Specializarea: Mecatronica [310292]
UNIVERSITATEA TEHNICA DIN CLUJ NAPOCA
FACULTATEA DE MECANICA
Specializarea: Mecatronica
PROIECT DE LICENTA
Temă de proiect:
PROIECTAREA UNUI SISTEM MECATRONIC DE CALIBRARE A SENZORILOR DE DEBIT
Student: [anonimizat],
Alexandru Craciun Prof. Dr. Ing. Ioan Ardelean
IUNIE 2011
CUPRINS
Capitolul 1. Concepte generale ale reglării automate …………………………………………………..pag. 4
Structura generală a unui sistem de conducere …………………………………………….pag. 4
Legi tipizate de reglare …………………………………………………………………………….pag. 6
1.2.1 Prezentare generală……………………………………………………………………….pag. 6
1.2.2 Element Proporțional Integrator Derivator ideal ( PID ideal )……………..pag. 7
1.2.3 Element Proporțional Integrator Derivator real………………………………….pag. 7
1.2.3.1 Conexiune paralel dintre un element I si un element PD real…………………pag. 7
1.2.3.2 Conexiune paralel dintre un element PI și un element D real………………..pag. 7
1.2.3.3 [anonimizat]…………pag. 8
Discretizarea funcției de transfer a unui element PID …………………………………..pag. 8
Capitolul 2. Prezentarea instalației de laborator LabVolt 3522-05 ………………………………..pag. 9
Noțiuni teoretice …………………………………………………………………………………….pag. 9
Componentele instalației de reglare a temperaturii/debitului ……………………….pag. 11
Calibrarea traductorului de temperatură……………………………………………………..pag. 13
Calibrarea traductorului de debit……………………………………………………………….pag. 14
Conducerea procesului de reglare a temperaturii și a debitului……………………..pag. 15
Capitolul 3. Prezentarea plăcii de dezvoltare dsPIC PRO4 …………………………………………..pag. 17
Prezentare generală …………………………………………………………………………………pag. 17
Principalele caracteristici ale dsPIC PRO4………………………………….pag. 17
Comutatoare……………………………………………………………………………pag. 19
Microcontroller-ul……………………………………………………………………pag. 20
Alimentarea…………………………………………………………………………….pag. 21
Conector USB…………………………………………………………………………pag. 21
Interfața serială RS-232…………………………………………………………….pag. 22
Interfața Ethernet…………………………………………………………………….pag. 23
[anonimizat]………………………………………………………pag. 23
Ceas de timp real……………………………………………………………………..pag. 24
LED-uri………………………………………………………………………………….pag. 25
Butoane………………………………………………………………………………….pag. 26
Afișajul LCD…………………………………………………………………………..pag. 26
Afișaj LCD graphic……………………………………………………………………pag. 27
Touch Panel………………………………………………………………………………pag. 28
Convertoare analog-numerice…………………………….…………….pag. 28
Pini pentru acces direct la microcontroller……………………………..pag. 29
Programarea microcontroller-ului dsPIC30F6014A …………………………………..pag. 30
Instalarea programelor și a driverelor pentru dsPIC………………….pag. 30
Folosirea dsPIC Flash…………………………………………………pag. 31
Scrierea și compilarea unui program folosind mikroC dsPIC…………..pag. 32
Concepte generale ale limbajului C………………………………….…pag. 33
Cuvinte cheie importante ale mikroC dsPIC………………………………….pag. 36
Cuvântul cheie ASM………………………………………………………………………….pag. 37
Cuvântul cheie ABSOLUTE……………………………………………………………….pag. 37
Cuvântul cheie ORG………………………………………………………………………….pag. 37
Variabile și constante globale……………………………………………………….pag. 38
Scrierea unui program simplu pentru microcontroller-ul dsPIC……….pag. 38
Scrierea unui șir de caractere pe afișajul alfanumeric………………………pag. 39
Citirea unei valori de la convertorul analog-numeric………………………pag. 41
Convertorul numeric-analogic……………………………………………………..pag. 43
Modulare în durată de impulsuri …………………………………………………pag. 45
Generarea de întreruperi de către ceasul de timp real……………………..pag. 50
Capitolul 4. Realizare practică……………………………………………………………………………………pag. 53
Prezentare………………………………………………………………………………………………………..pag. 53
Principiul realizării……………………………………………………………………………………….pag. 54
Modul de lucru…………………………………………………………………………………………….pag. 54
Programarea microcontroller-ului……………………………………………………………..pag. 55
Generarea unei întreruperi la 10 milisecunde…………………………………………………….. pag. 55
Citirile pe intrările analogice…………………………………………………………………………….pag. 56
Implementarea software a funcției de transfer……………………………………………………pag. 57
Transmiterea comenzii pe canalele PWM………………………………………………………….pag. 58
Afișarea variabilelor pe afișsjul grafic LCD……………………………………………………….pag. 59
Accesorii…………………………………………………………………….…….pag. 60
4.3.2.1 Tastatură numerică KB304………………………………….pag. 60
4.3.3 Conexiuni realizate…………………………………………………………………..pag. 63
4.3.4 Lansarea în execuție…………………………………………………………………pag. 64
Bibliografia……………………………………………………………………………………………………………pag. 71
Introducere
În lucrarea de diplomă cu titlul: “ Proiectarea unui sistem mecatronic de calibrare a senzorilor de debit”sunt descrise principiile pentru implementarea regulatoarelor pe microcontroller-ul dsPIC.
Consider conducerea proceselor cu ajutorul microcontroller-elor o soluție foarte bună pentru era automatizarilor, deoarece acestea sunt relativ ușor de folosit pentru diverse scopuri și nu este necesar spațiu foarte mare pentru plasarea lor, dimensiunile lor putând varia, dar se pot obține performanțe excelente la dimensiuni mici. În același timp acestea sunt pregătite pentru procesele reale de automatizare fiind dotate cu convertoare analog-numerice, numeric-analogice, ceas de timp real, având și posibilitatea atașării altor dispozitive precum ar fi afișaje sau tastaturi pentru a realiza o interfață om-mașină prietenoasă și foarte ușor de folosit.
Industria microcontroller-elor este deja într-o fază avansată de dezvoltare asta fiind un avantaj mare în lucrul cu microcontroller-ul deoarece sunt disponibile posibilități cât mai simple de programare și se pot găsi foarte ușor soluții pentru probleme.
Pentru a realiza o imagine completă a modului de implementare a unui regulator software pe un microcontroller în capitolul I sunt prezentate concepte generale ale reglării automate, precum și discretizarea funcției de transfer a unui regulator PID.
În capitolul II este prezentată instalația LabVolt 3522-05 pe care se va realiza experimtal reglarea temperaturii și a debitului de aer cu ajutorul microcontroller-ului dsPIC.
În capitolul III este prezentată în detaliu placa de dezvoltare dsPIC PRO4 cu toate facilitățile ei necesare pentru conectarea la instalație dar și pentru a realiza o bună interfață cu utilizatorul. Deasemenea sunt prezentate concepte de bază ale limbajului C, folosit la programarea microcontroller-ului, precum și modalități de programare a componentelor necesare pentru conducerea proceselor și pentru interfața cu utilizatorul.
Capitolul IV este dedicat prezentării realizări practice, funcționarea instalației și a regulatorului implementat software pe microcontroller-ul dsPIC30F6014.
REZUMAT
Consider conducerea proceselor cu ajutorul microcontroller-elor o soluție foarte bună pentru era automatizată ce bate la ușă, deoarece acestea sunt relativ ușor de folosit pentru diverse scopuri și nu este necesar spațiu foarte mare pentru plasarea lor, dimensiunile lor putând varia, dar se pot obține performanțe excelente la dimensiuni mici. În același timp acestea sunt pregătite pentru procesele reale de automatizare fiind dotate cu convertoare analog-numerice, numeric-analogice, ceas de timp real, având și posibilitatea atașării altor dispozitive precum ar fi afișaje sau tastaturi pentru a realiza o interfață om-mașină prietenoasă și foarte ușor de folosit.
Industria microcontroller-elor este deja într-o fază avansată de dezvoltare asta fiind un avantaj mare în lucrul cu microcontroller-ul deoarece sunt disponibile posibilități cât mai simple de programare și se pot găsi foarte ușor soluții pentru probleme.
Pentru a realiza o imagine completă a modului de imlementare a unui regulator software pe un microcontroller în capitolul I sunt prezentate concepte generale ale reglării automate, precum și discretizarea funcției de transfer a unui regulator PID.
Cap.1. TERMINOLOGIE. NOTIUNI. DEFINITII.
Pentru a evita aparitia nefericita a virusului confuziei in tot ceea ce inseamna operatiile metrologice de tipul calibrarilor si al etalonarilor am considerat oportun sa structurez un prim capitol in care sa defines termenii si notiunule specifice acestor activitati. Au fost utilizate Dictionarele cunoscute in tara ( DEX, Dictionar Tehnic Roman) precum si Vocabularul Metrologic emis de Biroul International de Metrologie (Paris).
Ce este mecatronica ? Evoluție și definiții ale sistemelor mecatronice
Conceptul de “mecatronică” – brevetat în anii 1971-1972
In anul 1982 firma Yasukawa renunță la drepturile de autor asupra acestuia pentru a putea fi utilizat pe scară largă.
In anul 1986 conceptul este citat și în literatura de specialitate din România pentru roboți industriali.
Conceptul de mecatronică – legitimitate academică în anul 1996 prin IEEE / ASME Transactions on Mechatronics
CONTROVERSE:
Este un domeniu nou sau o combinație a unor domenii existente?
Este vorba despre controlul sistemelor mecanice cu calculatorul ?
Defineste mecanismele inteligente ?
Este vorba de mașini computerizate ?
Este vorba despre sisteme mecanice informatizate ?
Integrarea sistemelor mecanice, electronice și informatice pentru realizarea produselor și sistemelor tehnologice “inteligente” (Japonia 1983).
Mecanică fină, control, știința calculatoarelor și electronică în proiectarea proceselor de realizare a unor produse mai funcționale și mai adaptabile (San Jose State University – USA).
Câmp de studiu combinative al fundamentelor de inginerie mecanică, electrică și calculatoare (Chico State University – USA)
Combinație de software și hardware pentru proiectarea și analiza tehnicilor de control avansate (Clemson University- USA)
Nouă filozofie de proiectare prin integrarea tehnologiilor mecanice, electronice și informatice în scopul producerii de produse, procese și sisteme performante (Loughborough University –Anglia)
Combinație de tehnologie mecanică, electronică și informațională pentru a forma o interacțiune funcțională și o integrare spațială în componente, module, produse și sisteme (Univesity of Twente – Olanda)
Modalitate flexibilă, multitehnologică de integrare a ingineriei mecanice, electronice, știința calculatoarelor și informatică (Berkeley University – USA)
Controlul sistemelor mecanice
Integrare sinergică a ingineriei de mecanică fină, control electronic și sistemele logice în proiectarea produselor și proceselor inteligente (Nort Carolina State University – USA)
Aplicație a conceptului de inginerie concurentă pentru proiectarea sistemelor electromecanice. Această filozofie de proiectare este un exemplu în proiectarea interdisciplinară și integrată acolo unde subsistemele electrice, electronice, computere și mecanice sunt proiectate simultan pentru a funcționa și a se integra într-un singur sistem ( Georgia Tech. University – USA)
Stiința care integrează dispozitivele mecanice și controlul electronic (în “Design with Microprocessors for Mechanical Engineers”)
Integrare sinergică a ingineriei mecanice cu electronica și controlul inteligent computerizat în proiectarea și realizarea produselor industrial și a proceselor”(ASME Trans.on Mecha., nr.1, 1996)
Metologie – colecție de practici, proceduri, reguli – utilizată pentru proiectarea optimală a produselor electromecanice”(Mechatronics System Design– D.Shetty, 1997).
10 domenii de interes pentru noul concept
Structura sistemului mecatronic
Exemple pentru sisteme Mecatronice
Fosta societate japonezǎ pentru promovarea industriei constructoare de mașini (JSPMI) clasifica produsele mecatronice în:
Clasa 1 – produse mecanice cu electronicǎ încorporatǎ pentru a mǎri capacitǎțile funcționale. Exemple tipice: mașini unelte cu comandǎ numericǎ și acționǎrile cu vitezǎ variabilǎ pentru mașinile de producție de masǎ
Clasa 2 – sisteme mecanice tradiționale cu o componentǎ electronic semnificativǎ modernizatǎ dar cu interfațǎ utilizator neschimbatǎ. Ex: mașini de țesut / cusut și sisteme de producție automate
Clasa 3 – sisteme care mențin funcționalitatea sistemelor mecanice tradiționale dar mecanismele interne sunt înlocuite printr-un sistem electronic adecvat. Ex: ceasul electronic
Clasa 4 – produse proiectate cu tehnologie mecanicǎ și electronic printr-o integrare sinergicǎ. Ex: xerox, mașini de spǎlat și mașini de gǎtit automate..
Concluzii:
Produsele clasei 1 este definitǎ prin servo-tehnologie,electronicǎ de putere și teoria controlului
Produsele din clasa 2 sunt remarcabile prin utilizarea componentelor de calcul și memorie și circuite cu capabilitǎți speciale
Produsele clasei 3 sunt caracterizate prin înlocuiri ale sistemelor mecanice de cǎtre circuite integrate și microprocesor
Produsele clasei 4 sunt practic produsele mecatronice prin integrarea sinergicǎ a tehnologiilor.
Exemple pentru sisteme mecatronice: Diagnosticare automata
Metrologia: știința măsurării, o ramură a fizicii care se ocupă cu definirea mărimilor fizice și a unităților de măsură respective, și stabilirea procedeelor de măsurare. Scopul metrologiei este de a pune la dispoziția științelor, societății, aplicării legilor etc. metode și mijloace prin care se pot măsura suficient de precis mărimi legate de activitatea acestora. Dezvoltarea domeniului are loc atât pe plan teoretic cât și aplicativ.
Calibrarea: reprezinta acel ansamblu de procese care stabilesc in anumite conditii specifice, legatu- ra dintre valorile indicate de un anumit mijlocde masurare sau valorile date printr-o masurare materiala si acele valori corespunzatoare cunoscute ale unui anumit standard de referinta.
Calibru : reprezinta un anumit interval al indicatiilor si care se obtine pentru o anumita pozitie data a comenzilor unui instrument de masura dat.
Unități de măsură: reprezintă un standard de măsurare a cantităților fizice. În fizică și în metrologie, e necesară o definiție clara și univocă asupra aceleași cantități, pentru a garanta utilitatea și reproductibilitatea rezultatelor experimentale, ca bază a metodei științifice.
Sistemele de Unități de măsură științifice sunt o formalizare a conceptului de greutăți și măsuri, care s-au dezvoltat inițial cu scopuri comerciale, în special pentru a crea o serie de instrumente cu care vânzătorii și cumpărătorii să poată măsura în manieră univocă o cantitate de marfă tranzacționată. Există diverse sisteme de unități de măsură, bazate pe diverse suite de unități de măsură fundamentale. Sistemul cel mai folosit în ziua de azi e Sistemul Internațional, care are șapte unități de măsură de bază ("fundamentale"), din care toate celelalte sunt derivate.
Debit : un parametru caracteristic fluidului în mișcare și reprezintă cantitatea de fluid care trece în unitatea de timp, prin unitatea de suprafață.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 aceeași unitate de timp. Măsurarea debitului se referă la fluide: lichide, gaze, aburi și suspensii. Debitele de solide se determină prin cântărire și numărare. Debitele fluidelor se măsoară în conducte deschise sau închise, debitele de gaz se măsoară numai în conducte închise.
Debit masic: reprezinta masa de substanță dintr-un fluid care trece printr-o suprafață dată în unitatea de timp. Unitatea ei de măsură este masa împărțită la timp, exprimată prin kilogram per secundă în unități SI. Este de obicei notat prin simbolul . Debitul de masă poate fi calculat din densitatea substanței, aria transversală prin care substanța curge, și viteza acesteia în secțiunea de curgere.unde:ρ este densitatea v este viteza A este suprafața fluxului;Aceasta este echivalent cu debitul volumetric ori densitatea. Debitul unui lichid se exprimă în l/sec (debit momentan și în l/h sau în m³/h (debit sumar). Uneori lichidele dintr-o conductă sau sondă pot conține gaze, datorită cărui fapt debitul lor inițial nu corespunde cu cel real. De aceea, la aprecierea debitului de apă sau petrol al unei conducte sau sonde închise trebuie făcută o deosebire între debitul stabilizat și cel nestabilizat. Debitul unui gaz se exprimă, de obicei, în Nm³/h. Măsurarea debitului diferitelor curgeri se numește debitmetrie și se realizează cu o varietate largă de mijloace de măsurare.
Debitmétru: debitmetre, s. n. Instalație sau instrument pentru măsurarea debitului unui fluid care curge printr-o conduct intr-o unitate de timp. Un debitmetru foarte utilizat e cel electromagnetic.
Densitatea (sau mai exact densitatea de masă, numită și masă specifică) 😮 mărime fizică folosită pentru descrierea materialelor și definită ca masa unității de volum. Astfel, densitatea unui corp este egală cu raportul dintre masa și volumul său. Unitatea de măsură în Sistemul Internațional pentru densitate este kilogramul pe metru cub (kg/m³); alte unități folosite sunt gramul pe centimetru cub (g/cm³), kilogramul pe litru (kg/L) etc. Densitatea se notează de obicei cu litera grecească ρ (ro) sau cu inițiala cuvântului, litera d. Densitatea este o mărime locală (intensivă), în sensul că densitatea unui corp poate diferi de la un loc la altul și nu depinde de mărimea corpului. Corpurile realizate din substanțe omogene au aceeași densitate indiferent de punctul în care se face măsurarea; la un astfel de corp prin divizare se obțin corpuri care prezintă aceeași densitate. Astfel densitatea este o mărime prin care poate fi caracterizată substanța respectivă; în unele aplicații densitatea poate folosi pentru identificarea substanțelor sau evaluarea purității sau concentrației lor.Volumul substanțelor, și ca urmare și densitatea, depinde de temperatură și de presiune. La substanțele lichide și mai ales la cele solide această dependență e slabă. În schimb gazele prezintă variații mari ale densității cu temperatura și presiunea.Densitatea este importanță în acele situații în care corpurile de densități diferite se comportă diferit sau trebuie manipulate diferit, ori în care cunoașterea densității poate servi în efectuarea unor operații. De exemplu, plutirea unui corp solid la suprafața unui lichid este determinată de relația dintre densitățile celor două substanțe: cele mai multe tipuri de lemn plutesc pe apă, dar cele mai multe tipuri demetal se scufundă (ambarcațiunile de metal nu se scufundă pentru că nu sunt masive, ci înglobează și aer, încât densitatea lor medie este mai mică decât a apei).Densitatea se poate măsura cu picnometrul, cu densimetrul (areometru), cu balanța (folosind forța lui Arhimede) sau la fluide în curgere pe fluxuri industriale cu debitmetrul Coriolis.Unitatea de măsură a densității în SI (Sistemul Internațional de Măsurări și Greutați) este raportul dintre unitatea de măsură a masei (kilogram) și unitatea de măsură a volumului (metrul cub), deci este kilogram pe metru cub, kg/m3..
Viscozitatea : reprezinta proprietatea unui fluid de a se opune mișcării relative a particulelor constituente. Viscozitatea este percepută ca o rezistență la curgere. În acest sens, apa, cu viscozitate mică, este fluidă, în timp ce uleiul, cu viscozitate mare, este vâscos. Toate fluidele reale sunt vâscoase, cu excepția celor superfluide. Un fluid nevâscos este considerat fluid ideal.
Numărul Reynolds (Re): o mărime adimensională folosită în mecanica fluidelor pentru caracterizarea unei curgeri, în special a regimului: laminar, tranzitoriu sau turbulent.Conceptul a fost introdus de George Gabriel Stokes în 1851, dar a fost numit după Osborne Reynolds (1842–1912), care l-a popularizat în 1883. Numărul Reynolds este raportul dintre forțele de inerție și forțele de frecare viscoasă. Expresia sa matematică este: unde: este viteza fluidului, în [m/s], – dimensiunea caracteristică,(lungimea debitului) în [m], – masa volumică a fluidului, în [kg/m³],- viscozitatea dinamică a fluidului, în [Pa.s], – viscozitatea cinematică a fluidului, în [m²/s] (). Unitățile indicate (în SI) sunt informative, deoarece numărul Reynolds fiind adimensional, valoarea sa este aceeași în orice sistem de unități coerent.Curgerile la care numărul Reynolds este mare decurg turbulent, iar cele la care este mic decurg laminar. Pentru curgeri în țevi, un număr Reynolds peste 4000 indică o curgere turbulentă, iar unul sub 2100 o curgere laminară. Domeniul care corespunde curgerilor cu număr Reynolds între 2100 și 4000 este considerat de tranziție.
Volumul : desemnează proprietatea unui corp de a avea tridimensionalitate, adică întindere de-a lungul a trei axe perpendiculare pe care se măsoară lungimea, lățimea și respectiv înălțimea sa (toate cele trei dimensiuni fiind, de fapt, valori de lungime). Altfel definit, volumul unui corp este locul pe care el îl ocupă în spațiu.Volumul unui fluid este desemnat de masa de apă/fluid debitată de o fântână, de un izvor, un râu, un fluviu,etc. Din punct de vedere al analizei dimensionale volumul (simbol litera majusculă V) este o mărime fizică derivată ce se măsoară în unitatea de măsură a lungimii, 1 metru (1m), ridicat la puterea a treia (1m x 1m x 1m = 1 m3).
V = k x l3 respectiv <V> = <l> x <l> x <l> = 1m3. Dimensional, volumul: [V] = L x L x L = L3. Litrul (l) este o unitate de măsură pentru volum.
Volum finit : secțiune de conductă închisă sau canal deschis de lungime suficientă, cu secțiune transversală cunoscută
Efectul Bernoulli. Fizicianul italian „Giovanni Battista Venturi” și fizicianul elvețian „Daniel Bernoulli” au conceput în secolul XVIII în teoria mecanicii fluidelor și gazelor sub infuențe mecanice. Această teorie constituie și în prezent un element fundamental ca bază de calcul în procesele aero- și hidrodinamice. Legea lui Bernouli este un principiu fizic care afirmă că presiunea totală în lungul unei linii de curent într-un fluid incompresibil și lipsit de vâscozitate, aflat în curgere staționară, este constantă.
Efectul Venturi Italianul Giovanni Battista Venturi a descoperit fenomenul de accelerare a curentului unui fluid prin
Tub Venturi
reducerea secțiunii transversale (gâtuirea) țevii prin care curge fluidul, viteza maximă de curgere fiind în punctul unde este cea mai mică secțiune transversală.Dacă se consideră un fluid teoretic ca necomprimabil la care practic gradul de reducere a volumului este minimă la comprimare, în acest caz putem exprima „Efectul Bernoulli” prin ecuațiile: ; ; Știind că: v = v(x) , .Cu ρ constant, putem scrie ecuația:
Sau: Unde C – este o constantă.
