. Analiza Unor Sisteme Clasice De Telemăsurare A Nivelului Lichidelor. Sisteme Cu Impulsuri De C.c. Și Cu Logometru De Nivel Partea I A Iosif Popa… [604466]

ANALIZA UNOR SISTEME CLASICE DE
TELEMĂSURARE A NIVELULUI LICHIDELOR . SISTEME
CU IMPULSURI DE C.C. ȘI CU LOGOMETRU DE NIVEL
Partea I-a

Iosif POPA , Gabriel N icolae POPA ,
Corina Maria DINIȘ , Carmen MOTORGA

ANALYSIS ON CLASSIC TELEMETRY SYSTEMS USED FOR
LIQUID LEVEL. D.C. PULSE S SYSTEMS AND LEVEL
LOGOMET ER – Part I

The paper presents an analysis of four classic telemetry systems for
level measurement , i.e.: for three such systems with floating and counterweight,
such as those with D.C. pulse s, with potentiometer and a D.C. voltmeter , and
two identical selsins , one transmitter and one receiver, and a resistive
transducer system and logo meter level indicator, which is only used for liquids
that have low resistivity. At the last system , it was made a study about
lineari zed conversion, for liquid level in the angular displacement of the
indicator .

Keywords: float level sensor, transducer resistive level gauge logometru,
synchro
Cuvinte cheie: traductor de nivel cu plutitor, traductor rezistiv de nivel,
logometru indicator de nivel, selsin

1. Introducere

Nivelul lichidelor poate fi măsurat prin mai multe metode, folosind
diferite tipuri de traductoare. O instalație care este printre primele

sisteme de transmitere la distanță a datelor, are ca element sensibil un
plutitor care antrenează o roată dințată în legătură cu un comutator
mecanic cu ajutorul căruia se transmit, prin linie, la distanță, impulsuri
de c.c. pozitive, când nivelul crește , și negative, la scăderea nivelului,
numărul de impulsuri pozitive sau negative fiind direct proporțional cu
valoarea nivelului, când acesta crește sau scade. Aceste impulsuri, la
distanță , sunt numărate și afișate cu un sistem electromecanic [1, 2].
O altă instalație de telemăsurare a nivelului lichidelor care trebuie
să fie bune conducătoare de electricitate, are ca e lement sensibil un
traductor format din mai multe trepte de rezistențe capsulate legate în
serie prin plăcuțe din alamă nichelate sau din oțel inoxidabil, care sunt
scurtcircuitate la creșterea nivelului, valoarea rezistenței echivalente
rămasă în aer fiin d indicată cu un aparat de tip logometru [2, 3], specific
ohmmetrelor clasice, etalonat în unități de nivel.
Cel mai simplu sistem de telemăsurare a nivelului are elementul
sensibil un plutitor care printr -un reductor acționează cursorul unui
potențiometr u circular [2, 4, 5, 6]. La ieșirea potențiometrului, dacă
acesta este alimentat în c.c. de la o sursă de tensiune stabilizată, se
obține o tensiune direct proporțională cu nivelul lichidului care este
măsurată la distanță cu un voltmetru etalonat în metri . Axul cursorului
poate acționa și un comando -aparat prevăzut cu came profilate
corespunzător care comandă microîntreruptoare când nivelul atinge
diferite valori ( NI – nivel inferior, NS – nivel superior, NA – nivel de
avarie etc.).
Un alt sistem clasic d e telemăsurare a nivelului lichidelor este cel
cu plutitor și o pereche de selsine1 [2, 7], alimentate în c.a. cu tensiune
redusă de frecvență industrial ă. Un selsin, cel emițător, este antrenat
direct de la o roată stelată acționată cu plutitor și contrag reutate, iar al
doilea, cel receptor antrenează, printr -un red uctor, acul indicator.
De precizat este faptul că în prezent există o diversitate mare de
sisteme de telemăsurare a nivelului lichidelor, și anume: cu elemente
sensibile traductoare rezistive, inductive, capacitive, de presiune
hidrostatică, de tip radar, etc., care în general sunt prevăzute cu
convertoare în frecvență a semnalelor primite de la traductoare,
aparatele indicatoare, în aceste cazuri fiind frecvențmetre analogice
sau numerice etalo nate în unități de nivel.

