzor cuprinde o cavitate pentru referina de presiune, care poate fi vidat (ncazul traductoarelor de presiune absolut) sau este deschis, n cazul traductoarelor de presiunediferenial, figura 11.

Fig. 11.Element sensibil pentru msurarea presiunii difereniale.

Dac p1 este presiunea de referin, iar p2 este presiunea de msurat (p2>p1), diferena de presiunep=p2-p1, acionnd asupra senzorului piezorezistiv, va determina apariia tensiunii dedezechilibru la ieirea punii de msurare, care dup amplificare n preamplificatorul A esteaplicat etajului final (EF). Tensiunea de ieire (Ue) variz liniar cu presiunea p2 (figura 12).

Fig. 12. Dependena A n funcie de variaia referinei

Pentru prevenirea unor ocuri parazite, senzorul este montat pe un suport cu rol atenuator.

Dac se dorete msurarea presiunii unor fluide corozive, cuplarea senzorului se face prinintermediul unui fluid tampon (ulei siliconic), figura 11.

13


14/24

Senzorul de temperatur, acesta produce un rspuns neliniar, avnd o sensibilitate de 24

mV/C, fiind construit dintr-o diod Zener, al crui curent este limitat la 150 A de ctre o

rezisten montat ntre borna Ue i ieirea senzorului de temperatur. Componentele electronicedin figura 11, reprezint elementele adaptorului acestui traductor.

Erorile de msurare, n cazul traductorului integrat de presiune, sunt de dou categorii: eroriindependente (A), care nu depind de presiune; erori proporionale cu temperatura (B). Erorile de

tip A sunt cele mai mari i determin o deplasare a caracteristicii de transfer, ca n figura 10.31.

Pentru corectarea acestor erori se eantioneaz presiunea de referin (pref) i se extrage eroareaconform relaiei:

refC UUU = (9)

unde U este semnalul de ieire la o presiune de lucru oarecare; UC- acelai semnal corectat.

Se observ c panta caracteristicii U=f(p) nu se modific. n privina erorilor datorate variaiei de

temperatur (B), acestea au ca efect modificarea pantei caracteristicii de funcionare, iarcompensarea lor este mai dificil.

1.6. Traductoare de presiune cu lichid

Traductoarele cele mai reprezentative din aceast categorie utilizeaz elemente sensibilede tip clopot i tor osclant.

1.6.1. Elemente sensibile de tip clopot

Aceste elemente sunt utilizate ndeosebi la msurarea presiunilor mici, p presiunea atmosferic(p1), pe suprafaa interioar a clopotului va aciona o for suplimentar ascensional, care va

ridica clopotul pe vertical cu distana h.

14


15/24

Fig.13. 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,

Cu aceste notaii, deplasarea h a clopotului, sub aciunea unei presiunii p2, este dat de relaia:

+

+

+

=

D)d(4D

)2d(D

)d(4

dph

2

222

; (10)

Relaia (10) exprim o dependen liniar a deplasrii clopotului sub aciunea presiunii p. Dacse analizeaz sensibilitatea elementului sensibil, se observ c aceasta depinde de dimensiunile

constructive i de greutate specific () a lichidului din rezervor.

1.6.2. Tor oscilant

Elemente sensibile de tip tor oscilant sunt preferabile n cazul msurrii unor presiuni sau

diferene de presiuni mici (mm H2O), deoarece au o mare sensibilitate.

Schema de principiu a unui astfel de element sensibil este prezentat n figura 14.

15


16/24

Fig. 14 Element sensibil tip oscilant

Dac presiunile pe cele dou racorduri sunt egale (p1=p2), prghia T este orizontal, iarsistemul este n echilibru n raport cu axa aparatului. Dac p1 > p2, nivelul lichidului dinjumtatea stng a torului va cobor i va urca corespunztor n jumtatea dreapt. Diferena de

nivel h va fi proporional cu diferena p1- p2. n acelai timp torul se rotete cu un unghi fa

de axa de simetrie vertical. Notnd cu: S suprafaa interioar a torului; Rm raza medie atorului; G valoarea greutii; l distana de la centrul de greutate al sistemului la axa de rotaie,i innd seama de momentele care acioneaz asupra torului rezult:

== sinSR

Glppp

m21 (11)

Rezult c torul oscilant transform diferena de presiune ntr-un unghi, relaia defuncionare fiind neliniar. Sensibilitatea torului oscilant este cu att mai mare, cu ct S i Rmsunt mai mari, iar G i l sunt mai mici. Deoarece aceste ES cu lichid au ca mrime de ieire, odeplasare liniar sau unghiular, sunt necesare adaptoare care convertesc deplasarea unghiular(sau liniar) n semnal electric unificat Domeniul de msurare variaz de la civa mm H2O la2500 mm H2O (0,25 at).

16


17/24

1.7. Traductoare de presiune cu elemente piezoelectrice

Utilizarea elementelor piezorezistive a permis crearea n ultimii ani a unei categorii deelemente sensibile care au proprietatea remarcabil de a ngloba n aceeai unitate constructiv i

dispozitivul de conversie intermediar. Aplicarea industrial a acestei metode a condus laconstrucia unei game foarte variate de traductoare de presiune att ca domenii de lucru (game depresiune), ct i ca destinaie.

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

Rezistivitatea unui semiconductor se determin:

=en

1

(12)

n care: e- este sarcina electronului; n- numrul de purttori; - mobilitatea medie.

Aplicarea unei tensiuni, modific numrul de purttori i mobilitatea lor. Pentru unsemiconductor, aceste modificri depind de concentraia de purttori i de orientareacristalografic, n raport cu direcia de aplicare a solicitrilor.

Efectul piezoelectric se explic prin influena deformrilor mecanice asupra energiilorrelative ale benzilor de conducie i de valen, influen depinznd de direcia i mrimeasolicitrilor (presiune). Deformrile produc o mobilitate mai ridicat a purttorilor pe o anumit

direcie, fa de direcia perpendicular. In funcie de planul cristalografic i de direcie,mobilitile pot avea valori egale i semne opuse pe diverse direcii, ceea ce permite fabricareaunor dispozitive de compensare intrinsec la variaiile de temperatur.

Variaia rezistenei unui corp cu alungirea se poate deduce definind un factorpiezorezistiv, avnd valoarea:

0E21K ++= (13)

n care: este coeficientul lui Poisson; E0 - modulul de elasticitate al semiconductorului.

Primii doi termeni reprezint variaiile dimensionsale ale cristalului, n timp ce ultimul

reprezint variaiile rezistivitii cu solicitrile exterioare.

Prin introducerea de impuriti semiconductoare, se poate obine o mare varietate decaracteristici funcionale. Pentru semiconductoarele cu un numr ridicat de purttori, factorul Kdevine independent de alungire.

Aplicaiile industriale ale piezorezistivitii n domeniul msurtorilor de presiune se facn special, prin elemente rezistive difuzate ntr-o diafragm de monocristal de siliciu. Spre

17


18/24

deosebire de mrcile tensometrice (vezi cap.9), la care factorul de marc depinde de formadispozitivului, la elementele sensibile piezorezistive acest factor are forma:

= )/1(G (14)

n care are forma din (12).

1.8. Traductor de presiune realizat pe principiul balantei de forte

Functionarea este descris cu ajutorul schemei de principiu din figura 15.

Schema de principiu a traductorului

O crestere a presiunii aplicate provoac deformarea membranei si prin aceasta deplasarea bareiprincipale de fort. Printrun sistem de prghii (prghia vector) se produce deplasarea armturiiunui traductor inductiv de tip transformator (detector inductiv) a crui nfsurare primar estealimentat cu tensiune sinusoidal furnizat de un oscilator (bornele AB). nfsurarea secundareste conectat (bornele CD) la intrarea unui amplificator care constituie, mpreun cuoscilatorul, blocul electronic al traductorului.

