Studiul stadiului actual în domeniul controlului nivelului [621662]

3
CAPITOLUL 2
Studiul stadiului actual în domeniul controlului nivelului

2.1. Controlul nivelului în industrie
Noțiunea de nivel definește înălțimea de lichid sau de solid, granule sau pulbere,
măsurată raportat de la o referință fixă până la suprafața liberă. Nivelul se măsoară în unități de
lungime: m, dm, cm, mm.
Metodele și aparatele de măsurat nivelul depind de scopul ur mărit:
 pentru determinarea conținutului rezervoarelor și recipientelor, nivelul trebuie măsurat
în limite largi, cu precizie mare;
 pentru menținerea nivelului între anumite limite, limitele de măsură sunt mici și
precizia nu prea mare.
Există două grupe mari de aparate de măsurat , cunoscute și sub denumirea de nivelmetre ,
anume:
 aparate cu limite mari de măsură și cu punct zero la începutul scării;
 aparate cu limite mici de măsură și cu punctul zero la mijlocul scării.
Din punct de vedere al tipului const ructiv , aparatele de măsură a nivelului se împart în mai
multe categori i:
 aparate cu citire directă , cu sticle de nivel, cu plutitor cuplat prin panglică flexibilă,
având o precizie de ≈ 1 mm;
 aparate hidrostatice , cu măsurarea directă sau indirectă a presiunii produse de nivel,
având o precizie de ± 1 %;
 aparate gravitaționale , bazate pe variația greutății cu nivelul: aparate cu imersor, cu
vase comunicante mobile etc., având o precizie de ± (0,1…3) %;
 nivelmetre termice , cu elemente de dilatare, cu termometre, etc. , având o precizie
de ± (1,5…5) %;
 nivelmetre cu surse radioactive.
Măsurarea nivelului de lichid dintr -un rezervor se poate face folosind una din următoarele
[7]:
 metoda conductivității electrice, realizat ă prin măsurarea conductanței electrice între
doi electrozi montați în rezervor. Această metodă este simplă și ieftină, însă lichidul al
cărui nivel se măsoară trebuie să fie bun conductor electric și în mod obligatoriu
neinflamabil;
 metoda capacității ele ctrice, folosește principiul modificării capacității electrice între
doi electrozi montați în rezervor, sau între un singur electrod și peretele rezervorului –
dacă acesta este conductor electric. Această metodă este utilizată pentru măsurarea
nivelului li chidelor, pastelor și materialelor granulare izolate electric;
 metoda presiunii hidrostatice, are ca bază măsurarea presiunii hidrostatice exercitate de
coloana de lichid asupra rezervorului și în mod implicit asupra traductorului utilizat,
cunoscându -se relația presiunii hidrostatice
hg p . Dezavantajul acestei metode
este că densitatea lichidului se poate modifica odată cu modificarea temperaturii, deci
este necesar a se realiza o compensare a densității cu temperatura;

4
 metoda ultrasonică, ce constă în emiterea unui scurt impuls ultrasonic s pre suprafața
(oglinda) lichidului și măsurarea timpului după care ecoul impulsului ajunge la
traductorul de nivel. Distanța dintre sursa de semnal ultrasonic și suprafața lichidului
din rezervor se poate calcula folosind relația:
2vD , unde τ este timpul măsurat, iar
v este viteza sunetului în aer.
Dintre metodele prezentate mai sus, pentru cazul industriei alimentare este de preferat
ultima în primul rând pentru că este o metodă de măsurare fără contact (neinvazivă) și simplă ceea
ce imp lică o contaminare nulă a lichidului. Cu toate acestea, există câteva dezavantaje ale acestei
metode:
 în cazul în care la suprafața lichidului se formează spumă, aceasta acționează ca un
absorbant de sunet, constituindu -se ca o perturbație a procesului de măsurare a
nivelului;
 viteza sunetului în aer variază odată cu temperatura mediului ambiant, deci trebuie
făcută o compensare a variației, deoarece – ca și în cazul precedent – variația vitezei
sunetului reprezintă o perturbație ce influențează măsurarea n ivelului;
 trebuie luat în considerare că turbulența lichidului poate cauza fluctuații ale valorii
măsurate, implicând necesitatea medierii semnalului de la traductorul ultrasonic de
nivel.

2.2. Sisteme automate de conducere a proceselor
Utilizarea sisteme lor automate de conducere a proceselor urmărește atingerea următoarelor
aspecte:
 creșterea performanțelor de lucru ;
 ridicarea eficienței în utilizarea resurselor (umane, materiale, energetice, etc.);
 îmbun ătățirea calit ății produselor;
 eliminarea muncii fizice;
 eliminarea muncii in medii periculoase (toxice, cu pericol de explozie sau de producere
a unor accidente);
 evitarea unor activit ăți monotone și obositoare pentru om;
 eliminarea erorii umane;
 complexitatea procesului controlat impune utilizarea unor sisteme automate
caracterizate de:
o timp de reac ție mai scurt;
o putere de calcul mai mare.
Conducerea automată a unui proces constă în aducerea și menținerea mărimii de ieșire a
procesului la valoarea sau în vecinătatea unei mărimi de referință, în condițiile modificării în timp
a mărimii de referință și a acțiunii perturbațiilor asupra procesului condus.
Proiectarea unui sistem de reglare automată presupune rezolvarea unor probleme legate de
alegerea și dimensionarea elementelor componente, precum și interconectarea lor astfel încât să
fie realizate performanțele impuse sistemului. Prima etapă a proiectări i constă în definirea
obiectivelor propuse a fi realizate de sistem, ținând seama de tipul procesului, de condițiile
tehnologice de funcționare a acestuia, respectiv de restricțiile impuse în funcționare. A doua etapă
constă în definirea mijloacelor și a m etodelor disponibile pentru realizarea obiectivului respectiv

5
propus. Găsirea unor soluții optime pentru sistemul de reglare, ținând seama de scopul propus,
reprezintă cea de -a treia etapă a proiectării. Cunoașterea cât mai exactă a procesului supus
automa tizării, a modelului său matematic reprezintă una din problemele cele mai dificile ale
proiectării riguroase a unui sistem de reglare automată. Se impune cunoașterea mărimilor de intrare
și a mărimilor de ieșire esențiale ale procesului, perturbațiilor car e acționează asupra procesului și
locul unde acestea acționează. Se cer de asemenea mărimile prin intermediul cărora se pot obține
informații semnificative asupra stării procesului (observabilitatea). Restricțiile funcționale proprii
fiecărui proces pot de asemenea fi precizate, astfel încât informația apriorică despre procesul supus
automatizării să fie cât mai completă. În cea ce privește stabilirea criteriilor de performanță ce
trebuie satisfăcute, aceasta se face în funcție de tipul sistemului automat c are poate fi de stabilizare,
de urmărire sau de conducere optimală.
Sistemele automate de conducere au prezentat în timp următoarea evoluție [11], direct
dependentă de gradul de cunoaștere și progres al societății tehnice:
 sisteme mecanice de reglaj (ex: c ontrol nivel lichid);
 sisteme hidraulice și pneumatice;
 sisteme electrice (relee, transformatoare, aparate de măsură);
 sisteme electronice (regulatoare analogice, filtre, circuite de amplificare/atenuare) ;
 sisteme automate standardizate – prin semnale unif icate (0 … 10 V, 4 … 20 mA);
 sisteme digitale utilizate în controlul proceselor (automate programabile,
secvențiatoare digitale, etc.);
 sisteme de calcul utilizate in urmărirea si conducerea proceselor (sisteme de calcul
dedicate, procesoare de semnal, microcontrolore).
În practica inginerească , sistemele automate de conducere a proceselor pot fi clasificate
astfel [ 8]:
 după dependența dintre mărimile de intrare și ieșire:
 sisteme automate liniare când dependențele sunt liniare;
 sisteme automate neliniare, când cel puțin un element al sistemului e neliniar;
 după modul de prelucrare al semnalelor:
 sisteme automate continue, la care mărimile sunt funcții continue de timp;
 sisteme automate discrete, la care cel puțin una din variabi lele sistemului are o
variație discontinuă;
 după modul de variație al mărimilor de intrare și ieșire:
 sisteme de reglare automată, la care mărimea de intrare este constantă;
 sisteme cu program, la care mărimea de intrare variază în timp după un program
prestabilit;
 sisteme de urmărire, la care mărimea de intrare variază arbitrar, având un
caracter aleator (necunoscut în prealabil);
 după numărul mărimilor de ieșire:
 sisteme automate cu o singură ieșire;
 sisteme automate cu mai multe ieșiri;
 sisteme automa te multivariabile;
 după numărul de bucle principale (cele secundare se formează datorită reacțiilor
locale):

