Masurarea presiunilor si debitelor. Masurarea turatiei.

Masurarea presiunilor si  debitelor. Masurarea turatiei.

1. Masurarea presiunilor

Pentru masurarea presiunii se folosesc in prezent numeroase tipuri de aparate, bazate pe diferite principii. O mare parte din aceste aparate sunt mecanice; altele sunt electronice sau combinate (cu parti mecanice si parti elec­tronice). Principalele tipuri de aparate pentru masurarea presiunii pot fi im­partite in trei categorii: pentru masurarea vacuumului, presiunilor medii si presiunilor mari.

Pentru masurarea vacuumului se folosesc:

- traductoare cu ionizare;

- traductoare termice;

- aparate mecanice.

Pentru masurarea presiunilor medii (si a vacuumului) se folosesc:

- traductoare cu diafragma;

- traductoare cu burduf;

- traductoare cu tub Bourdon;

- manometre cu lichid;

- traductoare electrotensometrice;

- traductoare inductive;

- traduetoare capacitive;

- traductoare piezoeleetrice.

Pentru masurarea presiunilor mari se folosesc:

- manometre eu piston si greutati;

- traductoare cu element elastic speciale;

- traductoare cu manganina.

Vacuummetrele sunt aparate pentru masurarea presiunilor mici si foarte mici in comparatie cu presiunea atmosferica. Gama de masurare a vacuumetrelor se intinde de la 10^-9 la 10⁵Pa, adica incepand de la presiunea urmelor de gaz pana la presiuni apropiate de cea atmosferica.

Traductoare de vacuum cu ionizare

Sunt singurele mijloace de detectare a vidului inaintat. Cele mai cunoscute tipuri sunt: cu catod cald; cu catod rece; cu radiatii.

Fig.1. Traductor cu vacuum cu catod cald

Toate tipurile se bazeaza pe masurarea curentului electric care rezulta in urma ionizarii gazului a carui presiune se masoara. Pentru a obtine ionizarea, trebuie indepartat un electron din molecula de gaz.

Principiul de funcxtionare al traductorului de vacuum cu catod cald re­zulta din fig1. Electronii emisi de catodul cald sunt accelerati de grila si ciocnind moleculele de gaz, dau nastere la ioni pozitivi. Acestia sunt atrasi de colectorul polarizat negativ si formeaza un curent ionic, proportional cu presiunea gazului. Precizia sistemului este de cca 10% la o presiune de 10 ^-5 mm Hg.

Traductoare termice de vacuum

Se bazeaza pe dependenta conductivitatii termice a gazelor de presiunea lor. Daca un element incalzitor, actionat la putere constanta, este plasat in gazul a carei presiune se masoara, temperatura sa va fi in functie de presiunea gazului. Dupa sesizorul de temperatura folosit, se deosebesc sis­teme cu termocuplu si sisteme cu termorezis­tor. In general, presiunea masurabila este limitata inferior la cca 10 ^-3 mm Hg.

Fig.2. Traductor de vacuum cu termocuplu

In fig.2 este prezentat un traductor de vacuum cu termocuplu. Filamentul incal­zitor este incalzit prin trecerea unui curent continuu sau alternativ constant. Un termo­cuplu sudat la centrul filamentului permite masurarea temperaturii acestuia, care scade odata cu cresterea presiunii gazului. Tem­peratura filamentului este limitata la cca +200°C pentru a preintampina descompunerea sau depunerea de pelicule.  Precizia masurarii este intre 2 10%, functie de instrumentul folosit pentru masurarea tensiunii termoelectromotoare. Pentru marirea sensibiliatii, se conecteaza in serie mai multe termocupluri.

Manovacuummetrele sunt aparate care servesc in general la masurarea presiunilor cu valori in jurul presiunii atmosferice sub sau peste aceasta-pana la valori de ordinul 10⁸ Pa (1 000 atmosfere) sau uneori si mai mari. Dintre manovacuummetrele electronice, cele mai raspandite sunt tipurile care folo­sesc traductoare tensometrice, inductive, capacitive si piezoelectrice.

Traductoare de presiune tensometrice

Principiul acestor traductoare este asemanator celui al traductoarelor de forta tensometrice. Doua, patru sau mai multe traductoare tensometrice sunt montate pe un element elastic care converteste presiunea de masurat intr-o deformatie; aceasta deformatie se masoara cu ajutorul traductoarelor tensometrice. Elementul elastic poate fi o membrana, burduf, tub Bourdon (pentru presiuni medii) sau tub metalic (pentru presiuni mari).