Tubul Pitot: este un instrument de măsură destinat măsurării presiunii dinamice, deci a vitezei unui curent de fluid A fost inventat de Henri Pitot (1695-1771).
Principiul tubului Pitot: cu albastru: presiunea totală, cu roz presiunea statică, cu verde traductorul de presiune.În principiu tubul este format din două țevi concentrice, orificiul celui din interior deschizându-se „în față”, în direcția din care curge fluidul, iar unul sau mai multe orificii ale tubului exterior deschizându-se „lateral”, cu axele într-un plan perpendicular pe direcția de curgere a fluidului. Orificiul din față captează presiunea totală, iar cele laterale presiunea statică. Cele două presiuni pot fi legate la un manometru diferențial, gradat direct în unități de viteză.Determinarea presiunii dinamice (pdin) se face din ecuația lui Bernoulli, ca diferență între presiunea totală (ptot) și presiunea statică (pst): , unde ρ este densitatea fluidului, de unde rezultă viteza:
Efectul Doppler constă în variația frecvenței unei unde emise de o sursă de oscilații, dacă aceasta se află în mișcare față de receptor. Efectul Doppler poate fi constatat atât în cazul undelor electromagnetice (inclusiv lumina), cât și în cazul undelor elastice (inclusiv sunetul). Frecvența măsurată crește atunci când sursa se apropie de receptor și scade când susrsa se depărtează de receptor.Johann Christian Andreas Doppler (*29 noiembrie 1803 în Salzburg †17 martie, 1853 în Veneția) a fost un matematician și fizician austriac, devenit celebru pentru ipoteza care acum este cunoscută sub denumirea de Efectul Doppler.Traductoare ultrasonore cu efect Doppler. Debitmetre ultrasonore cu efect Doppler . Au un traductor ce trimite un fascicol ultrasonor cu frecv. ~ 500 kHz în fluid. Lichidul care curge prin conductă conține materiale reflectorizante pentru undele ultrasonore (ex. particule solide sau bule de aer). Mișcarea acestor materiale modifică frecvența fascicolului reflectat spre un traductor receptor. Deplasarea de frecv.
Doppler este liniar proporțională cu viteza debitului fluidului. Măsoară debite cu viteze ale fluidului de 6 … 9 m/s și temperaturi < 120 °C.
Flotabilitatea sau starea de plutire reprezintă capacitatea unui corp de a pluti
Legea inducției electromagnetice Faraday :un lichid conductiv care curge intr-un câmp magnetic induce o tensiune direct proporțională cu viteza medie a fluidului unde:U = tensiune indusă, U = k1 . B.v.d , k1 = constantă instrument, B = inducție magnetică, d = distanța dintre electrozi (diametrul conductei).
Tub Venturi reprezinta o secțiune îngustată a tubului de-a lungul căreia este creată o presiune diferențială când este parcursă de aer. Cu cât debitul de aer care trece prin tub este mai mare, cu atât presiunea diferențială este mai mare.
Amortizor :un orificiu în tub care este utilizat pentru crearea de perturbații prin modificarea debitului de aer care curge prin tub.
Ventilator : utilizat pentru a crea un debit de aer prin tub. Când ventilatorul se rotește, el trage aerul în tub prin orificiul de intrare și îl trimite către ieșire.
Traductorul : un dispozitiv (element) tehnic care transformă valorile unei mărimi fizico-chimice în valori (corespunzătoare) ale altei mărimi fizice, în scopul măsurării ei sau/și reglării mersuluiprocesului tehnic, biologic etc. în care este implicată mărimea respectivă. Traductoarele sunt frecvent denumite „traductoare de măsură”. Ele intră direct în contact cu mediul (procesul) unde este participantă ca parametru mărimea de măsurat sau/și reglat. În funcție de mărimea fizico-chimică în cauză traductoarele sunt diferite ca principiu de funcționare, după cum urmează:
Traductorul de debit măsoară presiunea diferențială de-a lungul tubului și produce o tensiune standardizată (0-5 V) sau un curent ( 4-20 mA) proporționale cu presiunea ce pot fi transmise la regulator.
Traductorul de temperatură produce o tensiune ( 0-5 V) și un curent (4-20 mA) proporționale cu temperatura radiatorului. În acest scop, traductorul măsoară o tensiune generată de un senzor semiconductor și o convertește într-una utilă, tensiune sau curent standardizate care pot fi transmise la regulator.
Potențiometrul “span” setează cea mai mare măsuratoare posibilă pentru temperatură, adică, debitul sau temperatura pentru care tensiunea sau curentul de la ieșirea traductorului vor fi maxime;
potențiometrul “zero” setează cea mai mică măsuratoare posibilă pentru temperatură, adică, temperatura pentru care tensiunea sau curentul de la ieșirea traductorului vor fi minime;
Senzor-Vine din latină: sensus=simț.Este un dispozitiv tehnic care reacționează la anumite proprietăți fizice sau chimice ale mediului din preajma lui. Ca parte componentă a unui aparat sau sistem poate măsura/înregistra de exemplu presiunea, umiditatea, câmpul magnetic, accelerația, forța, intensitatea sonoră, radiații ș.a.Exista mai multe clasificări, una dintre ele se referă la senzori de tip: Activ: consumator de energie, de exemplu radar (măsurarea distanțelor prin emitere de
radiatii electromagnetice). Pasiv: de exemplu fotorezistența cu care se poate măsura intensitatea luminii incidente.În automatizare, informatia calitativă/cantitativa livrată de senzori, dupa o eventuală amplificare și prelucrare servește la controlul și reglarea sistemului automat.Dispozitiv pentru generarea unui semnal care să indice apariția unei situații date sau să reprezinte variația unui parametru într-un fenomen. (< engl. sensor, fr. senseur)
Sensibilitatea unui senzor este definita ca panta curbei caracteristicii de iesire sau, mai general, intrarea minima a parametrilor fizici care va creea o variatie a iesirii. La cativa senzori, sensibilitate este definita ca parametrul de intrare cerut pentru a produce o standardizare a schimbarii iesirii. La altele, ea este definita ca tensiunea de iesire data pentru schimbarea parametrului de intrare. De exemplu, un traducator de tensiune arteriala tipica poate avea o rata a sensibilitatii de 10μV/V/mmHg; aici va fi 10μV tensiune de iesire pe fiecare volt al excitatiei si pe fiecare mm Hg aplicat presiunii.
Eroarea de sensibilitate (aratata in figura 6-1) este punctul de plecare pentru panta ideala a caracteristicii curbei. De exemplu, traducatorul de presiune arteriala discutata mai sus poate avea o sensibilitate de 7.8 μV/V/mmHg in loc de 10 μV/V/mmHg.
Domeniul de acoperire al senzorului este maximul si minimul valorilor aplicate parametrilor care pot fi masurate. De exemplu, un senzor de presiune dat poate avea domeniul de variatie intre –400 si +400 mm Hg. Alternativ, extrema pozitiva si negativa sunt de obicei inegale. De exemplu, un traductor medical al presiunii arteriale este specificat sa aiba limita minima (in vid) de –50mm Hg (Ymin ) si o limita maxima de +450 mm Hg.Aceste specificari sunt adesea intalnite si reprezinta motivul pentru care doctorii si asistentele distrug senzorii de detectare a presiunii arteriale, in incercarile de a extrage sange dintr-o vena fara a fi atenti la pozitia fluidului din organism. O mica seringa poate produce un vid intr-un sistem inchis.
Fig. 1. Curba ideala si sensibilitatea erorii. Fig 2. Caract. curbei pH a electrodului la sesib. Temp.
Domeniul dinamic reprezinta domeniul total al variatiei senzorului de la minim la maxim. Aceasta inseamna ca in cazul figurii de mai sus.R
Precizia :termenul de precizie se refera la gradul de reproducere al masuratorii. Cu alte cuvinte, daca exact aceleasi valori au fost masurate de un anumit numar de ori, atunci un senzor ideal va scoate la iesire aceasi valoare de fiecare data. Senzorii reali scot insa la iesire valori apropiate de valoarea reala. Sa presupunem ca o presiune de 150 mm Hg este aplicata unui sensor. Chiar daca presiunea aplicata este constanta, valorile de la iesirea senzorului variaza considerabil. Apar asfel cateva probleme din punct de vedere al preciziei cand valoarea adevarata si valoarea indicata de senzor nu sunt la o anumita distanta intre ele.
Rezolutia reprezinta detectia celui mai mic a parametru de intrare care poate fi detectat din semnalul de iesire. Rezolutia poate fi exprimata proportional cu semnalul citit, fie in valori absolute.
Acuratetea unui senzor este data de diferenta dintre valoarea actuala si valoarea indicata la iesirea senzorului. Din nou, acuratetea poate fi exprimata ca un procent sau in valori absolute.
Offset-ul :eroarea de offset al unui traductor este definita ca valoarea iesirii care exista atunci cand ar trebui sa fie zero, sau diferenta dintre valoarea reala de la iesirea traductorului si valoarea de la iesire specificata de un serie de conditiiparticulare. Un prim exemplu in cea ce priveste figura 6-1 ar exista daca caracteristica curbei ar avea aceeasi panta a sensibilitatii ca si cea ideala, dar daca ar intersecta axa Y in punctul b in loc de puncul zero. Un alt exemplu este forma offset-lui caracteristicii curbei pH a electrodului aratat in figura de mai sus.
Curba ideala va exista doar daca la o anumita temperatura (de obicei 250C), in timp ce curba reala va fi intre minimul temperaturii si maximul temperaturii, limita depinzand de temperatura de pe electrod.
Liniaritatea unui traductor este expresia cu care curba masurata al senzorului se diferentiaza de curba ideala. In figura 6-3 se arata o relatie exagerata intre curba ideala si cea masurata care se mai numeste si linie de calibrare. Liniaritatea este specificata in procente, si este definita asfel:
Neliniaritatea(%)= , unde: Neliniaritatea(%) reprezinta procentul de neliniaritate., Din(max) reprezinta deviatia maxima la intrare., INfs reprezinta semnalul maxim
Neliniaritatea statica definita de ecuatia 6-1 este uneori subiectul unor factori de mediu, inclusiv temperatura, vibratiile, nivelul acustic de zgomot si umiditatea. Este important de stiut in ce conditii aceasta caracteristica este valida si se indeparteaza de acele conditii care nu furnizeaza modificari ale liniaritatii.
Histerezis-ul :Un traductor trebuie sa fie capabil sa urmareasca schimbarile parametrilor de intrare indiferent din ce directie este facuta schimbarea, histerezis-ul fiind masura a acestei proprietati. In una din figurile ce urmeaza este aratata o curba de histerezis tipica. Se observa ca conteaza din ce directie este facuta schimbarea. Apropiindu-se de o valoare fixa de intrare (punctul B din figura 6-4) dinspre o valoare mai mare (punctul P) se va obtine o valoare diferita decat daca ne apropiem de aceasi valoare dinspre o valoare mai mica (punctul Q sau zero).
Fig.3 Curba ideala si eroarea liniaritatii Fig. 4.Curba histerezis
Se observa ca valoarea de intrare B poate fi exprimata prin F(X)1, F(X)2, F(X)3 in functie de valoarea precedenta – in mod clar o eroare datorata histerezis-ului.
Timpul de raspuns Senzorii nu-si schimba starea de iesire imediat cand apare o schimbare a parametrului de intrare. De obicei, va trece in starea noua abia dupa o anumita perioada de timp, numita si timp de raspuns (Tr din figura 5). Timpul de raspuns poate fi definit ca fiind timpul necesar iesirii valorilor unui senzor de a trece din starea precedenta spre o valoare stabilita in limitele unui domeniu de toleranta a noii valori corecte. Acest concept este intr-un fel diferit de termenul de timp constant (T) a sistemului. Acest termen poate fi definit intr-o maniera similara cu cea a unui condesator care se incarca printr-un rezistor si este de obicei mai mic deca timpul de raspuns.
.
Fig. 5 a. Timpul de crestere. Fig.5 b. Timpul de cadere
Curbele din figura de mai sus ne arata doua tipuri de timp de raspuns. In figura de fata curbele reprezinta timpul de raspuns ce urmeaza unei schimbari aparametrului de intrare de catre o functie treapta abrupta si pozitiva. In figura anterioara b este aratat timpul de cadere (Td care se distinge de Tr pentru ca nu este intotdeauna acelasi), ca raspuns la o schimbare a parametrului de intrare de catre o functie treapta negativa.
Liniaritate dinamica a unui senzor este o masura a abilitatii sale de a urmarii schimbariile rapide ale parametrilor de intrare. Caracteristicile distorsiunii amplitudinii, caracteristicile distorsiunii
Fig.6 a. Curba semnalului de intrare eroare patratica Fig. 6 b.Curba semnalului de intrare eroare cubica
fazei, si timpul de raspuns sunt importante pentru a determina liniaritatea dinamica. Pentru un sistem cu histerezis scazut (de obicei preferat), raspunsul amplitudinii este reprezentat de:
In aceasta ecuatie, termenul F(X) reprezinta semnalul de iesire, in timp ce X reprezinta parametrul de intrare si armonicile sale, iar K este constanta de offset (daca exista). Armonicile devin importante atunci cand eroarea generata de senzor cad in aceleasi domenii de frecventa ca si armonicile naturale produse de actiunea dinamica a parametru- lui de intrare. Toate undele sunt reprezentate print-o functie Fourier sau o unda sinusoidala fundamentala si armonicele ei. Caracteristica de neliniaritate a curbei de calibrare (figura 6) ne spune despre armonicile prezentate.
In figura de mai sus, curba de calibrare (cea cu linie punctata) este asimetrica, deci exista termeni impari ai armonicii. Presupunand o forma pentru curba ideala alui F(X)=mx+k, ecuatia anterioara devine pentru cazul simetric:F(X) = aX + b + c In alte tipuri de curbe de calibrare , valorile indicate sunt simetrice in functie de curba ideala mx+k. In acest caz, F(X)=-F(-X), iar forma ecuatiei va fi: F(X) = aX + b.
CAP.2. MIJLOACE MECATRONICE DE MASURARE A DEBITELOR.
2.1. Aspecte generale.
Debitul reprezinta un parametru caracteristic fluidului în mișcare și reprezintă cantitatea de fluid care trece în unitatea de timp, prin unitatea de suprafață. 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 aceeași unitate de timp.
Măsurarea debitului se referă la fluide: lichide, gaze, aburi și suspensii. Debitele de solide se determină prin cântărire și numărare. Debitele fluidelor se măsoară în conducte deschise sau închise, debitele de gaz se măsoară numai în conducte închise.
2.2. Sisteme de masurare a debitului
Masurarea debitului unui fluid (sau alt material) de-a lungul unei tevi este foarte importanta in industrie , care include : industrie chimica ,industrie petroliera ,oteluri ,alimentatie publica.Pe piata sunt foarte multe debitmetre ;utilizarea lor depinde de tipul problemei care este prezentat in cap. 7. Acest capitol explica (prezinta) principalele caracteristici ale debitmetrelor cel mai des utilizate.Acest capitol 5 subcapitole: mecanica fluidelor ;masurarea vitezei intr-un punct al fluidului ;masurarea volumului ,masei si masurarea debitului in situatii dificile.
Pentru măsurarea debitului se folosesc:
Tipuri de debite:
După modul de definiție al cantității de fluid, debitele pot fi de trei tipuri:
masice, Qm= m / t [kg/s], m = masa de fluid în unitatea de timp;
volumice, QV= V / t [m3/s],V = volumul de fluid în unitatea de timp;
de greutate, Qm= G / t [kg.m3/s], G = greutatea de fluid în unitatea de timp.
Sistemul de măsurare folosit se alege în funcție de următorii factori:tipul fluidului (lichid, gaz, aburi sau suspensii), densitatea fluidului, vâscozitatea fluidului, puritatea fluidului, nivelul debitului, tipul debitului (turbulent sau laminar), tipul conductei, condițiile de mediu (temperatură, presiune, etc), acuratețe, etc. În sistemele pentru procesarea datelor, debitele variabile se eșantionează la 1 Hz. În procesul de măsurare se ține cont de trei caracteristici importante ale fluidelor: densitatea [kg/m3 ] este raportul între masa și volumul fluidului, vâscozitatea [N.s/m2 ] este forța tangențială pe o suprafață unitate a două planuri orizontale, separate de o distanță unitate, un plan fix iar celălalt mișcându-se cu viteza unitate. Spațiul dintre planuri este umplut cu substanța vâscoasă. La creșterea temperaturii, vâscozitatea crește la gaze și scade la lichide. Numărul Reynolds (Re) specifică debitul ca un raport între inerție și vâscozitate conform relației: Re=vl / , v = viteza debitului în m/s și l = lungimea debitului.
Debitmetre pentru măsurarea punctuală a vitezei fluidului.
Măsurarea punctuală a vitezei fluidului se face în volum finit (secțiune de conductă închisă sau canal deschis de lungime suficientă, cu secțiune transversală cunoscută). Viteza se măsoară într-un punct unde reprezintă viteza medie din secțiunea transversală. Pentru vizualizarea debitului , se injectează în fluid particule trasoare (bule de gaz sau coloranți) și se monitorizează trecerea lor.
Dispozitive pentru măsurarea vitezei punctuale: probele statice Pitot, anemometrele cu fir cald și
debitmetrele cu ultrasunete.Probe statice Pitot. Măsurarea presiunii în fluidele în mișcare introduce, pe lângă presiunea statică, presiunea dinamică. Măsurare: într-un canal deschis sau conductă închisă se introduce perpendicular un tub ce măsoară presiunea statică și 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 direcția debitului; neuniformitatea debitului de fluid în secțiunea transversală prin conductă; vâscozitatea, care are efect mai mare la valori mici ale numărului Reynolds; tuburile cu diametre mari determină scăderea presiunii statice; raportul diametrelor canalului și a tubului poate fi prea mic.Avantaj: ușurința cu care e introdus în debitul de fluid. Semnalul de la ieșire este o presiune diferențială care se măsoară electric.Dezavantaj: valoarea mică a presiunii.
Anemometre cu fir cald
Folosesc efectul de răcire al unui element rezistiv de către fluid, măsurând viteza fluidului prin detectarea variației de rezistență 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 căldură al elementului rezistiv, temperatura și presiunea fluidului.Tehnici de măsurare: la curent constant sau la temperatură (sau tensiune) constantă, și două configurații fizice: fir sau strat subțire rezistiv. Precauții: sonda trebuie să fie aliniată în debitul de fluid; lichidele conductoare pot declanșa electrolize, deci senzorul trebuie izolat sau excitația se face în curent alternativ;fluidul trebuie să fie curat pentru a evita acoperirea sau ruperea senzorului;la viteze mari pot apărea vibrații.
Folosesc la măsurarea vitezei gazelor (0,1 … 500 m/s și < 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 obținuți prin depunere.
Debitmetre cu ultrasunete cu măsurarea timpului de transit
Sunt traductoare portabile care măsoară debite de lichide și suspensii fără obstrucție. Au microprocesor încorporat, afișaj grafic, tastatură pentru selecția meniului, interfață serială pentru controlere numerice, controlere logice programabile, înregistratoare.Măsoară diferența timpului de tranzit între impulsurile ultrasonore transmise în sensul invers sensului de curgere al fluidului. După modul de amplasare al celor două traductoare din construcție, sunt trei variante de debitmetre ultrasonore cu măsurarea timpului de tranzit:
cu montare tip Z (diametral opuse și o singură trecere a fascicolelor),
cu montare tip V (traductoare plasate de aceeași parte a conductei, cu reflexie de partea interioară);
cu montare tip W (traductoarele plasate de aceeași parte a conductei, cu trei reflexii).
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 diferențiale de-a lungul debitului. Traductoarele de debit de acest tip impun plasarea unei obstrucții pe linia de debit (o placă cu duză, tub Venturi sau tub Dall). Alte traductoare utilizate pentru măsurarea volumului unui fluid sunt:
traductoarele cu turbină,
traductoarele cu deplasare pozitivă,
traductoare electromagnetice,
traductoare ultrasonore cu efect Doppler,
traductoare cu împrăștierea vârtejurilor, etc.
Debitmetre cu suprafață constantă și cădere variabilă a presiunii (cu presiune diferențială).
Debitul turbulent (Re > 4000) trece printr-o restricție din conductă, sub forma unei găuri cu muchii drepte, numită placă cu orificii. Pierderea permanentă de presiune statică din conductă după obstrucție dă o indicație asupra debitului. Cele mai bune poziții pentru amplasarea robinetelor de presiune (RP) sunt la distanțele D și D/2 față de placa, D fiind diametrul conductei.Debitul de volum se determină matematic și depinde de:suprafața orificiului, suprafața conductei,presiunea între cele două puncte ale robinetelor,densitatea fluidului.
Fig.7. Debitmetre pentru debite de volum
Debitmetre cu suprafață variabilă și cădere constantă a presiunii
Unele debitmetre au suprafața orificiului ajustabilă și cădere de presiune constantă.
Se folosește un flotor cu dimensiuni fixe, suspendat într-un tub vertical cu suprafață crescătoare cu înălțimea.
Pentru un debit dat, flotorul devine staționar dacă gravitația, presiunea diferențială, vâscozitatea și flotabilitatea sunt mărimi echilibrate.
Funcționare: pentru o suprafață fixă de conductă, presiunea diferențială variază cu pătratul debitului. La presiune constantă, suprafața se modifică și debitul de volum variază liniar cu înălțimea la care este suspendat flotorul.
Debitmetre cu turbină
Au un set de lame ce se rotesc, plasate în linia de debit a unui fluid. Viteza unghiulară e proporțională cu debitul, ieșirea fiind tren de impulsuri numerice. Pentru semnal analogic la ieșire, se folosește un convertor frecvență – tensiune.Măsoară debite de 0,001 … 500m3/min pt. gaze și 0,05 … 120000 l/min pt. lichide.
Variantele constructive ale debitmetrelor cu turbină:
respirometre – măsoară debitul de volum al gazelor eliminate din plămâni;
debitmetre cu 2 turbine axiale cu 2 rotoare – acuratețe, autocorectare și autoverificare – măsoară debite mari de gaze naturale, în conducte magistrale;
debitmetre cu 2 faze gaz/lichid dau la ieșire pres. diferențială (debitmetru Venturi serie cu debitmetru turbină) măsoară debite de volum și de masă pentru aerosoli;
debitmetre cu turbină cu inserție axială – au un rotor axial montat pe o prelungire introdusă radial în peretele conductei, printr-o supapă de închidere. măsoară viteza fluidului din poziția rotorului; se deduce debitul de volum. folosite când diametrele conductelor sunt mari și acuratețea moderată;
debitmetre cu 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, numită distribuitor; camera inferioară este conectată la debitul de intrare și distribuie debitul tangențial pe regiunea inferioară a lamelor elicei.
