Transcript
Page 1: Aparate de Masura Si Automatizari

Bibliografie:

Perju Delia : „Automatizarea proceselor tehnologice în industria chimică”, vol. II, Centrul de Multiplicare IPTVT, Timişoara, 1981 Perju Delia : „Automatizarea utilajului tehnologic în industria chimică”, vol. I,

Centrul de Multiplicare IPTVT, Timişoara, 1983 Perju Delia, Todinca T. : „Automatizarea şi utilizarea calculatoarelor în industria

chimică”, Centrul de Multiplicare IPTVT, Timişoara, 1988 Perju Delia, Todinca T., Barna R. : „Automatizări şi optimizări în industria chimică”,

I.P. Timişoara, 1990 Perju Delia, Şuta M., Geantă M., Rusnac Carmen : „Automatizarea proceselor

chimice – Partea I”, Editura Mirton, Timişoara, 1998 Perju Delia, Todinca T: „Automatizarea proceselor chimice – Partea a II-a”, Editura

Politehnica, Timişoara, 1995 Delia Perju, M. Şuta, C. Rusnac - Echipamente de automatizare pneumatice de joasă

presiune, Editura Politehnica, Colecţia Pneumatică, Timişoara, 2003

Delia Perju, T. Todinca, M. Şuta, R. Barna, M. Geantă, A. Magda, M.Tîrnoveanu - Automatizări şi optimizări în industria chimică -Îndrumător de laborator - pentru uzul studenţilor - Editura Mirton Timişoara, 1995 Delia Perju, M. Şuta, T. Todinca, C. Rusnac - Echipamente de automatizare

pneumatice de joasă presiune. Aplicaţii., Editura Politehnica, Colecţia Pneumatică, Timişoara, 2001 Perju Delia, Şuta M., Todinca T., Rusnac Carmen : „Echipamente de automatizare

pneumatice de joasă presiune. Aplicaţii”, Editura Politehnica Timişoara, 2001

1

Page 2: Aparate de Masura Si Automatizari

I. Introducere

Dezvoltarea investigaţiilor ştiinţifice de-a lungul timpului a permis evidenţierea unor trăsături comune pentru clase întregi de fenomene, fapt ce a permis ulterior tratarea unitară a acestora. S-a elaborat astfel teoria sistemelor în cadrul căreia un rol important îl are noţiunea de sistem.

Sistemul se defineşte ca un ansamblu de elemente aflate în interacţiune, căruia îi sunt specifice o anumită organizare şi un anumit scop. Efectiv interacţiunile din interiorul unui sistem reprezintă fluxurile de masă, energie sau informaţii. Scopul asociat fiecărui sistem este dependent de destinaţia acestuia.

Ceea ce nu aparţine unui sistem este numit mediu înconjurător sau mediu exterior. Între sistem şi mediul exterior exista de regulă schimburi permanente de masă, energie sau informaţie. Unele fluxuri de masă, energie sau informaţie care intră sau ies din sistem sunt utilizate drept comenzi. În urma modificării acestor comenzi după anumite strategii se asigură evoluţii convenabile ale sistemelor, proprietate numită contrabilitate.

Alte mărimi care pot influenţa sistemul într-un sens nefavorabil cum ar fi impurităţile din materiile prime, anumite debite care se modifică aleator, temperatura şi presiunea mediului ambiant, etc. sunt denumite mărimi de perturbaţie sau perturbaţii (z).

Comenzile şi perturbaţiile asociate unui sistem reprezintă mulţimea variabilelor independente numite şi variabile de intrare (i).

Mărimile asociate calităţii produselor şi uneori cantităţii acestora reprezintă mulţimea variabilelor dependente respectiv variabile de ieşire(e).

Dacă variabilele de intrare şi ieşire sunt invariante în raport cu timpul, starea permanentă în care se află procesul este o stare staţionară sau statică.

Dacă în proces au loc fenomene de acumulare de energie sau masă, variabilele de ieşire sau de intrare devin funcţii de timp. Caracterizarea sistemului sau a procesului în aceasta situaţie este denumită caracterizare dinamică.

Automatizarea unui sistem (proces tehnologic) constă în dotarea instalaţiei tehnologice cu anumite echipamente tehnice speciale în vederea efectuării automate a operaţiei de conducere a acestuia în condiţii prestabilite. Cu alte cuvinte, automatica este o ştiinţă inginerească ce se referă la conducerea proceselor şi are drept studiu automatizarea acestora.

Automatizarea se defineşte ca operaţia de introducere într-un flux tehnologic a unor echipamente speciale cu scopul de a realiza conducerea procesului respectiv.

Procesul (P) este instalaţia tehnologică sau utilajul asupra căruia se realizează operaţia de automatizare. Procesul este caracterizat prin una sau mai multe variabile măsurabile care trebuie menţinute la o anumită valoare, modificabilă după anumite legi prestabilite.

Principalele operaţii impuse de automatizare sunt: măsurarea sau determinarea prin calcul a principalelor variabile ale procesului

condus; semnalizarea depăşirii anumitor limite de către anumite variabile ale procesului; reglarea la o anumită valoare constantă sau modificabilă a uneia sau a mai multor

variabile supuse influenţei perturbaţiilor;

2

Page 3: Aparate de Masura Si Automatizari

modificarea programată a unor variabile; modificarea sau menţinerea unor rapoarte determinate între anumite variabile ale

procesului; menţinerea unor variabile sau funcţii de variabile la o valoare extremă maximă sau

minimă; protecţia instalaţiei în caz de avarie sau pericol.

Automatizarea poate fi implementată în numeroase variante de realizare, funcţie de următorii parametri:

natura procesului automatizat; gradul de cunoaştere respectiv cantitatea de informaţie avută la dispoziţie referitoare

la procesele tehnologice respective; echipamentele tehnice puse la dispoziţie de firmele producătoare; gradul de pregătire profesională a personalului de proiectare şi de exploatare.

Indiferent de varianta de realizare, întotdeauna automatizarea este şi o problemă de optimizare. Când se implementează o operaţie de automatizare trebuie sa fie aleasă soluţia optimă de automatizare, trebuie sa fie alese echipamentele tehnice optime pentru procesul tehnologic respectiv şi trebuie să se aleagă operarea optimă a echipamentelor tehnice alese.

Automatizarea reprezintă în ultimă instanţă cea mai ridicată treaptă de conducere care poate să asigure performanţe ridicate pentru procesul condus.

Performanţele procesului condus sunt apreciate cu un anumit criteriu, numit criteriu de performanţă. Criteriul de performanţă trebuie întotdeauna să respecte o serie de restricţii privind calitatea producţiei şi securitatea instalaţiilor tehnologice.

Dispozitivul de automatizare (DA) sau de conducere (DC) este ansamblul echipamentelor tehnice care se ataşează procesului în vederea realizării operaţiei de automatizare.

Sistemul automat (SA) este ansamblul alcătuit din proces şi dispozitivul de automatizare: SA=P + DA

Elementul de reglare (ER) este orice element component din cadrul sistemului automat în interiorul căruia se transmite o anumită informaţie. Elementul de reglare prezintă o variabilă de intrare ( i ) care este de obicei o variabilă independentă şi o variabilă de ieşire ( e ) care este o variabilă dependentă. Elementul de reglare stabileşte o anumită dependenţă în regim static şi dinamic între cele două variabile de intrare şi de ieşire.

Schema bloc este o schemă simplificată a unui sistem automat în care elementele de reglare sunt reprezentate prin mici dreptunghiuri legate între ele prin linii cu săgeţi în vârf. Sensul săgeţii indică sensul de propagare a informaţiei în interiorul sistemului automat, ca în figura 1.1:

Figura 1.1

I.1. Măsurarea. Noţiuni generale.

3

Page 4: Aparate de Masura Si Automatizari

Măsurarea este operaţia de comparare a două mărimi de aceiaşi natură în scopul constatării de câte ori unitatea de măsură se cuprinde în mărimea de măsurat.

Operaţia de măsurare este caracterizată de relaţia : M = Mi U (1)

unde: M-mărimea de măsurat, Mi-multiplu al unităţii de măsură, U-unitatea de măsură.Mărimea de măsurat este un parametru fizic sau chimic care poate fi evaluat prin

măsurare, comparare sau reperare şi exprimat numeric.Unitatea de măsură este mărimea care serveşte ca măsură de bază pentru toţi

parametrii de acelaşi fel. Materializarea fizică a unităţii de măsură este etalonul.In mod ideal o operaţie de măsurare definită de relaţia (1) poate fi reprezentată prin

schema bloc din figura 1.2.

ES- elementul sensibil al elementului de măsurare e = x-variabila de ieşire care interesează.

Figura 1.2Cele trei elemente: procesul (mediul), elementul de măsurare şi dispozitivul de

redare constituie sistemul de măsurare.Dacă nu există perturbaţii, rezultatul măsurării depinde numai de valoarea mărimii

de măsurat (M) şi unitatea de măsură ( U ).Deci : Mi = f(M, U)Observaţie: operaţia de măsurare ideală este un sistem de transmitere a unei informaţii într-un singur sens, semnalul final rezultând la dispozitivul de redare.

In practică, există o serie de mărimi de perturbaţie şi reacţii inverse care provoacă erori de măsurare. Erorile de măsurare depind de variaţia în timp a mărimilor de perturbaţie existente.