Modificarea pozitiei armturii detectorului provoac cresterea curentului n circuitul de iesire, n

care se conecteaz n serie rezistenta de sarcin, sursa de alimentare si o bobin mobil dereactie, fixat solidar pe bara de reactie. Bobina mobil este situat n dreptul unui magnetpermanent cu inducTia magnetic de aproximativ 3500 Gauss. La modificarea curentului prinbobin, interactiunea (forta electromagnetic) dintre cmpul creat de magnetul permanent sicurentul ce parcurge bobina, provoac modificarea pozitiei barei de reactie si prin sistemul deprghii de reactie, readuce armtura detectorului n pozitia initial, echilibrul mentinnduse atttimp ct nu se modific presiunea aplicat la intrarea n capsula de msur.

18


19/24

n figura 16 se prezint schema electronic a ansamblului detector si

amplificatoroscilator.

Figura 16. Schema prtii electronice a traductorului de presiune

Schema electronic permite o ajustare a gamei de msur prin alegerea corespunztoare a

modului de legtur ntre bornele G si F, n domeniile: inferior (legtur direct, pozitia 1),

mediu (legtur prin 2, 7k, pozitia 2), superior (legtur prin 3, 9k, pozitia 3).

Traductorul studiat functioneaz cu intrare n gama 0...15000 mm H2O (aprox. 1,5 at.),

cu o precizie de 0,5%. Tensiunea de alimentare a traductorului este de 24...60V c.c., avantajul

utilizrii unei game largi, pentru tensiunea de alimentare, fiind acela c permite utilizarea unor

rezistente de sarcin diferite, alegerea adecvat a tensiunii n functie de rezistenta de sarcin se

face cu ajutorul diagramei din figura 17.

19


20/24

Figura 18. Diagrama rezistent de sarcintensiune de alimentare

2. Masurarea nivelului

n tehnic, nivelul se definete ca fiind nlimea h [m] la care se afl suprafaa de separaie a

dou medii fluide cu proprieti diferite, n raport cu un reper dat.

In automatizrile industriale, traductoarele de nivel au o larg utilizare nu numai prin

faptul c nivelul reprezint un parametru important pentru desfurarea anumitor procese

tehnologice, intervenind astfel n numeroase bucle de reglare, ci i pentru posibilitile pe care le

ofer de a obine, relativ uor, msurarea indirect a cantitilor de materiale exprimate sub

form de volum sau de mas.

Tipurile de traductoare de nivel utilizate n automatizrile industriale sunt:

- traductoare de nivel cu plutitor;

- traductoare de nivel cu imersor;

- traductoare de nivel bazate pe msurarea presiunii hidrostatice;

- traductoare de nivel ultrasonice;

- traductoare de nivel cu radiaii nucleare;

- traductoare de nivel cu sonde rezistive, capacitive, inductive;

20


21/24

- traductoare de nivel cu elemente termosensibile.

2.1.Traductoare de nivel cu imersor

Traductoarele de nivel cu imersor i bazeaz funcionarea pe proprietatea corpurilor

scufundate ntr-un lichid de a fi impinse de jos n sus cu o for egal cu greutatea de volum

dislocuit (fora ascensional sau fora arhimedic). Imersorul este un tub cilindric ce efectueaz o

deplasare odat cu modificarea nivelului, dar i o imersare n lichid, proporional cu creterea

nivelului. Adncimea de scufundare a imersorului este variabil, iar poziia lui este determinat

de echilibrul dintre greutatea proprie, fora arhimedic i reaciunea din elementul de suspensie.

n cele mai multe cazuri, ca element de suspensie se folosete un bra solidar cu un tub de

torsiune, care servete i ca element de transmitere n afara vasului a poziiei imersorului, deci a

nivelului, fr a fi nevoie de elemente de etanare (figura 18).

Unghiul de torsiune al captului interior al tubului constituie o msur a cuplului

reactiv de torsiune i, implicit, o msur a nivelului din interior. Cnd nivelul se afl sub cota h0,

toat greutatea imersorului este echilibrat de reaciunea din tubul de torsiune pe baza relaiei:

GC

r

M=

,

unde M este unghiul maxim de torsiune, C o constant de rigiditate a tubului de torsiune,

iarr braul cuplului.

