-
CAPITOLUL 10
Traductoare de debit si nivel
Debitul este un parametru caracteristic fluidului n micare i
reprezint cantitatea de fluid care trece n unitatea de timp, prin
unitatea de suprafa.
Msurrile de debit sunt legate de principiul conservrii
masei:
O mas static care intr ntr-un sistem n unitatea de timp este
egal cu masa care iese din sistem n aceeai unitate de timp.
- Msurarea debitului se refer la fluide: lichide, gaze, aburi i
suspensii.Debitele de solide se determin prin cntrire i
numrare.Debitele fluidelor se msoar n conducte deschise sau nchise,
debitele de gaz se msoar numai n conducte nchise. Pentru msurarea
debitului se folosesc:
- sisteme cu msurare frontal cu celule de presiune
diferenial,
- sisteme cu traductoare electromagnetice,
- sisteme cu msurarea suprafeei variabile,
- sisteme cu msurarea deplasrii pozitive,
- sisteme cu traductoare cu turbin,
- sisteme cu traductoare cu ultrasunete,
- sisteme cu traductoare cu stingerea vrtejurilor,
- sisteme cu traductoare termice,
- sisteme cu traductoare coriolis, etc.
-
Tipuri de debite
Dup modul de definiie al cantitii de fluid, debitele pot fi de trei
tipuri:
- masice, Qm= m / t [kg/s], m = masa de fluid n unitatea de
timp;
- volumice, QV= V / t [m3/s], V = volumul de fluid n unitatea de
timp;
- de greutate, Qm= G / t [kg.m3/s], G = greutatea de fluid n
unitatea de timp.
Sistemul de msurare folosit se alege n funcie de urmtorii factori:
- tipul fluidului (lichid, gaz, aburi sau suspensii),
- densitatea fluidului,
- vscozitatea fluidului,
- puritatea fluidului,
- nivelul debitului,
- tipul debitului (turbulent sau laminar),
- tipul conductei,
- condiiile de mediu (temperatur, presiune, etc),
- acuratee, etc.
n sistemele pentru procesarea datelor, debitele variabile se
eantioneaz la 1 Hz.
- n procesul de msurare se ine cont de trei caracteristici
importante ale fluidelor:
densitatea [kg/m3 ] este raportul ntre masa i volumul
fluidului,
vscozitatea [N.s/m2 ] este fora tangenial pe o suprafa unitate a
dou planuri orizontale, separate de o distan unitate, un plan fix
iar cellalt micndu-se cu viteza unitate. Spaiul dintre planuri este
umplut cu substana vscoas. La creterea temperaturii, vscozitatea
crete la gaze i scade la lichide.
numrul Reynolds (Re) specific debitul ca un raport ntre inerie i
vscozitate conform relaiei: Re=vl / , v = viteza debitului n m/s i
l = lungimea debitului.
-
A. Debitmetre pentru msurarea punctual a vitezei fluidului
Msurarea punctual a vitezei fluidului se face n volum finit
(seciune de conduct nchis sau canal deschis de lungime suficient,
cu seciune transversal cunoscut). Viteza se msoar ntr-un punct unde
reprezint viteza medie din seciunea transversal. Pentru
vizualizarea debitului, se injecteaz n fluid particule trasoare
(bule de gaz sau colorani) i se monitorizeaz trecerea
lor.Dispozitive pentru msurarea vitezei punctuale:
probele statice Pitot,
anemometrele cu fir cald i
debitmetrele cu ultrasunete.
-
a) Probe statice Pitot
Msurarea presiunii n fluidele n micare introduce, pe lng presiunea
static, presiunea dinamic.Msurare: ntr-un canal deschis sau conduct
nchis se introduce perpendicular un tub ce msoar presiunea static i
un tub paralel cu primul plasat mai departe, pentru msurarea
presiunii totale.
Presiunea total (PT) = Presiunea static (PS) + Presiunea dinamic
(PD).