6
 sisteme cu o singură buclă principală;
 sisteme de reglare în cascadă, la care există mai multe bucle principale;
 după viteza de răspuns a instala ției tehnologice a procesului:
 sisteme automate pentru procese rapide, la care constantele de timp ale
procesului au valori sub 10 secunde (cazul acționărilor electrice);
 sisteme automate pentru procese lente, la care constantele de timp ale
procesului au valori peste 10 secunde (cazul instalațiilor tehnologice de reglare
a temperaturii, nivelului, presiunii, concentrației, etc.);
 după natura fizică a agentului de lucru:
 sisteme automate pneumatice;
 hidraulice;
 electrice;
 mixte;
 după caracteristicile const ructive ale dispozitivului de automatizare:
 sisteme automate unificate, la care elementele componente ale dispozitivului de
automatizare au la intrare și ieșire mărimi de aceeași natură și cu aceeași gamă
de variație;
 sisteme automate specializate, la care condiția anterioară nu este îndeplinită.
Automatizarea conducerii proceselor, practic sarcina reglării automate, poate fi definită
astfel [11]: reglarea este acel proces, îndeplinit manual sau automat, prin care o mărime fizică este
menținută la o valoare prescrisă constantă (referința), sau își schimbă valoarea în intervale de timp
date conform unui anumit program, luând astfel o succesiune de valori prescrise.
Mărimea care trebuie menținută la valoarea prescrisă este cunoscută sub denumirea de
mărime reglată : temperatura, debitul, turația, tensiunea electrică, nivelul dintr -un rezervor.
Mărimea de execuție este mărimea obținută la ieșirea organului de execuție și cu ajutorul căreia se
poate influența ușor mărimea reglată, pentru a o aduce la valoarea dorită:
 dacă se cere ca într -un cuptor cu gaz să fie menținută constantă temperatura, aceasta
din urmă poate fi influențată în sensul dorit, (creșterea sau scăderea) prin modificarea
debitului de gaz de ardere. În acest, caz mărimea reglată este temperatura, iar mărimea
de execuție este debitul de gaz;
 dacă se urmărește menținerea constantă a turației unui motor de curent continuu, pentru
variația turației în sensul dorit se variază curentul de excitație al motorului. Deci
mărimea reglată este, în acest caz, turația, iar mărimea de execuție este curentul de
excitație al motorului.
O reglare este necesară numai atunci când mărimea reglată nu poate rămâne constantă, de
la sine, la valoarea dorită, și are tendința de a -și modifica valoarea, de a se a bate mai mult sau mai
puțin în urma unor efecte perturbatoare externe sau interne. Perturbațiile sau mărimi le
perturbatoare sunt definite influențe externe sau interne care sunt cauzele abaterilor valorilor
instantanee ale mărimii reglate de la valoarea pr escrisă. La reglarea unei anumite mărimi se
exercită influența uneia sau mai multor mărimi perturbatoare: presiunea variabilă a gazului,
puterea calorică variabilă a gazului, temperatura diferită a mediului ambiant, cantitatea variabilă
de căldură absorbit ă de cuptor etc. La reglarea turației motorului de curent continuu se exercită
influența unor perturbații diferite: tensiunea variabilă de alimentare a motorului, variația cuplului

7
de sarcină cerut de mașina de lucru antrenată de motorul respectiv, variați a rezistenței electrice cu
temperatura etc.
De regulă, efectul influenței uneia dintre mărimile perturbatoare este predominant, iar
această perturbație este considerată ca principală și acțiunea de reglare se manifestă în sensul
abaterii mărimii reglate d e la valoarea prescrisă sub influența perturbației principale.
Pentru orice operație de reglare trebuie să se cunoască următoarele : mărimea reglată ,
mărimea de execuție cea care caracterizează cel mai bine evoluția procesului, numărul, natura și
evoluția mărimi lor perturbatoare cât și care dintre acestea are efect predominant.
Pentru realizarea funcției de control al nivelului într -un rezervor, se poate apela și la metoda
de reglare manuală, unde trebuie să se cunoască în permanență valorile instantanee ale nivelului ,
adică trebuie să se folosească un element de măsurat , de regulă un aparat de măsură cu ajutorul
căruia să se citească valoarea mărimii reglate, în fiecare moment. De exemplu , [11] dacă instalația
de automatizat este un cuptor cu gaz, operatorul uman citește în permanență indicațiile aparatului
de măsurat (termometru) și compară în mod continuu valorile instantanee ale mărimii reglate
(temperatura) cu valoarea prescrisă, constantă. Dacă rezultă o abatere, el acționează organul de
execuție (de exemplu manevrează robinetul), cu ajutorul căruia modifică mărimea de execuție
(debitul de gaz) deci mărimea de ieșire (temperatura). În cazul când valoarea prescrisă a mărimii
reglate nu este atinsă încă (−), valoarea instantanee a mărimii reg late trebuie mărită (+), iar în cazul
când valoarea prescrisă este depășită (+), valoarea instantanee trebuie micșorată (−). Pentru aceasta
variația mărimii de execuție care depinde de abaterea mărimii reglate, își va schimba semnul în
raport cu semnul aba terii. Astfel, la creșterea temperaturii operatorul reduce admisia de gaz, pe
când la scăderea temperaturii o crește. Operatorul execută o inversare a efectelor, care formal se
exprimă prin schimbarea semnului mărimii de execuție. La reglarea manuală funcț iile de citire a
valorilor mărimii reglate și a celei prescrise, de comparare continuă a acestor valori și de luare a
deciziei privind intervenția asupra organului de execuție revin operatorului și depind de calitățile
senzoriale ale acestuia, de îndemânar ea sa. Chiar și în cazul unui operator experimentat, calitatea
reglării manuale depinde în mare măsură starea momentană a acestuia, și este afectată de
imprecizia unor citiri ale aparatelor de măsurat, de timpul de reacție al operatorului, de obligația
de a urmării aparatele indicatoare chiar în timpul când manevrează organul de execuție etc.; se
evidențiază astfel imperfecțiunile unei reglări manuale.
Reglarea automată este folosită în cazul proceselor mai complicate, la care precizia cerută
operațiilor de reglare crește, iar alți indicatori specifici procesului respectiv fac imposibilă prezența
operatorului uman (de exemplu, viteza mare de variație a parametrilor reglați, determinarea
implicită a variației acestora din variația altor mărimi fizice, funcțio narea la valori înalte a unor
parametri ca tensiunea electrică, presiunea aburului etc. sau în medii nocive etc.) se impune
eliminarea operatorului uman ca intermediar între aparatele de măsurat și organul de execuție și
înlocuirea sa printr -un dispozitiv care să execute automat și în aceeași succesiune operațiile.
Regulatorul automat – dispozitivul care elimină intervenția omului din procesul de reglare și
funcționează fără operator. Dacă regulatorul este bine ales și corect utilizat, el își exercită funcț ia
mult mai bine ca operatorul om deoarece: reacționează mai repede, lucrează mai uniform și cu
precizie oricât de bună.
Prin conducerea automată a proceselor, operațiile îndeplinite de operator sunt preluate de
dispozitivele din componența sistemului de reglare automat. Acesta cuprind următoarele:
elementul cu care se măsoară (traductorul) valoarea mărimii de proces, elementul de comparație,
regulatorul automat și elementul de execuție (actuatorul) .

