Universitatea Transilvania Facultatea de Alimentaie i Turism Controlul i Expertiza Produselor Alimentare

Studente: Barbu Laura Coman Alexandra-Miruna Ristoiu Elena-Cristina Grupa: CEPA 16611

2

Cuprins Introducere 1. Traductoare de nivel 1.1. Nivelmetre bazate pe proprietatile electrice de material 1.1.1. Traductoare capacitive 1.1.2. Nivelmetre resistive 1.2. Nivelmetre bazate pe fota arhimedica 1.2.1. Nivelmetre cu plutitor 1.2.2. Nivelmetre cu imersor 1.3. Nivelmetre cu radiatii 1.3.1 Nivelmetre cu ultrasunete 1.3.2. Nivelmetre cu microunde 1.3.3. Nivelmetre cu radiatii nucleare 1.4. Traductorul submersil 1.5. Traductorul de tip radar 2. Limnimetre 2.1. Limnimetrul cu flotor 2.2. Limnimetrul pneumatic 3. Mira 4. Tubul de nivel 5. Metode folosite pentru masurarea nivelului intr-un rezervor 5.1. Metode conductivitatii electrice 5.2. Metoda ultrasonic si sonica 5.3. Metoda capacitatii electrice 5.4. Metoda presiunii hidrostatice 5.5. Metoda cu microunde Incheiere

3

Introduceren instalaii este deseori necesar s se cunoasc nivelul lichidelor din canale sau rezervoare de stocaj, fie c suprafaa lichidului se afl n contact cu presiunea atmosferic, fie c este sub presiune. Echipamentele folosite, n funcie de natura instalaiei i precizia msuratorii, sunt traductoarele de nivel (nivelmetre) i limnimetrele. Masurarea nivelului n tehnica este o problema deosebit de importanta pentru o serie de procese tehnologice precum si pentru evaluarea stocurilor existente, realizndu-se pentru granule, pulberi, suspensii, lichide, etc. Metodele de masurare ale nivelului pot fi continue, cnd se urmareste n permanenta masurarea nivelului prin intermediul lungimii coloanei de substanta si discontinue, cnd se urmareste masurarea nivelului ntre anumite limite, de obicei minime si maxime. Metodele de masurare ale nivelului pot fi directe, caz n care se masoara lungimea (naltimea) efectiva a coloanei de substanta si indirect, daca nivelul se determina cu ajutorul unor marimi intermediare (presiune, masa, parametri ai circuitelor electrice, atenuarea unei radiatii, etc.). Din cele prezentate rezulta ca pentru masurarea nivelului se pot utiliza metode care au la baza masurarea altor marimi, n continuare ncercnd sa prezentam doar metodele bazate pe proprietatile electrice de material. Vom aminti ca cele mai simple nivelmetre utilizate sunt cele cu sticle cilindrice sau prismatice ce se monteaza pe conducta n paralel cu rezervorul (recipientul) al carui nivel l masuram , sau nivelmetrele cu plutitor magnetic.

1. Traductoare de nivel ( nivelmetre) 1.1. Nivelmetre bazate pe proprietatile electrice de materialLund n considerare faptul ca materialele al caror nivel se masoara pot sa fie dielectrice sau conductoare, rezulta ca metodele de masurare a nivelului difera.

1.1.1. Traductoare capacitivePentru materialele dielectrice se folosesc n mod uzual traductoare capacitive, prezentate n schema principiala din figura 3.57. In vasul metalic - 1, n care se gaseste lichidul 2 se plaseaza un electrod metalic - 3 care n unele cazuri este izolat cu teflon - 4.

4

Daca vom nota cu h naltimea vasului si cu y naltimea lichidului, ntre electrodul central si vas vom avea capacitatea totala data de:

unde C0 reprezinta capacitatea totala a ansamblului, fara lichid. Aceasta metoda poate fi aplicata n cazul lichidelor sau pulberilor dielectrice daca r > 2 [62], variatia de capacitate fiind de 10 - 100 pF. Sursa principala de erori n cazul prezentat , o constituie modificarea permitivitatii dielectrice cu temperatura, deficienta ce poate fi nlaturata prin utilizarea de metode de compensare adecvate.

