INSTALATII ELECTRICE SPECIFICE

INDUSTRIEI ALIMENTARE

1. Generalitati

Acest capitol este destinat abordarii unor probleme legate de aparatura electrica de sesizare, detectare si masura a unor marimi fizice ale proceselor tehnologice din industria alimentara, in vederea controlului si conducerii automate a proceselor. Marimea fizica controlata, de cele mai multe ori, nu este o tensiune sau un curent electric si din aceasta cauza, prima operatie care se impune vizeaza transformarea marimii initiale, neelectrice, intr-un semnal electric. Aceasta functie este indeplinita de traductorul de semnal.

Masurarea continua si cu precizie a marimilor fizice electrice si neelectrice reprezinta o problema importanta a tehnicii contemporane. Un astfel de aparat contine trei parti esentiale:

- traductorul de intrare care sesizeaza marimea fizica de masurat si o transforma in semnal electric;

- circuitele electronice de prelucrare ce pot avea functii de amplificare, de modulare, atenuare, comparare, derivare, integrare etc.

- traductoarele de iesire elemente ce asigura citirea si/sau inregistrarea valorii masurate. Ele pot asigura si semnalele necesare unor comenzi in cazul proceselor controlate.

Transformarea in semnal electric este urmata de obicei de transmiterea acestuia la locul prelucrarii datelor, in vederea luarii unei decizii si a generarii unei eventuale comenzi de conectarea automata a procesului tehnologic sau a unui semnal avertizor (sonor, optic) pentru interventia personalului de supraveghere in procesele neautomate (in cazul unor alarme sau incendii, etc.). Dupa obtinerea semnalului electric la locul prelucrarii, se efectueaza o comparatie cu marimea de referinta ce reprezinta acea marime reglata la o anumita valoare ce asigure o buna functionare a ansamblului controlat. Depasirea acestei valori declanseaza prin salt interventia necesara. Aceasta este functia de releu.

Se numeste releu aparatul sau dispozitivul folosit in tehnica, cu proprietatea de a declansa un raspuns in treapta la iesire atunci cand marimea aplicata la intrare (semnalul) atinge o valoare critica. De exemplu releul electromagnetic realizeaza o miscare mecanica (lineara sau de rotatie) a unei piese, care constituie elementul de executie, daca forta portanta intrece forta elastica antagonista a unui resort, care reprezinta marimea de comparatie. In acest caz curentul electric de magnetizare este cel putin egal cu valoarea de prag sau de declansare a releului.

Releele electromagnetice prezinta ca dezavantaje: necesitatea unui semnal electric de putere apreciabila; prezenta pieselor mecanice si a contactelor mobile. Cu toate acestea ele se intalnesc frecvent in dispozitivele de sesizare si amplificare a semnalului. Mai nou, in locul releului electromagnetic se folosesc contactoare statice, daca acest lucru aduce avantaje in exploatare.

In functie de marimea sesizata, se acorda releului o denumire. Astfel pentru aprinderea si stingerea iluminatului servesc fotoreleele. Pentru protectia circuitelor electrice se folosesc relee de curent sau tensiune. Pentru intarzierea unei comenzi servesc releele electronice de timp s.a.m.d.

2. Dispozitive pentru masurarea temperaturilor

Pentru masurarea temperaturii pe cale electronica, in limitele -70⁰C; 200⁰C, se folosesc traductoarele cu semiconductori. Dupa cum s-au aratat (v.cap.9.), rezistenta electronica a termistoarelor este sensibila la variatiile de temperatura.

Schema de montaj pentru instrument cu gama 0 100⁰C este data in fig.1. Termistorul R_T formeaza, impreuna cu rezistoarele de compensatie R_n si R_v, o ramura a unei punti Wheatstone, alimentata la o sursa de c.c. (o mica baterie uscata). Instrumentul de masura IM indica curentul in diagonalele puntii, influentat de R_T. Suntul R_n produce o liniarizare scalei care este de altfel destul de deformata. Pentru a evita erorile datorita variatiilor tensiunii sursei de alimentare, inainte de masurare se regleaza R_h, comutatorul K fiind pe pozitia 2 pana cand instrumentul indica deviatia maxima. Aparatul poate masura in gama -20⁰ 180⁰C.

