INTRODUCERE

Noţiuni introductive de metrologie

Conducerea automată a proceselor implică luarea unor decizii referitoare la modul

în care trebuie să evolueze mărimile implicate în funcţionarea procesului respectiv, şi,

prin urmare, lansarea unor comenzi care să asigure evoluţia dorită. Deciziile de

conducere pot fi luate numai pe baza informaţiilor obţinute din interiorul procesului

condus, informaţii care se referă la valoarile unor parametri semnificativi pentru

caracterizare tehnico-economică a procesului. Informaţiile respective se obţin ca rezultat

al unor operaţii de măsurare. Chiar şi în cazul conducerii manuale a proceselor, atunci

când decizia este luată de un operator uman, este necesar ca decizia să se bazeze pe

informaţiile obţinute din proces pe baza operaţiilor de măsurare a unor parametri.

Există mai multe definiţii ale operaţiei de măsurare. Una dintre acestea, pe care

personal o prefer este:

Operaţia de măsurarea este o operaţie prin care se stabileşte pe cale experimentală

raportul numeric între mărimea de măsurat şi o valoare oarecare a acesteia, luată ca

unitate de măsură.

O primă observaţie este aceea că operaţia de măsurare este un procedeu experimental.

Rezultatul măsurătorii se obţine în urma unei comparaţii între o anumită mărime fizică şi

o anumită cantitate a acesteia luată ca unitate de măsură. Atunci când destinatarul

informaţiei este operatorul uman, acesta trebuie să poată realiza compararea celor două

mărimi fizice (mărimea măsurată şi unitatea de măsură). Cum numai o mică parte din

mărimile fizice sunt accesibile simţurilor umane (măsurarea lungimilor de exemplu) este

necesar în general să se intercaleze între procesul de măsurare şi operatorul uman un

dispozitiv care să facă accesibil operatorului uman rezultatul măsurătorii.

Prin aparat de măsurat se înţelege acel dispozitiv care stabileşte o dependenţă

între mărimea de măsurat şi o altă mărime care poate fi percepută nemijlocit de organele

de simţ umane, de o manieră care permite determinarea valorii mărimii necunoscute în

raport cu o anumită unitate de măsură.

1.1.1. Clasificare mărimilor de măsurat

Mărimile de măsurat pot fi clasificate în funcţie de mai multe criterii.

Un prim criteriu ar fi acela care se referă la aspectele dimensional spaţiale. După

acest criteriu, mărimile de măsurat se pot clasifica în:

- mărimi scalare – sunt acele mărimi care pot fi caracterizate prin valoarea unui

singur parametru, deci printr-o valoare scalară.

- mărimi vectoriale – sunt acele mărimi ce pot fi caracterizate prin valorile mai

multor parametri (amplitudine şi direcţie sau amplitudine, frecvenţă şi fază, etc.) O astfel

de mărime poate fi reprezentată printr-un vector care conţine valorile proiecţiilor pe axele

ce constituie spaţiul n dimensional al parametrilor ce caracterizează complet mărimea

respectivă.

- mărimi tensoriale – pentru descrierea acestora este nevoie pe lângă cele n

componente referitoare la spaţiul vectorial în care poate fi reprezentată mărimea şi de m

moduri de ataşare a acestor dimensiuni într-o anumită ordine; reprezentarea acestor

mărimi va fi realizate prin intermediul unei matrice de dimensiuni nxm.

Un ala doilea criteriu este determinat de tipul relaţiilor empirice ce pot fi defiinite

pe mulţimea de obiecte sau de fenomene cărora le sunt asociate. Conform acestui criteriu,

mărimile de măsurat se pot clasifica în:

- mărimi reperabile – pentru aceste mărimi se pot defini numai relaţii de

echivalenţă sau de ordine (culoare, duritate, etc)

- mărimi extensive – acestora li se pot asocia pe lângă relaţiile de echivalenţă şi

ordine şi relaţii de concatenare (lungime, masă, forţă, etc.)

- mărimi intensive – nu admit concatenare directă ci cel mult pe intervale

(temperatură, timpul ca durată) sau cele măsurabile indirect (densitate, concentraţie, etc.)

Referitor la aspectele energetice ce apar în timpul operaţiei de măsurare, mărimile

de măsurat pot fi clasificate în:

- mărimi active – sunt acele mărimi care conţin energia necesară în procesul de

măsurare (nu este nevoie de o sursă de energie separată) în acest caz fiind necesar ca

raporul dintre energia utilizată în procesul de măsurare şi energia totală a mărimii de

măsurat să fie cât mai mic pentru ca procesul de măsurare se nu modifice mărimea de

măsurat.

- mărimi pasive – pentru măsurarea acestora este nevoie de o sursă separată de

energie (rezistenţe, capacităţi, etc.)

1.1.2. Relaţii între mărimi şi unităţi de măsură

S-a arătat că în cursul operaţiei de măsurare, se stabileşte pe cale experimentală

valoarea raportului dintre mărimea de măsurat şi o anumită cantitate din aceasta luată ca

unitate de măsură. În acest caz, mărimea de măsurat (X) poate fi exprimată astfel:

][XaX (1)

unde a este valoarea mărimii măsurate, iar [X] reprezintă unitatea de măsură

pentru X

Dacă se modifică unitatea de măsură [X’] evident se va modifica şi valoarea mărimii

măsurate a’. Deoarece mărimea fizică rămâne nemodificată va exista relaţia:

][]'[' XaXaX (2)

Legătura dintre două sau mai multe măsuri se exprimă în modul cel mai general

prin relaţii matematice. De exemplu:

amF (3)

În acest caz nu sunt implicate unităţile de măsură. În cazul în care se urmăreşte descrierea

unor aspecte practice legate de mărimile implicate, în relaţie vor fi incluse unităţile de

măsură. În acest caz relaţia 3 devine:

amkamF

amF

][

][][ (4)

Se observă apariţia unui factor suplimentar k, denumit în mod uzual factor perturbator.

Dacă se alege unitatea de măsură a forţei astfel:

][][][ amF (5)

atunci factorul perturbator va deveni egal cu unitatea. Unităţile alese în acest mod se

numesc unităţi coerente iar relaţiile de definiţie se numesc relaţii condiţionale.

Pentru definirea unităţilor de măsură într-un anumit domeniu este necesar ca toate

unităţile de măsură să fie coerente. Pentru aceasta, se vor alege un număr de mărimi

fizice a căror unităţi de măsură se vor defini arbitrar; mărimile a căror unităţi sunt alese

convenţional se numesc mărimi fundamentale. Stabilirea numărului minim de mărimi

fundamentale se realizează pornind de la numărul de relaţii şi de mărimi dintr-un

domeniu. Astfel, dacă notăm cu l numărul de relaţii iar cu m numărul de mărimi

implicate, numărul minim de mărimi fundamentale va fi:

lmn (6)

Odată stabilit numărul de mărimi fundamentale este necesar ca acestea să fie

nominalizate. Nominalizarea trebuie să ţină seama de anumite criterii:

- mărimile fundamentale trebuie să fie mărimi reprezentative din domeniul

respectiv;

- între mărimile fundamentale şi cele derivate (care sunt definite pe baza celor

fundamentale) este necesar să se stabilească relaţii cât mai simple;

- este necesar ca etaloanele realizate pentru unităţile fundamentale să se poată

realiza comod;

- valoarea efectivă a unităţii de măsură pentru mărimile fundamentale se adoptă

ţinând seama de considerente practice privind utilizarea lor şi a unităţilor

derivate, precum şi de posibilitatea realizării unor multipli şi submultipli

corespunzători cerinţelor de folosire curentă

1.2. Caracterizarea traductoarelor

În cazul sistemelor automate, conducerea proceselor realizându-se fără intervenţia

directă a omului, mijloacele prin care aceasta se realizează - inclusiv cea de informare –

se modifică în conformitate cu noile condiţii. În consecinţă, operaţiile de măsurare în

sistemele automate sunt efectuate de traductoare, dispozitive ce stabilesc o corespondenţă

între mărimea de măsurat şi o altă mărime cu un domeniu de variaţie calibrat, aptă de a fi

recepţionată şi prelucrată de de echipamentele de conducere (regulatoare, calculatoare de

proces, etc.). Sensul prezentat al noţiunii de traductor este cel definit de automatică.

Noţiunea de traductor a fost extinsă şi la dispozitive cu funcţiuni similare care intră în

structura unor lanţuri de măsurare complexe utilizate în scopuri de cercetare, în

laboratoare, etc. şi care nu sunt incluse într-o buclă de reglare sau într-un sistem de

conducere automată a proceselor.

O primă constatare este aceea că traductorul reprezintă o componentă tipică a

oricărui sistem automat sau de reglare automată. O a doua constatare este aceea că

traductorul şi aparatul de măsurat a funcţii similare. De aici apar asemănări între aparatele

de măsurat şi traductoare, dar şi deosebiri importante.

O primă deosebire se referă la caracteristicile statice ale celor două tipuri de

instrumente(caracteristicile statice exprimă legătura dintre mărimile de intrare şi cele de

ieşire ale unui element în regim static, adică în condiţiile în care ambele mărimi sunt

constante în timp); în timp ce în cazul aparatelor de măsurat caracteristicile statice pot fi

atât liniare cât şi neliniare (scala aparatelor putând fi gradată neliniar) în cazul

traductoarelor este necesar ca relaţia dintre mărimea de intrare şi cea de ieşire (deci

caracteristica statică) să fie liniară.

O a doua deosebire este legată de caracteristicile dinamice, adică de cele care

exprimă variaţia în timp a mărimilor de intrare şi ieşire. În timp ce în cazul aparatelor de

măsurat datorită vitezei relativ lente de reacţie a operatorului uman măsurătorile se

efectuează asupra unor mărimi constante sau cvasiconstante, în cazul traductoarelor, este

necesar ca acestea să poată urmări variaţia în timp a mărimilor măsurate. În acest caz este

necesar ca timpul de răspuns (timpul de stabilire a mărimii proporţionale cu mărimea de

măsurat) să fie neglijabil în raport cu constantele de timp ale procesului reglat.

Din punct de vedere al preciziei de măsurare este necesar ca traductoarele să aibă

o precizie apropiată de a aparatelor de măsurat deoarece în cazul întregului sistem de

reglare se consideră că eroarea introdusă de traductor este neglijabilă.

Fiabilitatea traductoarelor trebuie să fie mai mare decât a aparatelor de măsurat

uzuale deoarece, în cazul aparatelor de măsurat, defectarea acestora poate fi remarcată

relativ rapid de către operatorul uman fapt ce nu se mai regăseşte în cazul sistemelor de

conducerea sau reglare automată, informaţia eronată a aparatului defect fiind interpretată

ca atare de către restul buclei de reglare.

1.2.1. Locul traductorului în cadrul unui sistem de reglare

Structura generală a unui sistem de reglare este prezentată în figura 1.1. La

intrarea sistemului se aplică mărimea de referinţă i. Aceasta este permanent comparată de

către elementul de comparaţie EC cu mărimea de reacţie r (mărime proporţională cu

mărimea reglată), mărime furnizată de către traductor care are la intrare mărimea

măsurată din proces y. Funcţie de rezultatul acestei comparări, în conformitate cu legea

de reglare implementată, regulatorul R comandă elementul de execuţie EE prin

intermediul mărimii de comandă u, astfel încât acestea să acţioneze asupra procesului

supus reglării P cu mărimile de execuţi m în sensul anulării erorii de la ieşirea

elementului de comparaţie.

După cum se observă, regulatorul, aflat pe calea de reacţie, primeşte la intrare

mărimea reglată din proces, mărimea ce va constitui mărimea de măsurată şi furnizează la

ieşire elementului de comparaţie o mărime ce trebuie să conţină toată informaţia

referitoare la mărimea reglată (măsurată) şi în acelaşi timp să fie compatibilă cu restul

sistemului de reglare.

1.2.2. Structura traductorului

Pentru a-şi îndeplini funcţia, un traductor are structura generală ca cea prezentată

în figura 1.2.

Elementul sensibil converteşte mărimea de măsurat x într-o mărimea compatibilă

cu restul traductorului. Elementul sensibil numit şi senzor sau detector, este specific

fiecărei mărimi fizice măsurate şi fiecărei metode de măsurare. Mărimea furnizată de

elementul sensibil trebuie să conţină toată informaţia referitoare la mărimea de măsurat x.

Rolul adaptorului este de a compara mărimea obţinută de la elementul sensibil cu

unitatea de măsură (mărimea etalon) şi de a furniza la ieşire o mărime proporţională cu

rezultatul comparaţiei şi, în acelaşi timp, compatibilă cu restul sistemului de reglare.

Mărimea etalon poate fi aplicată simultan sau succesiv cu mărimea obţinută de la

elementul sensibil. De cele mai multe ori, semnalul furnizat de elementul sensibil trebuie

condiţionat şi transmis la distanţă. Din această cauză între elementul sensibil şi adaptor se

intercalează un element care să asigure condiţionarea şi transmiterea la distanţă a

semnalului. Energia necesară funcţionării ansamblului astfel obţinut nu poate fi obţinută

de la mărimea măsurată (sau mărimea este o mărime pasivă sau energia mărimii active

este insuficientă) şi de aceea este necesară o sursă suplimentară de energie, sursă care

asigură funcţionarea întregului ansamblu. Ca urmare structura generală a traductorului se

modifică aşa cum este arătat în figura 1.3.

Elementele ce caracterizează un traductor şi pe baza cărora se pot compara între ele 2

traductoare (deci elementele ce trebuie luate în considerare atunci când alegem un

traductor sau altul) sunt:

1) Natura fizică a mărimi de intrare (y) şi a mărimi de ieşire (r).

2) Puterea consumată la intrare şi cea transmisă la sarcină.

3) Caracteristica statică exprimabilă prin dependenţa în regiuni statice

r = f(y)

(10.1)

Această caracteristică poate fi liniară (fig. 10.2.b), neliniară univocă (fig. 10.2.b) sau

neliniară neunivocă (fig. 10.2.c). În practică caracteristicile statice pot prezenta un grad

mai mic sau mai mare de neliniaritate şi de aceea e necesară liniarizarea lor, printr-o

metodă adecvată, în gama de variaţie a mărimi de intrare şi de ieşire. Cu cât gama de

variaţie liniară este mai mare, cu atât traductorul este mai bun. Gradul de liniaritate se

poate aprecia prin abaterea (eroarea) de neliniaritate definită prin:

%100l

l

lr

rr (10.2)

unde r este valoarea reală iar rl este valoarea liniarizată de gama pe variaţie.

Această mărime se poate exprima şi în funcţie de mărimea de intrare (y).

Pe baza caracteristicilor statice se pot defini următoarele mărimi:

a) Domeniul de măsurare (gama de lucru) definită prin valorile minimă şi

maximă a mărimii de intrare, respectiv de ieşire:

minmax yyy (10.3)

minmax rrr (10.3)

b) Sensibilitatea, care se defineşte pentru variaţii lente ale mărimi de intrare

şi ieşire şi care se exprimă sub mai multe forme:

Sensibilitatea medie

Ky

rSm (10.4)

unde K este o mărime constantă pentru o caracteristică liniară sau liniarizată;

Sensibilitatea diferenţială

y

r

dy

drSd

(10.4)

Sensibilitatea relativă

yy

rrS

* (10.4)

Aceste mărimi împreună cu erorile de măsurare ne permit să apreciem calitatea

măsurători.

r

y a)

r

y b)

r

y

c)

Fig. 10.2

4) Caracteristica dinamică exprimă comportarea în regim dinamic şi rezultă din

ecuaţia diferenţială ce leagă variaţia în timp a mărimii de ieşire cea de intrare :

F(r, r, r, …, r(n)

, y, y, …, y(n)

) = 0

(10.5)

De cele mai multe ori ne interesează comportarea la o mărime standard de

intrare sau caracteristicile de frecvenţă, mai ales dacă elementul are o comportare tip

filtru.

5) Pragul de sensibilitate reprezintă limita inferioară a variaţiei mărimi de intrare

sesizată cu certitudine de către traductor. Atunci când acesta este raportat la

domeniu de măsură exprimă rezoluţia (puterea de rezoluţie).

6) Gradul de precizie (Clasa) este raportul dintre eroarea maximă admisibilă a

mărimi de ieşire care se produce în regim staţionar de funcţionare şi domeniul

ei de măsurare, exprimat în procente.

7) Nivelul de zgomot (zgomotele interne şi externe) al traductorului

trebuie să fie cât mai redus pentru a nu influenţa deciziile sistemului în care traductorul

este element primar.

10.1.1. Clasificarea traductoarelor.

a) Un prim criteriu este cel determinat de forma semnalului de ieşire; după acest criteriu

traductoarele se împart în:

- traductoare analogice – care au la intrare un semnal cu variaţie continuă

- traductoare numerice – care au la ieşire un semnal cu variaţie discontinuă

b) Criteriul principal de clasificare este cel funcţie de mărimea de intrare şi cea de ieşire.

- Intrare – electrică – frecvenţă, curent, tensiune, putere, fază

– neelectrică – debit, nivel, deplasare, viteză, acceleraţie,

temperatură, presiune, etc.

- Ieşire – Parametrică – Rezistive – Reostatice, termorezistive

– Inductive– de înaltă şi de joasă frecvenţa.

– Capacitive – cu S, d, sau variabil

– Generatoare – Inductive, Piezoelectrice, termoelectrice,

Holl, etc.

Vom considera cazul cel mai des întâlnit în practică, care constă în transformarea mărimi

de intrare a traductorului într-o mărime electrică.

III. MĂSURAREA MĂRIMILOR GEOMETRICE

3.1. Generalităţi

Măsurarea mărimilor geometrice este legată de existenţa unui sistem de referinţă

faţă de oricare care oricare punct ocupă la un moment dat o anumită poziţie. Schimbarea

poziţiei punctului reprezintă o deplasare, iar spaţiul dintre două puncte o distanţă.

Situarea unui punct în apropierea unui reper fix se numeşte proximitate. Deplasările pot fi

liniare (în cazul mişcărilor de translaţie) sau unghiulare (în cazul mişcărilor de rotaţie).

Mărimile geometrice se poate face prin metode absolute sau metode relative

(incrementale) prin care se stabileşte o abatere faţă de o valoare de referinţă.

Datorită unor particularităţi distincte, măsurarea mărimilor geometrice se poate

clasifica în:

- măsurarea deplasărilor liniare mici (până la ordinul sutelor de

milimetri);

- măsurarea deplasărilor liniare mari (de ordinul metrilor şi zecilor

de metri);

- măsurarea deplasărilor unghiulare;

- determinarea proximităţii.

O problemă specifică traductoarelor de deplasare se referă la asocierea acestora cu

sistemele de cuplare la mărimea de măsurat, care pot fi atât liniare, cât şi rotative. Din

acest punct de vedere se deosebesc variante de măsurare directă (deplasare liniară prin

translaţie; deplasare unghiulară prin rotaţie) şi variante de măsurare indirectă (de

exemplu, deplasare unghiulară pentru caracterizarea unei deplasări liniare).

Importanţa deosebită a măsurărilor deplasărilor este dată de faptul că, se poate

realiza atât controlor mărimilor geometrice propriu-zise (deplasări, dimensiuni,

planeitate, rugozitate) cât şi de faptul că o serie de alte mărimi fizice se pot determina

prin măsurarea efectului produs de acestea efect materializat prin deplasarea unui punct

(presiuni, forţe, nivel, temperaturi, etc.) care de regulă sunt caracterizate de deplasări mici

(atât liniare cât şi unghiulare).

O altă problemă specifică măsurării mărimilor geometrice este determinată de

dispozitivele utilizate pentru cuplarea mărimii măsurate la traductor, aceste dispozitive

putând fi prin contact mecanic (palpatoare, şublere, micrometre) pe cale optică sau

fotoelectrică.

3.2. Traductoare pentru deplasări liniare mici

Deplasările liniare mici sunt măsurate pentru determinarea dimensiuunilor

geometrice ale corpurilor (sau a abaterii faţă de anumite dimensiuni prestabilite) sau

pentru determinarea unor mărimi fizice care se manifestă prin deplasarea unui punct

material.

Astfel pentru măsurarea dimensiunii grosimilor se utilizează un palpator care

urmăreşte profilul macroscopic al corpului de măsurat, variaţiile de grosime ale acestuia

sunt convertite în deplasări liniare ale unui sistem mecanic legat solidar cu palpatorul.

Deplasarea liniară a sistemului mecanic este convertită în variaţia unui parametru

de circuit (R, L, C,), rezultând traductoare inductive, capacitive sau rezistive.

3.2.1. Traductoare rezistive

Traductoarele rezistive sunt realizate sub forma unor rezistenţe bobinate sau cu

pistă conductoare şi pot fi folosite la măsurarea unor deplasări liniare de ordinul

centimetrilor sau unghiulare în domeniul 0-2400 (360

0), respectiv nx360

0 pentru

traductoare multitură, unde n reprezintă numărul de ture. Forma constructivă a unui

traductor rezistiv bobinat de deplasare este prezentată în figura 3.1. Pe un suport izolator

este dispusă o înfăşurare realizată din materiale conductoare de mare rezistivitate, care au

în acelaşi timp bune calităţi mecanice şi o bună stabilitate termică (Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Cr-

Fe, etc.) bobinajul fiind realizat spiră lângă spiră; spirele sunt izolate între ele de obicei

prin oxidare şi au partea superioară neizolată pentru a putea face contact cu un cursor ce

se poate deplasa de-a lungul traductorului.

Cursorul realizează

legătura dintre înfăşurare şi o

pistă de contact; el trebuie să

prezinte o rezistenţă mică, să

fie rezistent la uzură şi

acţiunea vibraţiilor şi să nu

aibă tensiune termo-

electromotoare faţă de

înfăşurare sau pista de

contact. Valoarea rezistenţei

cursorului depinde de starea

suprafeţei materialului din care se confecţionează (grafit, cupru grafitat, bronzuri

elastice). Variaţia aleatoare a rezistenţei de contact este o sursă de zgomot şi afectează în

mod special montajele reostatice de măsurare.

În locul bobinajului poate fi utilizată o pistă conductoare realizată prin depunerea

unor granule metalice cu dimensiunea mai mică de 10-2m.

Caracteristica statică a traductoarelor rezistive este în general liniară, neliniarităţi

semnificative putând apărea la capetele cursei traductoarelor.

Avantajele traductoarelor rezistive sunt determinate de liniaritatea şi rezoluţia

suficient de bune, preţul scăzut şi circuitele de măsurare simple.

Dezavantajele sunt legate de forţa de acţionare relativ mare, prezenţa frecărilor

între cursor şi bobinaj sau pista conductoare ceea ce duce la apariţia unor zgomote

importante şi la uzură mecanică ce scurtează durata de viaţă şi duce la creşterea

neliniarităţilor. Numărul maxim de acţionări a traductoarelor rezistive este cuprins între

106 pentru traductoarelor obişnuite şi 10

8 pentru traductoarelor de calitate ridicată.

Rezistenţa totală a traductoarelor rezistive poate fi cuprinsă între 100 şi 100k,

cu toleranţe de circa 10% şi liniaritate între 0,1 şi 1%.

Fig. 3.1. Schema constructivă a traductorului rezistiv

Circuitele de măsurare pot fi atât reostatice cât şi potenţiometrice, cele mai

performante fiind cele potenţiometrice. Un astfel de circuit este prezentat în figura 3.2.a.

şi are în compunere un amplificator operaţional, tensiunea de intrare fiind dependentă de

poziţia cursorului; amplificatorul este utilizat în montaj inversor având ca rezistenţă de

intrare rezistenţa R1, tensiunea de ieşirea având expresia:

11

1

20

1R

R

R

R

R

R

RR

R

REU

xt

t

x

tx (3.1)

Creşterea impedanţei de intrare se obţine prin utilizarea unor montaje

neinversoare ca în figura 3.2.b

Pentru deplasări mici ale cursorului se utilizează amplificatoare de instrumentaţie

care asigură o impedanţă de intrare ridicată şi o rejecţie puternică a modului comun.

2.2.1. Traductoare inductive

La traductoarele inductive pentru deplasări, deplasarea liniară a palpatorului determină

modificarea modificarea inductanţei proprii sau mutuale a unei bobine prin deplasarea unui miez

mobil sau prin modificarea întrefierului [60].

a) Traductoare inductive cu miez mobil.

Legând rigid palpatorul de un miez feromagnetic mobil M ce se deplasează în interiorul unei

Fig2.4. Element sensibil

inductiv cu miez mobil

Fig. 2.5 Variaţia inductanţei

la un senzor inductiv

Fig. 3.2. Circuite de măsură pentru traductoare rezistive

bobine B ca în figura 2.4, deplasarea miezului va determin modificarea inductivităţii proprii a

bobinei ca în figura 2.5.

Pentru compensarea caracterului pronunţat neliniar al dependenţei inductanţă deplasare,

se utilizează elemente sensibile diferenţiale, caracteristica devenind în acest caz liniară (sau

aproximativ liniară) pentru domenii relativ largi ale deplasării miezului. Elementele diferenţiale

se obţin prin legarea a două bobine şi utilizarea

unui miez mobil comun, care se poate deplasa. în

interiorul celor două bobine, în poziţia de

referinţă. de „zero” miezul fiind introdus egal în

cele două bobine (figura 2.6).

Modificarea reluctanţelor de închidere a

fluxurilor prin deplasarea miezului comun

determină modificarea inductanţelor proprii ale

celor două bobine şi, ca urmare, apariţia unei

variaţii de impedanţă.:

21 ZZZ (2.11)

Legând cele două bobine în braţele unei

punţi de c.a. ca în figura (2.7) se obţine aşa cum o

tensiune de dezechilibru Ud dependentă de poziţia

miezului mobil (x), a cărei expresie este dată de:

)(2))((

)(2/2

12

2222 LjRRZLLxLjRR

xLRjU

pp

p

a

(2.12)

în care:

12

/

21

21

;2

)()()(

;2

)()()(

LLL

xLxLxL

xLxLxL

R = rezistenţa ohmică a bobinelor Ll, L2;

L12=impedanţa mutuală de cuplaj.

