Traductoarele - Traductoare electromagnetice

Traductoarele pot fi utilizate atât ca elemente de masurare pentru controlul parametrilor cât si ca elemente componente în cadrul dispozitivelor de automatizare intercalate în sisteme de reglare automata.

Traductoarele se pot clasifica dupa urmatoarele criterii:

Dupa parametrul masurat:

-traductoare de temperatura, presiune, debit, nivel, pH, compozitie, concentratie, etc.

Traductoarele îsi bazeaza functionarea pe feno 10410x2316k mene sau proprietati ale materialelor care permit transformarea unor marimi fizice în altele cum ar fi: dilatarea corpurilor, variatia rezistentei electrice, pierderea de presiune pe rezistente hidraulice sau pneumatice etc.

Dupa natura fenomenului care sta la baza functionarii lor.

traductoare: electrice, pneumatice, chimice, de radiatie etc.

Traductoare de presiune cu lichid

La aceste traductoare, presiunea de masurat se compara direct cu presiunea hidrostatica a unei coloane de lichid. Desi simple, aceste traductoare se caracterizeaza printr-o precizie mare. Prezinta însa o serie de neajunsuri din punctul de vedere al exploatarii (gabarite mari, domenii de masurare mici etc.), fapt pentru care în industrie sunt mai putin raspândite decât traductoarele cu elemente elastice. În tehnica de laborator, mai ales în domeniul presiunilor mici, traductoarele de presiune cu lichid sunt însa foarte utilizate. Din grupa acestor traductoare, cele cu tub U sunt constructiv cele mai simple (figura 1.8).Lichidul din tub poate fi mercur, apa, alcool etilic etc., acesta fiind ales functie de natura fizica a fluidului a carui presiune dorim sa o masuram si de valoarea acesteia.

Dependenta înaltimii coloanei de lichid de diferenta de presiune ΔP=P₁ - P₂ este:

în care: ρ - masa specifica a lichidului de umplutura;

ρ_f - masa specifica a fluidului a carui presiune se masoara;

g - acceleratia gravitationala.

În cazul în care presiunile de masurat sunt foarte mici se utilizeaza traductoare de presiune cu tub înclinat

Lungimea y a coloanei de lichid din tubul înclinat se determina cu relatia data.

Aceste traductoare au o sensibilitate mai ridicata decât cele cu tub U.

Traductoare electromagnetice

Aceste traductoare îsi bazeaza functionarea pe existenta fenomenului de inductie magnetica.  Constructiv, traductorul electromagnetic este realizat dintr-un tub din material izolant sau metalic acoperit cu un strat izolant, fixat între polii unui electromagnet (figura 1.13). Materialul tubului trebuie sa fie în toate cazurile nemagnetic (otel austenitic sau PVC). Prin peretii tubului trec electrozii 3, între care apare o tensiune electromotoare u_t, indusa în tubul de lichid dintre acestia. Lichidul care se gaseste la un moment dat între electrozii 3 poate fi imaginat ca un conductor ce se deplaseaza cu viteza în câmpul magnetic de inductie B

Traductoare termoelectrice

Aceste traductor denumite frecvent si termocuplu este compus din doi electrozi A si B, confectionati din metale diferite, care se sudeaza la unul din capete. Capetele nesudate se numesc reci" sau "libere si au aceeasi temperatura T₀. Punctul de sudura al electrozilor se numeste capat "cald" sau "sudat" al termocuplului si se gaseste la o anumita temperatura T (fig.1.15).

Functionarea acestor traductoare se bazeaza pe fenomenul termoelectric, efectul Seebeck, care consta în aparitia unui câmp electric imprimat, si deci a unei tensiuni electromotoare, într-un circuit alcatuit din mai multi conductori de naturi diferite si cu punctele de contact la temperaturi diferite. Daca capetele libere ale termocuplului se gasesc în gol, între acestea apare o diferenta de potential egala cu tensiunea electromotoare Seebeck:

în care a_AB este coeficientul Seebeck relativ la conductorii A si B.

Din relatia tensiunii se observa ca daca temperatura capetelor reci T₀ este mentinuta constanta, atunci, prin masurarea diferentei de potential U_AB se poate determina temperatura T a capatului sudat care, în regim stationar coincide cu temperatura mediului în care se afla acesta. Valoarea coeficientului Seebeck a_AB, depinde de perechea de electrozi A si B ce alcatuiesc termocuplul si prin aceasta determina forma caracteristicii statice a fiecarui termocuplu.

