UNIVERSITATEA VALAHIA DIN TÂRGOVIȘTE

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ ȘI TEHNOLOGIA INFORMAȚIEI

SPECIALIZAREAA ENERGETICĂ INDUSTRIALĂ

PROIECT

MANOMETRE ELECTRICE ȘI PIEZOELECTRICE

Disciplina:

MĂSURAREA MĂRIMILOR ELECTRICE

ȘI NEELECTRICE

Coordonator: Ș. L. Dr. Traian IVANOVICI

Student: ALEXANIAN ARNO GABRIEL

L.E.I. Anul III

INTRODUCERE

MASURAREA PRESIUNII

Pentru măsurarea presiunii se folosesc în prezent numeroase tipuri de aparate, bazate pe diferite principii. O mare parte din aceste aparate sunt mecanice altele sunt electronice sau combinate (cu părți mecanice și părți electronice). Principalale tipuri de aparate pentru măsurarea presiunii pot fi împarțite în trei categorii: pentru măsurarea vacuumului, presiunilor medii și presiunilor mari.

Pentru măsurarea presiunilor medii putem folosi:

traductoare inductive traductoare capacitive traductoare piezoelectrice traductoare electrotensometrice

Pentru măsuraraea presiunilor mari se folosesc:

traductoare cu element elestic speciale traductoare cu rezistență (manganină)

În cele ce urmează se vor analiza manometrele electrice și piezoelectrice.

Manometre electrice și piezoelectricePrezentare generala

Acțiunea aparatelor din această grupă se bazează pe transformarea directă sau indirectă a presiunii într-o mărime electrică oarecare, care este funcție de presiune, prin intermediul traductoarelor de presiune (inductive, capacitive, piezoelectrice).

Fig. 1 Măsurarea presiunii folosind un traductor inductiv

Fig. 2 Traductor de presiune capacitiv

Aceste aparate se folosesc mai ales pentru cercetări. De exmplu, pentru măsurarea presiunilor înalte și supraînalte, se folosește manometrul cu rezistență, care constituie unicul aparat pentru acest scop. Pentru măsurarea presiunilor cu variație rapidă în cursul proceselor periodice și neperiodice, s-au dovedit foarte valoroase manometrele capacitive, piezoelectrice și altele.

Manometrele cu rezistență Acțiunea aparatelor se bazează pe variația rezistenței unui conductor sub acțiunea presiunii exterioare. Drept conductoare electrice pot servi, în principiu orice metale și aliaje, precum și semiconductoare. Cel mai convenabil material pentru utilizare în manometrele cu rezistență este manganinul, deoarece coeficientul de temperatura al rezistenței este mic.

Daca se notează rezistența conductorului supus presiunii cu R, variația rezistenței cu ∆R și presiunea cu p, atunci variația rezistenței va fi redată printr-o relație liniară:

∆R=kRp

unde k este coeficientul piezoresitiv a cărui mărime depinde de compoziția conductorului.

Din această relație reiese că:

k =∆ RRp cm2/kgf

Dimensiunea este dată în cm2 /kgf, adică o mărime inversă dimensiunii presiunii.

Valorile coeficientului piezorezistivitate nu numai că sunt diferite pentru diverse materiale, dar sunt inconstante chiar și pentru același material. Pentru manganin k este situat între 2∙10-6 și 2,5∙10-6 cm2 /kgf.

Valoare mică a coeficientului de piezorezistivitate condiționează utilizarea manometrelor cu manganin numai pentru măsurarea presiunilor înalte și

supraînalte. Manometrul cu manganin de construcție UFTI este reprezenntat schematic în figura de mai jos.

1-bobina într-un singur strat

2-piuliță

3-tijă cupru

5-dop etanșare

6-inele de fibră și cauciuc

7-piuliță

8-corp manometru

9-niplu

Partea sensbilă a manometrului este bobina într-un singur strat cu diametrul de 8 mm, de sârmă de manganin cu diamentrul de 0,05 mm, înfașurata bifilar. Rezistența bobinei este de 180-200 Ω. Un capăt al înfășurării bobinei este lipit la piulița (2), iar celălalt capăt la tija de cupru (3). Tija trece prin canalul din piulița (2). Poziția concentrată a tijei se obține prin inele de fibră și de cauciuc (6) combinate prin piulița (7). Piulița (2) se înșurubeaza în corpul manometrului (8) prevazut cu niplu (9) pentru racordarea la aparat sau la conducta în care se măsoara presiunea.

Pentru măsurarea rezistenței se poate folosi orice aparat de măsurat rezistențe electrice, de exemplu puntea electronica echilibrată.

Conform datelor obținute în cercetare, dependența liniară a rezistenței manganinului cu presiunea a fost verificată până la 13000 kgf/cm2 și nu există motive să se presupună ca ea este perturbată la presiuni mai înalte. De aceea la etalonare scara se extrapolează pentru presiuni mai înalte, bazându-ne pe datele etalonării parțiale a scării după aparatul model. Eroarea de măsurare nu depășește ± 1% din limitele scării, însă poate fi adusă până la ± 0.05%.

