CUPRINSCAP I: Memoriu justificativ.......................................................pag.3

CAP II: Generalitaţi...................................................................pag.4

CAP III: Traductoare de presiune..............................................pag.7

III.1Traductor de presiune cu tub Bourdon………………..…...pag.8

III.2Traductor de presiune cu capsulă………………………..….. pag.10

III.3 Traductorul de presiune diferenţială cu burdufuri…pag. 11

III.4. Traductorul de presiune diferenţială cu clopot .…..pag.13

CAP IV: Alte tipuri de traductoare……………………………….……….pag.14

IV.1 Traductoare de presiune cu senzori elastici............pag.14

IV.2 Traductoare de presiune cu lichid..................................pag.16

IV. 3 Traductoare de presiune cu elemente piezorezistive..pag.17

IV.4 Traductoare de presiune piezoelectrice..................pag.18

IV.5 Traductoare de presiune speciale............................pag.18

IV.6 Traductoare de presiune cu FO……………………………pag.20

1

CAP. 1 MEMORIU JUSTIFICATIV

Ştiinţa este un ansamblu de cunoştinţe abstracte şi generale fixate într-un sistem coerent obţinut cu ajutorul unor metode adecvate şi avand menirea de explica, prevedea şi controla un domeniu determinant al realitaţii obiective.

Electronica reprezintă în primul rînd lucru de mecanică fină, lucru curat, fiabil. Executarea montajelor electronice în regim amatoricesc educă răbdare, perseverenţă, măreşte dibăcia şi inteligenţa, spre exigenţele tehnice ale anilor ce vin, spre viitor.

Electronica zilelor nostre pune la dispoziţia noastră diverse aparate şi instalaţii necesare realizării visurilor celor mai îndrăzneţe.

Conform unei alte definiţii electronica este o ramură tehnică bazată pe proprietăţile, comportarea şi controlul electronilor. Este considerată o parte a electrotehnicii, tehnicile electronice aplicându-se în cele mai diverse domenii de activitate, cum sunt industria, comunicaţiile, apărarea militară şi distracţiile. Echipamentul electronic se foloseşte în sisteme electrice industriale şi la centralele electrice. Practic vorbind în zilele de azi electronica este omniprezentă.

Istoria electronicii porneşte de la descoperirea lui Edison în 1883, care a observat că în anumite condiţii curentul electric ar trece prin vid. A experimentat acest lucru folosind o lampă electrică vidată (bec) în care a introdus un electrod de metal (o placă metalică). Dacă electrodul devenea electric pozitiv faţă de filamentul lămpii, apărea un curent electric ce străbătea spaţiul vid dintre filament şi electrod.

Ca domeniu tehnic de uriaşa dezvoltare, electronica a cunoscut în ultimi zeci de ani modificări din care au avut de profitat si multe alte domenii. Medicina, fizica nucleară, optica modernă, cercetarea ştinţifică sunt deseori intrepătrunse de mult de folosirea diverselor procedee electronice de investigaţie ştiinţifică si ultilizarea tehnicilor respective se intensifică pe zii ce trece. De aceea cercetătorul ştiinţific de azi si de mîine din orice domeniu se impune a fii un bun cunoscător al tehnicii electronice.

Cunoaşterea electronicii in etapă actuală mai ales pentru cercetare ştiinţifică in orice domeniu este la fel de imperioasă ca şi cunoaşterea limbilor străine, dactilografiei, conducerii auto, discipline care sporesc viteza gandirii si sfera cunoaşterii

Oricare va fi meseria aleasă electronica va oferii şi mai mult sprijin pe viitor.

2

Funcţionarea echipamentelor electronice presupune in primul rînd alimentarea lor cu energie, respectiv polarizarea de curent continuu a circuitelor specifice din structura acestora

Tema aleasă pentru acest proiect justifică interesul de a găsii variante cît mai simple, performanţe fiabile si economice pentru un traductor de presiune

Proiectul de faţa prezintă un traductor de presiune accesibil pentru oricine si cu performanţe satisfăcătoare

CAP. II GENERALITAŢI

Presiunea (simbol: p) este forţa pe unitatea de suprafaţă aplicată în direcţie perpendiculară pe acea suprafaţă.

