Senzori si traductoare pentru măsurarea nivelului lichidelor- clasa a XI-a

prof. ing. PREDA CRISTIAN-DOREL SPECIALITATEA: MECANICĂ

Măsurarea nivelului din recipienți se realizează pentru lichide, suspensii, pulberi sau granule și este deosebit de importantă atât pentru procesele tehnologice, cât și în ceea ce privește evaluarea stocurilor existente. Metodele de măsurare pot fi: -Directe-caz în care se determină lungimea substanței al cărei nivel se măsoară; -Indirecte-când nivelul se determină prin intermediul unor mărimi intermediare ca: presiunea, masa, atenuarea unei radiații etc. Aparatele utilizate pentru măsurarea nivelului se numesc nivelmetre. În funcție de traductorul utilizat nivelmetrele electrice se clasifica în: nivelmetre cu plutitor și traductor rezistiv sau inductiv, nivelmetre cu cântărire, nivelmetre cu ultrasunete, nivelmetre cu radiatii nucleare. Senzorii și traductoarele de nivel se folosesc atât pentru semnalizarea nivelelor minim și maxim din rezervoare, cât și pentru comanda de punere în funcțiune a dispozitivelor de umplere a rezervoarelor sau de oprire a lor.

Metodele de măsurare a nivelului lichidelor se împart în: A. Metode bazate pe proprietățile electrice de material: - metode capacitive - metode rezistive B. Metode bazate pe forța arhimedică: - metode cu plutitor - metode cu imersor C. Metode bazate pe măsurarea presiunii; D. Metode bazate pe măsurarea masei; E. Metode cu radiații

A. METODE BAZATE PE PROPRIETĂȚILE ELECTRICE DE MATERIAL:

• O primă distincție care trebuie făcută în cazul nivelului este aceea că unele materiale sunt dielectrice, iar altele sunt conductoare, necesitând metode de măsurare diferite.

• Pentru materiale dielectrice, măsurarea nivelului se poate face cu ajutorul METODELOR CAPACITIVE. Într-un vas metalic, este plasat central un electrod metalic, prevăzut eventual cu un înveliș izolator (teflon).

• Această metodă poate fi aplicată în cazul lichidelor sau al pulberilor dielectrice, variația de capacitate fiind de ordinul (10...100) pF.

Nivelmetru capacitiv

h x

C2

C1

Vas metalic

Lichid

Izolator

Electrod

h= înălțimea vasului; x= înălțimea

lichidului

Traductorul capacitiv este conectat la brațul unei punți de curent alternativ utilizată în regim neechilibrat, alimentată cu o tensiune de 100kHz, tensiunea de dezechilibru este amplificată, redresată și măsurată analogic cu un instrument magnetoelectric. Elementele punții se reglează ca pentru h=0; C=C0 deviația să fie α=0 iar pentru h=hmax să corespundă α=αmax

Nivelmetrele capacitive folosesc pentru convertirea nivelului dintr-un

recipient într-o variație de capacitate, traductorul capacitiv format din peretele recipientului și un electrod introdus în el. Toate lichidele sau substanțele din recipient au permitivitate relativă mai mare ca aerul , capacitatea condensatorului crește cu înălțimea de umplere.

Nivelmetrele capacitive sunt utilizate la măsurarea nivelului unei singure substanțe, deci ε1=ε0;ε2=εrε0 având εr>1 sau la măsurarea nivelului dintre două substanțe cu ε1≠ε2.

Se prezinta 4 slide-uri cu niveluri diferite de lichid în rezervor, (maxim, mediu, minim si un program pentru simularea monitorizarii nivelului unui nivelmetru capacitiv) realizate în Lab View .

a. Nivel maxim

b. Nivel mediu

c. Nivel minim

Program pentru simularea nivelmetrului capacitiv

In figura alăturată este prezentată metoda cu nivelmetru rezistiv,

folosită pentru materialele conductoare care au conductivitatea σ >10-2 S/m. Rezistorul R este plasat în interiorul vasului metalic; pe toată înălțimea acestuia, lichidul conductor șuntează o porțiune a rezistenței, astfel încât rezistența totală este dată de relația 1.