1.1.2. Nivelmetre rezistivePentru cazul materialelor conductoare , cu o conductibilitate > 10-2 S/m, se pot folosi nivelmetre rezistive, principiul functional al acestora fiind prezentat n figura 3.58. Astfel, n vasul - 1 ce contine lichidul - 2, se plaseaza rezistorul R .

Lichidul conductor va sunta o portiune a rezistorului R astfel ca rezistenta totala din circuit va fi:

r(y) reprezentnd rezistenta ehivalenta a lichidului. Principalul dezavantaj al acestor dispozitive deriva din faptul ca temperatura si natura lichidului influenteaza conductibiliatea , fenomen ce poate fi ameliorat utiliznd un rezistor cu banda elastica, realiznd un nivelmetru dupa schema de principiu din figura 3.59.

Rezistenta bobinata - 1 se introduce ntr-o banda elastica buna conductoare 2 ce se va deforma sub actiunea presiunii lichidului 3

5

Metodele descrise pot masura nivele pna la 1-2 m, cu precizii relativ bune. Industrial se utilizeaza teleindicatorul de nivel cu traductor rezistiv tip TNTR - 2, produs de IAMC Otopeni, care este un dispozitiv ce permite transmiterea la distanta a nivelului lichidelor corosive si necorosive, neinflamabile, bune conducatoare de electricitate, depozitate n rezervoare.

Ansamblul dispozitivului este prezentat n figura 3.60., unde: 1- scripete; 2 - detaliu de fixare; 3 - cablu de sustinere; 4 - rezistente; 5 - lant de rezistente (traductor rezistiv); 6 - greutate; 7 - tija pamntare; 8 - teleindicator.

Domeniul de masurare al dispozitivului este de 1,5 - 10 m, n trepte normalizate de 0,5 m, iar numarul de nivele intermediare total, indiferent de lungimea traductorului este de 40, scala fiind gradata n 40 de diviziuni de la 0% la 100%. Cnd nivelul de lichid este sub minim, rezistena dintre lanul traductor i elementul de referina este infinit. Astfel, n circuitul traductorului intervine doar rezistenta ce realizeaza pasul de zero, circuitul de masurare avnd un curent de 2 mA ce se regleaza cu un potentiometru de pe aparat. Scala aparatului este etalonata astfel ca la indicatia 0% sa corespunda 2 mA, iar la 100% sa corespunda 10 mA. Distanta dintre traductor si aparatul indicator nu poate depasi 10 m, deoarece n circuitul traductorului , curentul alternativ foarte mic (16 mA) este influentat de perturbatiile externe. Pentru a nu influenta masuratorile, conductorul de legatura traductor - aparat trebuie sa aiba o rezistenta electrica sub 30 ohmi. In serie cu teleindicatorul se poate monta un aparat auxiliar (mA) daca e necesara o teleindicare mai mare de 10 m. Deoarece n circuitul de indicare se lucreaza cu curent continuu, influenta perturbatiilor fiind mai mica, distanta de teleindicare este impusa de rezistenta maxima a liniei de transmisie ce nu trebuie sa depaseasca 500 ohmi.

6

1.2. Nivelmetre bazate pe fota arhimedicaFunctionarea acestor traductoare fiind bazata pe forta arhimedica, pot fi utilizate numai pentru lichide si se construiesc n variantele cu plutitor si cu imersor.

1.2.1.Nivelmetrele cu plutitorSunt realizate dupa schema principiala din figura 3.65. se compune din plutitorul 1, care se afla n permanenta la suprafata lichidului, tamburul - 2 si greutatea suspendata - 3 prin firul - 4. Se poate observa ca tamburul antreneaza un sistem indicator.