Presiunea relativă este diferenţa de presiune faţă de presiunea atmosferică.

Presiunea este o mărime scalară, care în SI se măsoară în pascali. 1 Pa = 1 N/m2.

Presiunea se transmite suprafeţelor înconjurătoare ale domeniului sau secţiunilor prin fluid în direcţie normală în orice punct a acestor suprafeţe sau secţiuni. Ea este un parametru fundamental în termodinamică şi este o variabilă conjugată volumului.

Măsurarea presiunilor se poate face cu manometrul. Manometrul pentru presiunea atmosferică se numeşte barometru.

Unitatea SI pentru presiune este pascalul (Pa), egal cu un Newton pe metru pătrat (N•m-2 sau kg•m-1•s-2). Această unitate a fost adoptată în 1971; înainte presiunea în SI era exprimată în N/m2. Este tolerată unitatea de măsură bar: 1 bar = 105 Pa, ca fiind foarte apropiată ca mărime de vechea atmosferă tehnică (at).

3

Traductorul este un dispozitiv (element) tehnic care transformă valorile unei mărimi fizico-chimice în valori (corespunzătoare) ale altei mărimi fizice, în scopul măsurării ei sau/şi reglării mersului procesului tehnic, biologic etc. în care este implicată mărimea respectivă.

Traductoarele sunt frecvent denumite „traductoare de măsură”. Ele intră direct în contact cu mediul (procesul) unde este participantă ca parametru mărimea de măsurat sau/şi reglat. În funcţie de mărimea fizico-chimică în cauză traductoarele sunt diferite ca principiu de funcţionare, după cum urmează:

-Termorezistenţe (electrice)

-Potenţiometre de poziţie (de nivel)

-Termoelemente voltaice sau „termocuple”

-Celule galvanice (electrozi) de măsură (de ex. pentru măsurarea pH/acidităţii)

-Electrozi de măsură a conductivităţii mediilor

-Bandă tensometrică extensibilă (cu rezistenţă el. variabilă la alungire)

-Piezoelectric traductor (cuarţ cristal)

-Tahogenerator (generator de tens. alternativa la rotire: utilizat la măs. turaţiei)

-Hall-senzor (emitiv de tens. electr. în vecinătate de material feromagn.)

-Inductiv traductor (prin variaţie de permeabilitate)

-Capacitiv traductor

-Unghiular sesizor de poziţie (electric)

Generalităţi, performanţe, clasificare:

Traductoarele sunt elemente din structura sistemelor automate care au rolul de a masura valorile parametrului reglat şi de a converti acest parametru (mărime) într-o mărime fizica ce este compatibila cu mărimea de intrare în elementul următor al sistemului. Traductoarele se compun din elementul sensibil si elementul traductor

4

Traductoare pot fi:

1. Traductoare pentru mărimi geometrice: rezistive, inductive, capacitive şi numerice de deplasare; cu radiaţii; de proximitate.

2. Traductoare pentru mărimi cinematice: de viteză; de acceleraţie; de şocuri si vibraţii; giroscopice.

3. Traductoare pentru mărimi mecanice: elastice (tracţiune, compresie, îndoire, cuplu); tensometrice rezistive; cu coardă vibrantă; magnetostrictive; de forţă; de cuplu.

4. Traductoare pentru mărimi tehnologice: presiune, debite, nivel, temperatură.

5

CAP. III TRADUCTOARE DE PRESIUNE

Măsurarea şi controlul presiunii în instalaţiile tehnologice din industria chimică ridică

probleme deosebite, determinate de corozivitatea fluidelor, temperatura ridicată şi caracterul

neomogen al acestora. Pentru măsurarea presiunii, FEA fabrică mai multe tipuri de traductoare

utilizate în industria chimică. Traductoarele de presiune (presiune diferenţială) sunt folosite şi în

sistemul de măsurare a altor mărimi ca: debite, nivel, densitate.

Traductoarele de presiune reprezintă una dintre categoriile de traductoare care cunosc o

largă raspândire în automatizările industriale, presiunea constituind un parametru de bază

pentru numeroase procese tehnologice.

În multe ramuri industriale, ca de exemplu industria petrolului, chimiei, termoenergetică

etc., reglarea presiunii este chiar determinanta pentru asigurarea desfaşurării corecte a

întregului proces tehnologic.

