TRADUCTOARE DE PRESIUNE

1.    Introducere

Fluidele se caracterizeaza prin faptul ca pot curge usor (straturile lor aluneca usor unele fata de altele). Din categoria fluidelor fac parte lichidele si gazele.

Deosebirile dintre lichide si gaze sunt urmatoarele:

- lichidele au o suprafata libera, care la echilibru este plana si orizontala, pe

cand gazele nu au aceasta suprafata, ele ocupand tot volumul incintei in

care sunt introduse;

- lichidele sunt incompresibile, pe cand gazele sunt compresibile.

Legile generale ale fluidelor se studiaza pentru fluidele perfecte. Un lichid

perfect este acela la care straturile se pot deplasa unele fata de celelalte, fara frecare (fara vascozitate) si al carui volum nu poate fi comprimat. Un gaz perfect este un gaz la care, pentru o anumita cantitate, produsul dintre presiunea si volumul sau este constant (respecta legea Boyle-Mariotte). Metodele de masurare a presiunii sunt adaptate fluidelor reale.

Considerand fluidele ca fiind medii continui, intr-o masa oarecare de fluid,

fiecare element de volum suporta actiunea unor forte din partea restului de fluid, care, in cazul fluidului perfect sunt perpendiculare pe fiecare suprafata a volumului unitar considerat.

O forta F, uniform repartizata pe o suprafata S, exercita o presiune p a carei

valoare este data de relatia: p = F / S.

Masuratorile de presiune sunt legate de masuratorile de forta, de aceea

metodele de masurare a fortelor pot fi aplicate si in domeniul presiunilor si invers.

Presiunea exercitata de invelisul gazos din jurul pamantului se numeste

presiune atmosferica (barometrica), ea variind cu altitudinea. Corpurile aflate pe pamant sunt supuse acestei presiuni atmosferice. S-a ajuns astfel la necesitatea stabilirii unei presiuni atmosferice de referinta fata de care sa se determine starea fizica a unui corp. Aceasta presiune stabilita conventional se numeste presiune normala.

Presiunea normala tehnica este presiunea exercitata de o coloana de mercur de inaltime 735,56 mm.

La masuratorile de presiune se intalnesc trei situatii:

- masurarea presiunii in raport cu vidul absolut (considerat de presiune zero)

da presiunea absoluta;

- masurarea diferentei de presiune fata de cea atmosferica da presiunea

relativa sau efectiva (multe presiuni masurate cu manometre). Dupa cum aceasta diferenta este pozitiva sau negativa, mai poarta numele de suprapresiune sau depresiune. Relatia dintre presiunea efectiva si presiunea absoluta este:

in care pa este presiunea absoluta, pe este presiunea efectiva iar ε este un factor de corectie egal cu diferenta dintre presiunea atmosferica normala si cea atmosferica reala in momentul masurarii;

- masurarea diferentei de presiune fata de o valoare de referinta conventionala (aleasa de utilizator, in functie de cerintele procesului tehnologic). In acest caz, rezultatul masurarii este presiunea diferentiala.

La o suprafata plana care separa doua mase de fluid in miscare, presiunea care se exercita pe cele doua mase de fluid in planul lor de separatie este presiunea statica. Daca in curentul de fluid se pune un obstacol, in punctul de oprire viteza fluidului se anuleaza si energia cinetica specifica a lichidului apare sub forma de presiune. Presiunea din punctul de oprire se numeste presiune totala. Diferenta dintre presiunea totala si cea statica este presiunea dinamica.

Unitatea de masura a presiunii in Sistemul International este newtonul pe

metru patrat [N/mz], denumita si pascal [Pa]. O unitate tolerata este kilogramulforta pe metru patrat, [kgf/m2].

Utilizarea dispozitivelor cu lichid pentru masurarea presiunii a determinat

adoptarea unor noi unitati de masura: milimetru coloana de apa [mmH20] si

milimetru coloana de mercur [mmHg], denumit si torr. Unitatile coloana de lichid sunt definite pentru anumite conditii de temperatura, acceleratie gravitationala si presiune atmosferica. Pascalul fiind mic, in practica se folosesc multiplii kPa si MPa. Un multiplu mult folosit este barul.

1 bar = 105Pa = 10197,3 mmH20 = 750,06 mmHg = 0,9869 atm = 1,0197at = 14,5 psi (pounds per square inch). In relatiile anterioare s-au folosit notatiile: at = atmosfera tehnica, atm = atmosfera normala.

