CAPITOLUL 10 Traductoare de debit si nivel

Debitul

este un parametru caracteristic fluidului cantitatea de fluid care trece în mişcare şi reprezintă în unitatea de timp, prin unitatea de suprafaţă.

Măsurările de debit

sunt legate de

principiul conservării masei

:

O masă statică care intră într-un sistem în unitatea de timp este egală cu masa care iese din sistem în aceeaşi unitate de timp.

• • • Măsurarea debitului se referă la fluide: lichide, gaze, aburi şi suspensii.

Debitele de solide se determină prin cântărire şi numărare.

Debitele fluidelor se măsoară în conducte deschise sau închise, debitele de gaz se măsoară numai în conducte închise.

• Pentru - sisteme cu măsurarea debitului se folosesc: măsurare frontală cu celule de presiune diferenţială, - sisteme cu traductoare electromagnetice, - sisteme cu măsurarea suprafeţei variabile, - sisteme cu măsurarea deplasării pozitive, - sisteme cu traductoare cu turbină, - sisteme cu traductoare cu ultrasunete, - sisteme cu traductoare cu stingerea vârtejurilor, - sisteme cu traductoare termice, - sisteme cu traductoare coriolis, etc.

Tipuri de debite

• • După modul de definiţie al cantităţii de fluid, debitele pot fi de trei tipuri: - masice,

Q

m = - volumice, - de greutate, Sistemul de

m / t Q

V =

V / t Q

m = [kg/s], [m

G / t

3 /s],

m V

[kg.m

= masa de fluid 3 = volumul de fluid /s],

G

= greutatea de fluid - tipul fluidului (lichid, gaz, aburi sau suspensii), în unitatea de timp; în unitatea de timp; în unitatea de timp.

măsurare folosit se alege în funcţie de următorii factori: - densitatea fluidului, - v âscozitatea fluidului, - puritatea fluidului, - nivelul debitului, - tipul debitului (turbulent sau laminar), • - tipul conductei, condiţiile de mediu (temperatură, presiune, etc), acurateţe, etc.

În sistemele pentru procesarea datelor, debitele variabile se eşantionează la 1 Hz.

• În procesul de măsurare se ţine cont de trei caracteristici importante ale fluidelor: densitatea  [kg/m 3 ] este raportul între masa şi volumul fluidului, vâscozitatea  [N.s/m 2 ] este orizontale, separate de o forţa tangenţială pe o suprafaţă unitate a două planuri distanţă unitate, un plan fix iar celălalt mişcându-se cu viteza unitate.

temperaturii, Spaţiul dintre planuri este umplut cu substanţa vâscoasă. La creşterea vâscozitatea creşte la gaze şi scade la lichide.

numărul Reynolds (Re) specifică debitul ca un raport între inerţie şi vâscozitate conform relaţiei:

R

e =

vl



/



, v

= viteza debitului în m/s şi

l

= lungimea debitului.

A. Debitmetre pentru măsurarea punctuală a vitezei fluidului

• • • • M ăsurarea punctuală a vitezei fluidului se face în volum finit (secţiune de conductă închisă sau canal deschis de lungime suficientă, cu secţiune transversală cunoscută).

Viteza se măsoară într-un punct unde reprezintă viteza medie din secţiunea transversală.

Pentru vizualizarea debitului, se injecteaz ă în fluid particule trasoare (bule de gaz sau coloranţi) şi se monitorizează trecerea lor.

Dispozitive pentru măsurarea vitezei punctuale:

probele statice Pitot, anemometrele cu fir cald

şi

debitmetrele cu ultrasunete

.

a) Probe statice Pitot

• • • • • • Măsurarea presiunii în fluidele în mişcare introduce, pe lângă presiunea statică, presiunea dinamică.

M ăsurare: într-un canal deschis sau conductă închisă se introduce perpendicular un tub ce măsoară presiunea statică şi un tub paralel cu primul plasat mai departe, pentru măsurarea presiunii totale.

Presiunea totală (PT) = Presiunea statică (PS) + Presiunea dinamică (PD).

Introducerea tuburilor produce distorsionarea formei presiunii.

