Cercetări experimentale [621664]

47 CAPITOLUL 4
Cercetări experimentale

4.1. Descrierea standului experimental
În urma interpretării rezultatelor etapei de modelare și simulare a sistemului de conducere
a unui proces de control al nivelului într -un rezervor, decrise în capitolul precedent, s-a structurat
o componență generică a standului de cercetare experimentală, urmând ca aceasta să fie
îmbunătățită pe parcursul desfășurării cercetărilor experimentale cu scopul obținerii unei
configurații optime.
Cercetările experimentale s -au desfășurat pe un stand structurat în Laboratorul de
Automatizarea Proceselor Tehnologice și Biotehnologice (D007) al Facultății de Ingineria
Sistemelor Biotehnice. Standul folosit pentru cercetările experimentale este alcătuit din
următoarele:
– ansamblu mecanic , ce c uprinde elementele de fixare și racordare, suportul metalic,
pompa standului și două rezervoare pentru apă ;
– ansamblu electric , format din conductoare electrice, modul electronic de control al
motorului electric , un traductor ultrasonic pentru măsurarea nivelului , sursă electrică
de alimentare ;
– structura de achiziție date , ce cuprinde o placă de achiziție de date cu conexiune USB,
plăcile de conexiune pentru semnalele ce provin și sunt generate către standul de
cercetare experimentală , software -ul de com unicație a plăcii de achiziție și un
calculator .
Schema simplificată a standului de cercetări experimentale este dată în Fig. 4.1.

Fig. 4.1. Schema simplificată a standului de cercetări experimentale

48 În Fig. 4.1. avem:
R1 – robinet cu sferă ;
RG – robinet de golire a apei;
Rez1 , Rez2 – rezervoare pentru apă;
P – pompă centrifugală;
M – motor elec tric de curent continuu (24Vcc);
TN – traductor ultrasonic de nivel;
CM – modul electronic de control al motorului electric;
SAE – sursă electrică de alimentare cu curent continuu (24Vcc);
DAQ – placă de achiziție date ( Data Aquisition Board );
USB – cablu de date;
PC – computer.

Fig. 4.2. Stand de cercetări experimentale pentru un
sistem de conducere a unui proces de control al nivelului într -un rezervor

Rezervorul Rez1 este cel în care se dorește menținerea constantă a nivelului la o valoare de
referință prescrisă de operator. Rezervorul Rez2 are un rol dublu, în primul rând de a furniza lichid
(apă) pe orificiul de aspirație al pompei centrifug ale P a standului cât și de bazin de drenare a
lichidului (apei) din rezervorul Rez1 , în cazul în care robinetul R1 este deschis (simulând astfel o
perturbație ce poate apărea în funcționarea sistemului automat).
În cele ce urmează vor fi descrise pe larg cele prezentate mai sus.

49 4.1.1. Ansamblul mecanic
4.1.1.1. Structura metalică de susținere
Placa metalic ă de bază a standu lui experimental este cea cu ajutorul căreia se fixează toate
celelalte componente, împreună cu celelalte suporturi metalice verticale sunt date în Figura 4. 3.

a. b.

Fig. 4. 3. Suport uri metalice stand
a. vedere de ansamblu b. detaliu talpă de fixare

În Fig. 4.3. avem:
1 – suporturi metalice verticale ;
2 – placă metalică de bază ;
3 – suport metalic vertical cu talpă de fixare ;
4 – talpă de fixare ;
5 – șurub de fixare.
Cele trei suporturi metalice verticale se montează unul în prelungirea celuilalt, având la
bază pe cel cu talpa de fixare. Fixarea în prelungire a suporturilor metalice se face folosind două
flanșe metalice pătrate cu patru găuri Ø5 mm și șuruburi M4 cu cap cilindric. După cum se observă
din Figura 4. 3.b, fixarea suportului vertical 3 pe placa metalică 2 se face folosind două șuruburi
M4 și șaibe plate. Găurile d e fixare sunt ovalizate.
În Figura 4. 4. este dat modul de asamblare al suporturilor metalice verticale 1 și 3 pe placa
metalică de bază 2, cât și un detaliu ( Fig. 4. 4.b.) de fixare în prelungire al suporturilor metalice
verticale. Aici se pot ob serva flanșele metalice pătrate și șuruburile de fixare . Suporturile verticale
au canale prin care pot culisa piulițe M4.

1
2
3
4
3
2
4
5

50
a. b.
Fig. 4. 4. Structura metalic ă de susținere
a. vedere de ansamblu (fixare) b. detaliu flașă metalică de fixare

În Fig. 4.4. avem:
1 – suporturi metalice verticale;
2 – flașe metalice de fixare;
3 – suport metalic vertical cu talpă de fixare;
4 – placă metalică de bază;
5 – șurub de fixare M4.

4.1.1.2. Elemente de racordare
Din această categorie face parte totalitatea conductelor, a fittingurilor , clemelor de fixare
și a robinetelor cu sferă montate pe standul de cercetare experimentală. Toate aceste elemente sunt
fabricate din polipropilenă (PPR) , inclusiv corpul și părțile mobile ale robinetelor.
Conductele se pot ajusta prin tăiere (cu ajutorul unei unelte speciale) la lungimea necesară
conectării elementelor de pe stand , toate având DN15. Fittingurile folosesc sistemul de conectare
și etanșare de tip push -fit, ceea ce – în cazul unui stand de laborator – reprezintă un avantaj
deoarece acestea se pot conecta / deconecta foarte rapid și fără să fie folosite unelte speciale.
Fittingurile folosite pe standul de cercetare experimentală sunt: drepte, de tip T sau tip cot 90° – cu
mufe mamă la ambele capete sau mufe tată/mamă la capete (Fig. 4. 5.).
După ce se măsoară lungimea necesară a conductei și se taie conducta la dimensiunea
măsurată cu ajutorul unei unelte cu muchii tăietoare (ex. clește PPR), m odul de montare /
demontare al elementelor de racordare este unul simplu și rapid, astfel:
– pentru montare:
o se rotește mufa fittingul ui către poziția ”deblocat”, de obicei în sens anti -orar, între
mufa fitt ingului și corpul acestuia apărâ nd astfel un gol ;
1
2
1
2
3
4
4
1
2
5
1