Introducerea tuburilor produce distorsionarea formei presiunii.Alte
surse de erori sunt:
nealinierea tubului cu direcia debitului;
neuniformitatea debitului de fluid n seciunea transversal prin
conduct;
vscozitatea, care are efect mai mare la valori mici ale numrului
Reynolds;
tuburile cu diametre mari determin scderea presiunii
statice;
raportul diametrelor canalului i a tubului poate fi prea
mic.
Avantaj: uurina cu care e introdus n debitul de fluid. Semnalul de
la ieire este o presiune diferenial care se msoar
electric.Dezavantaj: valoarea mic a presiunii.
-
b) Anemometre cu fir cald
Folosesc efectul de rcire al unui element rezistiv de ctre fluid,
msurnd viteza fluidului prin detectarea variaiei de rezisten cu
temperatura.Efectul de rcire sau pierderea de cldur a elementului
rezistiv depinde de:
viteza masei de fluid,
cldura specific a fluidului,
coeficientul de transfer de cldur al elementului rezistiv,
temperatura i presiunea fluidului.
Tehnici de msurare:
la curent constant sau
la temperatur (sau tensiune) constant,
i dou configuraii fizice:
fir sau
strat subire rezistiv.
Precauii:
sonda trebuie s fie aliniat n debitul de fluid;
lichidele conductoare pot declana electrolize, deci senzorul
trebuie izolat sau excitaia se face n curent alternativ;
fluidul trebuie s fie curat pentru a evita acoperirea sau
ruperea senzorului;
la viteze mari pot aprea vibraii.
Folosesc la msurarea vitezei gazelor (0,1 ... 500 m/s i < 750C).
Pentru lichide cu viteze de 0,01 5 m/s se folosesc senzori tip fir
iar pentru viteze de 0,01...25 m/s se folosesc senzori obinui prin
depunere.
-
c) Debitmetre cu ultrasunete cu msurarea timpului de tranzit
Sunt traductoare portabile care msoar debite de lichide i suspensii
fr obstrucie.Au microprocesor ncorporat, afiaj grafic, tastatur
pentru selecia meniului, interfa serial pentru controlere numerice,
controlere logice programabile, nregistratoare.Msoar diferena
timpului de tranzit ntre impulsurile ultrasonore transmise n sensul
invers sensului de curgere al fluidului. Dup modul de amplasare al
celor dou traductoare din construcie, sunt trei variante de
debitmetre ultrasonore cu msurarea timpului de tranzit:
cu montare tip Z (diametral opuse i o singur trecere a
fascicolelor),
cu montare tip V (traductoare plasate de aceeai parte a
conductei, cu reflexie de partea interioar);
cu montare tip W (traductoarele plasate de aceeai parte a
conductei, cu trei reflexii).
-
B. Debitmetre pentru msurarea debitului de volum
Msurarea volumului brut de fluid nseamn determinarea volumului care
trece printr-un punct, prin msurarea unui parametru.Procedeul cel
mai folosit: msurarea presiunii difereniale de-a lungul
debitului.Traductoarele de debit de acest tip impun plasarea unei
obstrucii pe linia de debit (o plac cu duz, tub Venturi sau tub
Dall).Alte traductoare utilizate pentru msurarea volumului unui
fluid sunt:
traductoarele cu turbin,
traductoarele cu deplasare pozitiv,
traductoare electromagnetice,
traductoare ultrasonore cu efect Doppler,
traductoare cu mprtierea vrtejurilor, etc.
-
a) Debitmetre cu suprafa constant i cdere variabil a presiunii
(cu presiune diferenial)
Debitul turbulent (Re > 4000) trece printr-o restricie din
conduct, sub forma unei guri cu muchii drepte, numit plac cu
orificii.Pierderea permanent de presiune static din conduct dup
obstrucie d o indicaie asupra debitului. Cele mai bune poziii
pentru amplasarea robinetelor de presiune (RP) sunt la distanele D
i D/2 fa de placa, D fiind diametrul conductei.Debitul de volum se
determin matematic i depinde de:
suprafaa orificiului,
suprafaa conductei,
presiunea ntre cele dou puncte
ale robinetelor,
densitatea fluidului.