Domeniile de variatie ale presiunii sunt:

- vacuum extrem, < 10-9 bar;

- vacuum tehnic, 10-9 10-6 bar;

- vacuum, 10-6 . 0,1 bar;

- presiune mijlocie, 10 100 bar;

- suprapresiune tehnica, 100 104 bar si

- presiuni foarte inalte, > 104 bar.

Senzorii de presiune convertesc presiunea fie intr-o marime intermediara, de

natura unei deplasari sau deformatii mecanice, fie direct intr-o marime electrica.

2.    Traductoare de presiune cu senzori elastici

Aceste traductoare contin elemente elastice care convertesc presiunea in

deformatia elastica a unor corpuri de forma speciala. Senzorii utilizati sunt: tub simplu curbat, tubul spiral, membrana simpla sau dubla (capsula) si tip burduf.

Membranele sunt placi elastice de grosime mica, de foma circulara, incastrate la extremitate pe un contur. Sub actiunea presiunii aplicate pe o fata, se produc deformatii usor masurabile. Membranele pot masura presiuni de la cativa mmH20 pana la sute de atmosfere. Se utilizeaza ca senzori separati sau impreuna cu alte traductoare de presiune (piezoelectrice, magnetoelastice). Dupa forma constructiva, membranele sunt plane, grofate si sferice.

Tuburile ondulate (sifoanele) sunt tuburi cilindrice cu gofraje transversale pe suprafata laterala. Profilul tubului este diferit, in functie de modul in care este utilizat. Astfel, daca solicitarile sunt de intindere, profilul se executa cu un punct de inflexiune, iar pentru solicitari de compresiune se folosesc profiluri drepte.

Tuburile Bourdon au forma unui arc de cerc cu un unghi la centru de

aproximativ 250°. Sunt simplu de executat si au o mare raspandire. Deoarece

sensibilitatea lor este mica, se folosesc mecanisme de multiplicare a deplasarii capatului liber. Tuburile Bourdon se folosesc la masurarea presiunilor de la cativa mmHg pana la aproximativ 400 daN/cm2. Sectiunea tuburilor Bourdon poate fi ovala, eliptica, in forma literei D, etc.

Adaptoarele folosite pentru traductoare de presiune cu senzori elastici sunt:

- adaptorul deplasare unghiulara-tensiune electrica, care transforma variatia

unghiulara intr-o tensiune alternativa modulata in amplitudine;

- adaptorul bazat pe principiul balantei de forte, care converteste presiunea

relativa in semnal electric unificat.

3. Traductoare de presiune cu lichid

Cele mai repezentative traductoare din aceasta categorie folosesc senzori tip

clopot sau tor oscilant.

Senzorii tip clopot sunt folositi la masurarea presiunilor < 100 mmH2O, in

fluide neutre sau corozive. In starea initiala, cand presiunea de masurat este egala cu presiunea atmosferica, clopotul este scufundat in lichid, la o anumita adancime la care greutatea clopotului este echilibrata de greutatea volumului de lichid dezlocuit. Daca sub clopot se introduce o presiune mai mare decat presiunea atmosferica, pe suprafata interioara a clopotului va actiona o forta suplimentara ascensionala care va ridica clopotul. Se obtine o dependenta liniara a deplasarii clopotului sub actiunea presiunii.

Senzorii tip tor oscilant, fig. 1. , sunt folositi la masurarea unor presiuni sau

diferente de presiuni mici (mmH20) deoarece au o mare sensibilitate.

Fig. 1.

Daca presiunile pe cele doua racorduri sunt egale, parghia este orizontala iar

sistemul este in echilibru in raport cu axul aparatului.

Daca p1 > p2 nivelul lichidului din jumatatea stanga a torului va cobori si va

urca in jumatatea dreapta.

Diferenta de nivel este proportionala cu diferenta p1 - p2 si torul se roteste fata de axa de simetrie verticala. Diferenta de presiune este transformata intr-un unghi, relatia fiind neliniara.

4. Traductoare de presiune cu elemente piezorezistive

Aceste traductoare permit realizarea in acelasi ansamblu atat a senzorului cat si a dispozitivului de conversie intermediara.

Piezorezistivitatea este proprietatea unui corp de a-si varia rezistivitatea sub

influenta unei actiuni mecanice, statice sau dinamice. Fenomenul este mai puternic la semiconductoare.

Expresia rezistivitatii unui semiconductor este:  unde e reprezinta sarcina electronului, n este numarul de purtatori iar μ este mobilitatea medie.