La o măsurare reală schema bloc este mult mai complicată (figura 1.3):

Figura 1.3Un sistem de măsurare poate fi utilizat :1. numai în scopul măsurării, rezultatul apărând direct la dispozitivul de redare.

4

Page 5: Aparate de Masura Si Automatizari

2.ca element component într-un dispozitiv de automatizare sau de conducere, când se pune problema ca variabila de ieşire să fie menţinută la o anumită valoare, când la dispozitivul de redare apare un semnal analogic denumit mărime de reacţie ( r ).

Toate perturbaţiile şi reacţiile interne care acţionează asupra elementului de măsurare conduc la eronarea rezultatului măsurării. 1.Perturbaţiile externe zi pot să se suprapună peste semnalul de măsurare apărând sub diferite forme: câmp electric sau magnetic extern, modificarea temperaturii, presiunii, umidităţii mediului ambiant în care se află elementul de măsurare, deplasarea nulului activ al scalei, etc. putând acţiona şi în zona în care se află ES. 2. Perturbaţiile interne apar la elementul de măsurare sub forma jocurilor elementelor mobile în lagăre, frecări în articulaţii, histereză, intervalul de insensibilitate, etc. 3. Reacţiile inverse apar ca semnale cu un anumit conţinut informaţional care au sensul de propagare invers faţa de sensul informaţiei utile de la ES la elementul de redare. Acestea apar mai ales când se măsoară presiuni sau temperaturi.

Pentru un anumit sistem de măsurare, o analiză a sensibilităţii poate stabili care mărime de perturbaţie influenţează prin variaţia ei rezultatul măsurării. Se poate stabili o ierarhizare a mărimilor de perturbaţie funcţie de influenţa acestora asupra rezultatului măsurării deoarece orice sistem de măsurare poate fi considerat ca un sistem multivariabil.

Clasificarea erorilor de măsurareErorile de măsurare în operaţia de măsurare apar datorită acţiunii perturbaţiilor

interne şi externe cât şi datorită reacţiilor inverse. Eroarea absolută, notată cu Mi exprimă abaterea rezultatului măsurării Mi faţă de

valoarea mărimii de măsurat Mo care ar fi indicată de un aparat de măsurare ideal : Mi =Mo -Mi

Eroarea relativă se defineşte ca raportul dintre eroarea absolută şi rezultatul măsurării : = Mi / Mi = (Mo -Mi )/ Mi *100 %

Termenul de corecţie C reprezintă acea valoare numeric egală cu valoarea absolută, dar de semn schimbat : C = -Mi = Mi -Mo Utilizarea termenului de corecţie este importantă deoarece astfel se compensează, într-o anumită proporţie influenţa mărimilor de perturbaţie.

Deoarece nu se cunoaşte valoarea adevărată Mi a mărimii de măsurat, de cele mai multe ori nu se cunoaşte nici Mi. Din acest motiv una din cele mai importante probleme ale prelucrării matematice a rezultatelor măsurărilor este estimarea adevăratei valori a mărimii măsurate sau estimarea unei valori pentru Mi cât mai apropiată de Mo.

Valoarea aproximativă a mărimii de măsurat cu o eroare cât mai mic posibilă se poate determina prin calcul matematic aplicat asupra unui şir de valori măsurate, fiecare din acestea fiind afectată de o eroare necunoscută. Metoda de prelucrare a şirului de valori măsurate utilizează calcule statistice, de probabilitate şi de foarte multe ori de regresie (ca de exemplu metoda celor mai mici pătrate ).

Erorile de măsurare se încadrează în două clase :a). erori statice

Erorile statice apar în cazul măsurării unor mărimi invariabile în timp.b). erori dinamice

5

Page 6: Aparate de Masura Si Automatizari

Erorile dinamice apar la măsurarea unor mărimi variabile în timp, depinzând în mare măsură atât de valoarea momentană a mărimii de măsurat cât şi de variaţia în timp a acesteia.

Erorile statice se clasifică în funcţie de cauzele care le produc în :1. erori întâmplătoare 2. erori grosolane 3. erori sistematice

1. Erorile întâmplătoare se datorează modificării condiţiilor exterioare sau acţiunii unor mărimi de perturbaţie exterioare accidentale. Caracteristica principală a acestor erori constă în faptul că acestea diferă între ele atât ca mărime cât şi ca semn, fără a rezulta din înşiruirea datelor vreo regulă sistematică de ordonare. Aceste erori se repartizează după legi statistice ca de exemplu curba lui Gauss. In marea majoritate a situaţiilor mărimea adevărată a erorii întâmplătoare rămâne necunoscută deoarece rămâne necunoscută valoarea adevărată a mărimii măsurate.

2. Erorile grosolane intervin atunci când se manifestă neglijenţe fie în realizarea condiţiilor de măsurare fie în aplicarea corectă a metodelor de măsurare. Aceste erori sunt momentane şi foarte uşor de descoperit deoarece sunt incomparabil mai mari decât erorile întâmplătoare.

3. Erorile sistematice apar în mod sistematic în timpul operaţiei de măsurare şi se clasifică în două clase :-după sursa de apariţie -după aspectul analitic.

In practică apar: -erori instrumentale provenite din defecte ale aparatelor (element de măsurare sau dispozitiv de redare ) -erori personale datorate organelor de simţ care percep diferit auditiv şi vizual semnalul de ieşire -erori datorate metodei nepotrivite de măsurare.

Erorile sistematice au o acţiune unilaterală şi deosebit de periculoasă prin efectul lor cumulativ asupra operaţiei de măsurare, motiv pentru care trebuie eliminate.

Erorile dinamice au cauze multiple. Astfel forţele masice, sistemele de amortizare, capacităţile calorice a părţilor componente a aparaturii mecanice, condensatorii şi rezistenţele ohmice sunt câteva surse de erori dinamice.

Aceste erori sunt mai mari dacă în componenţa instalaţiei de măsurare intră elemente de reglare cu timp mort. Din această categorie fac parte analizoarele de gaze şi lichide care trebuiesc montate la o anumită distanţă de utilaj sau instalaţie, conductele de legătură sunt elemente de întârziere pură ce introduc timpi morţi în comportarea dinamică a acestor echipamente.

Caracteristicile instalaţiilor de măsurare Instalaţiile de măsurare prezintă următoarele caracteristici :

-statice-metrologice-tehnice-dinamice.

Caracteristicile statice sunt :-domeniul de măsurare-limita de supraîncărcare

6

Page 7: Aparate de Masura Si Automatizari

-limita de siguranţă-constanta sistemului de măsurare -caracteristica statică de etalonare.

Domeniul de măsurare este domeniul de valori ale mărimii de măsurat pentru care erorile de măsură sunt reglementate prin norme legale individuale

Limita de supraîncărcare este valoarea maximă a mărimii de măsurat pentru care după revenirea în limitele domeniului de măsurare nu se modifică caracteristicile statice sau dinamice ale elementului de măsurare

Limita de siguranţă este valoarea maximă admisibilă a mărimii de măsurat la care poate fi expus elementul de măsurare fără a fi distrus, cu toate că apar modificări ireversibile a caracteristicii statice a acestuia.

Constanta de măsurare este raportul dintre valoarea mărimii de măsurat şi valoarea citită pe scala aparatului. Valoarea mărimii măsurate se obţine înmulţind indicaţia obţinută cu constanta de măsurare. In practică pot să apară 2,3 scale pentru domenii diferite de valori ale aceluiaşi parametru.

Caracteristica statică este dependenţa redată grafic, matematic sau tabelar dintre indicaţia aparatului şi mărimea măsurată.

Caracteristicile metrologice sunt :-precizia-justeţea-fidelitatea-sensibilitatea-pragul de sensibilitate-domeniul de histereză.

Precizia reflectă gradul de exactitate al rezultatelor măsurărilor. Cea mai utilizată formă de exprimare a preciziei este cea ca un raport între valoarea absolută maximă M i

şi valoarea domeniului de măsurare. Acest raport se numeşte eroare de bază relativă şi se exprimă în procente. Clasa de precizie reprezintă de fapt mărimea erorii de bază relativă iar precizia erorii de bază relativă exprimată procentual. Elementele de măsurare ale căror erori maxime tolerate sunt exprimate în erori absolute sunt repartizate în clase de precizie cărora le sunt atribuite numere de ordine. Cele mai mari numere desemnează elementele de măsurare ale căror erori maxime tolerate sunt cele mai mari.

Justeţea este proprietatea de a da rezultate apropiate de valoarea adevărată a mărimii de măsurat.

Fidelitatea se referă la proprietatea unui element de măsurare de a avea variaţii cât mai mici ale rezultatului la variaţia repetată a aceleiaşi mărimi în condiţii identice de măsurare.

Sensibilitatea este proprietatea de a percepe şi a reda variaţii cât mai mici ale mărimii de măsurat. In cadrul elementelor de măsurare cu caracteristica statică liniară, sensibilitatea este chiar panta caracteristicii statice care este egală cu raportul dintre variaţia indicaţiei scalei dispozitivului de reglare şi variaţia corespunzătoare a mărimii de măsurare M.

Pragul de sensibilitate se defineşte ca cea mai mică valoare a mărimii de măsurat M pentru care se obţine o variaţie sesizabilă la indicaţia dispozitivului de redare.