Robinete
RP
RP
Debit
Robinete
Seciune prin conduct
-
b) Debitmetre cu suprafa variabil i cdere constant a
presiunii
Unele debitmetre au suprafaa orificiului ajustabil i cdere de
presiune constant.Se folosete un flotor cu dimensiuni fixe,
suspendat ntr-un tub vertical cu suprafa cresctoare cu
nlimea.Pentru un debit dat, flotorul devine staionar dac gravitaia,
presiunea diferenial, vscozitatea i flotabilitatea sunt mrimi
echilibrate.Funcionare: pentru o suprafa fix de conduct, presiunea
diferenial variaz cu ptratul debitului. La presiune constant,
suprafaa se modific i debitul de volum variaz liniar cu nlimea la
care este suspendat flotorul.
Tub de sticl
Debit de intrare
Debit de iesire
Flotor
-
c) Debitmetre cu turbin
Au un set de lame ce se rotesc, plasate n linia de debit a unui
fluid.Viteza unghiular e proporional cu debitul, ieirea fiind tren
de impulsuri numerice.Pentru semnal analogic la ieire, se folosete
un convertor frecven - tensiune.Msoar debite de 0,001 ... 500m3/min
pt. gaze i 0,05 ... 120000 l/min pt. lichide.Variantele
constructive ale debitmetrelor cu turbin:
respirometre - msoar debitul de volum al gazelor eliminate din
plmni;
debitmetre cu 2 turbine axiale cu 2 rotoare - acuratee,
autocorectare i autoverificare - msoar debite mari de gaze
naturale, n conducte magistrale;
debitmetre cu 2 faze gaz/lichid
- dau la ieire pres. diferenial (debitmetru Venturi serie cu
debitmetru turbin)
- msoar debite de volum i de mas pentru aerosoli;
debitmetre cu turbin cu inserie axial au un rotor axial montat
pe o prelungire introdus radial n peretele conductei, printr-o
supap de nchidere.
- msoar viteza fluidului din poziia rotorului; se deduce debitul
de volum.
- folosite cnd diametrele conductelor sunt mari i acurateea
moderat;
debitmetre cu turbin multijet - debitmetre liniare pentru debite
de lichide.
Au o singur elice montat vertical pe un lagr, ntr-o camer
vertical de divizare a debitului, numit distribuitor; camera
inferioar este conectat la debitul de intrare i distribuie debitul
tangenial pe regiunea inferioar a lamelor elicei.
-
d) Debitmetre cu deplasare pozitiv
Msoar un volum cunoscut ntr-un anumit interval fix de timp.Tipuri
de debitmetre cu deplasare pozitiv:
pentru lichide i gaze ude: cu piston semirotativ, cu piston
reciproc, cu disc n rotaie, cu moric n rotaie;
pentru gaze: cu diafragm i cu deplasare rotativ.
Aceste debitmetre sunt pompe care funcioneaz invers: o cantitate de
fluid este prins ntre admisie i evacuare i sub influena presiunii,
fluidul este rotit spre portul de ieire pentru evacuare.Temperatura
maxim de funcionare este 300C.Presiunea maxim este de 10 MPa.
-
e) Debitmetre ultrasonore cu efect Doppler
Au un traductor ce trimite un fascicol ultrasonor cu frecv. ~ 500
kHz n fluid. Lichidul care curge prin conduct conine materiale
reflectorizante pentru undele ultrasonore (ex. particule solide sau
bule de aer). Micarea acestor materiale modific frecvena
fascicolului reflectat spre un traductor receptor.Deplasarea de
frecv. Doppler este liniar proporional cu viteza debitului
fluidului.Msoar debite cu viteze ale fluidului de 6 ... 9 m/s i
temperaturi < 120 C.
f) Debitmetre cu mprtierea vrtejurilor
Frecv. vrtejurilor mprtiate de un corp din debit e proporional cu
viteza fluidului.Debitmetrele cu mprtierea vrtejurilor au acuratee
1% la msurarea debitului de volum la lichide, gaze i aburi.Nu au
pri n micare i sunt tolerante la defecte.Sensibile la zgomotul
conductei i necesit debite mari pentru generarea vrtejurilor.Gama
dinamic 20:1, temperatura de funcionare < 2000C, presiunea
10MPa.