Debitmetre cu deplasare pozitivă
Măsoară un volum cunoscut într-un anumit interval fix de timp. Tipuri de debitmetre cu deplasare pozitivă:
pentru lichide și gaze ude: cu piston semirotativ, cu piston reciproc, cu disc în rotație, cu morișcă în rotație;
pentru gaze: cu diafragmă și cu deplasare rotativă.
Aceste debitmetre sunt pompe care funcționează invers: o cantitate de fluid este prinsă între
admisie și evacuare și sub influența presiunii, fluidul este rotit spre portul de ieșire pentru evacuare.
Temperatura maximă de funcționare este 300°C.Presiunea maximă este de 10 MPa.
Debitmetre ultrasonore cu efect Doppler
Au un traductor ce trimite un fascicol ultrasonor cu frecv. ~ 500 kHz în fluid. Lichidul care curge prin conductă conține materiale reflectorizante pentru undele ultrasonore (ex. particule solide sau bule de aer). Mișcarea acestor materiale modifică frecvența fascicolului reflectat spre un traductor receptor. Deplasarea de frecv. Doppler este liniar proporțională cu viteza debitului fluidului. Măsoară debite cu viteze ale fluidului de 6 … 9 m/s și temperaturi < 120 °C.
Debitmetre cu împrăștierea vârtejurilor
Frecv. vârtejurilor împrăștiate de un corp din debit e proporțională cu viteza fluidului.
Debitmetrele cu împrăștierea vârtejurilor au acuratețe 1% la măsurarea debitului de volum la lichide, gaze și aburi. Nu au părți în mișcare și sunt tolerante la defecte. Sensibile la zgomotul conductei și necesită debite mari pentru generarea vârtejurilor. Gama dinamică 20:1, temperatura de funcționare < 2000C, presiunea 10MPa.
Debitmetre pentru măsurarea debitului de masă
În unele aplicații se determină masa reală (greutatea) unui fluid (ex. aparate de zbor).Pentru aflarea debitului de masă, datele de ieșire de la debitmetrele de volum trebuie corectate cu variațiile de densitate, vâscozitate, presiune, temperatură și viteză. Corecțiile se fac cu echipamente numerice sau prin tehnici directe de măsurare.
Debitmetre directe de masă.
Debitmetre cu măsurarea momentului forței. Măsurarea momentului forței unui fluid în mișcare e simplă, sensibilă la variația densității.Dependența se elimină imprimând fluidului o viteză cunoscută, perpendiculară de direcția de curgere.
Debitmetre de masă termice .
Se injectează o cantitate de căldură în fluid și se măsoară diferența de temperatură.
Se folosește o înfășurare de încălzire ce înconjoară fluidul din conductă și doi senzori de
temperatură (termorezistențe), plasați înainte și după tubul încălzit.
Debitmetre indirecte de masă.
Metodele folosite la determinarea debitului de volum se pot folosi și la măsurarea debitului de masă, dacă se știe densitatea. Tehnici: cu debitmetre cu presiune diferențială și cu debitmetre Pitot statice.Densitatea se obține dacă se cunosc presiunea și temperatura fluidului.
Debitmetre pentru canale deschise.
Ori de câte ori un lichid curge într-un canal și nu îl umple complet, debitul este numit debit în canal deschis (specific doar pentru lichide).Aceste situații se întâlnesc în conducte care nu sunt complet pline, în râuri și canale. Tehnica folosită este plasarea unei obstrucții (baraje, ecluze) în calea debitului și măsurarea unei variabile.
Debitmetrele cu ultrasunete pentru canale deschise
Traductorul este montat deasupra canalului și transmite impulsuri ultrasonore în jos, pe suprafața lichidului din canal. Impulsurile sunt reflectate înapoi spre traductor iar timpul de tranzit este o măsură a înălțimii lichidului din canal.Folosind nivelul din canal și viteza debitului, sistemul măsoară debitul de volum.
Debitmetre cu vizualizarea imaginilor particulelor
Măsurarea experimentală a vitezei, accelerației și densității unui debit de gaz sau lichid este importantă pentru:proiectarea autovehiculelor, aparatelor de zbor, navelor maritime și a altor vehicule, optimizarea unor procese de ardere și reacție,diagnosticarea debitelor – tehnici optice (fluorescența indusă cu laser, împrăștierea Raman, măsurarea vitezelor prin deplasări de frecvență Doppler cu laser).Debitmetrele cu vizualizarea imaginilor particulelor folosesc împrăștierea RO de către particule mici, pentru a evidenția mișcarea lor. Fotografiile sau captarea electronică a imaginilor cu expuneri duble înregistrează și compară câmpul RO împrăștiate la 2 momente de timp și, prin analiză matematică se obține o hartă bidimensională a vitezelor. Se obțin și informații tridimensionale repetând aceste măsurări în poziții diferite.Pentru măsurare, în fluid se introduc particule mici, cu densitate cunoscută, care împrăștie RO. Folosesc surse laser în impulsuri cu durate de ns cu comutarea factorului de calitate. Ieșirea este focalizată pentru a forma o foaie de radiație optică cu grosime uniformă. Imaginile sunt preluate cu o cameră de luat vederi.Acuratețea depinde de mărimea și densitatea particulelor introduse în debit, mărirea și distanța focală a
sistemului optic a camerei de luat vederi, rezoluția camerei. Elementul esențial al sistemului este laserul.
Măsurarea debitului în conducte parțial pline
Se face cu un debitmetru electromagnetic și sistem independent de măsurare capacitivă a nivelului. Viteza fluidului se măsoară cu legea inducției electromagnetice Faraday (un lichid conductiv care curge intr-un câmp magnetic induce o tensiune direct proporțională cu viteza medie a fluidului): U = tensiune indusă, U = k1 . B.v.d , k1 = constantă instrument, B = inducție magnetică, d = distanța dintre electrozi (diametrul conductei).Câmpul magnetic e generat cu 2 bobine și perpendicular pe tubul nemagnetic prin care trece debitul. Electrozii sunt opuși, pe mijlocul conductei la debitmetrele convenționale electromagnetic, sau cu distanță între ei de 10 % din diametrul tubului. Debitul de volum prin conductă este: DV = debit de volum instantaneu; DV = v. A ;v = viteză fluid; A = arie secțiune transversală fluid.
Măsurarea capacitivă a nivelului se face cu sistem integrat (1 placă de detecție pe o față a tubului de măsurare și 4 plăci de transmisie pe cealaltă față, introduse în pereții unui tub de poliuretan). Senzorul de nivel e încapsulat în plastic și izolat de lichidul măsurat. Plăcile de transmisie sunt alimentate cu tensiune de frecvență mare.Se măsoară curentul indus în placa receptoare. Placa de transmisie de jos e complet acoperită de lichid și este referință pentru compensarea tensiunii de decalaj datorită variației conductivității lichidului. Nivelul debitului de lichid se determină din capacitatea măsurată:C = k2 . A, unde A = suprafața secțiunii transversale a debitului de fluid. Circuitele electronice de pe tubul de măsurare calculează factorul de umplere al conductei notat cu b, cu valori 0 … 1, în funcție de debit. Debitul prin conducta parțial umplută:DV = k3.vp.b, unde vp = viteza fluidului prin debitmetrul parțial umplut. Calibrarea se face static și dinamic, în două etape: se determină constanta de calibrare cu un tub de măsurare complet umplut. Calibrarea statică = determinarea factorilor de corecție în măsurarea nivelului, pt. diverse nivele de lichid și diverse lichide, comparativ cu un sistem de referință. Calibrarea dinamică folosește un ansamblu special de calibrare. Debitmetrul parțial umplut se calibrează față de un debitmetru electromagnetic de referință la diverse nivele de umplere și diverse viteze de fluid.Avantaje: nu sunt părți în mișcare sau care obstrucționează fluidul,Fluctuațiile semnalului de ieșire în conductele parțial pline se elimină cu circuite cu logică fuzzy și circuite speciale de filtrare.
Debitmetre ultrasonore pentru temperaturi mari
Problema principală: la temperaturi > 260°C, asigurarea funcționării traductoarelor care generează sau detectează undele ultrasonore.A doua problemă: cuplarea undelor ultrasonore la traductorul generator și la cel receptor, cu fluidul (pentru traductoare ude) și cuplarea ultrasunetelor în și din conductă (la traductoare exterioare). Nu trebuie perturbat fluidul sau temperatura sa.
Pentru generarea și detectarea ultrasunetelor se folosesc traductoare piezoelectrice. Materialul folosit este niobatul de litiu care își păstrează proprietățile piezoelectrice până la punctul Curie, de aproximativ 1210°C.Pentru lucrul la temperaturi mari, se folosesc materiale ceramice feroelectrice care își rețin oxigenul lor până la 300… 500°C; Pentru evitarea vibratiilor se folosesc amortizoare.
Electrozi la conducerea cur. Detecteaza vibratiile aleatoare Debite la lichide/solide si lichide/
alternativ in conductivitatea electrica la amestecuri de lichide
particulele solide
Capacitate traductoare Detecteaza vibratiile densitatii Masurarea vitezei solidelor in
sisteme gaz/solid
Pirometru cu radiatie pentru Detecteaza vibratiile aleatoare Masurarea debitului la
detectari in infrarosu ale intensitatii radiatiei temperaturi inalte
Ultrasonic Detecteaza modulatia fasciculului Masurarea debitului la
ultrasonic prin tulburarea curgerii lichide,gaze,sisteme lichid/gaz,
lichid/solid
Optice Detecteaza modulatia fasciculului Deschiderea canalului de fluid
de lumina la suprafetele ondulatiei Curgere prin…
sau turbulentei
2.3.Mijloace mecatronice de masurare a debitelor de tip
Cele mai frecvent utilizate sint rotametrele.Acestea sint folosite pentru masurarea debitelor
lichidelor si gazelor.
Domenii de lucru: de la 0.04 l/h la 150 m3/h pentru apa / de la 0.5 la 3.000 m3/h pentru aer
cu indicator local si optional cu semnal de iesire diverse tipuri de racorduri
Fig.8.Tipuri de Rotametre
Debitmetre electromagnetice . Caracteristicile constructive si metrologice ale acestui mijloc de masurare sunt :folosite pentru masurarea debitelor lichidelor (cu sau fara particule solide) si fluidelor domenii de lucru : de la 6 l/h la 300 000 m3/h diverse tipuri de racorduri sisteme compacte sau separabile
Fig,9,Tipuri de debite electromagnetice
Caracteristicile constructive si metrologice ale acestui mijloc de masurare sunt :
Diametru: DN10~DN2000
Material electrod: 316、Hb、Hc、Ti、Ta、Pt
Material interior: PTEE, PFA, F46, cloropren cauciuc (CR) , poliuretan
Mediu fluid: Lichid conductiv si solid-lichid conductiv
Eroare de masurare: ±0.3%, ±0.5%, ±1%
Conductibilitate mediu: ＞5μs/cm (apa ＞ 20μs/cm)
Debit: 0.5~10m/s (selectabil)
Temperatura fluid: Integrativ -10~+60grC, split -10~+150grC
Presiune PN: 0.6Mpa~4.0Mpa (in conformitate cu diametrul)
Grad de protectie: IP65, IP67, IP68 (split)
Iesire: 4~20mA, frecventa, puls,
Comunicare seriala: RS485, RS232
Fluid aplicabil: Acid, alkalin, apa, alimentare, hartie, pulpe, etc.
Display: Debit, procentaj, debit acumulat, fault, alarme etc.
Alimentare: 220V AC, 24V DC;
În figura 10 este prezentat un contor electromagnetic de apă MAG 8000 al companiei Siemens cu indicatorul său digital, alimentat de la o baterie de câțiva volți, care datorită consumului mic de energie, are o durată de funcționare de 6 ani. Acest contor are 2 ieșiri discrete pentru controlul debitului la distanță. El este destinat pentru utilizare în masă.
a). b). c)
Fig. 10 Variante constructive de debitmetre masice. Contor electromagnetic de apă MAG 8000 al companiei Siemens
Debitmetre masice folosite pentru masurarea debitelor masice domenii de lucru : pana la 430 000 kg/h diverse tipuri de racorduri
Debitmetre de masă MASSFLOW
Compania Siemens produce debitmetre de masă cu diametre până la 1000 mm și productivități până la 10000 kg/h. Funcționarea lor se bazează pe principiul forțelor CORIOLIS. Ele sunt constituite, de asemenea, din 2 părți (componente) : primară (senzorul) și secundară (amplificatorul, convertorul și indicatorul). Ultimul este realizat pe bază de microprocesor (microcontroler) și are același constructiv ca și debitmetrele de volum MAG 5000 sau MAG 6000.
În figura 1 sunt arătate ambele părți ale debitmetrului de masă SITRANS MASSFLOW 2100 cu dimensiuni DI 3 – DI 40. Ele permit o reglare a debitului în diapazonul 500:1 cu o precizie de 0,1% (0,0001 g/cm3). Măsurările nu depind de temperatura, presiunea, densitatea, viscozitatea sau conductivitatea lichidului. Diapazonul de temperaturi maxime al lor este cuprins între valorile -40șC și +115șC. Partea electronică asigură niște măsurări multiple : debitmetrul de masă în kg/s, debitmetrul de volum în l/s, densitatea în kg/m3, concentrația în %, și temperatura în șC. Ele sunt prevăzute pentru o alimentare 24 V DC și 3 variante ale semnalelor de ieșire : în curent 4-20 mA, în impulsuri de frecvență 0-10000 Hz și în forma unui contact de releu.
Figura 11 Debitmetru de masă MASSFLOW al companiei Siemens: a) – senzor MASS 2100; b) – amplificator – indicator MASS 5000
În figura12 este arătat un debitmetru masic OPTIMASS 7000 al companiei finlandeze KROHNE cu productivități 500-400000 kg/h.
Figura13 Debitmetru masic OPTIMASS 7000 al companiei finlandeze KROHNE
În figura 14 sunt reprezentate caracteristicile presiune-debit ale debitmetrului MASS 2100 cu diametru convențional DI 15 și cu productivități 180 – 5600 kg/h, o precizie de măsurare 0,15 %, densități 1,4-2,0 g/cm3 și temperaturi ale lichidului -50-180șC. Aceste caracteristici sunt indicate pentru diferite viscozități ale lichidului.
Fig. 11 Fig.12 Fig.13
Fig. 14 Caracteristicile debit-presiune ale debitmetrului MASS 2100 cu un diametru DI 15
Debitmetre ultrasonice
Folosite pentru masurarea non contact a debitelor lichidelor si fluidelor in care undele
Fig.15 Debitmetru ultrasonic
ultrasonice se pot propaga domenii de lucru : de la 1 l/h la 450 000 m3/h diverse tipuri de racorduri
Debitmetre și contoare ultrasonore SONOFLOW
Principiul de funcționare al acestor debitmetre este simplu, fiind bazat pe măsurarea timpului diferențial dintre impulsurile ultrasonore, orientate după și împotriva fluxului de lichid din conductă. Unda sonoră, care coincide cu sensul fluxului, se deplasează mai repede față de unda în contrasens.Deferența acestui timp este proporțională cu viteza fluxului, iar aceasta, la rândul ei, la o secțiune și lungime constantă, este proporțională cu debitul lichidului, calculat de dispozitivul microelectronic secundar. Microcontrolerul calculează pe baza debitului de volum și a densității,determinate pe baza vitezei sunetului, debitul masic, precum și cantitatea de lichid în intervalul corespunzător de timp, de aceea debitmetrul este integrat cu contorul într-un singur bloc,având un singur panou și indicator.În figura 16.sunt arătate 2 modificații ale senzorului primar SONO 3300 și SONO 3100 cu diametre 50-1200 mm, lungimi 475-1100 mm și productivități 80-42000 m3/h. Dispozitivul secundar SONO 3000 are aceeași construcție și date tehnice standardizate ca și debitmetrele electromagnetice din figura 1.93, a sau 1.97, b. Acest dispozitiv în execuția IP67 poate fi instalat direct pe senzor, permițând o rotire la 90ș sau 180ș, sau pe perete la o distanță până la 15 m. Pentru o fiabilitate înaltă de măsurare însă, debitmetrele ultrasonore SONOFLO sunt prevăzute cu câte 2 perechi de electrozi – A,B.C,D și 2 emițătoare – receptoare de unde, cu toate că funcționarea normală poate fi asigurată de o singură pereche.
Fig. 6 Modificațiile senzorului primar ultrasonor SONO 33000 și SONO 3100
Panoul de comandă și programare al acestor debitmetre prevede 2 variante de acces la parametrii principali : în meniul operatorului (OPERATOR MENU) și în meniul de instalare (SETUP MENU), ultimul fiind divizat în 2 regimuri : de vizualizare (VIEW) și modificare (CHANGE).
Ambele regimuri includ :
regimul de instalare și calibrare a traductorului (CONVERTER SETUP MODE)
regimul de resetare (RESET MODE);
regimul de deservire (SERVICE MODE);
regimul de alegere a limbii panoului (LANGUAGE SETUP);
regimul de instalare a meniurilor operatorului (OPERATOR MENU SETUP);
instalarea codului traductorului (USER CODE SETUP).
Debitmetre portabile (VORTEX).
Caracteristicile constructive si metrologice ale acestui mijloc de masurare sunt :
senzori in gama DN6 – DN 6500
temperaturi ale mediului de lucru intre -40/+400°C
functionare cu baterii reincarcabile
instalare rapida fara intreruperea procesului si fara sectionarea conductei
Fig.17.Debitmetre vortex.
folosite pentru masurarea debitelor volumetrice ale gazelor, vaporilor si lichidelor
diverse tipuri de racorduri
Diametru: DN10~DN500
Material interior: 1Cr18Ni9Ti
Eroare de masurare: ±0.3%, ±0.5%, ±1%
Conductibilitate mediu: ＞5μs/cm (apa ＞ 20μs/cm)
Debit: 0.5~10m/s (selectabil)
Temperatura fluid: Integrativ -10~+250grC
Presiune PN: 0.6Mpa~4.0Mpa (conform cu diametrul)
Grad de protectie: IP65, IP67, IP68 (split)
Iesire: 4~20mA, frecventa, puls,
Comunicare seriala: RS485, RS232
Fluid aplicabil:
Gaze: aer, gaze naturale, gaze chimice, oxigen, nitrogen, aburi saturati, etc
Lichide: apa, hidrocarburi, alcool, alimentare, lichide chimice, etc
Display: Debit, procentaj, debit acumulat, fault, alarme etc.
Alimentare: 220V AC, 12VDC, 24V DC, baterie interna
WP-EMFUB
Fig.18. debitmetru VORTEX
Debitmetre cu vârtejuri VORTEX / SWIRLFLOW
Aceste debitmetre, constituite de asemenea din 2 părți componente, sunt relativ simple și compacte, nu necesită nici o acordare sau calibrare și nu depind de proprietățile gazelor sau lichidelor.
Ele se bazează pe fenomenul cunoscut în fizică sub numele CARMAN – apariția unor oscilații turbulente hidraulice în cazul unui lichid, sau pneumatice (vârtejuri) în cazul unor gaze , la introducerea în calea lor a unor obstacole de o anumită formă . În cazul unui obstacol în formă de „T" vârtejurile au o axă verticală (fig. 1.103, a), iar în cazul unui obstacol în formă de spirală – ele au o axă orizontală (fig. 1.103, b). Aceste vârtejuri apar de ambele părți ale obstacolului, alternând unul după altul. Frecvența lor este direct proporțională cu viteza de curgere a fluxului v și invers proporțională cu lățimea obstacolului.
De aceeași frecvență este și presiunea diferențiala produsă înaintea obstacolului și după el, detectată de un senzor din cuarț (piezometric), montat în spatele obstacolului. Frecvența acestui senzor este prelucrată apoi de blocul electronic secundar
Fig. 19.Debitmetre cu virtejuri VORTEX
Principii și modificații ale debitmetrelor cu vârtejuri VORTEX FV4000- VT4 (a) și SWIRL FS4000-ST4 (b
În figura 19 sunt indicate modificațiile reale ale acestor debitmetre, produse de compania ABB, care pot avea o instalare a dispozitivului secundar fie direct pe conductă, fie pe perete o distanță până la 10 m.
Dezavantajul principal al acestor debitmetre constă în limitarea valorilor minime Qmin și maxime Qmax ale debitului pentru fiecare diametru al conductei. Aceste valori trebuie calculate după anumite relații, care sunt indicate în instrucțiunile de exploatare. În figura 1.105 sunt reprezentate caracteristicile presiune diferențială-debit pentru debitmetrele de aer cu o densitate 1.2 kg/m3.
Fig. 20 Modificațiile reale ale debitmetrelor cu vârtejuri ale companiei ABB
Caracteristicile presiune diferențială-debit ale debitmetrelor pentru aer
Indicatoare de curgere
folosite pentru monitorizarea curgerii lichidelor si gazelor
instrumente cu un design simplu si domeniu larg
cu sau fara indicator local
intrerupatoare de limita, semnal de iesire 4/20 mA
disponibile si in versiuni Ex
Fig. 21.Indicatoare de nivel
Debitmetre cu turbine rotative
Senzorul acestor debitmetre reprezintă o turbină cu palete (figura 22, a), frecvența de rotație a căreea, proporțională cu debitul lichidului din conductă, este transformată de un tranzistor p-n-p sau n-p-n într-un șir de impulsuri, frecvență căruia este măsurată și indicată de un indicator digital (figura 22, b).
Fig. 22. Debitmetre cu turbină rotativă TUP ale companiei KOBOLD
În figura 7.c sunt prezentate 2 variante ale debitmetrelor companiei KOBOLD de tipul TUP, din material plastic (PVC), cu turbină rotativă, cu diametre 20-100 mm, debite 0,2-100 m3/h, precizie de măsurare ±1 %, iar în figura urmatoare – construcția elementelor componente interioare ale lor.
Fig. 22. Construcția elementelor componente interioare
Debitmetru diferential.
Caracteristicile constructive si metrologice ale acestui mijloc de masurare sunt :
Diametru: DN15~DN600
Material electrod: 316、Hb、Hc、Ti、Ta、Pt
Material interior: PTFE, PP, otel, inox 304, inox 316L
Mediu fluid: Eroare de masurare: ±0.3%, ±0.5%, ±1%
Optional: Compensare temperatura, presiune
Debit: 0.5~10m/s (selectabil)
Temperatura fluid: -100grC~+500grC
Presiune PN: 1Mpa~40.0Mpa (in conformitate cu diametrul)
Grad de protectie: IP65, IP67, IP68 (split)
Iesire: 4~20mA, frecventa, puls,
Comunicare seriala: RS485, RS232
Fluid aplicabil:
Gaze: gaze arse, gaze naturale, gaze cu umiditate<5%, oxigen, hidrogen, aburi saturati, gaze umede,Lichide: apa, hidrocarburi, alcool, ape uzate, acid, alkalin, alimentare, hartie, pulpe, etc.
Display: Debit, procentaj, debit acumulat, fault, alarme etc.