8

Fig. 2.1. Schema generală a unui sistem automat de co nducere

În Fig. 2.1. avem:
– r, mărime de referință;
– ε, eroarea;
– u, mărime de comandă;
– m, mărime de execuție;
– z, mărime măsurată;
– v, perturbație;
– y, mărime de proces.
Ansamblul format din procesul supus automatizării și mijloacele tehnice ce asigură
automatizarea acestuia constituie un sistem automat, a cărui reprezentare funcțională este dată în
figura de mai sus (Fig. 2. 1).
Procesul condus, reprezentat ca sistem cu intrarea m și ieșirea y, este supus acțiunii u
generate de către sistemul conducător (echipamentul de automatizare) și acțiunilor mărimilor
externe sistemului v (perturbații le).
Astfel, mărimea de proces y este măsurată și convertită în informație disponibilă a fi
prelucra tă, cu ajutorul traductorului. R egulatorul prelucrează mărimea de referinț ă r și semnalul
provenit de la traductor z, generând comanda u în scopul asigurării evoluției mărimii d e proces y,
conform programului impus prin r, indiferent de acțiunea perturbației v. Comanda u asigură prin
intermediul elementului de execuție (actuatorului) modificarea corespunzătoare a sursei de energie
a instalației tehnologice, în sensul realizării evoluției dorite a variabilei y. Mărimea de execuție m,
obținută la ie șirea elementului de exec uție, define șe fluxul de energie spre spre instalația
tehnologică. Este de remarcat faptul că, prin intermediul regulatorului, elementului de execuție și
traductorului se asigură evoluția instalației tehnologice, în conformitate cu programul impus prin
r. Operatorului uman în acest caz îi revine sarcina de a stabili programul după care să evolueze
mărimea de proces .
Întrucât variabilele de proces și de execuție sunt specifice fiecărui proces , cel mai adesea,
cele două componente ale structurii prezentate, d irect conectate la proces, traductorul și elementul
de execuție pot fi incluse în cadrul procesului condus .
Regulatorul prelucrează referința r și ieșirea măsurată z și eroarea ε, urmând legea proprie
de reglare (algoritm de lucru sau lege de comandă). Semnalul de eroare ε se calculează astfel:

tyrt
(2.1)

Sistemul prezentat în Fig. 2.1. îndeplinește funcția de reglare dacă, indiferent de ac țiunea
perturbați ei (sau perturbațiilor) v este satisfăcută relația:

(2.2)
0 lim
t
t

9
Sistemul din Fig. 2.1. face parte din categoria sistem elor de reglare automată, acestea
putând fi clasific ate după scopul final al funcției de reglare, astfel:
 sisteme de rejecție a perturbațiilor sau cu referință fixă, în cadrul cărora funcția
de reglare urmărește în final realizarea mărimii de ieșire y la o valoare constantă egală
cu referința r, independent de natura perturbațiilor ;
 sisteme de urmărire, în cadrul cărora funcția de reglare are ca efect final urmărirea cât
mai fidelă de către mărimea de proces a mărimii de referință .
Sistemele de reglare automată permit realizarea unor regimuri de funcționare prescrise, fie
sub forma unor programe fixe, fie sub forma unor programe ce se impun a fi urmărite de proces.
Prin automatizarea unui proces, înțelegem ansamblul de funcții generate de un echipament de
automatizare, în scopul asigurării evoluției dorite a procesului. În afară de funcția de reg lare, în
cadrul automatizării includem funcțiile de pornire automată, oprire, interblocare, protecție,
semnalizare, supraveghere etc, funcții menite să asigure desfășurarea procesului în mod automat,
fără intervenția operatorului, în condiții de maximă sig uranță la cerințe de performanța prestabilite.
Realizarea acestor funcții presupune existența unor mijloace tehnice corespunzătoare și metode
specifice de proiectare a structurilor destinate automatiză rii proceselor.
La modul general, p roblematica a utomaticii cuprinde:
 conceperea structurilor și strategiilor optime pentru conducerea proceselor ;
 introducerea pe un s uport hardware corespunzător a strategiilor de conducerea
proceselor .
Proiectarea sistemelor de reglare automată pornește cu o primă etapă ce presupune alegerea
și dimensionarea elementelor de execuție și a traductoarelor. Aceste echipamente de automatizare
se aleg și se dimensionează în funcție de particularitățile proceselor, de sursele de energie ale
procesului, de particula ritățile perturbațiilor ce acționeazăasupra acestuia și de natura fizică
a variabilelor măsurate precum și de performanțele generale impuse sistemului de reglare.
Alegerea echipamentelor hardware pentru introducerea strategiei de reglare re prezintă o altă etapă
în realizarea unei soluții de automatizare. Găsirea unei s oluții de automatizare este determinată de
tipul procesului, de particularitățile și complexitatea acestuia, de gradul de cunoaștere al
procesului și de cerințele de pe rformanță impuse acestuia.
Ca linii generale în aprecierea performanțel or unui sistem automat de conducere a
proceselor, se pot menționa :
 un sistem de conducere automată este cu atât mai bun cu cât este capabil să transmită
o comandă de la intrare spre i eșire (instalația de automatizat), într -un interval de timp
cât mai mic și cu deformări reduse;
 un sistem de conducere automată este cu atât mai bun cu cât este mai puțin sensibil la
modificări constructive ale elementelor componente și la perturbațiile ce apar în
instalația de automatizat;
 sistemele automate sunt aproape în totalitate în circuit închis, dar pot fi întâlnite
anumite situații acesta poate lucra necontrolat, stare ce se caracterizează prin aceea că
semnalele prelucrate și transmise au o var iație periodică în timp, variație ce nu e o
consecință a comenzilor date și care e cunoscută sub denumirea de instabilitate. Dar,
cum această stare de instabilitate este incompatibilă cu o funcționare corectă a
sistemului, se impune ca o primă condiție de realizare a unui sistem de conducere
automată, asigurarea stabilității acestuia;