-
C. Debitmetre pentru msurarea debitului de mas
n unele aplicaii se determin masa real (greutatea) unui fluid (ex.
aparate de zbor).Pentru aflarea debitului de mas, datele de ieire
de la debitmetrele de volum trebuie corectate cu variaiile de
densitate, vscozitate, presiune, temperatur i vitez. Coreciile se
fac cu echipamente numerice sau prin tehnici directe de msurare.
a) Debitmetre directe de mas
- Debitmetre cu msurarea momentului forei
Msurarea momentului forei unui fluid n micare e simpl, sensibil la
variaia densitii.Dependena se elimin imprimnd fluidului o vitez
cunoscut, perpendicular de direcia de curgere.
- Debitmetre de mas termice
Se injecteaz o cantitate de cldur n fluid i se msoar diferena de
temperatur.Se folosete o nfurare de nclzire ce nconjoar fluidul din
conduct i doi senzori de temperatur (termorezistene), plasai nainte
i dup tubul nclzit.
b) Debitmetre indirecte de mas
Metodele folosite la determinarea debitului de volum se pot folosi
i la msurarea debitului de mas, dac se tie densitatea. Tehnici: cu
debitmetre cu presiune diferenial i cu debitmetre Pitot
statice.Densitatea se obine dac se cunosc presiunea i temperatura
fluidului.
-
D. Debitmetre pentru canale deschise
Ori de cte ori un lichid curge ntr-un canal i nu l umple complet,
debitul este numit debit n canal deschis (specific doar pentru
lichide).Aceste situaii se ntlnesc n conducte care nu sunt complet
pline, n ruri i canale. Tehnica folosit este plasarea unei
obstrucii (baraje, ecluze) n calea debitului i msurarea unei
variabile.
Debitmetrele cu ultrasunete pentru canale deschise
Traductorul este montat deasupra canalului i transmite impulsuri
ultrasonore n jos, pe suprafaa lichidului din canal.Impulsurile
sunt reflectate napoi spre traductor iar timpul de tranzit este o
msur a nlimii lichidului din canal. Folosind nivelul din canal i
viteza debitului, sistemul msoar debitul de volum.
-
E. Debitmetre cu vizualizarea imaginilor particulelor
Msurarea experimental a vitezei, acceleraiei i densitii unui debit
de gaz sau lichid este important pentru:
proiectarea autovehiculelor, aparatelor de zbor, navelor
maritime i a altor vehicule,
optimizarea unor procese de ardere i reacie,
diagnosticarea debitelor - tehnici optice (fluorescena indus cu
laser, mprtierea Raman, msurarea vitezelor prin deplasri de frecven
Doppler cu laser).
Debitmetrele cu vizualizarea imaginilor particulelor folosesc
mprtierea RO de ctre particule mici, pentru a evidenia micarea
lor.Fotografiile sau captarea electronic a imaginilor cu expuneri
duble nregistreaz i compar cmpul RO mprtiate la 2 momente de timp
i, prin analiz matematic se obine o hart bidimensional a vitezelor.
Se obin i informaii tridimensionale repetnd aceste msurri n poziii
diferite.Pentru msurare, n fluid se introduc particule mici, cu
densitate cunoscut, care mprtie RO.Folosesc surse laser n impulsuri
cu durate de ns cu comutarea factorului de calitate.Ieirea este
focalizat pentru a forma o foaie de radiaie optic cu grosime
uniform.Imaginile sunt preluate cu o camer de luat vederi.Acurateea
depinde de mrimea i densitatea particulelor introduse n debit,
mrirea i distana focal a sistemului optic a camerei de luat vederi,
rezoluia camerei.Elementul esenial al sistemului este laserul.
-
F. Msurarea debitului n conducte parial pline
Se face cu un debitmetru electromagnetic i sistem independent de
msurare capacitiv a nivelului.Viteza fluidului se msoar cu legea
induciei electromagnetice Faraday (un lichid conductiv care curge
intr-un cmp magnetic induce o tensiune direct proporional cu viteza
medie a fluidului):
U = tensiune indus,
U = k1 . B.v.d , k1 = constant instrument,
B = inducie magnetic,
d = distana dintre electrozi (diametrul conductei).