51 o se introduce conduc ta tăiată în mufa fittingului, până dincolo de inelul O de
etanșare , către limita mufei din corpul fittingului ;
o se rotește mufa fittingului către poziția ”blocat” , astfel inelul O va fi presat pe
conductă, asigurând etanșarea;
o se verifică racordul, trăgând fittingul ș i conducta în sensuri diferite;
– pentru demontare:
o se rotește mufa fittingului către poziția ”deblocat” ;
o se presează și se menține presat elementul de fixare al mufei fittingului:
o se trage conducta din mufă.

Fig. 4. 5. Elemente de racordare

În Fig. 4. 5. avem:
1 – conducte PPR, DN15;
2 – mufe ”mamă”;
3 – fitting de tip T;
4 – fitting de tip cot 90°;
5 – mufă ”tată”.
Conductele sunt fixate pe supor turile metalice verticale 1 (Fig. 4. 4.) și pe placa metalică
de bază 4 (Fig. 4. 5.) cu ajutorul unor cleme elastice, montate cu șuruburi și piulițe pe suporturile
1 (Fig. 4. 4.).

a. b.
Fig. 4. 6. Fixarea conductelor pe standul experimental
a. clemă elastică b. detaliu de montaj

Câteva din caracteristicile tehnice ale elementelor de racordare sunt date în Tabelul 4.1 ,
acestea fiind preluate din fișa tehnică disponibilă pe site -ul producătorului.

1
2
2
1
3
4
5

52 Tabelul 4.1 – Date tehnice ale elementelor de racordare [9]
Nr.
crt. Caracteristică Valoare
1 Parametri de funcționare
– apă rece
– apă caldă
20°C / 10 bar
65°C / 7 bar
2 Forța de retragere > 1200 N / 20°C
3 Presiunea de rupere > 40 bar / 20°C
4 Presiunea de lucru max. 6 bar la 80 °C
5 Material polipropilenă ( PPR)
6 Mediul de lucru apă
7 Diametrul exterior al conductei 15 mm

4.1.1.3. Rezervoarele standului
Cele două rezervoare ale standului de cercetare experimentală, Rez1 și Rez2 (Fig. 4. 2.) au
o capacitate efectivă de lucru de 3 l, acestea putând fi folosite în aplicații care lucrează cu lichide
cât și cu solide (granulare sau pulverulente) .
Rezervoarele au din construcție mai multe găuri pe marginea de sus pentru a se putea fixa
capacul acestora cu ajutorul a patru șuruburi M3. Capacul unui rezervor are trei gă uri cu filet
interior ce pot fi folosite ca orificii de admisie a lichidului (apei, în cazul de față) sau pentru a fi
montate traductoare electronice. În cazul în care una dintre aceste trei găuri nu este folosită,
producătorul [9] recomandă să fie acoperi te cu dopuri de obturare filetate . De asemenea, capacul
rezervoarelor are prevăzută o fantă prin care se poate face umplerea rezervorului la un nivel inițial.
În Fig. 4. 7. se pot observa cele două rezervoare ale standului de cercetări experimentale
având sistemul de fixare atașat, capacul acestora, dopurile de obturare cât și fittingurile.

Fig. 4. 7. Rezervoare de lichid , cu sistemul de fixare pe stand atașat

În Fig. 4. 7. avem:
1 – două piuliț e de fixare pe suportul metalic vertical ( Fig. 4. 3.);
2 – două șuruburi M4;
3 – fantă de umplere rapidă a rezervorului;
1
2
3
4
5
6
7
8
7 4

53 4 – mufă ”mamă”;
5 – dop de obturare;
6 – patru șuruburi M3 de fixare a ansa mblului rezervor – capac – suport de fixare;
7 – rezervo are;
8 – suport de fixare.
Rezervoarele 7 se fixează pe suporturile metalice verticale ( Fig. 4. 3.) cu ajutorul suportului
8, a șuruburilor 2 și piuliț elor 1.
În Tabelul 4.2 sunt date o serie de caracteristici tehnice ale rezervoarelor , acestea fiind
preluate din fișa tehnică disponibilă pe site -ul producătorului.

Tabelul 4. 2 – Date tehnice ale rezervoarelor [9]
Nr.
crt. Caracteristică Valoare
1 Material Macrolon 2805
2 Temperatura de lucru max. +65 °C
3 Capacitate totală max. 4 l
4 Capacitate efectivă de lucru 3 l
5 Gradare a rezervorului 0,5 … 3 l
6 Dimensiunile tronsonului cilindric
diametru exterior / interior
înălțime exterioară / interioară 150 mm / 140 mm
210 mm / 200 mm
7 Dimensiunile tronsonului tronconic
diametru exterior / interior
înălțime exterioară / interioară 60 mm / 50 mm
90 mm / 80 mm
8 Diametru exterior al mufei pentru racord 15 mm

4.1.1.4. Pompa centrifugală
Lichidul al cărui nivel se dorește a se menține constant este circulat prin conductele și către
rezervoarele standului experimental cu ajutorul unei pompe centrifugale, de mici dimensiuni,
acționată de un motor electric de curent continuu. Pompa este una d e uz general, pentru aplicații
de laborator de mici dimensiuni, acolo unde nu este necesară auto -amorsarea.
Motorul electric care acționează pompa este unul de curent continuu cu tensiunea de
alimentare de 24 Vcc, putere maximă 26 W, acesta fiind comandat de către un modul electronic (ce
va fi descris în subcapitolul 4.1.2.1 ). Conexiunile electrice ale motorului sunt două conductoare
codate astfel: roșu pentru terminalul pozitiv (+) și negru pentru terminalul negativ ( -). Secțiunea
conductoarelor electrice ale motorului este de 1 mm2. Motorul folosește un cuplaj magnetic pentru
a acționa pompa.

