Dispozitive de automatizare

Dispozitivul de automatizare, in cadrul sistemelor de reglare automata, are rolul de a masura continuu valoarea variabilei de iesire (marimii reglate), de a compara valoarea acesteia, cu valoarea variabilei de intrare ( valoarea prescrisa) si la sesizarea unei abateri, de a actiona concret, dupa o anumita lege asupra procesului reglat, cautand sa readuca variabila de iesire la valoarea variabilei de intrare.

In conformitate cu rolurile mai sus amintite, actiunea de reglare a dispozitivului de automatizare cuprinde trei operatii:

masurare;

calculul abaterii si prelucrarea acesteia;

actiunea efectiva asupra procesului tehnologic.

Corespunzator acestor trei operatii, dispozitivul de automatizare cuprinde trei elemente functionale de baza:

elementul de masurare (M);

elementul calculator ( EC ) sau regulator (R);

elementul de executie (E).

In figura 1 este prezentata schema bloc a unui sistem de reglare automata, cu elementele componente ale dispozitivului de automatizare. In schema s-au cuprins punctat elementele care pot forma un singur ansamblu constructiv.

Figura 1. Dispozitivul de automatizare-schema bloc

Structura dispozitivelor de automatizare

Elementul de masurare (M) denumit si traductor de masurare, este alcatuit din elementul sensibil (M1) si traductorul de baza (M2). Schema bloc a elementului de masurare este redata in figura 2.

Elementul sensibil (M₁) se afla in contact direct cu mediul in care se urmareste variatia variabilei de iesire, e. Prin intermediul elementului sensibil se transforma variatiile variabilei de iesire (marimii reglate), in variatiile unei marimi auxiliare. De exemplu, cu ajutorul unui termocuplu, se transforma variatii de temperatura, in variatii de tensiune; prin intermediul unei diafragme, variatiile de debit se transforma in variatiile unei presiuni diferentiala. De cele mai multe ori, marimea auxiliara care constituie semnalul de iesire al elementului sensibil, nu este adecvata prin natura fizica sau prin valoarea ei, pentru a fi aplicata direct elementului calculator. Din acest motiv semnalul de iesire trebuie supus unei prelucrari intermediare. Aceasta operatie o realizeaza traductorul de baza (M₂).

Variabila de iesire a traductorului de baza, denumita marime de reactie r, este o marime electrica (curent, tensiune, rezistenta etc.), daca elementul calculator este de natura electrica, respectiv o presiune de aer comprimat, in cazul elementelor calculatoare pneumatice. Rolul elementului de masurare, in cadrul dispozitivului de automatizare este de a stabili o dependenta univoca si continua intre variabila de iesire e de o anumita natura fizica si marimea de reactie r de natura electrica sau pneumatica. In general, se urmareste ca dependenta dintre r si e sa fie liniara, astfel ca ecuatia caracteristicii statice a elementului de masurare sa fie de forma: r = K_M . e

din care sa rezulte ca acesta este un element proportional cu coeficient de transfer K_M.

Daca intarzierile de transmitere a semnalului de reglare in elementul de masurare sunt neglijabile in comparatie cu cele ale altor elemente din circuitul de reglare, se poate admite ca, elementul de masurare este de ordinul zero, ecuatia comportarii dinamice fiind de forma: r(t)=K_M.e(t)   

Deoarece in elementul calculator, marimea de reactie r trebuie sa ajunga sub forma unui semnal electric sau pneumatic unificat (4-20 mA; 0,2-l ats.), dupa traductorul de baza, se intercaleaza asa numitul adaptor de intrare A_i , care are rolul mai sus amintit.

Elementul calculator (EC) sau regulatorul (R) (figura 3) cuprinde trei subansamble de baza:

elementul de comparatie (D);

amplificatorul operational (AO); . amplificatorul de putere (AP).

Figura 3. Elementul calculator

In conformitate cu principiul de functionare al sistemelor de reglare automata, elementul de comparatie (D) are doua variabile de intrare si anume, marimea de reactie r si variabila de intrare i a intregului sistem de reglare automata. Daca variabila de intrare i a sistemului (valoarea prescrisa) este o marime constanta, elementul de intrare EI (elementul de prescriere) va genera o marime constanta proportionala cu i, numita marime de referinta w, care trebuie sa fie un semnal unificat de aceeasi natura fizica ca si marimea de reactie r.

Elementul de intrare EI nu face parte din elementul calculator, avand rolul de a transforma variabila de intrare i a intregului sistem, intr-o marime fizica adecvata structurii elementului calculator, marimea de referinta w.

Elementul de comparatie D, stabileste diferenta dintre marimea de referinta si marimea de reactie. Diferenta aceasta poarta denumirea de marime de actionare a, care constituie totodata semnalul de iesire al elementului de comparatie.

Se constata ca elementul de comparatie este de fapt un punct de insumare in care se face diferenta: a=w-r

Marimea de actionare se transmite amplificatorului operational (AO), care o prelucreaza dupa o anumita lege. Variabila de iesire a amplificatorului operational denumita marime de comanda c, prezinta o anumita dependenta fata de marimea de actionare. Operatiile matematice cel mai frecvent efectuate de catre amplificatorul operational sunt: inmultirea marimii de actionare cu o cantitate constanta, integrarea si diferentierea acesteia in raport cu timpul.

Prin structura sa, amplificatorul operational determina tipul actiunii de reglare si ca atare, constituie elementul central al dispozitivului de automatizare. Semnalul de iesire al amplificatorului operational este de putere mica, insuficienta pentru actionarea elementului de executie. De aceea, intre amplificatorul operational si elementul de executie se intercaleaza un amplificator de putere (AP). Acesta nu modifica continutul informational al semnalului de reglare, ci ii ridica numai continutul energetic.

Elementul de executie este format din mecanismul de actionare (E_l) denumit si servomotor si din organul de executie (E₂) (figura 4):

Figura 4. Elementul de executie

Mecanismul de actionare sub influenta variatiilor marimii de comanda, pune in miscare organul de executie. Acesta modifica marimea de executie m, in vederea eliminarii abaterii variabilei de iesire.

In situatia in care elementul de executie nu corespunde prin structura sa regulatorului, intre cele doua elemente se intercaleaza adaptorul de iesire A_e

Acesta are rolul de a converti marimea de comanda c intr-un semnal unificat adecvat fizic naturii elementului de executie.

II.2. Masurarea. Notiuni generale.

Masurarea este operatia de comparare a doua marimi de aceiasi natura in scopul constatarii de cate ori unitatea de masura se cuprinde in marimea de masurat.

Operatia de masurare este caracterizata de relatia :

M = M_i U    (1)

unde: M-marimea de masurat, M_i-multiplu al unitatii de masura, U-unitatea de masura.

Marimea de masurat este un parametru fizic sau chimic care poate fi evaluat prin masurare, comparare sau reperare si exprimat numeric.