Fig 2.6. Element sensibil diferenţial;

a)construcţie; b) caracteristică

Fig 2.7. Punte de c.a. pentru traductor

diferenţial

Tensiunea de lucru are o frecvenţă de până la 5kHz; utilizând un redresor sensibil la fază

se obţine la ieşire un semnal continuu care variază aproape liniar cu deplasarea.

O variantă a acestor tipuri de traductoare care elimină necesitatea punţii de măsură este

traductorul tip transformator diferenţial liniar variabil, la care montajul diferenţial constituie

secundarul unui transformator . Elementul sensibil este compus dintr-o bobină primară şi două

bobine secundare plasate simetric pe o capsulă cilindrică. În interiorul bobinelor se află un miez

magnetic deplasabil pe distanţa x care asigură închiderea fluxului magnetic(figura 2.8).

Când bobina primară este alimentată de la o sursă externă de c.a., în bobinele secundare

se induc tensiuni. Întrucât bobinele secundare sunt legate în sens contrar, tensiunile induse sunt în

opoziţie de fază. Astfel la ieşire se obţine diferenţa tensiunilor induse.

Diferenţa este nulă când miezul se află în centrul bobinei, poziţie considerată de zero.

Traductoarele tip transformator folosesc ca adaptor un redresor sensibil la fază, eventual precedat

de un amplificator de c.a. cu impedanţă de ieşire mică, prevăzut şi cu un circuit de intrare trece

jos pentru eliminarea armonicelor parazite.

b) Traductoare cu întrefier variabil

Considerând o bobină cu miez şi o armătură mobilă care se poate deplasa perpendicular

pe miez modificând întrefierul, considerând lăţimea întrefierului la un moment dat /2, inductanţa

va fi dependentă de conform relaţiei:

00

2 ANL (2.13)

unde:

N = numărul de spire a bobinei;

m0= permeabilitatea aerului;

A0 = secţiunea miezului considerată constantă

Fig 2.8. Senzor tip traductor diferenţial

a) schemă constructivă; b) schemă de conexiuni

Pentru obţinerea relaţiei de mai sus s-a considerat permeabilitatea aerului neglijabilă în raport cu

permeabilitatea miezului feromagnetic.

Un astfel de traductor, utilizat la măsurarea benzii de hârtie este traductorul tip CALITEL

HS produs de VALMET AUTOMATION [122].

Traductorul este prevăzut cu două capete montate pe scanerul ce se deplasează de-a latul

benzii de hârtie. Unul din capete, cel superior, conţine bobina cu miez de feromagnetic, iar

capătul inferior armătura mobilă. Ambele capete sunt etanşate, iar contactul dintre senzor şi

banda de hârtie se realizează prin intermediul unei ferestre din safir, ceea ce asigură o rezistenţă

mare la uzură.

Schema de principiu a elementelor active este prezentată în figura 2.9 .

În figura 2.10 este prezentată variaţia reluctanţei iar în figura 2.11 este prezentată alcătuirea părţii

inferioare a capului superior a senzorului. Este asigurată o temperatură contantă de funcţionare

prin intermediul unui circuit de încălzire/răcire cu apă aflat în interiorul senzorului; un termistor

sesizează eventualele depăşiri ale limitelor de temperatură {determinate de funcţionarea

defectuoasă a circuitului de încălzire/răcire) şi

generează un semnal de alarmă.

Prezenţa circuitului de încălzire face ca

să nu mai fie necesară corecţia cu temperatura

a rezultatelor măsurătorii. O placă de presiune

asigură menţinerea etanşeităţii ansamblului

faţă de mediu exterior, asigurându-se în acest

Fig 2.9. Circuitul magnetic al traductorului CALIPEL HS

Fig 2.10.Caractceristica senzorului

CALITEL HS

Fig 2.11. Alcătuirea capului

superior

fel protecţia împotriva pătrunderii prafului sau impurităţilor. Suprafaţa. inferioară este uşor

rotunjită pentru a nu produce ondulări ale hârtiei.

Alcătuirea capului inferior este prezentată în figura 2.12 . Se observă prezenţa unui

cilindru pneumatic care are rolul de a ridica senzorul şi de a-l presa pe banda de hârtie a cărei

grosime se măsoară. Presiunea de lucru a cilindrului este cuprinsă, între 275 şi 4l3kPa şi este

reglată prin intermediul unui controler pneumatic.

Diafragma flotantă care susţine armătura mobilă din material feromagnetic protejată de

un înveliş de safir, este aşezată în capătul superior al cilindrului pneumatic. Diafragma este

presurizată, astfel încât să menţină o uşoară presiune pe suprafaţa inferioară a benzii de hârtie.

Ansamblul senzorului este prevăzut cu un set de role care contribuie la întinderea benzii

de hârtie şi prevenirea ondulărilor locale şi fluturărilor.

Circuitul de măsurare este prezentat în figura 2.13..

Un oscilator generează două semnale sinusoidale decalate la 90° cu frecvenţa de 5kHz;

într-un buffer de stocare, semnalul cu faza 0° este sumat cu o porţiune ajustabilă a semnalului în

cuadratură şi este aplicat apoi amplificatorului bobinei. Circuitele adiţionale elimină

componentele rezistive şi capacitive, lăsând să treacă spre ieşire numai componenta inductivă.

Înaintea ciclurilor de măsurare se realizează un ciclu de standardizare în afara benzii de

Fig 2.12. Alcătuirea capului inferior

Fig 2.13. Circuitul de măsură al traductorului CALITEL

HS

hârtie, în urma căruia se obţine variabila dinamică CS care este o măsură a distanţei standard

dintre cei doi senzori.

Schema de prelucrare soft a semnalelor dinamice în scopul obţinerii valorii finale a

grosimii exprimată în unităţi inginereşti este prezentată în figura 2.14.

Semnificaţia notaţiilor utilizate este:

- AI = semnal dinamic reprezentând amplitudinea semnalului alternativ aplicat bobinei;

- LI = semnal dinamic reprezentând componenta reactivă a tensiunii culese pe bobină;

este o măsură a inductanţei bobinei şi ca urmare reprezintă o informaţie primară referitoare la

grosimea benzii de hârtie.

- AC = amplitudinea semnalului aplicat bobinei în timpul standardizării.

- LC = semnalul LI corectat pentru compensarea modificării amplitudinii semnalului

aplicat bobinei fără de calibrare;

- CB = valoarea instantanee a grosimii înaintea corecţiei liniare, obţinută cu ajutorul

curbei CC care dă dependenţa dintre grosime şi inductanţă.

- SL = coeficient de corecţie liniară de pantă pentru conversia în unităţi inginereşti;

- OF = coeficient de corecţie iniţială de off-set pentru conversia în unităţi inginereşti;

- IV = valoarea finală a grosimii în unităţi inginereşti.

2.2.2. Traductoare capacitive

În general capacitatea totală a unui sistem de corpuri este dependentă de suprafeţele Ai ale

corpurilor, de distanţele di dintre suprafeţe şi de constantele dielectrice ale izolatorilor ce separă

suprafeţele (permitivitatea i), C=f(Ai,di,i). Construcţia oricărui traductor capacitiv se bazează pe

modificarea de către mărimea neelectrică a uneia dintre mărimile Ai, di, sau i.

Traductoare capacitive bazate pe modificarea distanţei dintre electrozi

Considerând un câmp electric omogen între armăturile unui condensator plan (vezi figura

2.15), cantitatea de electricitate acumulată este[74]:

EADAAdDQ 0**

(2.14)

Deoarece:

U

QCiar

d

UE

Rezultă:

Fig. 2.14 Schema de prelucrare soft a semnalelor

d

ACd

0 (2.15)

Dacă ‚x’ este distanţa de măsurat avem:

xd

AC xd

0 (2.16)

Şi deci:

d

xC

C xd

1

1 (2.17)

adică caracteristica Cd+x/C = f(x) este neliniară.

Dacă se micşorează distanţa dintre armături cu d va rezulta:

dd

ACC dd

01

(2.18)

iar

)(*

11* 001

ddd

dA

dddACCC rr

(2.19)

Variaţia relativă este:

dd

d

C

C

(2.20)

sau:

d

dd

d

C

C

1

(2.21)

Din reprezentarea. grafică prezentată în figura 2.16

d

df

C

Cse vede că, deşi prin traductorul capacitiv considerat

Fig. 2.15. Condensator cu armătură mobilă

Fig. 2.16. Caracteristica

condensatorului

nu se obţine o convertire proporţională, abaterile de la proporţionalitate sunt mici când deplasările

sunt reduse.

Între plăcile condensatorului plan ia naştere o forţă de atracţie F care poate fi calculată pe

baza bilanţului energetic:

UdQFdxdW (2.22)

unde: - dW este variaţia energiei câmpului electric,

- Fdx este lucrul mecanic efectuat de forţele de atracţie;

- UdQ este energia consumată de sistem de la sursa de tensiune constantă U (dQ fiind

variaţia sarcinii acumulate pe plăci provocată de modificarea distanţei cu cantitatea dx.)

Cum:

QCUxd

AxdAEdEW rr

r2

1

)(22

)(

2

1 20

2

02

0

(2.23)

iar:

Uxd

AUCQ r

0* (2.24)

respectiv:

dxxd

AdQ r *

)( 2

0

(2.25)

din ecuaţia de bilanţ rezultă:

dx

dQU

dx

dQU

dx

dWU

dx

dQF

2

1* (2.26)

sau:

xd

CU

xd

AF r

*

2)(2

2

2

0 (2.27)

Pentru a avea precizie superioară pentru măsurarea cu traductorul capacitiv simplu, va

trebui ca forţa de atracţie să fie cel puţin cu un ordin de mărime inferior forţei cu care acţionează

mărimea neelectrică asupra armăturii mobile.

Forţele de atracţie sunt în general mici, dar efectul de atracţie poate fi total atenuat la

traductoarele capacitive diferenţiale. Deplasarea armăturii mobile centrale a traductorului

diferenţial (vezi figura 2.17) are ca efect creşterea unei capacităţi şi micşorarea celeilalte [50].

Considerând a şi b distanţele dintre plăci în starea iniţială iar a=-b valoarea deplasării,

Fig. 2.17. Traductor diferenţial

iar condensatorul legat în braţele unei punţi de c.a. alimentată de la o tensiune Ui, tensiunea de

ieşire a punţii va fi:

43

3

21

1

11

1

11

1

*

CC

C

CC

CUU ie (2.28)

unde capacităţile parţiale ale condensatorului sunt:

bb

AC

aa

AC

rr

*;*0201 (2.29)

Iniţial puntea fiind echilibrată, pentru a = 0 se obţine Ue= 0 şi deci C3/C4 = b/a.

Înlocuind aceste valori se obţine:

ba

aUU ie

(2.30)

iar pentru cazul uzual în practică când a=b se obţine:

a

aUU ie

2

(2.31)

adică valoarea semnalului la ieşire este proporţională cu variaţia relativă a distanţei dintre plăci,

sau direct proporţională cu valoarea deplasării.

Traductoare capacitive cu strat dielectric deplasabil

Fie Xo lungimea electrozilor unui condensator, iar X lungimea porţiunii cu dielectric

(vezi figura 2.18).

Sarcina acumulată pe plăci este dată de suma:

ADX

XXAD

X

XQ **

0

01

0

(2.32)

La suprafaţa de separaţie aer dielectric putem scrie:

2201100 EEEdiv

rr

(2.33)

Dacă U este tensiunea exterioară aplicată se poate scrie:

122211 )( EaUEaaaE (2.34)

Eliminând din relaţiile de mai sus valorile E1, E2 obţinem:

2

1

2

1

2

1

0

0

1

1

*1*

a

aX

XC

U

QC (2.35)

Fig. 2.18. Condensator cu

dielectric mobil

în care C0 este capacitatea sistemului fără dielectricul de permitivitate 2. Capacitatea C rezultă

deci ca o funcţie liniară de X. Sensibilitatea se poate calcula cu:

2

1

2

1

2

1

0

0

1

1

*

a

aX

C

X

C (2.36)

Dacă 2 >>1 iar grosimea a2 a dielectricului deplasabil se alege cât mai mare cu putinţă, astfel că

a1/a2 ≈ 1 sensibilitatea devine:

1

2

0

0 *

X

C

X

C

(2.37)

De multe ori constanta dielectrică 2 a stratului deplasabil este dependentă de temperatură

ceea ce conduce la eronarea rezultatului măsurătorii. Pe lângă o corecţie corespunzătoare de

temperatură capacitatea de măsură C poate deveni independentă de temperatură dacă al/a2 >>1. În

acest caz sensibilitatea devine:

1

2

0

0 *a

a

X

C

X

C

(2.38)

mult mai mică decât valoarea anterioară când al/a2 → 1.

Pentru unele aplicaţii stratul dielectric deplasabil umple complet întregul sistem (X0=X).

În acest caz:

2

1

2

1

2

1

0

1

1

1*

a

aCC (2.39)

dependenţa capacităţii sistemului de grosimea a2 este neliniară. În particular, când grosimea

stratului de aer este mare a1/a2 » 1 şi pentru 1/2 « 1 rezultă pentru capacitatea sistemului

valoarea aproximativă:

1

20 1*

a

aCC (2.40)

care este dependentă liniar de grosimea a2 practic independentă de constanta dielectrică 2, ceea ce

îl face foarte potrivit pentru măsurarea grosimii foliilor de hârtie.

2.3.2.Senzori utilizaţi in măsurarea netezimii

2.3.2.1. Senzori bazaţi pe reflexia radiaţiei luminoase

Acţionând în direcţia tendinţelor actuale ce se manifestă în măsurările aferente industriei

producătoare de hârtie (eliminarea contactului cu banda de hârtie, utilizarea traductoarelor

inteligenta) firma SENTROL a dezvoltat un traductor de netezime pe care îl vom prezenta în

continuare [128]. Traductorul are în compunere:

- Un cap senzor montat pe scanerul de precizie din partea finală a maşinii de hârtie; - Un modul

de control cu microprocesor care are incluse:

placă adaptor pentru senzor;

convertor analog numeric;

rnicroprocesor.

Capul senzorului conţine, într-o incintă etanşă şi presurizată prevăzută cu o fereastră transparentă

din cuarţ, un LED, un sistem optic care asigură focalizarea radiaţiei emise de LED, precum şi a

celei reflectate de banda de hârtie, trei senzori fotoelectrici cu siliciu decalaţi mecanic cu 124° şi

câte un preamplificator cu câştig mare pentru fiecare din senzori. Alcătuirea traductorului este

ilustrată în figura 2.20.

Lumina emisă de LED este focalizată astfel încât formează un spot cu diametrul de

250nm pe banda de hârtie, care este reflectat în diferite direcţii şi cu diferite intensităţi funcţie de

iregularităţile microscopice ale hârtiei. Ansamblul optic al senzorului refocalizează lumina

reflectată spre fiecare senzor cu siliciu. Micii curenţi produşi de detectoarele cu siliciu sunt

amplificaţi în preamplificatoarele cu transconductanţă, şi câştig mare localizate în capul senzor

înainte de a fi transmise la modulul de control al senzorului.

Principiul de operare al senzorului

Fig 2.20 Alcătuirea senzorului SENTROL

În figura 2.21 este prezentată alcătuirea capului senzorului. In partea superioară se află sursa de

lumină care este un LED roşu a cărui spectru de radiaţie centrat pe 660nm este prezentat în figura

2.22. Sistemul optic aflat deasupra LED ului

realizează, focalizarea radiaţiei luminoase pe

banda de hârtie într-un spot cu diametrul de

250m, precum şi reflexia radiaţiei reflectate ce

nu se află într-un unghi solid cuprins între 9° şi

15° fală de radiaţia incidentă perpendiculară pe

banda de hârtie. Radiaţia este transmisă prin

intermediul unei ferestre de cuarţ, al cărui

spectru de transmisie este prezentat în figura

2.22; fereastra asigură în acelaşi timp protecţia

senzorului împotriva pătrunderii impurităţilor şi

etanşarea fală. de exterior în partea dinspre

banda de hârtie. Radiaţia reflectată, cuprinsă

într-un unghi de 9° la 15° fală de direclia

radiaţiei incidente este refocalizată printr-un

sistem de lentile aflat sub sursă, filtrată printr-un

filtru optic a cărei caracteristică de trecere este

prezentată în figura 2.23, şi aplicată prin

intermediul unui reflector triedric celor trei

detectoare optice cu siliciu decalate între ele cu

120 grade.

În ciuda faptului că semnalele obţinute

sunt mici, suprafaţa iluminată a detectoarelor

este mică pentru a evita necesitatea unor surse cu

voltaj ridicat şi a zgomotelor de nivele mari de

care acestea sunt în mod inerent însoţite.

Utilizarea unor preamplificatoare cu câştig mare

la ieşirea fiecărui senzor asigură un nivel

suficient al semnalelor de ieşire.

În figura 2.24 este ilustrat modul în care topografa microscopică a benzii de hârtie

afectează radiaţia reflectată în unghiul cuprins între 9° şi 150 faţă de direcţia verticală. LED-ul

este alimentat cu tensiune alternativă dreptunghiulară cu valoare maximă de 6,66V şi frecvenţa,

de 100Hz.

Fig 2.21 Senzorul traductorului SENTROL

Fig. 2.22. Spectrul de emisie a

LED-ului

Fig. 2.23. Caracteristica de transfer

a safirului

Detectoarele Dl-D3 modulează acest

semnal funcţie de intensitatea

radiaţiei reflectate, acest lucru fiind

ilustrat in figura 2.25; cu ajutorul

semnalelor de la ieşirea, detectoarelor

se formează următoarele semnale

dinamice utilizate în continuare de

soft-ul traductorului pentru calcularea

rugozităţii:

- Rl - semnal analogic

reprezentând diferenţa, dintre

semnalul de ieşire al detectorului Dl şi

semnalul de ieşire al detectorului D2;

R2 - semnal analogic reprezentând

diferenţa. dintre semnalul de ieşire al

detectorului D2 şi semnalul de ieşire

al detectorului D3;

- R3 - semnal analogic

reprezentând diferenţa dintre semnalul

de ieşire al detectorului D3 Şi

semnalul de ieşire al detectorului D1;

- AV - media semnalelor celor trei detectoare;

- DIRT - semnal numeric reprezentând calculul petelor întâlnite.

Pentru a asigura stabilitatea senzorului fală de condiţiile de mediu din maşina de hârtie, senzorul

este ermetizat, curăţat şi presurizat cu azot uscat la 70KPa.

Fig. 2.24. Influenţa topografiei microscopice asupra

reflexiei

Fig 2.25. Semnalele senzorului

Prelucrarea SOFT a semnalelor

Prelucrarea soft a semnalelor este realizată pe partea numerică. În figura 2.26 este ilustrat

modul de prelucrare a semnalelor în scopul obţinerii profilului geometric microscopic al benzii de

hârtie şi pentru calcularea netezimii (rugozităţii) in unităţi inginereşti.

Semnificaţia semnalelor care nu au fast definite anterior este:

- CD - semnal de netezime în direclia perpendiculară pe direcţia de deplasare a benzii de

hârtie (CROSS DIRECTION);

- MD - semnal de netezime in direcţia deplasării benzii de hârtie (MACIHINE

DIRECTION);

- SO - semnal general de netezime (SIGNAL OVER.A.LL).

Pentru a obţine valoarea în unităţi predefinite (inginereşti) sunt utilizate curbele LC, LM şi LC

obţinându-se semnalele:

- UC - valoarea necorectată în direcţia perpendiculară (CD via LC);

- UM - valoarea necorectată în direcţia maşinii (MD via LM);

- UO - valoarea generală necorectată (SO via LO);

Utilizând corecţia de pantă şi de offset, cu ajutorul parametrilor de calibrare corespunzători (CS,

MS şi OS pentru pantă, respectiv C0, MO şi 00 pentru offset) se obţin valorile instantanee

corectate:

IC = (UC*CS') + CO

IM = (UM*MS)+MO

(2.41)

IO=(UO*OS)+OO

Fig 2.26. Diagrama de prelucrare soft a semnalelor

O a patra valoare instantanee a netezimii reprezentând anizotropia de netezime IA este

determinată cu relaţia:

IA =IC –IM (2.42)

În paralel din semnalul AV, cu ajutorul curbei LA se obţine semnalul II valoarea

instantanee de intrare. In funcţie de parametrul PV, parametru modificat la fiecare scanare a

senzorului, se înscriu valorile primare pentru calculul netezimii IV şi valorile anterioare (media

valorilor la precedenta scanare) SA. Parametrul PV este corelat cu poziţia scanerului pe care este

montat senzorul.

Înscrierea parametrilor IV şi SA se realizează conform tabelului următor:

PV= 0 1 2 3 4

IV= IO IM IC IA II

SA= OA MA CA AA VA

TRADUCTOARE DE PROXIMITATE

1. Definirea proximităţii

În sens larg proximitatea se referă la gradul de apropiere dintre două obiecte

dintre care unul reprezintă sistemul de referinţă. În esenţă este vorba de controlul unei

anumite poziţii, fără contact între referinţă şi obiectul în deplasare. Din cazul general

derivă o serie de cazuri particulare, care se pot îngloba tot în categoria măsurătorilor de

proximitate: sesizarea capetelor de cursă, sesizarea interstiţiului între suprafeţe, sesizarea

unui obiect în câmpul de lucru, etc.

Traductoarele de proximitate au de regulă o caracteristică de tip releu, mărimea de

ieşire variind discret („tot sau nimic”) şi discernând între două valori ce reprezintă

convenţional prezenţa sau absenţa corpului controlat. Această particularitate conduce la

realizarea compactă a traductorului, elementul sensibil şi adaptorul fiind înglobate în

aceeaşi unitate constructivă.

2. Traductorul inductiv de proximitate

Schema bloc a unui traductor de proximitate este prezentată în figura 1., în care

detectorul are rolul de a converti informaţia asupra poziţiei unui obiect metalic în raport

cu faţa sensibilă în semnal electric, iar blocul electronic adaptor prelucrează semnalul

Fig. 1. Schema bloc a traductorului inductiv de proximitate

electric şi comandă un etaj final cu ieşirea pe sarcină de tip releu. Blocul de alimentare

furnizează tensiunea necesară circuitelor electronice.

Oscilatorul din blocul detector întreţine un câmp magnetic alternativ în

jurul bobinajului. Când un corp metalic este plasat în acest câmp, în masa metalului apar

curenţi Foucault care generează, la rândul lor, un câmp magnetic opus câmpului magnetic

inductor (principal), ce blochează oscilaţiile. Dispariţia oscilaţiilor provoacă inversarea

stării elementului de comutaţie.

Caracteristicile funcţionale ale traductorului pot fi apreciate pornind de la

definirea cotelor utile, notate în figura 2 şi anume: e – grosimea ecranului metalic; l –

lărgimea ecranului; L – lungimea ecranului; X – distanţa de la marginea de atac la faţa

sensibilă; Z acoperirea feţei sensibile de către ecranul metalic; Z distanţa de la ecran la

faţa sensibilă; ZN – distanţa nominală de detecţie.

Principalele caracteristici funcţionale sunt:

a) Zona de acţiune, reprezentând regiunea delimitată de curbele de atac marcate

în figura 3, şi anume curba de anclanşare (oprirea oscilaţiilor) şi curba de

declanşare (oprirea oscilaţiilor). Zonele de acţiune uzuale se încadrează în

gama 3 … 25 mm.

b) Distanţa utilă de detecţie, caracteristică puternic influenţată de natura şi

dimensiunile ecranului metalic, de variaţiile tensiunii de alimentare şi ale

temperaturii, de dispersia de fabricaţie.

c) Fidelitatea, prin care se înţelege toleranţa preciziei de reperare a parametrilor

de pornire şi oprire a oscilaţiilor, în condiţiile invariabilităţii următorilor

Fig. 2. Traductor inductiv - dimensiuni de gabarit

Fig. 3. Zona de acţiune a traductorului

inductiv de proximitate Fig. 4. Histerezisul în traductoarele

inductive de proximitate

parametri: distanţă, sens şi viteză de pornire, temperatură, tensiune de

alimentare.

d) Histerezisul, adică cursa dintre punctele de pornire şi de oprire ale oscilaţiilor,

în aceleaşi condiţii (fig. 4).

e) Durata impulsului de ieşire, determinată în principal de viteza şi dimensiunile

ecranului metalic.

Din punt de vedere constructiv, aceste traductoare se execută în una din

următoarele două variante: cu faţa sensibilă inclusă frontal sau lateral în corpul propriu-

zis al traductorului, sau cu faţa sensibilă separată prin cablu flexibil de corpul

traductorului. Unele dimensiuni orientative de gabarit pentru diferite variante

constructive sunt prezentate în figura 5.

3. Traductoare magnetice de proximitate

Traductorul magnetic de proximitate se compune dintr-un dintr-un contact

întrerupător (de regulă contactul unui releu miniatură) plasat într-un braţ al unei carcase

în formă de U şi dintr-un magnet permanent fixat în celălalt braţ. Trecerea unui obiect

magnetic printre braţele detectorului modifică liniile de forţă ale magnetului. Contactul

releului nemaifiind solicitat îşi schimbă starea.

Aspectul general al acestor traductoare şi unele dimensiuni orientative sunt

prezentate în figura 6. Alte variante constructive sesizează obiecte magnetice ce

Fig. 5. Soluţii constructive pentru traductoarele inductive de proximitate

Fig. 6. Traductoare magnetice de proximitate – soluţii constructive

acţionează direct asupra releului.

Traductoarele magnetice de proximitate pot fi fără memorie, atunci când releul

comută doar sub acţiunea magnetului, sau cu memorie, atunci când revenirea în starea

iniţială nu se poate face decât sub influenţa unui câmp magnetic de sens contrar. Această

schimbare de polaritate magnetică se obţine prin rotirea cu 1800a magnetului efectuată de

un dispozitiv mecanic adecvat (pârghie, scripete, cablu, etc.).

Când viteza de deplasare a magnetului mobil depăşeşte valoarea de 10m/s distanţa

nominală de acţionare se reduce cu un coeficient (0,7 … 0,9) în funcţie de viteza de

lucru.

4. Traductoare capacitive de proximitate

Elementul sensibil al acestor traductoare este constituit dintr-un condensator care

face parte dintr-un circuit oscilant. Prezenţa unui material conductor sau dielectric cu

permitivitate r > 1, la o anumită distanţă S de faţa sensibilă a detectorului, modifică

capacitatea de cuplaj şi amorsează oscilaţiile (fig. 7). Caracteristicile constructive sunt

asemănătoare cu cele ale traductoarelor inductive, zona de lucru activă fiind de maxim 15

mm.