10
 din punct de vedere tehnic, performanțele și stabilitatea sistemelor manifestă caractere
opuse deoarece, cu cât performanțele unui sistem sunt mai bune, cu atât se manifestă
mai puternic tendința sistemului de a deveni instabil. Deoarece performanța și
stabilitatea sistemelor sunt condiții care trebuie îndeplinite simultan, e necesar ca în
practica inginerească să se facă un compromis între cele două cerințe.
În ceea ce prive ște semnalele utile și semnalele perturbatorii (perturbațiile) ce sunt prezente
în sistemele automate de conducere, acestea sunt concretizate prin mărimi fizice ce pot să apară la
intrarea, în interiorul sau la ieșirea unui sistem, fără a ține seamă de nat ura lor fizică, dar măsurarea
acestora ne dă o serie de informații asupra elementelor sistemului. Informațiile culese de la
semnalele și perturbațiile ce apar și sunt transmise de sisteme, pot duce la o serie de concluzii
referitoare atât la calitatea și c omportarea acestora, cât și la modul în carea ele sunt prelucrate.
Între noțiunea de semnal și perturbație există doar o diferență simbolică de esență, în sensul
că un semnal poate fi realizat practic, pe când o perturbație nu poate fi analizată decât pe baze
statistice, în funcție de locul și perioada de apariție. Într -un sens restrâns un semnal este fizic
realizabil și dorit șă fie prezent într -un sistem, pe când o perturbație este nedorită în sistemul
respectiv. În general, perturbațiile sunt semnale c e au un caracter imprevizibil, întâmplător, din
cauza faptului că atât evoluția în timp a sistemului cât și efectul perturbațiilor ce apar în sistem
sunt imprevizibile, adică întâmplătoare.

2.3. Traductoare
2.3.1. Caracteristici generale
Senzorul este un echipament care permite captarea unei informa ții con ținută de un obiect
sau manifestarea unui fenomen ( sensor în engleza, capteur în francez ă). Senzorii se substituie
celor cinci sim țuri ale omului (v ăzul, auzul, pip ăitul, mirositul și gustul) pentru m ăsurarea
cantitativ ă a mărimilor fizice ale unui obiect sau în detectarea fenomenelor insesizabile omului. În
sens larg, senzorul este un element capabil s ă efectueze o conversie. Traductorul este un dispozitiv
care transform ă un anumit tip de semnal – sonor, electric, luminos – în semnal electric, conform
unei legi determinate.
O măsurare este un procedeu prin care un observator determin ă cantitatea ce caracterizeaz ă
proprietatea unei st ări sau a unui obiect. Cantitatea ce trebuie determinat ă este m ărimea de interes
principal ă a măsurarii. Caracteristicile fizice ale semnalelor depind de tipul instrumentului folosit.
Atunci c ând sunt folosite instrumente electronice, semnalul de ie șire este un poten țial electric.
Acest semnal poate fi convertit în valori digi tale. În orice caz, m ărimile fizice sau chimice originale
sunt convertite în forme convenabile, cum sunt un po țential electric sau o valoare numeric ă. Pentru
a descrie corect m ărimile de m ăsurat la ie șirea unui instrument, trebuie definit ă o rela ție între
semnalul de ie șire de la instrument și mărimea de m ăsurat care reprezint ă semnalul de intrare.
Termenul de m ăsurare implic ă întreaga procedur ă prin care m ărimea de m ăsurat este corect
determinat ă.
Într-o măsurare, semnalul este componenta variabilei ce conține informa ția despre
mărimea de m ăsurat, în timp ce zgomotul este componenta ce nu este legată de m ărimea de
măsurat. Astfel, într-o măsurare, semnalul este componenta dorit ă, iar zgomotul componenta
nedorit ă. Un sistem de m ăsurare con ține un traductor și un instrument electric a șa cum este aratat
în Fig. 2. 2. Mărimea fizic ă ce caracterizeaz ă obiectul de m ăsurat este detectat ă de către traductor
și este transformat ă într-o cantitate electric ă, care este afi șată prin intermediul unui inst rument
electronic adecvat care transfer ă rezultatul observatorului.

11

Fig. 2.2. Schema generală a unui sistem de măsurare

În Fig. 2.2. avem:
1 – obiectul sau mărimea de măsurat;
2 – traductor electronic;
3 – instrument electronic de măsurare;
4 – instrument de afișare a mărimii măsurate.
Traductorul este o parte esen țială a sistemului de m ăsurare, deoarece calitatea sistemului
de m ăsurare este determinat ă în cea mai mare parte de performan țele traductorului utilizat. De
exemplu, raportul semnal -zgomot este determinat întotdeauna în principal de traductor, în masura
în care la interfe țe sunt folosite circuite electronice adecvate. Rolul traductorului este acela de a
furniza informații referitoare la valoarea curentă a mărimii reglate, prin procedeul de măsurare.
[12]:
Din punct de vedere structural, un traductor este compus din:
 elementul sensibil (senzorul), care preia mărimea ce t rebuie măsurată și transformă
într-o mărime de natură mecanică, de obicei o deplasare;
 adaptorul, care transformă mărimea mecanică într -o mărime electrică sau pneumatică,
ce poate fi ulterior prelucrată în cadrul sistemelor automate.
Adaptorul realizeaza , de asemenea, amplificarea și, uneori, filtrarea semnalului de intrare,
primit de la senzor cât și compensarea comportamentului neliniar al senzorului.
Semnalul transmis de traductor poate fi:
 analogic :
o în tensiune: 0…5 V, 0…10 V sau -5…+5 V;
o în curent: 2…10 mA sau 4…20 mA;
 numeric :
o logic: 0 sau 1;
o în impulsuri:
 cu frecven ța variabil ă;
 cu lățime de impuls variabil ă.
După principiul de func ționare, traductoarele sunt de două tipuri:
 traductoare parametrice, la care semnalul neelectric, aplicat la intrare, determin ă
modificarea unei propriet ăți electrice (parametru electric) al traductorului, cum sunt
rezisten ța electric ă, capacitatea electric ă, inductan ța, etc. Aceasta reprezint ă o
convertire pasiv ă. Punerea în eviden ță a modific ării parametrul ui electric necesit ă
existen ța unei surse exterioare de energie (spre exemplu: termorezisten ța,
fotorezisten ța);