Unitatea de masura este marimea care serveste ca masura de baza pentru toti parametrii de acelasi fel. Materializarea fizica a unitatii de masura este etalonul.

In mod ideal o operatie de masurare definita de relatia (1) poate fi reprezentata prin schema bloc din figura .

ES- elementul sensibil al elementului de masurare

e = x-variabila de iesire care intereseaza.

Cele trei elemente: procesul (mediul), elementul de masurare si dispozitivul de redare constituie sistemul de masurare.

Daca nu exista perturbatii, rezultatul masurarii depinde numai de valoarea marimii de masurat (M) si unitatea de masura ( U ).Deci : M_i = f(M, U)

Observatie: operatia de masurare ideala este un sistem de transmitere a unei informatii intr-un singur sens, semnalul final rezultand la dispozitivul de redare.

In practica, exista o serie de marimi de perturbatie si reactii inverse care provoaca erori de masurare. Erorile de masurare depind de variatia in timp a marimilor de perturbatie existente.

La o masurare reala schema bloc este mult mai complicata :

Un sistem de masurare poate fi utilizat :

1. numai in scopul masurarii, rezultatul aparand direct la dispozitivul de redare.

2.ca element component intr-un dispozitiv de automatizare sau de conducere, cand se pune problema ca variabila de iesire sa fie mentinuta la o anumita valoare, cand la dispozitivul de redare apare un semnal analogic denumit marime de reactie ( r ).

Toate perturbatiile si reactiile interne care actioneaza asupra elementului de masurare conduc la eronarea rezultatului masurarii.

1.Perturbatiile externe z_i pot sa se suprapuna peste semnalul de masurare aparand sub diferite forme: camp electric sau magnetic extern, modificarea temperaturii, presiunii, umiditatii mediului ambiant in care se afla elementul de masurare, deplasarea nulului activ al scalei, etc. putand actiona si in zona in care se afla ES.

2. Perturbatiile interne apar la elementul de masurare sub forma jocurilor elementelor mobile in lagare, frecari in articulatii, histereza, intervalul de insensibilitate, etc.

3. Reactiile inverse apar ca semnale cu un anumit continut informational care au sensul de propagare invers fata de sensul informatiei utile de la ES la elementul de redare.Acestea apar mai ales cand se masoara presiuni sau temperaturi.

Pentru un anumit sistem de masurare, o analiza a sensibilitatii poate stabili care marime de perturbatie influenteaza prin variatia ei rezultatul masurarii. Se poate stabili o ierarhizare a marimilor de perturbatie functie de influenta acestora asupra rezultatului masurarii deoarece orice sistem de masurare poate fi considerat ca un sistem multivariabil.

Clasificarea erorilor de masurare

Erorile de masurare in operatia de masurare apar datorita actiunii perturbatiilor interne si externe cat si datorita reactiilor inverse.

Eroarea absoluta, notata cu DM_i exprima abaterea rezultatului masurarii M_i fata de valoarea marimii de masurat M_o care ar fi indicata de un aparat de masurare ideal : DM_i =M_o -M_i

Eroarea relativa e se defineste ca raportul dintre eroarea absoluta si rezultatul masurarii :    e DM_i / M_i = (M_o -M_i )/ M_i *100 %   

Termenul de corectie C reprezinta acea valoare numeric egala cu valoarea absoluta, dar de semn schimbat : C = -DM_i = M_i -M_o   

Utilizarea termenului de corectie este importanta deoarece astfel se compenseaza, intr-o anumita proportie influenta marimilor de perturbatie.

Deoarece nu se cunoaste valoarea adevarata M_i a marimii de masurat, de cele mai multe ori nu se cunoaste nici DM_i. Din acest motiv una din cele mai importante probleme ale prelucrarii matematice a rezultatelor masurarilor este estimarea adevaratei valori a marimii masurate sau estimarea unei valori pentru M_i cat mai apropiata de M_o.

Valoarea aproximativa a marimii de masurat cu o eroare cat mai mic posibila se poate determina prin calcul matematic aplicat asupra unui sir de valori masurate, fiecare din acestea fiind afectata de o eroare necunoscuta. Metoda de prelucrare a sirului de valori masurate utilizeaza calcule statistice, de probabilitate si de foarte multe ori de regresie (ca de exemplu metoda celor mai mici patrate ).

Erorile de masurare se incadreaza in doua clase :

a). erori statice

Erorile statice apar in cazul masurarii unor marimi invariabile in timp.

b). erori dinamice

Erorile dinamice apar la masurarea unor marimi variabile in timp, depinzand in mare masura atat de valoarea momentana a marimii de masurat cat si de variatia in timp a acesteia.

Erorile statice se clasifica in functie de cauzele care le produc in :

1. erori intamplatoare
2. erori grosolane

3. erori sistematice

1. Erorile intamplatoare se datoreaza modificarii conditiilor exterioare sau actiunii unor marimi de perturbatie exterioare accidentale. Caracteristica principala a acestor erori consta in faptul ca acestea difera intre ele atat ca marime cat si ca semn, fara a rezulta din insiruirea datelor vreo regula sistematica de ordonare. Aceste erori se repartizeaza dupa legi statistice ca de exemplu curba lui Gauss. In marea majoritate a situatiilor marimea adevarata a erorii intamplatoare ramane necunoscuta deoarece ramane necunoscuta valoarea adevarata a marimii masurate.

2. Erorile grosolane intervin atunci cand se manifesta neglijente fie in realizarea conditiilor de masurare fie in aplicarea corecta a metodelor de masurare. Aceste erori sunt momentane si foarte usor de descoperit deoarece sunt incomparabil mai mari decat erorile intamplatoare.

3. Erorile sistematice apar in mod sistematic in timpul operatiei de masurare si se clasifica in doua clase :

-dupa sursa de aparitie

-dupa aspectul analitic.

In practica apar:

-erori instrumentale provenite din defecte ale aparatelor (element de masurare sau dispozitiv de redare )

-erori personale datorate organelor de simt care percep diferit auditiv si vizual semnalul de iesire

-erori datorate metodei nepotrivite de masurare.

Erorile sistematice au o actiune unilaterala si deosebit de periculoasa prin efectul lor cumulativ asupra operatiei de masurare, motiv pentru care trebuie eliminate.

Erorile dinamice au cauze multiple. Astfel fortele masice, sistemele de amortizare, capacitatile calorice a partilor componente a aparaturii mecanice, condensatorii si rezistentele ohmice sunt cateva surse de erori dinamice.

Aceste erori sunt mai mari daca in componenta instalatiei de masurare intra elemente de reglare cu timp mort. Din aceasta categorie fac parte analizoarele de gaze si lichide care trebuiesc montate la o anumita distanta de utilaj sau instalatie, conductele de legatura sunt elemente de intarziere pura ce introduc timpi morti in comportarea dinamica a acestor echipamente.

