Atestat - Tipu Tipuri ri de trad traduc ucto toar aree Mandache Cristina Clasa a XII a A
1
Argument elemente de măsură , sunt destinate pentru Traductoarele, Traductoarele, cunoscute frecvent sub numele numele de elemente măsurarea mărimilor conduse şi a unor mărimi semnificative pe baza cărora se pune în evide evidenţ nţăă echi echili libru brull proce procese selo lor. r. Prin Prin inte interm rmed ediu iull lor, lor, vom vom obţin obţinee info inform rmaţ aţii iile le nece necesa sare re conducerii conducerii automate a proceselor proceselor în circuit circuit închis. închis. Traductoarele Traductoarele se utilizează utilizează atât în cadrul sistemelor de măsurare şi control, cât şi în cadrul sistemelor de reglare automată. Traductoarele se compun dintr-un dintr-un element sensibil şi un adaptor . Elementul sensibil, numit şi detector , este specific fiecărui parametru măsurat. Elementul sensibil efectuează operaţia de măsurare propriu-zisă, iar elementul traductor asigură transformarea semnalului într-un alt semnal, în general electric sau pneumatic, unificat, semnal ce pretează pentru transmiterea la distanţă. Traductoarele folosite în sistemele automate din industria chimică sunt traductoare de mărimi neelectrice destinate măsurării parametrilor specifici industriei chimice, şi anume: temperatură, presiune, debit, nivel, concentraţie, pH etc. Lucrarea “Tipuri de traductoare” este structurată pe următoarele capitole: capitole: Capitolul Capitolul 1: Traductoare în care care se numeş numeşte te traductor acel element al SRA care
realizează convertirea unei mărimi fizice – de obicei neelectrică – în mărime de altă natură fizică – de obicei electrică – proporţională cu prima sau dependentă de aceasta, în scopul utilizării într-un sistem de automatizare. Capi Capito tolu lull 2: Caracte care am prez prezen enttat Caracteris ristic ticii general generalee ale traduct traductoar oarelo elorr în care caracteristicile generale, valabile pentru orice traductor: natura fizică a mărimilor de intrare şi de ieşire, putere ieşire, putereaa consumată consumată la intrare intrare ( de obicei o putere mică sau foarte mică, de ordinul câtorva câtorva waţi sau mil miliwa iwaţi ţi sau chiar mai puţin) puţin),,
caracte caracterist ristica ica statică statică a traduct traductorul orului, ui,
domeniul de măsurare, panta absolută (sau sensibilitatea) K a, panta medie (K m). Capitolul 3: Clasificarea traductoarelor în care am specificat felul în care clasificarea traductoarelor poate fi făcută: în funcţie de natura mărimii de ieşire x e sau în funţie de natura mărimii de intrare xi. Astfel, în funcţie de natura mărimii electrice de la ieşire se deosebesc traductoare parametrice şi generatoare( de inducţie, sincrone, piezoelectrice, termoelectrice); în funcţie de natura mărimii aplicate la intrare: traductoare de mărimi electrice (curent, frecvenţă, putere, fază, etc.) şi neelectrice (temperatură, deplasare, debit, viteză, presiune, 2
Argument elemente de măsură , sunt destinate pentru Traductoarele, Traductoarele, cunoscute frecvent sub numele numele de elemente măsurarea mărimilor conduse şi a unor mărimi semnificative pe baza cărora se pune în evide evidenţ nţăă echi echili libru brull proce procese selo lor. r. Prin Prin inte interm rmed ediu iull lor, lor, vom vom obţin obţinee info inform rmaţ aţii iile le nece necesa sare re conducerii conducerii automate a proceselor proceselor în circuit circuit închis. închis. Traductoarele Traductoarele se utilizează utilizează atât în cadrul sistemelor de măsurare şi control, cât şi în cadrul sistemelor de reglare automată. Traductoarele se compun dintr-un dintr-un element sensibil şi un adaptor . Elementul sensibil, numit şi detector , este specific fiecărui parametru măsurat. Elementul sensibil efectuează operaţia de măsurare propriu-zisă, iar elementul traductor asigură transformarea semnalului într-un alt semnal, în general electric sau pneumatic, unificat, semnal ce pretează pentru transmiterea la distanţă. Traductoarele folosite în sistemele automate din industria chimică sunt traductoare de mărimi neelectrice destinate măsurării parametrilor specifici industriei chimice, şi anume: temperatură, presiune, debit, nivel, concentraţie, pH etc. Lucrarea “Tipuri de traductoare” este structurată pe următoarele capitole: capitole: Capitolul Capitolul 1: Traductoare în care care se numeş numeşte te traductor acel element al SRA care
realizează convertirea unei mărimi fizice – de obicei neelectrică – în mărime de altă natură fizică – de obicei electrică – proporţională cu prima sau dependentă de aceasta, în scopul utilizării într-un sistem de automatizare. Capi Capito tolu lull 2: Caracte care am prez prezen enttat Caracteris ristic ticii general generalee ale traduct traductoar oarelo elorr în care caracteristicile generale, valabile pentru orice traductor: natura fizică a mărimilor de intrare şi de ieşire, putere ieşire, putereaa consumată consumată la intrare intrare ( de obicei o putere mică sau foarte mică, de ordinul câtorva câtorva waţi sau mil miliwa iwaţi ţi sau chiar mai puţin) puţin),,
caracte caracterist ristica ica statică statică a traduct traductorul orului, ui,
domeniul de măsurare, panta absolută (sau sensibilitatea) K a, panta medie (K m). Capitolul 3: Clasificarea traductoarelor în care am specificat felul în care clasificarea traductoarelor poate fi făcută: în funcţie de natura mărimii de ieşire x e sau în funţie de natura mărimii de intrare xi. Astfel, în funcţie de natura mărimii electrice de la ieşire se deosebesc traductoare parametrice şi generatoare( de inducţie, sincrone, piezoelectrice, termoelectrice); în funcţie de natura mărimii aplicate la intrare: traductoare de mărimi electrice (curent, frecvenţă, putere, fază, etc.) şi neelectrice (temperatură, deplasare, debit, viteză, presiune, 2