12
 traductoare generatoare , la care semnalul neelectric, aplicat la intrare, determin ă
generarea unei tensiuni electromotoare. Convertirea unei energii de un anumit fel î n
energie electric ă este o convertire activ ă. Punerea în eviden ță a mărimii de la ie șirea
traductorului nu necesit ă existen ța unei surse exterioare de energie (spre exemplu:
termo cuplul, elementul fotovoltaic).
Diferitele ti puri de m ărimi de m ăsurat necesit ă diferite tipuri de traducto are.
În majoritatea sistemelor de m ăsurare, semnalul de ie șire al sistemului de masur ă poate fi
determinat în întregime în func ție de semanlul de intrare al m ărimii de m ăsurat la un moment dat,
dacă modificarea m ărimii de m ăsurat este suficient de lent ă. Într-o asemenea situa ție, rela ția
semnal de ie șire – semnal de intrare a sistemului de m ăsurare poate fi determinat ă în mod unic,
indiferent de trecerea timpului. M ărimea de m ăsurat și caracteris ticile care reprezint ă relația între
semnalul de ie șire al sistemului de m ăsurare și mărimea de m ăsurat sunt numite caracteristici
statice.
Aprecierea performanțelor unui traductor se poate face pe baza urmatoarelor caracteristici:
[12]:
 sensibil itatea unui traductor sau a unui sistem de m ăsură să fie mare atunci c ând o
modificare mic ă a mărimii de mă surat provoac ă o modificare important ă a semnalului
de ie șire. În unele cazuri, sensibilitatea este definit ă ca raportul între semnalul de ie șire
și semnalu l de intrare. Sensibilitatea poate avea o valoare constant ă atunci c ând
modificarea semnalului de ie șire este legat ă liniar de modificarea m ărimii de m ăsurat.
Sensibilitatea însă nu este constant ă atunci c ând răspunsul este neliniar; în acest caz
sensibilitatea depinde d e valoarea absolut ă a mărimii de m ăsurat;
 rezolu ția es te cea mai mic ă valoare a m ărimii de m ăsurat care poate fi distins ă în
semnalul de ie șire al sistemului de m ăsurare. O modificare a m ărimii de m ăsurat care
este mai mic ă decât rezoluția sistemului de m ăsurare nu produce o modificare
detectabil ă a semnalului de ie șire care s ă fie deosebit de zgomot. Valoarea numeric ă a
rezolu ției este mic ă atunci c ând rezolu ția este mare. Rezolu ția are acelea și dimensiuni
ca și mărimea de m ăsurat;
 reproductibilitatea arat ă cât de apropiate ca valoare sunt semnalele de ie șire atunci c ând
este masurat ă repetat aceea și mărime. Cantitativ, reproductibilitatea unui sistem de
măsurare este definit ă ca domeniul m ărimii de m ăsurat pentru care m ăsurările
succesive ale m ărimii respective sunt cuprinse cu anumit ă probabilitate în acel
domeniu. Dac ă nu este specificat nivelul probabilit ății, atunci este sub înteles s ă fie de
95%. Atunci c ând domeniul este îngust , reproductibilitatea este mare. Termenul de
repetabi litate este folosit pentru a exprima conceptul de reproductibilitate, dar
repetabilitatea este înțeleas ă ca reproductibilitatea într-un interval scurt de timp atunci
când ace ști termeni sunt distinc ți;
 domeniul de m ăsură este întreg domeniul m ărimii de m ăsurat pentru care sistemul de
măsurare lucreaz ă la performan ța nominal ă a sistemului de m ăsurare respectiv. Astfel,
domeniul de m ăsură depinde de exigen țele de performan ță cum sunt sensibilitatea,
rezolu ția sau reproductibilitatea. Daca exigen țele sunt mar i, domeniul de m ăsură este
îngust. Uneori sunt specificate domenii de m ăsură diferite pentru cerințe diferite.
Domeniul de m ăsură stabile ște modificarea maxim ă a mărimii de m ăsurat at ât timp c ât

13
este respectat ă performan ța nominal ă a sistemului de m ăsura. Pe de alta parte,
modificarea minim ă detectabil ă a mărimii de m ăsurat este dat ă de rezolu ție;
 liniaritatea arat ă cât de aproape de o linie dreapt ă este rela ția semnal de ie șire – semnal
de intrare într-un sistem de m ăsurare. În func ție de linia dreapt ă care este luat ă în
considerare, sunt folosite diferite defini ții ale liniarit ății. Astfel, linia dreapt ă poate fi
definit ă prin rela ția semnal de ie șire – semnal de intrare prin metoda celor mai mici
pătrate; alte linii drepte determinate prin prin metoda cel or mai mici p ătrate pot fi
obligate să treac ă fie prin origine, fie prin punctul terminal sau prin am ândou ă. Atunci
când se folose ște linia dreapt ă care trece prin origine, liniaritatea specific ă acestei
defini ții este numit ă liniaritate cu baza zero sau propor ționalitate. Ca o m ăsură
cantitativ ă a liniarit ății, se poate utiliza abaterea maxim ă a curbei semnal de i șsire –
semnal de intrare de la linia dreapt ă. Totu și, în mod conven țional, pentru a indica
aceast ă valoare este f olosit termenul de neliniaritate, deoarece valoarea numeric ă este
mare atunci c ând abaterea rela ției semnal de ie șire – semnal de intrare de la o dreapt ă
este semnificativ ă. Atunci c ând liniaritatea este mare (sau neliniaritatea este mic ă,
relația semnal de ie șire – semnal de intrare poate fi considerat ă o linie dreapt ă, și astfel
sensibilitatea poate fi considerat ă constant ă. Pe de alta parte, atunci c ând liniaritatea
este scazut ă (sau neliniaritea este mare), sensibilitatea depinde de nivelul semnalului
de intrare. De și este de dorit o liniaritate c ât mai mare în majoritatea sistemelor de
măsurare, sunt posibile măsurări precise chiar la un r ăspuns neliniar, în măsura în care
relația semnal de iesire – semnal de intrare este pe deplin determinat ă. Folosind un
computer, se poate estima semnalul de intrare la fiecare interval de testare, atunci c ând
este cunoscut ă relația semnal de ie șire – semnal de intrare .

2.3.2. Traductoare de nivel
2.3.2.1. Traductor de nivel cu plutitor și imersor
Acest tip de traductoare transformă variatia nivelului într -o deplasare pe verticala a
elementului sensibil, care apoi se transmite în afara vasului de lichid. În timp ce plutitorul are
adâncime de scufundare constanta si o deplasare egala cu variatia nivelului de l ichid, imersorul
are o adâncime de scufundare variabila si o deplasare proportionala cu variatia nivelului de lichid,
dar mult mai mica decât aceasta. Asupra plutitorului actioneaza 2 forte , si anume greutatea proprie
si forta arhimedica, în timp ce asupr a imersorului mai intervine si o forta elastic proportionala cu
deplasarea imersorului, realizata, de obicei, prin torsionarea unui tub elastic (tub de torsiune) care
îndepline ște și rol de etanșare. [ 12]

a. b.

Fig. 2.3. Traductor de nivel cu imersor
a. schema de principiu b. model constructiv

14
În Fig. 2.2. a avem:
I – imersor;
P – pârghie;
TT – tub de torsiune;
AD – adaptor;
R – rezistență;
h- nivel de lichid în rezervor;
α – deplasare unghiulară.
Deplasarea pe verticală a tubului de torsiune este dată de relația:

id
Skhh

1
(2.3)

unde: h – adâncimea de scufundare a imersorului;
k – constanta elastică a tubului de torsiune;
Si – secțiunea transversală a imersorului;
γ – greutatea specifică a lichidului,
iar deplasarea unghiulară a tubului de torsiune este dată de:

bh
Sk
i


11
(2.4)

unde: b – lungimea brațului orizontal de transmitere a mișcării de la imersor la axul tubului de
torsiune.
Principalele erori de măsurare sunt date de variația densității lichidului, de modificarea în
timp a caracteristicilor elastice ale tubului de torsiune și de variația secțiunii imersorului din cauza
depunerilor de material. În aplicațiile practice, traduct oarele cu plutitor se pot utiliza pentru variații
ale nivelului până la 20 m, iar cele cu imersor până la 2…2,5 m. Traductoarele cu plutitor se
folosesc mai frecvent în cadrul sistemelor de măsurare, semnalizare și reglare bipozițională, iar
cele cu imerso r în cadrul sistemelor de reglare continuă a nivelului.