Pentru masurarea temperaturilor in domenii mai restranse se foloseste schema din fig. 2. care cuprinde doua tranzistoare in montaj EC. In circuitul de comanda (intrare) a tranzistorului T₁ se gaseste termistorul R_T si rezistoarele R_n, R_v si R_p, iar in circuitul lui T₂ rezistorul R₆. Ca sursa de c.c. se foloseste o baterie uscata. Instrumentul de masura indica variatiile curentului colectorului T₁, provocate de termistorul R_T. Instrumentul are gama de masurare 30 - 40⁰C, cu o limita a erorilor de 0,05⁰C.

O alta cale folosita adesea in tehnica masurarilor este metoda compensatiei (fig.3). Principiul consta in restabilirea echilibrului puntii prin deplasarea cursorului alunecator P. Pozitia cursorului in starea echilibrata a puntii, pe firul de rezistenta a potentiometrului, corespunde la o temperatura data, θ, a incintei in care se afla R_T. Pentru deplasarea cursorului se foloseste un motoras cu doua faze. Succesiunea fazelor hotaraste sensul de rotatie al motorului. Curentul magnetizat prin infasurarea I este defazat inaintea tensiunii de retea cu datorita impedantei, care este compusa din capacitatea condensatorului C legat in serie si care este preponderenta. Semnalul provenit din puntea dezechilibrata este in faza cu tensiunea retelei (sau in opozitie de faza, daca variatia temperaturii este negativa). Amplificand acest semnal, se obtine tensiunea de comanda u_c, suficient de mare pentru a pune in miscare rotorul motorului si prin acestea cursorul alunecator, astfel incat sa se micsoreze dezechilibrul pana la intervalul de indecizie al sistemului. O amplificare mai mare a amplificatorului A, face acest interval destul de mic, pentru ca indicatia sa fie suficient de precisa.

Principiul compensarii este indicat in procesele de automatizare deoarece reglarea cursorului se poate asocia si cu alte actiuni ale servomecanismului, cu scopul de a modifica si cauzele care au dus la schimbarea temperaturii in incinta (in cazul in care, de exemplu, aceasta temperatura trebuie mentinuta constanta). De asemenea, legand o penita de cursorul P, se poate obtine inregistrarea valorilor pe o coala de hartie.

3. Aparate pentru masurarea si semnalizarea nivelului lichidului si materialelor pulverulente

In multe procese industriale este necesara semnalizarea atingerii unui anumit nivel in rezervoare, cisterne, etc. Uneori, este suficienta semnalizarea unui singur nivel, maxim sau minim alteori se cere semnalizarea mai multor nivele si, in sfarsit, sunt cazuri in care este necesara masurarea continua a nivelului.

Pentru masurarea sau semnalizarea nivelului se folosit numeroase tipuri de aparate electronice, unele dintre ele realizate cu tranzistoare. Traductoarele folosite cel mai frecvent sunt capacitive (bazate pe variatia capacitatii dintre un electrod exterior si lichidul presupus conductor) sau rezistive (bazate pe variatia rezistorului dintre cei doi electrozi datorita modificarii nivelului lichidului conductor). In afara de acestea se folosesc si unele traductoare aplicabile si lichidelor neconductoare, de exemplu bazate pe modificarea temperaturii unei termorezistente parcurse de curent sau pe variatia indicelui de refractie al mediului la depasirea nivelului de semnalizat.

In cele ce urmeaza se descriu cateva tipuri de nivelmetre, folosind dispozitive semiconductoare.

3.1. Nivelmetru cu tranzistoare (fig.4) este utilizat la masurarea si inregistrarea continua a nivelului apei. In tubul sticlei de nivel se introduce un fir axial de platina. In exteriorul tubului, pe jumatate din circumferinta se lipeste o folie subtire de cupru. In felul acesta se formeaza un condensator C, a carui capacitate creste odata cu umplerea sticlei de nivel cu apa conductoare de electricitate. Conductibilitatea apei trebuie in prealabil marita, lucrul ce se poate face foarte usor prin adaugarea unei mici cantitati de electrolit.