etc.); etc.); în funcţi funcţiee de domeni domeniul ul de variaţi variaţiee al mărimi mărimiii de ieşire ieşire:: traduc traductoa toare re unific unificate ate şi neunificate. Astfel, am amănunţit traductoarele de temperatură, încât măsurarea temperaturii se bazează pe diferite diferite fenomene şi efecte efecte fizice, fizice, în care modificarea modificarea temperaturii temperaturii determină determină modificări modificări ale unor proprietăţi proprietăţi sau caracterist caracteristici ici ale materialelo materialelor: r: variaţia variaţia dimensiuni dimensiunilor lor geometrice, variaţia rezistenţei electrice, apariţia unei tensiuni electromotoare de-a lungul joncţiunii a două metale, variaţia intensităţii radiaţiei emise, variaţia frecvenţei de rezonanţă a unui cristal de cuarţ etc. definesc aceste tipuri de traductoare. Al doilea tip de traductoare abordat abordat sunt sunt traduct traductoare oarele le electr electroni onice ce de presiun presiune, e, cele cele enumerat enumeratee şi detali detaliate ate fiind: fiind: traductorul de presiune cu tub Bourdon AT 10-ELT 370, cu capsulă AT 20 ELT 370, traductoare de presiune cu membrană. Traductoarele pneumatice de presiune sunt enumerate astf astfel el:: trad traduct uctoru orull de presi presiune une rela relati tivă vă cu tub tub Bourd Bourdon on AT 10 PLT PLT 370, 370, tradu traduct ctoru orull pneumatic de presiune diferenţială cu burdufuri tip AT 10 PLT 370 iar traductoarele de debit sunt sunt exempl exemplifi ificat catee astfel astfel:: traduc traductor torul ul debitm debitmetri etricc de presiu presiune ne difere diferenţi nţială ală,, traduc traductor torul ul electromagnetic de debit FE 800-FE 96, traductorul rotametric de debit DR 100 ELT 310. Ca finalizare a clasificării traductoarelor, am încheiat cu triarea celor de nivel în care am exemplificat decat un singur tip de traductor de nivel, acesta fiind traductorul de nivel cu imersor AT 50 ELT 370. Deoarece procesele industriale sunt caracterizate de mai multe mărimit fizice, al căror control nu mai poate fi efectuat decât prin utilizarea unor aparate corespunzătoare din punct de vedere etnic, s-a impus, impus, ca o necesitate obiectivă, obiectivă, introducerea introducerea pe scară largă a aparaturii aparaturii de măsurat, control şi automatizare, realizându-se cu această ocazie şi o serie de cerinţe. În concluzie, conducerea proceselor tehnologice în timp real nu se poate realiza decât utilizându-se aparatură de automatizare performantă, aparatură care înglobează în ultimul timp şi sisteme de conducere cu microprocesor. Un lucru trebuie neapărat menţionat, şi anume acela că automatizarea impune cu necesitate existenţa unor instalaţii tehnologice, cât şi a unor tehnologii moderne, care să justifice existenţa acestor instalaţii. De asemenea, fără o mecanizare corespunzătoare, nici nu se poate pune problema automatizării, automatizării, dat fiind fiind faptul faptul că, din punctul punctul de vedere al evoluţiei evoluţiei tehnicii, tehnicii, automatizarea urmează mecanizării.
3
Cuprins
Argument .....................................................................................................................................2 I Prezentare - Traductoare ................................................................................ .......................... 5 II Caracteristici generale ale traductoarelor .................................................................................6 III Clasificarea traductoarelor .......................................................................................................6 1. Tra ductoare de temperatură......................................................................................................7 1.1. Senzori cu dispozitive semiconductoare ............................................................................8 1.2. Termocuplul .....................................................................................................................10 2. Traductoare electronice de presiune....................................................................................... 12 2.1. Tra ductorul de presiune cu tub Bourdon AT 10-ELT 370 .............................................. 12 2.2. Tr aductorul de presiune cu capsulă AT 20 ELT 370.......................................................13 2.3. Tra ductoare de presiune cu membrană............................................................................14 3. Traductoare pneumatice de presiune......................................................................................15 3.1. Traductorul de presiune relativă cu tub Bourdon AT 10 PLT 370 .................................15 3.2. Traductoru l pneumatic de presiune diferenţială cu burdufuri tip AT 10 PLT 370 .........16 4. Traductoare de debit .............................................................Error: Reference source not found 4.1. Traductorul debitmetric de presiune diferenţială..........Error: Reference source not found 4.2. Traductorul electromagnetic de debit FE 800-FE 96 ....Error: Reference source not found 4.3. Traductorul rotametric de debit DR 100 ELT 310 ........ Error: Reference source not found 5. Traductoare de nivel .............................................................Error: Reference source not found 5.1. Traductorul de nivel cu imersor AT 50 ELT 370 .........Error: Reference source not found IV. Anexe....................................................................................................................................21
4
I. Traductoare Pentru măsurarea mărimilor fizice care intervin într-un proces tehnologic este necesară, de cele mai multe ori, convertirea (“traducerea”) acestora în mărimi de altă natură fizică, convenabile pentru celelalte elemente din cuprinsul SRA. De exemplu, o temperatură sau o presiune sunt convertite în mărimi de natură electrică – tensiune, curent electric – proporţionale cu mărimile iniţiale, care pot fi utilizate şi prelucrate de celelalte elemente de automatizare SRA (comparatoare, regulatoare automate etc.) Se numeşte traductor acel element al SRA care realizează convertirea unei mărimi fizice
– de obicei neelectrică – în mărime de altă natură fizică – de obicei electrică – proporţională cu prima sau dependentă de aceasta, în scopul utilizării într-un sistem de automatizare. Există o largă varietate de traductoare, structura lor fiind mult diferită de la un tip de traductor la altul. Se poate stabili însă o structură generală a unui traductor, ca în fig. 11. Mărimea de la intrarea traductorului xi (reprezentând valori de temperatură, presiune, forţă, turaţie, nivel etc.) este convertită de către elementul sensibil ES într-o mărime intermediară x0 ( de exemplu o deplasare liniară, o rotaţie etc.) care se aplică adaptorului AD. Acesta transformă mărimea x0 în mărimea de ieşire xe, de obicei de natură electrică (tensiune, curent, rezistenţă, inductanţă etc.) introdusă astfel în circuitul de reglare. În cazul particular al SRA unificate ( cu semnal standard, atât ca natură cât şi ca nivel) – de exemplu, sistemul unificat E-IEA, fabricat în ţară – adaptoarele au rolul de a converti o mărime de ieşire oarecare într-un semnal unificat (de exemplu, semnalul de curent unificat: 2-10 mA sau 4-20 mA sau cel de presiune unificată: 0,2-1 kgf/cm2). De obicei, adaptorul cuprinde şi sursa de energie SE (fig. 11.1) necesară pentru convertirea mărimii x0 în mărimea dorită la ieşire x e.