Cmpul magnetic e generat cu 2 bobine i perpendicular pe tubul
nemagnetic prin care trece debitul. Electrozii sunt opui, pe
mijlocul conductei la debitmetrele convenionale electromagnetic,
sau cu distan ntre ei de 10 % din diametrul tubului.Debitul de
volum prin conduct este:
DV = debit de volum instantaneu,
DV = v. A v = vitez fluid,
A = arie seciune transversal fluid.
Msurarea capacitiv a nivelului se face cu sistem integrat (1 plac
de detecie pe o fa a tubului de msurare i 4 plci de transmisie pe
cealalt fa, introduse n pereii unui tub de poliuretan).Senzorul de
nivel e ncapsulat n plastic i izolat de lichidul msurat.
- Plcile de transmisie sunt alimentate cu tensiune de frecven
mare.Se msoar curentul indus n placa receptoare.Placa de transmisie
de jos e complet acoperit de lichid i este referin pentru
compensarea tensiunii de decalaj datorit variaiei conductivitii
lichidului.Nivelul debitului de lichid se determin din capacitatea
msurat:
C = k2 . A, unde A = suprafaa seciunii transversale a debitului
de fluid.
Circuitele electronice de pe tubul de msurare calculeaz factorul de
umplere al conductei notat cu b, cu valori 0 ... 1, n funcie de
debit.Debitul prin conducta parial umplut:
DV = k3.vp.b, unde vp = viteza fluidului prin debitmetrul parial
umplut.
Calibrarea se face static i dinamic, n dou etape:
se determin constanta de calibrare cu un tub de msurare complet
umplut. Calibrarea static = determinarea factorilor de corecie n
msurarea nivelului, pt. diverse nivele de lichid i diverse lichide,
comparativ cu un sistem de referin.
Calibrarea dinamic folosete un ansamblu special de
calibrare.
debitmetrul parial umplut se calibreaz fa de un debitmetru
electromagnetic de referin la diverse nivele de umplere i diverse
viteze de fluid.
Avantaje:
nu sunt pri n micare sau care obstrucioneaz fluidul,
Fluctuaiile semnalului de ieire n conductele parial pline se
elimin cu circuite cu logic fuzzy i circuite speciale de
filtrare.
-
G. Debitmetre ultrasonore pentru temperaturi mari
Problema principal: la temperaturi > 260C, asigurarea funcionrii
traductoarelor care genereaz sau detecteaz undele ultrasonore.A
doua problem: cuplarea undelor ultrasonore la traductorul generator
i la cel receptor, cu fluidul (pentru traductoare ude) i cuplarea
ultrasunetelor n i din conduct (la traductoare exterioare). Nu
trebuie perturbat fluidul sau temperatura sa. Pentru generarea i
detectarea ultrasunetelor se folosesc traductoare piezoelectrice.
Materialul folosit este niobatul de litiu care i pstreaz
proprietile piezoelectrice pn la punctul Curie, de aproximativ
1210C.Pentru lucrul la temperaturi mari, se folosesc materiale
ceramice feroelectrice care i rein oxigenul lor pn la 300... 500C;
Pentru evitarea vibratiilor se folosesc amortizoare.
-
Traductoare de nivel
Sistemele pentru controlul nivelului sunt de patru tipuri:
- control ntr-un punct,
Exemplu: meninerea unui rezervor plin cu lichid, fr ca acesta s
depeasc limita maxim sau minim. Cnd lichidul atinge un nivel
critic, traductorul de nivel activeaz o pomp sau deschide o
supap;
- control n dou puncte,
Exemplu: meninerea nivelului unui lichid dintr-un rezervor ntre
dou puncte.
Tipurile de traductoare compatibile cu aceste aplicaii sunt
aceleai ca pentru sistemele de control ntr-un punct.
- control n mai multe puncte i
- control continuu, care folosete traductoare cu semnal de ieire
continuu.