1 SELSÍN (< fr.; {s} engl. sel[f] „auto” + fr. syn[chronizer] „a sincroniza”) s. n.
Micromașină electrică folosită ca traducător pentru transmiterea la distanță (la un s.
receptor) a deplasărilor unghiulare ale unor organe de mașină, în așa fel încât o astfel de
mașină să fie cuplată la organul respectiv și la cele indicatoare; legătura dintre cele două
s. se realizează electric sau prin unde electromagnetice. Sursa: DE (1993 -2009)

2. Telemăsurarea nivelului lichidelor folosind un sistem
cu impulsuri de tensiune continuă

Sistemul cu impulsuri de tensiune continuă, pentru
telemăsurarea nivelului lichidelor (fig ura 1) este o instalație clasică de
transmite re la distanță a informației referitoare la valoarea nivelului
lichidelor [1].

Fig. 1. Sistem cu
impulsuri de
tensiune continuă
folosit la
telemăsurarea
nivelului lichidelor

Plutitorul 2
al sistemului de
telemăsurare,
urmărește nivelul
hx (0 hx  hmax)
la un moment
dat al lichidului.
La creșterea
nivelului, plutitorul 2 cu masa mp se deplasează în sus. Lanțul 3
antrenează roata stelată 5 care este rotită spre stânga , deoarece masa
mcg a contragreutății 5 este mai mare decât masa echivalentă aparentă
a plutitorului mepu la urcare ( mepu = m p – madu; madu este masa apei
dislocuite). Are loc prima conversie în cadrul sistemului și anume:
creșterea nivelului care este o deplasare liniară a plutitorului, este
convertită într -o deplasare unghiulară a roții ste late. Prin axul 6
deplasarea unghiulară este transmisă roții stelate 7 care acționează
contactul mobil 8, comun contactelor normal deschise (c.n.d.) S1 și S2.
Se închide c.n.d. S1 și este activată sursa de tensiune continuă UC1
(UC1 = U C2). Apare un impuls de tensiune continuă cu polaritatea – pe
borna A și + pe borna B a liniei de transmisie. Conduce dioda D1 și se
alimentează cu tensiune bobina 9, este atrasă armătura mobilă M,
care deplasează liniar, spre stânga, ancora 12. Aceasta este în contact
cu ro ata dințată 13 care execută o deplasare unghiulară p,
corespunzător pasului de danturare. Tot cu p este deplasat spre
dreapta și acul indicator 14, care se mișcă în dreptul scalei 15 gradată
în unități de nivel. Menținerea în poziție mijlocie a armăturii mobile 11
este realizată cu arcurile solenoidale 16 tensionate cu șuruburile 17.

Se observă că pentru indicarea nivelului lichidului 1 au loc o serie
de conversii succesive și anume: nivelul sau deplasarea liniară a
plutitorului, în deplasarea unghiulară a elementelor 5, 6, 7, 8,
deplasarea unghiulară, în impulsuri de tensiune continuă transmise prin
linia B-D, A-C, impulsurile de tensiune în deplasare liniară a miezului 11
și ancorei 12 și, în final, deplasarea liniară a ancorei, în deplasare
unghiulară a roții dințate 13 și a acului indicator 14.
La scăderea nivelului apei, masa echivalentă a plutitorului mapc
(mapc – masa echivalentă a plutitorului la coborâre: mapc  mapu) este
mai mare decât masa contragreutății, roata stelată 5 împreună cu axul
6 și roata dințată 7 sunt rotite invers situației precedente, este acționat
contactul S2 care activează sursa de tensiune continuă UC2, se schimbă
polaritatea tensiunii de la bornele A-B ale liniei de transmisie
(polaritatea este + pe borna A și – pe borna B), conduce dioda D2, este
alimentată cu tensiune bobina 10, ancora 12 este deplasată liniar spre
dreapta și acul indicator 14 este rotit spre stânga. Sistemul de
telemăsurare a nivelului, cu impulsuri de tensiune continuă, este
realizat în așa fel încât , atunci când plutitorul parcurge distanța hmax și
acul indicator să execute deplasarea unghiulară max. În scopul
măsurării valorilor mari de nivel se impune folosirea unui reductor
corespunzător între roata dințată 13 și axul acului indicator.
Un dezavantaj al acestei instalații electromecanice de
telemăsurare a nivelului lichidelor este acela că la defectarea părții
electrice (bateriile UC1 sau UC2 consumate, linie de transmisie
întreruptă , etc.), după remedierea defectului, se impune reglarea
dispozitivului de indicare. Aceasta se face fie când nivelul este minim,
fie când nivelul are valoare maximă. De remarcat este faptul că acest
sistem de telemăsurare face parte din primele sisteme de control de la
distanță a unor parametri tehnologici, care utilizează i mpulsuri de
tensiune continuă.