Fig. 4. 8. Electropompa standului de cercetări experimentale
1
2
1
3
4
5
6

54 În Fig. 4. 8. avem:
1 – ștuț;
2 – tronson de furtun cu două coliere metalice;
3 – pompa centrifugală;
4 – motor electric;
5 – bridă metalică de fixare;
6 – conductor electric de alimentare.

Fig. 4. 9. Elementele componente ale electropompei

În Fig. 4. 9. avem:
1 – carcasă (Ø20 mm);
2 – rotor;
3 – inel O;
4 – șuruburi;
5 – bridă metalică de fixare;
6 – șaibă;
7 – arbore de acționare;
8 – garnitură de etanșare;
9 – carcasă magnet.
Pompele de tipul celei utilizate pe standul de cercetări experimentale trebuie să fie umplute
cu o cantitate de lichid de lucru înainte de punerea în funcțiune. În nici un caz, acest tip de pompă
nu trebuie să funcționeze uscat – fără lichid de lucru, producătorul [9] afirmând că o funcționare a
pompei timp de 30 min fără lichid de lucru o va distruge iremediabil. De asemenea, trebuie
acordată atenție și conexiunilor electrice, în sensul în care pompa va trebui întotdeauna să
funcționeze în direcția de rotație specificată de producător, de obicei figurată cu o săgeată pe
carcasa acesteia.
În Tabelul 4.3 sunt date o serie de caracteristici tehnice ale ansamblului pompă – motor
electric (electropompă) , acestea fiind preluate din fișa tehnică disponibilă pe site -ul
producătorului.

Tabelul 4.3 – Date tehnice ale electro pompei standului [9]
Nr.
crt. Caracteristică Valoare
1 Material carcasă Plastic armat cu fibră de sticlă (30%)
2 Material a rbore de acționare Oțel inoxidabil
3 Diametru exterior fitting admisie 15 mm
4 Gama de temperaturi de lucru
– a lichidului
– a mediului înconjurător – 40°C … + 100 °C
– 40°C … + 70 °C

55 5 Presiune maximă 2,5 bar
6 Debit maxim 10 l/min
7 Tensiunea de alimentare a motorului 24 Vcc
8 Dimensiuni
– lungime
– lățime
– înălțime 170 mm
62 mm
75 mm
9 Masă 0,53 Kg
10 Clasă de protecție IP 67

Fig. 4. 10. Detalii de amplasare a electropompei pe standul de cercetări experimentale

4.1.2. Ansamblul electric
4.1.2.1. Modul electronic de control al motorului
Motorul electric folosește, pentru a putea executa comandă primită de la placa de achiziție
date, un modul electronic de control care are posibilitatea de a funcționa în regim ON-OFF sau
regim proporțional. Prin tema tica Proiectului de Diplomă, s-a cerut ca sistem ul automat de
conducere să folosească un regulator bipozițional , deci în cazul modulului electronic de control al
motorului se va opta pentru funcționarea în regim ON-OFF , specifică reglării bipoziționale.
Modul electronic de control al motorului este de tipul Maxi -1Q-4-30, cu o tensiune de lucru
de 24 Vcc, fiind capabil ca în regimul de oprire să aplice o frânare dinamică motorului.

Fig. 4.1 1. Modul electronic de control al motorului electropompei
1
2
3
4

56 În Fig. 4.1 1. avem:
1 – șină de montaj;
2 – placă pentru conexiuni digitale (ale plăcii de achiziție date);
3 – placă pentru conexiuni analogice (ale plăcii de achiziție date);
4 – modul ul electronic de control al motorului .
Schema modulului electronic de control 4 (Fig. 4.1 1.), este dată în Fig. 4.1 2. De aici se pot
observa conexiunile electrice cu motorul electric controlat, conexiunile electrice de alimentare cu
tensiune continuă de la sursa de alimentare a standului, posibilitatea controlului amplificării
modulului de contro l (1 sau 2) și posibilitatea stabilirii unei viteze maxime de rotație a motorului
prin intermediul unui potențiometru.

Fig. 4.1 2. Schema de conexiuni a modulului electronic
de control al motorului Fig. 4.1 3. Detaliu de amplasare pe stand al modul ului
electronic de control al motorului

Fig. 4.1 4. Vedere de sus a modulului electronic de control al motorului
(cu plăcile p entru conexiuni digitale XMA1 și analogice X2)

57 În Fig. 4.1 2 sunt simbolizate următoarele:
R+ – terminalul pozitiv al referinței de tensiune (10 V);
A2 – valoare de referință pentru viteză (doar în regimul de lucru proporțional);
R- – terminalul negativ al referinței de tensiune (0 V);
A1 – comandă pornire motor, se poate folosi un buton electric sau un semnal de
tensiune continuă, max. 24 Vcc;
0V – terminalul negativ al sursei de alimentare, 0 V sau GND – ground ;
+24 Vcc – terminalul pozitiv al sursei de alimentare, 24 Vcc;
4 – amplificare dublă a modului electronic;
3 – amplificare unitară a modului electronic;
– – GND (ground) pentru conexiunile 3 și 4;
+ – terminalul pozitiv al sursei de alimentare, 24 Vcc;
1 – terminalul negativ ( -) al motorului electric;
2 – terminalul pozitiv (+) al motorului electric.
Motorul electric controlat se va conecta la bornele 1 și 2 ale modulului electronic,
respectând codificarea dată de producător: terminalul negativ ( -) al motorului electric: conductor
de culoare neagră și terminalul pozitiv (+) al motorului electric: condu ctor de culoare roșie.
Această codificare este importantă deoarece trebuie respectat sensul de rotație impus de către
producător – a se vedea descrierea pompei centrifugale (subcapitolul 4.1.1.4) .
În Tabelul 4.4 sunt date o serie de caracteristici tehnice ale modulului electronic de control
al motorului, acestea fiind preluate din fișa tehnică disponibilă pe site -ul producătorului.