Funcţionarea este diferenţiată în funcţie de natura corpului controlat. La detecţia

materialelor conductoare, obiectul a cărui poziţie este controlată formează cu faţa

sensibilă un condensator a cărui capacitate creşte odată cu micşorarea distanţei de la

obiect la faţa sensibilă. La detecţia materialelor izolante, faţa sensibilă reprezintă un

condensator a cărui capacitate este cu atât mai mare , cu cât permitivitate dielectrică a

obiectului controlat este mai mare.

Principalele surse de erori le reprezintă variaţiile de temperatură. Pentru evitarea

perturbaţiilor, la detectarea corpurilor conductoare, acestea trebuie să fie puse la pământ.

Varianta constructivă cea mai utilizată este aceea de tip cilindric, cu dimensiunile

de gabarit comparabile cu cele din figura, …

5. Traductoare fotoelectrice de proximitate

Aceste traductoare se bazează pe modificare fluxului de radiaţii care se stabileşte

între o sursă (emiţător) şi un receptor, datorită prezenţei obiectului controlat. Se disting

două variante constructive de bază (figura 8):

a) de tip barieră, la care emiţătorul şi receptorul sunt de o parte şi de alta a

obiectului controlat;

Fig. 7. Traductor capacitiv de proximitate

b) de tip reflector, la care fascicolul de radiaţii emis de sursă este transmis spre

receptor, situat de aceeaşi parte cu emiţătorul în raport cu obiectul controlat

prin intermediul unui paravan reflectorizant. Prezenţa obiectul controlat

modifică intensitatea fluxului luminos receptat după reflexie. La anumite

variante constructive, paravanul reflectorizant este chiar obiectul controlat.

Ca surse emiţătoare se utilizează fie diode electroluminiscente (LED) cu fascicul

vizibil sau infraroşu, fie lămpi cu incandescenţă. La receptor se utilizează un element

fotosensibil: fotorezistor, fototranzistor, fotodiodă, celulă fotovoltaică. Variaţia de semnal

electric sesizată de detectorul fotosensibil datorită modificării obiectului controlat, este

prelucrată de blocul adaptor (care conţine de regulă, un formator de impulsuri şi un

amplificator) şi apoi transmisă elementului de ieşire de tip releu.

Utilizarea acestor traductoare implică ca măsuri speciale de precauţie evitarea

surselor luminoase puternice şi a mediilor umede care pot provoca aburirea lentilelor, ca

şi îndepărtarea obiectelor puternic reflectorizante din apropierea zonei de acţiune.

6. Traductoare integrate de proximitate

Traductoarele de proximitate la realizarea cărora se utilizează tehnica circuitelor

integrate asigură performanţe ridicate la un gabarit foarte redus.

6.1 Traductor inductiv de proximitate

Un astfel de traductor este cel bazat pe circuitul TCA 105N, a cărui schemă bloc

este reprezentată în figura 9 Traductorul este încapsulat într-o capsulă MP 48 cu 8

terminale. Dintre aceste, 2, 3, 4, reprezintă baza, emitorul respectiv colectorul unui

tranzistor care permite formarea unui etaj oscilator, pe frecvenţa de 1 … 5 MHz, prin

montarea în exterior a unui circuit LC adecvat. În schema tipică de utilizare, atunci când

bobina oscilatorului se apropie de un obiect metalic feromagnetic, oscilaţiile se

amorsează, ceea ce duce la cuplarea la masă a rezistenţei de sarcină din ieşire RS (figura

10). După îndepărtarea obiectului feromagnetic, circuitul de intrare începe să oscileze din

nou, iar ieşirea decuplează sarcina RS în gol.

Fig. 8. Traductoare fotoelectrice de proximitate: a) - barieră, b) - reflector

Pe lângă oscilator, capsula mai conţine stabilizatorul de tensiune, un circuit de

filtrare, un circuit comparator cu histerezis şi etajul de ieşire. Acesta din urmă oferă două

ieşiri în antifază, compatibile TTL (de tip tranzistor cu colectorul în gol). În funcţie de

amplitudinea oscilaţiilor, unul din tranzistoarele de ieşire este saturat, celălalt fiind blocat.

În tabelul 1. sunt prezentate principalele caracteristici ale circuitului TCA 105N.

Tabel 1. Caracteristici tehnice ale senzorului TCA 105 N

Tensiunea de alimentare 20V

Tensiunea de ieşire (stare blocată) 20V

Curent absorbit de ieşire 75mA

Frecvenţă de ieşire a sistemului 40kHz

Frecvenţă maximă oscilator 5MHz

Curent de alimentare 5mA

Curent de intrare 50mA

Curent de intrare la comutaţie 400mA

6.2. Traductor magnetic de proximitate

Termenul magnetic din denumirea acestui traductor derivă la faptul că utilizează

un detector de tip element Hall, care sesizează prezenţa câmpurilor magnetice de

intensităţi relativ reduse (în jur de 50mT) şi produce semnale electrice în gama 1…10

milivolţi. Traductorul se bazează pe utilizarea unor circuite integrate de tip SM 231…

SM 234 sau SM 241, SM 242. Aceste circuite conţin în aceeaşi pastilă de siliciu atât

sesizorul Hall, cât şi blocurile de prelucrare a semnalelor furnizate de acestea şi poartă

denumirea comercială de senzor magnetic comutator.

În figura 11 se prezintă schema bloc a senzorului magnetic comutator SM 23X,

care conţine în plus faţă de SM24 X un etaj de stabilizare a tensiunii de alimentare a

circuitului, restul blocurilor fiind identice.

Fig. 9. Schemă bloc pentru senzorul TCA 105 N Fig. 10. Cuplarea senzorului TCA 105N

Principiul de funcţionare este următorul: la sesizarea prezenţei unui câmp

magnetic de inducţie B, senzorul Hall furnizează o tensiune diferenţială, proporţională cu

B. Această tensiune este preluată de amplificatorul diferenţial, care o aplică unui

comparator cu histerezis ce lucrează ca un comutator. Dacă circuitul este plasat într-un

câmp magnetic a cărui inducţie depăşeşte valoarea corespunzătoare a pragului de

deschidere, comparatorul comandă prin intermediul unui amplificator injecţia unui curent

în baza tranzistorului de ieşire, care este adus în saturaţie, iar colectorul său poate absorbi

un curent important. Dacă inducţia magnetică scade sub valoarea corespunzătoare

pragului de blocare, ieşirea comparatorului revine în starea iniţială, iar tranzistorul de

ieşire este blocat. Între pragul de ieşire şi cel de blocare există un histerezis, necesar

pentru a asigura imunizarea circuitului faţă de zgomote.

Principalele căi de basculare a senzorului magnetic comutator la utilizarea

acestuia în aplicaţii industriale ca traductor de proximitate sunt: a) deplasarea unui

magnet; b) ecranarea câmpului unui magnet; c) concentrarea câmpului magnetic.

a) Deplasarea magnetului permanent se poate face în două moduri: frontal sau

transversal (fig 12). În funcţionare cursa magnetului trebuie să depăşească

două distanţe de prag: una la care are loc deschiderea, cealaltă la care are loc

blocarea, datorită histerezisului.

b) Ecranarea câmpului unui magnet se poate realiza prin intercalarea unui

material feromagnetic (bandă de lăţime peste 1 mm) între sursa de câmp

magnetic şi senzor (fig 13)

c) Concentrare câmpului unui magnet se realizează prin apropierea unui material

feromagnetic în spatele senzorului, amplasat într-un câmp insuficient de intens

Fig. 11. Schema bloc a senzorului magnetic comutator

Fig. 12. Senzor de proximitate cu Fig. 13. Senzor de proximitate cu

deplasarea magnetului ecranarea câmpului

pentru a produce bascularea (figura 14). Prezenţa obiectului feromagnetic

permite bascularea prin creşterea inducţiei.

7. Traductoare ultrasonice

Senzorii ultrasonici sunt de fapt proiectaţi pentru măsurarea distanţelor dintre

senzor şi un obiect ţintă. Senzorii ultrasonici au un traductor acustic care vibrează cu

frecvenţă ultrasonică. Pulsurile ultrasonice sunt emise într-un volum conic şi direcţionate

spre obiectul ţintă. Sunt detectate ecourile reflectate de obiectul ţintă. Traductorul

măsoară intervalul de timp dintre emiterea pulsului ultrasonic şi ecoul reflectat de

obiectul ţintă pentru a determina cu precizie distanţa dintre obiectul ţintă şi senzor.

Senzorii ultrasonici rezolvă cele mai dificile probleme de sensibilitate şi detectează

obiecte ţintă realizate din aproape orice material, indiferent de culoare. Ele detectează

ţinte luminoase, transparente şi lucioase la fel de uşor ca pe cele din materiale întunecate

şi opace. Aceste calităţi permit senzorilor ultrasonici să detecteze o gamă largă de

materiale de la sticlă transparentă până la cauciuc negru. Senzorii ultrasonici lucrează de

asemenea foarte bine în cele mai dificile medii: praf, fum, zgomote, etc.

Spre exemplificare este prezentat senzorul din seria 942 produs de firma

Honeywell. În tabelul 2 sunt prezentate câteva dintre caracteristicile tehnice principale

iar în figura 15 sunt prezentate dimensiunile de gabarit ale senzorului.

Tabel 2. Carectiristici ale senzorului ultrasonic serie 942

Distanţa minimă senzor – obiect ţintă 150mm

Distanţa maximă senzor – obiect ţintă 1500mm

Tensiune de alimentare 19 – 30V

Curent absorbit <30mA

Curent de ieşire 0 – 100mA

Frecvenţă de comutare 5 – 30Hz

Interfaţă RS 232 sau 485

Fig. 14 Senzor de proximitate cu

concentrare de câmp

3.2. Traductoare pentru deplasări unghiulare

Traductoarele pentru deplasări unghiulare au în general aceleaşi principii de realizare ca şi

cele pentru deplasări liniare. Traductoarele unghiulare pot fi utilizate atât pentru măsurarea

deplasărilor unghiulare propriu-zise (între 0 şi 3600 sau 0-180

0) cât şi pentru măsurarea

deplasărilor liniare atunci când sunt cuplate prin intermediul unor dispozitive mecanice

corespunzătoare.

3.3.1. Traductoare rezistive pentru deplasări unghiulare

Principiul pe care bazează funcţionarea acestor traductoare este acelaşi ca şi a

traductoarelor liniare rezistive şi, prin urmare, au aceleaşi dezavantaje şi avantaje pe care le au

acestea (fig. 3.18). Cele mai multe traductoare rezistive unghiulare sunt realizate în montaj

potenţiometric relaţia dintre deplasarea unghiulară a şi tensiunea de ieşire fiind:

max

0UU x

(3.32)

Traductoarele potenţiometrice pot fi:

- servopotenţiometre unitură, la care se

execută o singură rotaţie începând cu o

poziţie de zero până la max (delimitat de

zone în care se dispun contactele), deci sub

3600, dar de regulă în game 270

0-355

0. În

cazul când se doreşte un interval mai redus

de unghi, acesta se limitează prin opritori.

- servopoteţiometru multitură, care se pot

utiliza în domenii ce depăşesc 3600, deoarece

au rezistenţa aplicată pe un suport elicoidal.

Variantele standard au trei rotaţii sau 10

rotaţii. Acestea se pot utiliza şi pentru

măsurarea deplasărilor liniare mari dacă sunt

Fig. 15. Dimensiuni de gabarit ale

senzorului ultrasonic din seria 942

produs de firma Honeywell

Fig. 3.18. Senzor rezistiv

potenţiometric pentru deplasări

unghiulare

acţionate prin intermediul unor reductoare corespunzătoare.

3.2.2. Traductoare capacitive pentru deplasări unghiulare

Singura variantă de traductor capacitiv pentru deplasări unghiulare este cea cu

modificarea suprafeţei elementului sensibil, realizată fie pe principiul condensatoare de acord

întâlnite frecvent în tehnica radio – şi care constă dintr-un condensator format din mai multe

armături fixe, între care se deplasează armături mobile fixate pe un rotor mobil (fig. 3.19.a) – fie

în varianta diferenţială din figura 3.19.b. Ca schemă de măsurare poate fi folosină schema în

punte prezentată în figura 3.16, pentru variante diferenţiale.

Elementul sensibil capacitiv din fig. 3.19 a poate fi utilizat şi în scheme de măsurare de tip

rezonant (fig. 3.20 a), în conjuncţie cu o inductanţă L constituită drept secundar al unui

transformator care permite şi alimentarea. Caracteristica statică Uieş()} (fig. 3.20 b) arată că un

traductor cu adaptor de tip rezonant se pretează ca indicator de nul pentru deplasări unghiulare

(nulul corespunzând tensiunii de ieşire maxime, sesizabilă cu un element de decizie (prag) ED).

3.3.3. Traductoare inductive pentru deplasări unghiulare

Principial sunt asemănătoare cu cele pentru deplasări liniare mici dar elementele sensibile

sunt adaptate pentru deplasări unghiulare.

Fig. 3.19 Senzori capacitivi pentru deplasări unghiulare.

a) montaj simplu; b) montaj diferenţial

Fig. 3.20. Adaptor de tip rezonant pentru elemente sensibile capacitive: a) schema

electrică; b) caracteristica statică

Elemente sensibile inductive cu miez feromagnetic mobil. Cel mai utilizat element sensibil

de acest tip este transformatorul rotativ diferenţial variabil (TRDV). Acesta se aseamănă cu cel

liniar, ca principiu de funcţionare şi performante. Un astfel de transformator constă dintr-o bobină

primara şi două secundare, dispuse pe un miez feromagnetic (uzual tole de tip E), la care

inductanţa de cuplaj se modifică. datorită deplasării unui rotor feromagnetic, prin aceasta

închizând diferit fluxul magnetic în cele doua bobine secundare (fig. 3.21)

Datorita neliniarităţii tensiunii de ieşire, TRDV se utilizează de regulă într-un domeniu

restrâns (40° ), eventual 60° . Traductorul este calibrat din fabrică, iar poziţia de zero este

marcată pe axul său. Singura modificare în performanţele TRDV în raport cu TLDV constă în

apariţia unor frecări suplimentare la rotor, dar cuplul fiind mic, acestea pot fi neglijate. Schemele

de măsură sunt de tipul celor de la TLDV(fie cu ieşire în c.a., fie cu ieşire în c.c.), ambele

variante necesitând protecţie la câmpuri electromagnetice externe. Frecvenţa de alimentare,

ţinând cont de caracteristicile miezului feromagnetic, se alege în gama 400 Hz-2 kHz_

Se pot utiliza şi elemente sensibile inductive cu modificarea reluctanţei, de tipul celor

prezentate în § 7.2.], beneficiind de scheme de măsurare de tip punte. În fig. 7.27 a se prezintă

schema de principiu pentru un astfel de element sensibil. .

VOM PREZENTA ÎN CONTINUARE CÂTEVA REALIZĂRI INDUSTRIALE CE

UTILIZEAZĂ PRINCIPIILE TEORETICE PREZENTATE ANTERIOR.

Înclinometrul IT9420 produs de firma americană CELESCO Transducer Products

Este realizat în carcasă de aluminiu şi are aspectul din figura .3.29a şi

dimensiunile prezentate în figura 3.29.b.

Are în compunere un pendul cu amortizare magnetică, cuplat cu un potenţiometru de

precizie realizat pe suport de plastic.

Domenii de măsurare de la 0-45 la 0-2400 cu ieşire în semnal unificat 4-20 mA şi semnal

de alimentare între 12 şi 20 Vc.c. (recomandat 24Vc.c).

Performanţe:

- precizie: ± 1% pe întreg domeniul de măsurare

- rezoluţie teoretic infinită

Fig. 3.21. Element sensibil de tip transformator rotativ diferenţial variabil; a)

schema constructivă; b) caracteristica statică

- ieşire liniară conform diagramei din figura …

Senzorul rezistiv PF1010 şi traductorul PT-1000 produs de Jordan Controls, Inc.

PF-1010 este un senzor rezistiv rotativ cu construcţie robustă destinat conversiei mişcării

a) b)

c)

Fig 3.29 Înclinometrul IT 9420 a) aspect general; b) diagrama de ieşire; c)

dimensiuni (în paranteze sunt dimensiunile exprimate în milimetri)

Fig. 3.30 . Senzorul PF 1010 Fig. 3.31. Cuplarea axului

senzorului cu potenţiometrul

de rotaţie a axului antrenat mecanic, într-un semnal electric într-un semnal electric.

Domeniul de măsurare poate fi cuprins între 580 şi 460 de rotaţii funcţie de

potenţiometrul utilizat şi de reductorul mecanic utilizat pentru cuplarea axului

potenţiometrului cu axul senzorului. Senzorul poate fi dotat cu limitatoare de capete de

cursă cu contact electric. Valoarea potenţiometrului este de 1000W, ia prin cuplarea

senzorului cu un adaptor PT-1000 produs de aceeaşi firmă se obţine la ieşire un semnal

unificat de 4-20mA.

În figura 3.30 este prezentat aspectul exterior al acestui senzor, iar în figura 3.32 sunt

prezentate dimensiunile de gabarit funcţie de variantă.

Modul de conectare a axului senzorului şi a axului potenţiometrului şi axului senzorului

sunt prezentate în figura 3.31.

Senzorul rezistiv DFP-2 produs de Magnetic

Power Systems, Inc.

Senzorul este dotat cu un potenţiometrul de

1K, având un domeniu de măsură de 3600 şi

este destinat controlului poziţiei rolelor de

ghidaj. Aspectul exterior al senzorului este

prezentat în figura 3.33. iar dimensiunile de

gabarit şi modul de conectare sunt prezentate în

figura 3.34. Se remarcă cablul de conectare de

Fig. 3.32. Dimensiuni de gabarit ale senzorului PF-1010

Fig. 3.33. Senzorul DFP-2

4,5 m ce face parte din senzor şi asigură cuplarea comodă la circuitul de măsurare.

Senzori pentru măsurarea solicitărilor mecanice

Cunoaşterea solicitărilor la care sunt supuse structurile mecanice precum şi a

efectului pe care acestea îl au asupra structurilor este esenţial pentru siguranţa în

funcţionare a acestor structuri. Principiile Rezistenţei materialelor descriu legăturile

dintre deformaţiile corpurilor şi solicitările mecanice la care acestea sunt supuse. Pornind

de la acest principiu, o categorie de senzori măsoară deformaţiile pe care diferite solicitări

le produc asupra unor corpuri pentru a determina mărimea solicitărilor. O altă categorie

de senzori utilizează principiul coardei vibrante care constă în aceea că frecvenţa de

oscilaţie a unei coarde elastice suspendate între două puncte depinde de distanţa dintre

cele două puncte. Deformare produsă de solicitarea mecanică va determina modificarea

distanţei dintre cele două puncte şi deci frecvenţa de oscilaţie; măsurând frecvenţa de

oscilaţie se va obţine deci o informaţie legată de solicitările ce acţionează asupra

structurii în care coarda vibrantă este inclusă.

Pornind de la principiile menţionate anterior se realizează traductoare de forţă, de

presiune de cuplu şi de acceleraţie.

3.1. Principii generale

Sondele rezistive sunt senzori pasi~i, care transformă variaţia dimensiunii proprii

în variaţie de rezistenţă electrică. Atunci când aceşti senzori sunt cuplaţi solidar pe o

structură mecanică, variaţia dimensiunii proprii va fi egală cu deformarea structurii,

deformare produsă de solicitările mecanice ce acţionează asupra acesteia.

Fig. 3.34. Dimensiuni de gabarit şi mod de cuplare pentru senzorul DFP-2

Se defineşte deformaţia ca raport dintre variaţia l a unei dimensiuni şi valoarea

iniţială l a acesteia:

l

l (3.1)

Cu ajutorul senzorilor rezistivi cunoscuţi sub numele de mărci tensiometrice se

pot determina deformaţii între 10-5

şi 2x10-1

cu precizii de până la 0,1%. Limita

inferioară a domeniul de măsură este determinată de zgomotul asociat circuitelor de

măsură iar limita superioară de limitele de elasticitate a materialului sondei şi a

adezivului de fixare pe structura de măsurat a acesteia.

În caz general, un senzor este constituit dintr-o grilă formată dintr-un conductor

filiform de rezistivitate , secţiune s şi lungime totală nl, l fiind lungimea unei ramuri iar

n fiind numărul total al acestora (figura 3.1); n este cuprins în general între 10 şi 20

pentru sondele mărcile metalica şi este egal cu 1 pentru mărcile semiconductoare. (figura

3.1.b)

Conductorul este fixat pe un suport izolant, hârtie sau plastic, care este la rândul

lui lipit pe structura studiată. Rezultă că marca suferă a deformare identică cu cea a

structurii, în direcţie paralelă cu ramurile; considerăm că deformarea este l/l.

Expresia rezistenţei mărcii este dată de:

snlR (3.2)

Sub influenţa deformaţiei, rezistenţa mărcii se modifică cu R, variaţia relativă a

acesteia fiind:

s

s

l

l

R

R (3.3)

Deformaţia longitudinală a mărcii antrenează variaţia dimensiunilor transversale:

lăţimea a şi înălţimea b în cazul unei secţiuni dreptunghiulare şi respectiv diametrul d în

cazul unei secţiuni circulare. Deformaţia transversală va fi proporţional cu deformaţia

longitudinală, adică:

l

l

d

d

b

b

a

a

(3.4)

unde este coeficientul lui Poisson, cu valori în jur de 0,3 pentru deformaţii elastice.

Deoarece secţiunea este bas sau 42ds rezultă variaţia relativă a

secţiunii:

l

l

s

s

2 (3.5)

a) b)

Fig. 3.1. Mărci tensiometrice; a) marcă metalică b) marcă semiconductoare

Mărcile metalice şi semiconductoare diferă prin expresia şi valoarea variaţiei

rezisivităţii /.

Pentru mărcile metalice relaţia dintre variaţia rezistivităţii şi variaţia volumului

este dată de relaţia lui Bridgman:

V

VC

(3.6)

Cum: lnsV , rezultă:

l

l

V

V

21 (3.7)

şi:

l

lC

21 (3.8)

rezultă:

l

lK

l

lC

R

R

21(21 (3.9)

unde K este factorul de marcă tensiometrică, are expresia:

)21(21 CK (3.10)

Ţinând cont de valorile numerice curente ( 0,3 şi C 1) factorul K (factor de marcă)

este în general aproximativ egal cu 2.

Pentru mărcile semiconductoare variaţia rezistivităţii se exprimă în funcţie de

solicitarea s şi coeficientul piezorezistiv cu relaţia:

l

lY

(3.11)

unde Y este modulul lui Young. Coeficientul piezorezistiv depinde:

- de orientarea liniilor rezistive în raport cu axele cristalografice pe de o parte şi

în raport cu direcţia solicitării s pe de altă parte;

- de natura dopajului (p sau n) şi gradul de dopaj al semiconductorului.

Pentru o marcă semiconductoare, variaţia rezistenţei va avea expresia:

l

lY

R

R

21 (3.12)

de unde: YK 21

În condiţii uzuale de utilizare a mărcilor semiconductoare, termenul Y este

preponderent şi se consideră practic că:

YK

Factorul K poate atinge în aceste condiţii valori cuprinse între 100 şi 200, semnul fiind

determinat de tipul dopajului. Mărcile semiconductoare, având o sensibilitate mare sunt

utilizate în special pentru măsurarea deformaţiilor foarte mici; în acelaşi timp, mărcile

semiconductoare au o liniaritate inferioară celor metalice şi o sensibilitate termică mai

ridicată. Se utilizează la măsurarea forţelor, acceleraţiilor, presiunii, etc., la care

etalonarea prealabilă permite stabilirea unui răspuns corespunzător.

Mărcile metalica sunt utilizate pentru măsurarea precisă deformaţiilor şi pot atinge

amplitudini importante pentru domenii de temperatură întinse.

Rezistenţele mărcilor metalice şi semiconductoare au valori standardizate, definite

cu precizii între 0,2 şi 10 şi valori nominale între 100 şi 5000.

3.2. Senzori rezistivi metalici

3.2.1. Efectul piezorezistiv în metale

Rezistenţa electrică a metalelor descreşte în general odată cu creşterea presiunii la

care sunt supuse. Acest lucru poate fi explicat prin faptul că odată cu creşterea presiunii

scad distanţele dintre particulele constituente ale reţelei cristaline şi ca urmare cresc

forţele ce se exercită între acestea. Creşterea forţelor interatomice este însoţită de o

scădere a amplitudinii oscilaţiilor atomilor în jurul poziţiei de echilibru. Cum conducţia

este reprezentată de deplasarea electronilor liberi prin interstiţiile reţelei cristaline, odată

cu scăderea amplitudinii oscilaţiilor atomilor scade probabilitatea de ciocnire a

electronilor liberi cu atomii reţelei deci scade rezistivitatea. Materialele metalica utilizate

pentru realizarea mărcilor tensiometrice metalica trebuie să posede o sensibilitate cât mai

mare, deci valoarea factorului K cât mai mare, dar şi o stabilitate a dimensiunilor şi a

rezistivităţii cu temperatura cât mai mare. În tabelul 3.1 sunt prezentate compoziţia şi

factorul de marcă pentru câteva aliaje utilizate pentru realizarea mărcilor tensiometrice:

Tabel3.1.Materiale metalice utilizate pentru realizarea mărcilor tensiometrice

Aliaj Compoziţie Factor de marcă

Constantan 45% Ni, 55% Cu 2,1

Izoelastic 52% Fe,36% Ni, 8% Cr, Mn+Mo 4% 3,5

Karma 74% Ni, 20% Cr, 3%Cu, 3% Fe 2,1

Nicrom V 80% Ni, 20% Cr 2,5

Platina-Tungsten 92% Pt, 8% W 4,1

Deşi materiale precum izoelastic şi nicrom V au sensibilităţi ridicate, din cauza

valorilor relativ mari a coeficientului de variaţie a rezistivităţii cu temperatura acestea au

o utilizare restrânsă pentru realizarea mărcilor tensiometrice.

