5. MĂSURAREA MĂRIMILOR NEELECTRICE

5.1. Principii generale ale măsurării electrice a mărimilor neelectrice Realizarea sistemelor de măsurare şi reglare automată a proceselor

tehnologice moderne necesită un flux continuu de informaţii de la mărimile măsurate şi reglate.

Elementele care realizează convertirea unei mărimi de intrare Xi (neelectrică) într-o mărime de ieşire Xe (tensiune, curent, sarcină electrică, rezistenţă, impedanţă) se numesc traductoare.

Xi Xe

Un traductor este format dintr-un element sensibil (senzor) care măsoară

mărimea neelectrică şi un adaptor electronic.

Mărimea intermediară (ieşirea din elementul sensibil) poate fi o rezistenţă, inductanţă, capacitate, etc., dependentă după o anumită lege de mărimea neelectrică măsurată. Această mărime, aplicată adaptorului electronic, se converteşte într-un semnal electric purtător al informaţiei măsurate.

5.1.1. Clasificarea traductoarelor

1. După forma semnalului electric obţinut: Traductoare analogice, la care semnalul produs depinde continuu de mărimea de intrare;

Traductoare numerice, la care semnalul de ieşire variază discontinuu (datorită unei operaţii de cuantificare), după un anumit cod (operaţie de codificare).

2. După numărul de transformări efectuate şi modul de interconectare:

T

Xi Xe Adaptor electronic

Element sensibil Mărime

neelectrică Semnal electric

U[V] I[mA]

TRADUCTOR

60

Traductoare directe care realizează o singură transformare; Traductoare complexe care înglobează mai multe tipuri de traductoare directe.

3. După domeniul de utilizare: de presiune, de debit, de temperatură, de deplasare, de nivel, etc.

4. După natura mărimii de ieşire: Traductoare cu elemente sensibile parametrice, la care mărimea de ieşire din elementul sensibil este un parametru de circuit electric: rezistenţă, inductivitate, capacitate. Se mai numesc traductoare pasive deoarece necesită sursă de energie auxiliară.

Traductoare cu elemente sensibile generatoare, la care mărimea de ieşire din elementul sensibil este o tensiune electromotoare termoelectrică, piezoelectrică, fotoelectrică, electrochimică sau de inducţie. Se mai numesc traductoare active.

5.1.2. Circuite de măsurare pentru traductoare

Cerinţe impuse circuitelor de măsurare:

Asigurarea unei precizii maxime Se utilizează frecvent circuite de măsurare de tipul punţilor care funcţionează

în regim dezechilibrat (în cazul traductoarelor parametrice) şi compensatoare de tensiune sau curent continuu (în cazul traductoarelor generatoare).

Măsurarea continuă a mărimilor neelectrice Impune utilizarea circuitelor de măsurare constituite din punţi, sau din

compensatoare neechilibrate, sau cu echilibrare automată. Măsurarea centralizată şi la distanţă a mai multor mărimi neelectrice

Această necesitate impune adaptarea mărimilor de ieşire ale traductoarelor la aparatele de măsură sau de înregistrare. Rolul adaptorului electronic este acela de a converti semnalul generat de elementul sensibil într-un semnal electric de ieşire (Xe), de regulă unificat. Semnalele de ieşire fiind unificate, rezultă că etajele de ieşire ale adaptoarelor electronice sunt similare pentru acelaşi tip de semnal unificat. Diferenţe constructive apar în partea de intrare a adaptorului electronic, unde se aplică mărimile furnizate de diferite elemente sensibile.

5.1.2.1 Adaptoare pentru elemente sensibile de tip parametric Ţinând seama că adaptoarele de acest tip transformă variaţiile parametrilor R, L, C în tensiune sau curent electric, rezultă că etajele de intrare în aceste adaptoare utilizează punţi de curent continuu sau alternativ, funcţionând în regim dezechilibrat. La ieşirea punţilor de măsurare se obţine un semnal de dezechilibru care este amplificat şi convertit de etajul final al adaptorului, în semnal unificat.

61

Dacă elementul sensibil prezintă neliniarităţi importante atunci se prevăd în schema adaptorului blocuri de liniarizare (sub forma unor generatoare de funcţii) plasate fie pe calea directă, fie pe calea de reacţie a adaptorului.

Structura unui adaptor pentru un element sensibil rezistiv este prezentată în figura de mai jos:

SM – schemă de măsurare tip punte Wheatstone în curent continuu care funcţionează în regim dezechilibat;

BC – bloc de comparaţie care calculează diferenţa ΔU = Ud – Ur ; A – amplificator de tensiune continuă; CTC – convertor tensiune – curent care asigură semnalul unificat de curent la ieşire IC = [4…20] mA; BR – bloc de reacţie negativă care furnizează tensiunea Ur, proporţională cu semnalul unificat Ic. Se realizează de obicei dintr-un divizor rezistiv de tensiune sau de curent. În unele cazuri blocului de reacţie i se ataşează şi un circuit de liniarizare (BRL); BL – bloc de liniarizare introdus atunci când este necesar să se compenseze neliniarităţile generate de elementul sensibil sau puntea de măsurare. Se realizează cu diode Zener, tranzistoare etc., care introduc în mod intenţionat neliniarităţi de sens opus celor furnizate de elementele sensibile sau de schemele de măsurare.

5.1.2.2 Adaptoare pentru elemente sensibile de tip generator

Adaptoarele au în principiu aceeaşi structură ca în figura de la adaptoarele pentru elementele sensibile de tip parametric, dar lipseşte schema de măsurare (SM). Semnalul dat de elementele sensibile se aplică direct la intrarea amplificatorului. Dacă există reacţie, comparaţia se realizează într-un singur montaj diferenţial de tensiune. Deoarece lipseşte schema de măsurare (SM) care printr-o proiectare adecvată realiza şi o adaptare de impedanţă, amplificatoarelor folosite în cadrul acestor adaptoare li se impun o serie de

62

cerinţe care sunt strâns legate de caracteristicile semnalului generat de elementele sensibile. Celelalte blocuri funcţionale din schema de principiu sunt aceleaşi cu cele descrise la adaptoarele pentru elementele sensibile de tipul parametric. Semnalele generate de elementele sensibile, cele mai frecvent întâlnite sunt următoarele : - tensiunile continue de nivel foarte redus; - tensiunile alternative cu frecvenţă variabilă în limite largi; - tensiunile continue sau alternative obţinute de la surse cu impedanţă proprie foarte mare.

Măsurarea tensiunii de nivel foarte redus (de ordinul mV), cum este cazul termocuplurilor, este afectată de deriva tensiunii de decalare datorită rezistenţei sursei de semnal, care este relativ mică.

Exemplu: Termocuplul Pt. Rh-Pt are o sensibilitate de ordinul 10μV/ºC, iar amplificatorul are o derivă de tensiune de 15μV/ºC, rezultă că la o variaţie a temperaturii de 10ºC, deriva va fi de 150 μV ceea ce corespunde unei erori de temperatură de 15ºC, evident neacceptabilă. Pentru reducerea derivelor, deci a erorilor de măsurare se utilizează amplificatoare integrate de măsurare, cu performanţe ridicate care pot asigura derive de 0,25 μV/ºC sau 0,1 μV/ºC, la fel ca cele realizate de amplificatoarele cu modulare-demodulare, dar mult mai ieftine şi mai simple.