Schema consta dintr-un multivibrator (T₁, T₂), ale carui impulsuri incearca condensatorul C. Perioada de incarcare corespunde situatiei de blocare a tranzistorului T₂, circuitul de incarcare fiind construit din rezistorul R₄ si jonctiunea baza-emitor a tranzistorului T₃, polarizata in sens direct. Tensiunea pana la care se incarca condensatorul C este egala cu amplitudinea impulsurilor, deoarece constanta de incarcare in circuitul amintit este mica fata de perioada de repetitie. Sarcina cu care se incarca condensatorul este direct proportionala cu capacitatea sa si variaza liniar cu nivelul apei din sticla de nivel. In perioada cand T₂ este saturat, condensatorul C se descarca prin dioda D si tranzistorul T₂, constanta de timp corespunzatoare acestui circuit fiind, de asemenea, mult mai mica decat perioada de repetitie a multivibratorului.

La incarcarea lui C₁ prin tranzistorul T₃ trece un curent care incarca C₁ la o tensiune proportionala cu durata impulsurilor de incarcare a lui C₁, deci cu valoarea acestuia. Potentiometrul P₂ serveste pentru punerea la zero a inregistratorului (sau indicatorului); variatia rezistentei potentiometrului P₁ schimba factorul de amplificare. Iesirea poate fi facuta liniara daca C<50pF.

3.2. Semnalizatorul de nivel cu traductor capacitiv, a carui schema este prezentata in fig.5 , asigura o mare precizie si sensibilitate. Traductorul capacitiv TC este conectat intr-o punte alimentata in impulsuri, cu transformarea ulterioara a semnalului cu ajutorul unui circuit de relaxare.

Traductorul capacitiv este similar cu cel descris anterior. La variatia capacitatii lui puntea se dezechilibreaza si la iesirea ei apar impulsuri de polaritate pozitiva sau negativa, in functie de sensul de variatie a capacitatii. Aceste impulsuri se aplica unui circuit basculant CB. Datorita amplitudinii mari a impulsurilor de alimentare a puntii, la intrarea circuitului basculant bistabil impulsurile au o amplitudine suficienta pentru a realiza o basculare sigura a acestui circuit.

In fig.6 este data schema de principiu a semnalizatorului de nivel. Functionarea acestuia este afectata foarte putin de variatiile tensiunii de alimentare, ale formei si frecventei impulsurilor etc.

Frecventa impulsurilor generatorului cu autoblocare G este determinata de constanta de timp R₁C₁. Aceasta frecventa trebuie astfel aleasa, incat curentul mediu prin tranzistorul T₁ sa nu depaseasca valoarea maxima admisibila. Diodele din schema servesc pentru inlaturarea oscilatiilor care urmeaza dupa frontul posterior al impulsului. Raportul trebuie sa fie mare, pentru a obtine pe jumatate din infasurarea N₃ impulsuri cu o amplitudine de cateva sute de volti.

La alegerea condensatorului variabil C₂ trebuie sa se tina seama ca, in paralel cu traductorul capacitiv apare capacitatea firelor de la traductor la schema, capacitate care nu trebuie sa depaseasca 75-80 pF. Ajustarea valorii condensatorului C₂ permite stabilirea, in anumite limite, a nivelului de actionare a semnalizatoarelor.

Rezistentele de polarizare a tranzistorului T₂ se aleg astfel incat U₂<U<U₁ (unde U₁ si U₂ sunt nivelele de basculare ale circuitului basculant - in acest caz circuitul are doua stari stabile).

Regimul de comutatie in care lucreaza circuitul permite sa se foloseasca tranzistoare de putere mica, la curenti mari (pana la 50 mA) si deci si un releu R_e de sensibilitate scazuta.

Pentru semnalizarea a doua nivele limita se utilizeaza doua traductoare si doua semnalizatoare montate in aceeasi cutie. Legaturile dintre traductoare si semnalizatoare se face cu cablu blindat. Precizia de controla nivelului poate sa ajunga la 3 mm.

3.3.Semnalizatorul de nivel cu termistor

Schema de principiu este data in fig.7. Functionarea se bazeaza pe proprietatea termistorului R_T de a-si modifica rezistenta in raport cu temperatura. Scaderea nivelului lichidului sub limita admisibila face ca temperatura termistorului sa creasca considerabil, ceea ce produce o scadere a rezistentei circuitului si releul de avertizare R_e este actionat. Pentru dimensionarea elementelor circuitului si calculul timpului de intarziere datorat inertiei termice a termistorului (de ordinul secundelor) in literatura exista formule si diagrame.