Pentru mărirea invariabilității indicațiilor după înfășurare bobina este supusă reacoacerii timp de 20-24 de ore în atmosferă de azot la 125-130ºC.

Se cunosc construcții de manomtre cu coloane de cărbune constituite din discuri subțiri cu diametrul de 5-10 mm și grosimea de 10 mm executate din cărbune de electrozi. La o asemenea coloană se micșorează rezistența prin comprimare ceea ce se explica prin îmbunătățirea contactelor dintre discuri. Coeficientul de piezorezistivitate al coloanei de cărbune este de mii de ori mai mare decât a manganinului însă din cauză că dependența dintre rezistență și presiune nu este liniară, fenomenul de histerezis este mare inconstanța etalonării și influența importantă a temperaturii, limitează utilizarea manometrelor cu căldură.

Manometre capacitiveAcțiunea aparatului se bazează pe variația capacității condensatorului plan la

variația distanței dintre armături. Capacitatea condensatorului plan, constituit din doua armături, se exprimă prin relația:

C0=εrε0 Ad

In care:

- ε este constanta dielectrică a mediului dintre armături,

- A este aria uneia din armături

- d este distanța dintre armături

La micșorarea lui d capacitatea crește după o curbă neuniformă hiperbolică, de aceea este avantajos să se lucreze cu valoare inițială mică pentru d ceea ce creează o sensibilitate mai mare și posibilitatea funcționării pe porțiunea liniară a caracteristicii.

Construcția unui manometru este detaliată în figura de mai jos:

Corpul traductorului 4 este prevazut cu un niplu pentru racordarea la obiectul a carui presiune se măsoara. În fundul niplului este membrana 2,care percepe presiunea. În partea superioară a corpului este înșurubată piesa 3, a cărei poziție în raport cu corpul poate fi fixată prin contrapiulița 4. În interiorul piesei 3, este introdus cilindrul ceramic 5, care este un izolator și care poartă electrodul 6, terminat cu discul 7 și are consitiuie cea de a doua armatură a condensatorului.

Sub acțiunea presiunii memebrana 2 se înconvoaie, distanța dintre ea și discul 7 se modifică și capacitatea condensatorului crește.

Alegând dimensiunile membranei se pot crea aparate pentru măsurarea presiunilor de la mm H2O până la sute de kgf/cm2.

Datorită influenței temperaturii variază dimensiunile traductorului, în special distanța dintre armături.

Dezavantajul manometrelor capacitive este și acela al influenței mari a capacităților parazite mai ales a conductoarelor de legătură și a părților metalice ale instalației care nu se manifestă în mode egal, ci depind de amplasarea reciprocă a pieselor.

Manometrul piezoelectricAcțiunea manometrului piezoelectric se bazează pe proprietățile unor

substanțe cristaline de a crea sarcini electrice sub acțiunea forței mecanice. Acet fenomen se numește efect piezoelectic.

Efectul piezoelectric se constată la cristale de cuarț, turmalină, sare Seignette, iar în ultima perioadă folosindu-se titanul de bariu care este un material ceramic. Particularitatea efectului piezoelectric este lipsa de inerție. Prin faptul că sarcinile apar instantaneu în momentul aplicării forței, manometrele piezoelectrice sunt de neînlocuit la măsurarea și cercetarea proceselor cu viteză mare legate de variația presiunii. Pentru utilizarea traductoarelor piezoelectrice se utilizează cel mai frecvent cuarțul. În cristalelel de cuarț se disting axa longitudianală z-z, care poartă denumirea de axă optică, axa x-x, care trece prin muchiile prismei (axa electrica) și axele y-y care trec prin mijloacele laturilor opuse ( mecanice sau neutre). Daca din cristalul de cuarț se taie un paralelipiped, astfel încât laturile lui să fie situate perpendicular la axele y-y si x-x el va poseda proprietăți piezoelectrice. Forța Fy aplicată paralelipipedului în direcția axei centrale, va provoca apariția sarcinilor pe aceleași laturi ca și forța Fx

însă de semn opus.

Valoarea sarcinii qx este egala cu:

qx = kFx

sau

qx = kpxAx

Unde:

- px și Fx sunt presiunea și forța care acționează asupra suprafeței laturii- Ax este aria laturii- k este constanta denumită modul piezoelectric

La aplicarea forței Fy care acționează în direcția axei neutre, pe laturile b-c vor apărea sarcinile:

qy = -kFyba

Semnul minus arată că forța care acționează pe axa y provoacă sarcini de semn opus în comparație cu forța care acționează pe axa x. Din ecuația de mai sus rezultă că sub acțiunea forței care acționează pe axa y, valoarea sarcinii depinde și de dimensiunile geometrice ale cristalului.