Presiunea reprezintă o marime esenţiala pentru descrierea stării unui fluid.

Traductoarele inteligente s-au dezvoltat rapid ca elemente componente principale ale

sistemelor automate, de măsură, monitorizare şi control, precum şi în domeniul roboticii

industriale.

Traductoarele de presiune sunt de 4 categorii:

1.Traductor de presiune de tip Burdon

2.Traductor de presiune cu capsulă

3.Traductorul de presiune diferenţială cu burdufuri

4.Traductorul de presiune diferenţială cu clopot

6

III.1 Traductor de presiune de tip burdon

FIG. 1

Traductorul de presiune cu tub Bourdon (AT10 ELT370) este prezentat în fig.1. El are ca

element sensibil un tub Bourdon 1, care sub acţiunea presiunii de măsurat p tinde să se

îndrepte. Capătul liber al acestuia suferă o deplasare care prin intermediul pârghiilor 2 si 3

determina rotirea axului 4 cu un unghi α. De axul 4 este fixat şi magnetul permanent mobil

(rotorul) al modulatorului magnetic 5 cuplat cu amplificatorul 6 al adaptorului ELT370, la ieşirea

căruia se obţine un semnal unificat (2...10mA) proporţional cu presiunea măsurată. Acest

semnal este transmis apoi aparatului indicator 7 (înregistrator) din sistemul E.

Acest traductor este fabricat în două variante:

- pentru fluide neutre (tub Bourdon din bronz) 7

- pentru fluide corozive (tub Bourdon din oţel inoxidabil) .

Prima variantă permite măsurarea presiunilor în domeniile: 0...15; 0...20; …0…350

kgf/cm², iar varianta a doua în domeniile: 0…2; 0…3; 0…200 kgf/cm².

Observaţie .

În cazul traductorului AT10 ELT, a cărui presiune este măsurata intra direct în cavitatea

interioară a tubului Bourdon. Dacă acest fluid din proces este impurificat de particule care se

depun, sau dacă el se cristalizează, se polimerizează sau este foarte puternic coroziv, contactul

acestuia cu elementul sensibil poate înfunda tubul Boudon sau îl poate deteriora. În astfel de

cazuri se foloseşte traductorul cu membrană de separaţie AT10 ELT370 MS100 la care fluidul a

cărui presiune p se măsoară nu vine în contact direct cu elementul sensibil al traductorului

(fig.1). Sistemul de separare (MS 100) se compune din membrana de separaţie MS100 şi carcasa

2 conectată la traductorul AT10 ELT370 printr-un tub de oţel subţire 3. Camera formată între

membrană şi carcasă, tubul de conectare şi tubul Bourdon al traductorului sunt umplute cu un

lichid de separare 4 (ulei ,apa). Sub acţiunea presiunii de măsurat p, membrana apasă asupra

lichidului transmiţând presiunea lichidului şi deci tubului Bourdon.

Tuburile Bourdon sunt tuburi cu pereţi subţiri sau groşi, de forma unui arc de cerc având la centru în jur de 250 grade

8

III.2 Traductor de presiune cu capsulă

FIG. 2

Traductorul de presiune cu capsula (AT20 ELT370) este folosit pentru

măsurarea presiunilor mai mici (0...1 kgf/cm²). Elementul sensibil al traductorului este format

din capsula 1 care este o cutie cu pereţi ondulaţi (fig.2). Sub acţiunea presiunii de măsurat p,

introdusă în capsulă, pereţii acesteia se deformează (cutia se umflă). Prin intermediul braţului

de acţionare 2, deplasarea peretelui capsulei este transmisă axului 4 care se roteşte cu un unghi

α = 0...16°, proporţional cu presiunea p. Pe acest ax este fixat şi rotorul modulatorului magnetic

5, care face parte din ELT 370.