Caracteristicile instalatiilor de masurare

Instalatiile de masurare prezinta urmatoarele caracteristici :

-statice

-metrologice

-tehnice

-dinamice.

Caracteristicile statice sunt :

-domeniul de masurare   

-limita de supraincarcare

-limita de siguranta

-constanta sistemului de masurare

-caracteristica statica de etalonare.

Domeniul de masurare este domeniul de valori ale marimii de masurat pentru care erorile de masura sunt reglementate prin norme legale individuale

Limita de supraincarcare este valoarea maxima a marimii de masurat pentru care dupa revenirea in limitele domeniului de masurare nu se modifica caracteristicile statice sau dinamice ale elementului de masurare

Limita de siguranta este valoarea maxima admisibila a marimii de masurat la care poate fi expus elementul de masurare fara a fi distrus, cu toate ca apar modificari ireversibile a caracteristicii statice a acestuia.

Constanta de masurare este raportul dintre valoarea marimii de masurat si valoarea citita pe scala aparatului. Valoarea marimii masurate se obtine inmultind indicatia obtinuta cu constanta de masurare. In practica pot sa apara 2,3 scale pentru domenii diferite de valori ale aceluiasi parametru.

Caracteristica statica este dependenta redata grafic, matematic sau tabelar dintre indicatia aparatului si marimea masurata.

Caracteristicile metrologice sunt :

-precizia

-justetea

-fidelitatea

-sensibilitatea

-pragul de sensibilitate

-domeniul de histereza.

Precizia reflecta gradul de exactitate al rezultatelor masurarilor. Cea mai utilizata forma de exprimare a preciziei este cea ca un raport intre valoarea absoluta maxima DM _i si valoarea domeniului de masurare. Acest raport se numeste eroare de baza relativa si se exprima in procente. Clasa de precizie reprezinta de fapt marimea erorii de baza relativa iar precizia erorii de baza relativa exprimata procentual. Elementele de masurare ale caror erori maxime tolerate sunt exprimate in erori absolute sunt repartizate in clase de precizie carora le sunt atribuite numere de ordine. Cele mai mari numere desemneaza elementele de masurare ale caror erori maxime tolerate sunt cele mai mari.

Justetea este proprietatea de a da rezultate apropiate de valoarea adevarata a marimii de masurat.

Fidelitatea se refera la proprietatea unui element de masurare de a avea variatii cat mai mici ale rezultatului la variatia repetata a aceleiasi marimi in conditii identice de masurare.

Sensibilitatea este proprietatea de a percepe si a reda variatii cat mai mici ale marimii de masurat. In cadrul elementelor de masurare cu caracteristica statica liniara, sensibilitatea este chiar panta caracteristicii statice care este egala cu raportul dintre variatia indicatiei scalei dispozitivului de reglare si variatia corespunzatoare a marimii de masurare M.

Pragul de sensibilitate se defineste ca cea mai mica valoare a marimii de masurat M pentru care se obtine o variatie sesisabila la indicatia dispozitivului de redare.

Domeniul de histereza este diferenta maxima a valorilor indicatiei dispozitivului de redare care se obtine pentru aceleasi valori a marimii de masurat M, daca la aceasta valoare se ajunge printr-o variatie lenta crescatoare sau descrescatoare a marimii de masurat M.

Caracteristicile tehnice sunt determinate de principiul de functionare, forma, gabarit si modul in care influenteaza masurarea factorii perturbanti.

Aceste caracteristici sunt :

-stabilitate

-inertie

-generalitate

-fiabilitate

Stabilitatea consta in mentinerea calitatii metrologice in timp, indiferent de conditiile externe.

Inertia reflecta modul in care elementul de masurare raspunde in timp la variatia marimii de masurat

Generalitatea este caracteristica unui element de masurare de a putea fi inlocuit in determinari similare cu echipamente de acelasi fel cu aceleasi caracteristici metrologice si tehnice.

Fiabilitatea este proprietatea care se exprima prin probabilitatea ca un element de masurare sa-si indeplineasca functia impusa in anumite conditii prescrise in cursul unei perioade de timp date.

Cei mai importanti parametrii ce caracterizeaza fiabilitatea si care trebuiesc precizati pentru un element de masura sunt :

-durata de viata : durata de timp din momentul in care aparatul iese de la fabrica pana la uzura totala

-numar de porniri

-timpul de reparare : timpul total afectat reparatiilor in durata de viata

-durata de buna functionare exprimata prin suma timpilor de buna functionare

-mentenabilitatea - exprimata prin probabilitatea ca un element de masurare sa poata fi supravegheat, intretinut, reparat intr-o anumita perioada de timp

-disponibilitatea exprimata prin probabilitatea ca un element de masurare sa fie in stare de functionare in orice moment in intervalul dintre operatiile de intretinere planificate.

Caracteristicile dinamice sunt reflectate prin raspunsurile la semnal tip a elementelor de masurare. Cel mai des este utilizat raspunsul la semnal treapta. Cel mai important indicator ce caracterizeaza proprietatile dinamice este constanta de timp T care este obligatoriu sa fie inserata in orice prospect in care este prezentat elementul de masurare.

Constanta T reflecta intarzierea transmiterii informatiei in interiorul instalatiei de masurare de la locul in care se afla montat elementul sensibil la scala dispozitivului de redare.

Daca in structura elementului de masurare exista si elemente de reglare de intarziere pura, acestea trebuie sa se specifice, avand ca caracteristica dinamica timpul mort t _m.

II.2. Sisteme de masurare

Sistemele de masurare au rolul de a transforma un parametru (o marime de o anumita natura - fizica, chimica, etc.) intr-o marime de natura electrica, pneumatica, etc. Aceasta transformare s-a impus datorita avantajelor pe care le ofera semnalele electrice sau pneumatice in ceea ce priveste liniile de transmisie si aparatele de masurare utilizate. Datorita cresterii gradului de complexitate aparatele de masurare sunt tratate ca si sisteme.

In cadrul dispozitivelor de automatizare, traductoarele (sistemul de masurare) au rolul de a transforma marimea de iesire e a procesului automatizat, in marime de reactie r. Marimea de reactie r apare sub forma unui semnal informational, care de cele mai multe ori este de alta natura fizica, decat marimea de iesire e (marimea reglata x). In cadrul sistemelor de reglare automata, traductoarele se afla plasate pe calea de reactie, asigurand transmiterea informatiei la intrarea regulatorului.