3.4. Semnalizatorul de nivel cu traductor rezistiv, a carei schema de principiu este data in fig.8 , utilizeaza unul sau mai multe traductoare rezistive (pentru semnalizarea mai multor nivele se utilizeaza mai multe traductoare, de exemplu pentru nivel maxim, nivelul minim si pentru controlul iesirii materialului dintr-un buncar).

Traductoarele 1 (fig.8), sunt sonde de metal inoxidabil atarnate la diverse distante de capacul recipientului. Firul care serveste si pentru fixarea sondei este izolat intre sonda si circuitul electronic.

La atingerea de catre materialul 2 (fig.8), a nivelului la care

este situat traductorul, se inchide circuitul electric prin rezistorul R₁, baze tranzistorului T₁, emitorul tranzistorului T₁, rezistorul R₂ si sursa de alimentare. Tranzistorul T₁, initial blocat datorita intreruperii circuitului de baza, se deschide determinand conductia puternica a tranzistorului T₂, in colectorul caruia se gaseste infasurarea releului de semnalizare si blocare R_e. Cu ajutorul rezistorului R₃ se regleaza sensibilitatea schemei.

Traductoarele pot fi asezate in grupuri de cate trei pentru un buncar. La nevoie, contactele releelor pot fi conectate intr-o schema logica care sa puna in functiune mecanismul de agitare a materialului.

Cu toate avantajele evidente ale acestui semnalizator in automatizarea atelierului de prefabricate, trebuie remarcata sensibilitatea lui fata de variatiile tensiunii de alimentare (pana la 5 - 10%), precum si dificultatile in reglare (alegerea de tranzistoare cu rezistenta mare de intrare, in caz contrar nu se poate lucra decat cu materiale de o anumita conductibilitate).

In fig.9 este data schema unui dispozitiv pentru reglarea sau semnalizarea nivelului unui lichid. Partea metalica a vasului cu lichid este pusa in pamant. Atunci cand plutitorul nu atinge suprafata lichidului, curentul i_bl este zero, iar releul R_e nu actioneaza.

Daca nivelul lichidului atinge plutitorul, apare un curent de baza i_b1, care poate fi reglat cu ajutorul potentiometrului P in asa fel, incat releul R_e sa intre in functiune.

4.Relee electronice

4.1.Relee electronice de timp

Releele de timp realizeaza o anumita intarziere intre momentul comenzii si momentul declansarii actiunii sau a mentine un interval de timp dat o actiune intr-o anume stare determinata. In majoritatea cazurilor se utilizeaza procesul de incarcare a unui condensator si un element de prag.

In fig.10 este reprezentata schema unui releu de intarziere simplu, cu un tranzistor. In fig.11a este reprezentata variatia de timp a

tensiunii u_be, dupa inchiderea la momentul t_1, a intrerupatorului K. Tranzistorul T conduce in momentul t₂, cand tensiunea de baza devine negativa si trece practic imediat, in saturatia (fig.11b). la curentul I_a, releul actioneaza, realizandu-se astfel o intarziere t₂-t₁ care se regleaza prin valorile lui R₁, R₂, E_b sau E_c.

In fig.12 este reprezentat un releu cu un tranzistor unijonctiune T2 care realizeaza o intarziere reglabila intre inchiderea intrerupatorului K si actionarea tiristorului T₁. Dupa inchiderea lui k, se aplica tensiune pe tiristorul blocat si prin rezistorul R₁, circuitului de comanda. Dioda Zener DZ joaca rolul de stabilizator, mentinand constanta tensiunea de alimentare a circuitului R₂-C si a circuitului tranzistorului T₂. Cand tensiunea la bornele condensatorului C a depasit pragul reglat prin R₃ si R₄, tranzistorul unijonctiune intra brusc in conductie si apare un impuls de tensiune pe poarta tiristorului, care se amorseaza si stabileste circuitul sarcinii R_s. Dioda D conduce si mentine o tensiune coborata la bornele circuitului de comanda, pentru ca in cazul unei actionari repetate, condensatorul sa se incarce intotdeauna de la o tensiune initiala practic nula.