In fig.3 este schitat principiul unui traductor de presiune cu ele­mente tensometrice (fire) libere (nelipite). Presiunea de masurat actioneaza o membrana, a carei deplasare produce deformarea unui element elastic. Cele doua pachete de fire rezistive sunt supuse la eforturi de sensuri contrare, care introduse intr-o punte de masurare (Wheatstone), produc dezechilibrarea acesteia in functie de presiunea aplicata.

Fig.3. Traductor de presiune cu elemente tensometrice libere

Traductoare de presiune inductive

Acestea folosesc traductoare interme­diare de deplasare, de tip inductiv, pentru determinarea deplasarii unui punct al elementului elastic care preia presiunea de masurat. Traductorul intermediar poate fi de tip cu transformator diferential, cu reluctanta varia­bila, etc. Traductorul primar (fig.4), de tip cu burduf, actioneaza printr-o parghie traductorul intermediar, cu transformator diferential, indus intr-un circuit de alimentare in c.a. Precizia de masurare este scazuta (1 2%).

Fig.4. Masurarea presiunii folosind un traductor inductiv

Traductoare de presiune capacitive

Principiul acestor traductoare este bazat pe variatia capacitatii care rezulta in urma deplasarii unui element elastic, de obicei o membrana, expusa pe o parte presiunii de masurat, iar pe cealalta parte unei presiuni de referinta.

Fig.5. Traductor de presiune capacitiv

Sistemul din fig5 foloseste un traductor capacitiv diferential, alimentat in inalta frecventa si indus intr-o punte. Intervalul de masurare ajunge la 10².10⁸ Pa (0,001 1 000 atmosfere), iar precizia de 0,1 0,2%. Raspunsul este liniar si poate fi com­pensat la variatiile temperaturii ambiante.

2. Masurarea debitului

Debitul este cantitatea de fluid scursa in unitatea de timp.

Debitul de volum este:

(1)

unde S este sectiunea conductei, iar v este viteza fluidului.

Debitul de masa este:

(2)

Masurarea debitului de volum se reduce la masurarea vitezei de scurgere a fluidului printr-o sectiune cunoscuta, in timp ce masurarea debitului de masa implici si cunoasterea densitatii p care este, ca si viteza, in functie de temperatura.

In general viteza de curgere se masoara direct cu ajutorul unor traductoare specializate si se transforma intr-o variatie a unui semnal electric, in timp ce debitul masic se calculeaza din datele de debit de volum si densi­tate. Mai rar sunt intalnite debitmetrele ce masoara debitul de masa direct. Acestea utilizeaza traductoare care, in principiu, masoara momentul de miscare imprimat fluidului.

Pentru masurarea debitului volumic, respectiv a vitezei de curgere exista numeroase metode care acopera multe din situatiile posibile: debite foarte mari sau foarte mici, medii corozive, curgere turbulen­ta, lichide vascoase, etc.

Procedeele de masurare sunt:

* perturbatoare, care modifica regimul de curgere:

- luand energie de la fluid, pentru miscarea unor organe de masura (debitmetrele cu plutitor, cu turbina);

- deformand traiectoria lichidului prin utilizarea unor obstacole (diafrag­me, tub Venturi) ce creeaza o diferenta de presiune;

* neperturbatoare care nu iau energie de la fluid si care sunt de tip:

- magnetic;

- ultrasonor;

- radioactiv;

- termic.

Debitmetre electromagnetice

Principiul debitmetrelor electromagnetice se bazeaza pe legea inductiei electromagnetice prin miscare: intr-un conductor care se misca liniar cu vite­za v intr-un camp magnetic de inductie B se induce, intre doua puncte la dis­tanta D/2 pe o directie perpendiculara pe planul format de directia vitezei si a campului, o t.e.m. V:

(3)

Fluidul joaca rolul conductorului (fig.6). Conducta de diametru D prin care curge fluidul delimiteaza distanta intre cele doua puncte intre care se creeaza diferenta de potential V. Campul magnetic se obtine cu ajutorul unui electromagnet strabatut de un curent I.