7

Page 8: Aparate de Masura Si Automatizari

Domeniul de histereză este diferenţa maximă a valorilor indicaţiei dispozitivului de redare care se obţine pentru aceleaşi valori a mărimii de măsurat M, dacă la această valoare se ajunge printr-o variaţie lentă crescătoare sau descrescătoare a mărimii de măsurat M. Caracteristicile tehnice sunt determinate de principiul de funcţionare, formă, gabarit şi modul în care influenţează măsurarea factorii perturbanţi. Aceste caracteristici sunt :-stabilitate-inerţie-generalitate-fiabilitate

Stabilitatea constă în menţinerea calităţii metrologice în timp, indiferent de condiţiile externe.

Inerţia reflectă modul în care elementul de măsurare răspunde în timp la variaţia mărimii de măsurat

Generalitatea este caracteristica unui element de măsurare de a putea fi înlocuit în determinări similare cu echipamente de acelaşi fel cu aceleaşi caracteristici metrologice şi tehnice.

Fiabilitatea este proprietatea care se exprimă prin probabilitatea ca un element de măsurare să-şi îndeplinească funcţia impusă în anumite condiţii prescrise în cursul unei perioade de timp date.

Cei mai importanţi parametrii ce caracterizează fiabilitatea şi care trebuiesc precizaţi pentru un element de măsură sunt :

-durata de viaţă : durata de timp din momentul în care aparatul iese de la fabrică până la uzura totală

-număr de porniri-timpul de reparare : timpul total afectat reparaţiilor în durata de viaţă -durata de bună funcţionare exprimată prin suma timpilor de bună funcţionare-mentenabilitatea - exprimată prin probabilitatea ca un element de măsurare să poată

fi supravegheat, întreţinut, reparat într-o anumită perioadă de timp-disponibilitatea exprimată prin probabilitatea ca un element de măsurare să fie în

stare de funcţionare în orice moment în intervalul dintre operaţiile de întreţinere planificate.

Caracteristicile dinamice sunt reflectate prin răspunsurile la semnal tip a elementelor de măsurare. Cel mai des este utilizat răspunsul la semnal treaptă. Cel mai important indicator ce caracterizează proprietăţile dinamice este constanta de timp T care este obligatoriu să fie inserată în orice prospect în care este prezentat elementul de măsurare.

Constanta T reflectă întârzierea transmiterii informaţiei în interiorul instalaţiei de măsurare de la locul în care se află montat elementul sensibil la scala dispozitivului de redare.

Dacă în structura elementului de măsurare există şi elemente de reglare de întârziere pură, acestea trebuie să se specifice, având ca caracteristică dinamică timpul mort t m.

I.2. Aparate de măsurare

8

Page 9: Aparate de Masura Si Automatizari

Aparatele de măsurare au rolul de a transforma un parametru (o mărime de o anumită natură - fizică, chimică, etc.) într-o mărime de natură electrică, pneumatică, etc. Această transformare s-a impus datorită avantajelor pe care le oferă semnalele electrice sau pneumatice în ceea ce priveşte liniile de transmisie şi aparatele de măsurare utilizate. Datorită creşterii gradului de complexitate aparatele de măsurare sunt tratate ca şi sisteme.

În cadrul dispozitivelor de automatizare, traductoarele (sistemul de măsurare) au rolul de a transforma mărimea de ieşire e a procesului automatizat, în mărime de reacţie r. Mărimea de reacţie r apare sub forma unui semnal informaţional, care de cele mai multe ori este de altă natură fizică, decât mărimea de ieşire e (mărimea reglată x). În cadrul sistemelor de reglare automată, traductoarele se află plasate pe calea de reacţie, asigurând transmiterea informaţiei la intrarea regulatorului.

Schema bloc a unui sistem de măsurare (traductor) este redată în figura 1.4:

Figura 1.4Elementul de măsurare (M) denumit şi traductor de măsurare, este alcătuit din

elementul sensibil (M1) şi traductorul de baza (M2) şi adaptorul de intrare Ai

Elementul sensibil (M1) se află în contact direct cu mediul în care se urmăreşte variaţia variabilei de ieşire, e. Prin intermediul elementului sensibil se transformă variaţiile variabilei de ieşire (mărimii reglate), în variaţiile unei mărimi auxiliare. De exemplu, cu ajutorul unui termocuplu, se transformă variaţii de temperatură, în variaţii de tensiune; prin intermediul unei diafragme, variaţiile de debit se transformă în variaţiile unei presiuni diferenţială. De cele mai multe ori, mărimea auxiliară care constituie semnalul de ieşire al elementului sensibil, nu este adecvată prin natura fizică sau prin valoarea ei, pentru a fi aplicată direct elementului calculator. Din acest motiv semnalul de ieşire trebuie supus unei prelucrări intermediare. Această operaţie o realizează traductorul de baza (M2). Variabila de ieşire a traductorului de bază, denumită mărime de reacţie r, este o mărime electrică (curent, tensiune, etc.).

Rolul elementului de măsurare, în cadrul dispozitivului de automatizare este de a stabili o dependenţă univocă şi continuă între variabila de ieşire e de o anumită natură fizică şi mărimea de reacţie r de natură electrică. În general, se urmăreşte ca dependenţa dintre r şi e să fie liniară, astfel ca ecuaţia caracteristicii statice a elementului de măsurare să fie de forma: r = KM . edin care să rezulte că acesta este un element proporţional cu coeficient de transfer KM.

Dacă întârzierile de transmitere a semnalului de reglare în elementul de măsurare sunt neglijabile în comparaţie cu cele ale altor elemente din circuitul de reglare, se poate admite că, elementul de măsurare este de ordinul zero, ecuaţia comportării dinamice fiind de forma: r(t)=KM.e(t)

Deoarece în elementul calculator, mărimea de reacţie r trebuie să ajungă sub forma unui semnal electric sau pneumatic unificat (4-20 mA; 0,2-l ats.), după traductorul de bază, se intercalează adaptorul de intrare Ai , care are rolul mai sus amintit. De multe ori se întâmplă ca acesta să formeze cu elementul de măsurare un singur ansamblu constructiv

9

Page 10: Aparate de Masura Si Automatizari

sau să lipsească cu totul din structura dispozitivului de automatizare, dacă traductorul de bază are ca variabilă de ieşire un semnal unificat.

Traductoarele pot fi utilizate atât ca elemente de măsurare pentru controlul parametrilor cât şi ca elemente componente în cadrul dispozitivelor de automatizare intercalate în sisteme de reglare automată.

Traductoarele se pot clasifica după următoarele criterii:1. După parametrul măsurat:

-traductoare de temperatură, presiune, debit, nivel, pH, compoziţie, concentraţie, etc. Traductoarele îşi bazează funcţionarea pe fenomene sau proprietăţi ale materialelor care permit transformarea unor mărimi fizice în altele cum ar fi: dilatarea corpurilor, variaţia rezistenţei electrice, pierderea de presiune pe rezistenţe hidraulice sau pneumatice etc.

2. După natura fenomenului care stă la baza funcţionării lor.traductoare: electrice, pneumatice, chimice, de radiaţie etc.

Calitatea şi stabilitatea circuitelor de reglare depind în mare măsură de caracteristicile tehnice şi metrologice ale traductoarelor. Cu cât aceste caracteristici sunt mai bune, cu atât performanţele sistemelor de reglare automată sunt mai ridicate.

În general, traductoarele nu au întotdeauna caracteristici tehnice şi metrologice care să satisfacă cerinţele procesului tehnologic automatizat. Din acest motiv, de cele mai multe ori, în construcţia lor trebuie să înglobeze şi nişte elemente intermediare cum ar fi: amplificatoare, adaptoare, montaje de compensare a influenţei unor factori perturbatori etc.

1.2.1. Măsurarea presiuniiCele mai importante tipuri de traductoare sunt cele bazate pe deformarea elastică a

corpurilor, cu coloană de lichid şi cele bazate pe schimbarea proprietăţilor corpurilor cu presiunea.

Traductoare bazate pe deformarea elastică a corpurilor

Aceste traductoare se bazează pe deformarea sub acţiunea presiunii a unor elemente elastice cum sunt: resortul manometric, membrana, burduful, etc. Ele au căpătat o largă răspândire datorită siguranţei în exploatare şi domeniului larg de măsurare.

Resortul manometric cel mai răspândit este tubul Bourdon:

Figura 1.5 - Tubul Bourdon Deformarea tubului în secţiune

10

Page 11: Aparate de Masura Si Automatizari

Tubul Bourdon este simplu curbat, în formă de arc de cerc cu un unghi la centru de aproximativ 270º şi este confecţionat în general din aliaje neferoase sau oţel inoxidabil. În secţiune transversală, acest tub se execută sub forma unor profile diferite, dintre care cele mai utilizate sunt: plat oval, oval ascuţit, semioval, etc.

În figură este reprezentat modul în care se deformează tubul şi secţiunea transversală, atunci când este supus acţiunii presiunii P. Variaţia unghiului de desfăşurare α al tubului, care constituie mărimea de ieşire a acestui traductor, se exprimă în funcţie de variaţia Δy a axei mici a secţiunii transversale astfel:

în care R reprezintă raza medie a tubului Bourbon.Ţinând seama şi de eforturile ce apar în pereţii tubului, care pot fi exprimate în

funcţie de presiunea P, de dimensiunile geometrice şi proprietăţile materialului se obţine :

care reprezintă ecuaţia caracteristicii statice a acestui tip de traductor. Mărimea de intrare este presiunea P, iar mărimea de ieşire, variaţia unghiului de înfăşurare a tubului, Δα.