Alte surse de erori sunt: nealinierea tubului cu direcţia debitului; neuniformitatea debitului de fluid în secţiunea transversală prin conductă; v âscozitatea, care are efect mai mare la valori mici ale numărului Reynolds; tuburile cu diametre mari determină scăderea presiunii statice; raportul diametrelor canalului Avantaj: presiune şi a tubului poate fi prea mic.

uşurinţa cu care e introdus în debitul de fluid. Semnalul de la ieşire este o diferenţială care se măsoară electric.

Dezavantaj: valoarea mică a presiunii.

b) Anemometre cu fir cald

• • • Folosesc efectul de răcire al unui element rezistiv de către fluid, măsurând viteza fluidului prin detectarea variaţiei de rezistenţă cu temperatura.

Efectul de răcire sau pierderea de căldură a elementului rezistiv depinde de: viteza masei de fluid, căldura specifică a fluidului, coeficientul de transfer de temperatura Tehnici de m ăsurare: căldură al elementului rezistiv, şi presiunea fluidului.

• • la curent constant sau la temperatură (sau tensiune) constantă, şi două configuraţii fizice: fir sau strat subţire rezistiv.

Precau ţii: sonda trebuie lichidele conductoare pot declanşa electrolize, deci senzorul trebuie izolat sau excitaţia se face în curent alternativ; fluidul trebuie să fie aliniată în debitul de fluid; să fie curat pentru a evita acoperirea sau ruperea senzorului; la viteze mari pot apărea vibraţii.

Folosesc la măsurarea vitezei gazelor (0,1 ... 500 m/s şi < 750°C). 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 obţinuţi prin depunere.

• • • •

c) Debitmetre cu ultrasunete cu măsurarea timpului de tranzit

Sunt traductoare portabile care Au microprocesor măsoară debite de lichide şi suspensii fără obstrucţie.

încorporat, afişaj grafic, tastatură pentru selecţia meniului, interfaţă serială pentru controlere numerice, controlere logice programabile, înregistratoare.

Măsoară diferenţa timpului de tranzit între impulsurile ultrasonore transmise în sensul invers sensului de curgere al fluidului.

Dup ă modul de amplasare al celor două traductoare din construcţie, sunt trei variante de debitmetre ultrasonore cu măsurarea timpului de tranzit: cu montare tip Z (diametral opuse şi o singură trecere a fascicolelor), cu montare tip V (traductoare plasate de partea interioară); aceeaşi parte a conductei, cu reflexie de cu montare tip W (traductoarele plasate de aceeaşi parte a conductei, cu trei reflexii).

• • • •

B.

Debitmetre pentru măsurarea debitului de volum

Măsurarea volumului brut de fluid înseamnă determinarea volumului care trece printr un punct, prin măsurarea unui parametru.

Procedeul cel mai folosit: măsurarea presiunii diferenţiale de-a lungul debitului.

Traductoarele de debit de acest tip impun plasarea unei placă cu duză, tub Venturi sau tub Dall).

Alte traductoare utilizate pentru obstrucţii pe linia de debit (o măsurarea volumului unui fluid sunt: traductoarele cu turbină, traductoarele cu deplasare pozitivă, traductoare electromagnetice, traductoare ultrasonore cu efect Doppler, traductoare cu împrăştierea vârtejurilor, etc.

a) Debitmetre cu suprafaţă constantă şi cădere variabilă a presiunii (cu presiune diferenţială)

• • • Debitul turbulent (Re > 4000) trece printr-o găuri cu muchii drepte, numită

placă cu orificii

.

restricţie din conductă, sub forma unei Pierderea permanentă de presiune statică din conductă după obstrucţie dă o indicaţie asupra debitului. Cele mai bune poziţii pentru amplasarea robinetelor de presiune (RP) sunt la distanţele D şi D/2 faţă de placa, D fiind diametrul conductei.

Debitul de volum se suprafaţa orificiului, suprafaţa conductei, presiunea între cele două puncte ale robinetelor, Debit RP RP Robinete Secţiune prin conductă densitatea fluidului.

• • • •

b) Debitmetre cu suprafaţă variabilă şi cădere constantă a presiunii

Unele debitmetre au suprafaţa orificiului ajustabilă şi cădere de presiune constantă.

Se folose şte un flotor cu dimensiuni fixe, suspendat într-un tub vertical cu suprafaţă crescătoare cu înălţimea.