Tabelul 4. 4 – Date tehnice ale electropompei standului [9]
Nr.
crt. Caracteristică Valoare
Circuitul de intrare
1 Gama de tensiuni de lucru 18 Vcc… 35 Vcc
2 Curentul de intrare pentru comanda
în regim proporțional 10 mA
3 Gama de tensiuni de comandă în
regim proporțional 0 Vcc … 10 Vcc
Circuitul de ieșire
4 Gama de tensiuni de comandă a
motorului 18 Vcc… 35 Vcc
5 Curentul maxim, în sarcină 3,5 A
6 Gama de tensiuni de reglare a vitezei
(reglabile) 0 Vcc … max. Vcc

4.1.2.2. Traductorul ultrasonic de nivel
Dată fiind tematica Proiectului de Diplomă, Sistem de conducere a unui proces de control
al nivelului într-un rezervor și luând în considerare cele prezentate în Capitolul 2, în schema
standului pentru cercetări experimentale trebuie să existe un element care să facă o conversie din
mărime fizică – nivel de lichid, în mărime electrică – semnal proporționa l cu nivelul de lichid din
rezervor. Aceasta se realizează cu ajutorul unui traductor electronic, iar cel folosit la structurarea
schemei standului pentru cercetări experimentale este unul ce se află în dotarea Laboratorului de
Automatizarea Proceselo r Teh nologice și Biotehnologice. Traductorul folosește principiul de
măsură ultrasonic , descris pe scurt în cele ce urmează.

58 Principiul funcțional al unui traductor ultrasonic se bazează pe generarea unei unde acustice
și detectarea acesteia ca urmare a reflecț iei, în cazul de față, date de suprafața lichidului din
rezervor. Mediul prin care se propagă unda ultrasonică emisă este aerul atmosferic . Generatorul
traductorului este comandat pentru o perioadă scurtă de timp și emite un impuls de energie
ultrasonică (neperceput de urechea umană) . După emisie, impulsul ultrasonic se propagă prin aer
și va fi reflectat de către un obiect situat în raza de lucru a traductorului, ca apoi să fie trimis către
receptorul traductorului. Durata dintre emisia și recepția impul sului ultrasonic este apoi măsurată
de către un modul electronic, intern traductorului, aceasta fiind proporțională cu distanța dintre
traductor și obiectul ce a produs reflexia undei (în cazul de față suprafața lichidului din rezervor).
Apoi, durata de ti mp este convertită într-un semnal de tensiune în domeniul 0 … 10 Vcc (în cazul
traductorului folosit aici).
La folosirea traductoarelor ultrasonice pentru măsurarea nivelului lichidelor din
rezervoare, trebuie luate în considerare următoarele:
– viteza sunetului în aer variază odată cu temperatura acestuia, astfel pentru o măsurare
corectă trebuie folosit un traductor de temperatură și un modul electronic pentru
compensarea variației;
– turbulența mare a lichidului determină fluctuații ale valorilor măsura te. În mare parte,
medierea valorilor semnalului de la traductorul de nivel ar rezolva acest neajuns;
– în cazul în care lichidul formează spumă la suprafața sa, aceasta va acționa ca un
atenuator al unei ultrasonice, valorile măsurătorilor fiind eronate. Ai ci, ar fi indicată
utilizarea unei alte metode de măsurare.
Traductorul ultrasonic folosit în structura standului de cercetare experimentală este produs
de renumita firmă Pepperl&Fuchs , model 3RG6232 -3JS00 -PF.

Fig. 4.1 5. Traductor ultrasonic de nivel
Fig. 4.1 6. Detaliu de montare a traductorului ultrasonic pe
capacul rezervorului

Traductorul ultrasonic de nivel este montat pe capacul rezervorului unde se dorește
menținerea constantă a nivelului de lichid, cu ajutorul a două piulițe M18. Alimen tarea electrică a
traductorului se face de la sursa de alimentare a standului pentru cercetări experimentale, 24 Vcc,
iar semnalul de ieșire al acestuia este transmis mai departe către placa de achiziție date prin
intermediul unei intrări a plăcii de conexiuni analogice. Domeniul de măsură al traductorului

59 utilizat este 50 mm … 300 mm, furnizând la ieșire o tensiune continuă proporțională cu distanța (în
domeniul indicat).

L+ terminalul pozitiv al tensiunii de alimentare;
L- terminalul negativ al tensiunii de alimentare;
Output ieșirea traductorului ultrasonic (0…10 Vcc);
XI semnal de activare / dezactivare al traductorului.