Schema bloc a unui sistem de masurare (traductor) este redata in figura:

Elementul de masurare (M) denumit si traductor de masurare, este alcatuit din elementul sensibil (M1) si traductorul de baza (M2) si adaptorul de intrare A_i

Elementul sensibil (M₁) se afla in contact direct cu mediul in care se urmareste variatia variabilei de iesire, e. Prin intermediul elementului sensibil se transforma variatiile variabilei de iesire (marimii reglate), in variatiile unei marimi auxiliare. De exemplu, cu ajutorul unui termocuplu, se transforma variatii de temperatura, in variatii de tensiune; prin intermediul unei diafragme, variatiile de debit se transforma in variatiile unei presiuni diferentiala. De cele mai multe ori, marimea auxiliara care constituie semnalul de iesire al elementului sensibil, nu este adecvata prin natura fizica sau prin valoarea ei, pentru a fi aplicata direct elementului calculator. Din acest motiv semnalul de iesire trebuie supus unei prelucrari intermediare. Aceasta operatie o realizeaza traductorul de baza (M₂). Variabila de iesire a traductorului de baza, denumita marime de reactie r, este o marime electrica (curent, tensiune, etc.).

Traductoarele pot fi utilizate atat ca elemente de masurare pentru controlul parametrilor cat si ca elemente componente in cadrul dispozitivelor de automatizare intercalate in 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 isi bazeaza functionarea pe fenomene sau proprietati ale materialelor care permit transformarea unor marimi fizice in 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.

Calitatea si stabilitatea circuitelor de reglare depind in mare masura de caracteristicile tehnice si metrologice ale traductoarelor. Cu cat aceste caracteristici sunt mai bune, cu atat performantele sistemelor de reglare automata sunt mai ridicate.

In general, traductoarele nu au intotdeauna caracteristici tehnice si metrologice care sa satisfaca cerintele procesului tehnologic automatizat. Din acest motiv, de cele mai multe ori, in constructia lor trebuie sa inglobeze si niste elemente intermediare cum ar fi: amplificatoare, adaptoare, montaje de compensare a influentei unor factori perturbatori etc.

Masurarea presiunii

Cele mai importante tipuri de traductoare sunt cele bazate pe deformarea elastica a corpurilor, cu coloana de lichid si cele bazate pe schimbarea proprietatilor corpurilor cu presiunea.

Traductoare bazate pe deformarea elastica a corpurilor

Aceste traductoare se bazeaza pe deformarea sub actiunea presiunii a unor elemente elastice cum sunt: resortul manometric, membrana, burduful, etc. Ele au capatat o larga raspandire datorita sigurantei in exploatare si domeniului larg de masurare.

Resortul manometric cel mai raspandit este tubul Bourdon:

Tubul Bourdon este simplu curbat, in forma de arc de cerc cu un unghi la centru de aproximativ 270s si este confectionat in general din aliaje neferoase sau otel inoxidabil. In sectiune transversala, acest tub se executa sub forma unor profile diferite, dintre care cele mai utilizate sunt: plat oval, oval ascutit, semioval, etc.

In figura este reprezentat modul in care se deformeaza tubul si sectiunea transversala, atunci cand este supus actiunii presiunii P. Variatia unghiului de desfasurare α al tubului, care constituie marimea de iesire a acestui traductor, se exprima in functie de variatia Δy a axei mici a sectiunii transversale astfel:

in care R reprezinta raza medie a tubului Bourbon.

Tinand seama si de eforturile ce apar in peretii tubului, care pot fi exprimate in functie de presiunea P, de dimensiunile geometrice si proprietatile materialului se obtine :

care reprezinta ecuatia caracteristicii statice a acestui tip de traductor. Marimea de intrare este presiunea P, iar marimea de iesire, variatia unghiului de infasurare a tubului, Δα.

Caracteristica statica este in general liniara pe cea mai mare parte a domeniului de functionare pentru care traductorul a fost construit.

Traductorul cu tub Bourbon acopera, in trepte, un domeniu vast de presiuni, de la 10³ N/m² (1 KPa) pana la 10⁹ N/m² (10⁶ KPa), precum si depresiuni de la 0 la 1,01325·10⁵ N/m² (1,01325·10² KPa).

Traductoarele de presiune cu membrana au elementul elastic supus deformarii o membrana asupra careia actioneaza presiunea de masurat, care reprezinta marimea de intrare:

Sageata y a membranei reprezinta marimea de iesire a traductorului. Membranele sunt confectionate din otel, aliaje pe baza de cupru, sau materiale sintetice elastice.

Traductoarele de presiune cu membrana se construiesc pentru presiuni de la N/m² (1 KPa) pana la 4·10⁶ N/m² (4000 KPa).

Traductoarele de presiune cu burduf se bazeaza pe deformarea elastica a burdufurilor la cresterea presiunii, aplicata in interiorul sau exteriorul lor. Elementul elastic este alcatuit atat din burduful 1 cat si din resortul 3 din interior.

Domeniul de lucru al acestor traductoare este cuprins intre 6·10² N/m² (0,6 KPa) si 10⁵ N/m² (10² KPa).

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 insa o serie de neajunsuri din punctul de vedere al exploatarii (gabarite mari, domenii de masurare mici etc.), fapt pentru care in industrie sunt mai putin raspandite decat traductoarele cu elemente elastice. In tehnica de laborator, mai ales in domeniul presiunilor mici, traductoarele de presiune cu lichid sunt insa 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 inaltimii coloanei de lichid de diferenta de presiune ΔP=P₁ - P₂ este:

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

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

g - acceleratia gravitationala.

In cazul in care presiunile de masurat sunt foarte mici se utilizeaza traductoare de presiune cu tub inclinat

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

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

Traductoare bazate pe schimbarea proprietatilor corpurilor cu presiunea

Aceste traductoare isi bazeaza functionarea pe dependenta de presiune a rezistentei, inductantei sau capacitatii unor circuite electrice, a proprietatii de piezoelectricitate a unor cristale, a variatiei gradului de ionizare a gazelor etc. In figura 1.10 sunt reprezentate principial unele tipuri mai importante dintre aceste traductoare: tensometric, capacitiv si piezoelectric.

In cazul traductorului tensometric, valoarea rezistentei marcii se modifica functie de deformarea elastica a corpului metalic al traductorului, respectiv functie de presiune. Traductoarele tensometrice sunt utilizate atat pentru presiuni foarte mici 10² N/m² (0,1 KPa), cat si pentru presiuni mari, pana la 10⁸ N/m² (10⁵ KPa).

Capacitatea traductorului din figura 1.10.b se modifica functie de valorile presiunii fluidului ce actioneaza asupra membranei.

Traductoarele piezoelectrice ( figura 1.10.c) prezinta avantajul deosebit al unei inertii mici, in raport cu toate celelalte traductoare de presiune.

Traductorul de presiune diferentiala

Presiunile P₁ si P₂ se aplica pe suprafetele burdufului (2) ale traductorului de presiune diferentiala prezentat principial in figura. Diferentele de presiune genereaza o deplasare orizontala a axului (3), proportionala cu DP.