Caracteristica statică este în general liniară pe cea mai mare parte a domeniului de funcţionare pentru care traductorul a fost construit.

Traductorul cu tub Bourbon acoperă, în trepte, un domeniu vast de presiuni, de la 103 N/m2 (1 KPa) până la 109 N/m2 (106 KPa), precum şi depresiuni de la 0 la 1,01325·105

N/m2 (1,01325·102 KPa). Traductoarele de presiune cu membrană au elementul elastic supus

deformării o membrană asupra căreia acţionează presiunea de măsurat, care reprezintă mărimea de intrare:

Figura 1.6 Tipuri de membrane Săgeata y a membranei reprezintă mărimea de ieşire a traductorului. Membranele

sunt confecţionate din oţel, aliaje pe bază de cupru, sau materiale sintetice elastice.Traductoarele de presiune cu membrană se construiesc pentru presiuni de la N/m2 (1

KPa) până la 4·106 N/m2 (4000 KPa). Traductoarele de presiune cu burduf se bazează pe deformarea elastică a

burdufurilor la creşterea presiunii, aplicată în interiorul sau exteriorul lor. Elementul elastic este alcătuit atât din burduful 1 cât şi din resortul 3 din interior.

Domeniul de lucru al acestor traductoare este cuprins între 6·102 N/m2 (0,6 KPa) şi 105 N/m2 (102 KPa).

11

Page 12: Aparate de Masura Si Automatizari

Figura 1.7- Traductor presine cu burduf Figura 1.8 – Traductor de presiune cu lichid

Traductoare de presiune cu lichidLa aceste traductoare, presiunea de măsurat se compară direct cu presiunea

hidrostatică a unei coloane de lichid. Deşi simple, aceste traductoare se caracterizează printr-o precizie mare. Prezintă însă o serie de neajunsuri din punctul de vedere al exploatării (gabarite mari, domenii de măsurare mici etc.), fapt pentru care în industrie sunt mai puţin răspândite decât traductoarele cu elemente elastice. În tehnica de laborator, mai ales în domeniul presiunilor mici, traductoarele de presiune cu lichid sunt însă foarte utilizate. Din grupa acestor traductoare, cele cu tub U sunt constructiv cele mai simple (figura 1.8).Lichidul din tub poate fi mercur, apă, alcool etilic etc., acesta fiind ales funcţie de natura fizică a fluidului a cărui presiune dorim să o măsurăm şi de valoarea acesteia.

Dependenţa înălţimii coloanei de lichid de diferenţa de presiune ΔP=P1 – P2 este:

în care: ρ – masa specifică a lichidului de umplutură; ρf – masa specifică a fluidului a cărui presiune se măsoară; g – acceleraţia gravitaţională.În cazul în care presiunile de măsurat sunt foarte mici se utilizează traductoare de presiune cu tub

înclinat (figura 1.9).

Figura 1.9

Lungimea y a coloanei de lichid din tubul înclinat se determină cu relaţia dată.Aceste traductoare au o sensibilitate mai ridicată decât cele cu tub U.Traductoare bazate pe schimbarea proprietăţilor corpurilor cu presiunea

12

Page 13: Aparate de Masura Si Automatizari

Aceste traductoare îşi bazează funcţionarea pe dependenţa de presiune a rezistenţei, inductanţei sau capacităţii unor circuite electrice, a proprietăţii de piezoelectricitate a unor cristale, a variaţiei gradului de ionizare a gazelor etc. În figura 1.10 sunt reprezentate principial unele tipuri mai importante dintre aceste traductoare: tensometric, capacitiv şi piezoelectric.

Figura 1.10

În cazul traductorului tensometric, valoarea rezistenţei mărcii se modifică funcţie de deformarea elastică a corpului metalic al traductorului, respectiv funcţie de presiune. Traductoarele tensometrice sunt utilizate atât pentru presiuni foarte mici 102 N/m2 (0,1 KPa), cât şi pentru presiuni mari, până la 108 N/m2 (105 KPa).

Capacitatea traductorului din figura 1.10.b se modifică funcţie de valorile presiunii fluidului ce acţionează asupra membranei.

Traductoarele piezoelectrice ( figura 1.10.c) prezintă avantajul deosebit al unei inerţii mici, în raport cu toate celelalte traductoare de presiune.

Traductorul de presiune diferenţială

Presiunile P1 şi P2 se aplică pe suprafeţele burdufului (2) ale traductorului de presiune diferenţială prezentat principial în figură:

Diferenţele de presiune generează o deplasare orizontală a axului (3), proporţională cu P. Deplasările axului (3) sunt transmise tubului de torsiune (4) care se deformează cu o anumită valoare unghiulară .Adaptorul (5) al traductorului de presiune diferenţială prezentat are ca mărime de intrare valoarea unghiului a tubului de torsiune, iar ca mărime de ieşire un semnal electric:(2-10)mA.

Figura 1.11 Traductorul de presiune diferenţială1.2.2. Măsurarea debitului

13

Page 14: Aparate de Masura Si Automatizari

Debitul unui fluid este fluxul vectorului sau al vectorului ( ) prin suprafaţa Σ, în conformitate cu relaţiile:

[m3/s] - volumic [kg/s] - masicîn care: - vectorul viteză; - masa specifică; - versorul normal la suprafaţa Σ.

Suprafaţa Σ este constituită în general, din secţiunile transversale ale conductelor prin care sunt vehiculate fluidele.

Funcţionarea traductoarelor de debit se bazează pe determinarea directă sau indirectă a vitezei fluidului. Aceasta se poate face cu ajutorul presiunii diferenţiale, presiunii dinamice, inducţiei electromagnetice, proceselor de transfer termic, propagării oscilaţiilor sonore în mediu fluid etc.

Traductoare de debit realizate cu rezistenţe hidraulice

Schema unui astfel de traductor (sistem de măsurare) este:

Figura 1.12

In calitate de element sensibil pentru sesizarea valorii debitului de lichid care trece prin conductă este utilizată rezistenţa hidraulică R.H. Mărimea de intrare a rezistenţei hidraulice este debitul volumic de lichid care o străbate, mărimea de ieşire fiind căderea de presiune (proporţională cu debitul). Traductorul de presiune diferenţială, TPD, are rolul de a converti mărimea de intrare, căderea de presiune cauzată de rezistenţa R.H. în circuitul de lichid, într-o mărime de ieşire proporţională r (un semnal electric unificat 4-20 mA).

Traductoare electromagnetice

Aceste traductoare îşi bazează funcţionarea pe existenţa fenomenului de inducţie magnetică. Constructiv, traductorul electromagnetic este realizat dintr-un tub din material izolant sau metalic acoperit cu un strat izolant, fixat între polii unui electromagnet (figura 1.13). Materialul tubului trebuie să fie în toate cazurile nemagnetic (oţel austenitic sau PVC). Prin pereţii tubului trec electrozii 3, între care apare o tensiune electromotoare u t, indusă în tubul de lichid dintre aceştia. Lichidul care se găseşte la un moment dat între electrozii 3 poate fi imaginat ca un conductor ce se deplasează cu viteza în câmpul magnetic de inducţie B (figura 1.13). În acest presupus conductor de lungime l, care se deplasează într-un plan perpendicular pe liniile de câmp, se induce tensiunea electromotoare exprimată prin produsul mixt al vectorilor , şi :

14

Page 15: Aparate de Masura Si Automatizari

Figura 1.13Distanţa l dintre electrozi reprezintă diametrul D al tubului, iar v reprezintă viteza de

curgere a lichidului prin conductă. Înlocuind expresia vitezei şi ţinând seama de faptul că cei trei vectori sunt ortogonali se obţine:

Relaţia dedusă este ecuaţia caracteristicii statice a acestui traductor, indicând o dependenţă liniară între tensiunea indusă ut şi debitul volumic Qv.

Pentru ca acest tip de traductor să fie utilizat, este necesar ca lichidul a cărui debit se măsoară să prezinte o conductibilitate mai mare de 100 μS/cm. Este utilizat la lichide electrolitice; la gaze şi produse petroliere nu se poate folosi.

Alimentarea electromagnetului în curent alternativ asigură înlăturarea fenomenului de polarizare şi obţinerea unui semnal periodic care poate fi mai uşor amplificat decât semnalul de curent continuu. Tensiunea ut, care se culege la bornele 3 ale traductorului variază în domeniul 1 – 2 mV.

Aceste tipuri de traductoare sunt utilizate pentru debite cuprinse între 1,5 cm3/min. şi 10000 m3/h. În ţara noastră I.E.A. Bucureşti, produce acest tip de traductor, care realizează precizii de măsurare de 1%.

Traductoare electrotermice

Traductorul electrotermic se utilizează la măsurarea debitelor mici de gaze, mai ales în instalaţii de laborator, pilot sau de mic tonaj.

Schema de principiu a acestui traductor este prezentată în figura 1.14. Gazul a cărui debit se măsoară este trecut printr-un tub metalic cu pereţii subţiri, care conduc bine căldura. Pe tub sunt plasate izolat faţă de acesta, o înfăşurare de încălzire R i şi simetric faţă de Ri două înfăşurări în calitate de termorezistenţe (R1 şi R2) înglobate într-un montaj cu punte. În lipsa debitului prin tub, de-a lungul acestuia se formează o distribuţie simetrică de temperatură cu maximul la mijloc (diagrama din figura 1.14).