Cnd nivelul depeste cota h0, imersorul se deplaseaz n sus pe nlimea h1 i, n

acelasi timp, se scufund n lichid pe adncimea h2, astfel nct greutatea lui s fie echilibrat de

reaciunea din tubul de torsiune i de fora arhimedic. n condiii de echilibru static avem:

G ShC

r

C

r

h

rM M

= = 21( ) ( ) ,

unde este masa specific a lichidului iarS seciunea transversal a imersorului.

21


22/24

Fig.18Schema de principiu a traductorului de nivel cu imersor.

Din cele dou relaii obinem dependena dintre deplasarea h2 a imersorului i adncimea

de scufundare a acestuia:

hC

Srh kh2 2 1 1

= = .

Nivelul din vas se determin cu relaia:

h = h0 + h1 + h2 = h0 + h1(1+k) = h0 + r (1+k) .

Adaptorul deplasare-curent AD preia deplasarea unghiular a axului A i o amplific

de circa 2 ori cu ajutorul unui sistem de prghii cu lungimi reglabile, astfel nct s se obin o

deplasare unghiular standard 016o. Aceast deplasare este transmis rotorului unui circuit

(modulator) magnetic, care genereaz un semnal alternativ (1000 Hz) proporional. Prin

amplificare i convertire (demodulare), la ieirea adaptorului este obinut un semnal continuu

unificat 210 mA sau 420 mA.

Pentru msurarea nivelului lichidelor aflate sub presiune (pn la 20 bar), traductorul cuimersor este prevzut cu carcasa de protecie, montat pe pereii rezervorului prin dou prize de

legtura (deasupra i dedesubtul liniei de nivel). La acest traductor, tubul elastic de torsiune

ndeplinete i funcia de etanare, mpiedicnd ptrunderea gazului sub presiune n interiorul

adaptorului.

22


23/24

Traductoarele de nivel cu imersor au domeniul de msurare de la 0250 mm pn la 0

1000 mm, asigurnd o precizie de 0,5%. Pe lng fiabilitatea ridicat, aceast categorie de

traductoare este avantajoas de aplicat la medii cu variaii mari de temperatur (ntre 155oC i

+450oC), la recipiente aflate sub presiune.

Traductoarele cu imersor mai pot fi utilizate la msurarea nivelului de interfa a dou

lichide cu densiti diferite i la msurarea densitii (caz n care imersorul funcioneaz cufundat

complet n lichid).

2.2.Traductoare de nivel bazate pe principii electrice

Se bazeaza pe modificarea unui parametru de circuit electric (rezist, capacit) sub actiuneanivelului de masurare. Aceste trad sunt larg utilizate datorita proprietatiolor:-simplitatea constructiva atat pt elem sens cat si pt adaptor.Nu au componente in miscare suntlarg utilizate ca semnalizatoare de nivele limita

2.3. Traductoare de nivel de tip rezistiv

Presupune o conductibilitate minima a lichidului de cel putin 2*10-3 g/m si care secomporta ca un scurt circ. Facut fie intre rezerv metalic si sonda electrod fie intre 2 sondeelectrod atunci cand rezervorul este nemetalic.

2.4. Traductoare de nivel capacitive

Functionarea se bazeaza pe modif capacit electrice formata intre o sonda electrod sirezervor sub actiunea lichidului de lucru sau cel mai frecv pe modificarea capacit unei sondecilindrice alcat din 2 electrozi coaxiali. Cand rezervorul este gol:

d

DC

H

ln

20

0

=

Daca lichidul e la inaltimea h:

]1)1([

ln

2

ln

)(2

ln

2

0

0

0

0

+=

=

+=

=+=

r

r

r

C

H

Hh

H

h

d

D

H

d

D

hH

d

D

HC

23


24/24

C+ capacitatea contine termeni rezultati din sonda cilindrica si pereti rezerv respectiv izolatiafolosita in cadrul sondei cilindrice. Plus cablul ecranat prin care asig legat cu adaptorul.Se obtine o variatie liniara a capacit echivalente functie de gradul de umplere(h). Aplicatiile sunt deasemenea

multiple in lichide sub presiune, lichide corozive sau necorozive.

24

Traductoare de Presiune Si de Nivel

Documents

Transcript of Traductoare de Presiune Si de Nivel