9

III.3 Traductoare e presiune diferenţială cu burdufuri

FIG. 3

Traductorul de presiune diferenţială cu burdufuri AT30 ELT370 (fig. 3) se foloseşte

pentru măsurarea unor presiuni diferenţiale (diferenţa a două presiuni ) în gama 0 ... 4 000 mm

10

coloana H2O . El este format din doua burdufuri, 1 si 2 , fixate pe un perete despărţitor 7 dintr-

o carcasă 8. Burdufurile comunică între ele iar fundurile lor sunt în legătură prin tija 3. Presiunile

p1 şi p2 , a căror diferenţa Δp=p1−p2 trebuie măsurată, sunt introduse în camerele A şi

respectiv B, care conţin fiecare câte un burduf. Presiunea p1 acţionează asupra burdufului 1 cu

o forţă F1=p1∗S (în care S reprezintă aria fundului burdufului), iar presiunea p2< p1

acţionează asupra burdufului 2 cu o forţă F2=p2∗S , de sens opus primei forţe. Forţa

rezultantă care acţionează asupra sistemului format din cele două burdufuri care acţionează ca

nişte arcuri este F=F1−F2=S ( p1−p2) . Burdufurile acţionând ca nişte arcuri (primul se

strânge, al doilea se întinde) vor permite o deplasare proporţională cu forţa F, deci cu diferenţa

celor două presiuni:

F=cδ

sau

S ( p1−p2)=cδ ,

în care c este coeficientul de rigiditate al burdufurilor. Deoarece p1> p2 , tija 3 se deplasează

spre dreapta şi prin intermediul opritorului 4 şi al braţului de acţionare 5 determină rotirea

axului 6 care este în legătură cu elementul mobil al ondulatorului din ELT 370. Această

deplasare (α = 0 ... 16°) este transformată în semnal unificat proporţional cu presiunea

diferenţială Δp .

Pe acelaşi principiu se bazează traductorul AT 40 ELT 370, folosit pentru măsurarea

presiunilor în gama 0 ... 1 000 mm col. H2O şi traductorul AT36 ELT 370 pentru gama de

presiune 0 ... 3 500 mm H2O .

Burduful este un tub cilindric cu gofraje transversale pe suprafata laterala

11

III.4. Traductorul de presiune diferenţială cu clopot

FIG.4

Traductorul de presiune diferenţială cu clopot EFL 271 ELT 370 (fig. 4, în Anexă) este

folosit pentru presiuni diferenţiale in gama 0 ... 1 000 mm H2O . Principiul de funcţionare a

traductorului de presiune diferenţială cu clopot rezultă din figură. În vasul 6 cu lichid (mercur) 2

este introdus un clopot 1. În spaţiul liber din interiorul clopotului este transmisă prin tubul 7,

una din presiuni (p1 ), iar deasupra clopotului - presiunea p2 . Dacă p1> p2 clopotul se 12

deplasează în sus, deplasarea fiind proporţională cu diferenţa celor două presiuni Δp=p1−p2 .

Deplasarea clopotului determină rotirea axului 5 cu un unghi α = 0 ... 16°. Axul 5 roteşte

magnetul mobil al modulatorului adaptorului ELT 370, care elaborează la ieşire un semnal

unificat (2... 10 mA ).

CAP. IV. ALTE TIPURI DE TRADUCTOARE

IV.1 Traductoare de presiune cu senzori elastici

• Au elemente elastice care convertesc presiunea în deformaţia elastică a unor corpuri.

• Senzorii utilizaţi sunt:

- tub simplu curbat,

- tubu spiral,

- membrana simplă sau dublă (capsula) şi

- tip burduf.

Membranele = plăci elastice de grosime mică, circulare, încastrate pe un contur. Sub

acţiunea presiunii aplicate pe o faţă, se produc deformaţii uşor măsurabile.

Pot măsura presiuni de la câţiva mmH20 până la sute de atmosfere.

Se utilizează ca senzori separaţi sau împreună cu alte traductoare de presiune

(piezoelectrice, magnetoelastice).

După forma constructivă, membranele sunt:13

- plane,

- grofate,

- sferice.

Tuburile ondulate (sifoanele) - tuburi cilindrice cu gofraje transversale pe lateral.

Profilul tubului diferă, funcţie de aplicaţie. Pentru solicitări de întindere, se

execută cu un punct de inflexiune, iar pentru solicitări de compresiune se folosesc

profiluri drepte.

Tuburile Bourdon au forma unui arc de cerc cu un unghi la centru de aprox. 250°.

Sunt simple şi au o mare răspândire.

Sensibile, au mecanisme de multiplicare a deplasării capătului liber.