În figura sunt prezentate caracteristicile statice pentru termocuplurile fier - constantan (Fe - Const.), cromel - alumel (C - A) si platina rodiu - platina (Pt Rh - Pt).

S-a aratat mai sus ca pentru a putea determina temperatura T prin masurarea tensiunii termoelectrice, temperatura T₀ a capetelor libere trebuie mentinuta constanta la o valoare cunoscuta. Aceasta cerinta este mai usor de realizat în zone cu temperaturi mai joase, îndepartate de punctul de masurare. Aceasta necesita prelungirea termoelectrozilor pâna la camerele de masurare sau în alte locuri convenabile. Prelungirea se realizeaza cu ajutorul a doua conductoare, numite conductoare de prelungire, care pot fi din acelasi material cu termoelectrozii sau din alte metale sau aliaje, care în intervalul -30 C . +100 C, au aceleasi proprietati termoelectrice cu termoelectrozii.

Pentru a nu fi expusi continuu mediului în care se masoara temperatura, electrozii termocuplului sunt introdusi într-un tub protector (teaca). Materialul din care se confectioneaza teaca protectoare este ales functie de temperatura si mediul în care lucreaza termocuplul. În general acesta este fie otel obisnuit sau special, fie material ceramic. În acest caz, comportarea dinamica a termocuplului este diferita, constanta de timp care apare în transmiterea caldurii nu poate fi neglijata (2 - 20 s).

Tensiunea electromotoare dezvoltata de termocuplu se poate masura prin doua metode:

metoda deviatiei - milivoltmetrul magnetoelectric se leaga direct la termocuplu (figura 1.17), scala aparatului fiind gradata direct în unitati de temperatura.

metoda compensatiei -(potentiometrica), care consta în compensarea tensiunii necunoscuta U_AB a termocuplului cu o tensiune cunoscuta, culeasa de pe portiunea R_X a rezistentei R .

Pozitia 1 a comutatorului K corespunde masurarii. În acest caz tensiunii U_AB i se opune caderea de tensiune U_C culeasa pe rezistenta R_X (U_C=R_X I). Se poate afla o asemenea pozitie a cursorului C, astfel încât U_AB=U_C, pozitie pusa în evidenta de un galvanometru. Prin urmare fiecarei valori U_AB, îi corespunde o anumita pozitie a cursorului C. Daca R este o rezistenta calibrata si liniara, aparatul se poate etalona, atasându-se acestei rezistente o scala gradata direct în unitati de temperatura.

La instalatii industriale se utilizeaza potentiometrele electronice automate (figura 1.18.b). Daca tensiunile U_C si U_AB nu sunt egale, la intrarea amplificatorului A apare semnalul de eroare DI, respectiv o tensiune asociata acestuia. Amplificatorul electronic A comanda motorul M, care, rotindu-se într-un sens corespunzator, deplaseaza cursorul reostatului R, si în acelasi timp cu acesta, acul indicator si înregistrator al aparatului. Astfel daca U_AB>U_C, cursorul reostatului va fi deplasat spre dreapta si daca U_AB<U_C, spre stânga. Deplasarea cursorului în sensul corespunzator are loc pâna când se realizeaza egalitatea U_C=U_AB, situatie în care semnalul de eroare este nul si motorul M este în repaus. Scala aparatului este gradata direct în unitati de temperatura.

Traductoare termorezistive

Variatia rezistentei electrice a conductoarelor si semiconductoarelor cu temperatura constituie baza functionarii traductoarelor termorezistive. În raport cu termocuplele, acestea prezinta avantajul ca nu necesita conductoare de prelungire speciale. Sunt utilizate în domeniul -200 . +600 C. În constructia termorezistentelor se folosesc metale pure: frecvent se utilizeaza cuprul, nichelul si platina.

Pentru cupru, dependenta de temperatura în intervalul -50 . +200 C este liniara:

iar pentru platina, în intervalul 0 . C, dependenta este:

Constructiv, traductorul se compune dintr-un tub protector metalic, asemanator cu cel al termocuplului, în care se introduce termorezistenta propriu-zisa (figura 20). Termorezistenta este compusa dintr-un suport de sticla, ceramica sau mica, pe care este bobinat conductorul (sârma cu diametrul de 0,08 . 0,04 mm).