Aplicarea unei tensiuni mecanice modifica numarul de purtatori si mobilitatea lor. La semiconductoare, aplicarea unor tensiuni mecanice creste mobilitatea purtatorilor pe o anumita directie, fata de directia perpendiculara. Mobilitatea depinde de concentratia de purtatori si de orientarea cristalografica in raport cu directia de aplicare a solicitarilor. In functie de planul cristalografic si de directie, mobilitatile pot avea valori egale si semne opuse pe diverse directii, permitand fabricarea unor dispozitive compensate la variatiile de temperatura.

Elementele piezorezistive sunt difuzate intr-o diafragma de monocristal de

siliciu.

Dupa modul de obtinere, senzorii piezorezistivi din Si sunt de doua tipuri:

- prin depunerea in vid a unor pastile de siliciu pe un suport;

- prin difuzia siliciului.

Senzorii piezorezistivi sunt rar utilizati singuri sau in scheme sfert de punte,

datorita dificultatii de separare a variatiilor de rezistenta datorita presiunii si

variatiilor de temperatura. Cel mai mult se folosesc scheme de masurare tip

jumatate de punte sau punte completa. Amplasarea senzorilor piezorezistivi se face astfel incat variatiile de rezistenta provocate de presiunea de masurat sa fie de semne contrare. Aceasta se obtine daca se realizeaza senzorii piezorezistivi pe o fata si pe cealalta a unei diafragme. Senzorii din punte trebuie astfel realizati incat variatiile de temperatura sa nu dea semnal parazit.

Puntea de masura se poate alimenta in trei moduri: in curent constant tensiune constanta sau curenti constanti in opozitie.

Compensarea variatiei gamei de lucru se face prin:

- montarea unor rezistente in paralel, ce modifica panta caracteristicii initiale;

- folosirea unor retele termistor - rezistoare de liniarizare, care variaza curentul de alimentare al puntii.

Ca adaptor, se foloseste convertorul rezistenta - timp, bazat pe modularea in

durata ale impulsurilor. Acesta are sensibilitate mare, liniaritate buna, pret mic si circuit numeric de diferentiere in frecventa, fig. 2.

Tensiunile de la iesirile puntii Wheatstone, notate:

sunt cuplate la intrarile a doua modulatoare in durata ale impulsurilor (MDI), ale caror iesiri sunt semnale numerice proportionale cu variatiile rezistentei (x):

unde k1 si k2 sunt variabile ce depind de castigurile si constantele de timp RC ale celor doua circuite.

Cand k1 = k2 = k, functia de transfer este liniara.

Cand k1 ≠ k2 , in circuit exista o eroare datorita diferentei dintre circuite. In

acest caz, daca nu se aplica presiune suprafetei de senzori, la iesire se obtine un tren de impulsuri cu latime constanta, care poate fi folosit pentru calibrare.

Fig. 2.

5. Traductoare de presiune piezoelectrice

Senzorii piezoelectrici se folosesc la traductoare pentru presiuni foarte inalte, variabile in timp (500 1000 Hz). Senzorii piezoelectrici au forma unui disc pretensionat, asezat intre doua discuri metalice, cu ajutorul a doua arcuri laterale sau a unei membrane. La realizarea unui astfel de senzor, trebuie eliminate erorile de incovoiere date de centrari imperfecte si erorile parazite date de vibratii mecanice.

Folosind ca senzor piezoelectric un tranzistor MOSFET din GaAs, se poate introduce in aceeasi structura convertorul sarcina - tensiune pentru temperaturi mari, fara necesitatea racirii cu apa. Pe langa efectul piezoelectric longitudinal, GaAs are si efect piezoelectric transversal, ceea ce face semnalul piezoelectric independent de deformarea paralela cu directia de aplicare a presiunii, determinata de variatia cu temperatura. Cel mai simplu convertor sarcina - tensiune este un tranzistor cu efect de camp in care sarcina electrica se foloseste pentru a controla curentul de drena.

6. Traductoare de presiune speciale

6.1 Traductoare de vacuum

In domeniul presiunilor foarte mici (< 0,1 torr) constructiile obisnuite cu

senzori elastici nu dau rezultate. Fortele produse de presiunea de masurat sunt atat de mici, incat trebuie sa se recurga la metode indirecte de masurare, bazate pe dependenta de presiune a unuia din parametrii fizici ai gazului. Cele mai multe din aceste metode au insa dezavantajul ca indicatiile depind de natura gazului, fiind nevoie de o etalonare speciala pentru fiecare caz.

Traductoarele de vacuum sunt de mai multe feluri:

- cu variatia conductibilitatii termice,

- cu ionizare,

- cu ionizare in camp magnetic,

- cu ionizare radioactiva, etc.