Masurarea debitului

Debitul unui fluid este fluxul vectorului sau al vectorului () prin suprafata Σ, in conformitate cu relatiile:

[m³/s] - volumic [kg/s] - masic

in care: - vectorul viteza; - masa specifica;

- versorul normal la suprafata Σ.

Suprafata Σ este constituita in general, din sectiunile transversale ale conductelor prin care sunt vehiculate fluidele.

Functionarea traductoarelor de debit se bazeaza pe determinarea directa sau indirecta a vitezei fluidului. Aceasta se poate face cu ajutorul presiunii diferentiale, presiunii dinamice, inductiei electromagnetice, proceselor de transfer termic, propagarii oscilatiilor sonore in mediu fluid etc.

Traductoare de debit realizate cu rezistente hidraulice

Schema unui astfel de traductor (sistem de masurare) este:

In calitate de element sensibil pentru sesizarea valorii debitului de lichid care trece prin conducta este utilizata rezistenta hidraulica R.H. Marimea de intrare a rezistentei hidraulice este debitul volumic de lichid care o strabate, marimea de iesire fiind caderea de presiune (proportionala cu debitul). Traductorul de presiune diferentiala, TPD, are rolul de a converti marimea de intrare, caderea de presiune cauzata de rezistenta R.H. in circuitul de lichid, intr-o marime de iesire proportionala r (un semnal electric unificat 4-20 mA).

Traductoare electromagnetice

Aceste traductoare isi 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 intre polii unui electromagnet (figura 1.13). Materialul tubului trebuie sa fie in toate cazurile nemagnetic (otel austenitic sau PVC). Prin peretii tubului trec electrozii 3, intre care apare o tensiune electromotoare u_t, indusa in tubul de lichid dintre acestia. Lichidul care se gaseste la un moment dat intre electrozii 3 poate fi imaginat ca un conductor ce se deplaseaza cu viteza in campul magnetic de inductie B

In acest presupus conductor de lungime l, care se deplaseaza intr-un plan perpendicular pe liniile de camp, se induce tensiunea electromotoare exprimata prin produsul mixt al vectorilor , si :

Distanta l dintre electrozi reprezinta diametrul D al tubului, iar v reprezinta viteza de curgere a lichidului prin conducta. Inlocuind expresia vitezei si tinand seama de faptul ca cei trei vectori sunt ortogonali se obtine:

Relatia dedusa este ecuatia caracteristicii statice a acestui traductor, indicand o dependenta liniara intre tensiunea indusa u_t si debitul volumic Q_v.

Pentru ca acest tip de traductor sa fie utilizat, este necesar ca lichidul a carui debit se masoara sa prezinte o conductibilitate mai mare de 100 μS/cm. Este utilizat la lichide electrolitice; la gaze si produse petroliere nu se poate folosi.

Alimentarea electromagnetului in curent alternativ asigura inlaturarea fenomenului de polarizare si obtinerea unui semnal periodic care poate fi mai usor amplificat decat semnalul de curent continuu. Tensiunea u_t, care se culege la bornele 3 ale traductorului variaza in domeniul 1 - 2 mV.

Aceste tipuri de traductoare sunt utilizate pentru debite cuprinse intre 1,5 cm³/min. si 10000 m³/h. In tara noastra I.E.A. Bucuresti, produce acest tip de traductor, care realizeaza precizii de masurare de

Traductoare electrotermice

Traductorul electrotermic se utilizeaza la masurarea debitelor mici de gaze, mai ales in instalatii de laborator, pilot sau de mic tonaj.

Schema de principiu a acestui traductor este prezentata in figura 1.14. Gazul a carui debit se masoara este trecut printr-un tub metalic cu peretii subtiri, care conduc bine caldura. Pe tub sunt plasate izolat fata de acesta, o infasurare de incalzire R_i si simetric fata de R_i doua infasurari in calitate de termorezistente (R_J si R_J ) inglobate intr-un montaj cu punte. In lipsa debitului prin tub, de-a lungul acestuia se formeaza o distributie simetrica de temperatura cu maximul la mijloc (diagrama din figura 1.14).

Figura 1.14

Aceasta distributie de temperatura se deformeaza sub influenta curentului de gaz si ca atare in doua puncte simetrice fata de infasurarea de incalzire apare o diferenta de temperatura DJ, care este o masura a debitului in conformitate cu relatia:

in care: k₁ - constanta, care depinde de constructia aparatului;

c_p - caldura specifica a gazului, [J/kg C]

q_m - debitul masic, [kg/s]

In aceste conditii, tensiunea de dezechilibru a puntii traductorului (in ipoteza ca aceasta tensiune este mult mai mica decat tensiunea de alimentare u_a) este direct proportionala cu diferenta de temperatura DJ

in care: a - coeficientul de temperatura al rezistentei electrice.

Din relatiile de mai sus se obtine ecuatia de functionare a traductorului electrotermic:

sau:   

Caracteristica statica a acestui traductor este liniara, in domeniul de debite pentru care a fost proiectat. Intregul tub metalic este introdus intr-o camasa cu pereti grosi din material cu conductibilitate termica ridicata, care are rol de a egaliza temperatura de la cele doua capete ale tubului metalic. Acest traductor masoara debite masice foarte mici, pana la 1 mg/s.

Masurarea temperaturii

Cele mai utilizate traductoare de temperatura sunt cele care au la baza fenomenul termoelectric, variatia rezistentei electrice cu temperatura si dilatarea termica a corpurilor.

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 in aparitia unui camp electric imprimat, si deci a unei tensiuni electromotoare, intr-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 in gol, intre acestea apare o diferenta de potential egala cu tensiunea electromotoare Seebeck:

in 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, in regim stationar coincide cu temperatura mediului in 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.

In 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 in zone cu temperaturi mai joase, indepartate de punctul de masurare. Aceasta necesita prelungirea termoelectrozilor pana la camerele de masurare sau in 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 in intervalul -30 C . +100 C, au aceleasi proprietati termoelectrice cu termoelectrozii.

Pentru a nu fi expusi continuu mediului in care se masoara temperatura, electrozii termocuplului sunt introdusi intr-un tub protector (teaca). Materialul din care se confectioneaza teaca protectoare este ales functie de temperatura si mediul in care lucreaza termocuplul. In general acesta este fie otel obisnuit sau special, fie material ceramic. In acest caz, comportarea dinamica a termocuplului este diferita, constanta de timp care apare in 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 in unitati de temperatura.

metoda compensatiei -(potentiometrica), care consta in 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. In 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 incat U_AB=U_C, pozitie pusa in evidenta de un galvanometru. Prin urmare fiecarei valori U_AB, ii corespunde o anumita pozitie a cursorului C. Daca R este o rezistenta calibrata si liniara, aparatul se poate etalona, atasandu-se acestei rezistente o scala gradata direct in 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 intr-un sens corespunzator, deplaseaza cursorul reostatului R, si in acelasi timp cu acesta, acul indicator si inregistrator al aparatului. Astfel daca U_AB>U_C, cursorul reostatului va fi deplasat spre dreapta si daca U_AB<U_C, spre stanga. Deplasarea cursorului in sensul corespunzator are loc pana cand se realizeaza egalitatea U_C=U_AB, situatie in care semnalul de eroare este nul si motorul M este in repaus. Scala aparatului este gradata direct in unitati de temperatura.