La materialele semiconductoare, rezistenta electrica variaza cu temperatura dupa legea exponentiala:

în care: A - constanta care depinde de forma si dimensiunile termistorului;

B - constanta caracteristica a materialului din care este confectionat termistorul, mai mica decât zero;

T - temperatura absoluta a mediului în care se afla materialul semiconductor.

Traductoarele termorezistive confectionate din materiale semiconductoare poarta numele de termistori. În raport cu termorezistenta, termistorul prezinta avantajul unei variatii mult mai mari a rezistentei cu temperatura, care conduce la o sensibilitate superioara acestuia. Fata de termorezistenta, termistorul prezinta însa dezavantajul ca interschimbabilitatea nu este posibila decât în conditiile luarii unor masuri suplimentare în ceea ce priveste schema utilizata.

Masurarea temperaturii utilizând ca element sensibil termorezistenta se poate face: 1. Direct, cu logometrul (figura 1.20) care este un aparat magnetoelectric cu ajutorul caruia se masoara raportul a doua marimi electrice (curenti, rezistente etc.).

O parte componenta a acestuia este un cadru mobil, alcatuit din doua bobine, de care este fixat acul indicator. Fiecare din cele doua bobine formeaza câte un cuplu, acestea fiind de sensuri opuse; egalitatea celor doua cupluri determina pozitia de echilibru a echipajului mobil. Cadrul mobil este atasat în întrefierul unui magnet permanent. Forma circuitului magnetic este astfel alcatuita încât inductia este maxima pe axa polilor si scade catre extremitatile pieselor polare. Din acest motiv, inductia în întrefier este o functie de marimea unghiului a de deplasare a cadrului mobil. Caracteristica statica este:

Scala logometrului, în urma unei etalonari prealabile poate fi gradata direct în unitati de temperatura.

2. Montaje în punte a carui schema este redata în figura 1.21.

unde: R₁, R₂ - rezistente fixe; R₃ - rezistenta variabila; R_T - traductor termorezistiv;

r - rezistenta conductorului de legatura a traductorului la punte.

Cu ajutorul rezistentei R₃ se echilibreaza puntea, tensiunea U_cd=0 si:

Deoarece rezistenta r a conductorilor de legatura ai traductorului rezistiv se modifica cu temperatura mediului ambiant, rezulta ca precizia determinarii temperaturii cu R_T este afectata de aceste variatii. Din acest motiv în cazul unor conductori de legatura de lungime relativ mare, se utilizeaza montajul cu trei conductoare de legatura (trifilar), (figura 1.22).

Pentru masuratori industriale, în locul puntilor cu echilibrare manuala se utilizeaza cele cu echilibrare automata (figura 1.22).

Atunci când puntea este neechilibrata, tensiunea U_cd se aplica la intrarea amplificatorului A, a carui iesire comanda motorul asincron bifazat M. Acest semnal de comanda, împreuna cu alimentarea din cealalta înfasurare a motorului, creeaza un câmp magnetic rotitor, care conduce la miscarea rotorului si astfel prin legatura mecanica reprezentata punctat, este pus în miscare cursorul pentru echilibrarea puntii. Scala aparatului indicator înregistrator este gradata în unitati de temperatura.

Traductoare de presiune cu lichid.

Aceste traductoare folosesc fie fenomenul de dilatare a corpurilor (solide, lichide) cu temperatura, fie fenomenul de variatie cu temperatura a presiunii gazelor sau vaporilor într-un volum constant.

În cazul utilizarii corpurilor solide, solutia constructiva obisnuita este cea bimetalica, realizata sub forma de placute sau bara tub, în care cele doua elemente au coeficienti de dilatare diferiti.

Traductoarele bazate pe dilatarea lichidelor si gazelor se construiesc sub forma unui cartus conectat printr-un tub capilar la un element deformabil, de exemplu tub Bourdon, figura 1.23.

Fig. 1.23

Cromatografia gazoasa

Cromatografia este o metoda fizica de separare a amestecurilor gazoase multicomponente care se bazeaza pe repartitia diferita a componentelor unui amestec între o faza mobila si una stationara, având ca urmare deplasarea cu viteza diferita a componentelor purtate în faza mobila, de-a lungul fazei stationare.

Schema bloc a unui cromatograf de gaze este reprezentata în figura 1.38.

Elementele lui principiale sunt coloana 1 si detectorul 2, la acestea adaugându-se sursa de eluent 3, dispozitivul de masurare si reglare a debitului 4, dispozitivul de introducere a probei 5, termostatul 6 si instrumentul de înregistrare 7 a semnalelor furnizate de detector.