Alimentare: 220V AC, 24V DC
Fig.23. Debitmetru diferential v-con ( tip : wp-nt/pt/gt )
CAP.3. CONCEPTELE REGLĂRII AUTOMATE
3.1.Structura generală a unui sistem de conducere
În orice sistem de conducere automată se deosebesc următoarele patru elemente interconectate ca în figura 24. :
Fig. 24. Structura generală a unui sistem de conducere
Obiectul condus;
Dispozitivul de conducere;
Elemente de execuție;
Sistemul informatic de culegere și transmitere a informațiilor privind obiectul condus;
Dispozitivul de conducere elaborează decizii care se aplică obiectului condus, prin intermediul elementelor de execuție pe baza mărimilor măsurate. Deciziile de conducere au ca scop respectarea unor criterii de calitate, a satisfacerii unor restricții când asupra obiectului acționează o serie de factori perturbanți.
Structura de mai sus este o structură de conducere în circuit închis, deoarece la elaborarea deciziilor se ține cont de mărimile măsurate. Dacă ar lipsi legătura de reacție sistemul ar fi în circuit deschis.
Un sistem de conducere în structura de mai sus se poate numi sistem de conducere automată deoarece este capabil să elaboreze decizii de conducere folosind mijloace proprii de informare.
Un caz particular de sisteme de conducere automată îl constituie sistemele de reglare automată.
Prin sistem de reglare automată se înțelege un sistem de conducere automată la care scopul conducerii este exprimat prin anularea diferenței dintre mărimea condusă și mărimea impusă, diferență care se mai numește abatere sau eroarea sistemului.
Procesul de anulare a erorii într-un sistem de reglare automată se efectuează folosind două principii:
Principiul acțiunii prin discordanță – în acest caz, acțiunea de reglare apare numai după ce abaterea sistemului s-a modificat datorită variației mărimii impuse sau a variației mărimii de ieșire provocată de variația unei perturbații.
Principiul compensației – una sau mai multe mărimi perturbatoare sunt măsurate și se aplică la elementele de execuție, comenzi care trebuie să compenseze pe această cale efectul acestor perturbații asupra mărimii de ieșire transmis pe cale naturală. Are avantajul că poate realiza, în cazul ideal, compensarea perfectă a anumitor perturbații fără ca mărimea de ieșire să se abată de la programul impus. Are dezavantajul compensării numai a anumitor perturbații, nu a oricăror perturbații .
Un sistem de reglare care îmbină cele două principii se numește sistem de reglare combinată.
3.2. Legi tipizate de reglare
Prezentare generală. În practica industrială a reglării automate s-au impus așa numitele legi de reglare de tip PID ( proportional – integrator – derivator ) care satisfac în majoritatea situațiilor cerințele tehnice impuse sistemelor de reglare convențională.
Se pot utiliza diverse combinații ale celor trei componente: proportional, integrator sau derivator.
Prin utilizarea acestor legi tipizate în cadrul unor regulatoare tipizate, proiectarea dimensional valorică a legii de reglare se reducere la alegerea tipului de lege și poziționarea unor butoane prin care se prescriu valorile parametrilor acestor legi rezultate în urma proiectării analitice a sistemului.
Nu se poate stabili precis efectul fiecărei componente a unei legi de reglare asupra calității unui sistem de reglare automată deoarece acestea depinde de instalație.
Componenta proporțională, cu factorul de proporționalitate K, determină o comandă proporțională cu eroarea sistemului.
Componenta integrală, exprimată prin constanta de timp de integrare T, determină o comandă proporțională cu integrala erorii sistemului . Un regim staționar este posibil numai dacă această eroare este nulă.
Componenta derivativă, exprimată prin constanta de timp de derivare , determină o comandă proporțională cu derivata erorii sistemului.
Element Proporțional Integrator Derivator ideal ( PID ideal ). Funcția de transfer a unui element PID ideal are forma:
– factorul de proporționalitate
– constanta de timp de integrare
– constanta de timp de derivare
Element Proporțional Integrator Derivator real. După modul de realizare fizică se deosebesc mai multe structuri.
Conexiune paralel dintre un element I si un element PD real.
Funcția de transfer are forma:
Conexiune paralel dintre un element PI și un element D real.
Funcția de transfer realizată este:
Conexiune serie dintre un element PID real și un filtru trece-jos
3,3.Discretizarea funcției de transfer a unui element PID
În urma masivei dezvoltări a sistemelor numerice a venit și necesitatea de realizare a regulatoarelor sub formă numerică. Avantajele folosirii sistemelor numerice pentru implementarea regulatoarelor sunt:
Posibilitatea de realizare software a regulatoarelor;
Ușurința de modificare a regulatoarelor;
Flexibilitate;
Posibilitatea de păstrare a evoluției în memorie;
Pentru a putea implementa un regulator numeric pentru a controla un proces continuu semnalele primite de la traductoare trebuie să fie eșantionate ( discretizate ).Aceasta înseamnă că semnalul nu mai este continuu, ci este construit dintr-o multitudine de puncte măsurate la anumite intervale de timp bine determinate. Perioada dintre două masurători se numește perioadă de eșantionare . În urma acestor modificări apare necesitatea de a calcula o formă discretă a funcției de transfer pentru regulatoarele numerice.
Funcția de transfer discretizată are forma:
CAP.4. PREZENTAREA INSTALAȚIEI LABVOLT 3522-05
4.1. Noțiuni teoretice
Scopul primar al controlului este menținerea unei variabile fizice, numită variabilă controlată, la o valoare specifică cerută sau într-o gamă cerută. Această variabilă ar putea fi, de exemplu, temperatura, debitul, etc. Pentru a controla procesul, pot fi utilizate controlul sistemului în buclă deschisă sau controlul sistemului în buclă închisă.
Fig.25. Instalației labvolt 3522-05
Instalația are două părți, una pentru controlul temperaturii și cealaltă pentru controlul debitului de aer. Cele două componente pot fi folosite simultan pentru diferite configurații.
Fig. 26. Reglarea temperaturii
Partea de reglare a temperaturii este alcătuită dintr-o rezistență electrică și un traductor de temperatură. Rezistență electrică poate fi comandată prin tensiune între 0-5V sau curent 4-20mA. Traductorul de temperatură transmite o tensiune între 0-5V sau curent 4-20mA.
Pe lângă traductor și elementul de execuție se mai găsesc și două potențiometre pentru calibrarea senzorului de temperatură.
Partea de reglare a temperaturii este prezentată în figura 26
Pentru reglarea debitului de aer instlația folosește un traductor de debit ce măsoară debitul de aer trecut printr-un tub venturi. Ca element de execuție se folosește un ventilator.
La fel ca la partea de reglare a temperaturii sunt folosite semnale unificate de tensiune 0-5V și curent 4-20mA. Partea de reglare a debitului arată ca în figura 27.
Fig. 27. Reglarea debitului de aer
Pentru a se face reglarea corect, masa instalației trebuie conectată la masa regulatorului.
4.2. Componentele instalației de reglare a debitului
Instalația de control a proceselor de temperatură sau debit LabVolt permite controlul temperaturii și debitului. Mai mult, temperatura procesului poate fi controlată fie în modul “încălzire” fie în modul “răcire”.
În esență instalația constă dintr-un tub ce permite trecerea aerului, un ventilator utilizat pentru circularea aerului, un amortizor utilizat pentru modificarea de sarcini sau generarea perturbațiilor, un element de încălzire și traductoare de temperatură și debit.
Figura 28 arată interiorul instalației. Identificarea și descrierea fiecărei componente a instalației este prezentată mai jos.
Canalul de intrare: deschidere cu grilaj prin care aerul intră în tub.
Încalzitorul: constă dintr-un element de încălzire care convertește energia electrică în caldură și un radiator pentru disiparea căldurii.
Tub Venturi: secțiune îngustată a tubului de-a lungul căreia este creată o presiune diferențială când este parcursă de aer. Cu cât debitul de aer care trece prin tub este mai mare, cu atât presiunea diferențială este mai mare.
Amortizorul: un orificiu în tub care este utilizat pentru crearea de perturbații prin modificarea debitului de aer care curge prin tub.
Ventilatorul: este utilizat pentru a crea un debit de aer prin tub. Când ventilatorul se rotește, el trage aerul în tub prin orificiul de intrare și îl trimite către ieșire.
Fig. 28. Instalația de control a proceselor de temperatură și debit
Ieșirea tubului: deschidere cu grilaj prin care aerul părăsește tubul.
Motorul ventilatorului: convertește tensiunea sau curentul de la intrarea de control a ventilatorului într-o putere proporțională utilizată pentru antrenarea ventilatorului.
Traductorul de debit: măsoară presiunea diferențială de-a lungul tubului și produce o tensiune standardizată (0-5 V) sau un curent ( 4-20 mA) proporționale cu presiunea ce pot fi transmise la regulator.
Traductorul de temperatură: produce o tensiune ( 0-5 V) și un curent (4-20 mA) proporționale cu temperatura radiatorului. În acest scop, traductorul măsoară o tensiune generată de un senzor semiconductor și o convertește într-una utilă, tensiune sau curent standardizate care pot fi transmise la regulator.
Motorul încălzitorului: convertește tensiunea sau curentul de la intrarea de control a încălzitorului într-o putere proporțională utilizată pentru antrenarea încălzitorului.
Așa cum se observă în figura 28, ventilatorul face ca aerul să circule prin crearea unei presiuni foarte mici la ieșirea din tub. Acest lucru face ca presiunea atmosferică de la intrarea tubului, să forțeze circulația aerului prin tub. Cu cât viteza ventilatorului este mai mare, cu atât diferența de presiune este mai mare și deci cu atât debitul de aer ce va circula prin tub va fi mai mare.
Conform legii conservării masei, masa de aer ce intră în tub în orice moment de timp este egală cu masa aerului care părăsește tubul. Acest lucru implică faptul că debitul de aer este constant.
Pentru a menține un debit constant, viteza aerului trebuie să crească atunci când aerul trece prin tubul Venturi, datorită scăderii secțiunii transversale a canalului. Acest lucru înseamnă că viteza aerului la intrarea tubului Venturi, v1, este mai mică decât viteza aerului din interiorul acesteia.
Conform ecuației lui Bernoulli, dacă viteza aerului crește, atunci presiunea aerului este în descreștere. Acest lucru înseamnă că presiunea aerului pe partea de intrare a tubului Venturi, este mai mare decât presiunea aerului din tubul Venturi. Cu cât viteza aerului prin tubul Venturi este mai mare, cu atât presiunea diferențială va fi mai mare de-a lungul tubului Venturi.
Când nu se alimentează elementul de încălzire, radiatorul se află la temperatura camerei indiferent de viteza ventilatorului. Când ventilatorul funcționează, temperatura radiatorului va scadea odată cu creșterea vitezei ventilatorului. Această descreștere are loc deoarece creșterea vitezei ventilatorului face să crească rata schimbului de caldură dintre radiator și aer.
4.3. Calibrarea traductorului de debit
Procedura de calibrare a traductorului pentru debitul de aer este similară cu calibrarea senzorului de temperatură. Deosebirea este că în acest caz, nu este nevoie să așteptăm pentru a obține valoarea maximă a debitului de aer deoarece la comandă maximă pentru ventilator, în foarte scurt timp debitul prin tubul venturi va fi maxim. Tot ce avem de făcut este să punem potențiometrele zero și span în pozițiile corespunzătoare pentru a avea la ieșire tensiune 0 pentru cea mai mică turație a ventilatorului, și 5V pentru cea mai mare turație.
Potențiometrele pentru calibrarea traductorului pentru debit se pot vedea în figura 29.
Fig. 29. Potențiometre pentru calibrarea traductorului de debit
4.4.Conducerea procesului de reglare a debitului
În cazul unui sistem de reglare în buclă deschisă, variabila controlată nu rămâne la valoarea dorită în cazul apariției unei perturbații, deoarece sistemul controlează puterea aplicată elementului de execuție și nu temperatura sau debitul.
Adăugarea unui regulator și a unei bucle cu reacție inversă reduce variațiile variabilei controlate. Acest tip de sistem, prezentat în Fig. 2.6, este numit sistem de conducere în buclă închisă. Acesta poate menține variabila controlată aproape constantă peste o gamă dată de sarcini
sau perturbații:
bucla cu reacție inversă conține un senzor ce masoară valoarea variabilei controlate și generează un semnal proporțional care este trimis înapoi la regulator;
regulatorul calculează eroarea ce reprezintă diferența dintre valoarea de referință și variabila măsurată și corectează această diferență prin reajustarea elementului de control până este atinsă o stare de echilibru. Eroarea este diferită de zero când operatorul schimbă valoarea de referință în mod intenționat sau când schimbările de perturbații sau sarcina modifică variabila controlată;
Fig. 30. Conducerea in bucla inchisa a proceselor de debit ale instalatiei.
Figura 30 prezintă conducerea în buclă închisă a sistemului de reglare a debitului de aer ce trece prin incinta instalației:
bucla cu reacție inversă constă dintr-un traductor de presiune care măsoară debitul de aer ce trece prin instalație și generează o tensiune proporțională cu acesta. Această tensiune, numită tensiune de reacție, este transmisă la regulator;
regulatorul compară tensiunea de reacție, tensiunea referinței și corectează orice diferență dintre cele două prin modificarea puterii aplicate la ventilator până ce este atinsă o stare de echilibru. Dezavantajul principal al utilizării sistemelor de conducere cu reacție inversă este faptul că trebuie să aibă loc o schimbare în variabilă controlată înainte ca orice acțiune corectivă să poată fi luată. În schimb, sistemele de conducere a proceselor utilizând reacția inversă au avantajul că sunt relativ simplu de utilizat.
CAP.5. PREZENTAREA PLĂCII DE DEZVOLTARE dsPIC PRO4
5.1. Prezentare generală
Placa de dezvoltare dsPIC PRO4 este produsă de MikroElectronika și reprezintă o soluție bună pentru implementarea regulatoarelor deoarece este construit cu port-uri pentru intrări și ieșiri analogice.
Este ușor de programat prin cablu USB de la calculator, și poate fi alimentat separat de la o sursa a cărei tensiune poate varia între 9 și 32V.
Este echipată cu microcontroller dsPIC30F6014. Folosirea microcontroller-elor în procese de reglare automată este o metodă din ce în ce mai folosită în ziua de azi.
Principalele caracteristici ale dsPIC PRO4
În continuare sunt prezentate unele dintre facilitațile oferite de placa de dezvoltare dsPIC PRO4. Ele se pot vedea pe figura 3.1.
Alimentare externă 9-32V , curent continuu sau alternativ;
Conector USB 2.0 prin intermediul căruia poate fi programat și alimentat;
Conector serial RS232-A;
Conector serial RS232-B;
Referința voltajului 4.096V;
Conector Ethernet;
Afișaj alfanumeric LCD 2×16;
Potențiometru pentru stabilirea contrastului afișajului LCD;
Convertoare analog-digitale și potențiometre pentru testarea acestora, sau pentru simularea unor semnale;
Conector pentru senzor de temperatură tip DS1820;
Stabilirea rezistenței pentru fiecare port în parte;
Ceas de timp real;
Convertor numeric-analogic;
Conector serial RS485;
Conector CAN;
LED-uri corespunzând fiecărui pin al microcontroller-ului;
Întrerupătoare pentru activare/dezactivare LED-uri;
Suport pentru microcontroller-e cu 64 sau 80 pini;
Întrerupătoare pentru activarea/dezactivarea componentelor plăcii;
Connectori pentru accesul direct la pinii microcontroller-ului;
Cititor card-uri de memorie tip MMC și SD;
Buton pentru resetarea circuitului;
Butoane corespunzând fiecarui pin al microcontroller-ului;
Conector pentru Touch Panel;
Conector pentru afișaj LCD grafic;
Potențiometru pentru stabilirea contrastului afișajului LCD grafic;
Controller pentru Touch Panel;
Jumperi pentru stabilirea rezistențelor port-urilor;
Fig. 31. Placa de dezvoltare dsPIC PRO4.
Comutatoare
Placa dsPIC PRO4 este prevăzută cu o serie de comutatoare ce pot activa sau dezactiva anumite facilități ale plăcii. Ele se împart în 5 grupuri de comutatoare, ele găsindu-se pe placă cu denumirea SW, numerotate de la 1 la 5.
SW1 – activează/dezactivează LED-urile;
SW2 – activează/dezactivează afișajele, CAN-ul și interfața serială;
SW3 – activează/dezactivează conectorul Touch Panel și interfața ethernet;
SW4 – activează/dezactivează slotul pentru card și convertorul digital-analogic;
SW5 – activează/dezactivează rezistorii pentru portul B;
Fig. 32. Comutatorul SW5
Microcontroller-ul
Placa de dezvoltare dsPIC PRO 4 folosește microcontroller-ul dsPIC30F6014A
( Fig. 3.3 ), însă acesta se poate schimba cu oricare alt microcontroller cu 64 sau 80 de pini.
Schimbarea microcontroller-ului de pe placă se face ușor, având grijă ca pinii să nu fie îndoiți sau rupți.
Pinii microcontroller-ului sunt conectați la diferite periferice ale plăcii (interfață serială, ethernet, convertoare, etc).
Toți pinii sunt conectați la LED-uri, asta făcând foarte ușoară monitorizarea stării acestora în timpul aplicațiilor.
Fig. 3.3 Microcontroller dsPIC30F6014A Fig.3.4 Jumper-ul pentru selectarea alimentării
Alimentarea
Placa dsPIC PRO4 poate fi alimentată direct de la o sursă cu tensiunea între 9 și 32 V, curent continuu sau alternativ, dar și prin port-ul USB conectat la calculator.
Pentru selectarea alimentării jumper-ul J10 trebuie să fie in poziția corectă, dreapta pentru USB și stânga pentru sursă externă, după cum se vede în fig 3.4.
Conector USB
Programarea dsPIC se face direct de la calculator prin intermediul interfeței USB, fară să fie nevoie de circuite suplimentare pentru programare. Programarea concretă a microcontroller-ului se va descrie în capitolele următoare.
Deasemenea, placa dsPIC PRO 4 conține un depanator integrat ( Fig. 3.5 ), acesta comunicând cu calculatorul pentru ajutorul depanării programelor scrise pentru acesta.
Fig. 3.5 Conector USB și depanator integrad Fig. 3.6 Infertața serială
mkroICD ( In Circuit Debugger )
Interfața serială RS-232
Comunicațiile pe interfața serială sunt folosite de obicei în aplicațiile de achiziție de date facilitând transferul de date dintre microcontroller și calculator.
Placa dsPIC PRO4 este prevăzută cu 2 conectoare seriale, acestea putând fi activate prin intermediul jumperilor J12-J15.
Interfața Ethernet
Ethernet este cea mai utilizată tehnologie pentru rețele locale. Stațiile ethernet comunică trimițând pachete de date între ele. Fiecare stație are atribuită o adresa MAC unică, de 48 de biți, care este folosită pentru a specifica sursa și destinația unui pachet.
Placa dsPIC PRO4 este prevăzută cu o interfață ethernet și cu o memorie tampon de 8 kilo octeți.
Fig. 3.7 Interfața Ethernet Fig. 3.8 Convertor digital-analogic
Convertorul digital-analogic.
Convertorul digital-analogic operează pe 12 biți, transformând valoarea digitală în curent analogic la ieșire. Tipul convertorului este MCP4921.
Ceas de timp real
Ceasul de timp real PCF8583P este folosit pentru a îmbunătăți performanțele microcontroller-
ului în aplicații în timp real. Acesta are o frecvență de 10MHz și trimite microcontroller-ului
întreruperi când acesta este activat din program.
În aplicațiile de reglare automată, ceasul de timp real este folosit pentru alegerea perioadei de eșantionare pentru discretizarea semnalului analogic. În funcție de perioada de eșantionare, ceasul de timp real poate fi programat printr-un registru pentru a da întreruperi începând de la secunde, până la o secundă.
Pentru a activa ceasul de timp real, comutatorul 8 al grupului de comutatoare SW2 și comutatoarele 7 si 8 ale grupului de comutatoare SW 4 sa fie în starea ON.
Fig. 3.9 Ceas de timp real Fig. 3.10 Dispunerea LED-urilor
LED-uri
LED-urile ( Light emitting diode ) , diode emițătoare de lumină, sunt componente folosite în principal pentru a vizualiza starea pinilor microcontroller-ului.
LED-urile sunt în număr de 67 și pot fi activate/dezactivate prin intermediul grupului de comutatoare SW1. Fiecare comutator din acest grup îi corespunde un grup de LED-uri corespunzătoare port-urilor microcontroller-ului.
Pinii microcontroller-ului se împart în 9 grupuri de pini numite port-uri. Aceste porturi sunt denumite astfel: PORTA, PORTB low, PORTB high, PORTC, PORTD low, PORTD high, PORTF, PORTG low, PORTG high.
Butoane
Placa de dezvoltare dsPIC PRO4 conține deasemenea 67 butoane de apasare corespunzătoare fiecarui pin al microcontroller-ului și implicit, fiecărui LED de pe placă. La apăsarea unuia dintre butoane, prin pin-ul corespunzător al microcontroller-ului trece o tensiune echivalentă cu starea “1” logic, adica 5V și implicit, LED-ul corespunzător se aprinde.
Fig. 3.11 Butoane Fig. 3.12 Afișaj LCD alphanumeric Fig. 3.13Potențiometru pentru selec-
tarea contrastului afișajului LCD
După cum se observă în figurile 3.11 și 3.10 repartiția butoanelor pe placă este similară cu cea a LED-urilor.
Afișajul LCD
Afișajul LCD 2×16 ( 2 rânduri și 16 coloane ) poate afișa caractere standard și este cea mai răspândită componentă pentru vizualizare a datelor. Poate afișa mesaje pe 2 linii, caractere alfanumerice. Fiecare caracter este construit din 5×8 pixeli. Afișajul comunică cu microcontroller-ul printr-o magistrală de date pe 4 biți.
Contrastul afișajului alfanumeric LCD poate fi modificat prin intermediul unui potențiometru ca în Fig. 3.13.
.Afișaj LCD graphic
Afișajul LCD grafic reprezintă o metodă avansată pentru afișarea mesajelor vizuale. În timp ce display-ul LCD poate afișa doar caractere alfanumerice, afișajul grafic poate afișa mesaje sub formă de poze sau desene.
Rezoluția este de 128×64 pixeli, iar contrastul poate fi modificat prin intermediul unui potențiometru similar cu cel din Fig. 3.13.
Fig. 3.14 Afișaj LCD grafic
Touch Panel
Touch panel-ul este o folie subțire, transparentă care poate fi pusă peste display-ul grafic. El este format din două folii separate formând o structură de tip “sandwich” .
Este foarte sensibil la atingere, până și cea mai ușoara apăsare va modifica voltajul de ieșire.
Convertoare analog-numerice
Placa de dezvoltare dsPIC PRO 4 este prevăzută cu 8 porturi ce pot realiza conversia analog numerică. Acești pini corespund portului PORTB high al microcontroller-ului. Tensiunea de intrare poate fi între 0 și 5V, valoare transformată într-un număr pe 12 biți, adică între 0 și 4096.