În cazul traductoarelor electromagnetice (tahogeneratoare, traductoare de debit cu turbină etc.) care utilizează semnale alternative cu frecvenţă variabilă în limite largi, se folosesc amplificatoare de bandă largă (1Hz …106 Hz), care au cuplaje RC între etaje şi au reacţie negativă, pentru a asigura liniaritatea şi amplificări constante pe întreaga bandă. Celelalte blocuri funcţionale sunt aceleaşi cu cele descrise la adaptoarele pentru elementele sensibile de tipul parametric.

5.2. Măsurarea mărimilor geometrice 5.2.1. Măsurarea deplasărilor

Unitatea de măsură pentru deplasările liniare este metrul [m] cu submultiplii

milimetrul [mm] sau micromertul [μm]. Pentru deplasări unghiulare se foloseşte gradul hexazecimal [o], cu submultiplii minutul şi secunda. Uneori, se foloseşte radianul [rad].

63

5.2.1.1. Traductoare analogice de deplasare

Sunt de mai multe tipuri: traductoare rezistive de deplasare, traductoare inductive de deplasare, traductoare transformator de deplasare, traductoare capacitive de deplasare, traductoare fotoelectrice de deplasare.

Traductoare rezistive de deplasare Elementele sensibile ale traductoarelor rezistive cu variaţie cvasicontinuă

a rezistenţei electrice sunt realizate prin bobinare cu pas uniform şi mic a unui fir conductor pe un suport din material izolator (ceramică).

Elementele sensibile al traductoarelor de deplasare asigură

proporţionalitatea dintre rezistenţă şi deplasare

R = S d ,

unde: R - rezistenţa traductorului, S - sensibilitatea traductorului, d – deplasarea.

A

C

B

d

d max

A

C

B

d max

d

Traductor rezistiv liniar Traductor rezistiv unghiular

Firul conductor se realizează din materiale care au coeficientul de variaţie al rezistivităţii ρ cu temperatura foarte mic, cum ar fi manganina, constantanul, nicronul. Pentru cursor se utilizează lamele sau perii din fire de argint cu grafit, iar pentru carcasă se folosesc materiale ceramice cu bună izolaţie şi stabilitate la variaţia temperaturii.

64

Schemele de conversie la traductoarele de deplasare cu elemente sensibile rezistive sunt de două tipuri:

• Montajul reostatic

SRE

Deplasarea (x) se exprimã prin curentul , conform relaţiei : xI

xRSR

ExI

+=

care indică o caracteristică statică neliniară. • Montajul potenţiometric

Aplicaţiile acestor traductoare se limitează la măsurarea deplasărilor în

domeniul (100…300) mm. Elementele sensibile rezistive trebuie protejate împotriva prafului sau altor

impurităţi prin capsulare.

Dezavantaje: Variaţia rezistenţei la deplasarea cursorului nu se face continuu, ci în trepte egale cu rezistenţa unei spire;

Necesită o forţă de acţionare relativ mare faţă de celelalte traductoare; Se uzează mai repede datorită frecării dintre cursor şi elementul rezistiv.

65

Avantaje: Semnalul de ieşire este de ordinul milivolţlor până la ordinul volţilor, deci nu este nevoie de etaje de amplificare pentru afişarea rezultatului pe un instrument;

Simplitate constructivă; Raport favorabil între dimensiunea traductorului şi deplasarea maximă de măsurat.

Traductoare inductive de deplasare

L – L0 = S d ,

unde: L - inductivitatea, L0 - inductivitatea de referinţă, S - sensibilitatea, d - deplasarea de măsurat

Traductoare inductive cu miez mobil Măsoară deplasări în gama ± 1 mm, dar şi până la ± 100 mm. Varianta diferenţială este cea mai larg răspândită.

L 1

L 2

M

L1, L2 - bobine identice M - miez mobil Când miezul mobil se găseşte într-o poziţie simetrică faţă de bobinele L1

şi L2, tensiunea de alimentare a traductorului se divizează 1:2. Aceasta este poziţia de referinţă.

Traductoarele se alimentează cu tensiune alternativă cu frecvenţa între 1kHz şi 50 kHz.

Construcţia şi funcţionarea traductorului inductiv diferenţial cu miez mobil se prezintă conform figurii de mai jos.

66

Traductorul este realizat din două bobine identice (1) montate coaxial, în care se poate deplasa axial un miez feromagnetic (2). Miezul feromagnetic este fixat rigid la capătul unei tije palpatoare din material paramagnetic (3), celălalt capăt al tijei fiind fixat de piesa a cărei deplasare se măsoară. Când miezul mobil se găseşte introdus în interiorul bobinelor astfel încât aparţine în mod egal ambelor bobine (poziţie simetrică faţă de bobine), tensiunea de alimentare a traductorului se divizează egal pe bobine. Dacă din această poziţie de referinţă, care corespunde unei deplasări de valoare zero, miezul se deplasează intrând mai mult într-o bobină şi ieşind cu aceeaşi cantitate din cealaltă bobină, variaţiile inductivităţilor bobinelor sunt de semne contrare (traductor inductiv diferenţial). De obicei miezul mobil are o lungime de (0,2…0,8) din lungimea ansamblului bobinelor, deplasarea maximă care se măsoară fiind aproximativ 0,1 din lungimea miezului.

Schema electrică a montajului utilizat pentru măsurarea deplasării liniare este prezentată în figura următoare.

Transformatorul este cu priză mediană în secundar şi de aceea bobinele din secundar sunt identice. Se poate scrie că 43 LL = . De asemenea, prin 21 LL =

3

1 2

d Transformator cu priză mediană

14 în secundar

U

L4

L3

6

5

3

2

L2

L1

V230Vc.a.

67

construcţia traductorului cu bobine identice şi prin aşezarea miezului mobil în poziţia corespunzătoare deplasării zero.

Funcţionarea schemei electrice poate fi înţeleasă mai uşor dacă se va avea în vedere schema echivalentă în punte a montajului.

Ualimentare U

5 2

3,6

1,4

L4

L3

L2

L1

În cele patru braţe ale punţii se află amplasate bobinele traductorului şi cele ale secundarului transformatorului. Puntea funcţionează în regim neechilibrat şi tensiunea de dezechilibru din diagonala de măsură reprezintă tensiunea de ieşire a traductorului. Dezechilibrarea punţii se obţine prin variaţia diferenţială a inductivităţilor L1 şi L2 ale bobinelor traductorului, atunci când miezul feromagnetic mobil se deplasează sub acţiunea mărimii de intrare a traductorului.

Pentru o deplasare măsurată de valoare zero, puntea se află la echilibru deoarece , şi tensiunea de ieşire 21 LL = 43 LL = 0=U . Valorile efective ale tensiunii U măsurate cu voltmetrul vor prezenta simetrie faţă de poziţia de echilibru a punţii (deplasări într-un sens şi în celălalt al miezului faţă de poziţia pentru care 0=d ).