Pentru un debit dat, flotorul devine staţionar dacă gravitaţia, presiunea diferenţială, vâscozitatea şi flotabilitatea sunt mărimi echilibrate.

F uncţionare: pentru o suprafaţă fixă de conductă, presiunea diferenţială variază cu pătratul debitului. La presiune constantă, suprafaţa se modifică şi debitul de volum variază liniar cu înălţimea la care este suspendat flotorul.

Debit de iesire Tub de sticlă Flotor Debit de intrare

• • • • • -

c) Debitmetre cu turbină

Au un set de lame ce se rotesc, plasate în linia de debit a unui fluid.

Viteza unghiulară e proporţională cu debitul, ieşirea fiind tren de impulsuri numerice.

Pentru semnal analogic la ieşire, se foloseşte un convertor frecvenţă - tensiune.

Măsoară debite de 0,001 ... 500m 3 /min pt. gaze Variantele constructive ale debitmetrelor cu şi 0,05 ... 120000 l/min pt. lichide.

turbină: respirometre măsoară debitul de volum al gazelor eliminate din plămâni; debitmetre cu 2 turbine axiale cu 2 rotoare acurateţe, autocorectare şi autoverificare măsoară debite mari de gaze naturale, în conducte magistrale; debitmetre cu 2 faze gaz/lichid - dau la ieşire pres. diferenţială (debitmetru Venturi serie cu debitmetru turbină) - m ăsoară debite de volum şi de masă pentru aerosoli; debitmetre cu turbină cu inserţie axială – au un rotor axial montat pe o prelungire introdus ă radial în peretele conductei, printr-o supapă de închidere.

- m ăsoară viteza fluidului din poziţia rotorului; se deduce debitul de volum.

- folosite debitmetre cu când diametrele conductelor sunt mari şi acurateţea moderată; turbină multijet - debitmetre liniare pentru debite de lichide.

Au o singură elice montată vertical pe un lagăr, într-o cameră verticală de divizare a debitului, numi tă distribuitor; camera inferioară este conectată la debitul de intrare şi distribuie debitul tangenţial pe regiunea inferioară a lamelor elicei.

d) Debitmetre cu deplasare pozitivă

• • • • • Măsoară un volum cunoscut într-un anumit interval fix de timp.

Tipuri de debitmetre cu deplasare pozitivă: pentru lichide cu şi gaze ude: cu piston semirotativ, cu piston reciproc, cu disc în rotaţie, morişcă în rotaţie; pentru gaze: cu diafragmă şi cu deplasare rotativă.

Aceste debitmetre sunt pompe care prinsă între admisie şi evacuare şi sub influenţa presiunii, fluidul este rotit spre portul de ieşire pentru evacuare.

funcţionează invers: o cantitate de fluid este Temperatura Presiunea maximă de funcţionare este 300°C.

maximă este de 10 MPa.

• • • •

e) Debitmetre ultrasonore cu efect Doppler

Au un traductor ce trimite un fascicol ultrasonor cu frecv. ~ 500 kHz în fluid.

Lichidul care curge prin conductă conţine materiale reflectorizante pentru undele ultrasonore (ex. particule solide sau bule de aer).

Mişcarea acestor materiale modifică frecvenţa fascicolului reflectat spre un traductor receptor.

Deplasarea de frecv. Doppler este liniar proporţională cu viteza debitului fluidului.

Măsoară debite cu viteze ale fluidului de 6 ... 9 m/s şi temperaturi < 120 °C.

• • • • •

f) Debitmetre cu împrăştierea vârtejurilor

Frecv.

vârtejurilor împrăştiate de un corp din debit e proporţională cu viteza fluidului.

Debitmetrele cu împrăştierea vârtejurilor au acurateţe volum la lichide, gaze şi aburi.

 1% la măsurarea debitului de Nu au părţi în mişcare şi sunt tolerante la defecte.

Sensibile la zgomotul conductei Gama şi necesită debite mari pentru generarea vârtejurilor.

dinamică 20:1, temperatura de funcţionare < 2000C, presiunea  10MPa.

C.

Debitmetre pentru măsurarea debitului de masă

• • • • • În unele aplicaţii se determină masa reală (greutatea) unui fluid (ex. aparate de zbor).