Fig.6. Principiul debitmetrelor electromagnetice

Debitul volumic este:

(4)

14.3. Masurarea turatiei

Traductoare electrodinamice de turatie

Cea mai larga utilizare in traductoare a principiului electrodinamic o constituie generatoarele tahimetrice pentru masura­rea turatiei. Acestea pot fi generatoare de curent continuu sau de curent alter­nativ. In ambele cazuri, inductorul este, de obicei, un magnet permanent. Cateva date tipice ale unui generator tahimetric de curent continuu sunt date in tabelul 1.

Avantajul generatoarelor tahimetrice de curent continuu este cuplul mic de pornire si de lucru. Prin folosirea unor sisteme de compensare care sa efec­tueze diferenta sau raportul a doua tensiuni obtinute de la doua generatoare tahimetrice diferite, se poate obtine o indicatie a diferentei sau raportului celor doua viteze masurate.

Aceasta metoda se intrebuinteaza in industria textila, in cea a otelului,a hartiei, pentru a se masura si regl tensiunea mecanica sau alungirea procen­tuala a benzii de material.

Tabelul 1

Constructia unui generator tahimetric de curent alternativ este prezentata in fig.7 El consta dintr-un stator (1), compus din tole magnetice cu piese polare spre interior, pe care sunt infasurate bobinele indusului, si un magnet permanent multipolar (2), constituind rotorul.

Fig.7. Generator tahimetric de curent alternativ

Si cu generatoare tahimetrice de curent alternativ se poate masura diferenta a doua viteze, masurandu-se in acelasi timp separat fiecare din cele doua viteze, cu ajutorul unei scheme cum este, de exemplu, cea din fig.8.

Fig.8. Principiul masurarii diferentei a doua turatii

Cand este necesara masurarea unor turatii mai mari de 2000-5000 rot/min, se pot folosi fie reductoare inaintea gene­ratoarelor tahimetrice, fie traductoare de turatie cu impulsuri.

Traductoare de turatie cu impulsuri

Turatia unui ax poate fi masurata pe calea indirecta a determinarii frecventei unor impulsuri electrice generate in tactul rotatiei arcului. Intr-un asemenea sis­tem, lungimea si caracteristicile conduc­toarelor de legatura dintre punctul de masu­rare si cel de indicare sunt fara importanta. Producerea impulsurilor la rotatia axu­lui se poate face pe mai multe cai:

- folosind un traductor cu reluctanta variabila;

- pentru motoarele cu ardere interna, chiar frecventa impulsurilor de aprindere poate fi folosita la masurarea turatiei; aceasta frecventa f este legata de turatia n a arborelui cotit al motorului, prin relatia:

(5)

unde z reprezinta numarul de cilindri, iar a = 1/2 pentru motoarele in patru timpi si 1 pentru motoarele in doi timpi;

- folosind generarea fotoelectrica (fig.9).

Fig.9. Traductor in impulsuri cu generare fotoelectrica

Lumina emisa de lampa (2), alimentata de la sursa (1), este focalizata prin len­tilele (3) si (4) pe dispozitivul fotoelec­tric (7). Intre lentile este situat discul (5), fixat pe axul de masurare si prevazut cu gauri care deschid calea fasci­culului luminos o data sau de mai multe ori, la fiecare rotatie a axului. Dispozitivul fotoelectric (7) produce deci, in circuitul sursei (6), cate unul sau mai multe impulsuri de tensiune la bor­nele rezistentei (8), la fiecare rotatie a axului.

Folosirea unui disc cu mai multe gauri permite marirea frecventei impulsu­rilor chiar la masurarea unor turatii foarte mici. Sistemele descrise mai sus permit totodata masurarea unor turatii foarte inalte (pana la 100000 rot/min). In plus, au avantajul ca nu incarca mecanic axul supus masurarii, ceea ce este foarte important, de exemplu, in industria de fire si fibre textile.

4. Experimentari

Se va utiliza un grup motor-tahogenerator (Motor and Control Division, Pacific Scientific, tip 22VM81-020-7) pentru masurarea turatiei.

Motorul are caracteristicile: rezistenta terminalelor: 3,8 W; tensiunea nominala 24V, curentul nominal 3A.

Tahometrul (tahogeneratorul analogic) are caracteristicile: constanta de tensiune 2,5 V/1000 rot/min; rezistenta terminalelor: 5 W; riplul (oscilatia) de tensiune 2% (varf la varf maxim); sarcina minima 10 kW

Tabelul 2

Se traseaza graficele: n=f (U_generator) si U_motor = f (U_generator).