Traductoare capacitive de deplasare Traductoarele capacitive pentru deplasări liniare folosesc ca elemente

sensibile, condensatoare plane, la care se poate modifica unul din cei trei parametri ai relaţiei ce exprimă capacitatea C a condensatorului:

x

SCsauSC±⋅

=⋅

=δε

δε

;

δ – distanţa dintre armături S – suprafaţa activă a armăturilor ε – permitivitatea dielectricului dintre armături

Traductoare capacitive cu modificarea distanţei dintre armături (δ).

68

Elementul sensibil (ES) este un condensator plan prevăzut cu o armătură fixă (AF) şi una mobilă (AM). Armătura mobilă este susţinută cu ajutorul a două arcuri şi poate fi deplasată cu valoarea x, modificând distanţa δ, faţă de valoarea de referinţă . 0δ

a- soluţie constructivă; b – caracteristica statică

Elemente sensibile capacitive cu modificarea suprafeţei active dintre armături.

Se consideră armăturile unui condensator plan cu dimensiunile a, b şi se notează cu x deplasarea relativă a unei armături faţă de cealaltă.

La acest element sensibil se obţine o dependenţă aproximativ liniară între capacitate

şi deplasarea x a unei armături.

5.2.1.2. Traductoare digitale de deplasare Au ca mărime de ieşire impulsuri electrice al căror număr sau rang

corespund poziţiei corpului a cărui deplasare se măsoară. Traductoarele digitale de deplasare sunt compuse în principal dintr-o riglă de măsurare liniară sau circulară şi unul sau mai multe capete de citire optice sau cu perii colectoare.

69

Riglele de măsurare circulare se folosesc şi pentru măsurarea deplasărilor unghiulare.

Riglele de măsurare pot fi incrementale sau absolute.

Rigla de măsurare incrementală Poate fi liniară sau circulară.

Pe rigla incrementală există un singur tip de diviziuni, care au aspectul de

grilaje. Când există o mişcare relativă între rigla de măsurare şi capul de citire, se

produce la ieşirea capului de citire câte un impuls electric pentru fiecare reper baleiat de pe riglă. Impulsurile electrice se înregistrează într-un numărător electronic şi reprezintă o măsură a deplasării.

Dezavantajele sistemelor de măsurare incrementale: Pierderea unui impuls sau un impuls parazit provoacă erori de măsurare;

În cazul întreruperii tensiunii de alimentare a sistemului de măsurare, indicaţia numărătorului este pierdută şi măsurarea trebuie repetată.

Rigla de măsurare codată (rigla absolută) Are o divizare în cod.

1

2

3

4

5 Există câte un cap de citire pe fiecare pistă şi se obţine o informaţie

paralelă care, decodificată, determină poziţia relativă riglă – ansamblul capetelor de citire. Măsurarea are caracter absolut şi de aceea se numesc rigle absolute.

Avantaje: La întreruperea tensiunii de alimentare, informaţia nu este pierdută; Impulsurile parazite nu deranjează;

Dezavantaje:

70

Costul mare al riglei; Necesitatea introducerii unei unităţi de calcul pentru deplasarea zeroului.

5.2.2. Măsurarea nivelului

Măsurarea nivelului se realizează în recipiente deschise sau în recipiente sub

presiune.

5.2.2.1 Traductoare de nivel cu plutitor Sunt traductoare complexe cu transformări succesive de mărimi.

Traductorul primar (mecanic) este un traductor de deplasare cu plutitor de suprafaţă sau cu imersie (corp plonjor), iar traductorul electric este de tip reostatic sau inductiv.

Plutitor cu traductor reostatic (pentru recipiente deschise)

1

2

3

G = FA m g = ρ V g ,

unde: m - greutatea plutitorului, V - volumul de lichid dislocuit.

h R Δh ΔR

Plutitor cu traductor inductiv şi tub sub presiune

71

Corp plonjor suspendat de resort şi traductor inductiv

Notând cu A secţiunea corpului plonjor şi cu h adâncimea de cufundare a corpului, forţa arhimedică

FA = ρ V g = ρ A h g este egală cu suma dintre greutatea G a corpului şi forţa elastică dată de resortul cu constanta elastică k

ρ A h g = k x + G x fiind deplasarea corpului (comprimarea resortului).

5.2.2.2 Traductoare de nivel electrice directe Sunt traductoare de tip capacitiv la care capacitatea variază în trepte (prin

scurtcircuitarea succesivă a unor electrozi) sau continuu odată cu modificarea nivelului de lichid din recipient.

Traductoare de nivel la care capacitatea variază în trepte

72

Contactele sunt închise de lichidul conductor (capacitate variabilă). Se folosesc la supravegherea nivelului în rezervoare de apă, lacuri de

acumulare, etc., împreună cu relee de semnalizare (nivel ridicat sau scăzut) sau pentru menţinerea automată a nivelului între două limite date.

Traductoare de nivel la care capacitatea variază în mod continuu

Se bazează pe variaţia capacităţii unui traductor în care lichidul joacă rol fie de electrod, fie de dielectric. În primul caz lichidul trebuie să fie bun conducător de electricitate. În al doilea caz, se folosesc frecvenţe suficient de înalte pentru ca lichidul să se comporte practic ca un dielectric.

Cel mai simplu traductor capacitiv de nivel este o tijă metalică verticală, izolată. Lichidul reprezintă al doilea electrod al traductorului.

În categoria traductoarelor de nivel electrice directe intră şi traductoarele

rezistive. Pentru lichidele conductoare se foloseşte variaţia rezistenţei coloanei de lichid cu nivelul acestuia. Rezistenţa se măsoară, de exemplu, între două sonde metalice verticale.

Pentru o măsurare în trepte (discontinuă) se utilizează un lanţ de rezistoare care sunt practic scurtcircuitate la creşterea nivelului lichidului.

73

5.3 Măsurarea mărimilor mecanice 5.3.1 Măsurarea deformaţiilor Deformaţiile elastice produse de forţele mecanice care acţionează asupra

elementelor de construcţii sau asupra organelor de maşini, se măsoară cu traductoare tensometrice.

Traductoare tensometrice rezistive

Principalele caracteristici ale mărcilor tensometrice sunt determinate de natura materialului din care acestea se realizează. Din acest punct de vedere, mărcile tensometrice se grupează în următoarele patru categorii: a) mărci tensometrice din conductor metalic; b) mărci tensometrice din folii metalice; c) mărci tensometrice obţinute prin depuneri metalice; d) mărci tensometrice semiconductoare.

a) Mărci tensometrice din conductor metalic Dacă conductorul din care este realizată marca tensometrică are rezistenţa

AlR ⋅

=ρ

şi este supus la întinderi sau la compresiuni, variază în general mărimile l (lungimea firului, A (aria secţiunii firului) şi ρ (rezistivitatea firului).

Mărcile aderente prin lipire (numite mărci lipite) sunt fixate cu un adeziv special pe suprafaţa piesei supusă la efort. Cea mai răspândită configuraţie este cea din figură şi constă dintr-un filament de sârmă subţire, dispus în zig-zag şi cimentat la bază. Conductoarele de legătură se sudează, prin procedee speciale, la terminalele filamentului pentru a facilita conexiunile electrice

74

externe. Lungimea configuraţiei (exclusiv conexiunile) reprezintă lungimea activă l a mărcii.