-
Traductoare de nivel cu plutitor
Sunt traductoare complexe:
- un plutitor d informaii despre nivel,
- un sistem mecanic transfer deplasarea plutitorului i
- un traductor de deplasare (rezistiv, reostatic, inductiv, cu
senzor Hall).
Trad. de nivel cu plutitor se activeaz sau dezactiveaz dup o
curs tipic de 3 mm.
Exemplu: indicatorul de benzin de la automobile.
Traductoare de nivel cu msurarea greutii sau presiunii
Msoar greutatea rezervorului cu un traductor de for, sau diferena
de presiune cu traductor de presiune, ambele mrimi liniar
dependente de nivelul lichidului in rezervor.Principala surs de
eroare este variaia densitii lichidului cu temperatura.Adaptorul
electronic folosit trebuie s asigure o decalare a originii de
msurare pentru a ine seama de greutatea rezervorului gol.Aplicaie a
traductoarelor de nivel cu msurarea presiunii: analiza i
monitorizarea stabilitii navelor, fr a msura densitatea apei.
-
Traductoare de nivel cu sesizarea atingerii unui anumit
nivel
O metod des folosit este folosirea unui traductor de temperatur
(termistor cu autonclzire) a crui temperatur scade brusc n contact
cu lichidul. Pentru lichidele conductoare, sesizarea atingerii unui
nivel dat se face prin nchiderea unui circuit, cele dou contacte
fiind n rezervor.O extindere a metodei este traductorul de nivel
numeric, realizat prin montarea unui lan de contacte pe
generatoarea rezervorului, obinnd astfel cuantificarea nivelului
funcie de numrul de contacte.
Traductoare de nivel capacitive
Cel mai simplu traductor de nivel capacitiv are doi electrozi:
- un electrod este o vergea izolat introdus n rezervorul cu
lichid,
al doilea electrod este peretele rezervorului.
Dac rezervorul nu are form geometric regulat, cei 2 electrozi
sunt profilai corespunztor, nct s existe o dependen liniar ntre
capacitate i cantitate lichid.
Avantaje: - funcionarea cu lichide sau pulberi conductoare sau
izolante,
- semnal de ieire n curent alternativ.
Traductoare de nivel cu ultrasunete
Msoar durata de timp ntre momentul emisiei unui impuls ultrasonor i
momentul recepionrii impulsului reflectat de suprafaa lichid gaz.
Stiind viteza sunetului n mediul de propagare, se determin distana
deci nivelul.Metoda este folosit att pentru lichide ct i pentru
solide.Msurarea se face continuu sau intermitent.
-
Traductoare de nivel cu microunde
Materialele conductoare reflect microundele iar materialele
dielectrice le atenueaz.Msurarea nivelului lichidelor sau
pulberilor conductoare: un emitor transmite un fascicol de
microunde n impulsuri spre lichid, care este reflectat, captat de o
anten i transmis receptorului. Timpul necesar fascicolului s ajung
de la emitor la receptor este o msur a nivelului.
Traductoare de nivel optoelectronice
Detecteaz nivelul de lichid prin transmiterea unei radiaii IR la o
prism optic fixat la captul FO.Dac prisma optic este n lichid,
fascicolul IR se refract.Dac prisma este uscat, fascicolul IR este
reflectat napoi n fibra optic.Exist i traductoare de nivel numerice
cu FO la care s-a nlturat mbrcmintea pe poriuni de lungime identic
ns poziionate dup un cod (ex., codul Gray cu 6 bii). Lichidul
asigur reflexia intern total a RO pentru zonele cu FO fr nveli.
Traductoare de nivel cu radiaii nucleare
Msoar nivelul lichidelor toxice, inflamabile, explozive, corozive,
nefiind permis trecerea electric sau mecanic ntre interiorul i
exteriorul rezervorului.Sursa radioactiv este pe un plutitor, la
suprafaa lichidului.Cu un detector din afara rezervorului, se msoar
intensitatea radiaiei (invers proporional cu ptratul distanei surs
detector) i atenuarea radiaiei de stratul de lichid al crui nivel
de determin.