15

Page 16: Aparate de Masura Si Automatizari

Figura 1.14

Această distribuţie de temperatură se deformează sub influenţa curentului de gaz şi ca atare în două puncte simetrice faţă de înfăşurarea de încălzire apare o diferenţă de temperatură , care este o măsură a debitului în conformitate cu relaţia:

în care: k1 – constantă, care depinde de construcţia aparatului; cp – căldura specifică a gazului, [J/kgC] qm – debitul masic, [kg/s]În aceste condiţii, tensiunea de dezechilibru a punţii traductorului (în ipoteza că

această tensiune este mult mai mică decât tensiunea de alimentare ua) este direct proporţională cu diferenţa de temperatură :

în care: - coeficientul de temperatură al rezistenţei electrice.Din relaţiile de mai sus se obţine ecuaţia de funcţionare a traductorului

electrotermic:

sau:

Caracteristica statică a acestui traductor este liniară, în domeniul de debite pentru care a fost proiectat. Întregul tub metalic este introdus într-o cămaşă cu pereţi groşi din material cu conductibilitate termică ridicată, care are rol de a egaliza temperatura de la cele două capete ale tubului metalic. Acest traductor măsoară debite masice foarte mici, până la 1 mg/s.

1.2.3. Măsurarea temperaturii

16

Page 17: Aparate de Masura Si Automatizari

Cele mai utilizate traductoare de temperatură sunt cele care au la bază fenomenul termoelectric, variaţia rezistenţei electrice cu temperatura şi dilatarea termică a corpurilor.

Traductoare termoelectrice Aceste traductor denumite frecvent şi termocuplu este compus din doi electrozi A şi

B, confecţionaţi din metale diferite, care se sudează la unul din capete. Capetele nesudate se numesc “reci” sau “libere” şi au aceeaşi temperatură T0. Punctul de sudură al electrozilor se numeşte capăt “cald” sau “sudat” al termocuplului şi se găseşte la o anumită temperatură T (fig.1.15).

Funcţionarea acestor traductoare se bazează pe fenomenul termoelectric, efectul Seebeck, care constă în apariţia unui câmp electric imprimat, şi deci a unei tensiuni electromotoare, într-un circuit alcătuit din mai mulţi conductori de naturi diferite şi cu punctele de contact la temperaturi diferite. Dacă capetele libere ale termocuplului se găsesc în gol, între acestea apare o diferenţă de potenţial egală cu tensiunea electromotoare Seebeck:

în care AB este coeficientul Seebeck relativ la conductorii A şi B.

Fig. 1.15 Fig. 1.16

Din relaţia tensiunii se observă că dacă temperatura capetelor reci T0 este menţinută constantă, atunci, prin măsurarea diferenţei de potenţial UAB se poate determina temperatura T a capătului sudat care, în regim staţionar coincide cu temperatura mediului în care se află acesta. Valoarea coeficientului Seebeck AB, depinde de perechea de electrozi A şi B ce alcătuiesc termocuplul şi prin aceasta determină forma caracteristicii statice a fiecărui termocuplu.

În figura 1.16 sunt prezentate caracteristicile statice pentru termocuplurile fier – constantan (Fe – Const.), cromel – alumel (C – A) şi platină rodiu – platină (Pt Rh – Pt).

S-a arătat mai sus că pentru a putea determina temperatura T prin măsurarea tensiunii termoelectrice, temperatura T0 a capetelor libere trebuie menţinută constantă la o valoare cunoscută. Această cerinţă este mai uşor de realizat în zone cu temperaturi mai joase, îndepărtate de punctul de măsurare. Aceasta necesită prelungirea termoelectrozilor până la camerele de măsurare sau în alte locuri convenabile. Prelungirea se realizează cu ajutorul a două conductoare, numite conductoare de prelungire, care pot fi din acelaşi

17

Page 18: Aparate de Masura Si Automatizari

material cu termoelectrozii sau din alte metale sau aliaje, care în intervalul –30C … +100C, au aceleaşi proprietăţi termoelectrice cu termoelectrozii.

Pentru a nu fi expuşi continuu mediului în care se măsoară temperatura, electrozii termocuplului sunt introduşi într-un tub protector (teacă). Materialul din care se confecţionează teaca protectoare este ales funcţie de temperatura şi mediul în care lucrează termocuplul. În general acesta este fie oţel obişnuit sau special, fie material ceramic. În acest caz, comportarea dinamică a termocuplului este diferită, constanta de timp care apare în transmiterea căldurii nu poate fi neglijată (2 – 20 s).

Tensiunea electromotoare dezvoltată de termocuplu se poate măsura prin două metode:

- metoda deviaţiei - milivoltmetrul magnetoelectric se leagă direct la termocuplu (figura 1.17), scala aparatului fiind gradată direct în unităţi de temperatură.

- metoda compensaţiei -(potenţiometrică), care constă în compensarea tensiunii necunoscută UAB a termocuplului cu o tensiune cunoscută, culeasă de pe porţiunea RX a rezistenţei R (figura 1.18).

Fig. 1.17 Fig. 1.18.a Fig. 1.18.bPoziţia 1 a comutatorului K corespunde măsurării. În acest caz tensiunii UAB i se

opune căderea de tensiune UC culeasă pe rezistenţa RX (UC=RX I). Se poate afla o asemenea poziţie a cursorului C, astfel încât UAB=UC, poziţie pusă în evidenţă de un galvanometru. Prin urmare fiecărei valori UAB, îi corespunde o anumită poziţie a cursorului C. Dacă R este o rezistenţă calibrată şi liniară, aparatul se poate etalona, ataşându-se acestei rezistenţe o scală gradată direct în unităţi de temperatură.

La instalaţii industriale se utilizează potenţiometrele electronice automate (figura 1.18.b). Dacă tensiunile UC şi UAB nu sunt egale, la intrarea amplificatorului A apare semnalul de eroare I, respectiv o tensiune asociată acestuia. Amplificatorul electronic A comandă motorul M, care, rotindu-se într-un sens corespunzător, deplasează cursorul reostatului R, şi în acelaşi timp cu acesta, acul indicator şi înregistrator al aparatului. Astfel dacă UABUC, cursorul reostatului va fi deplasat spre dreapta şi dacă UABUC, spre stânga. Deplasarea cursorului în sensul corespunzător are loc până când se realizează egalitatea UC=UAB, situaţie în care semnalul de eroare este nul şi motorul M este în repaus. Scala aparatului este gradată direct în unităţi de temperatură.

Traductoare termorezistiveVariaţia rezistenţei electrice a conductoarelor şi semiconductoarelor cu temperatura

constituie baza funcţionării traductoarelor termorezistive. În raport cu termocuplele,

18

Page 19: Aparate de Masura Si Automatizari

acestea prezintă avantajul că nu necesită conductoare de prelungire speciale. Sunt utilizate în domeniul –200 … +600C. În construcţia termorezistenţelor se folosesc metale pure: frecvent se utilizează cuprul, nichelul şi platina.

Pentru cupru, dependenţa de temperatură în intervalul –50 … +200C este liniară:

iar pentru platină, în intervalul 0 … +630C, dependenţa este:

Constructiv, traductorul se compune dintr-un tub protector metalic, asemănător cu cel al termocuplului, în care se introduce termorezistenţa propriu-zisă (figura 20). Termorezistenţa este compusă dintr-un suport de sticlă, ceramică sau mică, pe care este bobinat conductorul (sârmă cu diametrul de 0,08 … 0,04 mm).

La materialele semiconductoare, rezistenţa electrică variază cu temperatura după

legea exponenţială:

în care: A – constantă care depinde de forma şi dimensiunile termistorului; B – constantă caracteristică a materialului din care este confecţionat termistorul, mai mică decât zero; T – temperatura absolută a mediului în care se află materialul semiconductor.

Traductoarele termorezistive confecţionate din materiale semiconductoare poartă numele de termistori. În raport cu termorezistenţa, termistorul prezintă avantajul unei variaţii mult mai mari a rezistenţei cu temperatura, care conduce la o sensibilitate superioară acestuia. Faţă de termorezistenţă, termistorul prezintă însă dezavantajul că interschimbabilitatea nu este posibilă decât în condiţiile luării unor măsuri suplimentare în ceea ce priveşte schema utilizată.

Măsurarea temperaturii utilizând ca element sensibil termorezistenţa se poate face: 1. Direct, cu logometrul (figura 1.20) care este un aparat magnetoelectric cu ajutorul căruia se măsoară raportul a două mărimi electrice (curenţi, rezistenţe etc.).

Fig. 1.19 Fig. 1.20

O parte componentă a acestuia este un cadru mobil, alcătuit din două bobine, de care este fixat acul indicator. Fiecare din cele două bobine formează câte un cuplu, acestea fiind de sensuri opuse; egalitatea celor două cupluri determină poziţia de echilibru a echipajului mobil. Cadrul mobil este ataşat în întrefierul unui magnet permanent. Forma

19

Page 20: Aparate de Masura Si Automatizari

circuitului magnetic este astfel alcătuită încât inducţia este maximă pe axa polilor şi scade către extremităţile pieselor polare. Din acest motiv, inducţia în întrefier este o funcţie de mărimea unghiului de deplasare a cadrului mobil. Caracteristica statică este:

Scala logometrului, în urma unei etalonări prealabile poate fi gradată direct în unităţi de temperatură.