Mărcile metalice pot fi realizate ca:

- mărci realizate din fire (fig. 3.2.a) cu diametre de ordinul a 20m lipite pe

suporturi izolatoare din hârtie cu grosimi de ordinul 0,1mm sau plastic cu grosimi de

ordinul 0,03mm. Deasupra este lipit un alt strat izolator şi întreg ansamblul este lipit cu

un adeziv special pe structura supusă încercării(fig. 3.3). Este preferată structura în grătar

sau meandre deoarece în acest fel cea mai mare parte din lungimea totală a conductorului

este poziţionată pe direcţia efortului de măsurat. Pentru cazul în care nu se cunoaşte

direcţia efortului sau efortul îşi modifică direcţia se utilizează mărci tensometrice cu două

sau trei elemente identice, cu axele decalate cu 900 sau 120

0 (figura 3.2.b,3.2.c). În cazul

utilizării mărcilor realizate din fire apar următoarele dificultăţi:

- În afara deformaţiei pe direcţia efortului principal se deformează şi porţiunea

transversală de întoarcere a conductorului. Deformarea acestei porţiuni este însoţită de

modificarea secţiunii şi deci şi a rezistenţei electrice, modificare care de obicei nu este

luată în calcul;

- Deformarea elastică a mărcii este însoţită de o

deformare plastică lentă a adezivului; acest efect poartă

numele de postefect la mărcile tensomentrice.

- Efectul deformaţiei porţiunii transversale dispare

dacă marca se realizează ca în figura … cu un singur fir

lipit. Dimensiunea mărcilor tensometrice diferă după

domeniul de utilizare al acestora; mărcile tensometrice

miniaturale sunt utilizate pentru studierea deformaţiilor

materialelor omogene, iar mărcile mari dimensiuni sunt

utilizate pentru studierea deformaţiilor structurilor

neomogene (grinzi de beton, lemn, etc.)

- Mărci peliculare (fig. 3.3) realizate prin

corodarea stratului conductor prin tehnologie similară

realizării cablajului imprimat. Structura de grătar se

obţine prin corodarea unei folii de metal de grosime 20-

40mm lipită pe un suport electroizolant. În cazul mărcilor

peliculare se pot obţine secţiuni mai mari în porţiunea de

întoarcere ceea ce face ca variaţia rezistenţei pe această

porţiune cauzată de efort, să fie neglijabilă. Utilizarea

tehnologiei imprimate oferă următoarele avantaje:

- reducerea dimensiunilor ceea ce permite măsurări punctuale precum şi a

gradientului deformaţiilor;

- obţinerea unor secţiuni mai mari în porţiunea de întoarcere ceea ce face ca

variaţia rezistenţei pe această porţiune cauzată de efort, să fie neglijabilă.

Fig. 3.2. Mărci tensometrice metalice cu fir

Fig. 3.3. Realizarea mărcii

tensometrice metalice cu

fir multiplu

Fig. 3.3. Marcă

tensometrică peliculară

- creşterea suprafeţelor laterale ale capetelor ceea ce va face ca la aceeaşi

rezistenţă să se obţină un contact termic mai bun cu structura şi o evaluare mai uşoară

energiei termice produse de curentul de măsură.

- grosimea suportului şi a grilei metalice mai mică (20-35mm în total) reduce

eroarea determinată de distanţa grilă-suprafaţa structurii în special în cazul măsurării

deformaţiilor.

Mărci tensometrice din materiale semiconductoare

O plăcuţă de siliciu cu grosimi de 100-150mm poate fi folosit ca marcă

tensometrică dacă la suprafaţa acesteia se depun impurităţi corespunzătoare; ea poate fi

lipită direct pe structura de încercat. Se pot realiza tensometre cu semiconductoare sub

forma unui filament (fig. 3.4.a,b) realizat prin corodare în cristal sau separat direct în fază

gazoasă. Mărcile semiconductoare au factori de conversie mult superioare mărcilor

metalice. Cum valoarea factorului de marcă K îşi schimbă valoarea la schimbarea tipului

de semiconductor (p sau n), este posibilă realizarea unei mărci duble pe acelaşi suport, cu

factori de conversie apropiaţi, dar la care semnele sensibilităţii sunt opuse (fig.3.4.c)

Rezistenţele electrice ale mărcilor tensometrice sunt normalizate la valorile 120,

300 sau 600. Ele se conectează în punţi cu două sau mai multe elemente, tensiunea de

alimentare a punţilor fiind de asemenea normalizate; tensiunea de alimentare astfel

dimensionate încât curentul sap se încadreze în valorile unificate de semnal electric. La

încercări de scurtă durată, valorile curentului pot fi mărite. În cazul mărcilor miniatură cu

lungimi de ordinul milimetrilor, tensiunea de alimentare a punţilor este limitată la

1..1,5V.

Caracteristici ale mărcilor tensometrice

3.2.2. Caracteristici principale ale mărcilor

Fig. 3.4. Mărci tensometrice semiconductoare

3.2.2.1. Rezistenţa

Rezistivitatea a aliajelor utilizate trebuie să fie suficient de ridicată pentru că

valoarea dorită a rezistenţei (între 100 şi 5000) să poată fi obţinută fără a fi necesară o

lungime excesivă a firelor sau secţiuni exagerat de reduse, care ar duce la scăderea

curentului de măsură şi ca urmare la scăderea sensibilităţii.

3.2.2.3. Factorul mărcii

Valorile cele mai întâlnite pentru factorul de jojă sunt în jurul de 2±0,1 cu

excepţia aliajului Izoelastic şi a celui platină-tungsten care au factori de marcă în jurul a

3,5 şi respectiv 4,1.

Influenţa solicitare –liniaritate: atât timp cât marca rămâne în limita de elasticitate,

factorul de marcă este constant asigurând o excelentă liniaritate între variaţia rezistenţei şi

deformaţiei. Când firul metalic este deformat peste limita de elasticitate (|l/l| între 0,5%

şi 20% funcţie de material) coeficientul lui Poisson devine egal cu 0,5 iar factorul de

marcă K, devine apropiat de 2 (de exemplu, pentru aliajul izoelastic, K=3,5 pentru

|l/l|<0,65%; peste această valoare K devine egal cu 2). Pentru materialele al căror

coeficient K este apropiat de 2 (constantanul de exemplu) nu apar practic variaţii ale

acestuia la depăşirea limitei de elasticitate; totuşi, în acest caz apar deformaţii permanente

ale firului mărcii şi o modificare permanentă a valorii rezistenţei electrice a acestuia

(histerezis).

Variaţia factorului K este relativ scăzută cu temperatura şi neglijabilă pentru

izoelastic. Pentru temperaturi între -100 şi 3000C se poate considera o variaţie liniară a

factorului K cu temperatura, conform relaţiei:

)(1)( 00 TTKTK k

unde K0 este coeficientul mărcii la temperatura de referinţă T0 care este în general de

250C. Ordinul de mărime al coeficientului de variaţie cu temperatura k este între -

0,04%/0C pentru Nicrom V şi +0,01%/

0C pentru constantan.

Sensibilitatea transversală

În calculul variaţiei rezistenţei în funcţie de deformaţie, nu s-a ţinut cont până

acum decât de rezistenţa longitudinală RL a ansamblului de fire. Între acestea (figura 3.1.)

se află o lungime lt, perpendicular pe direcţia longitudinală, cu o rezistenţă Rt şi care este

sensibil la deformaţia transversală.

Rezistenţa totală a mărcii fiind:

tL RRR

Variaţia relativă a rezistenţei va putea exprimată cu relaţia:

R

R

R

R

R

R tL

unde:

l

lK

R

R

L

L

şi

t

t

t

t

l

lK

R

R

Variaţia relativă a rezistenţei totale va avea deci expresia:

t

t

tL

L

tL

L

l

l

RR

RK

l

l

RR

RK

R

R

sau:

t

t

tLl

lK

l

lK

R

R

Se obţine: - factorul de marcă longitudinal : tL

LL

RR

RKK

.

- factorul de marcă transversal: tL

t

tRR

RKK

.

În cazul mărcilor cu fir Kt = 2*10-2

Efectul deformării porţiunii transversale devine neglijabil dacă marca realizată din

fire metalice are o secţiune mare în zona de întoarcere, iar lungimea acesteia (lt) este cât

mai redusă. În cazul mărcilor realizate prin tehnologie imprimată, porţiunea transversală

va avea lăţimi mai mari (fig. 3.3)

Elasticitatea (extensibilitatea) mărcii tensometrice

Deformările relative ce sunt măsurate pentru diferite structuri cu ajutorul mărcilor

tensometrice nu depăşesc 4-5‰, pentru aceste domenii fiind garantată liniaritatea

răspunsului mărcii tensometrice. Pentru materiale nemetalice (mase plastice, compunduri,

etc.) se pot măsura în condiţii speciale şi deformări de 20-40‰ iar în cazuri cu totul

excepţionale de ordinul a 100‰.

Influenţa temperaturii asupra rezistenţei mărcii tensometrice

Considerăm o marcă tensometrică lipită pe o structură metalică şi o variaţie a

temperaturii mediului. Datorită variaţiei de temperatură se modifică rezistenţa electrică a

mărcii, dimensiunea geometrică a acesteia, precum şi dimensiunea structurii pe care

aceasta este lipită.

Considerăm sensibilitatea mărcii K şi R coeficientul de variaţie cu temperatura a

rezistenţei mărcii. Variaţia va determina o variaţie relativă a rezistenţei mărcii

conform relaţiei:

RR

R

Vom nota cu T coeficientul de dilataţie liniară a mărcii şi cu S coeficientul de

dilataţie liniară a structurii mecanice pe care aceasta este lipită. Dacă marca tensometrică

ar fi liberă, variaţia de temperatură , ar produce o variaţie relativă a lungimii:

Tl

l

Cum însă marca este lipită pe structură, deformaţia rezultantă a mărcii va fi:

TSl

l

În acest caz variaţia relativă a rezistenţei produsă de variaţia relativă a lungimii va fi:

)(2

TSKl

lK

R

R

Variaţia totală a rezistenţei mărcii produsă de variaţia a temperaturii va fi:

TSR KR

R

R

R

R

R 21

sau:

R

R

unde este coeficientul total de variaţie a rezistenţei cu temperatura:

TSR K

Spre exemplificare, pentru o marcă de Cr-Ni lipită pe o structură de duraluminiu,

pentru o variaţie de temperatură de 1000C se obţine o deformaţie aparentă de 0,5‰ care

trebuie compensată.

Metode de compensare a erorilor de temperatură

a. Alegerea corespunzătoare a mărcilor şi structurilor

Posibilitatea cea mai simplă ar fi aceea de a alege mărci tensometrice

corespunzătoare anumite tipuri de structuri pe care acestea sunt lipite, astfel încât:

0)( TSR K

Această metodă se poate aplica numai în cazul măsrcilor metalice lipite pe

structuri metalice şi nu se poate aplica în cazul mărcilor semiconductoare.

b. Folosirea mărcilor compensate individual

Această metodă constă din introducerea

unor rezistenţe în serie sau în paralel cu marca

tensometrică (fig. 3.5.). Coeficientul de variaţie a

rezistenţei cu temperatura şi valoarea acestor

rezistenţe, sunt alese astfel încât, ansamblul marcă

tensometrică plus rezistenţă, să nu-şi modifice

valoarea la variaţii de temperatură.

Dacă în domeniul de lucru este îndeplinită

condiţia: <<1 (condiţie ce este de obicei

îndeplinită) atunci pentru compensarea serie (fig.

3.5.a) este necesar să fie îndeplinită condiţia:

CSCSCSCS RRRR ; În

cazul compensării paralel, în aceeaşi ipoteză,

trebuie realizată condiţia:

CPRR

Rezistenţa totală în cazul compensării serie va fi:

Fig. 3.5. Montarea rezistenţelor

de compensare

CS

tot RR

1

iar în cazul compensării paralel:

CP

tot

RR

1

În concluzie, dacă se urmăreşte păstrarea aceloraşi parametri pentru circuitul de

măsură, este necesar ca în urma compensării, rezistenţa totală să nu se modifice în mod

esenţial. Acest lucru se întâmplă dacă CP,CS>> şi din acest motiv, pentru compensări

se folosesc termistoare, care au coeficienţi de temperatură de (10-20) de ori mai mare

decât la rezistenţele metalice.

Dezavantajul esenţial al acestora este neliniaritatea pronunţată a dependenţei

R(T); din acest motiv, compensarea prin această metodă este eficientă numai pentru

domenii înguste de temperatură.

c) Compensarea efectului termic prin conectarea corespunzătoare a mărcilor tensometrice

în punţi de rezistenţe.

Punţile cu mărci tensometrice (fig. 3.6) sunt echilibrate iniţial

funcţionând în regim dezechilibrat în exploatare, iar instrumentul de

ieşire este gradat direct în valori ale deformaţiei relative l/l[m/m].

Elementele sunt conectate în braţele punţii astfel încât

variaţia temperaturii să nu afecteze tensiunea de dezechilibru a

punţii. Deoarece condiţia de echilibru a punţii este aceea ca produsul

rezistenţelor din braţele opuse să fie egal, conectarea în braţele

alăturate a punţii a doi senzori identici va face ca, la modificarea

temperaturii, condiţia de echilibru să nu fie modificată (modificarea

rezistenţei senzorului dintr-un braţ al punţii va fi compensată de modificarea în aceeaşi

măsură a rezistenţei senzorului din braţul alăturat). În cazul montării senzorilor în braţe

opuse ale punţii efectul modificării rezistenţei prin efect termic s-ar multiplica. În figura

3.6. rezistenţele R1 şi R2 pot fi mărci tensiometrice iar rezistenţele R3 şi R4 rezistenţe fixe.

În figura 3.7. sunt prezentate câteva modalităţi de poziţionare a mărcilor

tensometrice pentru determinarea solicitărilor diverse.

Fig. 3.6. Punte

de rezistenţe

Fig. 3.7. Variante de montare a senzorilor tensometrici

În figura 3.7.a. este prezentat un ansamblu de doi senzori tensometrici montaţi pe

două structuri diferite; faptul că solicitările nu sunt corelate şi faptul că există

posibilitatea ca mediile corespunzătoare celor două structuri să nu fie identice fac să nu

fie posibilă compensarea modificării temperaturii prin montarea în punte rezistivă.

Montarea a două mărci tensometrice pe aceeaşi structură, ca în figura 3.7.b., în

care una dintre mărci (1) este pe direcţia efortului (activă) iar cealaltă (2) este pe direcţie

normală efortului (pasivă) permite compensarea efectului temperaturii atunci când

acestea sunt montate în două braţe alăturate a punţii de rezistenţe (R1 şi R2 de exemplu în

figura 3.6.).

Montarea a patru mărci tensometrice pe aceeaşi structură ca în figura (3.7.c) din

care două sunt active (1 şi 3) iar două pasive (2 şi 4) permit prin montarea într-o punte de

rezistenţe nu numai compensarea efectului modificării temperaturii şi creşterea (dublarea)

sensibilităţii punţii.

Atunci când se utilizează două mărci active (fig. 3.7.d) la care variaţia rezistenţei

lor sub efectul efortului este de semn contrar, montarea lor în două braţe alăturate ale unei

punţi (R1 şi R2 din figura 3.6) permite, la fel ca în cazul anterior, compensarea efectului

modificării temperaturii şi dublarea sensibilităţii punţii.

Utilizarea a patru mărci tensometrice identice cu axele decalate la 450 faţă de

generatoarea axului care se supune unui cuplu de torsiune (figura 3.7.e) are ca efect

solicitarea la întindere a mărcilor 1 şi 3 şi solicitarea la compresiune a mărcilor 2 şi 4 . Ca

urmare atunci când cele 4 mărci sunt conectate într-o punte de rezistenţe ca în figura 3.6.

se realizează o creştere de 4 ori a sensibilităţii punţii şi compensarea efectului modificării

temperaturii.

Reproductibilitatea măsurărilor cu mărci

tensometrice nu depăşeşte o durată de timp de

ordinul câtorva ore, deoarece au loc deformări

ireversibile, plastice, ale adezivului cu care este

lipită marca pe structura supusă efortului, adeziv

care este format cin compoziţii pe bază de răşini

acrilice, celulozice, fenolice, etc. Fiecărui tip de

adeziv, îi corespunde un domeniu strict de lucru al

mărcii tensometrice. Mărcile odată lipite, nu mai pot

fi folosite în alte măsurători, deoarece se distrug la

dezlipire. Există şi posibilitatea de realizare a unei

reproductibilităţi în măsurările tensometrice chiar de

ordinul anilor dacă este utilizat un procedeu de

măsurare cu fir tensionat aşa cum este figurat în

figura 3.8. în care sunt utilizate un ansamblu de

fire tensionate pe care sunt montate mărci

tensometrice într-un mod similar celor prezentate

în figura 3.7.d.. Atunci când axul B este solicitat

la torsiune faţă de structura fixă A se fixează tije

electroizolante rigide pe structura A între care se

tensionează conductoare de constantan prin

înfăşurare. Se pot realiza aceleaşi rezistenţe

iniţiale pentru toate elementele care se conectează

Fig. 3.8. Creşterea

reproductibilităţii măsurărilor

cu mărci tensometrice

Fig. 3.9. Alungirea relativă produsă

de efectul de alunecare în cazul

adezivilor pe bază de răşini acrilice

într-o punte ca în figura 3.6. Răsucirea axului B determină întinderea firului 1 şi 3 şi

comprimarea firelor 2 şi 4. Rezultatele rămân aceleaşi la acest dispozitiv, chiar şi după

câţiva ani.

Domeniul de temperatură

Domeniul temperaturilor de lucru pentru senzorii tensorezistivi este dat de tipul

constructiv al acestora, dar şi de adezivul folosit pentru fixarea acestuia pe structura

supusă efortului; trebuie luate în considerare stabilitatea fizico-chimică a acestuia precum

şi intensitatea postefectului acestuia.

Iniţial, după lipire şi uscare, marca se consideră rigidizată pe structură, deci se

deformează odată cu aceasta. În timp însă, adezivul se deformează, alunecă încet către

starea netensionată, modificând rezultatul măsurătorilor. Procesul este accelerat la

temperaturi mai ridicate. Pentru exemplificare, în figura 3.9 este prezentată deformarea

aparentă ce apare ca urmare a „alunecării” adezivului la temperatura de 200C şi la

temperatura de 700C în cazul utilizării unui adeziv pe bază de răşini acrilice; se observă

că acest efect se dublează practic atunci când temperatura de lucru este de 700C faţă de

cazul unei temperaturi de lucru de 200C. Trebuie menţionat că rezultatele măsurătorii

sunt afectate de eroarea de „alunecare” mai ales în cazul măsurărilor statice, în cazul

măsurătorilor dinamice, la care timpul de răspuns este foarte scurt, influenţa acestui

fenomen fiind neglijabilă.

Adezivii obişnuiţi lucrează în domenii care nu depăşesc 2000C iar pentru

compoziţii speciale se poate ajunge la 2800C. Pentru temperaturi mai mari apare şi

problema stabilităţii fizice a metalului (sau a aliajului) din care este realizată marca

tensometrică. Se pot atinge temperaturi de lucru ridicate prin utilizarea unor mărci din

aliaje de platină-iridiu cu adezivi pe bază de chituri ceramice. Se fixează marca pe o

ţesătură din fibră de sticlă şi întreg ansamblul se lipeşte cu chit ceramic pe structura a

cărei solicitare se măsoară. În acest fel se pot face măsurători până la temperaturi de

4000C în regim continuu şi de circa 600

0C în regim de scurtă durată.

Circuite de măsură pentru mărcile tensometrice.

Ca circuite de măsură se utilizează punţi de c.c. ce funcţionează în regim

dezechilibrat, punţi în care se montează una, două sau patru mărci tensometrice (fig. 3.10.

La contactul dintre marcă şi circuit, din cazuza naturii

diverse a conductoarelor şi a mărcii, pot apărea

tensiuni termo-electromotoare, tensiuni ce se

suprapun peste tensiunea de dezechilibru dependentă

de modificarea mărcii tensometrice. Pentru eliminarea

erorii determinate de tensiunile termo-

electromototoare se recomandă realizarea a două

măsurători în aceleaşi condiţii dar cu polarităţi diferite

ale tensiunii de alimentare; media rezultatelor

obţinute va elimina eroarea determinată de aceste

tensiuni.

Fig. 3.10. Circuite de măsură

în punte cu mărci tensometrice

În măsurătorile de laborator se utilizează o rezistenţă reglabilă suplimentară (Ra

din figura 3.10.) ce permite compensarea eventualelor nesimetrii ale mărcilor

tensometrice în stare nesolicitată.

În curent alternativ se preferă aşa numita „punte cu frecvenţă purtătoare”

prezentată schematic în figura 3.11. Întreg ansamblul se realizează ca aparat portabil

(punte tensometrică) prevăzute cu intrări corespunzătoare configuraţiei circuitului de

măsură utilizat. Puntea se alimentează de la un oscilator (O) cu frecvenţă constantă (de

ordinul KHz); semnalul de dezechilibru este amplificat de un amplificator de c.a.(AM) şi

detectat sincron de detectorul DSF. Instrumentul de ieşire, analog sau nimeric, este gradat

direct în valori ale deformaţiei (m/m). Pentru aceasta, este necesar să fie cunoscut

factorul de conversie (K) al mărcilor tensometrice utilizate, iar puntea este reglată iniţial

funcţie de această valoare. În curent alternativ efectul tensiunii de contact este nul, în

schimb trebuie compensate elementele

capacitive parazite din punte, cele mai

importante fiind capacităţile mărcilor

tensometrice şi capacitatea acestora faţă de

masă. Măsurătoarea este corectă numai

după compensarea elementelor capacitive

parazite.

Pentru ambele tipuri de punţi, dacă

distanţa dintre punctul de măsură şi

puinctul de lucru, unde sunt poziţionate

mărcile; este mare, trebuie să se ţină cont

de căderea de trensiune pe conductoarele

de legătură (deci pe rezistenţa acestora) dar

mai ales de variaţia acestei rezistenţe cu

temperatura. De exemplu, pentru un

conductor de legătură de 4mm2 cu

lungimea de 10m se obţine la temperatura

de 200C o rezistenţă de aproximativ 44

Fig. 3.11. Circuit de măsură în punte de c.a.

dezechilibrată pentru mărci tensometrice

Fig. 3.12. Variaţia în timp a purtătoarei

în cazul măsurării solicitărilor dinamice.

m; o variaţie de ±100C determină o variaţie a rezistenţei conductorului de legătură de

circa 1,7m.

În cazul măsurătorilor dinamice se utilizează o frecvenţă purtătoare f1 din figura

3.12. mult mai mare (de circa 20 de ori) decât frecvenţa solicitărilor dinamice (f2).

Semnalul de dezechilibru va fi o tensiune modulată în amplitudine; după demodulare se

obţine semnalul u(t) ce reflectă fidel variaţia solicitării mecanice semnal ce poate fi

vizualizat şi prelucrat ulterior. Datorită dimensiunilor mici, inerţia mecanică a mărcilor

tensometrice este neglijabilă şi din acest motiv pot fi studiate solicitări dinamice cu

frecvenţe de până la 50KHz (de exemplu vibraţii).

Aplicaţii ale senzorilor tensometrici

Senzorii tensometrici au aplicaţii diverse, începând de la măsurarea presiunilor,

forţelor şi cuplurilor până la măsurarea acceleraţiei. În figura 3.12. sunt prezentate câteva

aplicaţii tipice pentru utilizarea senzorilor tensometrici în măsurări.

În figura 3.12.a este figurată utilizarea mărcilor tensometrice la măsurarea

presiunilor mici, absolute sau diferenţiale. Pentru aceasta, cele două presiuni, P1 şi P2,

acţionează prin intermediul a două tuburi gofrate (elastice) asupra unei membrane

elastice centrale care este supusă la încovoiere (în dreapta sau în stânga); pe membrană

sunt montate două mărci tensometrice care lucrează diferenţial. Atunci când se măsoară o

Fig. 3.12. Aplicaţii ale senzorilor tensometric în măsurări

singură presiune, una din intrări se blochează. Pentru o măsurare corectă este necesar ca

să nu existe histerezis mecanic în tuburile gofrate.

În figura 3.12.b mărcile tensometrice sunt utilizate tot pentru măsurarea presiunii

diferenţiale, dar în acest caz, cele două mărci (1 şi 2) sunt lipite direct pe membrana

elastică (metalică) care se deformează sub influenţa celor două presiuni (P1 şi P2). În mod

implicit, se măsoară diferenţa P1-P2; dacă se măsoară numai una dintre presiuni, cealaltă

intrare se blochează.

Mărcile tensometrice de formă specială prezentate în fig. 3.12.c şi 3.12d, sunt

utilizate pentru măsurarea deformărilor tangenţiale (fig. 3.12.c) şi a celor radiale (fig.

3.12.d.) a unor membrane metalice elastice. Se pot realiza şi elemente specializate pentru

membrane care posedă ambele tipuri de mărci atât tangenţiale cât şi radiale.

În figura 3.12.e. este figurată o masă inerţială care este suspendată într-un lichid

prin intermediul a două lamele elastice. La apariţia unui şoc mecanic pe direcţie

orizontală, masa inerţială rămâne practic în repaus; în schimb se deplasează carcasa, iar

mărcile 1-4, lipite pe cele două lamele, permite determinarea acceleraţiei mişcării.

Măsurarea deplasărilor foarte mici este posibilă prin intermediul unui dispozitiv

ca cel din figura 3.12.f. Corpul C, prevăzut cu un plan înclinat, se deplasează pe

orizontală. Deplasarea planului înclinat determină încovoierea unei lamele pe care sunt

fixate mărcile 1 şi 2. Se pot astfel deplasări liniare foarte mici.

Cap. yyy. Măsurarea temperaturii

Consideraţii generale legate de măsurarea presiunii

Mărimi fundamentale. Definiţii

În cazul fluidelor, fiecare element de volum suportă acţiunea unor forţe din partea restului

de fluid, care, în cazul fluidelor perfecte sunt perpendiculare pe fiecare suprafaţă a volumului de

fluid considerat.