Mărcile transferabile se execută pe suporturi adezive, care se dispun pe suprafaţa piesei supusă la efort, fără alt liant. Materialul suport este de obicei plasticul (vinil) sau poliesterul, poliamida, azbestul etc.

Mărcile sudabile se montează pe suporţi metalici (de dorit acelaşi metal ca şi suprafaţa pe care se fixează). Fiind de dimensiuni reduse, montarea pe suprafaţa solicitată se face prin tehnici speciale de microsudură (în puncte). b) Mărci tensometrice din folii metalice. Acestea sunt realizate după tehnologia circuitelor imprimate şi au dimensiuni mai reduse. Materialul foliei este nicromul (Ni-Cr) sau constantanul. Aceste mărci sunt utilizate atunci când pentru măsurarea forţelor mari, nu sunt suficient de robuste mărcile din conductor metalic. În figură se prezintă trei configuraţii tipice de mărci tensometrice realizate din folii metalice.

Mărci tensometrice din folii: a) – lăţime normală; b) – lăţime sporită;

c) – de tip rozetă

c) Mărci tensometrice obţinute prin depuneri metalice

75

Aceste mărci se realizează direct pe suprafaţa solicitată la eforturi prin metode de bombardare cu particule după ce aceasta a fost acoperită cu un strat izolator. Avantaje: dimensiuni reduse şi rezistenţă la temperaturi înalte (≤1200°C ).

d) Mărci tensometrice semiconductoare

Principalul avantaj oferit de mărcile tensometrice semiconductoare este sensibilitatea foarte mare. Dezavantajul datorat neliniarităţilor pronunţate se poate compensa prin utilizarea unor mărci care au coeficient negativ de variaţie a rezistivităţii. O altă metodă de liniarizare a caracteristicii de transfer constă în pretensionarea iniţială (înainte de montaj) a mărcii semiconductoare pentru a stabili punctul de funcţionare în zona liniară.

Mărcile tensometrice sunt conectate în punţi de măsurare care funcţionează în regim dezechilibrat, iar semnalul de dezechilibru al punţii este amplificat şi folosit pentru a indica o mărime proporţională cu deformaţia de măsurat (tensometre cu indicaţie directă). Majoritatea tensometrelor lucrează cu puntea de măsurare alimentată în curent alternativ, astfel încât amplificarea semnalelor mici de dezechilibru este mai simplă.

Dintre braţele punţii de măsurare, un braţ, două sau toate patru pot fi constituite din traductoare active; celelalte braţe sunt constituite din rezistoare pasive. De obicei, în două braţe adiacente sunt montate traductoare de acelaşi tip (ambele active sau numai unul activ), pentru asigurarea compensării variaţiilor cu temperatura a rezistenţelor punţii. Variaţiile temperaturii pot produce erori datorate coeficientului αR de variaţie a rezistenţei cu temperatura şi dilatărilor diferite ale firului rezistiv şi ale piesei măsurate.

La alegerea schemei de conectare se ţine seama de faptul că efectele din două braţe (laturi) adiacente ale punţii se scad, iar efectele din două braţe (laturi) opuse se adună.

Compensarea erorii datorate temperaturii se realizează în următoarele variante:

a) cu o marcă de compensare Rc inactivă

Δ Δ θΔ θ

Δ

b) cu două mărci active

76

Δ Δ

Δ

c) cu patru mărci active

Δ

Δ

Δ

Δ

Δ

5.3.2 Măsurarea forţelor

Prin utilizarea elementelor elastice cum sunt traductoarele mecanice primare, măsurarea forţelor se reduce la măsurarea deformaţiilor, traductorul complex rezultat numindu-se dinamometru tensometric.

a) Dinamometre tensometrice Se construiesc cu traductoare tensometrice rezistive sau cu traductoare

inductive. Cântarele electrice cuprind în construcţia lor dinamometre tensometrice, măsurarea masei reducându-se la măsurarea forţelor gravitaţionale.

b) Traductoare magnetoelastice Se bazează pe variaţia permeabilităţii magnetice μ a unor corpuri

feromagnetice sub acţiunea deformaţiei din material, producându-se prin aceasta variaţia inductivităţii unei bobine sau a cuplajului dintre două bobine.

c) Traductoare piezoelectrice Sunt realizate din cristale de cuarţ (tăiate convenabil din cristalul natural)

sau alte materiale piezoelectrice care au proprietatea de a se polariza dielectric sub efectul unei deformări provocate de o forţă de compresiune.

Traductoarele piezoelectrice se realizează sub forma unei singure plăci supuse la compresiune sau a unui ansamblu de plăci suprapuse şi conectate electric în paralel pentru obţinerea unei impedanţe de ieşire mici, sau în serie pentru obţinerea unor tensiuni de ieşire mari.

77

Se folosesc în general la măsurarea forţelor în regim dinamic.

5.3.3. Măsurarea cuplurilor de forţe Cuplurile de forţe (momentele de torsiune) care se transmit prin axe de

rotaţie se pot măsura cu ajutorul aparatelor şi instalaţiilor numite torsiometre. Acestea se bazează pe măsurarea deformaţiei unui element elastic, sau pe măsurarea decalajului care apare între anumite impulsuri.

a) Torsiometre cu traductoare tensometrice Se realizează cu ajutorul a patru traductoare lipite pe suprafaţa axului la

450 şi conectate în punte. Amplasarea aceasta se face în scopul obţinerii unei sensibilităţi maxime şi pentru compensarea erorilor de măsurare datorate temperaturii.

Tensiunea de dezechilibru a punţii, care este proporţională cu deformaţia

elastică, variază liniar cu cuplul de torsiune măsurat. Asigurarea legăturii electrice între elementul sensibil, aflat în mişcare de

rotaţie şi adaptorul electronic imobil, este realizată cu ajutorul colectoarelor de măsură speciale. Rezistenţa electrică de contact a colectoarelor poate introduce erori suplimentare.

Soluţiile posibile pentru eliminarea acestor erori de măsurare sunt următoarele:

S1: Colectoarele sunt plasate în diagonalele de alimentare şi de măsurare ale punţii pentru ca rezistenţa de contact să nu intervină în echilibrul punţii.

78

S2: Utilizarea transformatoarelor de construcţie specială, transformatoare rotative şi obţinem torsiometre fără colector.

Unul din transformatoare asigură alimentarea punţii de traductoare, în

timp ce al doilea transmite semnalul de dezechilibru al punţii la intrarea tensometrului electronic.

b) Torsiometre cu traductoare capacitive Elementul sensibil este un condensator format din două piese concentrice

tubulare, solidarizate în două secţiuni ale axului, care au un interstiţiu de câteva sutimi de milimetru. Cele două piese reprezintă armăturile condensatorului. Piesa tubulară exterioară are pe suprafaţa sa interioară o serie de caneluri longitudinale; în mod similar este prelucrată suprafaţa exterioară a tubului interior.