Acest tip de traductor poate fi utilizat si la masurarea nivelului unor pulberi sau granule, urmarindu-se tensiunea din firul de suspendare si prin dispozitive speciale, mentinnd constanta aceasta tensiune.

1.2.2. Nivelmetre cu imersorNivelmetrele ce functioneaza strict pe baza fortei arhimedice sunt cele cu imersor, reprezentate schematic n figura 3.66., imersorul fiind partial introdus n lichid si suspendat cu ajutorul unui resort de constanta elestica k.

7

Notnd: G - greutatea imersorului, Fa - forta arhimedica si Fe - forta elastica a resortului, la echilibru se poate scrie: Prin explicitare se obtine succesiv:

unde: y - deformarea resortului fata de pozitia de echilibru, m - masa imersorului, g - acceleratia gravitationala, y - nivelul de lichid, h naltimea recipientului, l, -densitatea lichidului, respectiv a imersorului. Din cele prezentate anterior rezulta ca se pot adapta foarte usor un traductor asociat de tipul balanta de forte, metoda fiind aplicabila daca se cunoaste densitatea lichidului, principalele erori fiind date de dependenta de temperatura a densitatii, aceste erori putnd fi compensate.

1.3. Nivelmetre cu radiatiiMetodele de masurare a nivelului cu ajutorul radiatiilor sunt foarte avantajoase pe motivul ca nu exista un contact ntre material si dispozitivul de masurare. Aceste metode se pot folosi la masurarea nivelului n n buncarele de alimentare din metalurgie, n conditii speciale ca: recipiente sub presiune la temperaturi ridicate, medii deosebit de corosive sau toxice, medii inflamabile, etc. In functie de natura radiatiilor, nivelmetrele pot fi cu ultrasunete, cu microunde si cu radiatii nucleare. 1.3.1. Nivelmetrele cu ultrasunete Sunt asemanatoare cu traductoarele cu radiatii prezentate anterior, putnd fi realizate n variantele cu unda continua (daca traductorul cu ultrasunete funtioneaza continuu) si n impuls. Ambele variante pot folosi metoda prin transmisie, cnd n mod obligatoriu se folosesc doua traductoare, sau metoda prin reflexie, caz n care acelasi traductor Indeplineste att rolul de emitator t si de receptor. 8

In practica, deoarece determinarea nivelului se face cu ajutorul vitezei de propagare a ultrasunetelor ce depinde de temperatura, e necesar sa se prevada circuite de corectie a acesteia n functie de temperatura cu ajutorul unor convertoare tensiune - frecventa. Domeniul de masurare al acestor traductoare este ntre 10 - 30 m, la frecvente de lucru ntre 20 - 40 mHz, cu erori de masurare sub 1%.

1.3.2. Nivelmetrele cu microundeAcestea functioneaza pe principiul reflexiei microundelor de catre materialele conductoare si atenuarii acestora de catre materialele dielectrice. In cazul materialelor conductoare, figura 3.63., emitatorul de microunde E va transmite cu ajutorul antenei de emisie AE un fascicul de microunde spre lichidul conductor din recipient. Prin reflexie, acesta este captat de antena de receptie AR si transmis receptorului R, timpul de tranzit al impulsului fiind o masura a distantei pna la suprafata de separare. Tinnd cont ca viteza de propagare este foarte mare (viteza luminii), intervalul de timp masurat este mic, ceea ce face ca erorile de masura sa nu poata fi reduse sub 1 - 2%.

1.3.3. Nivelmetre cu radiatii nucleare.Functional, se bazeaza pe principiul de atenuare a radiatiilor nucleare de catre pulberi sau lichide, utiliznd de obicei ca substante radioactive pe cele generatoare de radiatii ca: 60Co, cu perioada de njumatatire de 5,3 ani si 137Ca, cu perioada de njumatatire de 33 ani. Ca si traductoarele cu ultrasunete, traductoarele cu radiatii nucleare pot fi realizate si n variante de urmarire automata a nivelului, una din schemele principiale putndu-se realiza dupa figura 3.64.