Pe lângă convertoarele analog-numerice, placa este prevăzută și cu două potențiometre ce pot produce un semnal între 0 și 5V pentru testarea programelor ce folosesc convertorul analog-numeric. Deasemenea aceste potențiometre pot avea diferite aplicații, spre exemplu pentru a specifica referința unui regulator implementat pe aceasta placă.
Fig. 3.15 Convertoare analog-numerice și testere
Convertoarele analog numerice sunt foarte importante la folosirea microcontroller-ului ca regulator sau pentru conducerea proceselor, deoarece nu mai este nevoie de folosirea de circuite suplimentare pentru măsurarea mărimilor procesului ce trebuie controlat.
Pini pentru acces direct la microcontroller
Pinii port-urilor microcontroller-ului pot fi accesate direct prin intermediul pinilor pentru acces direct aflate în extremitatea dreaptă a plăcii de dezvoltare dsPIC PRO 4. Acestea au aceleași denumiri ca pinii microcontroller-ului, LED-urile și butoanele de pe placă. Aplicarea unei tensiuni de 5V la unul dintre acești pini va face ca LED-ul corespunzător pin-ului să se aprindă. Analog, apăsarea unui buton va face ca pe pinul corespunzător acelui buton sa poată fi măsurată o tensiune de 5V.
Acești pini sunt direct conectați la microcontroller și pot fi accesați și modificați direct în urma programării microcontroller-ului.
Fiecare pin este numerotat corespunzător, după cum se poate vedea în Fig. 3.16.
Pinii corespunzători fiecărui PORT sunt grupați, și împreună cu aceștia, pentru fiecare port sunt atașați pini pentru referința de tensiune Vcc , la o tensiune de 5V, și masă ( GND ).
Fig. 3.16 Port-uri pentru accesul direct la pinii microcontroller-ului
Programarea Microcontroller-ului dsPIC30F6014A
3.2.1 Instalarea programelor și a driverelor pentru dsPIC
Pentru programarea microcontroller-ului dsPIC30F6014A este nevoie de drivere pentru USB, dsPIC flash pentru transmiterea programului către microcontroller, și compilator pentru transformarea programelor scrise într-un limbaj de nivel înalt în limbaj cod-mașină pentru microcontroller. Limbajul de nivel înalt folosit poate fi C, Pascal sau Basic. În această lucrare ne vom concentra pe compilatorul pentru limbajul C.
Pași necesari pregatirii unui calculator pentru a scrie cod pentru microcontroller:
Se introduce CD-ul în unitate și se instalează dsPIC flash programmer, programul necesar pentru scrierea codului în memoria microcontroller-ului.
Se instalează driverul pentru USB care se găsește în directorul “drivers” pe CD, în funcție de sistemul de operare folosit.
Se conectează placa de dezvoltare la calculator prin cablu USB, și apoi se pornește. Pe calculator va apărea o fereastră care va Întreba de drivere. Se alege ca driverele să se instaleze automat.
3.2.2 Folosirea dsPIC Flash
Programul dsPIC Flash se folosește pentru transmiterea programelor pre-compilate către microcontroller. Pentru a realiza acest lucru, dupĂ deschiderea dsPIC Flash, din colțul din dreapta sus se alege tipul microcontroller-ului, în acest caz PIC30F6014A, așa cum apare în Fig 3.17.
După aceasta programul care vrem să fie scris trebuie încărcat, aceasta se realizează apăsând butonul “Load HEX”. O altă fereastră va apărea și va trebui sa alegeți programul pe care doriți să îl încărcați. El trebuie să fie în format hex. Pe CD-ul microcontroll-erului veți găsi exemple de programe pentru dsPIC. Cel mai concludent exemplu pentru verificarea dacă totul s-a instalat și funcționează cum trebuie este “led_blinking”. Se deschide și apoi se scrie pe microcontroller cu butonul “WRITE”.
Dacă totul a fost instalat cum trebuie, LED-urile de pe microcontroller ar trebui să se aprindă și să se stingă, în caz contrar, se reia pașii de la 3.2.1 .
Fig. 3.17 Fereastra dsPIC Flash
Scrierea și compilarea unui program folosind mikroC dsPIC
Programul mikroC dsPIC este un mediu de programare în limbaj C, cu compilator pentru micrcontrollere dsPIC. El se instalează de pe CD-ul primit împreună cu placa de dezvoltare dsPIC.
După instalare, se copiază într-un director considerat spațiu de lucru exemplele corespunzătoare microcontroller-ului dsPIC30F6014A. Pentru testare se deschide “Open Project” din meniul “Project” și se alege deschide “led?blinking.dpc”. Din meniul “Project” se alege “Build”. În acest moment programul este compilat și transformat în cod HEX. Acum el se poate încărca în memoria microcontroller-ului cu ajutorul dsPIC Flash.
Din meniul “Tools” se alege “mE Programmer”. Această unealtă deschide dsPIC Flash și încarcă programul tocmai construit în memoria microcontroller-ului automat.
Codul C folosit pentru scrierea programelor pentru microcontroller nu diferă cu nimic de codul C scris în alte medii de programare.
Pentru utilizarea funcțiilor microcontroller-ului, spre exemplu setarea biților, sau pornirea ceasului de timp real, trebuie schimbat prin programare valoarea unor registrii, care în codul C vor avea forma unor variabile, însă ele nu trebuie declarate.
Pentru folosirea funcțiilor plăcii de dezvoltare trebuie apelate funcții din librăria mikroC dsPIC.
Prezentarea registrilor ce trebuie modificați pentru diferitele funcții ale microcontroller-ului sau a plăcii de dezvoltare se găsește în capitolele ce urmează.
Concepte generale ale limbajului C
Limbajul C este un limbaj structurat pe funcții. O funcție poate fi considerată un subprogram, ea este declarată atribuindu-se un nume, iar apoi este apelată cu ajutorul numelui și cu parametrii specificați. La apelul funcției se execută instrucțiunile din interiorul acesteia.
Orice program scris în C trebuie să aibă o funcție “main”, funcție la care se face referire și prin “programul principal”. În momentul rulării programului scris, instrucțiunile din această funcție vor începe automat să se execute, la terminarea lor care implică și ieșirea din funcția main, programul se termină.
Exemplu de program doar cu funcția main și fără nici o instrucțiune:
Acesta poate fi considerat un program, însă el nu face nimic.
Din interiorul acestui program pot fi apelate alte funcții, apriori definite, spre exemplu:
După cum se observă, caracterele { și } sunt folosite pentru începerea unui bloc de instrucțiuni și pentru închiderea blocului.
Instrucțiunile pot fi atribuiri, operații matematice (adunare, scădere, înmulțire, împărțire, ridicare la putere, etc). O instrucțiune trebuie să aibă cel puțin un operator. Acești operatori sunt variabile sau constante. Orice variabilă trebuie să aibă un tip de date. Tipurile de date din C sunt prezentate în tabelul 3.1.
Tabelul 3.1 Tipuri de date în C
Declararea variabilelor se face punând înaintea numelui ales tipul de date. La declararea variabilelor se poate specifica și valoarea inițială a acestora.
Cu aceste variabile se pot face aproape orice fel de operații. Pentru a face o operație cu 2 sau mai mulți operatori, tipul acestora nu trebuie să fie același, dar valoarea ce va fi introdusă în variabila care păstrează rezultatul va fi convertită la tipul de date al acestei variabile.
Mai multe valori de același tip de date pot fi reunite într-un vector, care poate fi considerat ca o mulțime de numere de acelasi tip. Exemplu de declarare și inițializare a unor vectori.
Exemplu de declarare a unui șir de caractere:
Pe lângă variabile și funcții, o altă componentă foarte importantă a limbajului C sunt structurile decizionale și cele repetitive.
Structura decizională if
Se evaluează logic valoarea expresiei de după if. Dacă rezultatul evaluării logice este adevărat se va executa instructțiunea din primul bloc de instrucțiuni, în caz contrar se va executa cealălaltă. Niciodată nu se vor executa ambele în același timp.
Structura repetitivă “for”. Sintaxa este puțin mai complexă decât la if. Structura for conține o inițializare de variabilă, o condiție de continuare, și o incrementare.
Acest bloc de cod va avea ca rezultat calculul lui 20 factorial, care va fi pus în variabila n. Acest bloc se va repeta de 19 ori.
Operația ++ este o operație de incrementare, și are ca efect incrementarea lui i cu 1.
Structura repetitivă “while” este similară cu for doar că în sintaxa ei are doar condiția de ieșire din buclă.
Acest bloc de cod are același efect cu cel de mai sus, cu singura diferență că a fost folosită structura repetitivă while în loc de for.
Structura “do” . Este similară cu for și cu while cu singura deosebire că și atunci când condiția de continuare nu este satisfăcută de la început, instrucțiunile din blocul de instrucțiuni al structurii repetitive do vor fi executate cel puțin o dată.
Cuvinte cheie importante ale mikroC dsPIC
Cuvintele cheie sunt concepte în limbajele de programare care au semnificații aparte. Variabilele declarate de către utilizator nu pot avea numele cuvintelor cheie.
Cuvinte cheie în limbajul C sunt de obicei numele structurilor repetitive, decizionale, sau a altor elemente importante ale limbajului.
3.2.5.1 Cuvântul cheie ASM
Cuvândul cheie ASM specifică începutul unui bloc de instrucțiuni scris în limbaj de asamblare. Este folosit atunci când o porțiune din cod necesită o viteză mai mare, iar scrierea direct în limbaj de asamblare ar putea oferi asta.
3.2.5.2 Cuvântul cheie ABSOLUTE
Cuvântul cheie ABSOLUTE este folosit atunci când este necesar ca o variabilă să fie scrisă la o adresă de memorie specifică, cunoscută încă din timpul programării. Folosirea acestui cuvânt cheie este justificată doar în cazuri speciale.
3.2.5.3 Cuvântul cheie ORG
Cuvântul cheie ORG este folosit atunci când o funcție trebuie scrisă la o adresă specifică în memorie. Este folosit atunci când se scriu funcții pentru tratarea întreruperilor. Aceste rutine de tratare a întreruperilor trebuie să se afle în memorie la locuri specifice pentru a fi apelate atunci când apare întreruperea.
Variabile și constante globale
La compilare, compilatorul mikroC dsPIC declara anumite variabile globale ce pot fi folosite în program. Prin aceste variabile globale se pot activa/dezactiva unele facilități ale microcontroller-ului sau ale plăcii de dezvoltare.
De exemplu fiecare port al microcontroller-ului are asignat o variabilă globală prin care îi pot fi setați pinii.
Instrucțiunea de mai sus face ca toți pinii port-ului B să fie setați la valoarea 0 logic.
Această instrucțiune face ca toți pinii portului B să aibă valoarea 1 logic. După cum se observă, valoarea alocată variabilei globale LATB este în format hexazecimal.
Alt exemplu ar fi setarea frecvenței de lucru al unui ceas de timp real. Aceasta se poate face simplu prin atribuirea unei valori variabilei globale T1CON, ce reprezintă un registru pentru ceasul de timp real. Fiecare bit al registrului are o anumită semnificație.
Scrierea unui program simplu pentru microcontroller-ul dsPIC
O trăsătură generală a programelor pentru microcontroller-e este că acestea trebuie să ruleze în continuu. Pentru a realiza acest lucru se folosește o structură repetitivă while, cu condiția “1”, această condiție fiind întotdeauna adevărată.
Un program scris pentru microcontroller nu are nimic deosebit, ca de exemplu antet special. Nu trebuie importate librării deoarece funcțiile folosite sunt căutate și încărcate automat de către compilatorul mikroC. Există însă o deosebire: la scrierea unui program pentru microcontroller, toate variabilele trebuie declarate la începutul programului.
Exemplu de program simplu pentru microcontroller care la un interval de o secundă aprinde LED-urile corespunzătoare portului B, iar apoi le stinge.
Funcția Delay_ms din exemplul anterior provoacă o întârziere de 1000 milisecunde până la executarea următoarei instrucțiuni.
Scrierea unui șir de caractere pe afișajul alfanumeric
Cel mai eficient mod de a urmări evoluția unor variabile în timpul rulării pentru microcontroller, este afișarea acestora pe display. Deasemenea, display-ul LCD poate fi folosit pentru a afișa un mesaj pentru a cunoaște în orice moment evoluția regulatorului, spre exemplu valoarea măsurată, comantă, eroare sau referința curentă.
Folosind acest mijloc de urmărire a procesului nu mai este nevoie de aparate suplimentare, multimetru/osciloscop pentru a urmări dacă regulatorul implementat pe placa dsPIC funcționează așa cum ne dorim.
Pentru folosirea afișajului alfanumeric LCD, comutatorul corespunzător trebuie trecut în starea ON. Acesta se găsește în grupul de comutatoare SW2, după cum se poate observa în Fig. 3.18.
Fig. 3.18 Comutatorul pentru activarea afișajului alfanumeric LCD
După ce afișajul alfanumeric a fost activat, acesta trebuie inițializat prin program. Pentru a fi inițializat, se poate folosi o funcție deja existentă în librăria de funcții mikroC dsPIC.
După inițializare, display-ul este pregătit pentru a primi textul care urmează a fi afișat. Funcția pentru afișare este “Lcd_Custom_Out” care acceptă ca parametri 2 valori de tip integer pentru a fi specificate linia și coloana unde se începe să se scrie și apoi o valoare de tip șir de caractere care reprezintă textul ce urmează a fi scris.
În practică este nevoie de afișarea valorilor inițial stocate în variabile de tip întreg sau float. Pentru aceasta trebuie folosite funcții de convertire a unei valori de tip întreg sau float în șir de caractere.
În exemplul precedent variabila x este de tip integer, iar variabila y este de tip float. Dacă se încearcă convertirea unei valori de tip float într-un șir de caractere compilatorul nu va da nici o eroare, numai că va fi convertită doar partea întreagă a variabilei de tip float.
Exemplu complet de folosire pentru afișajul alfanumeric LCD:
Citirea unei valori de la convertorul analog-numeric
Placa de dezvoltare dsPIC PRO4 este prevăzută cu convertoare analog-numerice. Acestea transformă un semnal analogic în tensiune 0-5V într-un semnal numeric. Convertorul poate lucra pe o rezoluție de 10 sau 12 biți.
Atunci când lucrează pe 12 biți semnalul analogic va fi transformat într-un număr între 0 și 4096.
Fig. 3.19 Convertor analog-numeric și testere pentru simularea unui semnal
În figura 3.19 sunt prezentați pinii pentru convertoarele analog-numerice, împreună cu testerele pentru simularea unui semnal analogic.
Pinii corespunzători convertoarelor analog-numerice sunt pinii 8-15 ai portului B, mai exact PORTB high. Ei corespund cu pinii portului B ai microcontrollerului. Pentru aplicarea unei tensiuni la convertoarele analog-numerice se folosesc pinii de pe partea de sus. Cei din partea de jos corespund testerelor și sunt conectați la cele două potențiometre, 4 pentru cel din stânga și 4 pentru cel din dreapta. Pentru aplicarea semnalului analogic de la tester la pinii corespunzători convertoarelor se pune un jumper între pinul pe care vrem să se aplice și pinul corespunzator simulatorului.
Funcția pentru citirea valorii numerice venite de la convertorul analog-numeric este “Adc_Read” care primește ca parametru canalul pe care se va face citirea, adică numerele pinilor port-ului B, de la 8 la 15.
În variabila adcRes se va afla valoarea pe 12 biți corespunzătoare valorii analogice transmise pinului 10 al portului B.
Exemplu complet pentru testarea intrărilor analogice de pe placă și apoi afișarea valorii numerice pe 12 biți pe afișajul grafic:
Acest program va afișa pe LCD un număr între 0 și 4095, valoarea 0 corespunzând unui semnal analogic de 0V, iar valoarea 4095 unui semnal analogic de 5V.
Pentru a afișa valoarea în volți numărul pe 12 biți trebuie transformat într-o valoare între 0 și 5. În urma unui simplu calcul, împărțindu-l pe 5 la 4095 observăm că pentru fiecare diviziune a numărului pe 12 biți corespund 0,00122, adică 1,22mV.
Numărul obținut de la convertorul analog numeric trebuie înmulțit cu 0,00122 și apoi stocat într-o variabilă de tip float.
Convertorul numeric-analogic
Pentru ca placa de dezvoltare să fie complet pregătită pentru a conduce procese automate, pe lângă convertorul analog-numeric, dsPIC PRO4 este echipată și cu un convertor numeric-analogic.
Pe placă există un singur convertor numeric-analogic, dar în capitolul următor va fi prezentată o soluție pentru a transmite semnale pe care instalația le va considera analogice, pe ieșirile numerice.
Pentru a putea folosi convertorul numeric-analogic, comutatoarele corespunzătoare convertorului trebuie puse în poziția ON. Acestea se găsesc în grupul de comutatoare SW4 și sunt referite ca “DAC” ( Digital to Analog Converter ).
Fig. 3.20 Comutatoarele pentru convertorul numeric-analogic
Convertorul numeric-analogic se găsește în partea stângă a plăcii de dezvoltare, și are un trebuie conectat fir pentru semnal și fir pentru masă, după cum se poate vedea în Fig. 3.21.
Fig. 3.20 Convertorul numeric-analogic
Funcțiile pentru programarea convertorului numeric-analogic nu se găsesc în librăriile mikroC dsPIC, de aceea în programul creat pentru conversia numeric-analogică trebuie să scriem corpul funcțiilor ce vor fi apelate ulterior din program.
Următoarele două funcții trebuie scrise, una pentru inițializarea interfeței SPI și cealaltă pentru funcția care transmite valoarea convertorului numeric-analogic.
Programul de mai sus similează un semnal pe convertorul numeric-analogic. Valoarea semnalului va fi transmisă funcției DAC_Output . Valoarea trebuie să fie între 0 și 4095. Dacă se transmite 4095 valoarea analogică a tensiunii la ieșirea convertorului numeric-analogic va fi 5V.
Modulare în durată de impulsuri
O altă soluție pentru a transmite semnale pe care instalația să le considere analogice este modularea în durată de impulsuri. Prin această metodă nu se transmit semnale analogice, ci se transmite cu o frecvență mare succesiv ori semnal “1” logic, căruia îi corespunde valoarea de 5V ori semnal ”0” logic căruia îi corespunde valoarea 0V. D
De exemplu dacă jumătate din perioadă va fi transmis 0V, iar cealaltă jumătate va fi transmis semnal de 5V, puterea echivalentă va fi ca la transmiterea unui semnal analogic de 2,5V. Dacă frecvența este destul de mare, instalația tehnologic ( procesul condus ) nu va sesiza diferența și va fi echivalent cu transmiterea unui semnal analogic.
Dacă în schimb vom avea doar 20% din perioadă 5V și restul 0V, instalația tehnologică va considera această valoare ca fiind un semnal analogic echivalent cu 20% din 5V, care înseamnă 1V.
În concluzie, modularea în durată de impulsuri are doi parametri principali: perioada și factorul de umplere ( cât la sută din perioadă este 1 logic, adica 5V )
În majoritatea cazurilor instalația e destul de lentă să sesizeze variațiile, iar pentru ele semnalul va fi văzut ca în figura 3.21.
Fig. 3.21 Modulare în durată de impulsuri
Programarea unui PWM pe microcontroller dsPIC este simplă, trebuie inițializat modulul PWM cu frecvența dorită și apoi apelată funcția pentru stabilirea factorului de umplere.
Funcția de inițializare primește 4 parametrii: frecvența, canalul PWM ( de la 1 la 4 ), scara ceasului de timp real, și numărul corespunzător ceasului de timp real pe care să îl folosească. Această funcție va returna un număr care va reprezenta perioada PWM-ului. Acest număr va fi în funcție de frecvența dorită. Se va păstra aceast număr într-o variabilă.
Funcția pentru stabilirea factorului de umplere, ce se poate face din mers va avea nevoie de 2 parametri: canalul PWM și factorul de umplere. Factorul de umplere va fi un număr între 0 și numărul din variabila perioadă returnată de funcția de inițializare. Pentru conversie este nevoie de un calcul similar cu cel de la citirea pe intrările analogice, doar că aici 5V este reprezentat de perioada funcție de frecvența PWM-ului.
Funcțiile de configurare și inițializare:
Aceasta înseamnă că inițializăm un semnal PWM pe canalul 2, folosind ceasul de timp real 1 pentru calculul perioadei, scara 1 de amplificare și frecvența 5000Hz. În variabila pwm_period1 s-a păstrat numărul corespunzător valorii maxime pe care o poate primi factorul de umplere.
Stabilirea factorului de umplere:
Factorul de umplere a fost stabilit la jumătate, adica 2,5V. Pentru valoarea pwm_period1 rezultatul analogic va fi 5V. Cu aceste considerente putem scrie câteva instrucțiuni de calcul în funcție de perioadă, fără sa fie nevoie să le mai schimbăm atunci când schimbăm frecvența. Considerăm ca în variabila x este stocată o valoare în virgulă mobilă de la 0 la 5V.
Un exemplu complet de folosire al modulării în durată de impulsuri:
În acest exemplu au fost folosite toate cele 4 calale PWM. Acest exemplu face ca ieșirea pe canalele PWM 1 și 2 să fie la jumătate, 2,5V, iar ieșirea pe canalele 3 și 4 să crească de la 0 la valoarea maximă, 5V. Pentru observarea ieșirii pe canalele PWM se poate folosi un voltmetru de curent continuu. Acesta va percepe valoarea ca fiind analogică. La folosirea unui osciloscop setat pe o frecvență mare se pot vedea semnalele reale, adică impulsurile cu frecvența aleasă, si se poate observa factorul de umplere. În figura 3.22 este un canal PWM cu factor de umplere 80%.
Fig. 3.22 Modulare în durată de impulsuri 80%
În fig. 3.23 s-a înregistrat semnalul de către un osciloscop setat pe o frecvență foarte mare.
Fig 3.23 Modulare în durată de impulsuri văzută pe osciloscop
Dacă frecvența de citire este mică, semnalul modulat nu se poate observa așa cum este el real, ci va fi considerat ca în fig. 3.24.
Fig. 3.24 Semnal modulat în durată de impulsuri, citit la o frecvență mică
Dacă frecvența este și mai mică, semnalul va apărea ca fiind analogic.
Generarea de întreruperi de către ceasul de timp real
Programele făcute pentru microcontroller se fac pentru a rula continuu. Pentru a executa o instrucțiune sau un bloc de insctrucțiuni la un moment precis de timp este nevoie să folosim un ceas de timp real. Acest ceas de timp real va genera o întrerupere, iar în acel moment microcontroller-ul se va opri din executarea instrucțiunilor din programul principal, va păstra variabilele locale așa cum sunt în acest moment într-o stivă, iar următoarele instrucțiuni executate vor fi cele de tratare a întreruperii. La terminarea rutinei de tratare a întreruperii firul de execuție se întoarce la cursul normal acolo unde a rămas în momentul în care a apărut întreruperea.