5
II. Caracteristici generale ale traductoarelor Indiferent de tipul traductorului utilizat, se pot stabili următoarele caracteristici generale, valabile pentru orice traductor: - natura fizică a mărimilor de intrare şi de ieşire (curent, tensiune electrică, rezistenţă electrică, presiune, temperatură, debit, nivel, etc.); - puterea consumată la intrare ( de obicei o putere mică sau foarte mică, de ordinul câtorva waţi sau miliwaţi sau chiar mai puţin). Consumul propriu fiind, de regulă, neglijabil, înseamnă că puterea transmisă elementului următor este insuficientă pentru a determina o acţionare; de aceea, în schemele de automatizare, un traductor este urmat, aproape întotdeauna, de un amplificator; - caracteristica statică a traductorului, care reprezintă grafic dependenţa xe=f(xi) dintre mărimile de ieşire, respectiv de intrare ale traductorului (fig. 11.2). Dupa tipul traductorului, această variaţie poate reprezenta o funcţie liniară sau neliniară, continuuă sau discontinuuă (cu valori discrete); - domeniul de măsurare, definit de pragurile superioare de sensibilitate xi max şi x e max şi de cele inferioare xi min şi xe min (în fig. 11.2 s-a presupus xi min=0); - panta absolută ( sau sensibilitatea) K a, reprezentând raportul dintre variaţiile mărimilor de ieşire ∆xe, respective de intrare ∆xi (fig. 11.2): K a=∆xe/∆xi; - panta medie (K m ), reprezentând coeficientul unghiular (panta) dreptei care aproximează caracteristica statică reală a traductorului (fig 11.2): K m=tg ά ≈ K a.
III. Clasificarea traductoarelor Întrucât circuitele de automatizare cel mai des folosite sunt de natură electrică, mărimea de ieşire a traductoarelor este aproape exclusiv de natură electrică. Clasificarea traductoarelor poate fi făcută în funcţie de natura mărimii de ieşire xe sau în
funţie de natura mărimii de intrare xi. 6
•
-
În funcţie de natura mărimii electrice de la ieşire xe se deosebesc:
traductoare parametrice, la care mărimea măsurată este transformată într-un “parametru de circuit electric” (rezistenţa, inductanţa sau capacitatea). Traductoarele parametrice se împart, la rândul lor, în: traductoare rezistive, traductoare inductive, traductoare
capacitive şi traductoare fotoelectrice; -
traductoare generatoare, la care mărimea măsurată este transformată într-o tensiune electromotoare, a cărei valoare depinde de valoarea mărimii respective (de inducţie, sincrone, piezoelectrice, termoelectrice). •
În funcţie de natura mărimii aplicate la intrare (xe) se disting:
-
traductoare de mărimi neelectrice (temperatură, deplasare, debit, viteză, presiune etc.);
-
traductoare de mărimi electrice (curent, frecvenţă, putere, fază etc.). În practică, traductoarele sunt definite pe baza ambelor criterii arătate mai sus (de
exemplu, traductor parametric rezistiv de temperatură). În fig. 11.3 se prezintă o schemă generală de clasificare a traductoarelor uzuale.
În funcţie de domeniul de variaţie al mărimii de ieşire , traductoarele se clasifică în: - traductoare unificate – la care mărimea de ieşire reprezintă un semnal unificat electric (2-10 mA sau 4-20 mA), sau pneumatic (0,2-1 kgf/cm2); aceste traductoare se utilizează în sistemele de reglare automată cu elemente unificate; - traductoare neunificate. •
1.Traductoare de temperatură Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene şi efecte fizice, în care modificarea temperaturii determină modificări ale unor proprietăţi sau caracteristici ale materialelor: variaţia dimensiunilor geometrice, variaţia rezistenţei electrice, apariţia unei tensiuni electromotoare de-a lungul joncţiunii a două metale, variaţia intensităţii radiaţiei emise, variaţia frecvenţei de rezonanţă a unui cristal de cuarţ etc. Acurateţea procesului de măsurare a temperaturii este foarte importantă pentru cele mai multe aplicaţii de control a
7
diferitelor procese tehnologice. În Tabelul 1 sunt prezentate patru dintre cele mai utilizate tipuri de traductoare de temperatură, împreună cu câteva caracteristici semnificative ale lor. Termocuplurile sunt capabile să măsoare temperaturi extreme dar necesită tehnici de realizare a temperaturii de referinţă, sunt neliniare şi au un nivel mic al semnalului de ieşire. Senzorii de temperatură cu semiconductori se pretează la realizarea lor sub formă integrată, au un nivel mare al semnalului de ieşire dar acoperă un domeniu relativ restrâns de temperaturi. Termometrele cu rezistenţă metalică au o acurateţe şi o liniaritate mai bună, dar necesită o sursă de energie de excitare şi un circuit de măsură de tip punte. Termistorii au cea mai mare sensibilitate dar sunt puternic neliniari.