79

? o

O perioadă a variaţiei capacităţii condensatorului corespunde unei

deplasări relative între cei doi electrozi cu o canelură. Montarea traductorului se realizează astfel încât, în absenţa momentului

de torsiune, capacitatea condensatorului să corespundă valorii medii. c) Torsiometre cu traductoare de impulsuri Semnalele furnizate de traductoarele de impulsuri conţin informaţia

asupra momentului de torsiune (defazajul dintre impulsuri), dar şi asupra turaţiei (frecvenţa impulsurilor).

Aceste traductoare nu necesită prezenţa unor colectoare cu contacte pentru preluarea semnalelor electrice furnizate.

Particularitatea este aceea că nu pot fi utilizate decât pentru măsurarea cuplului arborilor aflaţi în mişcare de rotaţie.

Cele mai răspândite traductoare cu impulsuri sunt traductoarele de inducţie.

80

Traductorul constă din două roţi dinţate de oţel, plasate în două secţiuni

diferite ale axului, în dreptul fiecăruia găsindu-se câte un magnet permanent şi o bobină, astfel încât la trecerea dinţilor roţilor să provoace o variaţie de reluctanţă. În timpul rotirii axului se obţin două succesiuni de impulsuri, între care există un anumit defazaj, variabil cu unghiul de răsucire al porţiunii de arbore cuprins între cele două roţi dinţate.

5.4. Măsurarea mărimilor hidraulice 5.4.1. Măsurarea presiunii

În practica măsurării presiunii se pot întâlni de obicei trei situaţii: – Măsurarea presiunii în raport cu vidul absolut (considerat ca având

presiunea zero), situaţie în care rezultă presiunea absolută; – Măsurarea diferenţelor de presiune faţă de cea atmosferică. Această

diferenţă poartă numele de presiune relativă sau efectivă (presiunile măsurate cu manometre sunt în general presiuni efective). După cum această diferenţă este pozitivă sau negativă, mai poartă numele de suprapresiune sau depresiune.

În măsurările industriale se consideră de obicei o împărţire a domeniului de variaţie a presiunii (în presiuni mari sau mici, etc). O astfel de divizare este prezentată în diagrama din figura următoare.

81

- Măsurarea diferenţei de presiune faţă de o valoare de referinţă convenţională (care poate fi aleasă de utilizator în funcţie de cerinţele procesului tehnologic). În acest caz rezultatul măsurării poartă denumirea de presiune diferenţială.

Ca în orice operaţie de măsurare şi în cazul măsurării presiunii este necesară alegerea unor elemente sensibile adecvate. De regulă aceste elemente sensibile convertesc presiunea:

- într-o mărime intermediară de natura unei deplasări sau deformaţii mecanice; măsurarea presiunii presupune o serie de conversii

p → deformare mecanică → parametru electric - direct într-o mărime electrică (tensiune, sarcină electrică etc.).

În primul caz,

Manometre cu traductoare electrice de deplasare Se folosesc ca traductoare primare manometre mecanice cu:

elemente elastice solide (membrane, burdufuri); lichide (tub în formă de U, tub inelar, clopot plutitor).

În principiu, oricare din traductoarele electrice de deplasări mici poate fi asociate acestor manometre, însă cel mai frecvent utilizate sunt traductoarele reostatice, tensometrice şi inductive.

Manometre mecanice cu elemente elastice În general, manometrele se realizează prin cuplarea unui element elastic

cu un element de tipul rezistiv, inductiv sau capacitiv, astfel încât mărimea fizică de măsurat (presiunea) modifică rezistenţa unui potenţiometru, inductanţa unei bobine sau capacitatea unui condensator.

a) Manometre cu tub Bourdon

82

α

Tuburile Bourdon sunt tuburi cu pereţi, subţiri sau groşi, de forma unui arc de cerc, având la centru în jur de 250oC. Tuburile sunt relativ simplu de executat şi de aceea au o mare răspândire în dispozitivele de măsurare a presiunii. Deoarece sensibilitatea lor este relativ mică, pentru obţinerea unei deplasări apreciabile a capătului liber se montează un mecanism de multiplicare. Tuburile Bourdon se întrebuinţează atât pentru măsurarea presiunilor joase (câţiva mmHg), cât şi pentru măsurarea presiunilor înalte (≥ 400 daN/cm2). Pentru presiuni p > 10 daN/cm2 se întrebuinţează tuburi cu pereţi groşi. Câteva dintre formele de secţiuni cele mai utilizate pentru tuburile Bourdon sunt prezentate în figura următoare.

Secţiuni de tub Bourdon: a) – plan-oval; b) – eliptică; c) – în D

Ceea ce interesează în funcţionarea ca element sensibil a tubului Bourdon este deplasarea capătului liber sub acţiunea presiunii interioare din tub (presiunea de măsurat), deplasare care se face în sensul îndreptării tubului.

b) Manometre cu membrană

83

Membranele sunt plăci elastice de grosime mică, de formă circulară, încastrate la extremitate. Fixarea pe contur a membranelor face ca sub acţiunea presiunii aplicate pe o faţă să dea deformaţii relativ uşor măsurabile. Prin caracteristicile lor, membranele fac posibilă măsurarea presiunilor de la câţiva mm H2O până la sute de atmosfere (at). După forma constructivă, membranele pot fi clasificate astfel: − membrane plane, a căror suprafaţă este dreaptă; − membrane gofrate, ale căror suprafeţe au un anumit profil; − membrane sferice, a căror suprafaţă este curbată în formă de calotă sferică.

Membrană plană Membrană gofrată

Membrană sferică

84

c) Manometre cu burduf (tuburi ondulate, silfoane) Silfonul este un tub cilindric cu gofraje transversale pe suprafaţa laterală.

Forma generală a unui silfon este prezentată în figura de mai jos:.

Materialele cele mai indicate pentru confecţionarea silfoanelor sunt: - p ≤ 1,5 daN/mm2: bronzul cu beriliu; - presiuni mari (solicitări ciclice): bronzul cu beriliu şi adaos de litat;

p > 200 daN/mm2 şi funcţionare în medii agresive: oţel inoxidabil.

Manometre cu lichide a) Manometru cu tub în forma literei U

Δp = p1 – p2 = ρgh

85

b) Manometru cu clopot plutitor

Aceste elemente sunt utilizate îndeosebi la măsurarea presiunilor mici, p<100 mm H2O, la fluide neutre sau corosive. În starea iniţială, când presiunea de măsurat (p2) este egală cu presiunea atmosferică (p1), presiunea în camera (1) de sub clopot este aceeaşi cu presiunea atmosferică, iar clopotul este scufundat în lichid pe o adâncime (h) la care greutatea clopotului G este echilibrată de greutatea volumului de lichid dislocuit. Dacă sub clopot se introduce o presiune p2 > presiunea atmosferică (p1), pe suprafaţa interioară a clopotului va acţiona o forţă suplimentară ascensională, care va ridica clopotul pe verticală cu distanţa Δh.

c) Manometru cu tub inelar (balanţă inelară, tor oscilant) Elementele sensibile de tipul tor oscilant sunt preferabile în cazul

măsurării unor presiuni sau diferenţe de presiuni mici (mm H2O), deoarece au o mare sensibilitate. Schema de principiu a unui astfel de element sensibil este prezentată în figură.