Pentru a pregăti unul dintre ceasurile de timp real ale plăcii pentru a trimite întreruperi, acesta trebuie configurat. Ceasul de timp se configurează cu ajutorul biților a doi registrii. Unul dintre ei este registrul corespunzător ceasului de timp real, T1CON. Fiecare bit al acestui reprezintă o anumită setare a ceasului cu numărul 1. Pentru a stabili la ce timp să genereze întreruperea registrul PR1 trebuie să conțină o valoare care reprezintă numărul semnalului de tact care va genera întreruperea. Ceasul de timp real 1 are o frecvență de 10MHz, asta înseamnă că va număra de 10 000 000 de ori într-o secundă. Dacă ceasul este setat pe factor de scara 1, iar în registrul PR1 va fi valoarea 10 000, întreruperea va apărea de 1000 de ori într-o secundă, adică exact la 1 milisecundă.
Registrul T1CON este un registru pe 2 octeți, adică 16 biți. Primul bit ( cel mai semnificativ , sau bitul 15) va activa sau va dezactiva ceasul numărul 1. Daca valoarea primului bit este 1, ceasul va fi activat, dacă este 0, ceasul va fi oprit. Biții 5 și 4 reprezintă factorul de scară. Pentru valoarea 00 a acestor 2 biți, factorul de scară este 1, asta însemnând că ceasul numără normal cu frecvența de 10 MHz. Daca bitul 4 are valoarea 1, factorul de scara va fi 8, ceasul va lucra cu frecvența de 10Mhz împărțită la 8. Pentru valoarea 1 a bitului 5 factorul de scară va fi 64, iar când și bitul 5 și bitul 4 vor fi 1 factorul de scară va fi 256. Acestea se pot vedea în tabelul următor.
În figura 3.25 se pot observa toți biții registrului T1CON. Pentru descriei mai detaliate se va consulta manualul mikroC dsPIC.
Fig. 3.25 Biții registrului T1CON
Registrul PR1 este tot un registru pe 16 biți, însă numărul format din biții acestuia constituie un număr ce reprezintă momentul la care va fi generată întreruperea. Spre exemplu un factor de scara 8 și valoarea FFFF, adică 65 535 în registrul PR1, va însemna că ceasul va număra din 52 în 52 de milisecunde. Frecvența ceasului de 10Mhz va fi împărțită la factorul de scară, apoi la valoarea din PR1 și va rezulta frecvența la care ceasul trimite o întrerupere către microcontroller.
Alți registrii care trebuie modificați pentru activarea întreruperilor de la ceas sunt:
bitul 8 al registrului IPC0 trebuie făcut 1 pentru a stabili nivelul de prioritate 1 al întreruperii venite de la ceas.
bitul 3 al registrului IEC0 trebuie făcut 1 pentru a activa întreruperea venită de la ceas.
După setarea acestor registrii întreruperea de la ceas va fi generată. În continuare trebuie scrisă rutina de tratare a întreruperii, care în cazul mikroC dsPIC este o funcție. Vom folosi cuvântul cheie org pentru ca această funcție să fie scrisă la o adresă de memorie specifică și anume: 0x1A.
Un exemplu complet pentru a testa întreruperile de la ceasul 1:
Exemplul de mai sus va face ca LED-urile corespunzătoare portului D să se aprindă apoi să se stingă la infinit.
Precum T1CON și PR1 sunt registrii ceasului 1, există PR2 și T2CON pentru ceasul cu numărul 2.
Capitolul IV
– Realizare Practică –
Prezentare
Experimentul presupune reglarea temperaturii și a debitului de aer în instalația experimentală LabVolt, folosint placa de dezvoltare dsPIC PRO4.
Echipamentele folosite pentru sistemul de reglare automată realizat sunt:
Instalația LabVolt de reglare a temperaturii și debitului de aer prezentată în capitolul II.
Placa de dezvoltare dsPIC PRO4
Tastatură numerică pentru modificarea referinței și a parametrilor regulatorului PID în timpul rulării.
Datărită faptului că totul este software coeficienții regulatorului PID se pot modifica foarte ușor, mai mult, aceștia se pot schimba și în timpul lucrării cu ajutorul tastaturii numerice.
Componentele plăcii de dezvoltare folosite la acest exăeriment sunt:
ceasul de timp real;
convertoare analog numerice;
modularea în durată de impulsuri;
afișajul alfanumeric LCD;
portul F pentru conectarea tastaturii;
Principiul realizării
Se folosește ceasul de timp real pentru a genera o întrerupere la fiecare 10ms. Acesta reprezintă și timpul de eșantionare. La fiecare 10ms microcontroller-ul citește semnalele venite de la convertoarele analog-numerice. Memorează citirea într-o variabilă.
Următorul pas este cel de comparare al mărimilor măsurate cu referința, adică eroarea, care se păstrează deasemenea într-o variabilă. Cu acești doi parametri se calculează comanda cu ajutorul unui regulator PID implementat numeric. Parametrii regulatorului PID, Kp, Ti, Td au valori implicite date software dar ele se pot modifica în timpul rulării. Regulatorul PID este implementat software, cu funcția de transfer discretă:
Astfel la fiecare 10ms se calculează o valoare a comenzii care este transmisă printr-unul din porturile pentru modulare în durată de impulsuri. Comanda este aplicată instalației pe la intrările de tensiune ale acesteia.
S-au implementat 2 regulatoare PID, unul pentru reglarea debitului de aer, celălalt pentru reglarea temperaturii. Debitul de aer nu depinde de temperatura de la rezistentă, dar asupra lui acționează factori perturbatori. Temperatura va depinde și de gradul de încălzire al rezistenței dar și de detibul de aer.
Modul de lucru
Se urmărește folosirea microcontroller-ului dsPIC ca regulator pentru reglarea debitului de aer și a temperaturii.
Programarea microcontroller-ului
4.3.1.1 Generarea unei întreruperi la 10 milisecunde
Pentru ca microcontroller-ul să funcționeze ca un regulator numeric este necesară alegerea perioadei de eșantionare Te. Pentru aceasta se folosește ceasul de timp real configurat pentru a da o întrerupere la fiecare 10 milisecunde. Scara de multiplicare a ceasului de timp real va fi aleasă 8, adică bitul 4 al registrului T1CON va fi 1.
Pentru a obține un timp exact de 10 milisecunde înmulțim timpul în secunde, adică 0.01 secunde cu frecvența ceasului, și apoi rezultatul îl împărțim la scara de multiplicare, adica 8, iar rezultatul îl vom scrie în registrul PR1. Pentru a ușura modificarea ulterioară, acest calcul se va implementa sub formă de funcție pentru inițializarea ceasului de timp real care va calcula valoarea ce trebuie scrisă în registrul PR1 în funcție de timpul în secunde pe care îl punem într-o variabilă.
În variabila timp1 se află timpul în secunde pentru care trebuie să fie calculată valoarea ce va fi scrisă în registrul PR1.
Rezultatul va fi păstrat temporar în variabila timp2 care va fi scris în registrul PR1.
În acest fel în programul principal vom avea inițializarea variabilei timp1 cu timpul dorit în secunde și apelul funcției InițializareCeas.
După inițializarea ceasului urmează scrierea procedurii de tratare a întreruperii, aceasta va folosi cuvântul cheie ORG pentru a fi scrisă la adresa de memorie 0x1A. Este necesar ca la începutul acestei proceduri să se reseteze flag-ul IFS0.
Întreruperea apare la un interval considerat perioadă de eșantionare. La fiecare întrerupere trebuie măsurată ieșirea procesului și apoi regulatorul implementat software va calcula comanda pe care o transmite înapoi procesului.
4.3.1.2 Citirile pe intrările analogice
Pentru a citi datele de la proces se folosesc intrările convertoarelor analog-numerice ce corespund pinilor 10 și 12 ai portului B. Acestea se conectează direct la instalație, ea furnizând semnale în tensiune de 0-5V.
Funcția pentru citirea intrărilor analogice este “Adc_Read” ce are ca parametru numărul pinului port-ului B și returnează o valoare numerică pe 12 biți.
Cea mai mare valoare a numărului returnat, 4095 corespunde unui semnal analogic de 5V. În felul acesta putem face ușor conversia înapoi în volți. Valoarea numerică se înmulțește cu 0,00122 și vom obține o valoare de tensiune între 0 și 5V.
În felul acesta în variabila x vom avea valoarea în volți măsurată la intrările convertorului analog-numeric.
4.3.1.3 Implementarea software a funcției de transfer
Pentru calculul comenzii vom implementa fucția de transfer discretă a unui regulator PID. Parametrii Kp, Td și Ti ai regulatorului vor fi inițializați la începutul programului.
Variabilele folosite la calculul comenzii sunt cele din tabelul 4.1.
Tabelul 4.1
Eroarea va fi rezultatul scăderii a valorii măsurate din referință. Valorile erorii și comenzii de la pașii anteriori vor fi memorate în variabilele um1,em1,em2. După calculul comenzii valorile acestor variabile vor fi reactualizate:
4.3.1.4 Transmiterea comenzii pe canalele PWM
După ce regulatorul calculează comenzile pentru rezistență și pentru ventilator, acestea sunt transmise prin canalele de modulare în durată de impulsuri. Pentru a transmite comanda dorită pe canalele PWM trebuie făcute calcule. Funcția pentru PWM va accepta pentru factorul de umplere o valoare între 0 și valoarea din variabila returnată de funcția de inițializare a canalului respectiv, care este funcție de frecvența pentru PWM aleasă. Pentru a găsi valoare ce trebuie transmisă prima dată împărțim comanda în volți pe care vrem să o transmitem la 5, care este maximul comenzii, și vom obține un număr subunitar care apoi îl vom înmulți cu valoarea maximă ce poate fi transmisă funcției PWM.
În variabila u este păstrată comanda care este împărțită la 5 și apoi înmulțită cu variabila pwm_period1 ce reprezintă perioada PWM-ului, adică valoara maximă ce trebuie transmisă prin funcția de PWM pentru a factor de umplere 100%, adică 5V.
Afișarea variabilelor pe afișsjul grafic LCD
Pentru a observa variabilele procesului în timpul rulării este necesară afișarea acestora pe display. Variabilele ce vor fi afișate sunt referința, mărimea măsurată, eroarea și comanda. Variabilele noastre conțin valori între 0 și 5V, pentru o afișare corectă vom înmulți aceste valori cu 100 și vor fi afișate ca un număr între 0 și 500, ultimele 2 cifre fiind partea fracționară. Apoi acest număr este convertit într-o variabilă de tip șir de caractere și apoi afișat pe LCD.
Pentru a deosebi ulterior ce reprezintă fiecare număr, trebuie ca înaintea lui să scriem inițialele valorii pe care o reprezintă. În consecintă avem Ref,Mas,Err și Com.
Pentru claritate mazimă am ales să trimit caracter cu caracter literele din numele variabilelor procesului vizualizate.
Rezultatele vor fi afișate ca în fig. 4.1.
Fig. 4.1 Vizualizarea variabilelor procesului pe afișajul alfanumeric LCD
4.3.2 Accesorii
4.3.2.1 Tastatură numerică KB304
Pentru dinamica regulatorului am dorit să adaug opțiunea de a schimba referința în timpul funcționării. Pentru asta am folosit o tastatură numerică KB304.
Fig. 4.2 Tastatură numerică KB304
Pentru a programa tastatura trebuie să cunoaștem pinii asociați fiecărei taste. Tastele funcționează ca întrerupătoare care la apăsare realizează legătura între cei 2 pini corespunzători.
Pentru tastatura KB304, pinii sunt asociați ca în figura 4.3
Fig. 4.3 Corespondența dintre taste și pini la KB304
Pentru programarea tastaturii s-au folosit funcțiile disponibile în librăria mikroC dsPIC, și anume funcția de inițializare a tastaturii pe portul F, și funcția care realizează citirea unui caracter.
Deoarece programul rulează o dată la 10 milisecunde, funcția care verifică dacă a fost vreo tastă apasată va fi rulată continuu, iar la apăsare va păstra valoarea într-o variabilă. Valoarea din acea variabila va fi un număr pe 4 biți care trebuie verificată și apoi găsită tasta care a fost apăsată.
Funcția de configurare a tastaturii va configura lucrul cu o tastatură 4×4, ca în fig. 4.4.
Fig. 4.4 Conectarea tastaturii la pinii microcontroller-ului
Nu s-a folosit portul B ci portul F deoarece port-ul B este folosit pentru intrările analogice și pentru afișajul alfanumeric.
Pinii au fost conectați ca în tabelul 4.2.
Tabelul 4.2 Conectarea pinilor tastaturii cu cei ai microcontroller-ului
Nu s-a folosit pinul 3 al portului F deoarece acesta era destinat pentru a patra coloană a unei tastaturi numerice 4×4.
Fig. 4.5 Conectarea tastaturii
Corespondeța valorii returnate de funcția “Keypad_key_click” și butonul următor este:
Pentru schimbarea referinței sau a parametrilor PID din tastatură, prima dată se apasă tasta “ * ”
(asterix) succesiv, iar pe ecran vor apare succesiv mesaje pentru a introduce referința debitului de aer, referința temperaturii, Kp, Ti, Td. Prin apăsarea tastei diez se confirmă valoarea introdusă.
Pentru succesiunea transmisiei datelor de la tastatura numerică, se folosește o variabilă care inițial are valoarea 0. La o apăsare a tastei diez această variabilă va avea valoarea 1, asta însemnând că pe display nu vor mai fi afișate variabilele procesului, ci numărul introdus, așteptând tasta diez pentru a confirma valoarea și pentru a reseta variabila k pentru a se reveni la afișarea variabilelor procesolui. Dacă nu se apasă diez ci se apasă din nou asterix, variabila k va lua valoarea 2 și va aștepta referința pentru temperatură, la o nouă apăsare va lua valoarea 3 și va aștepta Ti și tot așa și pentru ceilalți parametri ai regulatorului PID.
Conexiuni realizate
Pentru a realiza reglarea, ieșirile variabilelor procesului trebuie conectate la intrările convertoarelor analog-numerice, iar ieșirile PWM la intrările procesului conectate la elementele de execuție. În plus s-au realizat și conexiunile portului F cu pinii tastaturii numerice.
Conexiunile au fost realizate ca în tabelul 4.3.
Tabelul 4.3 Conexiuni între instalație și placa de dezvoltare
Fig. 4.6 Conexiuni între instașatie și placa de dezvoltare
Fig. 4.7 Conexiunile pe placa de dezvoltare
Lansarea în execuție
Pentru reglarea debitului și a temperaturii s-a scris programul în mikroC dsPIC atașat la finalul acestui subcapitol. Acest program pune împreună tot ce a fost scris până acum în subcapitolul 4.1. despre programarea microcontroller-ului pentru reglarea temperaturii și a debitului de aer.
S-au folosit accesoriile prezentate la subcapitolul 4.2 și s-au realizat conexiunile cu instalația prezentate în capitolul 4.3.
Parametrii regulatorului PI pentru reglarea debitului de aer sunt Kp=2 și Ti=2. Pentru regulatorul temperaturii s-au folosit Kp=2 și Ti=1. Datorită faptului că sistemul de încălzire este foarte lent, va dura mai mult până temperatura se stabilizează. Pe măsură ce eroarea se micșorează regulatorul începe să scadă comanda până când va găsi o comandă care să țină temperatura pe loc.
Fig. 4.8 Ansamblul instalație-placă de dezvoltare
Codul folosit pentru realizarea întregului ansamblu: interfață, regulator, conectare este:
Bibliografie
[1] Ardelean, I. – Metrologie generala, Ed. STUDIA, Cluj Napoca, 2000.
[2] Marin, C.- Structuri și legi de reglare automată , Ed. Sitech, Craiova, 2005
Marin, Constantin, Structuri și legi de reglare automată, Ed. Sitech, Craiova, 2005;
Marin, Constantin, Ingineria reglării automate, Ed. Sitech, Craiova, 2004;
Marin, Constantin, Sisteme neconvenționale de reglare automată, Ed. Sitech, Craiova, 2004;
Ionete, Cosmin; Surlea Dragoș; Neagu Nicolae, Embedded Systems, Craiova, 2008;
Ionete, Cosmin, Sisteme integrate – Indrumar de laborator, Craiova, 2008;
Marin C.; Petre E; Popescu D; Ionete C.; Selișteanu D., Sisteme de reglare automată, Lucrări practice I, Ed. Sitech, Craiova, 1997;
Mikroelektronika, Programming dsPIC (Digital Signal Controllers) in C – dsPIC PRO4 User Manual
Mikroelektronika, Programming dsPIC (Digital Signal Controllers) in C – mikroC dsPIC User Manual
Tahm M. , Discretised PID Controllers,
Cartea tehnică a instalației LabVolt 3522-05
http://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation
http://lorien.ncl.ac.uk/ming/digicont/digimath/dpid1.htm
http://dexonline.ro
http://ro.wikipedia.org
http://www.google.ro
http://www.inm.ro/
Introducere la Biomedical Equipment Technology, Third Edition, Prentice Hall, de Joseph J. Carr John M. Brown
„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„`
***************************
Sisteme de masurare a debitului
Masurarea debitului unui fluid (sau alt material) de-a lungul unei tevi este foarte importanta in industrie , care include : industrie chimica ,industrie petroliera ,oteluri ,alimentatie publica.Pe piata sunt foarte multe debitmetre ;utilizarea lor depinde de tipul problemei care este prezentat in cap. 7. Acest capitol explica (prezinta) principalele caracteristici ale debitmetrelor cel mai des utilizate.Acest capitol 5 subcapitole: mecanica fluidelor ;masurarea vitezei intr-un punct al fluidului ;masurarea volumului ,masei si masurarea debitului in situatii dificile.
12.1. Principii ale mecanicii fluidelor
12.1.1 Tensiuni de forfecare si vascozitate
Sunt 3 stari de agregare :solid ,lichid si gaz. Lichidele si gazele sunt diferite in multe privinte dar se comporta la fel la actionarea unor forte de deformare.Lichidele si gazele ,deci fluidele , se deformeaza sub actiunea unei forte iar solidele isi mentin forma.Efectul este ilustrat in fig. 12.1(a) care arata efectul unei forte de forfecare asupra unvui bloc rectangular.Tensiunea de forfecare σ este F/A ,A-aria bazei.Tensiunea de forfecare ,deformeaza blocul analizat si marimea forfecarii cuantificata cu unghiul Ø. In solide Ø va ramane constant in raport cu timpul.In fluidele Newtoniene ,valoarea forfecarii Ø/Δt este proportionala cu σ ;σ=ct. X (Ø/Δt) unde Δt este intervalul de timp in care Ø apare.Daca Ø este mic si in radiani ,avem :Ø=Δx/y si daca v este viteza suprafetei superioara a blocului ,avem: v=Δx/Δt => σ=const x v/y ,unde constanta de proportionalitate este vascozitatea dinamica a fluidului :δ.Inlocuind gradientul vitezei v/y cu forma diferentiala dv/dy => rel. 12.1.
Fig. 12.1.(b) arata un fluid curgand asupra unei placi plane.Viteza fluidului in punctul y=0 este zero.Daca deplasam pe axa y in sus ,deci cu cresterea y-ului viteza straturilor de fluid creste.Indepartand de placa ,ajungem la suprafata libera a fluidului care are viteza v0.Stratul dintre suprafata libera si placa se numeste strat de frontiera care este caracterizat de gradientul vitezei dv/dy.Egaland cu rel.12.1. se observa prezenta tensiunii de forfecare de frictiune in acest strat.
12.1.2. Lichide si gaze
Lichidele si gazele au cateva proprietati comune cu fluidele ,dar au proprietati diferite intre ele.Lichidul este greu de compresat ,deci este o foarte mica micsorare de volum in urma aplicarii unei tensiuni mari si se poate spune ca sunt incompresibile.
Densitatea ƍ depinde de presiune ,dar depinde si de temperatura.
Gazele sunt usor compresibile si densitatea depinde si de presiune si de temperatura.Pentru un gaz ideal ,avem rel. 12.2.
Pentru gazele reale ,ecuatia trebuie corectata cu introducerea unui factor de compresibilitate experimental.
Cu cresterea temperaturii ,gazele se extind ,deci efectueaza un lucru mecanic in timpul procesului de incalzire.Gazele sunt caracterizate cu doua calduri specifice :cv –caldura specifica la volum constant si cp –caldura specifica la presiune constanta.Daca extinderea sau contractia gazului este fara schimb de caldura adiabatica ,procesul este insotit de modificarea temperaturii si rel. corespunzatoare intre presiune si volum este :12.3. ,unde ﻻ=cp/cv.
12.1.3. Curgerea laminara si turbulenta.Numarul lui Reynolds.
Sunt doua curgeri distincte ale fluidului: 1.) curgerea laminara sau cea vascoasa ;aceasta este aratata in fig.12.2.(a) intr-un tub circular.In acest caz ,miscarea particulelor este ordonata ,mentinand pozitiile relative in sectiuni transversale succesive.Curgerea laminara intr-un tub ,este caracterizata de straturi („annular”).Viteza acestor straturi creste de la 0 de la peretele tubului ,pana la o valoare maxima in centrul tubului ,din care rezulta tensiunea de forfecare vascoasa intre fiecare strat.Fig. 12.2.(a) arata profilul vitezei rezultante :are o forma parabolica.
2.)Curgerea turbulenta :Fig.12.2.(b) .Este caracterizata de o mare dezordine :fiecare particula se misca intamplator si ocupa diferite pozitii relative in sectiuni transversale succesive.Deci valorile vitezei si a temperaturii prezinta o mica evitare in raport cu timpul.Forta de frictiune vascoasa este cu mult mai mica in curgerea turbulenta.Fig. 12.2.(b) ,arata profilul vitezei care este tipic in curgerea turbulenta.
Numarul Reynolds arata daca curgerea este laminara sau turbulenta ,in diferite situatii.Este un numar adimensional.
l- lungimea caracteristica sau diametrul tubului;
Re- raportul dintre fortele de inertie si fortele vascoase (proportional cu δ ).Re arata ca este vorba de curgere laminara daca Re este mic si turbulenta daca Re este mare.
12.1.4. Debitul volumic ,debitul masic ,viteza medie.
Fig.12.2.a. si 12.2.b. arata profilul vitezei in cazul curgerii laminare respectiv turbulenta.Daca se considera un element circular de raza r si o portiune mica Δr ,rezulta aria= 2πrΔr.Debitul corespunzator ce strabate acest element este :ΔQ= 2πrΔr x v(r).Volumul total ce strabate tubul circular de raza R este :rel. 12.5.
In multe probleme variatia vitezei ,in timp ce strabate suprafata ,poate fi de neglijat si putem spune ca este constanta si egala cu viteza medie ṽ :rel.12.6.
este aria sectiunii transversale ce strabate fluidulnormal pe directia de curgere.
Debitul masic este :rel.12.7.
12.1.5. Continuitatea.Conservarea debitului masic si debitului volumic.
Fig. 12.3. arata un tub aerodinamic strabatut de un fluid in curgere uniforma.Principiul conservarii masei este :masa fluidului intrat in unitatea de timp =cu masa fluidului ce iese in unitatea de timp ;debitul masic ce intra =debitul masic ce iese.