1.1. Senzori cu dispozitive semiconductoare Se ştie că intensitatea curentului prin joncţiunea unei diode semiconductoare poate fi exprimată cu ajutorul relaţiei: I=Is(eeUd/kT-1), în care Is este curentul de saturaţie prin joncţiunea polarizată invers. În polarizarea direct exponenţială este mult supraunitară, astfel încât se poate scrie cu o foarte bună aproximaţie: I=IseeUd/kT. Relaţia precedentă este valabilă şi pentru joncţiunea bază-emiţător a unui tranzistor bipolar (fig. 1) şi, neglijând contribuţia curentului de bază la curentul de colector, se poate scrie:
IC=IseeUBE/kT (1) Exprimând tensiunea dintre bază şi emiţător din relaţia precedentă: UBE=kT/e ln IC/Is (2), vom observa că aceasta este direct proporţională cu temperatura mediului în care se află joncţiunea. Pe această dependenţă se bazează folosirea unor structuri integrate cu tranzistori pentru măsurarea temperaturii. La 300K mărimea raportului kT/e este de 26 mV. Considerând o structură formată din n tranzistori identici conectaţi în paralel (fig. 2), curenţii de colector ai tranzistorilor vor fi şi ei identici, astfel încât curentul total de colector al structurii va fi: IC=IC1+IC2+…ICn=nIseeUBEn/kT (3) Astfel, tensiunea dintre bazele şi emiţătorii tranzistorilor va avea expresia: UBEn=kT/e ln IC/nIs (4)
8
Dacă o astfel de structură se asociază cu încă un tranzistor (T11), identic cu primii şi cu o oglindă de curent (T12 si T13), se realizează un senzor de temperatură ca cel din fig. 3. Oglinda de curent asigură egalitatea curenţilor de colector pentru tranzistorul T11 şi pentru structura T1, T2,…,Tn. Tensiunea dintre baza şi emitorul tranzistorului T11 este dată de expresia (2) iar tensiunea UBEn va fi cea dată de relaţia (4). Între tensiunile marcate în figură există relaţia: UBE=UBEn+Uies sau kT/e ln IC/nIs+Uies, astfel încât expresia tensiunii de ieşire va fi:U ies=Kt/e ln n Pe acelaşi principiu fizic se bazează folosirea amplificatorului operaţional Norton ca senzor de temperatură. Conexiunea folosită atunci când este folosit în acest scop este prezentată în fig. 4a. Joncţiunea bază-emitor a tranzistorului T1 din structura internă a amplificatorlui (în fig.
4b este prezentă doar partea de intrarea a acestuia), este polarizată direct de către tensiunea de ieşire care apare ca urmare a alimentării a amplificatorului cu tensiunea V+. Expresia tensiunii de ieşire poate fi calculată pe baza schemei echivalente din fig. 4c, din care pot fi scrise ecuaţiile: i -< i1=i2 i1=ud/R 1 v=i2R 2 + i1R 1 v=ud(1+R 2/R 1) (6) Considerând constante valorile rezistenţelor din circuit, din ec. 6 se observă că tensiunea de ieşire depinde exclusiv de tensiunea joncţiunii bază-emitor a tranzistorului T1. Este cunoscut faptul că pentru o joncţiune de Si, tensiunea în polarizarea directă este dependentă de temperatură. Ea variază cu aprox. -2mV/°C, atfel încât pe baza ec. 6 poate fi scrisă ecuaţia de variaţie a tensiunii de ieşire: ∆v=-2 ·(1+R 2/R 1) [mV/°C (7). Variaţia tensiunii de ieşire poate fi scalată alegând în mod adecvat raportul R 2/R 1. Astfel, dacă dorim ca tensiunea de ieşire să varieze cu 10mV la o variaţie a temperaturii cu 1°C, se alege R 2/R 1=4. Un astfel de sensor este sensibil chiar la variaţii de temperatură datorate contactului cu corpul uman. El poate fi folosit ca sensor de nivel de temperatură dacă semnalul de la
9
ieşirea sa este aplicat la intrarea unui comparator de tensiune care poate fi realizat tot cu un amplificator Norton.
1.2. Termocuplul Termoelectricitatea este relaţia dintre temperatura unei substanţe şi energia electrică. În anumite condiţii, energia electrică şi căldura pot fi convertite reciproc. Daca variaţiile energiei electrice datorate conversiei energiei termice pot fi măsurate, acestea pot fi corelate cu temperatura substanţei. Atunci când o pereche de două metale diferite sunt sudate formând o buclă închisă, iar cele două joncţiuni se află la temperaturi diferite (fig. 5), bucla va fi parcursă de un curent electric a cărui intensitate depinde de diferenţa dintre temperaturile joncţiunilor. Acesta este efectul Seebeck care este folosit pentru măsurarea temperaturilor. Efectul Seebeck constă în apariţia unei tensiuni electromotoare nete într-un circuit cu două joncţiuni între metode diferite, aflate la temperaturi diferite.