2.3.2.2. Traductorul hidrostatic
Traductorul hidrostatic funcționează pe baza dependenței presiunii hidrostatice de nivelul
lichidului din vas sau de nivelul de interfață a două lichide. Dacă lichidul din vas este coroziv,
pentru evitarea contactului acestuia cu elementul sensibil al trad uctorului se utilizează varianta cu
lichid de separare (apă, ulei etc.). Separarea mediilor se face, de regulă, prin intermediul a două
vase cu membrană de separație ( Fig. 2.4 ). [11]

15

a. b.
Fig. 2.4. Traductor de nivel hidrostatic cu vase de separare
a. schema de principiu b. model constructiv

În Fig. 2.4.a avem:
TPD – traductor de presiune diferențială;
VS1, VS2 – vase separatoare;
h – nivelul de lichid ce trebuie măsurat.
Între presiunea diferențială p1 – p2 și nivelul din vas h, se poate scrie relația (2.5) :

h pppd  2 1
(2.5)

unde: γ – greutatea specifică a lichidului din vas.

2.3.2. 3. Traductor cu ultrasunete
Funcționarea acestui tip de traductor are la bază proprietatea undelor ultrasonice de a fi
reflectate de suprafața de separație între două medii lichide cu densități diferite. Traductorul este
plasat deasupra lichidului și conține un bloc cu piezocristal, care emite unde ultrasonice pe direcția
verticală, de sus în jos și recepționează undele reflectate. Timpul parcurs de undă de la emițător
până la suprafața lichidului și înapoi la receptor, constituie o măsură a nivelului de lichid, atunci
când se cunoașt e viteza de deplasare a undelor. Pentru determinarea vitezei undelor în mediul de
deasupra suprafeței de nivel, sonda ultrasonică are un dispozitiv propriu de reflexie a undelor
emise, situat la o distanță fixă sub cristalul de emisie. [ 11]

2.3.2. 4. Tradu ctor inductiv
Acest tip de traductor se utilizează la determinarea nivelului de separație a două medii
neconductoare, cu permeabilități diferite. Între inductivitatea L și nivelul h există o dependență
liniară dată de relația:


01 2 1hhLL LL 
(2.6)

unde: L1 – inductivitatea pentru nivelul h = 0;
L2 – inductivitatea pentru nivelul h = h0.

În Fig. 2.5. este prezentată schema unui traductorului inductiv de nivel.

16

a. b.
Fig. 2.5. Traductor de nivel inductiv
a. schema de principiu b. modele constructive

2.3.2. 5. Traductor capacitiv
Între valoarea capacității electrice C și nivelul de lichid h există dependența liniară:


01 2 1hhC C CC 
(2.7)

unde: C1 – capacitatea pentru h = 0;
C2 – capacitatea pentru h = h0.

a. b.

Fig. 2. 6. Traductor de nivel capacitiv
a. schema de principiu b. model constructiv

2.3.2. 6. Traductor rezistiv
Acest tip de traductor se utilizează numai în cazul lichidelor conductibile din punct de
vedere electric și funcționează pe principiul scurtcircuitului progresiv al unei rezistențe electrice,
după relația:





001hhRR (2.8)

unde: R0 – valoarea rezistenței electrice pentru nivelul h = 0.

17

a. b.

Fig. 2. 7. Traductor de nivel rezistiv
a. schema de principiu b. model constructiv

2.4. Regulatoare
2.4.1. Caracteristici generale
Regulatoarele – reprezintă componenta “inteligentă” al unui sistem de reglare, Fig. 2.1 .
Funcția de reglaj, ( dată de funcția de transfer a regulatorului) indică dependența dintre semnalul
de comandă generat u și eroare ε. Reglajul poate fi liniar cazul ideal sau neliniar , ceea ce
corespunde cazului real.
Clasificarea regulatoarelor:
 după natura semnalului de comandă gene rat:
o regulatoare continue – semnalul de comandă este o funcție continuă în raport
cu abaterea și cu timpul (ex. : regulatoare P, PI, PID etc.);
o regulatoare discontinue – semnalul de comandă este o funcție care are
discontinuități în raport cu abaterea (ex. : regulatoare bipoziționale,
tripoziționale și î n mai multe trepte);
o discrete – semnalul de comandă este o funcție discretă în timp, adică se
generează impulsuri modulate în amplitudine, frecvență, factor de umplere sau
se generează informații codificate b inar;
 după tehnologia folosită pentru implementarea funcției de reglaj :
o regulatoare mecanice, hidraulice, pneumatice – se folosesc componente
mecanice, hidraulice sau pneumatice mai mult sau mai puțin standardizate; este
dificil de implementat o funcție de reglaj, optimă din punct de vedere teoretic;
o regulatoare electronice sau analogice – se folosesc componente electronice
active (tranzistor, amplificator operațional) și pasive (rezistență, condensator,
bobină); precizia de implementare a funcției de regla j depinde de precizia
componentelor;
o regulatoare digitale sau numerice – utilizează componente digitale (porți logice,
bistabile, etc.), inclusiv microprocesor; funcția de reglaj se implementează
printr -o schemă logică sau prin program; în ultimul caz pot fi implementate
funcții complexe de reglaj, iar precizia de reglaj nu depinde de precizia
componentelor
 după gradul de adaptabilitate
o regulatoare clasice (neadaptive) – coeficienții de reglaj se acordează manual;

18
o regulatoare autoadaptive – coeficienții d e reglaj se acordează automat.
La alegerea regulatoarelor trebuie avute în vedere atât considerentele tehnice, cât și cele
economice. Aparatura cu care se realizează un sistem de reglare trebuie să fie de o clasă de
precizie satisfăcătoare pentru cerințele tehnologice ale procesului în regim staționar.
Caracteristicile dinamice ale acestei aparaturi și în primul rând legea de reglare ale regulatorului
trebuie să permită realizarea regimului tranzitoriu dorit. Performanțele sistemelor de reglare
realizate cu aceste elemente nu trebuie însă să depășească necesitățile, o asemenea dotare, fiind
neeconomică. În cele ce urmează se vor expune criterii consacrate de practică pentru
alegerea regulatoarelor în diferite situații de proces, în funcție de caracteristicile procesului reglat.
În procesele cu constantă de timp dominantă este necesară prezența caracteristicii de
reglare P. Asemenea cazuri se întâlnesc când restul constantelor de timp sunt mici și
aproximativ de același ordin de mărime. Dacă perturbațiile de sarcină sunt mari, este indicat un
regulator PI, pentru că abaterea staționară cu un regulator P ar fi prea mare.
Sistemele de reglare simple sunt cele mai frecvent întâlnite în industrie . Prin
acordarea regulatoarelor se înțelege alegerea valorilor parametrilor variabili astfel încât
funcționarea în regim tranzitoriu și staționar a sistemului să se desfășoare conform unor
cerințe prestabilite. Pentru realizarea acordării se poate folosi unul dintre procedeele următoare:
 calculul analitic, având la bază anumite criterii și cunoscând parametrii procesului;
 utilizarea unor metode de calcul care folosesc o serie de relații stabilite pe baza
experienței pe instalații similare sau pe modele , iar aplicarea acestor relații necesită
cunoașterea fie a parametrilor procesului, fie a altor date care se obțin experimental;
 utilizarea unor metode experimentale, care se referă de fapt la efectuarea unor încercări
succesive.
Datorită diversității mari de cerințe care se pot impune sistemelor de reglare, având în
vedere desfășurarea procesului tehnologic, modul de acționare a perturbațiilor etc., există un
număr destul de mare de criterii și metode de acordare, fiecare dintre acestea fiind justificată în
anumite situații. În continuare se vor prezenta câteva dintre criteriile și metodele de acordare
mai des folosite. Primul dintre acestea se aplică destul de frecvent în cazul proceselor rapide și
mai rar în cazul proceselor lente. Celelalte criterii și metode se aplică mai ales proceselor lente,
la care do obicei calculele analitice sunt mai puțin precise și se face apel la diverse încercări
experimentale.
Spre deosebire de instalațiile cu regulatoare specializate destinate, proiectate și
construite numai pentru un anumit tip de instalație sau proces tehnologic, cele cu elemente de
automatizare unificate se caracterizează prin stabilirea și utilizarea unui semnal standard,
atât ca natură, cât și ca nivel. Ele au fost prevăzute nu numai cu regulatoare unificate, dar chiar
cu elemente sau blocuri tip, cu semnale unificate, care îndeplinesc funcțiuni independente și se
caracterizează prin faptul că mărimile (semnalele) de intrare și de ieșire ale fiecărui element
sunt de aceea și natură fizică și au aceleași limite ale gamei (domeniului) de variație. Se
realizează , astfel, sisteme unificate de reglare automată.