Se folosesc la măsurarea presiunilor de câţiva mmHg până la aprox. 400 daN/cm2.

Au secţiuni: ovale, eliptice, forma literei D, etc.

Adaptoarele folosite pentru traductoare de presiune cu senzori elastici:

- adaptorul deplasare unghiulară-tensiune electrică, care transformă variaţia unghiulară

într-o tensiune alternativă modulată în amplitudine;

- adaptorul bazat pe principiul balanţei de forţe, care converteşte presiunea relativă în

semnal electric unificat.

14

IV.2 Traductoare de presiune cu lichid

Senzori tip clopot

• Folosiţi la măsurarea presiunilor < 100 mmH2O, în fluide neutre sau corozive.

• Iniţial, când presiunea de măsurat este egală cu presiunea atmosferică, clopotul este

scufundat în lichid, la o adâncime la care greutatea clopotului este echilibrată de

greutatea volumului de lichid dezlocuit. Dacă sub clopot se introduce o presiune mai

mare decât presiunea atmosferică, pe suprafaţa interioară a clopotului va acţiona o forţă

suplimentară ascensională care va ridica clopotul.

• Se obţine o dependenţă liniară a deplasării clopotului sub acţiunea presiunii.

Senzori tip tor oscilant

• Măsoară presiuni sau diferenţe de presiuni mici (mmH20) cu sensibilitate mare.

- dacă p1 = p2, pârghia e orizontală şi sistemul în echilibru

- fată de axul aparatului;

- dacă p1 > p2, nivelul lichidului din stânga torului

va coborî şi va urca în dreapta;

- diferenţa de nivel e proporţională cu (p1 - p2), torul

se roteşte faţă de axa de simetrie verticală.

Diferenţa de presiune e transformată în unghi,

relaţia fiind neliniară.

15

IV. 3 Traductoare de presiune cu elemente piezorezistive

• Au în acelaşi ansamblu senzorul şi dispozitivul de conversie intermediară.

• Piezorezistivitatea - proprietatea unui corp de a-şi varia rezistivitatea la acţiuni

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

» e = sarcina electronului

» n = numărul de purtători

» m = mobilitatea medie

• Aplicarea unei tensiuni mecanice modifică numărul de purtători şi mobilitatea lor.

• La semiconductoare, tensiunile mecanice cresc mobilitatea purtătorilor pe o anumită

direcţie, faţă de direcţia perpendiculară.

• Mobilitatea depinde de concentraţia de purtători şi de orientarea cristalografică în

raport cu direcţia de aplicare a solicitărilor.

• Funcţie de planul cristalografic şi direcţie, mobilităţile au valori egale şi semne opuse pe

diverse direcţii, permiţând fabricarea unor dispozitive compensate cu temperatura.

16

P

1

P

2 P1 >

p2

h

IV.4 Traductoare de presiune piezoelectrice

Senzorii piezoelectrici

• Se folosesc la traductoare pentru presiuni înalte, variabile în timp (500 ... 1000 Hz).

• Au forma unui disc pretensionat, aşezat între două discuri metalice, cu 2 arcuri laterale

sau o membrană.

• Trebuie eliminate erorile de încovoiere date de centrări imperfecte şi erorile parazite

date de vibraţii mecanice.

• Senzorul piezoelectric cu tranzistor MOSFET din GaAs are conv. sarcină – tens. pentru

temperaturi mari în aceeaşi structură, fără necesitatea răcirii cu apă.

• Pe lângă efectul piezoelectric longitudinal, GaAs are şi efect piezoelectric transversal,

semnalul piezoelectric fiind independent de deformarea paralelă cu direcţia de aplicare

a presiunii, determinată de variaţia cu temperatura.

• Cel mai simplu convertor sarcină - tensiune este un TEC în care sarcina electrică se

foloseşte pentru controlul curentului de drenă.

17

IV.5 Traductoare de presiune speciale

Traductoare de vacuum

• pentru presiuni foarte mici (< 0,1 torr).

• sunt de mai multe feluri:

- cu variaţia conductibilităţii termice,

- cu ionizare,

- cu ionizare în câmp magnetic,

- cu ionizare radioactivă, etc.

• Domeniul de măsurare ajunge până la 10-18 torr.