Pentru aceleasi două metale diferite şi o aceeaşi diferenţă de temperatură dintre joncţiuni, tensiunea electromotoare netă (suma algebrică a celor două t.e.m) este aceeaşi. Ea poate fi măsurată şi calibrată în unităţi de măsură a temperaturii. Dacă cele două joncţiuni se află la aceeaţi temperatură, tensiunea electromotoare netă este nulă. În momentul în care temperatura uneia dintre cele două joncţiuni începe să se schimbe, apare o t.e.m. netă, care este cu atât mai mare cu cât diferenţa dintre temperaturi este mai mare. Acesta este principiul pe care se bazează funcţionarea termocuplului. Termocuplul este compus din două fire metalice diferite, sudate, astfel încât să formeze un circuit închis (fig. 6). Sonda propriu-zisă este reprezentată de una din joncţiuni (joncţiunea de măsură sau joncţiunea caldă) care poate fi pusă într-o manta protectoare. Ea este plasată în mediul a cărei temperatură vrem sa o măsurăm. Mărimea şi sensul curentului care va parcurge circuitul, atunci când joncţiunile se află la temperaturi diferite, depinde de diferenţă de temperatură şi de tipul metalelor folosite. De regulă, t.e.m. rezultanta este mică (de ordinal mV). Un voltmetru conectat în circuit reprezintă “ieşirea” pentru utilizator şi este calibrat în unităţi de temperatură. 10
Pentru o bună acurateţe a rezultatelor, cea de a doua joncţiune (joncţiunea de referinţă sau joncţiunea rece) trebuie mentinuţă la o temperatură constantă, eliminând astfel erorile datorate driftului termic. Joncţiunea de referinţă este denumită şi joncţiunea rece, chiar dacă temperatura ei de regulă 0°C) poate fi mai mare decât temperatura joncţiunii de măsură. T.e.m. rezultanta nu este influenţată de dimensiunile conductorilor, de ariile suprafeţelor joncţiunilor sau de modul în care sunt sudate metalele. Metalele tipice folosite pentru construcţia termocuplurilor sunt rodiul, aliajele de nichel şi crom, aliajele de aluminiu şi nichel sau aliajele de nichel şi cupru. Metalele care se împerechează cu acestea sunt platina, cuprul şi fierul. Incinta de protecţie în care este introdusă joncţiunea de măsură trebuie să fie rezistentă din punct de vedere mecanic şi la mediile corozive. În Tabelul 2 sunt prezentate tipurile de termocupluri şi caracteristicile lor, precum şi notaţiile internaţionale folosite pentru ele, iar în fig. 7 caracteristicile electrice ale lor.
Cromel
- aliaj 90%Ni + 10%Cr
Constantan
- aliaj 55%Cu + 45%Ni
Alumel
- aliaj Ni + Al
Termocuplurile sunt folosite pe scară largă la măsurarea temperaturilor solidelor, lichidelor sau gazelor: o
În furnale
o
Metale topite
o
În reactoare nucleare
o
Monitorizarea temperaturii în timpul operaţiilor medicale
o
Măsurarea temperaturii obiectelor foarte mici, de exemplu a componentelor electronice semiconductoare În general, ele sunt ieftine şi versatile. Utilizând termocupluri se pot măsura
temperaturi de la - 265°C până la 2300°C, cu o precizie care depinde de felul metalelor folosite pentru construcţia lor. Dintre senzorii cu care temperatura se măsoara direct, termocuplurile acoperă cel mai larg domeniu de temperaturi. Ele răspund destul de rapid
11
la variaţiile de temperatură dar au o acurateţe mai mică decât termometrele cu rezistenţă metalică. Cea mai la îndemână metodă de menţinere la o temperatură constantă a joncţiunii de referinţa era plasarea ei într-o baie de apă gheaţă aflată la 0°C. Azi este însă mult mai practic să se folosească metode electronice de realizare a tensiunii de referinţă corespunzătoare temperaturii de 0°C, chiar dacă joncţiunea rece este la o altă temperatură. În fig. 8 este prezentată o schemă bloc a unui circuit electronic destinat acestui scop. Joncţiunea de referinţă, aflată la o temperatură oarecare, este plasată într-un bloc izoterm a cărui temperatură t , este măsurată de un alt sensor de temperatură. Semnalul electric (curent sau tensiune), furnizat de sensor, este aplicat unui circuit electronic care furnizează la ieşirea sa o tensiune (U comp) care compensează diferenţa dintre tensiunea joncţiunilor la temperatura t şi tensiunea ei la 0°C. Circuitul electronic de compensare poate fi realizat, de exemplu, cu un amplificatory operaţional conectat ca amplificator diferenţial. Analizând schema din fig. 8, se poate observa că: U ies – U comp = V(t 1 ) – V(t 2 ) (8) Tensiunea de la ieşirea comparatorului este în funţie de temperatura blocului izoterm. Calibrarea dispozitivului de măsurare se face în felul următor: se plasează joncţiunea de măsură la 0°C şi se ajustează amplificarea circuitului de compensare astfel încât tensiunea de ieşire să fie 0V. În aceste condiţii: -U comp = V(0°C) – V(t 2 ) (9)
Substituind tensiunea de la ieşirea comparatorului dată de relaţia (9), în expresia tensiunii de ieşire dată de relaţia (8), se obţine pentru tensiunea de ieşire, la o temperatură oarecare t 1, expresia: U ies = V(t 1 ) – V(0°C) (10)
Este evident că relaţia precedentă este valabilă doar în condiţiile în care temperatura jonţiunii de referinţă este menţinută constantă prin intermediul blocului izoterm.