Domeniul de masurare ajunge pana la 10-18 torr.

6.2 Traductoare pentru presiuni foarte inalte

In domeniul presiunilor foarte inalte (zeci de mii de atmosfere) se folosesc

traductoare ai caror senzori realizeaza o dubla conversie presiune - deformare - parametru electric, cu urmatoarele avantaje: masurarea presiunii cu variatii foarte mici de volum, sensibilitate ridicata, liniaritate buna, dimensiuni mici.

Se folosesc:

- elemente rezistive a caror rezistenta variaza cu presiunea (metale, aliaje sau

materiale polimorfice);

- elemente inductive, la care modificarile de presiune determina modificari de inductanta, datorita variatiei volumului miezului magnetic;

- celule electrolitice, a caror tensiune de iesire scade la cresterea presiunii.

6.3 Traductoare de presiune cu elemente elastice vibrante

Acestea functioneaza dupa principiile traductoarelor cu coarda vibranta pentru masurarea fortelor. Exista doua variante:

- cu membrana vibranta (p < 100 at) si

- cu cilindru vibrant {p ≈ 1700 at).

6.4 Traductoare de presiune integrate

Au senzorul si adaptorul integrate intr-un singur ansamblu. Avantajele acestor traductoare sunt: domenii de presiune mari, precizie sub 1%, sensibilitate sub 0,5%, eroare de neliniaritate < 0,1 %, alimentare cu tensiune continua 2430 V, banda larga de frecvente 0 Hz 50kHz, imunitate la socuri si vibratii mecanice, dimensiuni reduse, instalare si exploatare simpla, cuplare usoara cu alte sisteme de masurare.

Schema bloc a unui astfel de traductor cuprinde regulatorul de tensiune,

senzorul de presiune, amplificatorul, senzorul de temperatura, circuitul de

compensare a temperaturii si amplificatorul final. Senzorul este de tip

piezorezistiv, din cristal de siliciu montat pe un suport atenuator de socuri.

Pentru masurarea presiunii fluidelor corozive se folosesc fluide tampon pentru cuplare cu senzorul.

7. Traductoare de presiune cu fibre optice

7.1 Traductor de presiune mare cu senzor de deplasare

Schema bloc a traductorului de presiune cu senzor de deplasare cu fibre optice este data in fig. 3.

Fig. 3.

Senzorul de deplasare cu FO este cu variatia intensitatii radiatiei optice si are

trei FO multimod, o fibra optica fixa de intrare si doua fibre optice de iesire, intr-o consola elastica, ce se deplaseaza sub actiunea presiunii. Fibrele optice de iesire au capetele lipite intre ele si deplasabile in fata capatului fibrei optice de intrare.

Intensitatile radiatiei optice de iesire din cele doua fibre, I1 si I2 sunt detectate cu ajutorul a doua fotodiode FD1 si FD2, conectate intr-o schema diferentiala.

Diferenta I1 -12 este o masura a deplasarii relative a capetelor fibrelor optice.

7.2 Traductor interferometric de presiune cu FO cu lumina alba

Traductorul se bazeaza pe fibra optica cu birefringenta mare si foloseste

avantajele scanarii electronice cu camera video, asa cum se arata in fig. 4.

Fig. 4.

Ca sursa de radiatie optica se foloseste o dioda laser DL, comandata in curent mic pentru a avea functionare de banda larga. Dioda laser este cuplata cu fibra optica cu mentinerea polarizarii. Senzorul este realizat cu FO si este compensat cu temperatura. Fibrele optice de legatura, de intrare si iesire, sunt montate cap la cap si au axele de polarizare rotite la 45°. Radiatia optica de iesire este colimata de lentila L si trece prin linia de intarziere in trepte LI si o prisma Wollaston PW (ambele realizate din cuart cristalin), analizorul de polarizare A si lentila cilindrica LC. Axele de polarizare de la iesirea din FO de legatura de iesire sunt aliniate la 45° fata de axele de polarizare ale liniei de intarziere in trepte, compusa din doua placi de intarziere de cuart, pentru cresterea gamei interferometrului receptor.

Presiunea hidrostatica mareste diferenta constantelor de propagare ca si

dispersia modului de polarizare a fibrei optice cu birefringenta mare. Cresterea presiunii Δp are ca efect o deplasare transversala Δy a formei de interferenta cu lumina alba, inregistrata de camera video:

unde τ este dispersia de polarizare a fibrei optice cu birefringenta mare, Lo este lungimea fibrei optice senzor si K este coeficientul de proportionalitate dat de geometria interferometrului receptor.