Pentru aflarea debitului de corectate cu masă, datele de ieşire de la debitmetrele de volum trebuie variaţiile de densitate, vâscozitate, presiune, temperatură şi viteză.

Corecţiile se fac cu echipamente numerice sau prin tehnici directe de măsurare.

a) Debitmetre directe de - Debitmetre cu

masă

măsurarea momentului forţei

Măsurarea momentului forţei unui fluid în mişcare e simplă, sensibilă la variaţia densităţii.

D ependenţa se elimină imprimând fluidului o viteză cunoscută, perpendiculară de direcţia de curgere.

• • • • •

b) Debitmetre de masă termice

Se injecteaz ă o cantitate de căldură în fluid şi se măsoară diferenţa de temperatură.

Se de foloseşte o înfăşurare de încălzire ce înconjoară fluidul din conductă temperatură (termorezistenţe), plasaţi înainte şi după tubul încălzit.

Debitmetre indirecte de masă

şi doi senzori Metodele folosite la determinarea debitului de volum se pot folosi debitului de masă, dacă se ştie densitatea.

şi la măsurarea Tehnici: cu debitmetre cu presiune Densitatea se diferenţială şi cu debitmetre Pitot statice.

obţine dacă se cunosc presiunea şi temperatura fluidului.

D. Debitmetre pentru canale deschise

• • Ori de

debit

câte ori un lichid curge într-un canal şi nu îl umple complet, debitul este numit

în canal deschis

(specific doar pentru lichide).

Aceste situaţii se întâlnesc în conducte care nu sunt complet pline, în râuri şi canale.

Tehnica folosită este plasarea unei obstrucţii (baraje, ecluze) în calea debitului şi măsurarea unei variabile.

• • •

Debitmetrele cu ultrasunete pentru canale deschise

Traductorul este montat deasupra canalului pe suprafaţa lichidului din canal.

şi transmite impulsuri ultrasonore în jos, Impulsurile sunt reflectate înălţimii lichidului din canal.

înapoi spre traductor iar timpul de tranzit este o măsură a Folosind nivelul din canal şi viteza debitului, sistemul măsoară debitul de volum

.

• • • • • • • • •

E. Debitmetre cu vizualizarea imaginilor particulelor

Măsurarea experimentală a vitezei, acceleraţiei şi densităţii unui debit de gaz sau lichid este importantă pentru: proiectarea autovehiculelor, aparatelor de zbor, navelor maritime şi a altor vehicule, optimizarea unor procese de ardere şi reacţie, diagnosticarea debitelor - tehnici optice Raman, (fluorescenţa indusă cu laser, împrăştierea măsurarea vitezelor prin deplasări de frecvenţă Doppler cu laser).

Debitmetrele cu vizualizarea imaginilor particulelor folosesc particule mici, pentru a evidenţia mişcarea lor.

împrăştierea RO de către Fotografiile sau captarea electronică a imaginilor cu expuneri duble înregistrează şi compară câmpul RO împrăştiate la 2 momente de timp şi, prin analiză matematică se obţine o hartă bidimensională a vitezelor. Se obţin şi informaţii tridimensionale repetând aceste măsurări în poziţii diferite.

Pentru măsurare, în fluid se introduc particule mici, cu densitate cunoscută, care împrăştie RO.

Folosesc

surse laser în impulsuri cu durate de ns cu comutarea factorului de calitate

.

Ieşirea este focalizată pentru a forma o foaie de radiaţie optică cu grosime uniformă.

Imaginile sunt preluate cu o cameră de luat vederi.

Acurateţea depinde de mărimea şi densitatea particulelor introduse în debit, mărirea şi distanţa focală a sistemului optic a camerei de luat vederi, rezoluţia camerei.

Elementul esenţial al sistemului este laserul.

• • • • • •

F. Măsurarea debitului în conducte parţial pline

Se face cu un debitmetru electromagnetic capacitivă a nivelului.

şi sistem independent de măsurare Viteza fluidului se m ăsoară cu legea inducţiei electromagnetice Faraday (

un lichid conductiv care curge intr-un câmp magnetic induce o tensiune direct proporţională cu viteza medie a fluidului

):

U = k 1

.