2.4.2. Tipuri de regulatoare
2.4.2.1. Regulatoare continue
Regulatoarele electronice continue unificate au semnale de intrare și de ieșire sub forma
unui curent electric în gama 4…20 mA. Regulatorul generează comanda u prin prelucrarea erorii

19
curente, după relația (2.1) , folosind algoritmul (legea de reglare) PID (Proporțional -Integral –
Derivativ): [ 8]

001udtdeTdteTekudt
ip 


  (2.9)

unde:
kp – factor de proporționalitate;
Ti – constantă de timp integrală;
Td – constanta de timp derivativă;
u0 – comanda regulatorului în lipsa erorii.

Regulatorul proporțional (RP)
În acest caz, comanda are forma:

0uekup
(2.10)

În funcție de modul de calcul a erorii, factorul de proporționalitate, kp, poate avea o valoare
pozitivă sau negativă. În cazul regulatoarelor analogice sensul se stabilește cu ajutorul unui
comutator, în timp ce la regulatoarele numerice acest lucru se realizează prin configurare software.
În continuare se va considera sensul invers ca sens implicit și ca atare toate caracteristicile
regulatoarelor se vor reprezent a în acest caz particular. Regulatorul proporțional prezintă avantajul
unui răspuns rapid, cu consecințe în ceea ce privește performanțele dinamice ale sistemelor de
reglare automată. Dezavantajul componentei proporționale este acela al imposibilității el iminării
în totalitate a erorii, din cauza faptului că la intrări egale și momente de timp diferite, comanda are
aceeași valoare.

Fig. 2.8. Caracteristica statică a regulatorului proporțional

În Fig. 2.8. avem:
r – referință;
e – eroare,
z – valoarea măsurată a mărimii de proces;
u – comanda regulatorului;
u0 – comanda în lipsa erorii (valoare zero);
kp – factor de amplificare al regulatorului.

20
Regulatorul proporțional -integral (RPI)
În acest caz, comanda are forma:

001u dteTekut
ip 



(2.11)

Componenta integratoare prezintă avantajul eliminării în totalitate a erorii staționare,
deoarece la momente de timp diferite și intrări egale, comenzile au valori diferite. Dezavantajul
acestei componente este dat de performanțele dinamice modeste în comparație cu cele ale
componentei proporționale. Regulatorul proporțional -integral reunește avantajele componentelor
proporțională și integrală, conferind rapiditate în răspuns, datorită componentei proporționale și
posibilitatea eliminării ero rii în regim staționar, datorită componentei integrale.

Fig. 2.9. Caracteristica statică a regulatorului proporțional -integral

În Fig. 2.9. avem:
u – comanda regulatorului;
u0 – comanda în lipsa erorii (valoare zero);
kp – factor de amplificare al regulatorului.

Regulatorul proporțional -derivativ (RPD)
În acest caz, comanda are forma:
0udtdeTekud p 


(2.12)

Componenta derivativă are rol anticipativ, asigurând un surplus de comandă necesar
eliminării rapide a abaterii. Această componentă se folosește, de obicei, în cazul proceselor lente.

Fig. 2.10. Caracteristica statică a regulatorului proporțional -derivativ

21
În Fig. 2.10. avem:
u – comanda regulatorului;
u0 – comanda în lipsa erorii (valoare zero);
kp – factor de amplificare al regulatorului.

Regulatorul proporțional -integral -derivativ (RPID)
Acest regulator îmbină avantajele celor trei componente prezentate anterior (rapiditate în
răspuns, eroare staționară nulă și surplus de comandă) și are la bază relația:

001udtdeTdteTekudt
ip 


 
(2.13)

Parametrii kp, Ti, Td poarta denumirea de parametrii de acordare ai regulatorului, valorile
lor influentând performanțele reglării prin stabilitate și calitate.

Fig. 2.11. caracteristica statică a regulatorului proporțional -integral -derivativ

În Fig. 2.11. avem:
u – comanda regulatorului;
u0 – comanda în lipsa erorii (valoare zero);
uD – comanda aferentă componentei derivative;
uI – comanda aferentă componentei integrale .

Componenta integrală are caracter persistent, în sensul că nu -și încetează acțiunea decât
atunci când eroarea este zero, iar componenta derivativă are caracter anticipativ deoarece depinde
de viteza de variație a erorii, anticipând evoluția acesteia (la viteză nulă va rămâne cons tantă, la
viteză pozitivă va crește, la viteză negativă va scădea). Componenta derivativă reprezintă un
element impropriu, și ca atare nu se poate implementa fizic. Practic, în aplicații, algoritmul PID
are forma [ 11]:

001u DdteTekut
ip 


 (2.14)

22
Regulatorul bipozițional
Unul dintre cele mai simple tipuri de regulator întâlnite este regulatorul bipozițional [12],
numit și regulator ON -OFF, la care variabila de control poate avea doar două valori, anume u min
și u max, legea de control fiind descrisă de relația (2.15) . În general, se alege u min = 0, caz în care
regulatorul poate fi astfel implementat în modul cel mai simplu cu un releu.


0 dacă 0 dacă
minmax
e ue uu
(2.15)
Dezavantajul major al regulatorului bipozițional este prezența oscilațiilor variabilei de
proces în jurul valorii prescrise. Reducerea acestui neajuns se obține în practică prin modificarea
regulatorului bipozițional în sensul introducerii unei zone moarte în jurul lui zero (devenind
regulator cu 3 stări) sau a unui histerezis, după cum se indică în Fig. 2.12. În acest fel se reduce
uzura actuatorului și se crește rezistența la zgomotul de măsură.

a. b. c.
Fig. 2.12. Funcționarea regulatorului bipozițional (ON -OFF)
a) standard; b) cu zonă moartă; c) cu histerezis

Regulatorul bipozițional oferă o simplitate de neegalat în sensul în care nu există parametri
de ajustat și preț de cost foarte scăzut la performanțe acceptabile, reprezentând o soluție cu cost
scăzut de implementare în multe situații din industrie. Realiz area sa utilizând electronica digitală
se face extrem de simplu.