Mod de lucru: se alimenteaza potentiometrul între un capăt și cursor cu tensiunea cuprinsă între U=1015V. Se toarnă apă în recipient, nivelul apei este citit de pe marcajul aflat pe partea exterioară a vasului. Se măsoară curentul și se calculează rezistența senzorului cu relația:

(1) unde r(x) reprezintă rezistența echivalentă a lichidului.

hxrxR

xrR

h

xhRRRxR

0

0021)(

Nivelmetru rezistiv

x

i R1

Vas metalic

Lichid R2

R0

E h

Alimentarea senzorului rezistiv de nivel

Nivelmetru rezistiv

Se prezinta 4 slide-uri cu niveluri diferite de lichid în rezervor, (maxim, mediu, minim si un program pentru simularea monitorizarii nivelului unui nivelmetru rezistiv) realizate în Lab View .

a. Nivel maxim

b. Nivel mediu

c. Nivel minim

B. METODELE BAZATE PE FORȚA ARHIMEDICĂ pot fi folosite numai pentru lichide și pot fi clasificate în:

• Metode de măsurare cu plutitor Plutitorul se află în permanență la suprafața lichidului și este legat de o

contragreutate, printr- un fir ce trece peste un tambur. Metoda poate fi folosită și în cazul măsurării nivelului pulberilor sau al granulelor, dacă se menține tensiunea din firul de supendare la o anumită valoare, printr-o schemă adecvată .

h x

Plutitor

Contra-greutate G

Tambur

• Metode de măsurare cu imersor Imersorul, parțial introdus în lichid, este suspendat prin intermediul unui resort; la

echilibru, se poate scrie: Fe+ Fa=G

unde : Fe- forța elastică a resortului; Fa- forța arhimedică; G- greutatea imersorului. Explicitând, se obține:

unde: Δx- deformația resortului față de poziția de echilibru k- constanta elastică a resortului m- masa imersorului g- accelerația gravitațională x- nivelul de fluid h- înălțimea imersorului/ vasului - densitatea lichidului

- densitatea imersorului

11h

x

k

mgx

1

Metoda poate fi folosită dacă se cunoaște densitatea lichidului.

h x

k

I1

Δx

eF

aFG

Nivelmetru cu imersor

Conditia de echilibru Fe+ Fa=G

C. METODE BAZATE PE MĂSURAREA PRESIUNII

Determinarea nivelului cu ajutorul

metodelor bazate pe măsurarea presiunii constă în stabilirea presiunii hidrostatice a coloanei de lichid, cu ajutorul relației:

Δp=ρ∙g∙h unde: Δp- diferența de presiune dintre

presiunea de deasupra lichidului și presiunea de la baza acestuia;

ρ – densitatea lichidului; g – accelerația gravitațională; h – înălțimea coloanei de lichid Metoda permite determinarea

presiunii și pentru recipienții aflați sub presiune, cu condiția ca măsurarea presiunii să se facă diferențial.

D. METODE BAZATE PE MĂSURAREA MASEI

Determinarea nivelului unor lichide,

pulberi sau granule se poate fac indirect, prin măsurarea masei recipientului împreună cu întregul său conținut. Masa de substanță este egală cu diferența dintre masa măsurată și masa recipientului. Fiind vorba de o măsurare diferențială, dacă masa recipientului este mult mai mare decât masa de substanță la care se determină nivelul, pot apărea erori foarte mari.

Traductoarele folosite sunt traductoarele de forță pentru sarcini mari, la care apar însă o serie de probleme privind suspendarea recipientului.

E. METODE CU RADIAȚII

Acestea sunt deosebit de avantajoase deoarece folosesc metode de măsurare fără contact, care pot fi folosite în condiții speciale, pentru: recipiente sub presiune sau la temperaturi înalte, medii deosebit de corozive sau periculoase etc. De multe ori, metodele cu radiații pot fi folosite fără a interveni asupra recipientului, deoarece radiațiile pot “vedea” prin pereții vasului.