B.v.d , d U k 1 B

= tensiune = indusă, constantă instrument, = = inducţie magnetică, distanţa dintre electrozi (diametrul conductei).

Câmpul magnetic e generat cu 2 bobine şi perpendicular pe tubul nemagnetic prin care trece debitul. Electrozii sunt opuşi, pe mijlocul conductei la debitmetrele convenţionale electromagnetic, sau cu distanţă între ei de 10 % din diametrul tubului.

Debitul de volum prin conductă este:

D V = v. A D v V

= = debit de volum instantaneu, viteză fluid,

A

= arie secţiune transversală fluid.

Măsurarea capacitivă a nivelului se face cu sistem integrat (1 placă de detecţie pe o faţă a tubului de măsurare şi 4 plăci de transmisie pe cealaltă faţă, introduse în pereţii unui tub de poliuretan).

Senzorul de nivel

e încapsulat în plastic şi izolat de lichidul măsurat.

• • • • • • • • Plăcile de transmisie sunt alimentate cu tensiune de frecvenţă mare.

Se măsoară curentul indus în placa receptoare.

Placa de transmisie de jos e complet acoperită de lichid şi este referinţă pentru compensarea tensiunii de decalaj datorit ă variaţiei conductivităţii lichidului.

Nivelul debitului de lichid se d etermină din capacitatea măsurată:

C

=

k 2

.

A, unde A

= suprafaţa secţiunii transversale a debitului de fluid.

Circuitele electronice de pe tubul de conductei notat cu

b

, cu valori 0 ... 1, măsurare calculează factorul de umplere al în funcţie de debit.

Debitul prin conducta parţial umplută:

D

V =

k 3 .v

p .b, unde v p

= viteza fluidului prin debitmetrul parţial umplut.

Calibrarea se face static şi dinamic, în două etape: se determină constanta de calibrare cu un tub de măsurare complet umplut.

Calibrarea statică = determinarea factorilor de corecţie în măsurarea nivelului, pt.

diverse nivele de lichid şi diverse lichide, comparativ cu un sistem de referinţă.

Calibrarea dinamică foloseşte un ansamblu special de calibrare

.

debitmetrul parţial umplut se calibrează faţă de un debitmetru electromagnetic de referinţă la diverse nivele de umplere şi diverse viteze de fluid.

Avantaje

: nu sunt părţi în mişcare sau care obstrucţionează fluidul, Fluctua ţiile semnalului de ieşire în conductele parţial pline se elimină cu circuite cu logică fuzzy şi circuite speciale de filtrare.

• • • • •

G. Debitmetre ultrasonore pentru temperaturi mari

Problema care principală: la temperaturi > 260°C, asigurarea funcţionării traductoarelor generează sau detectează undele ultrasonore.

A doua problemă: cuplarea undelor ultrasonore la traductorul generator şi la cel receptor, cu fluidul (pentru traductoare ude) şi cuplarea ultrasunetelor în şi din conductă (la traductoare exterioare).

Nu trebuie perturbat fluidul sau temperatura sa

.

Pentru generarea şi detectarea ultrasunetelor se folosesc traductoare piezoelectrice.

Materialul folosit este

niobatul de litiu

care îşi păstrează proprietăţile piezoelectrice până la punctul Curie, de aproximativ 1210°C.

Pentru lucrul la temperaturi mari, se folosesc materiale ceramice feroelectrice care reţin oxigenul lor până la 300... 500°C; îşi Pentru evitarea vibratiilor se folosesc amortizoare.

Traductoare de nivel

• Sistemele pentru controlul nivelului sunt de patru tipuri: - control într-un punct,

Exemplu

maximă sau minimă. Când lichidul atinge un nivel critic, traductorul de nivel activează o : menţinerea unui rezervor plin cu lichid, fără ca acesta să depăşească limita pompă sau deschide o supapă; - control în două puncte,

Exemplu:

menţinerea nivelului unui lichid dintr-un rezervor între două puncte.

Tipurile de traductoare compatibile cu aceste sistemele de control într-un punct.

aplicaţii sunt aceleaşi ca pentru - control în mai multe puncte şi - control continuu, care foloseşte traductoare cu semnal de ieşire continuu.