Traductoare termorezistive

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

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

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

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

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

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

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

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

Traductoarele termorezistive confectionate din materiale semiconductoare poarta numele de termistori. In 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 insa dezavantajul ca interschimbabilitatea nu este posibila decat in conditiile luarii unor masuri suplimentare in ceea ce priveste schema utilizata.

Masurarea temperaturii utilizand 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 cate un cuplu, acestea fiind de sensuri opuse; egalitatea celor doua cupluri determina pozitia de echilibru a echipajului mobil. Cadrul mobil este atasat in intrefierul unui magnet permanent. Forma circuitului magnetic este astfel alcatuita incat inductia este maxima pe axa polilor si scade catre extremitatile pieselor polare. Din acest motiv, inductia in intrefier este o functie de marimea unghiului a de deplasare a cadrului mobil. Caracteristica statica este:

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

2. Montaje in punte a carui schema este redata in 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 in cazul unor conductori de legatura de lungime relativ mare, se utilizeaza montajul cu trei conductoare de legatura (trifilar), (figura 1.22).

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

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

Traductoare bazate pe dilatarea termica a corpurilor

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

In cazul utilizarii corpurilor solide, solutia constructiva obisnuita este cea bimetalica, realizata sub forma de placute sau bara tub, in 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

1.2.4. Traductoare de nivel

Nivelul unui lichid sau al unui strat fluidizat poate fi determinat prin urmarirea suprafetei de nivel sau a greutatii hidrostatice create de acesta.

Traductoare bazate pe urmarirea suprafetei de nivel

Majoritatea acestor traductoare transforma deplasarile suprafetei de nivel intr-o marime de alta natura (forta, tensiune, rezistenta etc.). Dintre acestea, in industria chimica, mai utilizate sunt traductoarele mecanice de nivel.

In regim static, asupra unui corp cufundat in lichid (figura 1.24) actioneaza forta de greutate G si forta arhimedica F_a, care se afla in echilibru:

respectiv:

Fig. 1.24

Presupunand sectiunea transversala a corpului de arie constanta A si densitatea lichidului r, relatia (27) ia forma:

unde: y - adancimea de cufundare a corpului; g - acceleratia gravitationala.

Daca starea de echilibru are loc pentru y<h atunci corpul pluteste; pentru y=h corpul ocupa o pozitie indiferenta in masa lichidului ; pentru y>h corpul se scufunda.

In primul caz corpul este denumit plutitor sau flotor, iar in ultimul caz, imersor.

In figura 1.25 sunt prezentate doua tipuri de traductoare de nivel cu plutitor.

Fig. 1.25

Traductoare bazate pe dependenta presiunii hidrostatice cu nivelul

Traductoarele din aceasta categorie se bazeaza pe variatia presiunii hidrostatice, intr-un punct din lichidul in repaus, cu inaltimea coloanei de deasupra. Astfel, presiunea de la baza vasului din figura 1.26 poate fi exprimata functie de nivelul h prin relatia:

Prin determinarea diferentei de presiune P₁ - P₂ se poate stabili inaltimea coloanei de lichid:

Pe aceasta relatie se bazeaza traductorul de nivel de tipul manometru diferential prezentat in figura 1.27.

Pentru evitarea erorilor datorita condensarilor pe ramura legata de zona de gaze, se creeaza prin umplerea cu lichid a vasului 3, un nivel constant de reper.

Pentru masurarea nivelului in vasele cu solutii chimice, acizi, baze, produse corozive etc. se utilizeaza cu succes traductorul pneumometric (cu barbotare de gaz) (figura 1.28).

Fig. 1.28

Mentinandu-se constanta presiunea de alimentare P_a, presiunea P, dupa duza devine o functie de nivelul h din vas. Pentru debite de aer foarte mici, de ordinul a cateva bule pe secunda, pierderile de presiune prin frecarea aerului de peretii tubului de barbotare sunt neglijabile, fapt pentru care se poate scrie relatia:

care indica dependenta dintre nivelul lichidului si presiunea P.

Dintre diferitele surse de erori asociate traductoarelor de barbotare din acest paragraf, variatia densitatii mediului caruia i se masoara nivelul este cea mai importanta, fapt pentru care trebuie luata in permanenta in considerare.

1.2.5.Traductoare de densitate

Densitatea fluidelor variaza cu temperatura si presiunea, fapt pentru care exprimarea acesteia raportata intotdeauna la o anumita stare implica efectuarea corectiilor de temperatura si presiune. In general traductoarele de densitate au inclus in constructia lor si elemente fizice pentru corectarea automata a variatiilor datorate acestor factori.

Cele mai utilizate traductoare de densitate sunt cele areometrice, care-si bazeaza functionarea pe variatia adancimii de cufundare a unui plutitor cu densitatea fluidului.

In figura 1.29 este prezentata schema unui traductor areometric cu marime de iesire electrica (U_e), prevazut cu o schema de compensare a influentei temperaturii asupra densitatii. Aceasta schema foloseste o punte conectata in serie pe circuitul de preluare a tensiunii de dezechilibru al transformatorului diferential. Intr-unul din bratele acesteia este conectat un termistor a carui rezistenta R_T variaza cu temperatura lichidului. In acest caz, in diagonala puntii apare o tensiune de dezechilibru care compenseaza variatia la iesire traductorului provenita din influenta temperaturii. Marimea de intrare a traductorului este densitatea r, iar marimea de iesire tensiunea U_e.

Fig. 1.29

1.2.6. Traductoare de pH

pH-ul unei solutii se exprima prin logaritmul zecimal negativ al concentratiei ionilor de hidrogen. Determinarea valorii pH a unei solutii se face cu ajutorul a doi electrozi care genereaza o tensiune functie de pH, fenomen similar cu cel de la elementele galvanice.

Traductorul de pH propriu-zis, este compus din doi electrozi cufundati intr-o celula de analiza in care se afla solutia a carui pH se masoara. Unul din electrozi este de referinta, iar celalalt de masurare (figura 1.30).

Electrodul de masurare M este construit din sticla. Se compune dintr-o membrana de sticla 1, conductoare electric, construita de exemplu in forma sferica si dintr-un tub 2, gros, din sticla neutra.

Intre exteriorul membranei de sticla 1 si solutia de analizat apare o diferenta de potential E_x care este proportionala cu concentratia ionilor de hidrogen din solutie. Interiorul electrodului este umplut de obicei, cu o solutie tampon, de exemplu cu o solutie standard de acetat sau clorura de kaliu etc., care mentine constanta diferenta de potential E₂ intre interiorul membranei si solutie, chiar si la impurificari. Aceasta diferenta de potential este cunoscuta.