O forţă F uniform distribuită pe o suprafaţă S exercită asupra acesteia o presiune p a

cărei valoare este:

S

Fp (2.69)

Din expresia presiunii se observă că, măsurătorile de presiune sunt de fapt măsurători de forţă,

astfel încât, metodele utilizate pentru măsurarea presiunii pot fi utilizate şi pentru măsurarea forţei

şi invers.

Moduri de exprimare a presiunii

În practica măsurării presiunii se întâlnesc în mod obişnuit trei situaţii:

- măsurarea presiunii în raport cu vidul absolut (considerat presiune zero) – în acest fel

se defineşte presiunea absolută;

- măsurarea diferenţei de presiune faţă de presiunea atmosferică – în acest fel se

defineşte presiunea relativă (efectivă). Presiunea atmosferică este presiunea exercitată

de aerul ce constituie atmosfera terestră; s-a stabilit o presiune convenţională, numită

presiune atmosferică normală egală cu presiunea exercitată de o coloană de mercur cu

înălţimea de 733,5 mm;

- măsurarea diferenţei de presiune faţă de o presiune convenţională de referinţă (aleasă

de utilizator funcţie de proces) + în acest mod se defineşte presiunea diferenţială.

Pentru un fluid în mişcare se pot defini:

- presiunea statică – se defineşte ca presiune exercitată de fluidul imobil, sau presiune

care se exercită la suprafaţa plană de separare a două mase ale aceluiaşi fluid aflat în

mişcare;

- presiune totală; dacă într-un curent de fluid se montează un obstacol, perpendicular

pe direcţia de deplasare a fluidului, în punctul de oprire, viteza se anulează şi întreaga

energie cinetică a fluidului apare sub formă de presiune ce se exercită în punctul de

oprire se numeşte presiune totală;

- presiune dinamică – definită ca diferenţă dintre presiunea totală şi presiunea statică.

Unităţi de măsură

În Sistemul Internaţional , conform relaţiei de definiţie a presiunii, se obţine:

Pam

N

S

FP 11

][1

][1][1

2 (2.70)

Unitatea de măsură pentru presiune definită mai sus (Pa) poartă numele de Pascal.

Deoarece presiunea de 1 Pa este o presiune foarte mică, în tehnică se folosesc în mod

uzual multiplii acestuia Kpa şi Mpa; un multiplu frecvent utilizat este 1bar = 105Pa.

Alte unităţi utilizate în tehnică pentru exprimare presiunii sunt:

- atmosfera tehnică: 1[at]=1Kgf/cm2=98066,5Pa=0,98bar

- atmosfera (atmosfera fizică) 1[atm] este egală cu presiunea exercitată de o coloană de

mercur cu înălţimea de 760mm la 00C şi g=9,8m/s

2: 1[atm]=101325N/m

21,01[bar]

- milimetru coloană de mercur: 1[mmHg]133,3Pa;

- milimetru coloană de apă – presiunea exercitată de o coloană de apă cu înălţimea de

1mm la 40C şi g=9,8m/s

2: 1[mmH2O]=9,807Pa;

În funcţie de valoarea presiunii faţă de valoarea de presiunea de 1bar”1atm presiunile se pot

grupa în :

- suprapresiuni - presiuni care au valoarea mai mare de 1 bar; la rândul lor

suprapresiunile se pot clasifica în:

o presiune medie între 10 şi 102 bar;

o suprapresiune tehnică între 102 şi 10

4 bar;

o presiuni foarte înalte, mai mari de 104bar;

- subpresiuni – presiuni care au valoare mai mică de 1bar; la rândul lor acestea se pot

clasifica în:

o vacuum între 10-6

şi 10-1

bar;

o vacuum tehnic între 10-9

şi 10-6

bar;

o vacuum extrem – presiuni mai mici de 10-9

bar.

2.7.2. Elemente sensibile

Pentru măsurarea presiunii se utilizează pentru conversia primară deformaţia pe care un

care un corp de probă o suferă sub acţiunea presiunii de măsurat; această deformaţie depinde de

presiunea ce se exercită asupra corpului, de forma şi dimensiunile corpului şi de proprietăţile

acestuia [60]. Astfel, pentru un corp cilindric (vezi figura 2.85) care suferă atât o deformare

longitudinală cât şi una radială deformaţiile relative (l/l) sunt date de relaţiile:

- pentru un tub lung (L>>r)

e

r

Y

P

e

r

Y

P

85,0

211

(2.71)

e

r

Y

P

e

r

Y

P

20,0

2

12 (2.72)

- pentru un tub scurt (L>r):

e

r

Y

P

rL

L

221

(2.73)

e

r

Y

P

rL

L

22

12 (2.74)

unde: - este coeficientul lui Poisson care descrie raportul dintre deformarea în direcţia forţei şi

deformarea în direcţia perpendiculară;

- Y este modulul de elasticitate Young.

Pentru o membrană elastică încastrată (figura 2.86) parametrii care descriu deformarea datorată

presiunii P sunt [81]:

- săgeata maximă f a cărei valoare se calculează cu relaţia:

3

42

2)1(

8

3

e

R

Y

Pf (2.75)

- ecuaţia deformării:

3

22221

16

3

e

rR

Y

Pz

(2.76)

Fig. 2.85. Deformaţia unui tub cilindric

Fig. 2.86. Deformaţia unei membrane încastrate

- deformaţia radială 1 dată de ecuaţia:

2

222

1

3)1(

8

3

e

rR

Y

P (2.77)

- deformaţia tangenţială 2 dată de ecuaţia:

2

222

2 )1(8

3

e

rR

Y

P (2.78)

Membranele ondulate

(gofrate) prezintă, faţă de

membranele plane, următoarele

avantaje: posibilitatea obţinerii unor

deformări (săgeţi) mai mari fără

deformări permanente, o

caracteristică de funcţionarea mai

apropiată de cea liniară, stabilitatea

mai bună a caracteristicilor. Aceste

membrane au o zonă centrală plană

rigidizată şi onduleuri concentrice

de diferite forme (sinusoidale,

trapezoidale, ascuţite) prezentate în

figura 2.87.

Membranele ondulate pot fi simple, având profilul prezentat în figura, 2.87 sau sub

forma unor ansambluri lipite pe circumferinţă, care poartă numele de capsule, care avantajul

obţinerii unei săgeţi duble fală. de membrana simplă.

Dezavantajul membranelor ondulate este dat de dificultăţile tehnologice de obţinere a acestora.

Săgeata maximă este legată de presiune printr-o relaţie de forma:

3

//

4

4

e

fb

e

fa

Ye

PR

(2.79)

Tuburile ondulate (silfoanele) sunt tuburi

cilindrice care prezintă gofraje transversale pe

suprafaţa laterală. Forma generală a unui silfon

este prezentată în figura 2.88.

În mod uzual, diametrele tuburilor ondulate sunt

cuprinse între 7 şi 150mm, iar grosimea

materialelor, h=0,08...0,3mm. Considerând tubul

ondulat ca un sistem de plăci inelare legate pe

conturul exterior, rezultă săgeata f dată de

relaţia:

3

2

02Yh

FrnAf k (2.80)

unde: - F este forţa centrată care acţionează axial

asupra tubului;

Fig. 2.87. Membrane gofrate. a) sinusoidale,

b)trapezoidale, c) triunghiulare

Fig. 2.88. Tuburi ondulate (silfoane)

- n = numărul de onduleuri;

- h = grosimea;

- r0 = razele de curbură ale onduleurilor;

- Ak = coeficient care depinde de materialul tubului şi de geometria lui.

Ţinând cont că :

efApF (2.81)

unde Aef este aria efectivă considerată constantă dată de relaţia:

2

2

i

ef

RRA

(2.82)

se obţine:

pkf 0 (2.83)

unde s-a notat:

efk A

hY

nAk

30

2 (2.84)

Tuburile Bourdon sunt tuburi cu pereţii subţiri sau

groşi de forma unui arc de cerc având la centru un unghi de

circa 250° vezi figura 2.89. Deoarece din punct de vedere

constructiv sunt relativ simplu de executat au o mare

răspândire în dispozitivele de măsurare a presiunii. Deoarece

sensibilitatea este relativ mică, pentru obţinerea. unei

deplasări apreciabile a capătului liber se montează un

mecanism de multiplicare. Mişcarea elementului sensibil datorată deformării sub influenţa.

presiunii este transformată. în semnal electric prin intermediul unui traductor pentru deplasări

mici ataşat elementului sensibil, traductoare descrise anterior.

Pentru exemplificare vom prezenta în continuare modul de realizare şi caracteristicile

tehnice ale senzorilor din familia GF 2450 produşi de firma SIGNET. Aspectul exterior ala

acestora este prezentat în figura 2.90 Elementele componente ale senzorului sunt:

a) bloc de ieşire

b) cablu de conectare pentru conectare la distanţă (4,5m)

c) Cablu pentru instalare integrală (152mm)

d) Conectare filetată ¾’

e) Corp realizat prin injecţie

f) Diafragmă plană

g) Conectare filetată 1/2’

Fig. 2.89. Tub Bourdon

Fig. 2.90 Senzor GF 2450 SIGNET

Senzorul măsoară diferenţa dintre presiunea din proces aplicată pe o faţă a diafragmei şi

presiunea atmosferică aplicată pe cealaltă faţă a diafragmei. Pentru a asigura aplicare presiunii

atmosferice pe un din feţele diafragmei este prevăzut un tub capilar în spatele diafragmei; trebuie

luate măsuri ca să nu pătrundă umezeala prin acest tub spre partea posterioară a difragmei,

aceasta putând fi deteriorată. O secţiune prin senzor este prezentată în figura 2.91.

Senzor

ul poate fi

utilizat pentru

măsurări de

presiune de

gaze şi de

lichide,

caracteristicile

tehnice pentru

trei variante de

senzor fiind

prezentate în

tabelul 2.8,

realizarea senzorului realizându-se în conformitate cu standardele de calitate ISO 9001 şi ISO

14001

Tabel 2.8. Caracteristici tehnice ale senzorilor GF 2450

Caracteristică 2450-xU 2450-xL 2450-xH

Presiune de operare [bar] 0…0,7 0…3,5 0…17

Presiune maximă 1,5 5 20

Conectare la proces Reducţie filetată ½’ sau ¾’

Precizie ±1% din domeniu maxim la 250C

Derivă de temperatură ±0,03% din domeniu/0C

Repetabilitate ±0,5% din domeniu

Greutate 0,151kg

Temperatură de depozitare -550C …100

0C

Aparatele care convertesc presiunea într-o deformare (deplasare) a unui element elastic sunt

utilizate în special pentru măsurătorile statice, timpii de măsurare fiind relativi mari.

2.7.3. Senzori piezoelectrici

Pentru a genera un semnal electric senzorii piezoelectrici folosesc efectul piezoelectric (din

termenul grecesc piezo care în semna a strânge). Atunci când un element piezoelectric este supus

unei forţe de comprimare exterioare, se produce o deplasare a sarcinilor electrice, acestea

acumulându-se pe feţele opuse. Figura 1 ilustrează deplasarea sarcinilor electrice în reţeaua unui

cristal piezoelectric natural. Cercurile mai mari reprezintă atomii de siliciu iar cele mai mici

atomii de oxigen. Cuarţul cristalin, atât în forma lui naturală cât şi cea procesată este unul dintre

cele mai sensibile şi mai stabile materiale piezoelectrice disponibile.

Fig. 2.91. Secţiune prin senzorul GF 2450 SIGNET

Pe lângă cuarţurile cristaline se pot utiliza în senzorii piezoelectrice şi materialele

policristaline piezoceramice. Aceste materiale devin piezo-electrice prin aplicarea unui câmp

electric foarte intens şi furnizează o foarte mare cantitate de sarcini la ieşire. Această proprietate

este ideală pentru sistemele de măsură cu zgomot redus. În tabelul 2.9 sunt prezentate comparativ

avantajele şi dezavantajele celor două tipuri de materiale piezoelectrice

Tabel 2.9. Caracteristici ale materialelor piezoelectrice

Cuarţ cristalin Policristaline ceramice

Material piezoelectric natural Material polarizat artificial

Sensibilitate ridicată în tensiune Sensibilitate ridicată în sarcină electrică

Calităţi mecanice comparabile cu ale oţelului Disponibil într-o gamă nelimitată de

dimensiuni şi forme

Stabilitate termică pe termen lung excelentă Operează până la circa 5500C

Nu este piroelectric (polarizarea nu depinde de

temperatură)

Sunt piroelectrice

Coeficient de variaţie cu temperatura scăzut Caracteristicile depind de temperatură

În senzorii industriali se utilizează elemente piezoelectrice de forme şi dimensiuni diferite. Având

o precizie ridicată diferite configuraţii de elemente (prezentate în fig 2.93) oferă diferite avantaje

şi dezavantaje (săgeţile indică sensul efortului la care sunt supuse cristalele de cuarţ). Atunci când

sunt solicitate la compresiune elementele piezoelectrice pot fi utilizate pentru măsurarea presiunii

şi forţei la eforturi şi frecvenţe mari. Dezavantajele sunt legate în acest caz de sensibilitatea la

modificarea temperaturii. Solicitările la

încovoiere permit o realizare simplă a

senzorilor dar permit o utilizare într-un

domeniu îngust de frecvenţe şi au o

capacitate de supraîncărcare redusă.

Configuraţia de solicitare la forfecare

este tipică senzorilor de acceleraţie,

oferă posibilitatea utilizării într-un

domeniu larg de frecvenţe, sensibilitate

scăzută la solicitări în afara axelor şi la

temperatură.

Chiar dacă au o rezistenţă mecanică de ordinul 104x109N/m

2, care este comparabilă cu a

multor metale, materialele piezoelectrice pot produce semnale de ieşire ridicate la solicitări

reduse, adică au o sensibilitate ridicată. Senzorii piezoelectrici au o liniaritate excelentă şi un

domeniu de amplitudine larg, iar atunci când sunt cuplaţi cu un circuit de condiţionare a

semnalului corespunzător pot ajunge până la o amplitudine dinamică (definită ca raport între

domeniu maxim de măsură şi zgomot) de 120dB.

Trebuie subliniat faptul că senzorii piezoelectrici pot măsura realiza numai măsurători

dinamice; ei nu sunt capabili să măsoare evenimente continui statice precum presiune barometrică

Fig 2.92 Deplasarea sarcinilor în materialele

piezoelectrice

Fig. 2.93. Moduri de aplicare a efortului

măsurări de greutate, etc. În timp ce evenimentele statice vor produce o semnal de ieşire iniţial,

acest semnal va scădea în timp funcţie de constanta de timp materialului piezoelectric sau a

electronicii ataşate. Această constantă de timp corespunde unui filtru de ordin I şi depinde de

capacitatea şi rezistenţa electrică a dispozitivului. Acest filtru determină în final frecvenţa minimă

la care poate lucra dispozitivul.

2.7.3.1. Realizarea senzorilor

Ne vom referi în continuare la modul de realizare a senzorilor piezoelectrici produşi de

PCB Piezotronics. Se realizează două tipuri de senzori ţinând cont de caracteristicile lor de ieşire:

senzori cu semnal de ieşire în sarcină care produc sarcini pe o impedanţă de ieşire ridicată

(senzori în mod sarcină) şi senzori cu ieşire în tensiune care au inclus un amplificator

microelectronic (ICP – Integrated Circuit Piezoelectric), ce converteşte sarcina de impedanţă

ridicată într-o tensiune de ieşire cu

impedanţă redusă . Senzorii piezoelectrici

sunt disponibili într-o gamă largă de

dimensiuni şi forme, cu diferite moduri de

conectare la proces pentru diferite tipuri

de măsurări de presiune. Cristalele de

cuarţ sunt preîncărcate în carcasă pentru a

asigura o bună liniaritate şi o bună

repetabilitate a măsurătorilor. Se mai

utilizează ca material piezoelectric

turmalina, material cristalin natural şi

stabil, mai ales atunci când este necesară

o sensibilitate volumetrică ridicată. O

secţiune printr-un senzor piezoelectric este

prezentată în figura 2.94.

Senzori în mod sarcină

Atunci când senzorul este supus

presiunii sunt generate sarcini electrice;

acest semnal de ieşire de impedanţă ridicată trebuie trimis, prin intermediul unui cablu special cu

zgomot mic, la un convertor de impedanţă şi un amplificator. Trebuie menţinută o rezistenţă de

sarcină ridicată în cabluri şi conectori.

Prima funcţie a amplificatorului de sarcină sau tensiune este de a converti impedanţa de

ieşire ridicată într-un semnal de tensiune de impedanţă scăzută care să poată fi înregistrat.

Amplificatoarele de sarcină de laborator au capabilităţi suplimentare pentru normalizarea,

etalonarea şi filtrarea semnalului.

Senzorii de presiune piezoelectrici în mod sarcină pot fi utilizaţi la temperaturi mai

ridicate decât senzorii ICP

deoarece temperatura limită este

determinată mai mult de

temperatura limită a cristalului decât

de electronica inclusă.

Ţinând cont de faptul că în modul

sarcină semnalul de ieşire al

cristalului este o sarcină de

impedanţă ridicată, componentele

interne şi conectorii externi ai

Fig. 2.94 Secţiune prin senzor piezoelectric

Fig. 2.95 Schema echivalentă a circuitului de

transmitere a semnalului în mod sarcină

senzorului de presiune trebuie să asigure o rezistenţă de izolaţie foarte ridicată (în mod normal de

1013

ohm); în consecinţă, orice conector, cablu sau amplificator utilizat trebuie să aibă de

asemenea o rezistenţă de izolaţie ridicată pentru a menţine integritatea semnalului. În figura 2.95

este prezentat schematic modul de obţinere şi schema echivalentă a circuitului de transmitere a

semnalului în mod sarcină cu notaţiile:

- q este semnalul de ieşire ;

- C1 capacitatea cristalului;

- C2 capacitatea echivalentă a cablului;

- C3 capacitatea de intrare a amplificatorului de sarcină

- C4 capacitatea din reacţie

Factorii de mediu care acţionează asupra elementelor de legătură (umezeală, murdărie,

ulei, unsori) produc micşorarea rezistenţei de izolaţie şi ca urmare produc erori de semnal şi

rezultate ce pot fi incorecte; este necesară de aceea utilizarea unor cabluri de legătură cu zgomot

mic. În mod normal, atunci când un cablu cu două fire sau coaxial este îndoit generează o sarcină

între conductoare. Această sarcină este cunoscută sub numele de zgomot triboelectric şi nu poate

fi discriminat din semnalul de ieşire în mod sarcină al senzorului. Trebuie deci utilizat un cablu

de legătură de zgomot mic (aşa cum reiese din figura 2.96) care are montat între izolator şi ecran

un strat lubrifiant din grafit. Acest cablu reduce zgomotul triboelectric şi contribuie la

îmbunătăţirea calităţii semnalului util al senzorului.

Senzori cu ieşire în

tensiune ICP

Senzorii

ICP au încorporat un

amplificator

microelectronic

MOSFET care

converteşte

semnalul de ieşire

sarcină electrică de impedanţă ridicată într-un semnal de tensiune de impedanţă scăzută. Un

senzor ICP este alimentat de la o sursă de curent constant şi poate opera cu cabluri lungi, atât

coaxiale cât şi de tip panglică, fără a se pierde din calitatea semnalului. Semnalul de tensiune de

impedanţă joasă nu este afectat de zgomotul triboelectric al cablului sau de reducerea rezistenţei

de izolaţie de către factorii de mediu.

Sursele utilizate de senzorii ICP au tensiuni cuprinse între 24 şi 27 Vc.c. şi 2 la 20mA

curent constant. Figura 2.97 ilustrează schematic un sistem tipic cu senzor ICP.

Fig. 2.96. Legarea senzorilor în mod sarcină

Unele sisteme de achiziţie date au incluse surse ce curent constant de la care pot fi

alimentaţi direct senzorii ICP. Se realizează dispozitive de condiţionare a semnalului care permit

utilizarea şi calibrarea în regim static a senzorului sau măsurări qvasistatice.

Pentru unele medii foarte dificile se pot utiliza sisteme hibride prin cuplarea unui senzor

în mod sarcină cu un amplificator miniatură de sarcină sau tensiune şi un condiţioner ICP. În

figura 2.97 sunt prezentate câteva moduri de configurare completă a sistemelor pe două fire.

Când este aplicată o tensiune pozitivă unui senzor de presiune ICP, senzorul produce o

tensiune pozitivă. Polaritatea senzorilor în mod sarcină produşi de PCB este de sens contrar: când

este aplicată o presiune pozitivă, tensiunea de ieşire a senzorului este negativă. Senzorii în mod

sarcină sunt în mod uzual utilizaţi cu un amplificator de sarcină extern care inversează polaritatea

Fig. 2.97 Prezentarea schematică a senzorului ICP

Fig. 2.97. Moduri de legare a senzorilor ICP

semnalului de ieşire; prin urmare polaritatea semnalului de ieşire a senzorului în mod sarcină

cuplat cu amplificator extern de sarcină va fi aceeaşi cu senzorilor ICP.

Timpul de răspuns al senzorilor este de ordinul microsecundelor iar frecvenţa de

rezonanţă de ordinul sutelor de kHz cu suprareglări şi oscilaţii minime. Răspunsul la înaltă

frecvenţă şi tipii de creştere pot fi afectate de geometria porturilor de conectare şi a electronicii

asociate, apărând limitări a lungimii cablurilor de conectare.

Cristalele de cuarţ piezoelectric a senzorilor de presiune generează sarcină atunci când la

este aplicată o presiune. Totuşi, chiar şi în cazul rezistenţelor de izolaţie foarte mari sarcina scade

în timp spre zero.; rata cu care sarcina scade spre zero este dependentă de rezistenţa de izolaţie. În

cazul senzorilor în mod sarcină care au la ieşire amplificator de tensiune, rata de scădere a sarcinii

este determinată de rezistenţa electrică şi capacitatea senzorului, a cablului de zgomot mic şi a

oricărui amplificator de tensiune exterior montat în serie cu senzorul. . În cazul senzorilor în mod

sarcină care au la ieşire amplificator de sarcină, rata de scădere a sarcinii este determinată de

rezistenţa şi capacitatea din reacţia amplificatorului. În cazul senzorilor IPB rata de scădere a

sarcinii este determinată de rezistenţa şi capacitatea cristalului de cuarţ şi a electronicii incluse.

Atunci când apare o tensiune sau o sarcină electrică într-un circuit RC, tensiunea,

respectiv sarcina scade exponenţial, exponentul fiind produsul dintre rezistenţa circuitului

exprimată în Ohmi şi capacitatea exprimată în Farazi. Acest lucru este valabil şi în cazul

senzorilor piezoelectrici, constanta de timp de descărcare (CTD) fiind definită ca timp (exprimat

în secunde) în care, după ce senzorului (sau sistemului de măsură) i s-a aplicat un semnal treaptă,

semnalul scade la 37% din valoarea iniţială. Sunt de dorit valori mari ale CTD deoarece, în acest

caz, senzorul poate fi utilizat şi pentru calibrări sau măsurători quasistaţionare.

Când unui senzor PCB îi este aplicat un semnal treaptă la intrare, este produsă o cantitate

de sarcină q proporţională cu semnalul de presiune aplicat. Semnalul de ieşire va fi V=q/C

unde C este capacitatea totală a elementului sensibil, a amplificatorului şi a circuitului de

transmitere a semnalului. Această tensiune este amplificată de un amplificator MOSFET pentru

obţinerea sensibilităţii finale a senzorului. După saltul iniţial sarcina scade conform ecuaţiei:

RCt

eQq

(2.85)

unde : q este sarcina instantanee (în

pC);

Q este cantitatea de sarcină

iniţială (în pC);

R este valoarea rezistenţei de

polarizare (în Ohm);

C este capacitatea totală (în pF);

T este timpul scurs după

momentul iniţial t0;

Ecuaţia prezentată a fost reprezentată

grafic în figura 2.98. Constanta de timp

de descărcare (CTD) este dată în catalog

pentru fiecare tip de senzor. În cazul

senzorilor IPB CTD-ul este fixat de

către diferite componente interne şi nu

este afectat de către rezistenţa de intrare a instrumentului de măsură. În cazul în impedanţa cu

care este cuplat senzorul la intrare este capacitivă, atunci se fixează constanta de timp la 10

secunde, reglarea realizându-se prin montarea unui şunt rezistiv în paralel cu condensatorul. În

acest caz este necesar ca impedanţa de intrare a instrumentului de măsură cu care este cuplat la

ieşire senzorul să fie mai mare de 1M. În cazul în care impedanţa este mai mică constanta de

timp scade. După determinarea celei mai mici valori a CTD această valoare poate fi utilizată

pentru determinarea frecvenţei de tăiere la care poate lucra senzorul. Constanta de timp a

Fig. 2.98 Reprezentarea grafică a ecuaţiei 2.85

sistemului este analogă unui filtru trece sus de ordin I de tip RC. Frecvenţa de tăiere teoretică (fc)

este ilustrată în figura 2.99 şi este calculată cu relaţiile:

sub 3 dB:

fc =

0.16/CTD

sub 10% :

fc = 0.34/

CTD

sub 5%:

fc = 0.5/

CTD

Spre exemplificare vom prezenta în

continuare aspectul (prezentat în

figura 2.100) şi caracteristicile tehnice

ale senzorilor piezolectrici de uz

general din seria 111A (prezentate în

tabelul 2.10 ) produşi de PCB

PIEZOTRONIC

Tabel 2.10. Caracteristici tehnice ale

senzorilor PCB PIEZOTRONIC

Model: Uz general 111A22 ICP® Uz general 101A06

ICP®, masă izolată

Sensibilitate 1 ± 0.1 mV/psi

(0,145 ± 0,015 mV/kPa)

10 ± 1 mV/psi

(1,45 ± 0,15 mV/kPa)

Domeniu dinamic

(for 5V output)

5000 psi (34 475 kPa) 500 psi (3450 kPa)

Preiune maximă 15 000 psi (103 425 kPa) 5 000 psi (34 500 kPa)

Frecvenţă joasă (-5%) 0.001 Hz 0.01 Hz

Frecvenţă de rezonanţă > 400 kHz > 400 kHz

Timp de creştere < 1µs < 1µs

Constantă de timp de descărcare > 500 sec > 50 sec

Temperatură de operare -100 to +275 °F

(-73 to +135 °C)

-100 to +275 °F

(-73 to +135 °C)

Element sensibil quartz quartz

Dimensiuni 1.38 in. (35.05 mm) 1.38 in. (35.05 mm)

Filet de montaj 5/16-24 (M7 x .75) 3/8-24 (M10 x 1.0)

Fig. 2.100 Senzorii din seria

111A

Fig 2.99 Caracteristicile de transfer ale senzorului ICP

Măsurarea debitului

Debitul face parte dintre parametrii tehnologici cei mai utilizaţi în reglarea proceselor

industriale, fiind utilizat atât pentru asigurarea unei anumite calităţi a produselor cât şi pentru

gestiunea materiilor şi energiei utilizate în proces.