Procesarea semnalului digitizat de camera video stabileste pozitia centrului

formei de interferenta cu lumina alba, fata de axele de simetrie ale functiei de coerenta. Metoda determina axele de simetrie ale formei de interferenta cu lumina alba cu acuratete mai mare decat o franja de interferenta. Pentru a mari gama de functionare, schema foloseste linia de intarziere in trepte (doua placi de cuart cu grosimea aproximativ 4 mm).

7.3 Traductor fotoelastic de presiune cu FO cu birefringenta mica

Daca o fibra optica unimod fara invelis exterior este presata intre placi

paralele. In regiunea miezului se induce birefringenta datorita distributiei

transversale asimetrice a efortului.

Presiunea se determina prin masurarea schimbarii polarizarii radiatiei

propagate prin fibra optica. Birefringenta indusa in miez permite realizarea

configuratiilor de senzor cu suprafete de masurare mari. Datorita sectiunii

transversale mici a FO, apar eforturi mari in regiunea miezului FO, obtinandu-se astfel sensibilitate mare.

Sursa de radiatie optica folosita este monocromatica, polarizata liniar, aliniata la 45° fata de directia presiunii, rezultand astfel doua moduri de polarizare cu intensitati egale (paralel si perpendicular pe directia fortei). La capatul de iesire al FO, dupa elementele de polarizare sunt plasate doua fotodetectoare care produc semnale electrice defazate la 90° si cu variatie sinusoidala. Al treilea fotodetector are rolul de monitorizare a intensitatii radiatiei optice de iesire.

Configuratia poate fi privita ca un interferometru diferential, in care cele doua fascicole optice se propaga prin aceeasi FO, dar cu polarizari perpendiculare.

Schimbarea birefringentei FO datorita presiunii se masoara prin determinarea interferentei intre cele doua moduri de polarizare. Pentru aceasta, se plaseaza in fata celor doua fotodetectoare un polarizor, aliniat la 45° fata de directia presiunii.

Defazajul de 90° se obtine introducand o placa sfert de unda, aliniata cu axa rapida paralel sau perpendicular cu directia presiunii, plasata intre capatul FO si polarizor, in fata unui fotodetector.

Cele doua semnale defazate la 90° si semnalul referinta de intensitate sunt

transmise la un sistem de masurare a fazei cu microcontroler, care numara

perioadele si interpoleaza faza. Comparativ cu tehnicile analogice, acest sistem de masurare are avantajul ajustarii electronice, optice si mecanice prin parametrii numerici din programul software.

Acuratetea sistemului depinde de rezolutia convertorului analog-numeric ales.

Gama dinamica a sistemului este limitata doar de capacitatea numaratorului

electronic. Deoarece raspunsul fibrei optice la presiune este instantaneu, latimea de banda de masurare a sistemului este limitata. in de timpul de esantionare si procesare a datelor.

Birefringenta sau diferenta constantelor de propagare intre cele doua moduri de polarizare ale FO rezulta din suprapunerea a doua efecte, birefringenta indusa de forta laterala de compresie si birefringenta indusa de indoire. Daca FO este elastica si omogena mecanic, presiunea aplicata se determina prin masurarea diferentei de faza intre cele doua moduri de polarizare. Sensibilitatea traductorului depinde de diametrul exterior al fibrei optice, de aceea, variatiile diametrului exterior de-a lungul fibrei determina fluctuatii ale sensibilitatii.

7.4 Traductor de presiune cu retea de difractie in fibra optica

Schema unui asemenea traductor de presiune, cu retea de difractie in fibra

optica, este data in fig. 5.

Fig. 5.

Traductoarele cu retele de difractie in FO sunt avantajoase doar daca se

compenseaza efectele variatiei cu temperatura. Metodele de compensare sunt:

- folosirea altei retele de difractie intr-un material diferit,

- masurarea simultana a efortului si temperaturii cu doua retele de difractie

suprapuse, - pozitionarea retelei de difractie pe suprafata si

- realizarea retelei de difractie independenta de temperatura cu o retea de

difractie cu forma speciala in fibra optica plata.

Pentru cresterea sensibilitatii, fibra cu retea de difractie se introduce intr-o

mica sfera cu pereti subtiri de sticla. Cand sfera este presurizata, variatia

diametrului sferei este functie de grosimea peretelui de sticla al sferei. Daca FO este lipita bine de sfera de sticla, efortul indus de presiune in sfera goala este egal cu variatia relativa a diametrului sferei.