Traductoare pentru presiuni foarte înalte (zeci de mii de atmosfere)

- elemente rezistive a căror rezistenţă variază cu presiunea (metale, aliaje sau materiale

polimorfice);

- elemente inductive, la care modificările de presiune determină modificări de inductanţă,

datorită variaţiei volumului miezului magnetic;

- celule electrolitice, a căror tensiune de ieşire scade la creşterea presiunii.

Traductoare de presiune cu elemente elastice vibrante

• Funcţionează după principiile traductoarelor cu coardă vibrantă pentru forţe.

18

• Există două variante:

- cu membrană vibrantă (p < 100 at) şi

- cu cilindru vibrant {p » 1...700 at).

Traductoare de presiune integrate

• Senzorul şi adaptorul sunt integrate într-un singur ansamblu.

• Avantaje:

- domenii de presiune mari,

- precizie < 1%, sensibilitate < 0,5%,

- eroare de neliniaritate < 0,1 %,

- alimentare cu tensiune continuă 24...30 V,

- bandă largă de frecvenţe 0 Hz ... 50kHz,

- imunitate la şocuri şi vibraţii mecanice,

- dimensiuni mici, instalare şi exploatare simplă, cuplare cu alte sisteme de măsurare.

• Schema bloc cuprinde:

- regulatorul de tensiune,

- senzorul de presiune,

- amplificatorul, senzorul de temperatură,

- circuitul de compensare a temperaturii şi

- amplificatorul final.

• Senzorul este de tip piezorezistiv, din cristal de Si pe un suport atenuator de şocuri.

19

• Pentru măsurarea presiunii fluidelor corozive se folosesc fluide tampon.

IV.6 Traductoare de presiune cu FO

Traductor de presiune mare cu senzor de deplasare cu FO

• Senzorul este cu variaţia intensităţii RO

• Are 3 FO multimod, într-o consolă elastică, ce se deplasează sub acţiunea presiunii:

- 1 FO fixă de intrare şi

- 2 FO de ieşire - au capetele lipite şi deplasabile în faţa capătului FO de intrare.

• Intensităţile RO de ieşire din cele două fibre, I1 şi I2 sunt detectate cu fotodiodele FD1 şi

FD2, conectate diferenţial.

• Diferenţa I1 - I2 = măsura deplasării relative a capetelor FO.

Traductor de presiune mare cu senzor de deplasare cu FO

• Senzorul este cu variaţia intensităţii RO

• Are 3 FO multimod, într-o consolă elastică, ce se deplasează sub acţiunea presiunii:

- 1 FO fixă de intrare şi

- 2 FO de ieşire - au capetele lipite şi deplasabile în faţa capătului FO de intrare.

• Intensităţile RO de ieşire din cele două fibre, I1 şi I2 sunt detectate cu fotodiodele FD1 şi

FD2, conectate diferenţial.

20

• Diferenţa I1 - I2 = măsura deplasării relative a capetelor FO.

Traductor de presiune cu reţea de difracţie în fibra optică

• Este avantajos doar dacă se compensează efectele variaţiei cu temperatura.

Metode de compensare:

- folosirea altei reţele de difracţie într-un material diferit,

- măsurarea simultană a efortului şi temperaturii cu două reţele de difracţie suprapuse,

- poziţionarea reţelei de difracţie pe suprafaţă şi

- realizarea reţelei de difracţie independentă de temperatură cu o reţea de difracţie cu

formă specială în fibră optică plată.

• Pentru creşterea sensibilităţii, fibra cu reţea de difracţie se introduce într-o mică sferă cu

pereţi subţiri de sticlă. Când sfera este presurizată, variaţia diametrului depinde de

grosimea peretelui de sticlă. Dacă FO este lipită bine de sfera de sticlă, efortul indus de

presiune în sfera goală este egal cu variaţia relativă a diametrului sferei.

21

Dioda laser

Circuit de

comandă

Semnal modulator

Cameră de

presiune

Placă de achiziţie

Calculator

Amplificator sincron

FD2

FD1

Procesor

Presiune

FO

22

p

ELED

1300 nm

Sistem urmărire lungime de undă

Reţea de difracţie în

FOSferă de presiune cu

pereţi de sticlă

FO

Cuplor