9

Pe recipientul cu lichid se plaseaza traductorul emitator E si traductorul receptor R, primul fiind comandat de oscilatorul O si transmitnd un fascicul de ultrasunete prin lichid (cu atenuare mica) sau prin aer ( cu atenuare mare). Semnalul receptionat de R este amplificat prin A si se aplica detectorului de prag DP. Cu ajutorul unui amplificator de putere AP si servomotorului SM se da comanda de deplasare simultana a celor doua traductoare n asa fel nct acestea sa ramna n zona de separare aer - lichid. Cu precizarea ca metoda este avantajoasa n cazul unor recipiente cu acces numai din exterior, dificultatile constructive fiind legate de realizarea partii mecanice, trebuie retinut ca ultrasunetele se pot folosi numai n cazul lichidelor, iar radiatiile nucleare se pot utiliza pentru orice fel de substante, n acest caz receptorul fiind un contor de radiatii , emitatorul fiind sursa radioactiva. Din multitudinea traductoarelor de nivel existente, alte doua bine de mentionat sunt: traductorul submersibil si traductorul cu radar.

1.4.Traductorul de nivel submersibilTip MPU executat de firma RITTMEYER pentru apa din rezervoare, lacuri , ruri, reprezinta o serie de traductoare alimentate din bucla de semnal unificat 4 - 20 mA. Nivelul este determinat pe baza presiunii masurate cu un senzor realizat dintr-un cristal de siliciu care asigura o liniaritate si stabilitate n timp foarte bune. Aceasta serie de traductoare este proiectata special pentru masurarea nivelului n lacuri, bazine, puturi, fiind destinata hidroenergeticii, instalatiilor de tratare a apei reziduale, etc., cu domeniul de masura de pna la 20 m coloana apa, existnd modele asemanatoare pna la 200 m cu o precizie de masura de pna la 0,015%.

1.5.Tructorul de nivel tip RADAR ,Varianta ECLIPSE, cu ghid de unda (GWR), alimentat din bucla, este produs de firma MAGNETROL. Spre deosebire de traductoarele de nivel cu radar conventionale, care transmit semnalul electromagnetic n aer liber, traductorul ELIPSE utilizeaza pentru semnal un ghid de unda introdus n fluidul de masurat, reducndu-se n acest fel fenomenul de absorbtie, respectiv distorsiunile determinate de natura fluidului si conditiile tehnologice (spuma, turbulenta, vapori, densitate, etc.) Cracteristicile tehnice principale sunt: gama de masura 610 .6100 mm (cu sonda rigida) sau 1.15 m (cu sonda flexibila), precizia 0,1%, respectiv 0,5% din lungimea sondei, rezolutia 2,5 mm, presiunea de lucru maxim 345 bari, temperatura de operare maxim 2000C. Se utilizeaza pentru masurarea nivelului lichidelor omogene sau neomogene cu o vscozitate pna la 1500 cp.

2. Limnimetre

10

Denumirea provine de la cuvintele greceti limnos-lac i metron-msurare i a fost folosit pentri indicarea variaiei nivelurilor.

2.1. Limnimetrul cu flotorEste alcatuit dintr-un plutitor (flotor) care urmrete nivelul lichidului n rezervorul n care se gsete. Citirile se fac din exterior cu ajutorul unui indicator la care se trasmite poziia flotorului prinr-un sistem cu scripei. Aparatul poate fi folosit i pentru urmrirea nivelului n canale sau n albii naturale, cnd se protejeaz n puuri special construite care comunic cu curentul al crui nivel se cere. Pentru amortizarea micilor oscilaii de nicel, se recomand un raport al diametrelor D/d > 10, n care D este diametrul puului i d diametrul conductei de legtur. Limnimetrele cu flotor sunt nsoite adeseori de aparate nregistratoare.