3. Telemăsurarea nivelului lichidelor, care au
rezistivitatea mică, cu logometru indicator de nivel

3.1. Determinarea relației dintre mărimea de ieșire și cea
de intrare la sistemul de telemăsurare cu logometru de nivel

Pentru telemăsurarea nivelului lichidelor care au rezistivitate
mică, se utilizează frecvent logometrul indicator de nivel a cărui
schemă de principiu este dată în fig ura 2. Elementul sensibil al
traductorului este format din n trepte de rezistențe egal e între ele,

înseriate prin plăcuțe de oțel inoxidabil sau din alamă nichelată, care
prin creșterea nivelului sunt scurtcircuitate de lichid. Așa cum se
demonstrează în continuare, dependența dintre indicația x și nivelul hx
al lichidului nu este liniară (vezi (17)). Din acest motiv, pentru acest tip
de traductor, este prezentată o metodă de liniarizare.

Fig. 2 Logometru pentru măsurarea nivelului
lichidelor

În continuare, se determină, pentru
acest sistem de telemăsurare, relația
dintre deplasarea un ghiulară x a acului
indicator 6 și nivelul curent hx: hx  [0 …
hmax].
Prin bobinele 3 și 4 ale
logometrului montate pe rotorul 1, cu un
decalaj geometric de /2, circulă curenții:

1l 1as
1R RUI ; (1)
hx L V 2l 2as
2R R2 R R RUI
. (2)

Aici: R1 și R2 sunt rezistențele bobinelor
3 și 4, Rl1 și Rl2, rezistențele de limitare a
curenților prin cele două bobine ( Rl1 = R l2
= R l), RV este o rezistență variabilă montată în interiorul aparatului
pentru compensarea căderii de tensiune pe lini a de transmis ie, 2RL –
rezistența totală a liniei de legătură dintre traductor și aparatul indicator,
iar Rhx este rezistența traductorului când nivelul are valoarea hx. Dacă:
hx = 0, R hx = R max, Rmax = nRT (3)
unde RT este rezistența unei trepte a traductorului rezistiv de nivel.
Pentru o anumită valoare a nivelului hx, rezistența Rhx se
determină cu:

x max hx R R R  . (4)
Numărul de trepte n a traductorului rezistiv de nivel este
proporțional cu valoarea maximă a nivelului:

 trepte hknmax , (5)
deci:


mtrepte
hnk
max . (6)
Rezistența din traductor scurtcircuitată de lichid este:

T x x Rn R , (7)

x x hk n , (8)

x T x hRk R  , (9)

x T
maxx hRhnR  . (10)
Înlocuind (3) și (10) în (4) rezultă:





maxx
T hxhh1 Rn R . (11)
Cu (11) și (2) rezultă:





maxx
T L V 2l 2as
2
hh1 Rn R2 R R RUI . (12)
Deplasarea unghiulară x a acului indicator se obține pentru un
anumit nivel hx, în cazul e chilibrului momentelor active și de sens
contrar Ma1 și Ma2, care se calculează cu:



 x 2 2 2a x 1 1 1a2sinI K M; sinI K M   (13)
în care K1 și K2 sunt constante care depind de parametri constructivi ai
logometrului, iar  – fluxul de valoare constantă, produs de magnetul
permanent 5. Momentul activ Ma2 se mai poate scrie:

x 2 2 2a cosI K M  (14)
Din egalitatea:

x 2 2 x 1 1 2a 1a cosI K sinI K;M M    , (15)
rezultă:
1 12 2
xI KI Ktg

. (16)
Înlocuind în (16) relațiile (1) și (12) obținem:










maxx
T L V 2l 2 11l 1 2
x
hh1 Rn R2 R R R KR R Karctg . (17)
În relația (17), dacă se menține constantă suma:

C Ln Vn 2L 2V Ll 1V L V R R2 R R2 R R2 R R2 R   (18)
singura variabilă este hx, deci x = f(h x).
Când crește nivelul hx, scade numitorul relației (17) și crește
deviația unghiulară x a acului indicator, dar scala 7 a aparatulu i de
măsură este gradată neuniform deoarece dependența (17) dintre x și
hx este neliniară. Scala aparatului este etalonată în unități de nivel.
Etalonarea se realizează folosind relația (17), ținând seama de condiția
(18) în care RV1 și 2RLi, i = 1…n , sunt valorile pentru o anumită linie de
transmisie, ale rezistenței variabile și liniei respective. Suma lor trebuie
să fie constantă ( RC=RVi+2RLi). Deci pentru o anumită linie de
transmisie se obține valoarea de reglaj RVi a rezistenței RV:

Li C Vi R2 R R  . (19)
Valoarea maximă a rezistenței variabile RV se obține în cazul
ideal, când RL = 0:

C maxV R R . (20)
Cum:

C V V Rk R , (21)

10 kV , (22)
rezultă că pentru RV = 0  se obține valoare a maximă a rezistenței
liniei de transmisie:

C maxL R R2 (23)
Această valoare nu poate fi depășită, deoarece în fabrica
constructoare, etalonarea aparatului se face pentru o anumită valoare a
rezistenței RC.

3.2. Liniarizarea sistemului de telemăsurare cu
logometru indicator de nivel

Logometrul indicator de nivel, cu traductor rezistiv format din n
trepte RT (fig. 2) are scala gradată neuniform potrivit relației (17).
Pentru liniarizarea sistemului de telemăsurare a nivelului se impune
folosirea unui traductor rezistiv format din trepte de rezistențe de valori
diferite ( RT1  RT2  … RTn).
Înlocuind în expresia (17), relația (11), se obține:


 hx L V 2l 2 11l 1 2
xR R2 R R R KR R Ktg . (24)

Ținând seama și de (4), relația de sus devine:


 x max L V 2l 2 11l 1 2
xR R R2 R R R KR R Ktg . (25)
Pentru hx = 0, Rx = 0 și x = 0:


 max L V 2l 2 11l 1 2
0R R2 R R R KR R Ktg . (26)
Când nivelul crește până la valoarea maximă, acul indicator are
deplasarea unghiulară:

0 max (27)
Știind că traductorul are n trepte, la creșterea nivelului cu o treaptă
deplasarea unghiulară a acului indicator trebuie să fie T:

n;n0 max
T T  . (28)
Deplasarea max a acului indicator:

 0 max (29)
se poate obține din (25) când hx = h max, Rx = R max:


 L V 2l 2 11l 1 2
maxR2 R R R KR R Karctg . (30)
Ținând seama de (29) și (25) se obțin:

1x max 11 T 0 1R R KBAarctg ;   , (31)
în care:

1l 1 2 R R KA  , (32)

 L V 2l 2 1 R2 R R R KB  . (33)
Din (31) rezultă valoarea rezistenței primei trepte (presupunând
că rezistența coloanei de a pă h1 este mult mai mică decât rezistența
treptei):






T 0max 1
11x 1TtgARKBK1R R . (34)
În același mod se obțin:






T 0max 1
12×2 tgARKBK1R , (35)






T 0max 1
13×3 tgARKBK1R , (36)

 




T 0max 1
11n,x1n tgARKBK1R  , (37)






T 0max 1
1xnn tgARKBK1R . (38)
Cu aceste relații se calculează treptele traductorului:

. R R R;R R R;R R R;R R1xn xn Tn 2x 3x 3T 1x 2x 2T 1x 1T     
(39)
Practic etalonarea echidistantă a scalei logometrului se
determină Rvi în funcție de Rc și RLi:

n1i;R2 R RLi C Vi  . (40)
Se stabilește cât trebuie să fie rezistența maximă a tr aductorului
pentru care 0 să aibă o valoare cât mai mică și în același timp,
rezistențele treptelor să fie mult mai mari decât rezistența echivalentă a
lichidului care le scurtcircuitează. Având înseriată Rmax cu RC se obține
deviația 0. Scurtcircuitând Rmax rezultă max, deviații care se
marchează pe scala gradată. Se stabilește numărul n de trepte ale
traductorului pentru care, pe scală, se trasează diviziunile
corespunzătoare potrivit relației ( 28). Se utilizează o rezistență de
laborator variabilă car e inițial se pune pe valoarea Rmax după aceea
aceasta se micșorează treptat. Când acul este în dreptul primei
diviziuni se măsoară Rh1 și rezultă:

1h max 1T R R R  (41)
pentru a doua, se obține rezistența Rh2 și se determină Rx2:

2h max 2x R R R  (42)
ș.a.m.d. (se utilizează și relațiile (39)).

4. Concluzii

Din analiza sistemului de telemăsurare a nivelului cu plutitor și
impulsuri de c.c. a rezultat necesitatea montării între bornele A și E
(fig.1) a unei rezistențe de limitare Rl a curentului de scurtcircuit, iar la
sistemul de indicare, între bornele C și F a unei rezistențe variabile Rv,
în funcție de rezistența liniei de transmisie 2· RL, reglată astfel încât
tensiunea la bornele bobinelor 9 și 10 să fie cea nominală Un. În aces t
caz se impune ca Uc (Uc1=Uc2=Uc) să fie mai mare decât Un, iar
Rv+2·RL=Rc. Ca dezavantaje ale acestui sistem de telemăsurare se
menționează necesitatea reglării aparatajului electromecanic de

indicare a nivelului după întreruperea, dintr -o anumită cauză a tensiunii
de alimentare, și faptul că atât traductorul, cât și sistemului de indicare,
au elemente în mișcare, fiind dispozitive electromecanice.
Cel de -al doilea sistem analizat este utilizat numai la
telemăsurarea nivelului lichidelor care au rezistiv itate mică. La acest
sistem s -a considerat că rezistențele treptelor traductorului au valori
mult mai mari decât rezistența coloanei de lichid care le
scurtcircuitează. Ca dezavantaje ale acestui sistem se enumeră:
necesitatea liniarizării instalației de t elemăsurare, în acest scop s -au
prezentat în lucrare două metode, și creșterea rigidității mecanice a
panglicii de rezistențe.

BIBLIOGRAFIE

[1] Popescu, Șt., Mihoc , D., Automatizări , Editura Didactică și Pedagogică,
București, 1977.
[2] Popa , G.N., Senzori și traductoare. Măsurări, traductoare, instrumentație ,
suport electronic de curs, Facultatea de Inginerie Hunedoara, Universitatea
Politehnica Timișoara, 2013.
[3] Saimac , A., Cruceru , A.C., Electrotehnică , Editura Didactică și Pedagogică,
București, 1981.
[4] Stere , R., Aparate electronice de măsurare și control , Editura Didactică și
Pedagogică, București, 1968.
[5] Grave , H.V., Măsurarea electrică a mărimilor neelectrice , Editura Tehnică,
București, 1966.
[6] Andrei, D., Georgescu, I., Guran , M., Automatizări în industria minieră ,
Editura Tehnică, București, 1977.
[7] Saimac , A., și colectiv , Automatizări în metalurgie , Editura Didactică și
Pedagogică, București, 1978.

Conf. Dr.Ing. Iosif POPA,
membru AGIR, e-mail: iosif.popa@fih.upt.ro
Conf.Dr.I ng. Gabriel Nicolae POPA,
Senior Member IEEE, membru AGIR,
e-mail: gabriel.popa@fih.upt.ro
Șef lucr. Dr.Ing. Corina Maria DINIȘ,
membru IEEE, membru AGIR,
e-mail: corina.dinis@fih.upt.ro
Ing. Carmen MOTORGA ,
membru AGIR , e-mail: carmen.motorga @fih.upt.ro

Facultatea de Inginerie Hunedoara, Universitatea Politehnica Timișoara