Eluentul trece prin dispozitivul de introducere al probei, preia proba de analizat si o introduce în coloana cromatografica. Din cauza interactiunii moleculelor probei cu faza stationara, componentele ramân în urma eluentului. În functie de diferentele care exista între echilibrele lor de repartitie între cele doua faze, se produce o diferentiere a vitezelor lor de migrare si final separarea. Esalonate astfel în timp, componentele sunt purtate de eluent dupa iesirea din coloana, în detector. Acesta transforma diferenta unei proprietati fizice între component si eluent într-un semnal electric, proportional cu concentratia componentului în faza gazoasa.

Reprezentarea grafica a semnalului detectorului în functie de timp, obtinuta cu ajutorul înregistratorului, se numeste cromatograma (figura 1.38b). Semnalele obtinute sub forma unor vârfuri, numite picuri corespund componentelor probei.

Timpul la care apare maximul unui pic, masurat din momentul introducerii probei, se numeste timp de retinere, t_R, si este caracteristica calitativa a componentului respectiv. Înaltimea picului h, sau aria suprafetei lui A, constituie parametrul cantitativ, proportional cu cantitatea de component.

Cu t_M, se noteaza timpul în care eluentul si componentele care nu interactioneaza cu faza stationara parcurg distanta pâna la detector.

Performantele aparaturii gaz cromatografice si conditiile de lucru, variaza între limite largi si constituie obiectul multor tratate stiintifice si articole din publicatiile de specialitate.

Spectrometria de masa

Spectrometria de masa, metoda fizica de separare, permite analizarea amestecurilor diferitelor substante, pe baza ionizarii acestora în conditii de vid înalt si obtinerii ionilor încarcati electric, dupa care acesti ioni se separa dupa numarul lor de masa. Marimea curentului ionic este o masura a continutului de component determinat în amestecul de analizat. Ionii se grupeaza sub actiunea concomitenta a unui câmp magnetic si electric si se misca pe diferite traiectorii.

Între masa ionului m si sarcina sa q exista urmatoarea relatie:

în care: B - inductia magnetica;

r - raza de miscare a ionului;

U - potentialul electric.

Relatia dedusa constituie baza fizica a spectrometriei de masa.

La anumite valori ale lui B si U se poate masura numarul ionilor pozitivi sau negativi, cu determinarea raportului m/q si dupa valoarea curentului de ioni se determina cantitatea de ioni separati si apoi continutul amestecului de analizat.

În figura 1.39 este redata schema bloc a unui spectrometru de masa. Amestecul de gaz intra la presiune joasa în camera de ionizare 1, unde este bombardat cu electroni, formându-se ioni pozitivi, care sub actiunea câmpului electric realizat cu diferenta de potential DU, primesc o acceleratie corespunzatoare.

Ca atare ionii ies din camera de ionizare 1 cu o viteza determinata si prin orificiile 2 si 3 intra în camera 5, în care se afla un câmp magnetic a carui vector de inductie B este îndreptat perpendicular pe suprafata desenului.

Ionii separati, în concordanta cu raportul lor m/q descriu traiectorii în forma de cercuri cu raze diferite. Ionii care se vor misca cu raza r₃, trec prin orificiul 4 si cad pe colectorul cu disc 6, pe care se descarca.

Curentul electric a carui marime este determinata de numarul de ioni ce lovesc colectorul în unitatea de timp, produce pe rezistenta 7, o cadere de tensiune, care este amplificata în amplificatorul de curent continuu 8 si este înregistrata la aparatul de masurare 9.

Modificarea inductiei B a câmpului magnetic sau a tensiunii U a câmpului electric pot mari sau micsora raza traiectoriei r, a ionilor, cu diferite mase, care cad pe colector.

Modificând continuu una din cele 2 marimi, la aparatul de înregistrare 9, se vor obtine înregistrari cu picuri, care corespund ionilor de masa determinata.

Înaltimea fiecarui pic este caracteristica pentru concentratia ionilor de masa data în amestecul de gaz (figura 45).

Fiecare spectrometru de masa are un sistem de pompe cu vacuum.

Vidul înalt este necesar pentru ca drumul liber mijlociu al ionilor trebuie sa fie mai mare decât dimensiunea tubului si pentru a limita ciocnirea ionilor determinati, cu moleculele de aer din tubul spectrometrului. Pe lânga acestea si durata de încalzire a firului pentru emisia de electroni depinde de marimea vaacumului.