•

Traductoare de nivel cu plutitor

Sunt traductoare complexe: - un plutitor dă informaţii despre nivel, - un sistem mecanic transferă deplasarea plutitorului şi - un traductor de deplasare (rezistiv, reostatic, inductiv, cu senzor Hall).

• • • • Trad. de nivel cu plutitor se

Exemplu

: indicatorul de benzină de la automobile.

Traductoare de nivel cu măsurarea greutăţii sau presiunii

Măsoară greutatea rezervorului cu un traductor de forţă, sau diferenţa de presiune cu traductor de presiune, ambele rezervor.

activează sau dezactivează după o cursă tipică de 3 mm.

mărimi liniar dependente de nivelul lichidului in Principala sursă de eroare este variaţia densităţii lichidului cu temperatura.

Adaptorul electronic folosit trebuie a să asigure o decalare a originii de măsurare pentru ţine seama de greutatea rezervorului gol.

Aplicaţie

a traductoarelor de nivel cu măsurarea presiunii: analiza şi monitorizarea stabilităţii navelor, fără a măsura densitatea apei.

• •

Traductoare de nivel cu sesizarea atingerii unui anumit nivel

O metodă des folosită este folosirea unui autoîncălzire) a cărui temperatură scade brusc în contact cu lichidul. Pentru lichidele conductoare, sesizarea atingerii unui nivel dat se face prin cele două contacte fiind în rezervor.

traductor de temperatură

(termistor cu închiderea unui circuit, O extindere a metodei este

traductorul de nivel numeric

, realizat prin montarea unui lanţ de contacte pe generatoarea rezervorului, obţinând astfel cuantificarea nivelului funcţie de numărul de contacte.

•

Traductoare de nivel capacitive

Cel mai simplu traductor de nivel capacitiv are doi electrozi: - un electrod este o vergea izolată introdusă în rezervorul cu lichid, • al doilea electrod este peretele rezervorului.

Dacă rezervorul nu are formă geometrică regulată, cei 2 electrozi sunt profilaţi corespunzător, încât să existe o dependenţă liniară între capacitate şi cantitate lichid.

Avantaje: funcţionarea cu lichide sau pulberi conductoare sau izolante, - semnal de ieşire în curent alternativ.

• • •

Traductoare de nivel cu ultrasunete

Măsoară durata de timp între momentul emisiei unui impuls ultrasonor şi momentul recepţionării impulsului reflectat de suprafaţa lichid – gaz. Stiind viteza sunetului în mediul de propagare, se Metoda este determină distanţa deci nivelul.

folosită atât pentru lichide cât şi pentru solide.

Măsurarea se face continuu sau intermitent.

• •

Traductoare de nivel cu microunde

Materialele conductoare reflectă microundele iar materialele dielectrice le atenuează.

Măsurarea nivelului lichidelor sau pulberilor conductoare

: un fascicol de microunde emiţător transmite un receptor este o în impulsuri spre lichid, care este reflectat, captat de o antenă şi transmis receptorului. Timpul necesar fascicolului să ajungă de la emiţător la măsură a nivelului.

•

Traductoare de nivel optoelectronice

Detectează nivelul de lichid prin transmiterea unei radiaţii IR la o prismă optică fixată la capătul FO.

• • • • Dacă prisma optică este în lichid, fascicolul IR se refractă.

• • Dacă prisma este uscată, fascicolul IR este reflectat înapoi în fibra optică.

Există şi traductoare de nivel numerice cu FO la care s-a înlăturat îmbrăcămintea pe porţiuni de lungime identică însă poziţionate după un cod (ex., codul Gray cu 6 biţi).

Lichidul asigură reflexia internă totală a RO pentru zonele cu FO fără înveliş.

Traductoare de nivel cu radiaţii nucleare

Măsoară nivelul lichidelor toxice, inflamabile, explozive, corozive, nefiind permisă trecerea Sursa electrică sau mecanică între interiorul şi exteriorul rezervorului.

radioactivă este pe un plutitor, la suprafaţa lichidului.

Cu un detector din afara rezervorului, se proporţională cu pătratul distanţei sursă – detector) şi atenuarea radiaţiei de stratul de lichid al cărui nivel de determină.

măsoară intensitatea radiaţiei (invers