2.Traductoare electronice de presiune 2.1. Traductorul de presiune cu tub Bourdon AT 10-ELT 370 În fig. 129 este prezentată schema de principiu a traductoarelor AT 10-ELT 370.
12
Elementul sensibil este tubul Bourdon care tinde să se îndrepte sub acţiunea presiunii de măsurat p. Capătul liber al tubului suferă o deplasare care se transformă în deplasare unghiulară prin intermediul pârghiilor 2 şi 3. Deplasarea unghiulară este transmisă unui ax
4, care se poate roti cu unghiul ά. De axul 4 este fixat şi un magnet permanent 5, care constituie rotorul unui modulator magnetic. Modulatorul magnetic este cuplat cu amplificatorul adaptorului ELT 370, care va genera la ieşirea sa un semnal electric 2…10 mA, proporţional cu presiunea măsurată. Unghiul de rotaţie ά al axului 4 este de maximum 16°C. Materialul din care se execută tubul Bourdon (elementul sensibil care ia contact cu mediul a cărei presiune se măsoară), depinde de fluidul măsurat, şi anume: pentru fluide neuter (necorozive), tubul Bourdon se confecţionează din bronz, iar pentru fluide corozive, tubul Bourdon se execută din oţel inoxidabil. În cazul în care fluidul a cărei presiune se măsoară este impurificat cu particule care ar putea înfunda tubul Bourdon, pentru măsurarea presiunii se foloseşte raductorul cu membrană de separaţie AT 10 ELT 370 MS 100. Sistemul de separare MS 100 se compune din membrana de separaţie 1 (MS 100) şi carcasa 2, care se conectează la traductor printr-un tub de oţel subţire 3 (fig. 129, b). Camera formată între membrană şi carcasă, tubul de conectare şi tubul Bourdon al traductorului sunt umplute cu un lichid de separare 4. Lichidul (ulei, apă), sub acţiunea presiunii de măsurat p, apasă asupra tubului Bourdon, modificând forma tubului şi, deci, şi poziţia capătului liber. Aceste tipuri de traductoare permit măsurarea presiunilor în domeniile 0…15; 0…25; 0… 350 daN/cm2.
2.2. Traductorul de presiune cu capsulă AT 20 ELT 370 În fig. 130 este reprezentată schema de principiu a unui traductor de presiune cu capsulă. Elementul sensibil al traductorului se compune dintr-o capsulă 1, care are pereţii ondulaţi. Sub acţiunea presiunii de măsurat p din capsulă, acesta se deformează, iar prin intermediul braţului 2, axul 4 se roteşte cu un unghi ά care depinde de deformarea capsulei. Unghiul ά poate avea max. 16°C. Prin resortul 3, braţul axului se poziţionează astfel încât aducerea la un unghi ά = 0°C să se facă rapid. 13
Axul 4 este fixat de rotorul modulatorului magnetic 5, care este parte componentă a adaptorului ELT 370. Traductorul de presiune cu capsulă AT 20 ELT 360 se foloseşte pentru măsurarea presiunilor mici (0…1 daN/cm3).
2.3. Traductoare de presiune cu membrană Traductorul de presiune absolută FE 1 AM (fig. 131) se compune dintr-un element sensibil şi un adaptor forţă-curent care generează un curent de 4…20 mA, proporţional cu presiunea absolută măsurată. El se foloseşte la măsurarea presiunii absolute în diverse game din domeniul 0…1 500 mmHg în cadrul proceselor industriale, ca de exemplu: coloane de fracţionare, evaporatoare, cristalizatoare, sisteme de decantare etc. Presiunea de măsurat se aplică prin intermediul orificiului 3, în camera de măsurare 4, asupra membranei 1. Membrana 1 este fixată prin intermediul discului 2, de o parghie 5. În camera 6 este realizată o presiune absolută de referinţă sub 0,008 mm H20. Presiunea p acţionează asupra membranei de arie A, producând o forţă: F = A p. Această forţă este transmisă de parghia 5, adaptorului forţă-curent, care o transformă în semnal unificat, 4…20 mA. Semnalul electric de ieşire din traductor se poate transmite prin două conductoare normale, neecranate, până la 1 000 m.
Traductorul de presiune diferenţială FE 3D. Traductorul de presiune diferenţială (fig. 132), este un instrument cu balanţă de forţe care măsoară presiunea diferenţială şi transmite, ca semnal de ieşire, un curent continuu 4…20 mA, proporţional cu diferenţiala măsurată. Elementul sensibil al traductorului se compune din membrana 1, rigidizată la centru de piesa 2. Presiunile de măsurat p1 şi p2 , suntr transmise camerelor 3 şi 4 ale traductorului (camere numite de înaltă, respective, joasă presiune) şi apasş asupra celor douş feţe ale membranei de arie A. Forţele de apăsare în camerele 3 şi 4 sunt proporţionale cu presiunile p1 şi p2, care se aplică şi cu aria membranei. Forţa rezultată, notată cu F , va fi: F = A P1 – A p2 = A( p1 – p2 ). În mod obligatoriu, presiunea mai mare se va aplica camerei 3 (camera de înaltă presiune). Prin intermediul barei 5, forţa este transmisă adaptorului forţă-curent.
14
3. Traductoare pneumatice de presiune În industria chimică sunt foarte frecvente traductoarele pneumatice de presiune diferenţială. În ţara noastră există în prezent: -
Traductoare de presiune relative cu tup Boudon tip AT 10 PLT 370;
-
Traductoare de presiune relativă cu capsulă tip AT 20 PLT 340;
-
Traductoare de presiune diferenţială cu burduf tip AT 30 PLT 370 (pentru presiuni diferenţiale mici) şi tip AT 36 PLT 370 (pentru presiuni diferenţiale mari) etc.