Constanta piezoelectrică a cuarțului este k= 2,1∙10-11 C/kgf

Constanta piezoelectrica a coarțului este

practic independentă de temperatură până la 500. La temperaturi mai mari de această valoare k descrește repede și la temperatura de 570 devine egal cu 0, adică cuarțul își pierde proprietățile piezoelectrice.

Traductor piezoelectric din cristale trat special

O utilizare larga în practica măsurării își găsește titanatul de bariu la care efectul piezoelectric este de 50-60 de ori mai mare decât a cuarțului.

Manometrul piezoelectric cu cuarț este format din copul 1 al traductorului manometrului care este înșurubat în piulița 2 prevăzută cu niplu pentru racordarea la obiectul al cărui presiune măsoară. În partea inferioară, corpul

este închis ermetic prin membrana 3. Deasupra membrane se găsește șaiba metalică 4 cu alezaj cilindric pentru introducerea lamelei de cuarț 5. Pe lamela de cuarț se așază placuța 6, iar deasupra acesteia, o a doua lamelă cu cuarț 5, acoperită cu șaiba metalică 7. În central superior al șaibei 7 se așază o bilă de oțel 8. Pachetul constituit din lamele de cuarț și șaibe de oțel se strange prin piulița 9 care formează capacul traductorului. Lamelele de cuarț se situează astfel încât laturile cu sarcină negativă să fie îndreptate spre șaiba din mijloc și laturile cu sarcină pozitivă spre șaibele 4 șși 7. De șaiba din mijloc 6, este lipit conductorul care iese din corp prin orificiul din perte, bucșa 10 și prin izolatorul de chlimbar. Sarcinile electrostatic ce apar pe laturile cristalului se păstrează în timpul

acțiunii forței și dispar în momentul acțiunii ei. Deoarece sasrcinile care apar sunt foarte mici, măsurarea lor directă este imposibilă. Pentru aceast este necesar să se folosească aparate care să nu consume sarcinile care apar. De aceea se folosesc voltmetre de curent continuu, amplificatoare electronice combinate cu oscilograf cu bucla sau catodic și voltmetre electrostatice.

La apariția sarcinilor pe lamela de cuarț între suprafețe apare o diferență de potential condtionata de valoarea sarcinii impartita prin capacitatea traductorului piezoelectric.

U=qc

Manometrul cu traductor inductiv Funcționarea acestor aparate se bazează pe variația reductanței cricuitului magnetic și a reactanței inductive a bobinajului cuplat cu el.

În figura de mai jos este reprezentat principiul de functionare al manometrului de inductie

Traductorul manometrului de inductie este constituit din electromagnetul 1 pe miezul caruia exista bobinajul 2 conectat in circuitul curentului alternative. Armature electromagnetului 3 este legata de elemental elastic care se deformeaza sub actiunea presiunii masurate. Sub actiunea acesteia armatura se apropie de miez, micsorand întrefierul. Variatia întrefierului provoacă variatia reluctantei circuitului magnetic si prin urmare, si a inductantei bobinei. Variația inductanței duce la o variație corespunzatoare a impedanței ei. În afara schemei examinate se pot folosi traductoare tip transformator în care deplasarea armăturii sub acțiunea presiunii măsurate modifică valoarea forței electromotoare, induse în bobinajul secundar al

transformatorului.

Ca exemplu in figura ce alăturată este reprezentanta constructia manometrului cu traductor inductive. Aparatul se foloseste pentru măasurarea presiunilor mici ( de la 20 până la 100 mm H2O). Presiunea măsurata se aplica prin orificiile din capacul 1 si actioneaza asupra unei membrane subtiri (0.04 mm) de oțel 2, prinsă între capacul 1 și suprafața frontal a carcasei de oțel 3. În interiorul carcasei este fixat prin filet miezul 4 pe care este înfașurată bobina 5. Întrefierul inițial, între membrană și miez se stabilește prin înșurubarea sau deșurubarea miezului în limitele de 0.07-0.08 mm. pentru măsurare traductorul se cnectează într-o punte de măsurat. În brațul învecinat al punții se introduce

un traductor analog (pasiv), amplasat in aceleasi conditii de temperature in care se afla traductorul de lucru, fapt prin care se inlatura erorile de temperature.

BIBLIOGRAFIE

- M. V. Kulakov, S. I. Șcepkin “Aparate automate de masurat si de control in industria chimica” Editura Thenica Bucuresti

- Edmond Nicolau “Manualul inginerului electronist. Masurari electronice”Editura Tehnica Bucuresti 1995

- http://www.rasfoiesc.com/inginerie/electronica/STUDIUL-SENZORILOR-SI- TRADUCTO86.php

- http://www.scritub.com/stiinta/fizica/TRADUCTOARE252017149.php - http://www.scrigroup.com/tehnologie/electronica-electricitate/STUDIUL-

TRADUCTOARELOR-CAPACIT45496.php-