In calitate de electrozi de referinta R, se utilizeaza curent, electrozi de calomel. La partea inferioara a tubului 4 din sticla neutra (electrodul M) se afla un amestec de mercur-calomel, care, prin tamponul de azbest 5, este unit electric cu solutia tampon de clorura de kaliu. La partea superioara a tubului se gaseste mercur, care are fata de amestecul mercur + calomel de la partea inferioara, potentialul E₁ constant si cunoscut. Pentru determinarea in exterior a potentialului E_X, potentialele E₂ si E₁ fiind constante si cunoscute, este utilizat conductorul de platina 6 scufundat in umplutura cu mercur a tubului 4.

Constructia electrodului de referinta R este asemanatoare cu cea a electrodului M. Tubul de sticla 7 are la partea inferioara un orificiu inchis cu un dop ceramic, care serveste la reumplerea electrodului cu solutie.

Tubul 7 este umplut cu solutie de clorura de kaliu, care determina aparitia diferentei de potential E₃ intre solutia de analizat si KCl din interior. Aceasta diferenta de potential este neglijabila.

Constructia interioara a electrodului de referinta R este identica cu cea a electrodului de masurare M, potentialul E₄ este egal cu potentialul E₁.

Deoarece in circuitul de masurare potentialele E₁ si E₄ sunt egale si conectate in opozitie, raman numai diferentele de potential E₂, E₃ si E_X. Dintre acestea E₂ este constant si cunoscut, iar E₃ este neglijabil, astfel ca la bornele 6, 12 obtinem tensiunea U cu ajutorul careia se poate determina E_X:

Caracteristica statistica a traductorului de pH este liniara-figura 1.31. Din figura se observa ca variatia temperaturii influenteaza substantial panta caracteristicii statice. Din aceasta cauza, traductorul de pH contine si un montaj de compensare a variatiei tensiunii U cauzata de modificarea temperaturii. In figura 34 este prezentata principial o schema de compensare a variatiei tensiunii datorita modificarii temperaturii solutiei de analizat.

Termorezistenta R_T este introdusa impreuna cu electrozii de masurare si referinta in solutia de analizat. Rezistenta R_T constituie una din laturile unei punti electrice. Variatia cu temperatura a termorezistentei R_T, produce modificarea tensiunii U_AB culese de pe diagonala AB a puntii. Modificarea tensiunii U_AB este astfel calculata incat sa compenseze variatia cu temperatura a tensiunii culese de la electrozii M si R ai traductorului. In acest mod tensiunea U de la bornele de iesire nu mai depinde de temperatura, ci numai de valoarea pH a solutiei.

Traductoarele de pH cu electrozi de sticla prezinta particularitatea ca rezistenta lor interna este foarte mare, ajungand pana la 200 MW. Din aceasta cauza adaptorul care se monteaza de obicei dupa acest traductor, trebuie sa aiba o impedanta mare de intrare, astfel incat curentul in circuitul electrozilor sa fie neglijabil (I<10^-8 mA). In caz contrar, caderea de tensiune pe rezistenta interna a electrozilor de sticla influenteaza valoarea marimii de iesire, dand erori mari, lucru ce poate conduce la deteriorarea electrozilor.

1.2.7. Traductoare conductometrice

Solutiile bazice si acide fac parte, cu putine exceptii, din categoria conductoarelor ionice. La acest tip de conductoare, electricitatea este transportata de ioni.

Ca si la conductorii metalici, rezistenta opusa de solutii trecerii curentului electric este exprimata cu ajutorul relatiei:

in care: r - rezistivitatea solutiei; L - lungimea tubului de solutie;

A - aria sectiunii transversale a tubului de solutie.

Inversul rezistivitatii reprezinta conductivitatea electrica:   

Unitatea de masurare in Siemens pe metru (S/m), unde 1 S=1 W , este admisa pentru conductivitate.

Conductivitatea electrica a diferitelor solutii depinde de concentratia diferitelor substante dizolvate. Astfel in solutii concentrate, figura 35, conductivitatea creste odata cu cresterea concentratiei pana la o anumita valoare, dupa care scade, iar in solutii diluate, figura 1.34, conductivitatea creste liniar cu concentratia.

Conductivitatea solutiilor depinde de concentratia C si de conductivitatea echivalenta L

Prin conductivitate echivalenta se intelege conductivitatea solutiei care contine un echivalent gram de electrolit, determinata cu electrozi paraleli, dispusi la distanta de 1 m. Conductivitatea echivalenta L este functie de mobilitatile relative a ionilor (care depind de temperatura) si de gradul de disociere.

In figura 1.34 este reprezentata schema principiala a unui traductor conductometric.

Compensarea se bazeaza pe faptul ca la cresterea temperaturii creste conductivitatea solutiei, respectiv scade rezistivitatea, iar valoarea termorezistentei R_T creste. Rezistentele R₂ si R₃ servesc la ajustarea caracteristicii corespunzator dependentei de temperatura a conductivitatii. Semnalul de iesire al traductorului se culege din diagonala redresorului 2.

1.2.8. Traductoare pentru analiza compozitiei chimice a amestecurilor gazoase

Traductoare termoconductometrice

Aceste traductoare se bazeaza pe diferenta dintre conductivitatile termice ale diferitelor gaze. Datorita acestei diferente, la majoritatea amestecurilor de gaze exista o dependenta univoca intre concentratia unei componente si conductivitatea termica a amestecului. Aceasta dependenta este liniara numai in cazul a catorva amestecuri binare (CO₂ - aer, CO - aer etc.), la care conductivitatea termica se supune legii aditivitatii:

in care: l l l - coeficienti de conductivitate termica ai amestecului, respectiv ai celor doi componenti;   

m₁, m₂ - fractiile molare ale componentilor.

In cazul, spre exemplu, amestecului CO₂ - aer, l_CO2 < l_aer, prin urmare conductivitatea termica a amestecului celor doua componente scade cu cresterea continutului in CO₂.

Schema unui traductor termoconductometric diferential in punte este prezentata in figura 1.35.

Fig. 1.35

Intr-un bloc din metal bun conductor de caldura sunt incluse doua celule de masurare 1 si 3, precum si celulele de comparatie 2 si 4. Toate celulele contin cate o rezistenta de platina, care este incalzita electric. Celulele 1 si 3 sunt strabatute de gazul de analizat, iar celulele 2 si 4 sunt umplute cu gazul de referinta (azot, aer, hidrogen etc.). Curentul ce strabate puntea constituie in acelasi timp si curent de incalzire a rezistentelor. Reostatul 5 serveste la mentinerea constanta a curentului sursei, miliampermetrul 6 serveste la supravegherea curentului din punte, iar cu potentiometrul 8 se face ajustarea nulului. Daca se modifica compozitia amestecului de gaze analizat si deci si conductibilitatea termica a acestuia, atunci se transmite mai multa sau mai putina caldura la peretii celulelor 1 si 3. acest lucru produce modificarea temperaturii rezistentelor de platina, deci modificarea valorii acestora, ceea ce conduce la dezechilibrarea puntii, fenomen pus in evidenta de instrumentul 9, care poate fi etalonat direct in unitati de compozitie ale amestecului binar de analizat.