2.8.1. Debitmetre diferenţiale

Funcţionarea acestor debitmetre se bazează. pe legea lui Bernoulli privind curgerea lichidelor

atunci când acestea străbat o rezistentă hidraulică constituită dintr-o strangulare. Considerând că

pe o conductă cu secţiunea A1 este montată o strangulare cu secţiunea A2 ca în figura 2.101 , iar

vitezele lichidului sunt v1 in secţiunea A1 şi v2 în secţiunea A2, considerând fluidul incompresibil,

iar densitatea constantă se poate scrie [83]:

2

2

21

2

1

22pp

(2.85)

unde p1 şi p2 sunt presiunile înainte de strangulare şi după strangulare. Ţinând seama că debitul

volumic Q este constant:

2211 AAQ (2.86)

se deduce:

2

2

2

1

221

2

2 )(2

A

App (2.87)

Notând:

2

12 1/1; mAAm

se obţine debitul de volum:

)(2

212 ppAQ

(2.88)

şi respectiv debitul masic:

)(2 212 ppAQm (2.89)

Fig. 2.101. Montarea unei

strangulări

Cele mai răspândite tipuri de dispozitive de strangulare sunt: diafragma., duza şi tubul

Venturi prezentate în figura 2.102. Diferenţa de presiune p1- p2, numită şi pierdere de sarcină este

maximă pentru diafragme şi minimă pentru tuburile Venturi; ca ordin de mărime această cădere

de presiune este cuprinsă între 1 şi 20 mmH2O.

În conformitate cu expresiile debitului, circuitele de măsurare trebuie să conţină blocuri

de extragere a radicalului. Această cerinţă este rezolvată prin introducerea în circuitul de

măsurare a unui bloc de calcul analogice care să realizeze această funcţie [49]. În sistemele de

măsurare extragerea radicalului se efectuează pe partea numerică a sistemului. În ultima perioadă

au căpătat o mare răspândire debitmetrele cu balanţe de forţe, care asigură o dependenţă liniară

între căderea de presiune p1-p2 şi semnalul de ieşire. Un astfel de debitmetru este prezentat în

figura 2.103.

Diferenţa. de presiune p1-p2 este sesizată de traductorul inductiv TI legat la un bloc

electronic care modifică curentul prin electromagnetul EM astfel încât să se restabilească

echilibrul; la echilibru , momentele produse de cele două forţe sunt egale:

2211 lFlF (2.90)

în care Fl - forţa provenită de la membrană, are expresia: 2'

111 QkpkF (2.91)

unde: kl şi k'1 sunt constante, iar Q este debitul; F2 este forţa produsă de electromagnet, ce se

determină cu relaţia: 2

22 ikF (2.92)

unde k2 este o constantă, iar i este curentul prin electromagnet. Înlocuind se obţine:

Qki (2.93)

adică curentul este proporţional cu debitul. Având practic o reacţie negativă, erorile acestor

debitmetre nu depăşesc ±0,5%.

Fig. 2.102 Dispozitive de strangulare

Fig 2.103 Debitmetru cu balanţe de forţe

2.8.2. Debitmetre electromagnetice

Funcţionarea acestor debitmetre se bazează pe legea inducţiei electromagnetice.

Considerând un segment de conductor în mişcare MlM2 de lungime l, făcând un unghi cu viteza

v, (vezi figura 2.104), variaţia suprafeţei acoperite de

conductorul în mişcare este [69]:

dtvldSc

(2.94)

unde 21MMl

Considerând că mişcarea conductorului are loc

într-un câmp de inducţie constantă B, fluxul prin

suprafaţa considerată va fi:

dtSdBd cc (2.95)

Tensiunea electromotoare indusă :

lvBdt

de c

(2.96)

Dacă vectorul vitezei v este perpendicular pe l şi

B vom avea:

vlBe (2.97)

Generalizând formula la cazul curgerii unui lichid în interiorul unei conducte cu

diametrul D şi viteza v perpendiculară pe B, tensiunea electromotoare indusă numai pe un

diametru perpendicular pe B şi v are expresia:

vDBe (2.98)

În practică viteza variază de-a lungul razei conductei (datorită frecărilor vâscoase din

interiorul fluidului şi la suprafaţa de contact conductă-fluid) ţinând cont că repartiţia vitezelor este

simetrică de-a lungul unui diametru viteza determinată va reprezenta viteza medie.

Debitul volumic ce străbate secţiunea fiind:

4

2DvQ

(2.99)

Rezultă că tensiunea indusă e va fi proporţională cu debitul.

Inducţia magnetică este produsă de două bobine plasate de o parte şi de alta a conductei

de măsură. Aceasta. este realizată din materiale nemagnetice şi este protejată la interior de un

strat izolator şi rezistent la coroziune. Doi electrozi sunt plasaţi la extremităţile unui diametrului

perpendicular pe liniile de câmp. Bobinele sunt alimentate în curent alternativ, astfel încât să se

evite fenomenul de polarizare a electrozilor ce apare în curent continuu. Semnalul de măsură ia

deci forma:

)cos(0 tvDBe (2.100)

B0 fiind valoarea maximală a inducţiei şi pulsaţia acesteia.

Amplitudinea semnalului de măsură este de ordinul milivolţilor, iar semnalul util este

obţinut prin intermediul unui detector sincron, circuitul de măsură fiind prezentat în figura 2.105.

Acest tip de debitmetre asigură o precizie de 1% din domeniul de măsură, timpul

de răspuns fiind în jur de 1 s.

Fig. 2.104 Deplasarea unui

conductor în câmp magnetic

Avantajele acestui tip de debitmetru sunt:

- măsurarea nu depinde de natura lichidului de măsurat, singura condiţie fiind ca acesta să aibă

conductivitatea superioară unei valori limită;

- nu se produc pierderi de presiune ca în cazul măsurării prin strangularea secţiunii;

- nu există piese în mişcare, deci uzura este practic nulă;

- se pot asigura rezistenţe mari la coroziune.

2.8.3. Debitmetre cu Vortex

Măsurarea debitului cu aceste debitmetre se bazează pe efectul pe care îl are asupra

curgerii fluidului inserarea unui obstacol perpendicular pe direcţia de curgere [73] (vezi figura

2.106.), şi anume apariţia unor turbioane perpendiculare pe direcţia de curgere a fluidului. Pentru

lichide a căror număr Reynolds Rs=3 *102...2*10

5, frecvenţa acestor turbioane va fi dependentă

de viteza fluidului conform relaţiei:

185,0D

vf (2.101)

unde D este diametrul conductei.

Apariţia unui astfel de turbion produce o variaţie

locală a presiunii fluidului. Utilizându-se traductoare de

presiune piezoelectrice, variaţia de presiune este

convertită într-un semnal alternativ cu frecvenţa

dependentă de viteza fluidului. Avantajele acestor

debitmetre sunt legate de posibilitatea de măsurarea in

domenii extinse, circuite de măsură simple unui şi o

liniaritate foarte bună.

2.8.4. Debitmetre cu turbion axial

Funcţionarea acestor debitmetre se bazează pe efectul Coandă, conform căruia un fluid în

mişcare aderă la suprafaţa unui perete [27]. Realizându-se un ajutaj de formă specială, se produce

un vârtej axial a cărui frecvenţă depinde de viteza fluidului; variaţiile de presiune de terminate de

vârtej sunt sesizate cu un senzor de presiune piezoelectric, obţinându-se la ieşire un semnal

alternativ de frecvenţă variabilă

Astfel de debitmetre au un domeniu de măsură foarte larg (Qmin,/Qmax=1/100) şi utilizează

circuite de măsură simple şi robuste.

Fig. 2.106. Turbioane în siajul

unui obstacol

Fig. 2.105 Circuit de măsură debitmetru electromagnetic

2.9. Măsurarea temperaturii

2.9.1. Termorezistenţe metalice

Termorezistenţele sunt traductoare rezistive al căror principiu de funcţionare se bazează

pe fenomenul de variaţie a rezistenţei electrice a unui fir metalic în funcţie de temperatura lui.

Cunoscând legea de variaţie a rezistenţei electrice cu temperatura R=f(t), temperatura se poate

determina măsurând rezistenţa electrică a firului cu o instalaţie corespunzătoare.

Coeficientul de temperatură al unei rezistenţe electrice este definit prin relaţia:

dt

dR

R

1 (2.102)

Proprietăţile termometrice ale diferitelor materiale folosite pentru confecţionarea

elementelor sensibile ale termometrelor pot fi exprimate şi comparate cu ajutorul coeficientului

de temperatură a0100

, definit pentru intervalul 0°C ... 100°C. Relaţia de definiţie a acestui

coeficient rezultă din relaţia anterioară, şi este [113]:

0

0100100

0100 R

RR

(2.103)

R0 şi R100 fiind rezistenţele firului la temperatura de 0°C, respectiv 100°C.

Practica arată că valoarea acestui coeficient exprimă gradul de puritate a metalului din

care este confecţionat elementul sensibil. Valoarea maximă a acestui coeficient se obţine atât prin

purificarea la maximum a metalului, cât şi prin înlăturarea tensiunilor mecanice printr-un

procedeu special de recoacere.

Materialele foarte frecvent utilizate la confecţionarea elementelor sensibile ale

termorezistenţelor sunt: platina, cuprul, nichelul, materialele semiconductoare, etc..

Datorită proprietăţilor sale platina s-a dovedit a fi cel mai corespunzător material folosit

la confecţionarea elementelor sensibile pentru termorezistente. Câteva dintre proprietăţile

specifice ale platinei sunt: temperatura de topire foarte mare ( 1769°C), se oxidează foarte greu

(practic se poate spune că nu se oxidează în comparaţie cu celelalte metale utilizate în acelaşi

scop), reproduce foarte bine valoarea rezistenţei electrice pentru orice temperatură cuprinsă în

intervalul de utilizare, îi corespunde o relaţie destul de simplă între valoarea rezistenţei şi

temperatură, care, având caracter de lege în transmiterea practică a unităţii de temperatură, face

ca aceste elemente sensibile să fie considerate practic fără erori sistematice.

La temperaturi înalte platina trebuie protejată de impurificările cu siliciu, cu vapori de

metal, cu gaze de ardere din cuptoare, în special CO şi CO2. Prezenţa acestor gaze la temperaturi

înalte determină carburarea platinei, care îşi modifica valoarea coeficientului de temperatură a

rezistenţei electrice şi îşi micşorează rezistenţa mecanică.

Legătură între temperatura t a unui fir de platină şi rezistenţa lui electrică, pentru domeniul 0

...630,5°C, după cum s-a stabilit pe scala internaţională practică de temperatură (SIPT) este

reprezentată prin funcţia:

)1( 2

0 tBtARRt (2.104)

în care:

- Rt şi R0 sunt rezistenţele electrice ale firului de platină la temperaturile t şi 0°C;

- A şi B sunt constante care se pot determina măsurând rezistenţa electrică a firului de

platină la. încă două temperaturi cunoscute, în afară de punctul de topire a gheţii. Aceste

temperaturi s-au ales în cadrul SIPT ca fiind punctul de fierbere a apei (100°C) şi punctul de

fierbere a sulfului (444,6°C). Valorile acestor constante pentru platină pură pot fi:

A=3,98*10-3

grd-1

, B=-5,8*10 -7

grd-2

.

Cum rezolvarea relaţiei de mai sus oferă expresii complicate pentru t, se foloseşte o

formulă mai simplă pentru calculul temperaturii, şi anume:

1

100100100

0100

tt

RR

RRt t (2.105)

Relaţiile între A, B, şi sunt:

10000;

1001

100

0100

0

BA (2.106)

Măsurările au arătat că relaţia 2.98 poate fi folosită până la minus 30°C fără a produce

erori importante. Sub această. temperatură, erorile cresc simţitor. Astfel la -40°C s-ar face o

eroare de aproximativ 0,01 grade, la -100°C de 0,2 grade, iar la -200°C de circa 24 grade. De

aceea pentru domeniul 0°C ...183°C s-a stabilit o altă relaţie între rezistenţa firului de platină şi

temperatura sa:

])100(1[ 32

0 ttCBtAtRRt (2.107)

Constanta C se determină prin măsurarea rezistenţei R, la punctul de fierbere a oxigenului

(t=182,97°C).

O relaţie asemănătoare relaţiei (2.99) pentru calculul temperaturii în domeniul 0°C...-

183°C este:

1

100100101

100100100

3

8

100

00100

0 ttCtt

RR

RRt t

(2.108)

Pentru platina pură, folosită la termorezistenţe etalon, valorile celorlalte constante sunt:

A0100

≥ 3,92*10-3

grd-l; ≈ 11,49grd

-1, iar C ≈~ -4*10

-l2grd

-1

Pentru a reduce cât mai mult fenomenul de volatilizare care apare la temperaturi ridicate,

se foloseşte pentru confecţionarea. elementului sensibil, sârmă cu diametrul mai mare ( 0,5mm).

În acest caz raportul dintre aria suprafeţei firului şi volumul firului scade, determinând o scădere

considerabilă a vitezei de volatilizare a platinei. Pentru temperaturi între 0...1063°C se poate

utiliza următoarea relaţie între rezistenţa firului de platină Rt şi temperatura acestuia, t:

1

6,4441

1001001

100100100

0100

0 ttttt

RR

RRt t (2.109)

Constantele din relaţia de mai sus se determină la patru puncte fixe: 0°C, 100°C, 444,6°C şi

1063°C. Constanta nu-şi modifică valoarea faţă de cea determinată cu ajutorul relaţiei (2.97)

deoarece termenul din relaţia (2.103) care conţine pe se anulează pentru punctele fixe 0°C,

100°C şi 444,6°C.

Datorită acestor proprietăţi platina este folosită astăzi pentru confecţionarea

termorezistenţelor utilizate la măsurarea temperaturii în intervalul -220°C ... 850°C, iar în

construcţii speciale în intervalul -250°C ... 1000°C.

La termorezistenţele tehnice coeficientul a0100

poate avea una din valorile 3,85*103grd

-1,

3,878*10-3

grd-1

sau 3,91 * 10-3

grd-1

valoarea fiind specificată de către producător.

Tabel 2.11 Rezistenţa în ohmi a termorezistenţelor Pt100,

t[0C] R[] t[

0C] R[] t[

0C] R[] t[

0C] R[] t[

0C] R[] t[

0C] R[]

-200 18,49 -100 60,25 -10 96,09 80 130,89 170 164,76 260 197,69

-190 22,80 -90 64,30 0 100.00 90 134,70 180 168,47 270 201,25

-180 27,08 -80 68,33 10 103,90 100 138,50 190 172,16 280 204,88

-160 35,53 -70 72,34 20 107,79 110 142,29 200 175,84 290 208,45

-150 39,71 -60 76,33 30 111,67 120 146,06 210 179,51 300 212,02

-140 43,87 -50 80,31 40 115,54 130 149,82 220 183,17 310 215,57

-130 48,00 -40 84,27 50 119,40 140 153,58 230 186,92 320 219,12

-120 52,11 -30 88,22 60 123,24 150 157,32 240 190,45 330 222,65

-110 56,19 -20 92,16 70 127,07 160 161,04 250 194,07 340 226,17

Elementele sensibile ale termorezistenţelor tehnice se fac, de obicei, cu rezistenţa.

electrică de 100 la 0°C pentru a elimina cât mai mult influenţa. firelor de legătură. Mai rar se

întâlnesc valorile 50 sau 46 la 0°C

Valorile rezistenţelor pentru diferite valori ale temperaturii sunt date de către

producătorul termorezistenţei de exemplu, pentru termorezistenţele produse de ITRD Paşcani

această corespondenţă este dată în tabelul 2.1.

Elementul sensibil al termorezistenţelor este realizat din sârmă de platină cu diametrul

cuprins între 0,05 ...1mm. Sârma se bobinează pe mai multe tipuri de suporturi aşa cum este

prezentat în figurile 2.107...2.110

- pe un

suport din

sticlă specială

ca în figura

(2.107) se

bobinează

bifilar sârma

de platină şi apoi se introduce totul într-un tub de sticlă cu diametrul interior foarte apropiat de

diametrul exterior al tubului suport. Tubul de sticlă exterior se încălzeşte până la înmuiere astfel

încât să cuprindă în masa lui sârma de platină; acest tip de elemente se folosesc pentru

temperaturi cuprinse în intervalul -288 ... 650°C.

- pe o plăcuţă de mică cu marginile zimţate se bobinează bifilar firul de platină (figura

2.108). Dimensiunile aproximative ale plăcuţei sunt (80 ... 100)mm xl0mm. Plăcuţa este acoperită

pe ambele părţi cu alte două plăcuţe de mică, pentru a-i asigura izolaţia electrică şi o mai bună

rezistenţă mecanică. Cele trei plăcuţe sunt puse într-o montură metalică (figura 2.109). Acest

model de suport al elementului sensibil permite montarea unor aripioare metalice elastice 1, cu

ajutorul cărora se realizează un contact termic bun între elementul sensibil 2 şi teaca de protecţie

3, a termorezistenţei (figura 2.109) asigurând o inerţie termică mult mai mică.

- pe un suport de mică sau de porţelan cu secţiunea transversală în formă de cruce ca în

figura (2.110) se bobinează firul de platină. Acest tip de suport este folosit în special la

termorezistenţele de precizie.

Fig. 2.107 Element sensibil

din platină pe suport de sticlă

Fig.2.108 Element sensibil din

platină pe suport de mică

Construcţia unei termorezistenţe tehnice destinată măsurării temperaturii fluidelor în

conducte şi recipiente este prezentată în figura 2.111. Elementul sensibil 1 este montat într-o

teacă de protecţie 2. Firele de legătură cu circuitul de măsură sunt conectate în cutia de conexiuni

pe o placă de conexiuni 4. Pentru montare se utilizează elementul 3 care poate fi un niplu filetat, o

flanşă fixă sau o flanşă mobilă.

Pentru măsurarea temperatura cilindrilor în rotaţie din maşina de hârtie se folosesc

dispozitive speciale care au în compunere un cilindru montat pe rulmenţi şi rotit prin apăsare pe

suprafaţa cilindrului a cărui temperatură trebuie măsurată, dintr-o termorezistenţă. montată în

interior şi dintr-o carcasă exterioară de protecţie (fig. 2.112) [43] Cu ajutorul unui arc lamelar,

cilindrul aparatului este apăsat pe cilindrul a cărui temperatură se determină. Fiind în contact cu

acesta ajunge la aceeaşi temperatură dacă pierderile de căldură către exterior sunt nule. În acest

scop s-a prevăzut carcasa de protecţie realizată dintr-o manta exterioară, un strat termoizolant

acoperit la interior cu o tablă subţire, vopsit în negru. Pentru a se elimina curenţii de aer, rulmenţii

cilindrului aparatului sunt etanşaţi în casete.

Cel mai simplu circuit de măsurare este circuitul de

măsurare cu logometre magnetoelectrice, care poate

asigura erori maxime de 1-2%. Traductorul R0 în

conexiune cu trei borne, este legat în circuitul de

măsurare prin trei conductoare având rezistenţele

R11, R12 şi R13; suma rezistenţelor de linie R11 şi R12

este adusă la rezistenţa nominală de 10 sau 20 cu

ajutorul rezistenţelor de egalizare Rel şi Re2 ce se

conectează suplimentar ce se conectează suplimentar

în circuitul de măsurare, iar R0 limitează curentul

Fig. 2.109 Secţiune transversală

într-o termorezistenţă 1-aripioare

metalice; 2- element sensibil; 3 -

teacă de protecţie

Fig 2.110 Element sensibil din

platină pe suport în formă de

cruce

Fig. 2.112 Aparat cu element rotitor 1-

tambur; 2- cilindrul aparatului ; 3-suport

elastic; 4-teavă de protecţie; 5-

termorezistenţă; 6-izolaţie termică; 7-

carcasă

Fig. 2.111 Construcţia unei termorezistenţe tehnice

prin termorezistenţă (fig 2.113). Este necesar ca prin termorezistenţă să nu treacă un curent mai

mare de 10-20mA pentru a nu produce o încălzire suplimentară a termorezistenţei. Alimentând

circuitul de la sursa de tensiune E, deviaţia logometrului a va fi proporţională cu raportul

curenţilor ce se stabilesc prin bobinele Bl şi B2:

)(2222

1111

1

2 tfRRRR

RRRRRf

I

If

Bel

Bel

(2.109)

independentă de tensiunea de alimentare.

Un alt

circuit de măsurare cu

mare răspândire îl

reprezintă puntea

Wheastone

prezentată în

figura (2.114) în unul

din braţe fiind

montată termorezistenţa.

În acest caz se măsoară în

special abaterea de la

valoarea

nominală. Dacă

notăm cu R10 valoarea nominală a termorezistenţei şi cu Rt abaterea de la această valoare

datorată variaţiei temperaturii faţă de temperatura nominală, tensiunea de dezechilibru a punţii va

fi dată de:

20

4320

3

20

2

43

2

1))((

RR

R

R

RRRR

RU

RRR

R

RR

RUU

t

t

t

ttt

(2.110)

S-a ţinut seama că Rt0=R2R4. Dacă puntea are braţe egale Rt0=R2=R3=R4 şi admiţând Rt

/2Rt0 se obţine:

Fig.2.113 Circuit de măsurare cu logometru

Fig. 2.114. Circuit de măsură cu punte de c.c. dezechilibrată

00 21

4 t

t

t

t

R

R

R

RUU (2.110)

Problemele care apar la utilizarea punţilor dezechilibrate sunt legate de apariţia tensiunii

de offset şi caracteristica neliniară [74]. Pentru a elimina aceste neajunsuri se utilizează

amplificatoare de instrumentaţie sau se procedează. la modularea amplificarea în c.a. şi

demodularea tensiunii de dezechilibru. Pentru ca perturbaţiile preluate de conductoarele de

legătură să nu influenţeze măsurarea, dat fiind faptul că termorezistenţa se măsoară la distanţe

apreciabile de circuitul de măsură se recomandă conectarea ei pe trei fire. Este necesar ca firele

de legătură termorezistenţă circuit de măsură să fie foarte apropiate între ele (eventual răsucite).

În afară de platină pentru construcţia termorezistenţelor metalice se mai folosesc şi alte

materiale precum cuprul, nichelul, wolframul etc.

2.9.2. Termorezistenţe semiconductoare

Funcţionarea traductoarelor cu termorezistenţe semiconductoare (termistori) se bazează pe

variaţia cu temperatura a rezistenţei termistorilor care are loc după o lege exponenţială descrisă

de:

T

b

T eaR (2.112)

În care:

a - este o constantă dependentă de forma şi dimensiunile termistorului;

b - constantă caracteristică a materialului din care este confecţionat termistorul. Valoarea

acestei constante este cuprinsă între 2500 şi 5000, pentru termistori utilizabile până la 300°C, şi

între 6000 şi 13000, pentru termistori refractari;

T - temperatura absolută (°K) la care rezistorul are rezistenţa RT.

Relaţia anterioară se mai poate scrie şi sub forma:

0

11

0

TTb

T eRR (2.113)

în care T0 este temperatura (°K) la care termistorul are rezistenţa. R0. Coeficientul de temperatură

a unui termistor va fi în baza definiţiei lui, şi a relaţiei (2.106):

2

1

T

b

dT

dR

R (2.114)

În figura 2.77 este reprezentată grafic variaţia cu temperatura a rezistivităţii unui

termistor (curba 1) şi a rezistivităţii platinei (curba 2). Se observă o mare diferenţă între cele două

curbe, de unde reiese sensibilitatea superioară a termistorilor. Din relaţia (2.115) reiese că un

termistor poate fi caracterizat prin valorile constantelor a şi b. În practică se folosesc uneori alte

mărimi şi anume: valoarea rezistenţei electrice a termistorului şi valoarea coeficientului de

temperatură, ambele corespunzătoare unei aceleiaşi temperaturi care de obicei este 25°C.

Termistorii se fabrică în general din amestecuri de oxizi cu proprietăţi semiconductoare,

cum sunt oxizii de Mn, Ni, Co, Cu. Fe, Zn, Al, Mg. Aceşti oxizi sunt măcinaţi, presaţi şi apoi

sinterizaţi la o temperatură înaltă, în formă de disc baghetă sau perlă. Pe acestea se aplică prin

metalizare electrozi, la care se lipesc fire de conexiune, după care ansamblul se protejează prin

acoperire cu lac, închidere in sticlă sau în capsulă metalică.

Dacă prin termistor trece un curent acesta degajă o anumită putere, funcţie de intensitatea

curentului. Dacă această putere este foarte mică, temperatura termistorului este practic egală cu

temperatura mediului ambiant. Dacă însă puterea degajată este mai mare, termistorul se

încălzeşte, temperatura lui fiind mai mare decât cea a mediului ambiant. Menţinând constantă

temperatura mediului ambiant a unui termistor şi trecând un curent crescător prin acesta

(începând cu valori foarte mici) tensiunea de la bornele lui este proporţională cu intensitatea

curentului, adică rezistenţa este practic constantă şi nu depinde decât de temperatura mediului

ambiant. Acest regim de funcţionare este utilizat pentru măsurarea temperaturii cu ajutorul

termistorilor. Dacă se creşte şi mau mult intensitatea aşa cum s-a arătat şi înainte, termistorul se

încălzeşte. În aceste condiţii nu mai există proporţionalitate între tensiune şi intensitate. În figura

2.116 sunt reprezentate curbele tensiune intensitate pentru termistori la diferite valori de

temperatură ale mediului ambiant, punându-se în evidenţă limita maximă a domeniului de lucru.