Fig. 4.1 7. Dimensiuni de gabarit ale
traductor ului ultrasonic folosit Fig. 4.1 8. Conectorul electric al traductorului
ultrasonic folosit și semnificația semnalelor

Fig. 4.1 9. Domeniul de lucru și domeniul de variație al tensiunii de ieșire
ale traductorului ultrasonic folosit

4.1.2.3. Sursa electrică de alimentare
Această componentă a standului de cercetări experimentale este cea care face alimentarea
cu o tensiune continuă de 24 Vcc a modului electronic de control al motorului, a traductorului
ultrasonic de nivel și a plăcii de achiziție de date. Sursa electrică de alimentare se conectează la o
priză a rețelei de tensiune alternativă de 230 V. Un aspect foarte important este că stabilitatea
tensiunii sursei de alimentare influențează semnalul de ieșire al traductorului ultrasonic și calitatea
Traductorul
ultrasonic
Domeniul de lucru al traductorului
50 … 300 mm
Domeniul de tensiuni de ieșire ale
traductorului, 0 … 10 V

60 conversiei plăcii de ac hiziție date. Sursa utilizată este una de laborator, cu următoarele
caracteristici:
Tabelul 4.5 – Date tehnice ale sursei electrice de alimentare [9]
Nr.
crt. Caracteristică Valoare
1 Gama de tensiuni de intrare (de la
rețea) 85 Vac… 265 Vac
2 Tensiunea de ieșire continuă 24 Vcc
3 Curentul maxim de ieșire max. 4,5 A
4 Protecție a ieșirii la scurt -circuit
5 Dimensiuni de gabarit
– lungime
– lățime
– înălțime
240 mm
170 mm
92 mm

Fig. 4. 20. Sursa electrică de alimentare

În Fig. 4.20 . avem:
1 – terminalul negativ al ieșirii (0 V);
2 – conector cablu alimentare de la rețea (230 Vac);
3 – terminalul pozitiv al ieșirii (24 V);
4 – buton (iluminat) de pornire / oprire al sursei de alimentare .

4.1.3. Structura de achiziție date
Privind d in punct de vedere teoretic, semnale analogice pot fi descrise ca funcții
matematice cu variație continuă în timp ce au rolul de a des crie evoluția unei mărimi fizice .
Semnalele analogice sunt transformate în semnale digitale folosind conversi a analogic -digital ,
fiind operații de aproximare prin care semnalul analogic este comparat cu un semnal de referință
și apoi reprezentat în sistem numeric.
Structur a de achiziție date cuprinde următoarele componente :
– placa de achiziție d ate;
– placa de conexiuni pentru semnale analogice;
– placa de conexiuni pentru semnale digitale ;
– software -ul de comunicație a plăcii de achiziție;
– calculator.
1
2
3
4

61 Structura de achiziție date folosit ă în cadrul standului de cercetare experimentală , este
necesar ă pentru măsurarea electronică și prelucrarea semnalelor analogice și digitale a căror
variație prezintă interes – în cazul de față variația de semnalului de tensiune proporțională cu
variația nivelului de lichid din rezervor . Semnalele digitale de intrare pot proveni de la mai multe
tipuri de surse, cum ar fi închiderea sau deschiderea contactului unui buton , contactul unui releu
sau un generator de semnal . Semnalele analogice pot proveni traductoare cu ieșire în curent sau
tensiune (cazul de față) sau de la generatoare de semnal. Deoarece s emnalele analogice nu pot fi
prelucrate direct de către calcul ator, acestea trebuie să fie mai întâi convertite în semnale digitale,
folosindu -se placa de achiziție date . Majoritatea p lăcilor de achiziție au convertoare analogic –
digital -analogic, ceea ce permite măsurători precise cu ajutorul calculatorului, dar și un conducerea
proceselor industriale și a cercetărilor experimentale de laborator. Numărul de canale de intrare
ale unei plăci de achiziție indică numărul de d ispozitive externe c e pot fi conectate la aceasta.
Referitor la tipurile de intrări ale plăcilor de achiziție date, există intrări single -ended și
intrări diferențiale. Intrările de tip single -ended sau cu referință la masă (ground ), permit măsurarea
tensiun ii dintre canalul de intrare și masa plăcii de achiziție . Fiecare canal de intrare poate avea
conectat câte un dispozitiv independent. Intrările diferențial e sau differential input s măsoară
tensiunea dintre două canale de intrare, unui dis pozitiv f iindu -i necesare două canale de intrare, cu
avantaj ul că pot fi măsurate semnale care nu pot fi conectate la masa ( ground ) plăcii de achiziție.
Structura de achiziție date trebuie să fie capabil ă să îndeplinească următoarele funcții:
– achiziția parametrilor fizici, în cazul de față nivelul de lichid din rezervor, din cadrul
standului utilizat în timpul cercetărilor experimentale;
– prelucrarea datelor achiziționate;
– stocarea datelor achiziționate sau a celor prelucrate pentru utilizări ul terioare ;
– afișarea pe ecran a valorilor parametrilor achiziționați și a rezultatelor prelucrărilor sub
formă numerică sau grafică .

4.1.3.1. Placa de conectare pentru semnale analogice
Acest ă componentă a structurii de achiziție date face posibilă conectarea traductoare lor
electronice și a elemente de acționare (actuatoare) la placa de achiziție de date cu ajutorul unui
cablu cu 15 fire, fiecare dintre acestea având o secțiune de 0,25 mm2. Blocul terminal al plăcii de
conectare analogice este unul c u 15 pini, de tipul Sub-D, după cum se poate observa din Fig. 4.2 1.

a. b.
Fig. 4.2 1. Placa de conectare pentru semnale analogice
a. schema conectorilor b. detaliu de montare

62 Semnificația pinilor blocului terminal din Fig. 4.2 1.a este dată în Tabelul 4.6.

Tabelul 4.6. Semnificația pinilor blocului terminal al plăcii de conectare analogice [9]
Semnificația pinilor Numărul pinului pe
blocul terminal Analogic Codificare Funcție
Ieșire VO1 Ieșirea de tensiune nr.1 1
VO2 Ieșirea de tensiune nr.2 2
AGNDO Terminalul 0 V (ground)
pentru tensiunile de ieșire 3
Intrare II2 Intrarea de curent nr.2 4
II1 Intrarea de curent nr.1 5
AGNDI Terminalul 0 V (ground)
pentru tensiunile de intrare 6
VI2 Intrarea de tensiune nr.2 7
VI1 Intrarea de tensiune nr.1 8
Ieșire IO2 Ieșirea de curent nr.2 9
IO1 Ieșirea de curent nr.1 10
Intrare II4 Intrarea de curent nr.4 12
II3 Intrarea de curent nr.3 13
VI4 Intrarea de tensiune nr.4 14
VI3 Intrarea de tensiune nr.3 15

Analizând Tabelul 4.6 se poate concluziona că placa de conectare permite intrări și ieșiri
atât de tensiune cât și de curent continuu, putând fi conectate patru semnale de intrare analogice
(tensiune sau curent) și două semn ale de ie șire analogice (tensiune sau curent).