2. Montaje în punte a cărui schemă este redată în figura 1.21.

Fig.1.21 Fig.1.22

unde: R1, R2 – rezistenţe fixe; R3 – rezistenţă variabilă; RT – traductor termorezistiv; r – rezistenţa conductorului de legătură a traductorului la punte.Cu ajutorul rezistenţei R3 se echilibrează puntea, tensiunea Ucd=0 şi:

Deoarece rezistenţa r a conductorilor de legătură ai traductorului rezistiv se modifică cu temperatura mediului ambiant, rezultă că precizia determinării temperaturii cu RT este afectată de aceste variaţii. Din acest motiv în cazul unor conductori de legătură de lungime relativ mare, se utilizează montajul cu trei conductoare de legătură (trifilar), (figura 1.22).

Pentru măsurători industriale, în locul punţilor cu echilibrare manuală se utilizează cele cu echilibrare automată (figura 1.22).

Atunci când puntea este neechilibrată, tensiunea Ucd se aplică la intrarea amplificatorului A, a cărui ieşire comandă motorul asincron bifazat M. Acest semnal de comandă, împreună cu alimentarea din cealaltă înfăşurare a motorului, creează un câmp magnetic rotitor, care conduce la mişcarea rotorului şi astfel prin legătura mecanică reprezentată punctat, este pus în mişcare cursorul pentru echilibrarea punţii. Scala aparatului indicator înregistrator este gradată în unităţi de temperatură.

Traductoare bazate pe dilatarea termică a corpurilor

Aceste traductoare folosesc fie fenomenul de dilatare a corpurilor (solide, lichide) cu temperatura, fie fenomenul de variaţie cu temperatura a presiunii gazelor sau vaporilor într-un volum constant.

20

Page 21: Aparate de Masura Si Automatizari

În cazul utilizării corpurilor solide, soluţia constructivă obişnuită este cea bimetalică, realizată sub formă de plăcuţe sau bară tub, în care cele două elemente au coeficienţi de dilatare diferiţi.

Traductoarele bazate pe dilatarea lichidelor şi gazelor se construiesc sub forma unui cartuş conectat printr-un tub capilar la un element deformabil, de exemplu tub Bourdon, figura 1.23.

Fig. 1.23

1.2.4. Traductoare de nivel

Nivelul unui lichid sau al unui strat fluidizat poate fi determinat prin urmărirea suprafeţei de nivel sau a greutăţii hidrostatice create de acesta.

Traductoare bazate pe urmărirea suprafeţei de nivel

Majoritatea acestor traductoare transformă deplasările suprafeţei de nivel într-o mărime de altă natură (forţă, tensiune, rezistenţă etc.). Dintre acestea, în industria chimică, mai utilizate sunt traductoarele mecanice de nivel.

În regim static, asupra unui corp cufundat în lichid (figura 1.24) acţionează forţa de greutate G şi forţa arhimedică Fa, care se află în echilibru:

respectiv:

Fig. 1.24Presupunând secţiunea transversală a corpului de arie constantă A şi densitatea

lichidului , relaţia (27) ia forma:

unde: y – adâncimea de cufundare a corpului; g – acceleraţia gravitaţională.Dacă starea de echilibru are loc pentru yh atunci corpul pluteşte; pentru y=h corpul

ocupă o poziţie indiferentă în masa lichidului ; pentru yh corpul se scufundă.În primul caz corpul este denumit plutitor sau flotor, iar în ultimul caz, imersor.În figura 1.25 sunt prezentate două tipuri de traductoare de nivel cu plutitor.

21

Page 22: Aparate de Masura Si Automatizari

Fig. 1.25

Traductoare bazate pe dependenţa presiunii hidrostatice cu nivelul

Traductoarele din această categorie se bazează pe variaţia presiunii hidrostatice, într-un punct din lichidul în repaus, cu înălţimea coloanei de deasupra. Astfel, presiunea de la baza vasului din figura 1.26 poate fi exprimată funcţie de nivelul h prin relaţia:

Prin determinarea diferenţei de presiune P1 – P2 se poate stabili înălţimea coloanei de lichid:

Pe această relaţie se bazează traductorul de nivel de tipul manometru diferenţial prezentat în figura 1.27.

Fig. 1.26 Fig. 1.27

Pentru evitarea erorilor datorită condensărilor pe ramura legată de zona de gaze, se creează prin umplerea cu lichid a vasului 3, un nivel constant de reper.

Pentru măsurarea nivelului în vasele cu soluţii chimice, acizi, baze, produse corozive etc. se utilizează cu succes traductorul pneumometric (cu barbotare de gaz) (figura 1.28).

22

Page 23: Aparate de Masura Si Automatizari

Fig. 1.28Menţinându-se constantă presiunea de alimentare Pa, presiunea P, după duză devine

o funcţie de nivelul h din vas. Pentru debite de aer foarte mici, de ordinul a câteva bule pe secundă, pierderile de presiune prin frecarea aerului de pereţii tubului de barbotare sunt neglijabile, fapt pentru care se poate scrie relaţia:care indică dependenţa dintre nivelul lichidului şi presiunea P.

Dintre diferitele surse de erori asociate traductoarelor de barbotare din acest paragraf, variaţia densităţii mediului căruia i se măsoară nivelul este cea mai importantă, fapt pentru care trebuie luată în permanenţă în considerare.

1.2.5.Traductoare de densitateDensitatea fluidelor variază cu temperatura şi presiunea, fapt pentru care exprimarea

acesteia raportată întotdeauna la o anumită stare implică efectuarea corecţiilor de temperatură şi presiune. În general traductoarele de densitate au inclus în construcţia lor

Fig. 1.29

şi elemente fizice pentru corectarea automată a variaţiilor datorate acestor factori.Cele mai utilizate traductoare de densitate sunt cele areometrice, care-şi bazează

funcţionarea pe variaţia adâncimii de cufundare a unui plutitor cu densitatea fluidului.

23

Page 24: Aparate de Masura Si Automatizari

În figura 1.29 este prezentată schema unui traductor areometric cu mărime de ieşire electrică (Ue), prevăzut cu o schemă de compensare a influenţei temperaturii asupra densităţii. Această schemă foloseşte o punte conectată în serie pe circuitul de preluare a tensiunii de dezechilibru al transformatorului diferenţial. Într-unul din braţele acesteia este conectat un termistor a cărui rezistenţă RT variază cu temperatura lichidului. În acest caz, în diagonala punţii apare o tensiune de dezechilibru care compensează variaţia la ieşire traductorului provenită din influenţa temperaturii. Mărimea de intrare a traductorului este densitatea , iar mărimea de ieşire tensiunea Ue.

1.2.6. Traductoare de pH

pH-ul unei soluţii se exprimă prin logaritmul zecimal negativ al concentraţiei ionilor de hidrogen.

Determinarea valorii pH a unei soluţii se face cu ajutorul a doi electrozi care generează o tensiune funcţie de pH, fenomen similar cu cel de la elementele galvanice.

Traductorul de pH propriu-zis, este compus din doi electrozi cufundaţi într-o celulă de analiză în care se află soluţia a cărui pH se măsoară. Unul din electrozi este de referinţă, iar celălalt de măsurare (figura 1.30).

Fig. 1.30 Fig. 1.31Electrodul de măsurare M este construit din sticlă. Se compune dintr-o membrană de

sticlă 1, conductoare electric, construită de exemplu în formă sferică şi dintr-un tub 2, gros, din sticlă neutră.

Între exteriorul membranei de sticlă 1 şi soluţia de analizat apare o diferenţă de potenţial Ex care este proporţională cu concentraţia ionilor de hidrogen din soluţie. Interiorul electrodului este umplut de obicei, cu o soluţie tampon, de exemplu cu o soluţie standard de acetat sau clorură de kaliu etc., care menţine constantă diferenţa de potenţial E2 între interiorul membranei şi soluţie, chiar şi la impurificări. Această diferenţă de potenţial este cunoscută.

În calitate de electrozi de referinţă R, se utilizează curent, electrozi de calomel. La partea inferioară a tubului 4 din sticlă neutră (electrodul M) se află un amestec de mercur–calomel, care, prin tamponul de azbest 5, este unit electric cu soluţia tampon de clorură de kaliu. La partea superioară a tubului se găseşte mercur, care are faţă de amestecul mercur + calomel de la partea inferioară, potenţialul E1 constant şi cunoscut. Pentru determinarea

24

Page 25: Aparate de Masura Si Automatizari

în exterior a potenţialului EX, potenţialele E2 şi E1 fiind constante şi cunoscute, este utilizat conductorul de platină 6 scufundat în umplutura cu mercur a tubului 4.

Construcţia electrodului de referinţă R este asemănătoare cu cea a electrodului M. Tubul de sticlă 7 are la partea inferioară un orificiu închis cu un dop ceramic, care serveşte la reumplerea electrodului cu soluţie.

Tubul 7 este umplut cu soluţie de clorură de kaliu, care determină apariţia diferenţei de potenţial E3 între soluţia de analizat şi KCl din interior. Această diferenţă de potenţial este neglijabilă.

Construcţia interioară a electrodului de referinţă R este identică cu cea a electrodului de măsurare M, potenţialul E4 este egal cu potenţialul E1.