Folosind ec. 12.7. => rel 12.8.
Daca fluidul este incompresibil ,atunci ƍ1=ƍ2 ec. 12.8. se reduce la ec. conservarii debitului volumic :rel.12.9.
12.1.6. Energia totala si conservarea energiei
In fig.12.4. este prezentata un element al unui fluid incompresibil ce strabate un tub aerodinamic.
Pana cand elementul se afla la o inaltime z el are o energie potentiala = m x g x z ,unde m-este masa elementului.Elementul se misca cu o viteza medie ṽ ,deci are si energie cinetica :1/2 x m ṽ2 .
Elementul din fluid efectueaza lucrul mecanic deoarece curge sub presiune .Daca valoarea presiunii in sectiunea XY este P si aria sectiunii transversale este A ,atunci forta in XY=PA.Daca intregul element ocupa volumul XX’YY’ ,marimea acestui volum este m/δ.
Distanta de deplasare este XX’ ,iar lucrul mecanic efectuat de fluid este :PA x m/ƍA = mP/ƍ. Acest lucru mecanic se refera la energia presiunii ,care este energia fluidului cand se misca sub presiune.
Energia totala a fluidului care curge este suma dintre energia presiunii ,energia cinetica ,energia potentiala (rel.12.10.)
Daca se considera ariile 1 si 2 strabatute de fluid ,principiul conservarii energiei ,inseamna ca energia totala /masa unitara este la fel la ambele sectiuni.Aceasta inseamna ca nu este pierdere de energie intre cele doua sectiuni.Din rel.12.10. =>12.11.
Ecuatiile 12.10. si 12.11. se pot aplica doar la fluide incompresibile la care δ este independent de presiunea P. La o extindere/compresiune adiabata la gaze este rel. P/δla puterea ﻻ = ct. Termenul energiei presiunii se modifica cu ﻻ/(ﻻ-1)(P/δ) => rel. 12.12.
Masurarea vitezei intr-un punct al fluidului.
Acest lucru este important in cercetare ,la masurarea vitezei intr-un tub pentru instalarea unor debitmetre permanente.Sunt doua metode:
12.2.1. Tub Pitot –static
La ciocnire intregul intregul fluid se opreste ,se afla in stare de odihna :acesta nu are energie cinetica ,numai energie potential.Fluidul care se misca are si energie cinetica si energie potentiala. Acesta creaza o diferenta de presiune ,ce depinde de viteza.
Fluide incompresibile:
Daca se considera miscarea fara frecare si nu este pierdere de caldura ,atunci sumele dintre presiune ,energie cinetica si energie potentiala la impact sunt egale (conservarea energiei). Energia cinetica in timpul impactului este 0. (rel.12.13.) ,unde z1 ,z 2 –inaltimile.
Fluide compresibile:
Densitatea fluidului la impact este egala cu
Pana cand P1 >Ps un fluid compresibil ƍ1 >ƍ. Ecuatia energiilor este :(rel.12.15.) ,unde ﻻ -raportul dintre caldura specifica la presiune constanta si caldura specifica la volum constant.Variatia densitatilor este adiabatica => rel.12.16.
Caracteristici si sisteme:
Din rel. 12.14. avem ΔP=(1/2) x P x v2 aceasta arata ca presiunea variaza cu patratul vitezei.Daca rel. se aplica in conditii standard de temperature si presiune => ΔP=0,6 x v2.
Raportul ΔP/Ps este mic ,inseamna ca pentru v < 100 ms-1 diferenta de densitate intre aerul in impact si ………..este neglijabila.Eroarea care rezulta din aplicarea ecuatiei pentru I compresibile este de 1 %…
Daca ΔP/P << 1 =>ca ecuatia 12.17. arata ca aceasta este redusa la ecuatia 12.14.
Daca presiunea diferentiala este foarte mica ,inseamna ca trebuie utilizate transmisii de presiune special.Unul foloseste un traductor diferential variabil pentru a sesiza deformarea diafragmelor capsulelor de arie mare;asta inseamna 4: 10 mA current de iesire proportional cu presiunea diferentiala care intra de la 0 la 250 Pa.
Fig. 12.5. arata un aparat de masura computerizat care include acest “ transmitter “ pentru a masura viteza aerului in 0 – 20 ms-1.Amplificatorul converteste semnalul de iesire din “transmitter” in volti intre 0,51 si 2,55 V .Convertorul analogic –digital da 8 biti la iesire care corespunde numarului decimal D intre 51 si 255.Calculatorul citeste D si calculeaza ΔP folosind ΔP=1,2255(D-51) si viteza masurata este :vM=radical 1,67 x ΔP.
Numai acest sistem este capabil sa masoare timpul mediu pentru viteza intr-un punct al fluidului.Frecventa sistemului este insuficienta pentru masurarea rapida a criterilor vitezei care exista in curgerea turbulenta.
12.2.2.
Acesta este capabil sa masoare viteza medie si turbulent.
Mai larg in cap. 14.2. si 14.3.
12.3. Masurarea debitului volumic.
12.3.1. Debitmetre de presiune diferentiala.
Acestea sunt cele mai raspandite in industrie pentru curatirea gazelor si a lichidelor.Se ingusteaza tubul si presiunea diferentiala va creste daca strabate acesta si aceasta se masoara.
Ecuatia teoretica pentru fluide incompresibile (Δ/P).
Stramtoarea este cauzata de reducerea ariei sectiunii transversal prin care trece fluidul.Fig. 12.6 arata aceasta.Cu urmatoarele afirmatii se poate calcula teoretic diferenta de presiune ce ia nastere.
Curgere fara frecare –nu se pierde energie in urma frictiunii dintre straturile fluidului ,sau dintre fluid si peretele tubului.
Nu este pierdere de caldura sau transfer de caldura intre fluid si mediul inconjurator.
Conservarea energiei totale.
Fluid incompresibil.
Tub orizontal: z1=z2 ,aceasta inseamna ca ec. 12.18. se reduce la :
(v2 2-v1 2)/2=(p1-p2)/2
Conservarea debitului volumic
Q1 =Q2 =Q ,unde Q1 =A1 x v1 si Q2 =A2 x v2 [12.20.]
Pana cand A2 < A1 aceasta cauzeaza conform rel. 12.20 ca v2 > v1 adica viteza si energia cinematica a fluidului este mai mar la stramtoare. In timp ce energia totala se conserva (12.19), energia presiunii scade in aceasta zona.
Ecuatia practica pentru fluide incompresibile:
Qth=……
Ecuatia de mai sus nu se poate aplica in practica pentru debitmetre din 2 motive:
a) Obtinerea unui fluid fara frecare nu este posibila in practica.In tuburi netede se poate obtine frictiune foarte mica si constanta dar nu 0.Tulburarile acceptate sunt caracterizate de numarul lui Reynolds,mai mare decat 10^4.Numarul lui Reynolds specifica raportul dintre fortele de inertie si fortele de frictiune care are expresie Re d =…….,unde D-diametrul tubului ,η –vascozitatea fluidului.
b) A1 si A2 sunt ariile sectiunilor transversale ale fluidului ,ce nu se pot masura si care se schimba cu curgerea fluidului.Aria transversal a tubului este π D2/4 iar aria transversala masurata este πd2/4 unde D si d sunt diametrele respective. La sectiunea transversala 1),avem A1=πD2/4 daca fluidul umple tubul. La sectiunea transversala 2),avem A2=0,99 πd2/4 pentru tuburi tip Venturi,aceasta ia nastere in cazul stramtoarelor treptate prin care curge fluidul.(fig. 12.6(b) ).Deci orificiul este o stramtoare brusca pentru care aria transversala a fluidului trebuie sa fie minim 0,6 πd2/4.
Din aceste cauze ,ecuatia teoretica trebuie corectata cu introducerea unui factor de corectie : c –coeficient de compensare;
E –viteza factorului de apropiere;
β –raportul dintre diametrul debitmetrului si a tubului;
A2m –aria sectiunii transversale a debitmetrului;
Valorile lui c depind de : a) tipul debitmetrului ; b) de nr lui Reynolds ; c) de raportul diametrelor β ,deci c= F(ReD;β) pentru un debitmetru dat.
Valorile lui c se masoara experimental ,pentru diferitele tipuri de debitmetre.Corespunzator masuratorilor lui QACT si (P1-P2) se fac pentru un fluid dat.Daca ƍ ,D ,d sunt cunoscute ,c => din 12.22. Importante sunt :BS 1042 ,ISO 5167.Acestea sunt identice si dau valorile coeficientului c pentru orificii plane ,tuburi Venturi ,pentru orificii de iesire.(Fig. 12.7.) montate in tuburi circulare.Valorile lui c sunt date in tabele.In tabelul 12.1. sunt date valorile lui c pentru orificii plane.Tabelul cuprinde trei parti: a) arata ecuatia lui Stolz ,care are termenii ReD si β si parametrii L1 si L2.Acesti parametrii au valori diferite (b) pentru cele 3 tipuri diferite.
c) insumeaza conditiile pentru ca d,D,β,ReD ,trebuie sa fie satisfacute daca ecuatia lui Stolz este valida.Conditia pentru ReD este complicata; Numarul lui Reynolds depinde de valoarea lui β.
Fluidele compresibile:
In ordine a fost reprezentata comportarea gazelor ,respectiv lichidelor ,restrictia (4) :ƍ1=ƍ2 trebuie modificat.
Presupunand ca volumul/presiunea se schimba intre cele 2 sectiuni transversal 1) si 2) avem: (12.23.) y=Cp/Cv pana cand P1>P2.Ecuatia energiilor se modifica : (rel. 12.24.)
Pana cand ƍ2<ƍ1 ,fluidul se extinde ,Q2 >Q1 si debitul volumic nu se conserva.Este vorba de conservarea debitului masic M: rel.12.25.
Rel 12.26.
Ecuatia teoretica pentru fluide compresibile ,unde e –factor de extindere ,e este o functie tridimensionala.
Ecuatia anterioara nu se utilizeaza in practica.In ISO5167 e este dat de ecuatia regresiva pentru orificii plane ; ec. 12.27. e =1 pentru lichide.
Ecuatia urmatoare se aplica la orice debitmetru diferential pentru masurarea oricarui lichid sau gaz curat. Ec. 12.28. este ecuatia generala pentru debitmetru diferential.
Caracteristici generale:
Urmatoarele caracteristici a debitmetrului diferential au luat nastere pentru a proiecta un debitmetru potrivit pentru o aplicatie data:
1.)Fara parti mobile,robust,usor de manipulate,acceptat in scara larga.
2.)Intotdeauna este o pierdere de presiune ΔPp ,datorita frecarilor.Costul energiei suplimentare poate fi semnificativ pentru instalatii mari.
3.)Aceste solutii sunt neliniare :Qα#ΔP sau ΔPαQ2.Aceste limite sunt domeniile de masurare intre 25% -100% de debit.La debite scazute ,masurarea diferentei de presiune este de 6 % dintr-o scara intreaga .
4.)Putem folosi numai pentru fluide curate unde avem o curgere turbulenta ,proximativ ReD >10^4 nu se poate folosi la fluide poluate ,cu exceptia tubului Venturi.
5.)Fig.12.8. arata un sistem tipic de debitmetru; contine un element sensibil pentru masurarea diferentei de presiune,un transmitator de diferenta de presiune ,o interfata si un microcalculator.Transmitatorul furnizeaza un curent continuu ca semnal de iesire (4 -20 mA) ,intrefata contine un circuit amplificator ,actionand ca un convertor curent -tensiune si ca un convertor analog digital.Rezonatorul furnizeaza o iesire sinusoidala cu frecventa variabila.Interfata contine un numerator binary si Schmitt trigger fig.10.5. Calculatorul citeste intrarea binara si converteste in diferenta de presiune ΔP ,apoi calculeaza rata de debit masurat QM, folosind ec. 12.22.
Calculele se bazeaza pe valorile lui ƍ1 , c , β ,etc aflate in memorie.Eroarea de masurare este determinta de precizia transmitatorului Fig. 12.8. prezinta graficul erorii.
6.)Instalatia de masurare necesita o ingrijire mare.
In standard sau informatii detaliate:
a)geometria debitmetrului (fig.12.7.).Valorile lui c se pot aplica doar la geometrie prestabilita.
b)distanta minima a tubului;
c)divizarea tubului de presiune;
Tipuri de debitmetre de presiune diferentiala .
Cele mai folosite elemente sunt:orificii plane, Venturi ,tuburi Dall(fig.12.7.).Dintre acestea, orificiile plane sunt cele mai des folosite,sunt ieftine si folosite in foarte multe cazuri.Dezavantajele lor consta in precizie (+/- 1,5%) si pierdere de presiune.Se recomanda trei tipuri de presiuni la orificiile plane: cot,periferie si D –D/2 (fig.12.7).Valorile lui c sunt date in tabelul 12.1 si este diferit pentru fiecare tip.Tab.12.2 . ,insumeaza cele mai importante valori pentru parametrii celor 4 elemente.Tubul Dall combina masurarea diferentelor mari de presiune cu masurarea micilor pierderi de presiune ΔPp.
Calcularea orificiilor plane:
Pentru a calcula diametrul d avem nevoie de valorile precise a lui c ,E ,e.Cele 3 cantitati sunt in functie de d.Fig. 12.9. arata singura metoda posibila de calculare a lui d.Se poate aplica la calculatoare manual.
1.)Date de intrare necesare:
Mmax =rata de debit maxim
ΔPmax = diferenta de presiune la debit maxim
P1 =presiunea
ƍ1 =densitatea fluidului in conditii
η =vascozitatea dinamica a fluidului
y =raportul caldurilor specific
δ =tolerant sistemului (dispozitivului)
D =diametrul tubului
i =index de fluid
j
2.)Pentru calcularea numarului lui Reynolds este nevoie de Mmax si de D.
3.)Valorile lui d ,D ,β ,ReD ,trebuie verificate din nou de ecuatia lui Stolz.Initial se verifica aproximativ daca valoarea lui ReD este mai mare decat 10^4 ,urmat de o verificare finala.
4.)Calcularea lui d nu se poate face cu o precizie mai mare decat tolerant δ.Urmeaza concluziile calculelor.
5.) Pana cand valorile finale ale lui c ,e ,E sunt apropiate de incercarile initiale ,calculele necesita nu mai mult de 6 iteratii.
6.) Pana cand tubul Venturi si Dall sunt in marimi standardizate ,sunt necesare diferite aproximari.O calculare aproximativa ne da marimea cea mai potrivita ,decat o calculare exacta a lui ΔPmax.
12.3.2. Debitmetre mecanice
Debitmetrul mechanic se aseaza in sensul de curgere a fluidului si se misca impreuna cu fluidul.Debitul volumic este proportional cu numarul de cicluri/secunda a aparatului f.
Debitmetrele mecanice sunt des folosite pentru masurarea volumului total al fluidului V,ce curge in intervalul de timp T.Numarul total de cicluri in timpul T este :N.Valoarea totala este proportional cu volumul.S-au dezvoltat o serie larga de debitmetre mecanice dar cel mai des folosit este debitmetrul de tip turbine.
Principiile debitmetrului de tip turbina :
Debitmetrul are un rotor cu palete suspendat in fluid;axa de rotatie a rotorului este paralela cu directia de curgere a fluidului.Fluidul actioneaza asupra paletelor si cauzeaza o rotatie acestuia cu o viteza unghiulara aproximativ proportionala cu debitul.Numarul paletelor este intre 4 si 8 ,sunt facute dintr-un material ferromagnetic si fiecare paleta formeaza un circuit magnetic cu magnetul permanent si bobina.Aceasta ne da un tahogenerator de reductanta variabila ,tensiunea indusa in bobina are forma de unda ,a carei frecventa este proportional cu viteza unghiulara a paletelor.
Daca frecarea vascoasa se neglijeaza ,viteza unghiulara a rotorului este proportionala cu debitul.
ωr =k Q ,unde k –constanta ce depinde de geometria paletelor.O valoare aproximativa pentru k se poate evalua folosind fig. 12.10. Daca Q este debitul ,atunci viteza medie corespunzatoare este : ṽ =Q/A. rel.12.30.
A –aria sectiunii transversal a fluidului.
Daca fluidul se afla intr-un tub => rel 12.31. ,unde m –numarul paletelor si t- grosimea paletelor.
Din fig. 12.10. –din triunghiul vitezelor => tgα =(ωr x R)/ṽ ,unde ωr –este viteza unghiulara a paletelor.
ωrR –viteza paletei perpendiculare pe directia de curgere.
Principiile tahogeneratorului cu reductanta variabila ,sunt explicate in cap.8.4.Tensiunea indusa in bobina se afla in rel.8.37 ,unde m –este numarul paletelor si b –amplitudinea variatiei unghiulare a fluxului magnetic.
Acesta este un semnal sinusoidal de amplitudine E si frecventa f ,ambele fiind proportionale cu debitul.
Debitmetrul de semnal E se aseaza inaintea unui integrator si circuit Schmitt tigger.Iesirea este de amplitudine constanta ,un semnal de unda patratica a frecventei variabila ,ce se transmite la un contor.
f =(mk/2π)Q =KQ ,unde K –este senzitivitatea liniara; N –este proportional cu volumul total.Folosind ecuatia 12.32. =>expresia lui K.
Caracteristici:
Factorul de masurarea K pentru un debitmetru dat este aratat in fig. 12.11. Domeniul normal de debit este intre 10% -100% din debitul maxim.In acest domeniu ,deviatia factorului K ,de la valoarea medie este de +/- 0,5% ,valoarea minima +/- 0,25%.Sub 10% din valoarea maxima ,frecarea din fluid devine nesemnificativa si relatia dintre f si Q devine neliniara.Repetabilitatea este intre +/- 1% din debitul actual.
Debitmetrele de tip turbine sunt potrivite la tevi cu diameter intre 5 si 500 mm.Ele sunt sensibile si sunt mai putin fiabile decat celelalte debitmetre:paletele sunt sensibile la existenta unor particule solide din fluid.Sunt relative scumpe;exista o scadere permanenta de presiune intre 0,1 si 1 bar la debit maxim.
Debitmetre turbulente
Aceste debitmetre au la baza fenomenul natural ,curgerea turbulent.Cand un fluid curge peste orice corp ,straturile de frontiera a fluidului in miscare se misca deasupra suprafetei corpului.Daca corpul este aerodynamic ,atunci straturile de frontiera urmaresc conturul corpului si ramane “lipit” de suprafata corpului.Straturile de frontiera se despart de corp in punctual de separare S care este in partea din spate a corpului si ridicarea rezultata este mica.Daca corpul nu este aerodynamic ,este rectangular ,circular ,straturile de frontiera nu pot urmari contururile corpului si se desparte de acesta la o distanta mai mare de S (punctul S’ ).Ridicarea rezultanta este mult mai mare.
Fig. 12.12.(c) ,arata o simulare pe calculator a curgerii unui fluid in jurul unui corp rectangular.Straturile de frontier se separa de conturul corpului la punctual de sus a “upstream’ ,si se “infasoara” intr-o “valtoare” in regiunea de presiune scazuta ,imediat in spatele corpului.Aceste “valtori” ,se produc alternative la varful si la fundul suprafetelor.La o anumita distanta de corp ,”valtoarea” se rupe si se misca mai departe ,formand “karman vortex street”.Aceasta consta din doua randuri miscand paralel unul cu celalalt ,cu o viteza fixa.Distantele “l” dintre fiecare valtoare si “h” dintre randuri sunt constante si valtoarea dintr-un rand se afla la jumatatea distantei dintre doua valtori din randul celalalt.Fig.12.12.(d).
Daca d este latimea varfului corpului ,atunci l =3,6h.Frecventa curgerii turbulente f este numarul valtoarelor produse de fiecare suprafata a varfului pe secunda.
f =S v1/d (rel.12.34.) ,unde v1 –viteza medie a corpului;d –latimea varfului; S –numarul lui Strouhal ,este adimensional.S este practic constant ,deci f este proportional cu v1 ,care constituie baza debitmetrului.
Provenienta factorului de masura:
Daca :Q rata debitului; A ,A1 –aria sectiunii transversal; v ,v1-vitezele fluidului;D –diametrul tubului
Daca fluidul se considera incompresibil ,conservarea ratei debitului este :Q =Av =A1v1 (rel. 12.35.)
Frecventa curgerii turbulente este : f =S v1/d (rel.12.36.),unde S este numarul lui Strouhal ,d –latimea varfului corpului (fig. 12.13. arata un corp rectangular).
Daca fluidul umple tubul => rel.12.38.
Din rel.12.35. si 12.38. ecuatia teoretica a factorului de masura este 12.39.
Aceasta ecuatie trebuie corectata pentru a se putea aplica in practica cu introducerea coeficientului k (corp fara varf) =>rel. 12.40.
k are valori diferite pentru diferite corpuri ;ex:k =1,1 pentru un cerc si 1,5 pentru un triunghi echilateral sau rectangular.
Caracteristici:
1.)Cercetarea arata ca numarul lui Strouhal este constant pentru un domeniu larg a numarului Reynolds.Aceasta inseamna ca pentru un debitmetru dat intr-un tub dat (D si d) si k factorul de masurare este practice independent de rata debitului ,densitate si vacozitate.Re este numarul lui Reynolds pentru corp v dƍ/η.
2.)Cercetarile experimentaleurmaresc gasirea formei optime a varfului corpului si localizarea raportului d/D.Rezultatele arata ca pentru o forma data cea mai mare si regulate amplitudine a curgerii se obtine pentru raportul d/D ce cauzeaza ca factorul de masura sa aiba o valoare minima.
Diferentiind functia :F(d/D) se poate arata ca valoarea minima pentru d/D =π/(8k) ,deci d/D =0,26 pentru un corp rectangular.
Acest lucru indica pentru un rectangular de dimensiuni d si l date prin rel.2.41: d/D =0,26 si l/d =0,66 ;produce o curgere mai tare decat un cerc ,triunghi sau alt rectangular.S-au dezvoltat acum debitmetrele cu forma corpului mult mai complexe.
3.)Acest tip de debitmetru da o frecventa de iesire proportional cu debitul ca si debitmetrele de tip turbine ,dar nu au parti mobile.
4.)Precizia este de =/- 0,75% din debitul actual pentru lichide si +/- 1,5% pentru gaze.Acesta este mult mai bun decat orificiile plane cu transmitator de presiune diferential ,dar nu este mai bun decat debitmetrele de tip turbine.
5.)Este de asemenea o pierdere continua de presiune ca si la orificiile plane sau la debitmetrele de tip turbine.
6.)Dimensiunile sunt mult mai simple decat la orificiile plane si au un domeniu mai bun ,tipic mai mic decat 8% din maxim.
7.)Marimea (dimensiunea) este limitata la diametrele tuburilor intre 5 si 20 de cm.