Tabelul 4.7 – Date tehnice ale plăcii de conectare analogice [9]
Nr.
crt. Caracteristică Valoare
1 Număr de intrări analogice 4
2 Număr de ieșiri analogice 2
3 Număr de terminale 0 V (ground ) pentru
intrare și ieșire 2
4 Curentul maxim per intrare 2,5 A
5 Numărul de pini ai conectorului cu placa de
achiziție date / tipul 15 / Sub-D
6 Dimensiuni de gabarit
– lungime
– lățime
– înălțime 45 mm
65 mm
42 mm
7 Gama de temperaturi de lucru – 20°C … + 50 °C

4.1.3.2. Placa de conectare pentru semnale digitale
Acestă componentă a structurii de achiziție date face posibilă conectarea la placa de
achiziție de date a traductoarelor și elementelor de acționare ce sunt comandate cu semnale
digitale. Placa de conectare oferă în plus posibilitatea alimentării electrice a componentelor
conectate, cu o tensiune electrică de 24 Vcc. Blocul terminal al plăcii de conectare digitale se
comnectează la placa de achiziție date cu ajutorul unui cablu de 24 de fir e, fiecare dintre acestea
având o secțiune de 0,34 mm2, ca în Fig. 4.2 2.a.

63
a. b.
Fig. 4.2 2. Placa de conectare pentru semnale digitale
a. schema conectorilor b. detaliu de montare

Semnificația pinilor blocului terminal din Fig. 4.2 2.a este dată în Tabelul 4. 8.

Tabelul 4.8. Semnificația pinilor blocului terminal al plăcii de conectare digitale [9]
Semnificația pinilor Numărul pinului pe
blocul terminal Digital Codificare Funcție
Ieșire O0 Intrarea digitală nr. 1 1
O1 Intrarea digitală nr. 2 2
O2 Intrarea digitală nr. 3 3
O3 Intrarea digitală nr. 4 4
O4 Intrarea digitală nr. 5 5
O5 Intrarea digitală nr. 6 6
O6 Intrarea digitală nr. 7 7
O7 Intrarea digitală nr. 8 8
Alimentare +24V Terminalul pozitiv al tensiunii
de alimentare +24 V 9
+24V Terminalul pozitiv al tensiunii
de alimentare +24 V 10
0V Terminalul 0 V (ground ) al
tensiunii de alimentare 11
0V Terminalul 0 V (ground ) al
tensiunii de alimentare 12
Intrare I0 Ieșirea digitală nr. 1 13
I1 Ieșirea digitală nr. 2 14
I2 Ieșirea digitală nr. 3 15
I3 Ieșirea digitală nr. 4 16
I4 Ieșirea digitală nr. 5 17
I5 Ieșirea digitală nr. 6 18
I6 Ieșirea digitală nr. 7 19
I7 Ieșirea digitală nr. 8 20
Alimentare +24V Terminalul pozitiv al tensiunii
de alimentare +24 V 21
+24V Terminalul pozitiv al tensiunii
de alimentare +24 V 22
0V Terminalul 0 V (ground ) al
tensiunii de alimentare 23
0V Terminalul 0 V (ground ) al
tensiunii de alimentare 24

64 Din Tabelul 4.8 se poate constata că blocului terminal al plăcii de conectare digital e are un
număr de 8 intrări digitale și 8 ieșiri digitale, cât și 4 terminale pozitive ale tensiunii de alimentare
+24 Vcc și 4 terminale 0 V (ground ) ale tensiunii de alimentare. Fiecare dintre intrările și ieșirile
digitale au conectate câte un LED pentru a semnaliza optic starea în care se află (0 sau 1).

Tabelul 4. 9 – Date tehnice ale plăcii de conectare digitale [9]
Nr.
crt. Caracteristică Valoare
1 Număr de intrări 8
2 Număr de ieșiri 8
3 Număr de conectoare pentru terminale le
pozitive ale tensiunii de alimentare 12
4 Număr de conectoare pentru terminale le
0 V (ground ) ale tensiunii de alimentare 22

4.1.3.3. Placa de achiziție date
Poate una dintre cele mai importante componente ale structurii de achiziție date, placa de
achiziție date face legătura între calculator și standul de cercetări experimentale, atât pentru
generarea de semnale către stand, dar și în sens invers pentru achiz iția de date. Legăturile fizice
între placa de achiziție date și stand sunt făcute cu ajutorul plăcilor de conectare pentru semnale
analogice și digitale (prezentate mai sus) și cablurilor acestora. Legătura dintre calculator și placa
de achiziție date se face folosind un cablu USB standard. Pe standul de cercetări experimentale a
fost folosită o placă de achiziție date tip EasyPort USB .
Alegerea un ei plăci de achiziție date am luat în considerare următoarele:
– viteza de eșantionare, reprezintă măsura rapidității cu care este scanată și updatată o
intrare analogică a plăcii de achiziție. cu scopul de a achiziționa valoarea numerică a
semnalului analogic prezent pe intrare. Dacă viteza de eșantionare este aleasă
necorespunzător , semnalul achiziționat nu va fi asemănător cu semnalul original;
– rezoluția este reprezentată de numărul de diviziuni în care este împărțit domeniul de
variație al semnalului de intrare ;
– numărul de intrări analogice, strâns legat de numărul de semnale ce pot fi achiziționate
simultan ;
– numărul de ieșiri analogice , utilizate la generarea de semnale analogice de calculator
către stand .