Deoarece în circuitul de măsurare potenţialele E1 şi E4 sunt egale şi conectate în opoziţie, rămân numai diferenţele de potenţial E2, E3 şi EX. Dintre acestea E2 este constant şi cunoscut, iar E3 este neglijabil, astfel că la bornele 6, 12 obţinem tensiunea U cu ajutorul căreia se poate determina EX:

Caracteristica statistică a traductorului de pH este liniară-figura 1.31. Din figură se observă că variaţia temperaturii influenţează substanţial panta caracteristicii statice. Din această cauză, traductorul de pH conţine şi un montaj de compensare a variaţiei tensiunii U cauzată de modificarea temperaturii. În figura 34 este prezentată principial o schemă de compensare a variaţiei tensiunii datorită modificării temperaturii soluţiei de analizat.

Termorezistenţa RT este introdusă împreună cu electrozii de măsurare şi referinţa în soluţia de analizat. Rezistenţa RT constituie una din laturile unei punţi electrice. Variaţia cu temperatura a termorezistenţei RT, produce modificarea tensiunii UAB culese de pe diagonala AB a punţii. Modificarea tensiunii UAB este astfel calculată încât să compenseze variaţia cu temperatura a tensiunii culese de la electrozii M şi R ai traductorului. În acest mod tensiunea U de la bornele de ieşire nu mai depinde de temperatură, ci numai de valoarea pH a soluţiei.

Traductoarele de pH cu electrozi de sticlă prezintă particularitatea că rezistenţa lor internă este foarte mare, ajungând până la 200 M. Din această cauză adaptorul care se montează de obicei după acest traductor, trebuie să aibă o impedanţă mare de intrare, astfel încât curentul în circuitul electrozilor să fie neglijabil (I10-8 mA). În caz contrar, căderea de tensiune pe rezistenţa internă a electrozilor de sticlă influenţează valoarea mărimii de ieşire, dând erori mari, lucru ce poate conduce la deteriorarea electrozilor.

1.2.7. Traductoare conductometrice

Soluţiile bazice şi acide fac parte, cu puţine excepţii, din categoria conductoarelor ionice. La acest tip de conductoare, electricitatea este transportată de ioni.

Ca şi la conductorii metalici, rezistenţa opusă de soluţii trecerii curentului electric

este exprimată cu ajutorul relaţiei:

în care: – rezistivitatea soluţiei; L – lungimea tubului de soluţie; A – aria secţiunii transversale a tubului de soluţie.

Inversul rezistivităţii reprezintă conductivitatea electrică:Unitatea de măsurare în Siemens pe metru (S/m), unde 1 S=1 -1, este admisă

pentru conductivitate.

25

Page 26: Aparate de Masura Si Automatizari

Conductivitatea electrică a diferitelor soluţii depinde de concentraţia diferitelor substanţe dizolvate. Astfel în soluţii concentrate, figura 35, conductivitatea creşte odată cu creşterea concentraţiei până la o anumită valoare, după care scade, iar în soluţii diluate, figura 1.34, conductivitatea creşte liniar cu concentraţia.

Fig. 1.32 Fig. 1.33Conductivitatea soluţiilor depinde de concentraţia C şi de conductivitatea

echivalentă :

Prin conductivitate echivalentă se înţelege conductivitatea soluţiei care conţine un echivalent gram de electrolit, determinată cu electrozi paraleli, dispuşi la distanţa de 1 m. Conductivitatea echivalentă este funcţie de mobilităţile relative a ionilor (care depind de temperatură) şi de gradul de disociere.

În figura 1.34 este reprezentată schema principială a unui traductor conductometric.Detectorul conductometric 1, străbătut de

soluţia a cărei conductivitate se determină, constituie o rezistenţă electrică variabilă, montată în unul din braţele punţii electrice alimentată în curent alternativ. Alimentarea în curent alternativ se face cu scopul de a elimina efectul de polarizare al electrozilor detectorului. Pentru compensarea variaţiei conductivităţii cu temperatura este utilizată termorezistenţa RT, montată în fluxul soluţiei de analizat în apropierea electrozilor detectorului şi conectată în paralel cu detectorul în braţul punţii.

Fig. 1.34

Compensarea se bazează pe faptul că la creşterea temperaturii creşte conductivitatea soluţiei, respectiv scade rezistivitatea, iar valoarea termorezistenţei RT creşte. Rezistenţele R2 şi R3 servesc la ajustarea caracteristicii corespunzător dependenţei de temperatură a conductivităţii. Semnalul de ieşire al traductorului se culege din diagonala redresorului 2.

1.2.8. Traductoare pentru analiza compoziţiei chimice a amestecurilor gazoase

Traductoare termoconductometrice

26

Page 27: Aparate de Masura Si Automatizari

Aceste traductoare se bazează pe diferenţa dintre conductivităţile termice ale diferitelor gaze. Datorită acestei diferenţe, la majoritatea amestecurilor de gaze există o dependenţă univocă între concentraţia unei componente şi conductivitatea termică a amestecului. Această dependenţă este liniară numai în cazul a câtorva amestecuri binare (CO2 – aer, CO – aer etc.), la care conductivitatea termică se supune legii aditivităţii:

în care: , 1, 2 – coeficienţi de conductivitate termică ai amestecului, respectiv ai celor doi componenţi; m1, m2 – fracţiile molare ale componenţilor.

În cazul, spre exemplu, amestecului CO2 – aer, CO2 aer, prin urmare conductivitatea termică a amestecului celor două componente scade cu creşterea conţinutului în CO2.

Schema unui traductor termoconductometric diferenţial în punte este prezentată în figura 1.35.

Fig. 1.35Într-un bloc din metal bun conductor de căldură sunt incluse două celule de

măsurare 1 şi 3, precum şi celulele de comparaţie 2 şi 4. Toate celulele conţin câte o rezistenţă de platină, care este încălzită electric. Celulele 1 şi 3 sunt străbătute de gazul de analizat, iar celulele 2 şi 4 sunt umplute cu gazul de referinţă (azot, aer, hidrogen etc.). Curentul ce străbate puntea constituie în acelaşi timp şi curent de încălzire a rezistenţelor. Reostatul 5 serveşte la menţinerea constantă a curentului sursei, miliampermetrul 6 serveşte la supravegherea curentului din punte, iar cu potenţiometrul 8 se face ajustarea nulului. Dacă se modifică compoziţia amestecului de gaze analizat şi deci şi conductibilitatea termică a acestuia, atunci se transmite mai multă sau mai puţină căldură la pereţii celulelor 1 şi 3. acest lucru produce modificarea temperaturii rezistenţelor de platină, deci modificarea valorii acestora, ceea ce conduce la dezechilibrarea punţii, fenomen pus în evidenţă de instrumentul 9, care poate fi etalonat direct în unităţi de compoziţie ale amestecului binar de analizat.

Ecuaţia de funcţionare a acestui traductor este:

în care: U – tensiunea de dezechilibru a punţii; Ua – tensiunea de alimentare a punţii; K1, K2 – mărimi constante.

27

Page 28: Aparate de Masura Si Automatizari

Traductoare termomagnetice

Traductoarele termomagnetice au la bază proprietatea de paramagnetism a moleculelor unor gaze. Majoritatea gazelor sunt diamagnetice, cu excepţia oxigenului şi a doi oxizi de azot, NO şi NO2, care sunt paramagnetice. La aceste gaze, susceptibilitatea paramagnetică se modifică invers proporţional cu temperatura. În figura 41 este reprezentat schematic un traductor termomagnetic de oxigen.

Fig. 1.36

Gazul de analizat este condus prin torul 1 în tubul orizontal din sticlă, care are pereţi subţiri. Atunci când în gazul de analizat nu se găseşte oxigen, acesta nu circulă prin tubul orizontal. Dacă gazul analizat conţine O2, câmpul magnetic creat de polii 3 şi 4 atinge moleculele de oxigen în interiorul tubului orizontal 2. O rezistenţă bobinată din platină ale cărei spire încep în mijlocul polilor, are rolul de a încălzi moleculele atrase în câmp, prin aceasta realizându-se o scădere a susceptibilităţii magnetice a moleculelor de O2. Datorită atracţiei mai puternice a moleculelor O2 reci din amestec, cele încălzite sunt împinse înainte, realizându-se în acest mod, un curent de oxigen prin tub. Atunci când lipseşte curentul de O2 prin tubul orizontal, distribuţia temperaturii de-a lungul acestuia este simetrică, fapt pentru care puntea este în echilibru. Acest fenomen stă şi la baza funcţionării traductoarelor electrotermice de debit (paragraful 1.2.2.2). Prezenţa curentului de gaz cu O2 prin tubul orizontal modifică simetria termică, fapt care duce la dezechilibrarea punţii electrice R1, R2, R3, R4 şi deci la apariţia semnalului U. Această tensiune depinde de valoarea curentului de O2 prin tubul orizontal, iar acesta la rândul său este o măsură a concentraţiei oxigenului în amestecul gazos.

Traductoare bazate pe absorbţia radiaţiilorGazele au proprietatea de a absorbi în mod diferit radiaţii din spectrul

electromagnetic de radiaţii al unei surse. Cele mai răspândite traductoare folosesc radiaţiile ultraviolete sau radiaţiile infraroşii, ambele situându-se în cele două extremităţi ale

28

Page 29: Aparate de Masura Si Automatizari

spectrului radiaţiilor luminoase. În figura 1.37 este prezentat schematic traductorul bazat pe absorbţia radiaţiilor infraroşii denumit URAS (Ultra Rot Absorbtions Schreiber).