Sisteme de detectare
Curgerea turbulenta este caracterizata de variatia sinusoidala a vitezei fluidului si a presiunii in vecinatatea varfului corpului.Fig. 12.14. b,c,d arata semnale sinusoidale tipice in diferite curgeri.Fig. 12.14. a ,arata un semnal obtinut fara corp cu varf ,are o ezitare a vitezei.
Fig. 12.15. arata 4 corpuri cel mai des folosite ;la acestea se utilizeaza 3 metode diferite pentru detectarea valtoarei.
a.)Piezoelectric –fig.12.15. a0 ,arata un corp de forma T ,partea de jos nu este solid ,dar se umple cu fluid.Diafragma flexibila care este in contact cu fluidul detecteaza mici variatii de presiune in timpul curgerii turbulente.Aceste variatii de presiune se transmit la un sensor piezoelectric de presiune diferentiala si ne da informatii complete despre procesele din fluid.
Fig. 12.15 b) arata asezarea a doua corpuri cu varf in series au tandem.Valtoarea din partea de sus a corpului se misca spre partea de jos ,cauzand mari ezitari a presiunii.Variatiile presiunii sunt detectate de un sensor piezoelectric aflat in interiorul corpului.
b.)Termal –fig.12.15.c) ,arataun corp de forma aproximativ triunghiulara cu doi senzori termali semiconductori pe partea de sus a corpului.Senzorii sunt incorporate in circuite de temperatura constanta ,ce asigura un curent de incalzire de-a lungul fiecarui sensor,in acest fel sunt detectate miciile ezitari(vibratii) a vitezei din valtoare.
Ultrasonic – fig.12.15.b) ,arata un cilindru circular stramt ce creeaza un “von karman vortex street”.Transmiterea ultrasonic consta in trimiterea unei raze (semnal) ultrasonic de-a lungul drumului valtoarei.Valtoarea cauzeaza unde sonice admise pentru a fi modulate in amplitudine si in pas.
12.4. Masurarea debitului masic
Lichidele si gazelle ,ca si titeiul si gazelle natural si produsele hidrocarbonate sunt des transferate (transportate) printr-un sistem de tevi.Aceste produse sunt cumparate si trimise in unitati de masa ;trebuie stiuta exact masa M a fluidului ce va fi transferat intr-un tump T dat.Sunt 2 metode pentru masurarea lui M :in urma concluziilor(indirecta) si directa.
12.4.1. M etode indirect
Masa debitului Ṁ si masa totala M sunt calculate din debitul volumic si densitate ,folosind: Ṁ =ƍ Q; M =ƍ V.
La lichide pure ,densitatea depinde numai de temperature.Daca variatia temperaturii este unica ,ƍ se considera constant si M se calculeaza folosind doar masuratorile referitoare la volumul total obtinut de la un debitmetru mechanic.Daca variatiile temperaturii sunt mari ,atunci ƍ trebuie masurat.In ichide mixte ,densitatea depinde de ambele temperature si de compozitie si ƍ trebuie iarasi masurat.Situatia este similara la gaze pure ,unde ƍ depinde de presiune si de temperatura ;la gaze mixte densitatea depinde de presiune ,temperature si compozitie.Fig. 12.16. arata un system tipic bazat pe debitmetrul de tip turbine si un transducer conectat la un microcalculator digital.Debitmetrul de tip turbine da un semnal de iesire pulsatorie cu frecventa proportional cu debitul: f1 =kQ rel.12.41. unde k este factor de masura pentru debitmetrul de tip turbine.Transducerul,la fel da un semnal de iesire pulsatorie cu o frecventa f2 ce depinde de densitatea fluidului (neliniar).Fiecare semnal de impuls constituie un semnal de intrare pentru un contor; calculatorul citeste fiecare contor la inceput si in final intervalul de contorizare (masurare) ΔT.Calculatorul calculeaza f1 si f2 ,folosind rel. 12.43. ,unde N old si N new sunt numaratorile la inceputul si la sfarsitul lui ΔT.Q si ƍ se calculeaza din 12.41. si 12.42. folosind constanta transducerului K ,A ,B ,C aflate in memorie.Masa totala transferata in timpul T este :12.44. unde ƍ1 si Q1 sunt valorile lui ƍ,Q in intervalul de timp I a ΔT-ului.
12.4.2. Metode directe
La debitmetre directe ,iesirea elementului sensibil depinde de debitul masic a fluidului care parcurge debitmetrul.Aceste debitmetre sunt mai precise decat tipurile indirect.Cel mai popular debitmetru de masa directa folosit in zilele noastre se bazeaza pe efectul Coriolis.
Debitmetrul Coriolis:
Efectul Coriolis este prezentat in fig.12.17.a).Masa m se misca cu o viteza v de-a lungul unei bare ,bara se misca cu o viteza unghiulara ω de-a lungul axelor XY.Aceasta masa efectueaza o forta Coriolis de marimea (12.45.) si directia este perpendiculara pe vectorul vitezei liniare sip e vectorul vitezei unghiulare.
Fig.12.17.b) arata debitmetrul.Aici fluidul curge intr-un tub U ,ABCD ,ce se roteste cu o viteza unghiulara ω in jurul axelor XY.ω variaza sinusoidal cu timpul si cu frecventa constanta.Daca se considera un element de fluid de lungime Δx ,traversand AB cu o viteza v => masa Δm unde ƍ este densitatea fluidului si A aria suprafetei interne a tubului.Elementul dezvolta o forta Coriolis ΔF, in directia aratata.Forta total ape AB de lungime l ester el.12.46.
Partea CD a tubului dezvolta o forta egala in marime cu forta F dar are directive opusa cu F.In BC vectorul vitezei si vectorul vitezei unghiulare sunt paralele ,deci forta Coriolis este 0.Tubul U dezvolta moment resultant deviat T de-a lungul axei EF.In timp ce debitul masic M de-a lungul tubului este egal cu ƍAv ,avem rel. 12.47.Deci momentul este proportional cu debitul masic.Sub actiunea momentului T tubul U se curbeaza (se incovoaie) cu unghiul Ɵ. 12.48. ,unde c este rigiditatea elastic a tubului U.Unghiul Ɵ variaza sinusoidal cu timpul si ω variaza sinusoidal.
Fig.12.17.c) prezinta o metoda optica pentru masurarea lui Ɵ ,folosind senzori optici P si P’.In timpul t ,senzorul P’ detecteaza tubul in pozitia CB si emite tensiuni.Dupa un timp t +Δt ,senzorul P detecteaza tubul in pozitia C’B’ si emite iarasi pulsuri.Intervalul de timp Δt este mic in comparatie cu perioada oscilatiilor.Aceasta distant BB’=CC’ ,este parcurs de tub in Δt este uΔt ,unde u este viteza tubului pe BC.Aceasta depinde de viteza unghiulara a tubului ω.
Din diagram rezulta BB’=CC’=2rƟ.Eliminand pe Ɵ din 12.48 si12.49 =>12.50.Aceste debitmetre nu sunt folosite cu success pentru masurarea gazelor dar se foloseste pentru multe feluri de lichide care contin mici parti solide.Rata debitului (debitul) este intre 0.04 si 15 kg s-1 ,in tuburi de diametru intre 3 si 50 mm.Precizia este cam +/- 0.4% din citire si pentru o masura data avem un domeniu intre 5 -100% din debitul maxim.
12.5. Masurarea debitului in situatii dificile
Debitmetrele sunt potrivite pentru reducerea problemelor legate de masurare (90%).Exista un numar mic de situatii unde nu pot fi folosite.Aceste situatii in care nu se pot folosi debitmetre ,se caracterizeaza prin urmatoarele:
a)curgerea este laminara sau tranzitionala.
b)daca fluidele sunt produse toxice sau corozive
c)curgerile de tip multifaza sunt amestecuri de solide ,lichide si gaze.Exemple pentru aceasta din industrie sunt:amestec de nisip/apa;amestec de ulei/apa; gaz si amestec de aer/ solid si sisteme pneumatic
d)nu se admite astuparea sau scaderea de presiune
e)in cercetare este nevoie de un debitmetru portabil ,pentru a da indicatii temporare.Aceasta se afla in interiorul tubului ,atfel se evita inchiderea coloanei.
Partea 12.5 prezinta metodele cu care se pot rezolva aceste probleme.
12.5.1 Debitmetrul electromagnetic
Principiul de functionare se bazeaza pe legea lui Faraday al inductiei electromagnetice.Aceasta inseamna ca daca un conductor de lungime ɭ se misca cu o viteza υ ,perpendicular pe vectorului campului magnetic de densitate B,atunci tensiunea indusa E,intre cele doua capete a conductorului este: E=Bɭυ (rel.12.51) Deci daca un fluid conductor se misca cu o viteza oarecare ῡ de-a lungul unui tub cilindric perpendicular pe vectorul campului magnetic B,atunci tensiunea indusa intre electroni este:E=BDῡ (rel.12.52) unde D este distanta de reparare dintre electroni=diametrul tubului.Din ecuatie rezulta ca, campul magnetic este uniform de-a lungul tubului.Daca fluidul umple tubul atunci ῡ =Q/(π/4)=> E = Q (rel.12.53) Daca bobinele magnetice sunt antrenate cu un curent manual direct,atunci au loc mai multe fenomene(probleme):polarizatia(formarea stratului de gaz in jurul electronilor);efecte electrochimice si termoelectrice toate acestea construind tensiuni opuse(amestecate).Aceste problem se pot evita daca bobina magnetica se antreneaza cu un current alternativ de frecventa de 50Hz.Campul magnetivc induce o tensiune intre electori cu o amplitudine proportionala cu rata debitului (debitul).Aceasta tensiune …Aceasta problema se poate rezolva daca bobina este actionata cu un current continuu,ce pulseaza in perioade fixe.Figura 12.19 arata o forma de unda magnetic a campului magnetic B indusa de tensiunea E.Semnalul este amplificat cu un convertor analogic-digital de 12-bit si cu un microcalculator.Semnalul…de 5 ori in timpul fiecarei perioade de 400ms.Cu un proces corespunzator celor 5 valori se poate evita eroarea si se poate masura debitul.Cateva caracteristici principale ale debitmetrului electromagnetic: 1) Electrozii se afla in interioarul unui izolator care are diametrul egal cu diametrul tubului.Aparatul nu impiedica curgerea si este neglijabila pierderea de presiune.
2)Aparatul de masura se poate folosi numai in cazul fluidelor conductoare de electricitate mai mare decat 10mho ;exceptia facand de la regula gazelle si lichidele hidrocarbonate.
3)Are o precizie buna din curgerea (debitului)indicata,este independenta de variatia vitezei,presiunii,densitatii,temperaturii.
4)Domeniul vitezei este intre 0,5 si10 intr-un debitmetru dat;diametrul debitului variind intre 2 si 1200mm.
5)Consumul de energie este mai mic decat 30W.
12.5.2 Debitmetrul ultrasonic
La aceste debitmetre se folosesc senzori montati in afara tubului;deci nu este introdus in tub ceace implica folosirea lor la diverse lichide (curgeri).Doppler timpul transmitere si debitmetrul ultrasonic sunt prezentate in 16.4.
12.5.3Debitmetrul corelatie transversala
Schema debitmetrului este aratata in figura 12.19.Metoda de functionare se bazeaza pe cateva proprietati ale fluidului:densitatea,temperatura,viteza,conductivitatea.Aceste valori se schimba in mod…Aceasta proprietate este detectata in punctele A si B ale tubului.
Tensiunile de iesire al detectorului corespunzator sunt semnale aleatoare.In 6.2 este definite functia de corelare al semnalului singular ,in termini corespunzatori fiecarei valori a produsului a semnalului intarziat in timp Functia de corelare () intre doua semnale aleatoare este definit la fel in termini ale valorii medie a produsului a semnalului intarziat cu semnalele neintarziate .Rezulta din ref.12.54,unde este variabila de intarziere si T- timpul de observare.Figura 12.19 arata forma undei produs de si de semnalul intarziat este asemanator cu pentru diferite valori ale lui β.Se observa ca este asemanator cu cand τ,este timpul necesar parcurgerii distantei dintre A si B.Cu alte cuvinte functia de corelare (are valoare maxima candτ.Deci τ se poate masura gasind valoarea lui cand (are valoare maxima.Din rel. τ = L unde L este distant intre A si B ,se poate determina viteza medie ῡ si debitul Q.Rezultatele de mai sus se pot obtine cu analiza semnalului aleator.Fie semnalele aleatoare variatia lor in functie de timp nu se poate da explicit;deci rel.12.54 nu putem folosi pentru evaloarea lui (.In figura 12.20 este indicata lungimea tubului intre A si B ca un sistem cu o intrare si iesire si cu o functie de asteptare .Putem exprima in termini a lui folosind integrala:rel.12.55.Folosind relatiile 12.54 si 12.55 rezulta rel.12.56.Aceasta este functia de corelare transversal care se poate exprima cu integral care cuprinde si functia de autocorelare Daca lungimea tubului se reprezinta ajutorul timpului de intarziere τ = L ,atunci functia de asteptare este:rel.12.57.Deci functia de corelare transversal este o versiune a functiei de autocorelare.A fost remarcat ca semnalul are o densitate spectral de energie care este construita peste valoarea lui si este zero pentru frecvente inalte(ridicate).
=0
Functia de aucorelare este transformata Fouries al densitatii spedrale de energie.
=A
(= – τ) = A
Din figura 12.20 rezulta ca ( are valoare maxima τ.Pentru masurarea precisa a lui τ si ῡ este recomandat valoarea maximului exact.Aceasta inseamna ca τ poate sa aiba valoare mai mare decat latimea varfului.
Sisteme de detectare:
Principiile de mai sus sunt acceptate si in acesti ani majoritatea cercetarilor ce concentreaza deasupra dezvoltarii unor sisteme de detectare ce se pot folosi in situatii dificile de masurare.Tabelul 12.3 contine cateva dintre cele mai importante cercetari.
Tabelul 12.3
Electrozi la conducerea cur. Detecteaza vibratiile aleatoare Debite la lichide/solide si lichide/
alternativ in conductivitatea electrica la amestecuri de lichide
particulele solide
Capacitate traductoare Detecteaza vibratiile densitatii Masurarea vitezei solidelor in
sisteme gaz/solid
Pirometru cu radiatie pentru Detecteaza vibratiile aleatoare Masurarea debitului la
detectari in infrarosu ale intensitatii radiatiei temperaturi inalte
Ultrasonic Detecteaza modulatia fasciculului Masurarea debitului la
ultrasonic prin tulburarea curgerii lichide,gaze,sisteme lichid/gaz,
lichid/solid
Optice Detecteaza modulatia fasciculului Deschiderea canalului de fluid
de lumina la suprafetele ondulatiei Curgere prin…
sau turbulentei
Capitolul 12 ne da o prezentare … a sistemelor de detectare.Sistemul de detectare ultrasonic este cel mai raspandit in practica.In aceste sisteme sunt doua sau mai multe transmitatoare ultrasonic conectate.Orice tuburare in fluid:ca si tuburarea curgerii,prezenta particulelor solide sau bulelor de gaze modeleaza fasciculul ultrasonic in amplitudine si fara.Un semnal electric corespunzator se obtine cu … la receptor.Pentru lichide si pentru amestecul de lichide transmitatorul si receptorul se monteaza inafara tubului,deci metoda nu este “invasive”…O explicatie mai pe larg despre debitmetre ultrasonic este prezentata in capitolul 16.4.
Concluzii:
In capitolul 1 au fost prezentate principiile mecanicei fluidelornecesare pentru intelegerea masurarii debitului.Metodele de masurare a vitezei intr-un punc al fluidului au fost la fel studiate.Capitolul urmator a prezentat sistemele de masurare a debitului,cuprinzand debitmetrele diferentiale de per.debitmetrele mecanice si debitmetrele turbulente.Capitolul urmator a prezentat sistemele de masurare a mesei debitului,cuprinzand debitmetrele directe si indirect,si aparatul de masura Coriolis.In final au fost discutat masurarea debitului in conditii dificile folosind debitmetrele electromagnetice, ultrasonice,si de corelatie transversala.
Probleme:
12.1.Tubul pilot se foloseste pentru masurarea vitezei medie ῡ a unui gaz de presiune inalta,intr-un tub de diametru 0,15m.La debitul maxim presiunea diferentiala este de 250Pa.Folosind datele sa se calculeze:
a)viteza medie a gazului pentru debit maxim
b)aprecierea masei debitului maxim
c)aprecierea numarul lui Reynolds pentru debit maxim
d)sa se explice de ce un orificiu plan este mai convenabil pentru masurarea masei debitului gazului
e)fiind dat un transmitator de presiune diferentiala de domeniu intre 0 si 3Pa,se cere aprecierea diametrului orificiului(coeficientul de scurgere=0.6,factorul de extindere ,si viteza factorului de apropiere=1.0).
12.2.Un orificiu plat este folosit in legatura cu un transmitator de presiune diferentiala pentru a masura debitul apei intr-un tub de diametru 0,15m.Debitul maxim este 50densitatea apei kg si viscozitatea Pas
a)sa se explice dece un orificiu plat este mai bun in aceasta aplicatie.
b)aprecierea deametrului orificiului daca transmitatorul are un domeniu de intrare intre 0 si 1,25Pa
12.3.Se foloseste Venturi pentru masurarea debitului apei intr-un tub de diametru D=0,20m.Debitul maxim al apei este de 1,5,densitaea ,viscozitatea Pas.Venturiile au diametrele gitului …de 0,10m,0,14m si 0,18m.
a)sa se aleaga cel mai potrivit tub Venturi pentru aceasta aplicatie stiind ca presiunea diferentiala la debitul maxim este de aproximativ de 3 Pa.
b)sa se calculeza valoarea exacta a presiunii different.ce ia nastere in tub Venturi ales ,la debitul maxim.
Coeficientul de scurgere:C,unde d este diametrul gitului tubului Venturi,numarul lui Reynolds referitor la diametrul tubului.
12.4.Oxigenul de temperatura C si pes.Pa curge de-a lungul unui tub de diametru D=0,2m.Debitul maxim al oxigenului este de 3,6kg .sa se masoare acest debit folosind un orificiu plat in legatura cu …..de pes.diferentiala cu domneniu intre 0si 5Pa….12,1,rel.12.27si datele…:
a)explicate de ce un orificiu plat este mai potrivit pentru acest exemplu
b)sa se faca o apreciere initiala a diametrului orificiului
c)sa se calculeze valoarea cea mai precisa (exacta)a diametrului d,folosind doar o iteratie.
12.5.Un debitmetru tip turbine contine patru palete feromagnetice ce se rotesc cu o viteza unghiulara de ….data de relatia :unde Q este debitul volumic,numarul….de flux N legat de bobina transducer-ului magnetic este dat de relatia :unde …este unghiul dintre asamblarea unei palete si transducer.Domeniul debitului este intre 0,5 si 3,15.sa se calculeze aplitudunea si frecventa semnalului de iesire o transducer-ului la curgerea (debitul)minim si maxim.
12.6.Un cilindru circular de diametru d este instalat intr-un tub diametru D ca un corp cu varf atunci frecventa …..este dat de relatia unde Q este debitul fluidului,S- este numarul lui Strouhal.
Folosind aceste date sa se calculeze diametru cilindrului pentru un tub de 0,15m prin care circula apa cu debitul intre 0 si 1.
Traductoare de nivel
Sistemele pentru controlul nivelului sunt de patru tipuri: control într-un punct,Exemplu: menținerea unui rezervor plin cu lichid, fără ca acesta să depășească limita maximă sau minimă. Când lichidul atinge un nivel critic, traductorul de nivel activează o pompă sau deschide o supapă;
Control în două puncte,Exemplu: menținerea nivelului unui lichid dintr-un rezervor între două puncte.
Tipurile de traductoare compatibile cu aceste aplicații sunt aceleași ca pentru sistemele de control într-un punct.
Control în mai multe puncte și control continuu, care folosește traductoare cu semnal de ieșire continuu.
Traductoare de nivel cu plutitor
Sunt traductoare complexe: un plutitor dă informații despre nivel, un sistem mecanic transferă deplasarea plutitorului și un traductor de deplasare (rezistiv, reostatic, inductiv, cu senzor Hall).
Traductoarele de nivel cu plutitor se activează sau dezactivează după o cursă tipică de 3 mm.
Exemplu: indicatorul de benzină de la automobile.
Traductoare de nivel cu măsurarea greutății sau presiunii
Măsoară greutatea rezervorului cu un traductor de forță, sau diferența de presiune cu traductor de presiune, ambele mărimi liniar dependente de nivelul lichidului in rezervor.
Principala sursă de eroare este variația densității lichidului cu temperatura.
Adaptorul electronic folosit trebuie să asigure o decalare a originii de măsurare pentru a ține seama de greutatea rezervorului gol.
Aplicație a traductoarelor de nivel cu măsurarea presiunii: analiza și monitorizarea stabilității navelor, fără a măsura densitatea apei.
Traductoare de nivel cu sesizarea atingerii unui anumit nivel
O metodă des folosită este folosirea unui traductor de temperatură (termistor cu autoîncălzire) a cărui temperatură scade brusc în contact cu lichidul. Pentru lichidele conductoare, sesizarea atingerii unui nivel dat se face prin închiderea unui circuit, cele două contacte fiind în rezervor.
O extindere a metodei este traductorul de nivel numeric, realizat prin montarea unui lanț de contacte pe generatoarea rezervorului, obținând astfel cuantificarea nivelului funcție 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 profilați corespunzător, încât să existe o dependență liniară între capacitate și cantitate lichid.
Avantaje: funcționarea cu lichide sau pulberi conductoare sau izolante, semnal de ieșire în curent alternativ.
Traductoare de nivel cu ultrasunete
Măsoară durata de timp între momentul emisiei unui impuls ultrasonor și momentul recepționării impulsului reflectat de suprafața lichid – gaz. Stiind viteza sunetului în mediul de propagare, se determină distanța deci nivelul.
Metoda este folosită atât pentru lichide cât și 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 emițător transmite un fascicol de microunde în impulsuri spre lichid, care este reflectat, captat de o antenă și transmis receptorului. Timpul necesar fascicolului să ajungă de la emițător la receptor este o măsură a nivelului.
Traductoare de nivel optoelectronice
Detectează nivelul de lichid prin transmiterea unei radiații 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 și traductoare de nivel numerice cu FO la care s-a înlăturat îmbrăcămintea pe porțiuni de lungime identică însă poziționate după un cod (ex., codul Gray cu 6 biți). Lichidul asigură reflexia internă totală a RO pentru zonele cu FO fără înveliș.
Traductoare de nivel cu radiații nucleare
Măsoară nivelul lichidelor toxice, inflamabile, explozive, corozive, nefiind permisă trecerea electrică sau mecanică între interiorul și exteriorul rezervorului.
Sursa radioactivă este pe un plutitor, la suprafața lichidului.
Cu un detector din afara rezervorului, se măsoară intensitatea radiației (invers proporțională cu pătratul distanței sursă – detector) și atenuarea radiației de stratul de lichid al cărui nivel de determină.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Specializarea: Mecatronica [310292] (ID: 310292)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.