Fig. 2.13. Caracteristica de evoluție a mărimii reglate folosind regulator bipozițional

În Fig. 2.11. avem:
u – comanda regulatorului;
z – valoarea măsurată a mărimii de proces;

23
r – mărimea de referință;
h – histerezisul regulatorului.
Dacă histerezisul regulatorului este mic, precizia de reglare este bună, dar frecvența de
comutare a comenzii regulatorului de la o valoare la alta este mare. Spre deosebire de reglarea
continuă, reglarea bipozițională este mai puțin precisă, dar mai simplă și mai robustă.

2.5. Elemente de execuție (a ctuatoare )
Elementele de acționare sau de execuție sau actuatoare sunt dispozitive de automatizare
care transmit procesului controlat comanda generat ă de sistemul de control. Exemple de astfel de
actuatoare : robinet, element de încălzire, motor electric, etc. Constructiv, elementele de acționare
au două părți:
 parte motoare (de acționare);
 o parte de execuție .
Elementele de execuție reprezintă elementul prin care regulatorul acționează asupra
instalației tehnologice sau procesului reglat [5].
Prezența elementelor de execuție în structura SRA este determinată de imposibilitatea
mărimii de comandă de la regulator de a interveni direct asupra instalației sau procesului reglat,
în scopul execuției comenzii de reglare.
Un element de execuție este format dintr-un organ de execuție și un motor de execuție
numit uneori și servomotor al acestuia (Fig. 2.14 ).
Din punct de vedere structural, organul de execuție face parte integrantă din instalația
tehnologică și asupra lui se intervine direct, atunci când reglarea se face manual. De exemplu,
reostatul pentru variația rezistenței ohmice a circuitului de excitație al generatorului sincron
este prevăzut și instalat în excitația mașinii încă de la fabricația acesteia. Deplasarea cursorului
reostatului se poate realiza manual sau prin intermediul unui, motor de execuție
Introducerea automatizării presupune însă prevederea motoarelor de execuție,
adică mecanizarea organelor de execuție. Astfel, rezultă elementul de execuție al sistemului de
reglare automată.

Fig. 2.14. Structura unui element de execuție

Elementele de execuție au ca principiu de funcționare fie variația unui debit de fluid
prin modificarea secțiunii de trecere, fie modificarea cantității de substanță sau de energie
produsă de o sursă.
Modificarea cantității de substanță sau de energie poate ii realizată în două moduri:
 continuu – atunci când cantitatea respectivă trebuie modificată în mod continuu intre
doua valori limită. De exemplu, un ventil modifică continuu cantitatea (debitul de fluid
ce trece printr -o conductă), între zero (ventil închis) și valoarea maximă
coresp unzătoare ventilului complet deschis;
Element de execuție
(actuator)
Motor
Organ de execuție

24
 discontinuu – atunci când cantitatea respectivă este modificată (discret) numai pentru
două valori limită, dintre care una este in general zero („tot sau nimic"). De exemplu,
la întreruptor electric având numai două po ziții posibile (deschis sau închis), curentul
ce-1 străbate poate avea valoarea zero sau o valoare nominală oarecare.
Organele de execuție cel mai des întâlnite în instalațiile automatizate sunt:
întreruptoarele, reostatele, comutatoarele etc. Organele de execuție cel mai des utilizate pentru
modificarea cantității de substanță (lichide sau gaze) sunt: robinetul, vana plană, vana clapetă etc.
Aceste tipuri de organe de execuție necesită motoare de execuție cu mișcări
corespunzătoare.
Din punct de vedere al soluțiilor constructive, e lementele de execuție au o diversitate mare
datorită multitudinii și diversității proceselor tehnologice supuse automatizării. Însă, ținând cont de
natura sursei de energie pentru alimentarea motoarelor de execuție ale acestora, e lementele de execuție
se pot clasifica în următoarele categorii:
 elemente de execuție electrice;
 elemente de execuție pneumatice;
 elemente de execuție hidraulice.
Elementele de execuție electrice pot f i:
 cu motor electric;
 cu electromagnet sau solenoid.
Elementele de execuție eu motor electric asigură o mișcare circulară continua care, în
general, este redusă de circa 100—200 ori cu ajutorul unui reductor mecanic de turație.
Motoarele electrice pot fi de curent continuu sau de curent alternativ. Cele de curent continuu
sunt de obicei cele cu excitație separată.
Viteza de rotație, depinde de mărimea semnalului aplicat, iar sensul de rotație de
polaritatea semnalului respectiv.
Motoarele de curent alternativ sunt fie cele monofazate serie cu colector, fie cele
asincrone bifazate.
Elementele de execuție cu electromagnet asigură o mișcare discontinuă,
bipozițională. Când bobina elementului primește curentul de comandă, miezul feromagnetic
este supus unei forțe de atracție F și învingând forța resortului de rezistență deplasează o tijă.
Astfel, dacă tija este, de exemplu, solidară cu axul unui întreruptor, se produce închiderea unui
circuit electric. La întreruperea curentului prin bobină, resortul care s-a armat la comanda
inițială readuce tija în poziția anterioară, care deschide întreruptorul.
Elementele de execuție pneumatice folosesc ca sursa de energie aerul comprimat și se
construiesc exclusiv pentru mișcarea de deplasare adică de translație. Principial sunt utilizate
următoarele tipuri de elemente de execuție pneumatice: cu mem brană și cu piston.
Elementele de execuție hidraulice folosesc ca agent motor un lichid sub presiune, de
obicei, uleiul. Din punct de vedere constructiv, motoarele hidraulice nu diferă principial de cele
pneumatice descrise mai sus. Astfel, pot fi motoare hidraulice cu membrană, cu piston, cu piston
și distribuitor etc.
Față de cele pneumatice, elementele de execuție hidraulice prezintă următoarele
avantaje:
 dezvoltă forțe de acționare mult mai mari la aceleași gabarite, datorită presiunii de
ulei care poate fi mult mai mare;

25
 au o acțiune mai rapidă, datorită faptului că uleiul este practic incompresibil.
Ca și elementele pneumatice, cele hidraulice prezintă avantajul că, pot fi folosite în medii
explozive sau inflamabile, unde elementele electrice nu pot funcționa decât cu măsuri speciale de
protejare. În schimb, elementele de execuție hidraulice, ca și cele pneumatice, necesită instalații
speciale pentru producerea uleiului sub presiune, respectiv a aerului comprimat. Aceste instalații
cuprind rezervoare de ulei sub presiune sau aer, diverse pompe, compresoare, conducte, filtre etc.
În sistemele de reglare automată, în afară de elementele de execuție caracterizate mai
sus, se mai utilizează destul de frecvent elementele de execuție mixte. Aceste tipuri de elemente
cuprind motoare compuse (mixte). Se disting elemente de execuție electrohidraulice,
hidropneumatice etc. Ele au apărut ca o necesitate de combinare a avantajelor fiecărui tip în
parte.