Sursele 7 şi 8 produc două fascicule de raze infraroşii. Aceste fascicule sunt întrerupte de obturatorul 9 cu frecvenţa de 6,25 s-1. După trecerea prin filtrele 1 şi 2 fasciculele trec prin camera de referinţă 3 şi camera de analiză 4. De obicei, camera de referinţă 3 se umple cu azot, neutru faţă de radiaţia de lungime utilizată.

Camera de analiză 4 este străbătută de gazul de analizat, care absoarbe din fasciculul infraroşu, într-o măsură mai mare sau mai mică radiaţiile de lungime corespunzătoare componentului a cărei concentraţie se măsoară.

Fig. 1.37O radiaţie infraroşie cu lungime de undă de intensitate I0, ce parcurge drumul de

lungime l printr-un gaz cu banda de absorbţie şi concentraţia Ck, iese din gaz cu intensitatea I în conformitate cu:în care (E) este un factor ce depinde de lungimea de undă a radiaţiei şi de componentele gazoase însoţitoare.

Valorile intensităţilor radiaţiilor la ieşirea din camerele 3 şi 4 sunt puse în evidenţă cu ajutorul camerelor 5 şi 6, umplute cu gazul a cărui concentraţie se măsoară. Aceste camere sunt despărţite printr-o membrană ce constituie una dintre armăturile condensatorului C. Deoarece radiaţia care străbate camera de analiză 4 are o intensitate mai mică decât radiaţia ce străbate camera de referinţă 3, rezultă o încălzire mai accentuată a gazului din camera 5, însoţită de o creştere corespunzătoare a presiunii acestuia. Distanţa dintre armăturile condensatorului se modifică, lucru care produce o variaţie corespunzătoare a capacităţii condensatorului. Variaţia capacităţii condensatorului C constituie o măsură a variaţiei concentraţiei componentului gazos de analizat. În camerele 1 şi 2 se introduce o cantitate determinată experimental din gazul perturbator (care are banda de absorbţie suprapusă parţial cu banda gazului de analizat). În acest fel, ambele radiaţii scad în intensitatea acelora cu lungimea de undă absorbită de gazul purtător.

Cromatografia gazoasăCromatografia este o metodă fizică de separare a amestecurilor gazoase

multicomponente care se bazează pe repartiţia diferită a componentelor unui amestec între o fază mobilă şi una staţionară, având ca urmare deplasarea cu viteză diferită a componentelor purtate în faza mobilă, de-a lungul fazei staţionare.

29

Page 30: Aparate de Masura Si Automatizari

Schema bloc a unui cromatograf de gaze este reprezentată în figura 1.38.

Fig. 1.38a Fig. 1.38bElementele lui principiale sunt coloana 1 şi detectorul 2, la acestea adăugându-se

sursa de eluent 3, dispozitivul de măsurare şi reglare a debitului 4, dispozitivul de introducere a probei 5, termostatul 6 şi instrumentul de înregistrare 7 a semnalelor furnizate de detector.

Eluentul trece prin dispozitivul de introducere al probei, preia proba de analizat şi o introduce în coloana cromatografică. Din cauza interacţiunii moleculelor probei cu faza staţionară, componentele rămân în urma eluentului. În funcţie de diferenţele care există între echilibrele lor de repartiţie între cele două faze, se produce o diferenţiere a vitezelor lor de migrare şi final separarea. Eşalonate astfel în timp, componentele sunt purtate de eluent după ieşirea din coloană, în detector. Acesta transformă diferenţa unei proprietăţi fizice între component şi eluent într-un semnal electric, proporţional cu concentraţia componentului în fază gazoasă.

Reprezentarea grafică a semnalului detectorului în funcţie de timp, obţinută cu ajutorul înregistratorului, se numeşte cromatogramă (figura 1.38b). Semnalele obţinute sub forma unor vârfuri, numite picuri corespund componentelor probei.

Timpul la care apare maximul unui pic, măsurat din momentul introducerii probei, se numeşte timp de reţinere, tR, şi este caracteristica calitativă a componentului respectiv. Înălţimea picului h, sau aria suprafeţei lui A, constituie parametrul cantitativ, proporţional cu cantitatea de component.

Cu tM, se notează timpul în care eluentul şi componentele care nu interacţionează cu faza staţionară parcurg distanţa până la detector.

Performanţele aparaturii gaz cromatografice şi condiţiile de lucru, variază între limite largi şi constituie obiectul multor tratate ştiinţifice şi articole din publicaţiile de specialitate.

Spectrometria de masăSpectrometria de masă, metodă fizică de separare, permite analizarea amestecurilor

diferitelor substanţe, pe baza ionizării acestora în condiţii de vid înalt şi obţinerii ionilor încărcaţi electric, după care aceşti ioni se separă după numărul lor de masă. Mărimea curentului ionic este o măsură a conţinutului de component determinat în amestecul de analizat. Ionii se grupează sub acţiunea concomitentă a unui câmp magnetic şi electric şi se mişcă pe diferite traiectorii.

30

Page 31: Aparate de Masura Si Automatizari

Între masa ionului m şi sarcina sa q există următoarea relaţie:

în care: B – inducţia magnetică; r – raza de mişcare a ionului; U – potenţialul electric.Relaţia dedusă constituie baza fizică a spectrometriei de masă.La anumite valori ale lui B şi U se poate măsura numărul ionilor pozitivi sau

negativi, cu determinarea raportului m/q şi după valoarea curentului de ioni se determină cantitatea de ioni separaţi şi apoi conţinutul amestecului de analizat.

În figura 1.39 este redată schema bloc a unui spectrometru de masă.Amestecul de gaz intră la presiune joasă în camera de ionizare 1, unde este bombardat cu electroni, formându-se ioni pozitivi, care sub acţiunea câmpului electric realizat cu diferenţa de potenţial U, primesc o acceleraţie corespunzătoare.

Fig. 1.39

Ca atare ionii ies din camera de ionizare 1 cu o viteză determinată şi prin orificiile 2 şi 3 intră în camera 5, în care se află un câmp magnetic a cărui vector de inducţie B este îndreptat perpendicular pe suprafaţa desenului.

Ionii separaţi, în concordanţă cu raportul lor m/q descriu traiectorii în formă de cercuri cu raze diferite. Ionii care se vor mişca cu raza r3, trec prin orificiul 4 şi cad pe colectorul cu disc 6, pe care se descarcă.

Curentul electric a cărui mărime este determinată de numărul de ioni ce lovesc colectorul în unitatea de timp, produce pe rezistenţa 7, o cădere de tensiune, care este amplificată în amplificatorul de curent continuu 8 şi este înregistrată la aparatul de măsurare 9.

Modificarea inducţiei B a câmpului magnetic sau a tensiunii U a câmpului electric pot mări sau micşora raza traiectoriei r, a ionilor, cu diferite mase, care cad pe colector.

Modificând continuu una din cele 2 mărimi, la aparatul de înregistrare 9, se vor obţine înregistrări cu picuri, care corespund ionilor de masă determinată.

Înălţimea fiecărui pic este caracteristică pentru concentraţia ionilor de masă dată în amestecul de gaz (figura 45).

Fiecare spectrometru de masă are un sistem de pompe cu vacuum.Vidul înalt este necesar pentru că drumul liber mijlociu al ionilor trebuie să fie mai

mare decât dimensiunea tubului şi pentru a limita ciocnirea ionilor determinaţi, cu moleculele de aer din tubul spectrometrului. Pe lângă acestea şi durata de încălzire a firului pentru emisia de electroni depinde de mărimea vaacumului.

Cu toate avantajele lor, aceste metode încă nu se utilizează în scheme de automatizare, aceasta fiind o problemă a viitorului.

Convertorul electropneumatic

are rolul de a transforma semnale electrice unificate în semnale pneumatice unificate.Acesta funcţionează pe baza principiului echilibrului forţelor. Este alcătuit din următoarele elemente:

31

Page 32: Aparate de Masura Si Automatizari

- un electromagnet polarizat; - un sistem duză-clapetă;- un circuit de reacţie pneumatic cu burduf.

În figura 1.40 este prezentată schema unui astfel de adaptor.

Fig. 1.40

Pârghia A, legată rigid de clapeta C se roteşte în jurul articulaţiei O sub acţiunea forţelor:

- forţa electromagnetică, rezultată la interacţiunea dintre câmpul magnetic rezultat la circulaţia curentului I în bobină şi câmpul magnetic din jurul celor doi magneţi permanenţi MP;

- forţa elastică a resortului S1 pentru reglarea nulului activ;- forţa de presiune care acţionează prin intermediul burdufului de reacţie BR.

Dacă curentul de intrare I creşte, clapeta C se depărtează de duză, presiunea P1 la ieşirea SDC scade , presiunea P de la ieşirea AP creşte (factorul de proporţionalitate al amplificatorului de putere este negativ). Forţa de reacţie generată de presiunea în burduful BR creşte proporţional cu presiunea P, iar distanţa dintre clapeta C şi duza SDC se va micşora.

Modificarea domeniului de variaţie al semnalului de ieşire P, se face prin modificarea lungimii l a braţului pârghiei de pe calea de reacţie. Nulul activ se reglează cu ajutorul şurubului S1.

32


Top Related