După natura radiațiilor folosite, nivelmetrele se pot clasifica în:

a. Nivelmetre cu radiații nucleare. b. Nivelmetre cu ultrasunete c. Nivelmetre cu microunde.

a. Nivelmetre cu radiații nucleare. Acestea folosesc senzorii de radiații. Principiul de funcționare al acestor nivelmetre se bazează pe atenuarea radiațiilor

nucleare de către lichide sau pulberi. Ca substanțe radioactive, se folosesc substanțe generatoare de radiații γ, ca și .

Metodele cu ultrasunete și cele cu radiații nucleare pot fi realizate și în variante cu urmărire automată a nivelului

Co60 Ca137

b. Nivelmetrele cu ultrasunete Metodele folosite pentru această metodă sunt metode prin transmisie (mai puțin

avantajoase), caz în care se folosesc obligatoriu două traductoare și prin reflexie, când același traductor poate fi folosit atât ca emițător cât și ca receptor.

În practică, cel mai frecvent sunt folosite metodele de impuls.

Se preferă metoda reflexiei, cu traductorul plasat în poziția 1. Pentru măsurarea nivelului granulelor sau al pulberilor se recomandă folosirea metodei reflexiei cu traductorul în poziția 3.

Determinarea nivelului se face prin intermediul vitezei de propagare a ultrasunetelor. Domeniul de măsurare a nivelului este cuprins între 10 și 30 metri. Frecvența de lucru a

traductoarelor de ultrasunete este cuprinsă, de obicei, între 20 și 40 kHz, mai rar în afara acestui interval, din această cauză apărând probleme la măsurarea nivelelor mici.

T

T

T

3

2

1

h x

Nivelmetru cu ultrasunete

T- traductor 1, 2, 3- pozitii ale traductorului

Variantele de masurare se observă în figura alaturata și anume: - Posibilitatea de măsurare a coloanei de lichid:

- cu ajutorul traductoarelor 1 și 2 la metoda transmisiei, - cu ajutorul traductoarelor 1 sau 2 la metoda reflexiei;

- Posibilitatea de măsurare a coloanei de aer de deasupra lichidului: - cu ajutorul traductoarelor 2 și 3 la metoda transmisiei; - cu ajutorul traductoarelor 2 sau 3 la metoda reflexiei.

c. Nivelmetrele cu microunde se bazează pe proprietatea materialelor conductoare de a reflecta microundele, în timp ce materialele dielectrice le atenuează.

Principiul de măsurare: un emițător de microunde E transmite prin intermediul antenei de emisie AE un fascicul de microunde spre lichidul conductor, de unde acesta se reflectă și este captat de antena de recepție AR și apoi transmis receptorului R. Timpul de tranzit al impulsului de microunde reprezintă o măsură a distanței până la suprafața de separare.

h x

E R AE AR

E- emițător de microunde AE- antena de emisie AR- antena de recepție R- receptor.

Timpul de tranzit al impulsului de microunde reprezintă o măsură a distanței până la suprafața de separare.

BIBLIOGRAFIE: 1. Cursul ,,Utilizarea TIC in procesul de predare – invatare” – Modulul 4, GO

AHEAD 2. Gheorghe, I. Gh.,Palade, D. D.,Pau, V., Senzori și traductoare pentru

aplicațiile industriale, București 2003. 3. Iliescu, C., Pantelimon Brândușa, Senzori și traductoare, Universitatea

“Politehnica” București, Facultatea Electrotehnică, 1993 4. Ciocîrlea- Vasilescu, A., Spornic, O., Senzori și traductoare, manual pentru

clasa a XI-a rută directă, București- CD PRESS, 2007 5. Iliescu, C.,Ionescu-Golovanov, C., Măsurări electrice și electronice, Editura

Didactică și Pedagogică, București, 1983

VĂ MULȚUMESC PENTRU ATENȚIA ACORDATĂ!