Fig. 4.2 3. Placa de achiziție date EasyPort USB
1
2
3
4
5
6
7
8

65
În Fig. 4. 23. avem:
1 – cablu pentru semnale digitale ;
2 – afișajul plăcii de achiziție date ;
3 – cablu pentru semnale analogice;
4 – cablu de date USB;
5 – butoane de configurare a plăcii de achiziție date și LED -uri de stare ;
6 – conductoare de alimentare electrică (24 Vcc);
7 – placa de achiziție date;
8 – LED -uri pentru semnalizarea optică a stării intrărilor (verde) și ieșirilor (galben)
digitale.

Tabelul 4.10 – Date tehnice ale plăcii de achiziție date [9]
Nr.
crt. Caracteristică Valoare
1 Tensiune de alimentare 24 Vcc
2 Putere consumată 3 VA
3 Număr de ieșiri / rezoluție 16 digitale, 24 Vcc
2 analogice, în gamele:
0 … 10 Vcc sau -10 … +10 Vcc
rezoluție 12 biți
4 Curent de ieșire 0,7 A per ieșire digitală
10 mA per ieșire analogică
5 Protecție la scurt -circuit Da
6 Număr de intrări / rezoluție 16 digitale, 24 Vcc
4 analogice, în gamele:
0 … 10 Vcc sau -10 … +10 Vcc
rezoluție 12 biți
7 Interfețe de comunicație USB 2.0
RS 232
8 Protocol de comunicație ASCII 115.2 kBaud, 8, N, 1
9 Gama de temperaturi de lucru 0 … 55 șC
10 Dimensiuni de gabarit
– lungime
– lățime
– înălțime
135 mm
167 mm
37 mm
11 Greutate 0,65 kg

Placa de achiziție date EasyPort USB este dotată cu două butoane de configurare și două
LED -uri (verde și roșu) care semnalizează optic starea în care se află placa, astfel:
– LED -ul de eroare, de culoare roșie, se aprinde în cazul în care este detectat un scurt -circuit
la una dintre ieșiri. În acest caz, ieșirile EasyPort USB sunt dezactivate. Acest LED se
aprinde pentru scurt timp atunci când placa de achiziție este alimentat ă electric;
– LED -ul de stare, de culoare verde, poate indica optic următoarele:
o iluminare intermitentă cu o frecvență de aproximativ 1 Hz, imediat după punerea
sub tensiune, având semnificația că placa de achiziție nu a pornit comunicarea cu
calculatorul la care este conectată;
o iluminare intermitentă rapidă, având semnificația că placa de achiziție a fost
recunoscută și conectată la calculator fără erori.

66 Afișajul plăcii de achiziție date este de tipul LCD ( Liquid Crystal Display ), având rolul de
a informa o peratorul despre nivelurile de tensiune de la o intrare / ieșire analogică selectată, sub
formă numerică și sub forma unui bare grafice a cărei lungime este proporțională cu valoarea
tensiunii. Tot pe afișaj se regăsește și numărul intrării / ieșirii afișa te și tipul de semnal: intrare sau
ieșire.
Pe placa de achiziție date sunt dispuse două grupuri de câte 16 LED -uri (Fig. 4.2 3) care
indică starea intrărilor și ieșirilor digitale ale plăcii. LED -urile de culoare verde indică starea
intrărilor digitale astfel: LED stins – valoare 0 a intrării; LED iluminat – valoare 1 a intrării. Led –
urile de culoare galbenă indică starea ieșirilor digitale, având acceași semnificație optică cu cele
de intrare.
Cele două butoane de pe panoul frontal al plăcii de achiziție date sunt folosite pentru
selectarea numărului intrării sau ieșirii și unitatea de măsură ( V, bar, PSI, MPa, l/min, °C ) în care
se afișează valoarea de pe afișorul LCD .

Fig. 4.2 4. Amplasarea plăcii de achiziție date în structura de achiziție date [10]

Fig. 4.25. Conexiunile plăcii de achiziție date cu calculatorul, plăcile de conectare analogică și digitală
și cu sursa electrică de alimentare [10]

67 În Fig. 4.25. avem:
1 – placa de achiziție date EasyPort USB ;
2 – bloc terminal al plăcii de conectare digitale;
3 – cablu pentru semnale digitale;
4 – placa de conectare pentru semnale digitale;
5 – cablu pentru semnale anal ogice;
6 – sursă electrică de alimentare;
7 – cabluri electrice de alimentare;
8 – cablu de date USB.

4.1.4. Software de conducere proces
Conducerea automată a procesului a fost făcută cu ajutorul unui software specializat
denumit FluidLab PA . Acesta este practic un software de conducere în buclă închisă cu multe
posibilități de conducere automată: cu regulator bipozițional sau cu regulator P, PI, PD și PID.
Software -ul are un modul de comunicație cu placa de achiziție date EasyPort .

Fig. 4.26. Panoul de pornire al software -ului de conducere proces

În Fig. 4.26. avem:
1 – deschide fereastra de măsurare și control;
2 – deschide fereastra de trasare a caracteristicii statice ale motorului;
3 – deschide fereastra de control proces cu regulator bipozițional;
4 – deschide fereastra de control proce s cu regulator P, PI, PD și PID ;
5 – inițializare placa de achiziție date;
6 – încărcare setări ale software -ului de conducere proces, salvate anterio r;
7 – salvează setările curente ale software -ului de conducere proces;
8 – informații ajutătoare despre comenzile și modul de lucru cu software -ul de
conducere proces;
1
2
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

68 9 – selecția limbii în care se afișează informațiile;
10 – deschide fereastra de setări a software -ului de conducere proces;
11 – indică dacă este activă conexi unea cu placa de achiziție date.
Fereastra (Fig. 4.27 ) de realizare a setărilor software -ului de conducere a proceselor
permite parametrizarea (setarea) valorilor elementelor software cu caracteristicile tehnice reale ale
componentelor de pe standul de cercetare experimentală. În concordanță cu tematica Proiectului
de Diplomă, s -au folosit doar setările pentru controlul nivelului.