2.2. Limnimetrul pneumaticEste un aparat uor de realizat i se bazeaz pe echilibrarea coloanei de lichid h cu ajutorul presiunii aerului introdus printr-o conduct prevzut cu un difuzor dispus sub nivelul lichidului. Un manometru montat pe conduct indic presiunea coloanei de lichid (debitul de aer este mic i deci pierderile de sarcin ntre manometru i difuzor sunt neglijabile).

3. MiraEste cel mai simplu aparat, gradat n centimetri, care aezat n interiorul canalelor sau rezervoarelor permite o citire direct.

4. Tubul de nivelSe bazeaz pe principiul vaselor comunicante i poate msura nivelul n rezervoare cu nivel liber sau sub presiune. Dac tubul are diametrul mic, trebuie s se in seama de efectul capilaritii.

5. Metodele folosite pentru masurarea nivelului intr-un rezervor Metoda conductivitatii electrice Metoda ultrasonica si sonica Metoda capacitatii electrice Metoda presiunii hidrostatice Metoda cu microunde

11

Alegerea metodei potrivite pentru o aplicatie particulara se poate face intelegand principiul de functionare si teoria lui.

5.1. Metoda conductivitati electriceNivelul unui lichid conductor se poate determina masurand conductanta electrica intre doi electrozi introdusi in vasul ce trebuie monitorizat. Masurarea conductiva a nivelului cu doua sonde detecteaza nivelul maxim si minim dintr-un rezervor. Se poate mentine nivelul intre doua limite folosind doua perechi de electrozi cu lungimi diferite. Cand nivelul lichidului atinge perechea scurta se opreste alimentarea rezervorului, iar cand este sub nivelul perechii lungi se porneste alimentarea rezervorului.

5.2. Metoda ultrasonica si sonicaSe emite un impuls acustic scurt catre suprafata lichidului si timpul dupa care revine sunetul (ecoul) determina nivelul materialului din rezervor. Mai precis, distanta D dintre sursa acustica si suprafata lichidului din rezervor determina timpul: = D/v = Distanta / viteza sunet Domeniul frecventelor utilizate este ultrasonic ~20200kHz sau audibil ~10kHz In metoda sonica de masurare a nivelului un traductor montat in partea de sus a rezervorului trimite impulsuri sonore in jos spre materialul din rezervor pentru a-i determina nivelul.

5.3. Metoda capacitatii electriceMetoda foloseste modificarea capacitati electrice pentru masurarea nivelului dintr-un vas. Este utila pentru lichide, paste sau granule izolante electric. Frecventele folosite sunt de la 30kHz la 1MHz. Principiul de functionare pentru metoda capacitatii.

12

Electrodul sesizor este o bara inserata in rezervor, iar peretele metalic al rezervorului este celalalt electrod. Pentru rezervoarele nemetalice trebuie introdus si al doilea electrod in rezervor. Cu vasul gol dielectricul este aerul si avem o valoare minima a capacitatii. Cand in vas este o anumita cantitate din materialul izolator monitorizat se modifica constanta dielectrica dintre electrozi pe portiunea acoperita de material. Capacitatea creste liniar cu cresterea nivelului din vas. Pentru materiale conductoare se foloseste un electrod central acoperit cu un strat izolator (Teflon sau Kynar). Celalalt electrod este chiar lichidul conductor conectat electric la vasul metalic. Mediul dielectric este stratul izolator. Modificarea nivelului lichidului schimba aria dintre electrozi. Capacitatea este proportionala cu nivelul. Masuratoarea nu este afectata de schimbarile de temperatura sau de compozitia materialului procesat.