Domeniul de măsură care poate acoperit de tiristoare este de -100°C ...+ 400°C,

neliniaritatea pronunţată a caracteristicii face însă ca domeniul de utilizare a unui termistor să fie

restrâns la câteva grade (zeci de grade) în jurul unei valori nominale.

Circuitele de măsură sunt în general asemănătoare cu circuitele de măsură asociate

termorezistenţelor metalice, termistorii prezentând avantajul că valoarea rezistenţei proprii fiind

mare se pot neglija rezistenţele firelor de legătură, deci nu mai trebuie compensată influenţa

firelor de legătură. Prin şuntarea termistorului cu o rezistenţă fixă de precizie, se obţine o

îmbunătăţire a liniarităţii caracteristicii în detrimentul sensibilităţii.

2.9.3. Termocuple

Termocuplele sunt senzori de tip generator a căror funcţionare se bazează pe efectul

Seebeck, care se enunţă astfel:" Într-un circuit închis format din două sau mai multe conductoare

Fig 2.115. Variaţia rezistivităţii cu

temperatura pentru un termistor şi o

termorezistenţă.

Fig. 2.116 Caracteristica curent tensiune

a unui termistor

diferite, ia naştere un curent electric, dacă cel puţin două puncte de legătură au temperaturi

diferite”. Tensiunea termoelectromotoare care determină închiderea curentului într-un circuit

format din două conductoare de natură diferită numite termoelectrozi, este dată de suma t.e.m. de

contact (efect Volta) şi t.e.m. datorată efectului Peltier-Thompson.

Considerând concentraţia volumică de electroni liberi în cei doi termoelectrozi NA şi respectiv

NB, şi NA>NB, energia necesară migrării electronilor din termoelectrodul A este mai mică decât

energia necesară ieşirii electronului din termoelectrodul B; în consecinţă un număr mai mare de

electroni din termoelectrodul A va difuza în termoelectrodul B decât invers. Ca urmare

conductorul A se încarcă pozitiv iar B se încarcă negativ. Pe măsură. ce procesul de difuzie

progresează apare la locul de contact un câmp electric, care caută să împiedice această difuzie.

Echilibrul dinamic se stabileşte când diferenţa de potenţial, care apare la locul de contact,

egalează diferenţa dintre potenţialele de ieşire ale celor două conductoare. Diferenţa de potenţial

care apare în punctul de contact este:

B

A

B

ABA

N

NT

N

NT

e

kVV ln1087,2ln 7

(2.115)

în care: - VA,VB sunt potenţialele conductorului A, respectiv B;

- NA, NB este numărul de electroni liberi pe unitatea de volum a conductorului A,

respectiv B;

- k =1,38*10-16

erg*grd-l este constanta lui Boltzmann;

- e = 4,802*10-10

u.e.s. abs este sarcina electronului;

- T este temperatura punctului de contact în °K.

Deci valoarea t.e.m. de contact este dependentă de temperatura absolută a punctului de

contact şi de natura conductoarelor.

Pe de altă parte considerând că un conductor omogen de secţiune constantă este încălzit

într-un anumit punct se constată că temperatura scade simetric de o parte şi de altă a punctului de

încălzire. Dacă prin conductorul încălzit trece curent electric, se constată o deplasare a curbei de

repartiţie a temperaturii în sensul curentului la unele metale şi în sens invers la altele. Porţiunea

rece şi porţiunea încălzită se comportă ca două metale diferite. Datorită concentraţiei diferite de

electroni liberi, la diferite temperaturi, electronii din porţiunea conductorului încălzit difuzează în

porţiunea mai rece, cu viteză mai mare decât în sens contrar (efectul Thompson). T.e.m. care

apare se poate exprima cu relaţia:

dTdT

NTd

Ne

kVV

T

T

TT

)(1

0

0 (2.116)

în care: T este temperatura locului de contact;

T0 este temperatura iniţială a conductoarelor;

N este numărul de electroni liberi pe unitatea de volum.

În fig. 2.117 este reprezentat un circuit termoelectric închis, format

din doi termoelectrozi A şi B; punctele de legătură constituie sudura caldă,

respectiv sudura rece, funcţie de valorile celor două temperaturi. T.e.m. care

apar în circuit reprezintă valoarea tensiunii termoelectromotoare (t.t.e.m.)E:

dTdT

TNd

Ne

k

N

NT

e

kdT

dT

TNd

Ne

k

N

NT

e

kE A

T

TTA

TBBT

TBT

AT )(1ln

)(1ln

000

0

0 (2.117)

După efectuarea calculelor rezultă:

Fig. 2.117 Cuplu

termoelectric

T

T A

B dTN

N

e

kE

0

ln (2.118)

Integrală ce nu poate fi efectuată decât dacă se cunosc funcţiile de repartiţie a densităţii

electronilor cu temperatura NA=fl(T) şi NB=f2(T).

Considerând integrala nedefinită ca o funcţie de temperatură rezultă:

0)]()([ 0 TT EETT

e

kE (2.119)

În intervale restrânse de temperatură, se pot considera valorile NA şi NB constante, ceea ce duce la

relaţia:

)(ln 0TTN

N

e

kE

B

A (2.120)

Dacă temperatura sudurii reci T0 este constantă, rezultă:

)(TfE (2.121)

adică tensiunea termoelectromotoare este funcţie numai de temperatura joncţiunii calde.

Tensiunea termoelectromotoare care ia naştere în

termoculpu are valori reduse (0,01 ...0.06mV/grd) dar

suficientă pentru a fi măsurată direct cu un -.

milivoltmetru ca în figura 2.118.

Pentru realizarea termocuplurilor, două

conductoare din materiale diferite sunt sudate într-un

punct, punctul de sudură constituind joncţiunea caldă,

această joncţiune fiind pusă în contact cu mediul a cărui

temperatură se măsoară. Capetele libere formează aşa

numita joncţiune rece, această joncţiune fiind păstrată la o

temperatură constantă, de referinţă (de obicei 20°C).

Tensiunea termoelectromotoare va fi determinată de

diferenţa dintre temperatura joncţiunii calde şi a joncţiunii

reci.

Materialele din care se realizează cei electrozi

sunt foarte diverse; principalele combinaţii utilizate

pentru realizarea termocuplurilor sunt:

- PtRh-Pt un electrod este realizat din platină pură, iar celălalt din aliaj 90% Pt şi

10%Rh; se poate utiliza pentru temperaturi între 0 ...1400°C, dar se recomandă pentru temperaturi

ridicate (peste 900°C) datorită preţului mai mare decât ai altor combinaţii. T.t.e.m. specifică este

de 6V/grd (între 0 şi 100°C) şi circa 10V/grd la temperaturi mai înalte.

- cromel-alumel, un termoelectrod este compus din 85%Ni,10%Cr şi 5% adaosuri, iar

celălalt (cel negativ) din 95%Ni şi în rest adaosuri (Al, Si, Mn).

- Fe-constantan, la care termoelectrodul pozitiv este realizat din fier, iar cel negativ din

constantan;

- cromel-copel, copelul fiind un aliaj de Cu cu Ni.

- Cu-constantan

- Aliaje pe bază de Pt, Rh, Ir, Wf, Mo, Ta sau materiale ceramice pentru măsurarea

temperaturilor ridicate.

Fig. 2.118. Conectarea unui

milivoltmetru la termocuplu

Realizarea constructivă a unui termocuplu pentru măsurarea temperaturilor în incinte,

recipiente sau conducte este prezentată în figura 2.119.

Termoelectrozii care alcătuiesc elementul sensibil (1) sunt dispuşi în interiorul unui

izolator (în general ceramic) şi protejaţi într-o teacă metalică (2). Joncţiunea rece este constituită

din cutia de borne (4) în care se face legătura între elementul sensibil şi circuitul de măsură.

Prinderea ansamblului la locul de măsură se poate realiza prin niplu filetat, flanşă sudată sau

flanşă mobilă (3). De menţionat că în timp ce joncţiunea rece trebuie să se găsească la

temperatura de măsură, joncţiunea rece (cutia de borne) trebuie să. rămână la o temperatură

constantă şi, pentru ca temperatura cutiei de borne să nu fie influenţată de temperatura mediului

de măsurat, este necesar ca raportul dintre lungimea porţiunii aflate în exteriorul mediului de

măsură şi cea aflată in mediul de măsurat să fie de minim 4/1. Legarea la circuitul de măsură se

realizează prin conductoare speciale, care pot fi din aceleaşi materiale ca şi termoelectrozii sau

din materiale care au caracteristici termoelectrice apropiate.

Pentru compensarea variaţiilor de temperatură ale joncţiunii reci se montează circuite de

compensare care constau în principiu din intercalarea în circuitul de măsurare a diagonalei unei

punţi Wheastone, alimentată în curent continuu, având cel puţin o rezistenţă dependentă de

temperatură. Printr-o dimensionare corespunzătoare a acestei rezistenţe şi a tensiunii de

alimentare a punţii, se poate obţine ca pentru orice temperatură a sudurii reci în timpul măsurării,

tensiunea. diagonalei să fie atât de mare şi astfel dirijată, încât să corecteze tensiunea

termoelectromotoare la valoarea corespunzătoare temperaturii de gradare.

Cap ….Măsurarea nivelului

Necesitatea măsurării nivelului apare în majoritatea proceselor tehnologice. De

remarcat că în cazul în care măsurarea se realizează în cadrul unei bucle de reglare nu

este impusă în caz general o precizie deosebită deoarece reglarea are ca scop asigurarea

unei debit minim la ieşirea recipientului în care se realizează măsurătoarea.

Metodele de măsurare sunt diverse, realizându-se atât măsurători continui cât şi

discontinui, citirea nivelului putându-se realiza direct de către operatorul uman sau prin

Fig. 2.119. Realizarea practică a unui termocuplu industrial

conversia într-o mărime electrică destinatarul măsurătorii putând fi în acest caz o maşină

operator.

7.1. Măsurarea nivelului cu aparate cu citire directă

Dispozitivele utilizate pentru citirea directă sunt dispozitive simple, foarte ieftine,

nu necesită o conversie intermediară de semnal, rezultatul măsurătorii este destinat în

exclusivitate operatorului uman, determinarea nivelului poate fi realizată atât continuu cât

şi discontinuu, precizia este însă în general redusă. Principalele dispozitive utilizate

pentru măsurarea prin citire directă a nivelului sunt: tija de nivel, sticla de nivel, robinete

sau buşoane de control.

7.1.1. Tija de nivel

Este utilizată atunci când măsurările se fac la intervale mari de timp în recipiente

care nu se află sub presiune. Pentru măsurare, tija, gradată sau prevăzută cu repere, este

introdusă vertical în recipientul a cărui nivel se măsoară, până la fundul

vasului sau până la un opritor special prevăzut pentru măsurare (figura

7.1). Pentru determinarea nivelului se scoate tija din vas şi se măsoară

porţiunea udată de lichidul a cărui nivel se măsoară. Atunci când nu este

necesară măsurarea nivelului ci numai sesizarea faptului că acesta se află

între limite prestabilite tija va avea trasate numai două repere

corespunzătoare celor două limite. Înaintea fiecărei măsurători tija trebuie

să fie ştearsă.

O variantă constructivă constă dintr-un fir sau o bandă gradată

prevăzută la un capăt cu o greutate care se coboară în lichidul de măsurat

la fel ca tija; atingerea de către greutate a fundului vasului sau a

opritorului este sesizată de operator prin faptul că firul nu mai rămâne

întins.

Precizia este de ordinul 1mm, iar domeniul este limitat de

posibilitatea de manevrare a tijei. Trebuie remarcat de asemenea faptul că

această metodă nu se poate utiliza decât în cazul când este posibil accesul

pe la partea superioară a recipientului în care se află lichidul a

cărui nivel se măsoară.

7.1.2. Sticla de nivel

Dispozitivul se compune dintr-un tub de sticlă gradat

montat în exteriorul recipientului al cărui nivel se măsoară tub

ce este conectat direct la recipient ca în figura 7.2. Pe principiul

vaselor comunicate lichidul se va ridica în sticla gradată la

aceeaşi înălţime ca şi în recipient citirea nivelului realizându-se

direct pe sticla gradată. De obicei montarea se realizează prin

intermediul unor armături (flanşe, ştuţuri robinete) care permit

izolarea dispozitivului în scopul operaţiilor de întreţinere. Se

poate utiliza şi în cazul recipientelor aflate sub presiune, în acest

Fig. 7.1.Tija

de nivel

Fig. 7.2. Sticla

de nivel

caz impunându-se aplicarea unor măsuri de protecţie a personalului (plase de sârmă,

supape de siguranţă) care să asigure evitarea accidentelor în cazul în care sticla de nivel

cedează ca urmare a suprapresiunilor.

Precizia este de ordinul 1mm, iar domeniul este limitat de lungime sticlei. Se pot

utiliza două sau mai multe sticle înseriate pentru extinderea domeniului. Pentru o precizie

corespunzătoare este necesar ca temperatura lichidului din sticla de nivel să fie aceeaşi cu

cea din recipient, în caz contrar fiind necesară realizarea corecţiei de temperatură.

7.1.3. Orificiul sau robinetul de control

Aceste dispozitive se pot utiliza numai pentru a sesiza dacă

lichidul a atins un nivel prestabilit. Orificiul practicat în

peretele lateral al vasului este obturat cu dop, buşon filetat

sau robinet (figura 7.3). Controlul se face prin desfacerea

obturării. Uneori, obturatorul poate conţine şi un dispozitiv

de protecţie (de exemplu, în cazul unor cazane de abur cu

focare deschis, scăderea nivelului apei sub limita minimă

poate fi sesizată de un obturator fuzibil care, în momentul

când apa scade sub nivelul minim se topeşte, aburii care ies

prin orificiul astfel eliberat ajung în focar şi sting focul).

7.2. Măsurarea nivelului cu dispozitive care

măsoară presiunea hidrostatică

Funcţionarea acestor nivelmetre se bazează pe legătura dintre presiunea

hidrostatică exercitată de lichidul dintr-un recipient pe fundul recipientului sau faţă de un

nivel de referinţă şi înălţimea coloanei de lichid faţă de nivelul de referinţă:

Hp (7.1)

Unde: p este presiunea hidrostatică;

este greutatea specifică a lichidului

H este înălţimea faţă de referinţă.

Dezavantajul metodei este dat de faptul că etalonarea este făcută pentru o anumită

densitate a lichidului; pentru lichide cu altă densitate decât a lichidului pentru care s-a

făcut etalonarea sunt necesare corecţii.

7.2.1. Nivelmetru cu citire directă

Când este posibil, la baza rezervorului se montează

un manometru cu tub Bourdon sau cu membrană (figura

7.4). Pe acul manometrului se pot monta contacte electrice

corespunzătoare unuia sau mai multor nivele, semnalul

putând fi astfel transmis la distanţă. Dispozitivul nu se poate

utiliza decât în recipiente deschise, în caz contrar, presiunea

din recipient, diferită de cea atmosferică, se adaugă presiunii

hidrostatice producând erori inacceptabile. Domeniul de

Fig. 7.3. Robinet de

control

Fig. 7.4. Nivelmetru

cu citire directă

măsură este limitat numai de înălţimea rezervorului, precizia fiind de 1% din domeniul

de măsură.

7.2.2. Nivelmetru cu manometru diferenţial

Acest dispozitiv se poate utiliza în dispozitive sub

presiune. Tubul manometric fiind de sticlă (figura 7.5), la

echilibru hidrostatic se obţine relaţia:

hph

HHp

211

2 (7.2)

Atunci când există riscul ca în ramura din dreapta a

tubului U să apară condens al lichidului din vas. În acest

caz este necesară montarea unor oale de condens înainte de

ajungerea în braţul vertical şi purjarea periodică a acestora.

La presiuni mari nu se mai poate utiliza tubul U din sticlă, fiind necesară

confecţionarea lui din oţel. Sesizarea înălţimii coloanei din tub fiind în acest caz realizată

magnetic sau discret cu contacte electrice, ca în figura 7.6.a. În vasul cu mercur (1) sunt

introduse contactele electrice (2) de lungimi diferite, care şuntează porţiuni din rezistenţa

(3) funcţie de înălţimea h a lichidului din vas. Curentul din circuit este dependent de

valoarea rezistenţei şi este măsurat cu instrumentul (4) gradat direct în unităţi de lungime.

O soluţie asemănătoare este prezentată în figura 7.6.b. Atunci când cele două lichide sunt

miscibile sau când nu trebuie să vină în contact se utilizează membrane elastice pentru

transmiterea presiunii hidrostatice.

Fig. 7.5. Nivelmetru cu

manometru difernţial

Fig. 7. 6. Nivelmetre presostatice cu contacte electrice

7.2.3. Nivelmetru cu clopot şi membrană flexibilă

Un clopot cu membrană elastică închide aer la presiune atmosferică (figura 7.7).

Imersat în lichid, asupra membranei aflată la un nivel cunoscut, se exercită o forţă a cărei

expresie este:

hpShSF (7.3)

Unde: - S este suprafaţa membranei

- este greutatea specifică a lichidului

- ph este presiunea hidrostatică.

Deformarea membranei elastice exercită asupra aerului din capsulă o presiune

egală cu ph care este transmisă la manometru prin intermediul unui

tub capilar. Se utilizează pentru recipiente descoperite, unde nu

există acces la pereţii laterali (puţuri de exemplu).

Membrana este realizată din cauciuc, neopren sau materiale

similare. În unele cazuri (lichide corosive, condiţii de sterilitate)

acest nivelmetru poate fi montat în exterior (fig. 7.8)

7.2.4. Nivelmetru cu capsulă cu burduf elastic

În locul clopotului se poate utiliza o capsulă elastică,

presiunea hidrostatică exercitată producând o deformare a acesteia

(figura 9). Presiunea exercitată asupra aerului din interior este

transmisă prin intermediul unui tub capliar la

manometru.

Pe acelaşi principiu se poate utiliza în

locul capsulei un burduf elastic. În aceste cazuri

pot apărea erori cauzate de neetanşeităţi. În cazul

nivelmetrelor cu burduf, deformarea poate fi

măsurată cu un traductor de deplasări liniare.

Pentru exemplificare vom prezenta în

continuare câteva traductoare de nivel bazate pe

măsurarea presiunii hidrostatice produse de firme

cu tradiţie în domeniu. Primul dintre ele este

traductorul CS 420 produs de CAMPBELL

Fig. 7.7. Nivelmetru manometric

cu clopot

Fig. 7.8. Nivelmetru manometric cu

membrană montată în exterior

Fig. 7. 9. Nivelmetru

cu burduf elastic

Fig. 7.10 Senzor CS 420-aspect general

SCIETNIFIC INC prezentat în figura 7.10 . Traductorul are în compunere o capsulă

metalică prevăzută cu membrană elastică capsulă ce este scufundată în lichidul a cărui

nivel se măsoară. Modificarea nivelului, determină modificarea presiunii hidrostatice şi

ca urmare deformarea membranei. În interior este introdus un material piezorezistiv a

cărui rezistenţă electrică se modifică funcţie de presiunea aplicată. Circuitul de măsură

detectează variaţiile de curent din circuitul în care este inserat elementul piezorezistiv

alimentat la o tensiune continuă constantă. Principalele caracteristici ale traductorului

sunt: precizie 0,1% din domeniu (sunt incluse erorile de neliniaritate, de histerezis şi de

repetabilitate), presiune de lucru între 5 şi 100psig (pound per inch2), tensiune de

alimentare maxim 10V c.c., consum maxim 5mA, temperatură de lucru -20+600C,

dimensiuni 1,75 cam diametru, 9,5 cm lungime, greutate 1,4kg, tensiunea maximă de

ieşire 50mV. Este necesar ca senzorul să fie calibrat funcţie de lichidul al cărui nivel se

măsoară, funcţie de tensiunea de alimentare şi de domeniul de măsurare, producătorul

oferind programe speciale de calibrare.

Pe acelaşi principiu se realizează traductorul LL-V cod BP 712 produs de

Honneywell al cărui aspect general este prezentat în figura 7.11.a) şi cu dimensiunile de

gabarit prezentate în figura 7.11.b) . Principalele caracteristici sunt:

- domeniu de măsură: 0-25, 0-50, 0-100, 0-200, 0-300, 0-500, 0-1000”H2O

0-1, 0-2, 0,5, 0-10, 0-25, 0-50 psig

- precizie: +/- 0,1%

- temperatură de operare –20+800C

- ieşire: 0+/-5Vc.c. cu alimentare de 18-28 Vc.c. la 40mA

4-20mA cu alimentare 13-40Vc.c.

4-20mA cu alimentare de 22-32mA

7.3. Măsurarea nivelului cu aparate cu plutitor

Aceste dispozitive au ca principiu urmărirea nivelului de către un plutitor.

Fig. 7.11 Traductorul LL-V BP 712 produs de Honneywell

Au ca avantaj faptul că indicaţia nu mai este dependentă de densitatea lichidului.

Montarea plutitorului se poate face într-o mare diversitate de feluri aşa cum se poate

observa în figura 7.12.

Transmisia mişcării plutitorului la aparatul indicator se poate face de asemenea

într-o multitudine de feluri precum: mecanic, hidraulic, electric, magnetic, etc.

7.3.1. Transmisie mecanică

Transmisia mecanică poate fi

realizată prin cablu ca în figura 7.13.a

sau cu pârghii, ca în figura 7.13.b.

În cazul transmisiei prin cablu,

plutitorul (12) este suspendat pe un fir

care se roteşte pe canelurile unui ax

(3) prin intermediul unui fir

inextensibil (2). Contragreutatea (4)

asigură echilibru staţionar de forţe şi

cupluri. Deplasarea verticală a

plutitorului determină coborârea

contragreutăţii şi mişcarea axului pe

care este fixat solidar, acul indicator. Această variantă nu poate

fi utilizată decât în cazul unor recipiente deschise.

Transmisia mecanică cu pârghii aplicabilă în cazul

recipientelor este prezentată în figura 7.13.b. Plutitorul este

prins prin intermediul unei pârghii pe un ax ce trebuie etanşat

prin intermediul unor presetupe; prezenţa presetupelor

determină apariţia unor forţe de frecare relativ ridicate şi prin

urmare este necesară dimensionarea plutitorului de aşa manieră

încât să de deplaseze în jos la scăderea nivelului sub acţiunea

propriei greutăţi şi să se ridice sub acţiunea forţei arhimedice,

la creşterea nivelului.

Un traductor care combină avantajele transmiterii prin

fir (bandă) a mişcării este traductorul SDI 12 produs de firma

Fig. 7.13. Transmisia mecanică a mişcării

plutitorului: a)prin cablu, b) cu pârghii

Fig. 7.14 Traductorul

AMASSER SDI 12

Fig. 7.12. Modalităţi de montare a plutitorului

AMASSER. Acesta este destinat măsurării nivelului apelor freatice şi are în compunere

un senzor cu fir cu plumb suspendat prin intermediul unei benzi gradate. Poziţia firului cu

plumb este comandată printr-un motor controlat de un procesor. În ciclu de măsurare firul

este coborât până când greutatea atinge suprafaţa apei. Motorul este blocat pentru câteva

secunde permiţând eventualului operator uman să citească direct, pe banda gradată,

adâncimea la care se află suprafaţa pânzei freatice în puţ. Pe axul tamburului este montat

un senzor de deplasare incremental care furnizează 384 de impulsuri pe o rotaţie

completă număr egal cu gradaţiile benzii pe o turaţie. Traductorul este prevăzut cu un

circuit de măsurare care inclus un procesor permiţându-se conversia numerică a mărimii

măsurate şi transmisia la distanţă a informaţiei.

Transmiterea mecanică a mişcării va fi exemplificată prin prezentarea senzorului

FS00 produs de CLARK & Associations, senzor ce este prezentat în figura 7.15. Senzorul

are în compunere un plutitor din neopren prins printr-un tub flexibil de o cameră în care

se află un releu cu mercur cu contact comutator. Contactul releului poate fi legat în

circuite alimentate cu până la 250V la maxim 15A. Cablu de legătură poate avea până la

Fig. 7.15. Senzorul FS 500 a) Aspect general; b) Montaj

Fig. 7.16. Senzorul LC 007. a) Aspect exterior b) Dimensiuni

20m lungime şi conţine trai conductoare cu secţiunea de 1,5mm. Presiunea maximă de

lucru este d 5bar în timp ce temperatura de operare este cuprinsă între –20 şi +800C.

Pe acelaşi principiu, dar cu braţ rigid este realizat senzorul din seria LC007 al

aceluiaşi producător, senzor ce este prezentat în figura 7.16. Corpul şi braţul senzorului

pot fi realizate din oţel inoxidabil sau din materiale plastice.

Prin unirea mai multor plutitoare aflate pe acelaşi ax se obţine un lanţ de măsurare

cu contacte electrice aşa ca la senzorii din seria L312 şi L500 care au în compunere 5 sau

6 contacte ce pot fi montate în circuite

separate sau cu conductor comun, contacte

simple (normal deschise, normal închise) sau

contacte comutatoare, aşa cum reiese din

figura 7.17.

7.3.2. Transmisia hidraulică

Transmisia hidraulică are în

compunere un sistem de capsule elastice şi

conducte de legătură care sunt umplute cu

lichid hidraulic. În figura 7.18 este prezentată

transmisia hidraulică. Creşterea nivelului

provoacă deplasarea în sus a plutitorului (1) şi

în consecinţă creşterea presiunii în capsula 2

şi scăderea corespunzătoare în capsula 3.

Lichidul se va deplasa din capsula 2 în

capsula 4 şi din 5 în 3 ceea ce va avea ca efect

deplasarea acului indicator. Mişcarea Fig. 7.18. Transmisia hidraulică a

mişcării plutitorului

Fig. 7.17. Senzori din seria L312. a) aspect exterior; b) variante de contacte

plutitorului poate fi transmisă prin această metodă până la maxim 80 m.

7.3.3. Transmisia electrică

Transmisia electrică poate fi rezistivă sau inductivă.

Transmisia electrică rezistivă utilizează un dispozitiv similar transmisiei mecanice

cu pârghii, acul indicator acţionând în acest caz cursorul unui potenţiometru. Prin

intermediul unui circuit de măsură adecvat, informaţia poate fi transmisă la distanţă.