Aceste tipuri de traductoare pneumatice se utilizează în sistemul pneumatic de automatizare şi convertesc mărimea măsurată (presiunea sau diferenţa de presiune) în semnale pneumatice unificate de tip presiune în gama 0,2…1 daN/cm2 sau 1…0,2 daN/cm2. Fiecare din aceste traductoare se compune din două părţi distincte, şi anume: -
Elementul sensibil (detectorul), care transformă mărimea fizică măsurată într-o deplasare unghiulară proporţională cu aceasta şi care la valoarea maximă a mărimii măsurate este de aproximativ 8°C;
-
Adapatorul pneumatic PLT 370, care transformă deplasarea unghiulară 0…8°C primita de la detector, în semnale pneumatice proporţionale în gama 0,2…1 daN/cm2.
3.1. Traductorul pneumatic de presiune relativă cu tub Bourdon AT 10 PLT 370 Detectorul de presiune AT 10 este format dintr-o carcasă sudată din aliaj de aluminiu, în interiorul căreia se montează elementul sensibil de presiune (fig. 133).
15
Prin racordul de presiune 1 şi conducta tampon 2, tubul Bourdon 5 fixat la un capăt de suportul 8 primeşte presiunea de măsurat. Pe aceeaşi placă se fixează tubul Bourdon şi lagărele 6 şi 9 ale axului 7 . Axul primeşte mişcarea unghiulară de la capătul mobil 3 al tubului Bourdon şi o transmite prin intermediul pârghiei 4, adaptorului pneumatic PLT 370 care o transformă în semnal unificat presiune.
Elementul sensibil este realizat din aliaj heriliu-cupru în cazul fluidelor neuter (necorozive) sau din oţel inoxidabil înalt aliat. Domeniile de măsurare ale presiunii folosind aceste tipuri de traductoare sunt: -
Pentru lichide corozive 0…20 daN/cm2;
-
Pentru lichide neuter 0…350 daN/cm2. 3.2. Traductorul pneumatic de presiune diferenţială cu burdufuri tip AT
10 PLT 370 Se compune din: detectorul de presiune diferenţială AT 30, care transformă presiunea diferenţială într-o deplasare unghiulară, de valoare maxima 8°C şi proporţională cu mărimea măsurată şi adaptorul pneumatic PLT 370, acelaţi ca la AT 20 PLT 370. Elementul sensibil al traductorului este format dintr-o capsulă închisă M (fig. 134), în care, prin peretele de separare D se creează două compartimente C 1 şi C 2, alimentate cu presiunile p1, respectiv p2. Cele două presiuni a căror diferenţă ∆P = p1 – p2 trebuie măsurată, acţionează asupra unor burdufuri B1 şi B2 rigidizate între ele prin tija T şi care, sprijinindu-se fiecare pe peretele despărţitor acţionează ca nişte arcuri elicoidale la deplasarea lor ( B1 se comprimă, iar B2 se întinde). Cele două burdufuri sunt identice, forţa rezultată ∆ F, create de cele două presiuni, va fi proporţională cu diferenţa presiunilor respective:
∆F = F 1 – F 2 = S(p1 – p2 ) = S∆P in care: S este suprafaţa burdufurilor; F 1 , F 2 - reprezintă forţele produse de presiuni asupra burdufurilor. În acest fel, deplasarea longitudinală d a tijei va fi proporţională cu forţa ∆F , deci cu presiune diferenţială ∆P . 16
Tija T , prevăzută cu opritorul reglabil O, acţionează asupra manivelei E rotind axul A cu unghiul ά. În acest mod se transformă deplasarea d (proporţională cu ∆p) într-un unghi ά şi deoarece axul A este solidar modulatorul magnetic din adaptorul ELT 370 se obţine un semnal unificat i = 2…10 mA c.c. proporţional cu diferenţa presiunilor. Domeniile de măsurare ale acestor traductoare se înscriu în limitele 0…400 mm H2O.
4. Traductoare de debit Pentru măsurarea automată a debitului în industria chimică se utilizează dispozitive de strangulare de tip diafragmă, la care se conectează traductoare de presiune diferenţială, traductoare electromagnetice de debit sau traductoare rotametrice.
4.1. Traductorul debitmetric de presiune diferenţială Traductorul de presiune diferenţială din seriile FE 3 DL, se utilizează în măsurarea debitelor, dacă se realizează, pe conducta 1 al cărei debit trebuie măsurat, strangulări ale vanei de lichid, folosindu-se diafragma (fig. 135). În imediata vecinătate a diafragmei 2 se practică orificii unde se conectează prin racorduri cele două camere de înaltă, respectiv joasă presiune a traductorului de presiune diferenţială. Conectarea traductorului la diafragmă se face folosindu-se o baterie de robinete 3, prevăzută cu robinet de egalizare. Punerea în funcţiune a sistemului de măsurare a debitului, bazată pe acest principiu, impune respectarea următoarelor operaţii şi în următoarea ordine: întâi se deschide robinetul de egalizare R3, apoi robinetele R2 şi R1, după care se închide robinetul de egalizare R3. Este necesară respectarea acestei ordini de deschidere a robinetelor pentru a nu se crea diferenţiale mai mari decat permite elementul sensibil. Debitul de fluid care trece prin conductă este proporţional cu presiunea diferenţială ∆p creată prin introducerea diafragmei, deci: Q = K√p1 – p2 = K√∆p. Constanta K depinde de parametrii conductei, de vâscozitatea, densitatea şi temperatura fluidului.
17
Deoarece relaţia de mai sus este neliniară, dupa traductor se conectează un element ce efectuează extragerea rădăcinii pătrate, pentru a se obţine o dependenţă liniară a curentului de ieşire (4…20 mA) cu debitul măsurat.