Electrodul sesizor din metoda capacitiva pentru masurarea nivelului lichidului este conectat un transmitator din exteriorul vasului. Depunerile de pe electrozi ce apar in anumite cazuri afecteaza precizia masurarii de nivel. Un circuit capabil sa determine componenta rezistiva si capacitiva a impedantei poate deosebi semnalul capacitiv util datorat schimbarii de nivel de cel parazit al depunerilor de pe electrodul de sesizare. Impedanta este: Z = R + 1/(j2 f C) (2)

13

unde:

R = rezistenta in ohmi j = (1)1/2 = 3,1416 f = frecventa de masurare C = capacitatea

5.4. Metoda presiunii hidrostaticeO metoda veche si mult folosita pentru determinarea nivelului unui lichid foloseste masurarea presiunii hidrostatice exercitate de coloana de lichid asupra vasului. Relatia de baza este: P = dgH sau H = P/(dg) unde: P = presiunea g = acceleratia gravitationala H = inaltimea coloanei de lichid d = densitatea Densitatea lichidului variaza cu temperatura. Pentru masurari de precizie ridicata se impune compensarea variatiei densitatii cu temperatura, ca in cazul jojelor hidrostatice. Instrumentele pentru masurarea presiunilor diferentiale , folosite initial la masurarea caderii de presiune pe un orificiu (diafragma) dintr-o conducta pentru monitorizarea debitului, se pot adapta usor pentru masurarea nivelului. Pentru rezervoarele deschise se conecteaza conducta de presiune mare la fundul vasului, iar cealalta catre atmosfera. Pentru rezervoarele presurizate conducta de presiune mare se conecteaza la fundul vasului, iar cea de presiune mica la partea de sus a vasului, astfel instrumentul raspunde doar la schimbarile de nivel ale lichidului (Figura ).

Joja hidrostatica sau metoda presiunii diferentiale determina nivelul lichidului din rezervor.

5.5. Metoda cu microundeMetoda foloseste de obicei microunde din banda X (10 GHz). Din partea de sus a rezervorului se trimite un fascicul de microunde spre suprafata continutului din rezervor. Fasciculul reflectat este receptionat dupa un anumit timp. Acest timp este utilizat pentru determinarea nivelului.

14

1.5.1 In metoda undei continue modulate in frecventa se transmite un semnal la care frecventa variaza liniar in timp pe o banda de frecvente data. Din cauza intarzierii fasciculul receptionat va avea alta frecventa decat cel ce se transmite. Prin heterodinarea (amestecul) celor doua semnale se obtine un nou semnal cu frecventa proportionala cu distanta. Noua frecventa este o masura foarte precisa a nivelului din rezervor. Frecventa variaza de la 0 la ~200 Hz cand distanta variaza de la 0 la 60 m. Metoda are o mare imunitate la zgomote. 1.5.2. Metoda in impuls masoara timpul de tranzit al impulsului de microunde pentru a calcula nivelul lichidului. Fiind de putere mai mica decat metoda undei continue modulate in frecventa, performanta tehnologiei este influentata de obstructiile dimensionale din rezervor, spuma si de constanta dielectrica mica a materialului vizat. Antenele folosite pot fi parabolice, "farfurie" sau conice. Cele conice creaza un fascicul mai ingust. Alegerea antenei este dictata de existenta gatuirilor in rezervor, a spumei sau turbulentelor in fluidul vizat. Metoda radar (cu microunde) de masurare a nivelului poate utiliza oricare din cele doua tipuri de antene plasate in partea de sus a vasului monitorizat.

IncheiereMsurarea nivelului lichidelor n recipiente, rezervoare, bazine, este necesar n vederea bunei desfurri a proceselor de producie, din diferite ramuri industriale. Msurarea nivelului este nsoit, n multe cazuri de necesitatea semnalizarii sau reglrii acestuia. n acest scop au fost construite numeroase aparate pentru masurarea nivelului, numite nivelmetre si limnimetre, precum cele amintite in referat.

15

Bibliografie:

Mecanica fluidelor, Petre Bradeanu, Editura Tehnica, Anul 1973; Introducere n mecanica fluidelor, Dan Gh. Ionescu, Editura Tehnica; http://users.utcluj.ro/~mbirlea/a/04a.htm, accesat in 09.01.2012.

16

17