86

α

T

Dacă presiunile la cele două racorduri sunt egale (p1=p2), pîrghia T este orizontală, iar sistemul este în echilibru în raport cu axa aparatului. Dacă p1 > p2, nivelul lichidului din jumătatea stângă a torului va coborî şi va urca corespunzător în jumătatea dreaptă. Diferenţa de nivel h va fi proporţională cu diferenţa p1- p2. În acelaşi timp torul se roteşte cu un unghi α faţă de axa de simetrie verticală. Torul oscilant transformă diferenţa de presiune într-un unghi. Deoarece aceste elemente sensibile cu lichid au ca mărime de ieşire o deplasare liniară sau unghiulară, sunt necesare adaptoare care convertesc deplasarea unghiulară (sau liniară) în semnal electric unificat. Domeniul de măsurare variază de la câţiva mm H2O la 2500 mm H2O (0,25 at).

5.4.2. Măsurarea debitului

Măsurarea debitului este o problemă legată de curgerea unui fluid. Măsurarea debitului fluidelor printr-o conductă se poate realiza utilizând unele fenomene care sunt influenţate de curgere. Cantitatea de fluid trecută printr-o secţiune transversală a conductei de transport se exprimă prin masa fluidului sau prin volumul fluidului. Debitul de fluid este cantitatea de fluid ce trece în unitatea de timp printr-o secţiune transversală a conductei de transport a fluidului.

Debitul volumic se defineşte cu ajutorul relaţiei

87

vSdtdlS

dtSld

dtdVQv ⋅====

)(

care este proporţional cu viteza v de curgere a fluidului şi secţiunea S a conductei.

Debitul masic se defineşte cu ajutorul relaţiei

vm Qdt

VddtdmQ ⋅=== ρρ )(

Valoarea debitului, pe traseul fluidului de la sursă la consumator, este

determinată de parametrii de stare ai fluidului (temperatura, presiunea, volumul) şi de regimul de curgere al fluidului. Debitmetrele, sau contoarele de debit, asigură integrarea debitului instantaneu de fluid. 5.4.2.1. Debitmetre cu strangularea secţiunii

Debitmetrele cu strangularea secţiunii funcţionează pe baza dependenţei dintre debitul de fluid şi diferenţa de presiune produsă de curgerea fluidului printr-un dispozitiv de strangulare.

Pentru două secţiuni, S1 şi S2, ale conductei prin care fluidul, considerat incompresibil, curge cu vitezele v1, respectiv v2, se pot scrie:

- ecuaţia de continuitate:

S1v1 =S2v2 = Q (conservarea debitului Q)

- relaţia lui Bernoulli:

88

p1 + 21 ρv1

2 + ρgh1 = p2 + 21 ρv2

2 + ρgh2 = ct.

În cazul conductelor orizontale h1 = h2 şi se obţine

Δp = p1 – p2 = 21 ρ (v2

2 – v12 )

S1v1 = S2v2 => v1 = ⋅2

SS

1

v2

Prin înlocuirea lui v1 în expresia lui Δp se obţine

Δp = 21 ρ ( v2

2 – 222

1

22 v

SS

⋅ ) = 21 ρ (v2 S2)2 ( 2

2

1S

– 21

1S

) .

Ţinându-se seama de faptul că , atunci din expresia lui Δp se obţine 22 )( SvQ = 22

)11(21

1

)11(21

2222

2

SS

p

SS

pQ−

⋅

1212

Δ=

−

Δ=

ρρ

pkpk

SS

pQ Δ⋅=Δ

⋅=−

⋅Δ

= '

21

22

)11(21

1ρρ

5.4.2.2. Debitmetre rotametrice cu plutitor

Funcţionează pe principiul măsurării presiunii dinamice exercitate de fluidele în mişcare asupra unor obstacole (plutitorul în cazul de faţă). Greutatea aparentă Gap a plutitorului este egalată de forţa dinamică ascensională F:

Gap = F

Forţa dinamică ascensională F este proporţională cu pătratul vitezei v a fluidului:

F = k v2

Din ecuaţia de echilibru a forţelor obţinem 2vkGap ⋅=k

Gv ap=

Dacă v = ct., plutitorul este plasat într-o poziţie în care este satisfăcută relaţia

89

Q = S vk

GS ap=

unde s-a notat cu S suprafaţa de trecere a fluidului.

Prin construcţie este realizată o variaţie liniară a suprafeţei S cu înălţimea traductorului, astfel încât deplasarea plutitorului este proporţională cu debitul, putând fi măsurată cu traductoarele electrice de deplasare liniare. 5.4.2.3. Debitmetre bazate pe măsurarea vitezei fluidului

Măsurarea debitului de volum al unui fluid printr-o conductă

vSdtdVQv ⋅== se reduce la măsurarea vitezei de curgere v a fluidului printr-o

secţiune cunoscută S. Viteza de curgere se măsoară în general direct, prin traducerea în diverse

moduri a variaţiei parametrului viteză într-o variaţie a unui semnal electric.

A. Debitmetre electromagnetice Metoda debitmetrului electromagnetic se utilizează în cazul lichidelor

bune conducătoare de electricitate. Principiul de funcţionare al debitmetrului electromagnetic, ilustrat în

figura de mai jos, se bazează pe legea inducţiei electromagnetice: într-un conductor care se mişcă liniar cu viteza v într-un câmp magnetic uniform de inducţie B se induce, între două puncte aflate la distanţa D pe o direcţie perpendiculară pe planul format de direcţia vitezei şi a câmpului, o tensiune electromotoare e a cărei mărime este dată de relaţia

vDBe ⋅⋅=

90

v B

E

D

e

D

B

N

S

a) b) Fluidul joacă rolul conductorului în care se induce tensiunea e. Fluidul

curge cu viteza v într-un tub de diametru D, pe pereţii căruia sunt fixaţi doi electrozi metalici, perpendicular pe direcţia câmpului magnetic şi pe direcţia de curgere a fluidului. Electrozii sunt dispuşi diametral pe tub. Între aceşti electrozi se induce tensiunea electromotoare.

Mărimea e reprezintă intensitatea câmpului electric generat prin inducţie electromagnetică. Câmpul magnetic de inducţie B se obţine cu ajutorul unui electromagnet străbătut de curent continuu.

În expresia debitului de volum vSQv ⋅= se înlocuieşte v din relaţia vDBe ⋅⋅= şi se obţine

ekeBD

BDeDQv ⋅=⋅=⋅=

44

2 ππ

deci, reiese că tensiunea electromotoare indusă este proporţională cu debitul Qv .

Tensiunile induse sunt de valori mici şi de aceea folosirea câmpurilor magnetice constante este neconvenabilă; există astfel pericolul unor erori date de tensiunile parazite de natură electrochimică şi termoelectrică. De asemenea, se preferă utilizarea unui câmp magnetic variabil sinusoidal, deoarece tensiunea alternativă indusă poate fi amplificată şi prelucrată mai uşor decât o tensiune continuă de valoare mică, comparabilă cu tensiunea de offset a amplificatoarelor operaţionale.