În cazul transmisiei electrice inductive (figura 7.19) transmisia mecanică roteşte

rotorul unui selsin de formă nesimetrică. Modificarea poziţiei acestuia determină

modificarea întrefierului, deci a curentului indus în înfăşurarea rotorului. Corespunzător

acestui curent se poziţionează rotorul celui de-al doilea rotor.

7.3.4. Transmisia magnetică

Transmisia magnetică (figura 7.20)este utilizată în cazul măsurărilor de nivel în

recipientele aflate sub presiune. În interiorul tubului 1 realizat dintr-un material rezistent

la presiune (oţel inoxidabil) se află plutitorul 3 care are înglobat material magnetic;

poziţia plutitorului 3 este determinată de nivelul lichidului. Tubul 2 cu fereastră

transparentă este umplut cu un amestec de apă ţi glicerină în care este imersat un plutitor

secundar 4 care înglobat de asemenea material magnetic. Greutatea specifică a celui de al

doilea plutitor fiind egală cu cea a amestecului apă glicerină, iar tuburile fiind alăturate,

poziţia plutitorului 4 fiind determinată de poziţia plutitorului 3 poate fi citită pe fereastra

gradată transparentă.

Fig. 7.19. Transmisia electrică inductivă

Fig. 7.20. Transmisia magnetică

O realizare interesantă, bazată pe principiul transmisiei

magnetice a mişcării plutitorului este cea reprezentată de traductoarele

din seria NBK produs de Clark Solutions prezentat în figura 7.21. Un

ansamblu de role pot fi montate pe o parte a corpului tubului aflat în

legătură cu vasul în care se face măsurarea nivelului. Rolele conţin

mici bare magnetice şi se pot roti liber în jurul axei.. Trecerea

plutitorului magnetic producerea rotirea cu 180 0 a rolelor. Deoarece

rolele sunt colorate roşu pe o parte şi alb pe cealaltă, poziţia

plutitorului în interiorul tubului este semnalizată prin trecerea de

culoarea alb la cea roşie în ansamblul indicatorului. Informaţia

referitoare la valoarea nivelului poate fi transmisă la distanţă cu

ajutorul contactelor unor relee acţionate de rolele magnetice contacte

ce pot introduce sau scoate din circuit o serie de rezistenţe electrice. Se

poate utiliza un dispozitiv de control care să permită generarea unui

semnal continuu de 2-10mA sau 4-20mA.

7.4. Măsurarea nivelului cu aparate cu imersor

Schema de principiu a unui astfel de nivelmetru este cea

prezentată în figura 7.22. Un imersor (1) cu greutatea specifică mai

mare decât cea a lichidului a cărui nivel se măsoară. Imersorul este scufundat în lichid,

fiind atârnat de un reper fix (3) prin intermediul unui resort (2). La echilibru static, forţa

ce acţionează asupra resortului este:

hAGF (7.4)

Unde: G este greutatea imersorului şi a firului

A este aria transversală a imersorului;

este greutatea specifică a imersorului;

h este înălţimea părţii imersate.

Dacă imersorul ar fi atârnat direct (fără resort)

printr-un fir inextensibil, atunci variaţia nivelului h ar

determina variaţia forţei în punctul de sprijin. Cum

imersorul nu este fix, variaţia nivelului va determina

variaţia forţei ce va acţiona asupra resortului şi ca urmare

modificarea alungirii acesteia.

Poziţia resortului este sesizată cu ajutorul unui ac

indicator (4) ce se mişcă în dreptul unei scale gradate.

Deplasările sunt în acest caz mult mai mic decât în cazul

plutitorului; deplasările sunt însă măsurate prin

intermediul unor traductoare de deplasări mici (la care conversia în semnal electric este

comodă) liniare sau unghiulare de forţă sau cuplu. În cazul nivelmetrelor cu imersor,

indicaţia este dependentă de densitatea lichidului.

7.5. Măsurarea nivelului cu aparate bazate

pe proprietăţi termice.

Fig. 7.22. Nivelmetru

cu imersor

Fig. 7.21.

Taductor NBK

7.5.1. Nivelmetre bazate pe diferenţa de

temperatura gaz—lichid

Nivelmetru cu ţeavă de dilatare (figura 7.23) În

lichid se introduce o ţeavă înclinată (1) din material cu

coeficient mare de variaţie a lungimii cu temperatura.

Temperatura medie va determina variaţia lungimii care

este sesizată prin acul indicator (2) ce se mişcă în faţa unei

scale gradate. Cuplul mare de ieşire îl face utilizabil direct

pentru acţionarea unei vane de reglare a debitului.

7.5.2. Nivelmetre bazate pe măsurarea

temperaturii lichidului

Se utilizează pentru măsurarea

discontinuă în scopul sesizării atingerii

anumitor valori ale nivelului. Un astfel de

nivelmetru (figura 7.24) are în compunere

două termocuple care sunt legate în mod

diferenţial. Cele două termocuple furnizează la

ieşire o tensiune dependentă de diferenţa de

temperatură între joncţiunea caldă şi cea rece.

În cazul în care temperatura lichidului este

diferită de cea a mediului în cazul în care

joncţiunile calde ale celor două termocuple se

află la aceeaşi temperatură (ambele imersate în

lichid sau ambele în aer) tensiunile furnizate la

ieşirile celor două termocuple vor fi egale, termocuplele fiind legate diferenţial, tensiunea

la bornele milivoltmetrului va fi nulă. În caz că joncţiunile calde ale celor două

termoculpe se vor afla la temperaturi diferite (cel din partea inferioară imersat în lichid

iar cel de la partea superioară în aer) tensiunile furnizate de cele două termocuple vor fi

diferite, iar la bornele milivoltmetrului va ajunge o tensiune diferită de zero. În acest fel

se poate transmite la distanţă momentul atingerii nivelului corespunzător montării

termocuplului T1 sau T2.

Se pot utiliza ca elemente sensibile un lanţ de elemente termorezistive (de obicei

termistori care au o sensibilitate mare) sunt înseriate în braţele unei punţi (figura 7.25).

Tensiunea de dezechilibru este proporţională cu valoarea rezistenţei termoelementelor,

care la rândul ei depinde de numărul elementelor imersate în lichid (presupus la

temperatură diferită de cea a gazului de deasupra). În acest caz este necesar ca tensiunea

de alimentare a punţii să fie dimensionată încât să nu producă încălzirea prin efect Joule a

elementelor termorezistive.

Fig. 7.23. Nivelmetru

cu ţeavă de dilatare

Fig. 7.24. Nivelmetru cu termoculpe

Nivelmetrele cu elemente

termorezistive pot fi utilizate şi în cazul

măsurării nivelului în cazul în care lichidul

în care sunt imersate termoelementele se

află la aceeaşi temperatură cu gazul de

deasupra; în acest caz sursa va trebui

dimensionată în aşa fel încât să determine

încălzirea termoelementelor prin efect

Joule, temperatura şirului de elemente va

depinde de numărul de elemente imersate

în lichid datorită coeficientului diferit de

transmitere a căldurii prin cele două medii

(gaz şi lichid). Cu cât numărul de elemente

imersate este mai mare, cu atât răcire

ansamblului va fi mai bună şi deci

rezistenţa mai mare. Aceleaşi principiu se

poate utiliza şi pentru detectarea nivelului

de separaţie dintre două lichide nemiscibile cu coeficienţi de transmitere a căldurii

diferiţi.

Trebuie menţionat faptul că nivelmetrele cu termistori sau termorezistenţe

realizează o măsurare discontinuă a nivelului.

7.6. Măsurarea nivelului cu aparate gravimetrice

Este o metodă rar utilizată ce presupune

cântărirea rezervorului, şi cunoscându-se masa

acestuia, dimensiunile şi densitatea lichidului de

determină nivelul. Este necesar ca sub rezervor să se

monteze dispozitivul de cântărire, în partea superioară

a rezervorului fiind necesară sprijinirea pe lagăre sau

role în scopul preluării dilataţiilor. Cântărirea poate fi

făcută mecanic (dispozitive dinamometrice, pârghii,

etc) sau electric (doze tensiometrice, doze magneto-

elastice, etc.) Dozele tensorezistive se bazează pe

modificarea rezistenţei elementelor sub acţiunea

deformaţiile produse de efort în timp ce dozele

magneto-elastice se bazează pe modificarea

permeabilităţii magnetice a unor materiale feromagnetice (aliaje de nichel cu fier) atunci

când sunt comprimate sau alungite. Forţa exercitată de greutatea rezervorului determină

modificarea dimensiunilor dozelor. Măsurarea parametrilor unui circuit electric în care

este inclusă o bobină cu miez din astfel de material face posibilă determinarea masei

cântărite. Avantajele sunt determinate de posibilitatea montării dispozitivului în locuri

inaccesibile operatorului uman şi insensibilitatea la agenţi corosivi, praf, etc.

7.7. Măsurarea nivelului cu dispozitive cu ultrasunete

Fig. 7.25. Nivelmetru termic cu

elemente termorezistive

Fig. 7.26. Nivelmetru gravimetric

Există două mari principii pe care se bazează funcţionarea nivelmetrelor cu

ultrasunete:

- măsurarea timpului în care este parcursă o distanţă de către o undă ultrasonică

incidentă şi reflectată (sonarul ultrasonic)

- măsurarea amortizării oscilaţiilor de către lichid

7.7.1. Metoda locatorului ultrasonic

Această metodă se foloseşte pentru măsurarea nivelului lichidelor care nu conţin

impurităţi în suspensie şi care au o vâscozitate redusă, astfel încât suprafaţa liberă este

plană şi orizontală. În acest caz se măsoară timpul în care este parcursă distanţa de la un

punct fix (generatorul de ultrasunete) până la suprafaţa de separare a lichidului şi înapoi.

Funcţionarea se bazează pe faptul că la suprafaţa de separare, unda este aproape complet

reflectată. Generatorul este realizat în general prin intermediul unui element

piezoelectric; elementele piezoelectric sunt în general cuarţuri, titanat de bariu, titanat de

calciu, etc., tăiate după anumite direcţii, care, supuse unor presiuni pe feţele laterale

produc sarcini electrice pe feţele opuse (deci tensiuni electrice) şi invers, atunci când li se

aplică o tensiune electrică pe două feţe îşi modifică dimensiunile pe direcţia

perpendiculară pe cele două feţe. Generatorul poate fi amplasat atât pe fundul vasului, cât

şi deasupra acestuia.

Schema de principiu este prezentată în

figura 7.27. Cu ajutorul blocului electronic 6 se

obţin oscilaţii electronice care sunt transmise

sincron piezoelementelor 1. Unul dintre

piezoelemente este prevăzut cu un canal (5) aflat

complet în lichid. El serveşte ca element de

compensare în scopul eliminării erorilor introduse

de mediul în care are loc propagarea. În canalul de

măsură (2) timpul necesar parcurgerii distanţei 2h

de către unda directă şi cea reflectată de suprafaţa

de separare este:

c

ht

21

(7.5)

Unde s-a notat cu c viteza de propagare a sunetului prin lichid.

Timpul t2 în care unda directă şi cea reflectată parcurge distanţa 2l în canalul de

compensare se determină cu relaţia:

c

lt

22 (7.6)

Semnalele obţinute de la cele două canale sunt captate şi introduse în scheme de

măsurare a timpului, care furnizează la ieşire tensiuni proporţionale cu timpii de

propagare. Indicaţia aparatului de măsură va fi:

Fig. 7.27. Nivelmetru ultrasonic

hkl

hk

U

Uk 31

2

1 (7.7)

Dispozitivele bazate pe măsurarea timpului de propagare se folosesc pentru

măsurarea continuă a nivelului şi utilizează oscilatoare a căror frecvenţă este cuprinsă

între 100KHz şi 36MHz.

Un nivelmetru

bazat pe măsurarea

timpului de propagare

este cel din seria UL

realizat de Dwyer

Instruments Inc,

nivelmetru al cărui

aspect este prezentat în

figura 7.28

(dimensiunile sunt

exprimate în inch). De

menţionat că în acest

caz, nivelmetrul se

montează în partea

superioară a

recipientului în care se

face măsurarea, faţa

senzorului fiind

montată spre în jos, paralelă cu suprafaţa lichidului. Senzorul emite pulsuri ultrasonice

care sunt reflectate la suprafaţa de separaţie aer-lichid; distanţa parcursă de pulsul

ultrasonic este calculată de un circuit electronic şi este convertită în semnal electric în

gama 4-20mA.

Trebuie menţionat că senzorul are o zonă oarbă, astfel încât distanţa minimă pe

care senzorul trebuie să o măsoare (corespunzător valorii curentului de ieşire de 20mA),

trebuie să fie mai mare decât dimensiunea zonei oarbe. De asemenea, fascicolul incident

face un unghi de circa 6,50 cu verticala; pentru ca

să nu apară indicaţii eronate ale senzorului, este

necesar ca în orice punct diametrul interior al

recipientului în care se face măsurarea să fie mai

mare decât diametrul fascicolului incident.

Senzorul are o precizie de 0,3% şi o eroare de

repetabilitate de maxim 3mm.

Mai menţionăm aici senzorul UCL 500

produs de GEMS Sensors (figura 7.29), senzor

care are caracteristici similare celui prezentat

anterior. Trebuie menţionat dispersia mai mică a

fascicolului ultrasonic (conicitate maximă 80) ceea

ce îl recomandă pentru măsurarea nivelului în

incinte înguste, nivelul maxim ajungând la circa

15m.

Fig. 7.28. Nivelmetru tip UL realizat de Dwyer Innstruments

Fig. 7.29. Senzori UCL 500

În încheiere mai trebuie făcută observaţia că acest tip de nivelmetre este

recomandat pentru măsurarea nivelurilor în recipiente de dimensiuni mari şi în medii din

cele mai diverse, lipsa contactului direct senzor-lichid de măsurat recomandându-le în

cazul mediilor agresive.

7.7.2. Metoda amortizării oscilaţiilor

Metoda se utilizează pentru sesizarea unor valori limită ale nivelului.. Principiul

metodei se bazează pe rezistenţa considerabil mai mare pe care un lichid o opune unui

element vibrator faţă de un gaz. Constructiv, într-un ştuţ lateral al recipientului este

introdus un generator ultrasonic care are în capăt o membrană. Membrana oscilează

atunci când în jurul ei se află aer; atunci când în jurul ei se află lichid, rezistenţa sporită

pe care acesta o opune la mişcarea membranei face ca amplitudinea oscilaţiilor să scadă

foarte mult acestea fiind neglijabile în raport cu primul caz. Frânarea oscilaţiilor are loc

atunci când 2/3 din suprafaţa membranei se află scufundată în lichid. Domeniul mare de

măsurare (de ordinul zecilor de metri) precizia bună (c.c.a. 1mm/m) absenţa contactului

cu lichidul a elementului piezoelectric fac ca aceste dispozitive să fie larg utilizate.

7.8. Aparate cu surse radioactive

Dispozitivele cu sursă radioactive (figura 7.30) sunt scumpe, dificil de manevrat,

dar oferă avantajul posibilităţii măsurării lichidelor agresive sau cu parametri (presiuni,

temperaturi) foarte ridicaţi, precum şi posibilitatea măsurării nivelului atunci când nu este

posibil contactul între lichidul de măsurat şi dispozitivul de măsurare. Intensitatea

radiaţiilor emise de sursa radioactivă (1) fixată în exteriorul vasului este măsurată cu

ajutorul unui sistem de detecţie introdus în interior; intensitatea radiaţiilor recepţionate va

depinde de atenuarea produsă de lichid, care la rândul ei depinde de grosimea stratului de

lichid, deci de nivel.

Domeniul de măsură este limitat numai de dimensiunile vasului. Precizia este în

general cuprinsă între 13% putând ajunge în cazuri speciale la 0,1%.

7.9. Aparate fotoelectrice

Fig. 7.30. Principiul de funcţionare al nivelmutrului cu radiaţii

Pentru măsurarea fotoelectrică este necesar ca recipientul să aibă pereţi

transparenţi sau să se monteze sticle de nivel. Se utilizează măsurarea fotoelectrică atunci

când nu este posibil accesul operatorul la sticla de nivel sau când este necesară

transmiterea la distanţă a rezultatului măsurătorii. Există mai variante de realizare a

dispozitivelor fotoelectrice.

7.10. Sesizarea valorilor limită

Schema de principiu a nivelmetrului este prezentată în figura …a. Dispozitivul are

în compunere un emiţător de radiaţie luminoasă (bec cu incandescenţă, LED, etc. şi un

dispozitiv electronic sensibil la radiaţia luminoasă (fotodiodă, fototranzistor, fotorezistor,

etc..) montate de o parte şi de alta a sticlei de nivel. Elementul sensibil la radiaţii este

introdus într-un circuit de măsurare a curentului. Cantitatea de radiaţii luminoase ce

ajunge pe receptor este dependentă de mediul dintre sursă şi receptor; atunci când lichidul

se intercalează între sursă şi receptor se produce o dispersie a fascicolului luminos ceea

ce determină modificarea parametrilor circuitului de măsură şi în acest fel sesizarea

atingerii nivelului la care este montat dispozitivul.

7.11. Măsurarea contină a dispozitivelor de urmărire

O sursă luminoasă (1), o punte cu termoelemente şi un sistem optic (prismă,

paravan cu fantă) sunt montate pe un suport mobil. Puntea este astfel dimensionată încât

este echilibrată atunci când două fotoelemente sunt iluminate iar două nu, adică atunci

când lichidul obturează numai două dintre ele.. Când toate cele 4 elemente fotorezistive

sunt iluminate tensiunea de dezechilibru a punţii comandă rotirea motorului (M) astfel

încât echipajul să fie deplasat în jos, iar când toate cele 4 sunt obturate se comandă

deplasarea în sus. Cu ajutorul unui traductor de deplasare montat pe axul motorului se

urmăreşte nivelul.

7.12. Indicatorul de nivel cu prismă

Sursa 2 emite un fascicul luminos care este reflectat de prisma 1. Atunci când

prisma este imersat în lichid, indicele de reflexie se modifică, o parte din fascicul

dispersându-se în lichid. Scăderea intensităţii fascicolului reflectat este sesizată de către

elementul fotosensibil (3)

Un principiu similar este prezentat în figura…. Senzorul are în compunere un emiţător de

radiaţii luminoase (LED) un receptor şi un sistem de prisme care asigură transmiterea

Fig. . Principiu senzori de nivel optici

radiaţiei de la emiţător la receptor ca în figura, în condiţiile în care propagarea se

realizează prin aer. Senzorul este montat în interiorul vasului al cărui nivel se măsoară;

atunci când senzorul se află imersat în lichid se produce o dispersie a fascicolului luminos

în lichid iar curentul prin receptor scade semnificativ circuitul de măsură sesizează

scăderea curentului detectându-se în acest fel atingerea unor nivele limită.

Un astfel de senzor este ELS 1100 produs de GEMS Sensors. Aspectul senzorului

este prezentat în figura … iar dimensiunile de gabarit în figura … Senzorul care

este ieftin şi uşor de montat, are inclusă electronica de măsurare, electronică ce

permite reglarea nivelului de detecţie, contactul electric acţionat putând fi normal

închis sau normal deschis. Dintre principalele caracteristici se pot aminti:

repetabilitate 1%, carcasă din nylon sau răşini sulfonate, curent absorbit max

15mA, ieşire compatibilă TTL/CMOS open colector curent maxim 30mA

30Vc.c..

Pe acelaşi principiu, dar având un receptor fotorezistiv se bazează senzorul LV

132 care, în plus poate sesiza prezenţa unui lichid conductor (apă) sau izolant

(hidrocarburi). Caracteristicile sunt asemănătoare astfel: carcasă din nylon sau

răşini sulfonate, curent absorbit max 17mA, ieşire compatibilă TTL/CMOS open

colector curent maxim 150mA 38Vc.c..

Fig . Senzor ELS 1100

Aspect general Fig. . Senzor ELS 1100-descriere

Aspectul general este prezentat în figura ….b), dimensiunile de gabarit şi

componenţa în figura …a, iar modul de legare tipic în figura …. De menţionat că

discriminarea prezenţei aer, apă, hidrocarburi se realizează prin combinaţia

valorilor celor două ieşiri (una corespunzătoare lichidelor elecroizolante iar

cealaltă lichidelor electroconductoare) conform tabelului:

Mediu Stare logică ieşire

lichid izolant

Stare logică ieşire

lichid conductor

Aer 0 1

Apă 0 0

Hidrocarburi 1 1

Fig. . Senzorul LV 132

Pentru comparaţie vom prezenta în continuare aspectul şi caracteristicile senzorului din

seria LLE 10500 produs de firma Honeywell a cărui funcţionare se bazează pe acelaşi

principiu al modificării indicelui de reflexie a radiaţiei luminoase, dar care are ca receptor

un fototranzistor. Aspectul şi dimensiunile de gabarit sunt prezentate în figura…. A) iar

modul tipic de legare este prezentat în figura …b). Dintre caracteristici menţionăm:

- repetabilitate 1mm, histerezis 2mm, timp de răspuns la creşterea nivelului

50s, timp de răspuns la scăderea nivelului lichidului 1s în metanol (răspunsul

în cazul altor lichide depinde de vâscozitatea acestora), temperatură de operare

Fig . Modul tipic de legare al senzorului LV 132

Fig.. . Senzorul Honeywell LLE 10500

-25800C, presiunea de lucru 0-5 bar, tensiune de alimentare 5Vc.c., consum

15mA, ieşire compatibilă TTL/CMOS 5Vc.c..

8. Măsurarea nivelului cu nivelmetre rezistive.

Metodele rezistive sunt aplicabile numai în cazul lichidelor conductoare. Pot

realiza atât semnalizarea unor limite de nivel prestabilite cât şi măsurarea continuă a

nivelului. Metodele de măsurare depind de conductivitatea recipientului şi a lichidului.

Metodele de măsurare rezistivă sunt prezentate schematic în figura … . În figura

..a este figurat cazul recipientelor conductoare; la o înălţime corespunzătoare nivelului

limită ce trebuie semnalizat se montează un

electrod conductor. Atingerea de către lichidul

conductor a electrodului determină

închiderea contactului format între peretele

recipientului şi electrod.

Atunci când recipientul este

realizat din material

izolator, se utilizează

schema de principiu din

figura …b. Un electrod

conductor este scufundat în

lichid până la fundul

vasului; cel de-al doilea

electrod conductor este

montat la înălţimea corespunzătoare nivelului limită ce trebuie semnalizat. Creşterea

nivelului lichidului va determina închiderea contactului dintre electrodul montat la fundul

vasului şi cel de la partea superioară. În cazul în care lichidul al cărui nivel se măsoară

are o conductivitate ridicată, se utilizează doi electrozi realizaţi din materiale conductoare

de mare rezistivitate scufundaţi până aproape de fundul vasului. Ridicarea nivelului

lichidului determină şuntarea unor porţiuni din rezistenţa electrozilor. Variaţia de

rezistenţă este utilizată în circuitul de măsurare continuă a nivelului ca măsură a variaţiei

nivelului.

TRADUCTOARE CAPACITIVE

Se utilizează pentru măsurarea

continuă a nivelului atât pentru lichide

izolante cât şi pentru cele conductoare.

Principiul de măsurare constă din realizarea unor condensatoare a căror capacitate să

varieze în funcţie de nivelul lichidului. Realizarea specifică va depinde de conductivitatea

recipientului în care se face măsurătoarea precum şi de conductivitatea lichidului al cărui

nivel se măsoară.

În cazul în care recipientul este conductor iar lichidul este dielectric, electrodul

este neizolat iar senzorul are aspectul din fig …a) iar schema echivalentă a capacităţilor

ce apar este cea prezentată în figura ..b). În schema echivalentă apar următoarele

elemente:

- C1 capacitatea ce apare între electrodul neizolat şi pereţii recipientului în

zona de intrare a electrodului;

- C4 capacitatea ce apare între capătul inferior al electrodului şi fundul

recipientului;

- C2 capacitatea ce apare între electrod şi pereţii laterali ai recipientului

având ca dielectric aerul;

- C3 capacitatea ce apare între electrod şi pereţii laterali ai recipientului

având ca dielectric lichidul;

- R rezistenţa de pierderi totală

Considerând atât recipientul cât şi electrodul de formă cilindrică având diametrele

D şi respectiv d capacitatea echivalentă se calculează cu relaţia:

d

D

h

d

D

hCC ll

fe

ln2

1

ln2

Unde: - h este domeniul de lucru;

- hl înălţimea lichidului din recipient;

- l permitivitatea lichidului.

S-a considerat permitivitatea relativă a aerului er=1 şi electrodul concentric cu

recipientul. Se observă că există o dependenţă liniară între capacitatea echivalentă şi

nivelul hl a lichidului din vas de forma:

le hkkC 21

În cazul în care recipientul este izolator se introduc în recipient până la adâncimea

h doi electrozi concentrici de formă cilindrică. Relaţiile anterioare rămân valabile cu

precizarea că în acest caz D va fi diametrul electrodului interior iar d diametrul

electrodului interior.

În cazul în care lichidul din vas este agresiv şi nu este permis contactul între

lichid şi electrod se introduce electrodul într-un manşon protector izolant aşa cum este

prezentat schematic în figura ….

În acest caz elementele de circuit care apar în schema echivalentă sunt:

- C1 capacitate fixă între electrod şi pereţii recipientului;

- C2, C4 capacităţi între electrod şi pereţii recipientului pe înălţimea ha,

având ca dielectric aerul;

- C3, C5 capacităţi între electrod şi pereţii recipientului pe înălţimea hl având

ca dielectric lichidul al cărui nivel se măsoară, respectiv aerul;

- Rezistenţa totală de pierderi.

Capacitatea echivalentă a schemei din figura …b) se calculează cu relaţia:

Notând:

la

l

hh

h

- gradul de umplee

Csi – capacitatea fixă sondă izolaţie pe toată înălţimea h;

Cir – capacitatea fixă sondă rezervor pe toată înălţimea h;

=Cir/Csi raprortul dintre grosimea izolaţiei şi distanţa de la izolaţie la rezervor;

se obţine:

irsi

irsi

irlsi

irsil

irsi

irsife

CC

CC

CC

CC

CC

CCCC

respectiv:

11

1

1 l

lir

irfe C

CCC

Schemele de măsură sunt constituite în general din punţi de c.a., erorile de măsură

fiind cuprinse între 2% şi 3%.