4.2. Traductorul electromagnetic de debit FE 800-FE 96 Pentru măsurarea debitului fluidelor cu rezistivităţi electrice mici se folosesc traductoare de debit ale căror elemente sensibile funcţionează pe principiul inductiei electromagnetice. Dacă se consideră un element 1, de lungime l , “realizat” din lichid care se deplasează cu viteza v, în direcţie perpendiculară pe liniile de câmp al unui câmp magnetic de inducţie B, în acest element se induce o tensiune electromotoare proporţională cu viteza de curgere a lichidului: e = Blv. Dacă inducţia variază sinusoidal în timp ( B = Bm sin ωt ), tensiunea electromotoare este proporţională cu viteza şi va fi: E m = BmlV . Elementul sensibil se compune dintr-un tronson de conductă (fig. 136, b), căptuşit în interior cu material izolant din punct de vedere electric (cauciuc sau teflon) şi rezistent la coroziune. Conducta este fixată între polii unui electromagnet 2, a cărei bobină este fundamentală cu tensiune alternativă u. Sub acţiunea inducţiei B dintre poli şi a deplasării cu viteza v a lichidului, în lichid se induce o tensiune e culeasă între electrozii 3, fixaţi în peretele conductei. Lichidul dintre electrozi se comportă ca un conductor de lungime egală cu diametrul D al conductei. Amplitudinea tensiunii electromotoare induse va fi: E m =
Bm Dv. La un debit Q, prin conducta de secţiune A, viteza medie a lichidului este: v = Q/A = Q/Π
D2 /4 = 4Q/ΠD 2. Tensiunea electromotoare E m devine: E m = Bm D 4Q/ΠD2 = KQ. Semnalul electric proporţional cu debitul obţinut de la elementul sensibil este transmis unui adaptor FE 96, care are rolul de a-l transforma în semnal unificat (4…20 mA).
18
Traductorul permite măsurarea debitelor de lichide între 2 şi 1 800 m3/h în diverse game stabilite în funcţie de diametrul conductei (25 şi 300 mm).
4.3. Traductorul rotametric de debit DR 100 ELT 310 Se foloseste pentru măsurarea debitelor de fluide omogene în diferite game din banda 0… 55 m3/h, temperatura maximă a fluidului putând fi 150°C. El se montează în poziţie verticală pe conducte cu diametru sub 25 mm. În cazul traductorului rotametric DR 100 ELT 310 (fig. 137), tubul tronconic 1 este metalic, iar magnetul permanent 3 solidar cu imersorul 2, interacţionează cu alt magnet permanent 4, din exteriorul tubului. Deplasarea magnetului 4 este transmisă, printr-un sistem de parghii, părţii mobile 5, a modulatorului magnetic 6 , parte componentă a adaptorului ELT 310. Adaptorul elaborează un semnal unificat, proporţional cu debitul Q.
5. Traductoare de nivel Pentru măsurarea nivelului de lichid se folosesc traductoare de presiune diferenţială, traductoare de nivel cu imersor şi traductoare de nivel cu membrane. Folosirea traductorului de presiune diferenţială pentru măsurarea nivelului, este justificată de dependenţa care există între presiunea hidrostatică p a coloanei de lichid într-un vas şi nivelul H al lichidului în vas. Relaţia existentă între cele două mărimi este: p = γ H , unde γ este greutatea specifică lichidului din vas.
5.1.Traductorul de nivel cu imersor AT 50 ELT 370 În cadrul sistemului electronic E se fabrică şi traductorul de nivel cu imersor AT 50 ELT 370 reprezentat în fig. 138. 19
Elementul sensibil al traductorului este compus dintr-un imersor 2, care este un cilindru metalic mai greu decât lichidul al cărui nivel se măsoară. Imersorul este cufundat în lichid, fie în vasul tehnologic, fie într-un vas special mai mic 3, care comunică cu vasul tehnologic şi este suspendat de un resort 4. La creşterea nivelului în vas, imersorul se afundă mai mult în lichid, iar de resort va fi suspendată o greutate micşorată de greutatea volumului de lichid dezlocuit de imersor. Aceasta determină o tensionare a resortului, deci o ridicare a imersorului proporţională cu creşterea nivelului. Deplasarea este transmisă prin intermediul unui braţ 5, unui ax 6 , care este rotit cu un unghi ά, proporţional cu deplasarea imersorului , deci cu nivel H. Deplasarea unghiulară este transmisă rotorului modulatorului magnetic şi adaptorului ELT 370 care-l transformă în semnal unificat 2…10 mA, proporţional cu nivelul H din vas. Domeniile de măsurare ale acestui traductor sunt: 0…400; 0…600; 0…1200; 0…2000.
20
IV. Anexe
Pagina 7 -Tipuri de traductoare şi caracteristici-
Pagina 8 -Tranzistor bipolar-
21
Fig. 2 Pagina 8 -Tranzitori identici conectaţi în paralel-
Pagina 8 -Senzor de temperatură-
22
Pagina 9 -Fig. 4a - Conexiune a amplificatorului operaţional Norton, ca senzor de temperatură-Fig. 4b - Partea de intrare a amplificatorului-Fig. 4c - Schema echivalentă pentru calcularea expresiei tensiunii de ieşire-
Pagina 10 -Efectul Seebeck-
23
Pagina 10 -Circuit închis al termocuplului-
24
Pagina 11 -Tipuri de termocupluri şi caracteristicile lor-
Pagina 11 -Caracteristicile electrice ale termocuplurilor-
25
Pagina 12 -Schema bloc a unui circuit electronic-
Pagina 12
26
Pagina 13
Pagina 14
27
Pagina 14
Pagina 15
Pagina 16 28
Pagina 17
Pagina 18
29
Pagina 19
Pagina 19
30