Atunci când se utilizează un câmp magnetic variabil sinusoidal

tSmBtmt ωωϕ sinsin)( =Φ= tensiunea electromotoare totală

91

vDtmBtSmBedt

tdttote ⋅⋅+−=+−= ωωωϕ sincos)()(

are două componente:

- o componentă generată de variaţia fluxului magnetic în regiunea de spaţiu prin care circulă fluidul şi,

- altă componentă datorată vitezei de deplasare a fluidului prin conductă.

Pe lângă tensiunea utilă se obţine şi o tensiune de aceeaşi frecvenţă, dar defazată cu 900. Această componentă trebuie eliminată cu ajutorul detectoarelor electronice sensibile la fază. În expresia lui primul termen reprezintă componenta defazată cu 900, iar al doilea termen este componenta utilă.

tote

Un traductor electromagnetic de debit este format, ca majoritatea traductoarelor, dintr-un element sensibil (senzor) care măsoară debitul şi un adaptor electronic. La acest tip de traductor elementul sensibil este detectorul electromagnetic de debit (DEM).

Semnal electric unificat

U[V] I[mA] U[mV] Detector

electromagnetic de debit

Adaptor electronic

][3

hmQv

TRADUCTOR ELECTROMAGNETIC DE DEBIT

Detectoarele electromagnetice de debit sunt destinate măsurării debitelor

unor lichide cu conductibilitate electrică minimă de 200μS/m. Detectorul generează un semnal electric în tensiune (0…30mV c.a.) direct proporţional cu debitul, care apoi este transformat într-un semnal electric unificat, în curent, sau tensiune, prin intermediul unui adaptor electronic.

B. Debitmetre cu ultrasunete Un debitmetru cu ultrasunete care mediază distribuţia vitezelor punctuale în cadrul secţiunii de măsurare se prezintă în figura următoare:

92

Corpul 1 realizează tubul de măsurare al debitmetrului faţă de care sunt amplasate patru perechi de emiţătoare-receptoare cu ultrasunete 2. Semnalul electric obţinut la ieşirea din fiecare pereche de emiţătoare-receptoare este prelucrat de blocul electronic 3, calculându-se astfel debitul de fluid şi, prin integrare, se obţine volumul de fluid trecut în intervalul de timp de referinţă. Perechile de emiţătoare-receptoare sunt amplasate conform figurii, în care se arată principiul funcţionării detectoarelor cu ultrasunete. Cele trei părţi a, b, c ale figurii ilustrează:

a – proiecţia spoturilor cu ultrasunete în planul transversal al secţiunii de măsurare;

b - proiecţia spoturilor cu ultrasunete în planul longitudinal al tubului de măsurare;

c – secţiunea longitudinală prin tubul de măsurare.

93

Legenda: 1 – emiţător ultrasunete în sensul curgerii fluidului; 2 - emiţător ultrasunete în sensul opus curgerii fluidului; 1, 2 (a, b, c, d) – perechi de emiţătoare-receptoare cu ultrasunete; 3 – tub de măsurare; 4 – bloc electronic.

Determinarea distribuţiei vitezelor fluidului în secţiunea de măsurare se face prin măsurarea vitezei în patru puncte caracteristice ale acesteia. Montarea debitmetrului cu ultrasunete se va face prin amplasarea acestuia între două tronsoane rectilinii de conductă cu diametrul Dn, tronsonul amonte fiind lung de 10·Dn iar tronsonul aval de 3·Dn. Pentru o pereche de emiţătoare-receptoare, pe traseul dintre emiţător şi receptor se emit ultrasunete succesiv în ambele sensuri (în sensul curgerii cât şi în sensul opus curgerii). Funcţionarea este similară pentru toate cele patru perechi de emiţătoare-receptoare.

Timpii necesari parcurgerii distanţei fixe L dintre emiţător şi receptor au expresiile:

a) ultrasunetele sunt emise în sensul curgerii gazului

θcos1 ⋅+=

mivCLt

C – viteza sunetului în fluidul aflat în repaus; θ - unghiul dintre direcţia ultrasunetelor şi axa conductei;

miv - viteza medie a ultrasunetelor în fluidul trecut prin contor, corespunzătoare ariei Ai (i = 1,...,4) din aria A a secţiunii de măsurare. Aria A este descompusă imaginar în patru arii A1, A2, A3, A4 , prin fiecare trecând câte unul din cele patru trasee de ultrasunete.

b) ultrasunetele sunt emise în sens opus cu sensul curgerii gazului

94

θcos2 ⋅−=

mivCLt

Din cele două relaţii urmărim să obţinem relaţia pentru miv . Din relaţia timpului t1 se oţine

1

cos1tmivtL

Cθ⋅−

=

şi se înlocuieşte în relaţia lui t2.

θθθ

θ cos1cos11

cos1

cos12 mivtmivtLLt

mivtmivtL

Lt−−

=−

−=

θcos212)12( mivttttL =−

2112

2112

cos2cos212)12(

tttt

Ktt

ttLtt

ttLmiv

−⋅=

−⋅=

−=

θθ

Constanta

θcos2LK = se observă că depinde numai de dimensiunile

constructive ale debitmetrului cu ultrasunete şi nu include viteza C a ultrasunetelor care depinde de temperatura, de presiunea şi de compoziţia fluidului măsurat. Debitul volumic de fluid care trece prin aria Ai este

miviAViQ ⋅=

iar debitul total care trece prin debitmetru are expresia

miviAiVQ ⋅∑=

=4

1 .

5.5. Măsurarea mărimilor termotehnice 5.5.1. Măsurarea temperaturii Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene fizice determinate

de variaţia temperaturii. Cele mai importante dintre acestea sunt: apariţia tensiunii electromotoare la joncţiunea a două metale de natură diferită, variaţia

95

rezistenţei electrice, dilatarea solidelor, lichidelor sau a gazelor, intensitatea radiaţiilor emise, variaţia frecvenţei de rezonanţă a unui cristal, etc.

5.5.1.1. Măsurarea temperaturii cu ajutorul termocuplurilor Termocuplul este un traductor generator care transformă variaţia de

temperatură în variaţia unei tensiuni electromotoare. Aceasta fiind de natură termică se numeşte tensiune termoelectromotoare e.

Termocuplurile sunt compuse dintr-o pereche de conductoare A şi B, de natură diferită.

Sc

Sr

BA

mV

Funcţionarea lor se bazează pe fenomenul termoelectric, descoperit de

Seebeck, care constă în apariţia unei tensiuni termoelectromotoare e între capetele conductoarelor ce formează sudura rece Sr aflată la temperatura 1θ , atunci când sudura caldă Sc se găseşte la o temperatură 2θ diferită de cea a sudurii reci. Tensiunea termoelectromotoare depinde de natura metalelor din care sunt realizate conductoarele A şi B şi pentru intervale restrânse de temperatură este proporţională cu diferenţa de temperatură:

)( 12 θθ −= Se

Constanta de proporţionalitate S reprezintă sensibilitatea traductorului şi se exprimă în . CV 0/μ

Valorile tensiunilor electromotoare generate de diferite tipuri de termocupluri se dau sub formă de tabele elaborate de fabricanţi. De obicei, sudura rece se păstrează la o temperatură constantă care poate fi: 0°C, 20°C, sau 30°C. În cazul când această temperatură variază este necesară o corecţie a rezultatelor. Corecţia se poate face pe baza datelor din tabele sau cu ajutorul unor circuite de compensare.