Fig. 4.27. Panoul de setări al software -ului de conducere proces

După cum se poate observa din Fig. 4.27 , panoul de setări al software -ului permite alegerea
geometriei rezervorului utilizat pentru controlul nivelului și a parametrilor constructivi ai acestuia.

Fig. 4.28. Panoul de setări al software -ului de conducere proces

69 Tabelul 4.11 – Funcțiile de bază ale software -ului de conducere a procesului
Nr.
crt. Funcție
1 Caracteristici grafice pentru: mărimea de referință, mărimea de
proces, mărimea de comandă
2 Șterge caracteristicile curente afișate și deschie un model nou
3 Selectare mărime de proces de controlat
4 Butoane de control
5 Indicatori optici pentru starea intrărilor digitale
6 Selectare tip element de execuție (motor)
7 Valoare mărime de referință
8 Valoare interval de eroare
9 Fereastra de simulare a sistemului
10 Pornește sau oprește cercetările experimentale
11 Butoane de comandă pentru: imprimare și salvare caracteristici
experimentale
12 Auto scalare (da/nu) a caracteristicilor grafice

Modul de lucru cu software -ul de conducere proces este următorul:
– selectare tip de regulator, în cazul de față regulatorul bipozițional;
– setare valori parametri de control: mărime de referință și interval de eroare;
– pornire experiment prin apăsarea butonului 11.

4.2. Prezentarea rezultatelor experimentale
Existența diferențelor între rezultatele activităților de modelare – simulare și cele de
cercetare experimentală poate avea cauze multiple, dintre care cele mai importante pot fi
următoarele:
– etapa de modelare matematică, recunoscută pentru complexitatea activităților ce sunt
implicate, presupune utilizarea unor simplificări, liniarizări sau limitări ale unor parametri
sau relații ce intervin în model sau a neglij ării unor parametri considerați a avea influență
redusă asupra modelului. Toate acestea pot genera diferențe reduse sau, dimpotrivă,
diferențe semnificative în funcție de gradul în care s -a operat asupra liniarizărilor. De
asemenea, existența unor procese fizice care nu sunt descrise riguros poate constitui o sursă
de erori;
– particularitățile tehnico – constructive ale electropompei utilizate, acestea derivând din
uzura normală a acesteia ce a re o influență negativă asupra raportului de conversie
comandă – ieșire;
– semnalele perturbatorii din cadrul sistemului, atât de natură electromagnetică cât ș i
mecanică , cu impact direct în special asupra structurii de măsurare ;
– stabilirea unor seturi de parametri de experimentare cu valori necorespunzătoare, cu
influenț ă negativă în funcționarea sistemului ce ar putea conduce la obținerea unor
performanțe scăzute sau funcționarea acestuia cu mult peste limitele acceptate ale erorii.
Cercetarea experimentală rămâne singura metodă de validare a modelelor matematice
prezen tate, astfel un sistem dat poate fi caracterizat printr -un model matematic adaptat
particularităților constructive ale acestuia.

70 Rezultatele modelării și simulării cât și cele experimentale permit o analiză completă a
sistemului, deoarece acestea pun în e vidență eventualele erori ce pot apărea cu efecte directe asupra
performanțelor.
Pentru experimentare s -au considerat următoarele cazuri, similare cu cele folosite în etapa
de simulare a sistemului:
– mărime de referință constantă,
m r 15,0 și perturbație
%0v (robinet închis);
– mărime de referință constantă,
m r 15,0 și perturbație
%50v ;
– mărime de referință constantă,
m r 15,0 și perturbație
%100v (robinet deschis ).
În urma experimentărilor s-au obținut caracteristicile grafice din Fig. 4.29 … Fig. 4.32
Rezultatele experimentale în cazul în care mărime a de referință este constantă,
m r 15,0
(din tema de proiectare a Proiectului de Diplomă) și perturbați a
%0v :

Fig. 4.29. Variația mărimii de referință, mărimii de proces și mărimii de comandă

În Fig. 4.29. s-a folosit culoarea neagră pentru mărimea de referință, culoarea roșie pentru
mărimea de proces și culoarea verde pentru mărimea de comandă.
În cazul în care mărimea de referință variază (Fig. 4.30 ), s-a ales exemplificarea prin
variația crescătoare a a cesteia, sistemul automat va trebui să aducă nivelul de lichid la noua valoare
a mărimii de referință într -un timp cât mai scurt și cu eroare cât mai scăzută.

71

Fig. 4.30. Răspunsul sistemului la variația mărimii de referință , perturbație 0%

În Fig. 4.30. s-a folosit aceeași codificare pentru culori ca în figura de mai sus. Se poate
observa că variația mărimii de referință, cu valorile de 0,12 m, 0,15 m și 0,18 m, produce o variație
a răspunsului sistemului (nivelul de lichid controlat), cu o eroare d estul de mică. Timpul de răspuns
este rapid.

Fig. 4.3 1. Răspunsul sistemului la mărime de referință constantă și perturbație 50%

72

Fig. 4.3 2. Răspunsul sistemului la mărime de referință constantă și perturbație 100%

Din Fig. 4.32 se poate observa că sistemul nu poate ajunge la mărimea de referință deoarece
perturbația este de valoare mult prea mare
%100v . În acest caz, nu se consideră satisfăcută
funcția de menținere constantă a nivelului de lichid în rezervor.