Cu toate avantajele lor, aceste metode înca nu se utilizeaza în scheme de automatizare, aceasta fiind o problema a viitorului.

v   Regulatoare autoadaptive

Regulatoarele obisnuite care functioneaza într-un anumit proces tehnologic, pe o anumita durata sunt alese în concordanta cu anumite criterii. În concordanta cu aceleasi criterii, pe baza modelului matematic al instalatiei tehnologice respective, se determina cei mai buni parametri K_p T_i si T_d. Operatia de determinare a acestor valori se numeste acordare optimala. La procesele obisnuite, dupa obtinerea prin acordare optimala a celor mai bune valori pentru parametrii K_p T_i si T_d, valorile acestora se fixeaza la butoanele regulatorului industrial si instalatia functioneaza în permanenta în conditii date.

Exista situatii când instalatia tehnologica necesita regulatoare care sa prezinte structuri interne variabile în amplificatorul operational AO, deci algoritmi de conducere care trebuie modificati în decursul proceselor de fabricatie.

Aceasta situatie apare mai ales când punctul de functionare al unei instalatii este un punct de schimbare a caracteristicii statice. În aceasta situatie, se schimba valoarea dorita a parametrului reglat, se pot schimba valorile dorite ale mai multor variabile de iesire. Poate fi necesara schimbarea tipului algoritmului (PD → PID, P → PI) cât si valorile pentru parametrii K_p, T_i si T_d. În acest caz se folosesc regulatoare autoadaptive.

Regulatoarele autoadaptive prezinta structuri variabile pentru a dezvolta algoritmi de reglare modificabili în decursul procesului de conducere a unei instalatii tehnologice. Schema bloc principiala (figura 4.35) a unui sistem de reglare automata cu regulatoare autoadaptive este mai complexa, contine si modelul matematic al procesului, obtinut în urma operatiei de identificare.

În aceasta situatie, cu ajutorul modelului matematic static sau dinamic, se recalculeaza noile valori pentru parametrii fizico-chimici ai procesului tehnologic care se transmit elementului de corectie. Acesta, în functie de valorile acestor parametrii va schimba expresia matematica a algoritmului de reglare daca este cazul sau doar va recalcula valorile parametrilor K_p T_i si T_d. Aceste date vor fi transmise amplificatorului operational, AO, care prin autoactionare va efectua operatiile necesare. Caracteristic acestor regulatoare este faptul ca amplificatorul operational, singur, îndeplineste directivele provenind de la elementul de corectie. Astfel, SRA-ul va fi capabil sa conduca procesul la alt punct de functionare si sa-l mentina în acest punct. La acest tip de sistem de reglare automat conducerea AO prin elementul de corectie se face cu calculatorul. 

v   Regulatoare optimale

Acest tip de regulatoare se utilizeaza în situatiile în care procesul este condus optimal. Acest lucru presupune ca starea procesului nu este stationara ci variabila, ea fiind dirijata într-o anumita zona în care o anumita functie obiectiv este maximizata sau minimizata. Pentru a realiza acest lucru se utilizeaza regulatoare cu marime de referinta variabila dupa o anumita functie de timp. Aceasta functie notata w(t) este stabilita de un element de corectie ce primeste informatii din proces prin intermediul modelului matematic, MM, static sau dinamic determinat pentru acesta.

Modelul matematic este cunoscut în urma operatiei de identificare si pe lânga relatiile matematice care caracterizeaza ecuatiile obisnuite de transport, stare, cinetica chimica, echilibru chimic, modelul matematic mai trebuie sa contina si expresia functiei obiectiv sau a criteriului de performanta care sa maximizeze sau sa minimizeze si relatiile de restrictie pentru o serie de parametri care influenteaza variabila de iesire. Programul de optimizare trebuie sa calculeze cea mai buna functie w(t) care sa duca la maximizarea sau minimizarea functiei obiectiv. Figura 4.36 prezinta schema bloc a unui regulator optimal.

Modelul matematic, respectiv elementul de calcul al functiei w(t) sunt reprezentate de softul unui calculator.

Variabila de iesire va trebui sa se modifice dupa o functie e(t) care sa urmareasca exact functia w(t). Programul de optimizare contine si calculele matematice necesare pentru metoda de cautare a optimului adoptata pentru problema respectiva.