96

Caracteristicile principalelor termocupluri sunt prezentate în tabelul 5.1.

Tabelul 5.1. Termocuplul Sensibilitatea

[ ] CV 0/μIntervalul de temperatură [ ] C0

Cupru-Constantan 41 -150 … +400 Fier-Constantan 56 -150 … +900 Cromel-Alumel 41 -150 … +1250 Platină-Platinrhodiu

9,5 -200 … +1800

De cele mai multe ori aparatele de măsurat tensiunea electromotoare nu

pot fi aşezate în imediata vecinătate a termocuplurilor. Pentru corectarea lor se folosesc cabluri de prelungire speciale, care înlătură pericolul apariţiei unor tensiuni electromotoare parazite.

Semnalele generate de termocupluri au valori mici şi deoarece în aplicaţiile industriale sunt necesare semnale cu valori mai mari, se folosesc amplificatoare electronice speciale.

Termocuplurile sunt cel mai des utilizate datorită plajei mari de temperatură capabile să o indice şi a vitezei mari de răspuns (inerţie mică).

Pentru a proteja termocuplul împotriva deteriorărilor mecanice, ca şi împotriva agresivităţii mediului este introdus într-o teacă de protecţie. Alegerea tecilor de protecţie este hotărâtă de condiţiile în care se va folosi termocuplul şi de durata de funcţionare impusă.

Circuitele electronice de măsurare folosite pentru termocupluri realizează adaptarea între tensiunile de ordinul milivolţilor produse de termocupluri şi sistemele de măsurare şi de automatizare, care funcţionează cu semnal unificat (0…10V, 4…20mA, etc.).

5.5.1.2. Măsurarea temperaturii cu ajutorul termorezistenţelor

Termorezistenţa este un traductor parametric care funcţionează pe principiul variaţiei rezistenţei electrice R a unui conductor cu temperatura, după relaţia

)1( 20 θβθα Δ+Δ+= RR

sau relaţia simplificată )1(0 θαΔ+= RR ,

în care R0 este rezistenţa electrică la 00C, α şi β constante ce depind de material.

Se observă că valoarea rezistenţei creşte odată cu creşterea temperaturii şi că plaja de modificare depinde de coeficientul α.

97

Pentru confecţionarea termorezistenţelor se folosesc de obicei următoarele materiale: platină, cupru şi nichel. Dacă se impune un cost redus se utilizează firul rezistiv din cupru, iar dacă este necesară o precizie crescută sau o inerţie de măsurare mică se utilizează firul din platină.

Firul din care se realizează termorezistenţa se înfăşoară bifilar (pentru a se anula efectul magnetic al curentului electric care străbate spirele înfăşurării) pe un suport izolator electric şi ansamblul se introduce într-o teacă de protecţie.

Funcţie de tipul materialului din care se realizează termorezistenţa, temperaturile maxime măsurate pot fi următoarele:

• Platină, pentru temperaturi mai mici de 7000C; • Cupru, pentru temperaturi mai mici de 1500C; • Nichel, pentru temperaturi mai mici de 3000C. Intervalul de măsură a temperaturilor este cuprins în mod obişnuit între –

2000C şi +5500C. Cele mai mult utilizate sunt termorezistenţele din platină, sub denumirile

Pt 50 sau Pt 100. Aceasta înseamnă că la temperatura de 00C firul din platină al termorezistenţei va avea rezistenţa de 50Ώ, respectiv de 100Ώ.

'fR

Rf

Rf

Rc

'0R

R3=R0 R1=R0

Es

Rs

vm

'fR

'0R

Rf

Rf

Rc

01 RR =

R3=R0

Es

Rs

vm

b) a)

C

e f

BA F

a b

04 RR =

D

1fR

2fR

Rc

R3=R0 R1

vm

Rs

es

98

Circuitele electrice de măsurare pentru termorezistenţe sunt de tip punte de curent continuu (Wheatstone) care funcţionează în regim dezechilibrat. Termorezistenţa se amplasează într-unul din braţele punţii şi dacă conductoarele de legătură ale termorezistenţei cu puntea au rezistenţă neglijabilă în raport cu variaţiile rezistenţei termorezistenţei, atunci conexiunea se realizează cu două conductoare. În caz contrar, conexiunea se realizează cu trei conductoare sau cu patru conductoare.

5.5.1.3. Măsurarea temperaturii cu ajutorul termistoarelor

Termistorul este un senzor termorezistiv realizat din materiale semiconductoare şi prezintă variaţii ale rezistivităţii cu temperatura. Dependenţa rezistenţei de temperatură (caracteristica statică a termistorului) se exprimă prin relaţia:

θb

eaR−

⋅= unde a şi b sunt constante de material iar θ este temperatura. Se spune că are o caracteristică negativă.

Caracteristica statică a termistorului (caracteristica de conversie) prezintă o neliniaritate accentuată, o variaţie foarte mare a rezistenţei cu temperatura şi anume o scădere a rezistenţei.

Majoritatea tipurilor de termistoare au un coeficient de variaţie a rezistenţei cu temperatura negativ, însă există şi termistoare cu coeficient de temperatură pozitiv.

Termistoarele permit măsurarea temperaturii în intervalul: -700C … +2500C, cu condiţia liniarizării caracteristicii de conversie.

Termistoarele pot fi executate cu rezistenţă electrică suficient de mare (1000÷200000Ώ la 200C) încât chiar şi pentru distanţe mari între punctul de măsurare şi aparatura electronică de indicare, înregistrare sau reglare, rezistenţele conductoarelor de legătură devin neglijabile şi schema electrică de măsurare se simplifică comparativ cu schemele pentru termorezistenţe sau termocupluri.

Datorită dimensiunilor foarte mici, termistoarele au timpul de măsurare foarte mic şi nu produc perturbaţii semnificative câmpului de temperaturi măsurate. De asemenea pot fi amplasate cu uşurinţă în spaţii înguste şi greu accesibile.

5.5.2. Măsurarea cantităţii de căldură Cantitatea de căldură este o mărime derivată în sistemul internaţional şi de aceea trebuie calculată. Calculul ei se poate face în mai multe variante:

99

- în funcţie de căldura specifică a agentului termic; - în funcţie de entalpia specifică a agentului termic; - în funcţie de coeficientul termic al agentului termic. Cantitatea de căldură, sau energia termică E, se calculează în funcţie de

căldura specifică cu o relaţie de forma

)( 21 θθ −⋅⋅= cQE , în care Q este debitul de agent termic, c este căldura specifică a agentului termic şi θ este temperatura agentului termic pe conductele de tur şi de retur. Configuraţia contorului de energie termică se stabileşte pornind de la relaţia de calcul ale energiei termice. Un contor de energie termică este alcătuit din:

- debitmetru pentru măsurarea debitului de agent termic; - două traductoare de temperatură amplasate unul pe conducta de tur şi

celălalt pe conducta de retur faţă de consumatorul de energie termică; - bloc de calcul. Debitmetrul şi traductoarele de temperatură se amplasează ca în figură.

100

101