Ecuatia de functionare a acestui traductor este:

in care: U - tensiunea de dezechilibru a puntii;

U_a - tensiunea de alimentare a puntii; K₁, K₂ - marimi constante.

Traductoare termomagnetice

Traductoarele termomagnetice au la baza proprietatea de paramagnetism a moleculelor unor gaze. Majoritatea gazelor sunt diamagnetice, cu exceptia oxigenului si a doi oxizi de azot, NO si NO₂, care sunt paramagnetice. La aceste gaze, susceptibilitatea paramagnetica se modifica invers proportional cu temperatura. In figura 41 este reprezentat schematic un traductor termomagnetic de oxigen.

Fig. 1.36

Gazul de analizat este condus prin torul 1 in tubul orizontal din sticla, care are pereti subtiri. Atunci cand in gazul de analizat nu se gaseste oxigen, acesta nu circula prin tubul orizontal. Daca gazul analizat contine O₂, campul magnetic creat de polii 3 si 4 atinge moleculele de oxigen in interiorul tubului orizontal 2. O rezistenta bobinata din platina ale carei spire incep in mijlocul polilor, are rolul de a incalzi moleculele atrase in camp, prin aceasta realizandu-se o scadere a susceptibilitatii magnetice a moleculelor de O₂. Datorita atractiei mai puternice a moleculelor O₂ reci din amestec, cele incalzite sunt impinse inainte, realizandu-se in acest mod, un curent de oxigen prin tub. Atunci cand lipseste curentul de O₂ prin tubul orizontal, distributia temperaturii de-a lungul acestuia este simetrica, fapt pentru care puntea este in echilibru. Acest fenomen sta si la baza functionarii traductoarelor electrotermice de debit (paragraful 1.2.2.2). Prezenta curentului de gaz cu O₂ prin tubul orizontal modifica simetria termica, fapt care duce la dezechilibrarea puntii electrice R₁, R₂, R₃, R₄ si deci la aparitia semnalului U. Aceasta tensiune depinde de valoarea curentului de O₂ prin tubul orizontal, iar acesta la randul sau este o masura a concentratiei oxigenului in amestecul gazos.

Traductoare bazate pe absorbtia radiatiilor

Gazele au proprietatea de a absorbi in mod diferit radiatii din spectrul electromagnetic de radiatii al unei surse. Cele mai raspandite traductoare folosesc radiatiile ultraviolete sau radiatiile infrarosii, ambele situandu-se in cele doua extremitati ale spectrului radiatiilor luminoase. In figura 1.37 este prezentat schematic traductorul bazat pe absorbtia radiatiilor infrarosii denumit URAS (Ultra Rot Absorbtions Schreiber).

Sursele 7 si 8 produc doua fascicule de raze infrarosii. Aceste fascicule sunt intrerupte de obturatorul 9 cu frecventa de 6,25 s^-1. Dupa trecerea prin filtrele 1 si 2 fasciculele trec prin camera de referinta 3 si camera de analiza 4. De obicei, camera de referinta 3 se umple cu azot, neutru fata de radiatia de lungime utilizata.

Camera de analiza 4 este strabatuta de gazul de analizat, care absoarbe din fasciculul infrarosu, intr-o masura mai mare sau mai mica radiatiile de lungime corespunzatoare componentului a carei concentratie se masoara.

O radiatie infrarosie cu lungime de unda l de intensitate I₀, ce parcurge drumul de lungime l printr-un gaz cu banda de absorbtie l si concentratia C_k, iese din gaz cu intensitatea I in conformitate cu:

in care (E) este un factor ce depinde de lungimea de unda a radiatiei si de componentele gazoase insotitoare.

Valorile intensitatilor radiatiilor la iesirea din camerele 3 si 4 sunt puse in evidenta cu ajutorul camerelor 5 si 6, umplute cu gazul a carui concentratie se masoara. Aceste camere sunt despartite printr-o membrana ce constituie una dintre armaturile condensatorului C. Deoarece radiatia care strabate camera de analiza 4 are o intensitate mai mica decat radiatia ce strabate camera de referinta 3, rezulta o incalzire mai accentuata a gazului din camera 5, insotita de o crestere corespunzatoare a presiunii acestuia. Distanta dintre armaturile condensatorului se modifica, lucru care produce o variatie corespunzatoare a capacitatii condensatorului. Variatia capacitatii condensatorului C constituie o masura a variatiei concentratiei componentului gazos de analizat. In camerele 1 si 2 se introduce o cantitate determinata experimental din gazul perturbator (care are banda de absorbtie suprapusa partial cu banda gazului de analizat). In acest fel, ambele radiatii scad in intensitatea acelora cu lungimea de unda absorbita de gazul purtator.

Cromatografia gazoasa

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

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

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

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

Reprezentarea grafica a semnalului detectorului in functie de timp, obtinuta cu ajutorul inregistratorului, se numeste cromatograma (figura 1.38b). Semnalele obtinute sub forma unor varfuri, 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. Inaltimea picului h, sau aria suprafetei lui A, constituie parametrul cantitativ, proportional cu cantitatea de component.

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

Performantele aparaturii gaz cromatografice si conditiile de lucru, variaza intre 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 in conditii de vid inalt si obtinerii ionilor incarcati electric, dupa care acesti ioni se separa dupa numarul lor de masa. Marimea curentului ionic este o masura a continutului de component determinat in amestecul de analizat. Ionii se grupeaza sub actiunea concomitenta a unui camp magnetic si electric si se misca pe diferite traiectorii.

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

in 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.

In figura 1.39 este redata schema bloc a unui spectrometru de masa. Amestecul de gaz intra la presiune joasa in camera de ionizare 1, unde este bombardat cu electroni, formandu-se ioni pozitivi, care sub actiunea campului 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 in camera 5, in care se afla un camp magnetic a carui vector de inductie B este indreptat perpendicular pe suprafata desenului.

Ionii separati, in concordanta cu raportul lor m/q descriu traiectorii in 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 in unitatea de timp, produce pe rezistenta 7, o cadere de tensiune, care este amplificata in amplificatorul de curent continuu 8 si este inregistrata la aparatul de masurare 9.

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

Modificand continuu una din cele 2 marimi, la aparatul de inregistrare 9, se vor obtine inregistrari cu picuri, care corespund ionilor de masa determinata.

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

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

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

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