4.2. Relee fotoelectrice

Aceste relee dau o tensiune sau un curent de comanda atunci cand se produce o variatie a intensitatii sau compozitiei spectrale a luminii incidente pe un traductor fotosensibil. Ca dispozitive fotosensibile se pot utiliza fotorezistentele, fotodiode, elemente fotovoltaice (baterii solare, celule fotoelectrice), fototranzistoare si fototiristoare. Sursele de lumina pot fi: lumina solara, becurile cu incandescenta, tuburile de descarcari in gaze, tuburile fluorescente sau diodele electroluminiscente.In fig.13 se da schema unui fotoreleu electronic, care are ca sesizor un fototranzistor TF. La intuneric TF este blocat, iac cand este iluminat trece in starea de conductie. Exista o legatura intre iluminare, lungimea de unda luminoasa si curentul de colector. Daca TF este blocat (intuneric) si tranzistorul T₁ este blocat. Ca urmare, T₂ este saturat prin ctiunea de baza a rezistorului R₂, iar T₃ comanda releul Rl cu intreaga tensiune a sursei E. Iluminarea fototranzistorului satureaza pe T₁, blocheaza pe T_2, ca urmare potentialul in punctul A se deplaseaza catre valori negative si releul R_e cade. Daca in punctul A se conecteaza coloana din dreapta, cu un tranzistor p-n-p, atunci, prin iluminare, R_e va atrage.

Circuitul reprezentat in fig.13 poate fi folosit la conectarea iluminatului public de noapte, ca avertizor de flacara stinsa sau de incendiu, pentru protectia materialelor fotosensibile, in instalatiile de paza etc. Se poate monta o sursa de lumina astfel incat fluxul luminos sa cada tot timpul pe fototranzistor, interpunerea sau trecerea unui obiect sau persoane va declansa atunci un impuls al releului R_e pentru numarare sau alarma.

Circuitul reprezentat in fig.13 poate fi folosit la conectarea iluminatului public de noapte, ca avertizor de flacara stinsa sau de incendiu, pentru protectia materialelor fotosensibile, in instalatiile de paza etc. Se poate monta o sursa de lumina astfel incat fluxul luminos sa cada tot timpul pe fototranzistor, interpunerea sau trecerea unui obiect sau persoane va declansa atunci un impuls al releului Rl pentru numarare sau alarma.

Daca sesizarea nu se face la schimbarea unei stari, ci la atingerea unei valori de limita admisibila (prag), principiul releului se schimba. In acest caz releul electronic se numeste "de nivel".

4.3. Relee electronice de nivel. Aceste relee sesizeaza depasirea unei valori prag impuse marimii urmarite (o tensiune sau un curent). In fig.14 este reprezentat cel mai raspandit circuit de acest tip, numit trigger Schimitt. Cand tensiunea de intrare u₁ este mai mica decat pragul U₁, dat de relatia: (1) Tranzistorul T₁ este blocat, iar T₂ este saturat. Tensiunea de iesire, in aceste caz va fi: . Cand u₁ depaseste pragul U₁, T₁ se satureaza iar T₂ se blocheaza. Tensiunea de iesire va fi: U_2yE_c

In fig.15 s-a reprezentat schema de principiu a unui releu avertizor de temperatura maxima. Elementul termosesizor este realizat cu doua diode de siliciu TD. Traductorul astfel construit se bazeaza pe dependenta tensiunii de deschidere a diodei (tensiunea de contact prin jonctiune) fata de temperatura jonctiunii. Diodele TD sunt plasate intr-un manson izolator si introduse in baie de ulei sau apa calda. Pentru θ<θ_critic, tensiunea este suficient de mare pentru ca T₁, sa fie saturat prin rezistorul R₁, T₁ impreuna cu T₂ formeaza un trigger Schimitt, deci T₂ este deocamdata blocat. Elementul comun in circuitele emitoare este dioda de siliciu D.

Crescand temperatura θ la valoarea critica, triggerul basculeaza si T₂ se satureaza. In acelasi timp, prin rezistorul R₄, T₃ deschide, iar fluctuatia de tensiune pe difuzorul DF se transmite prin circuitul de reactie pozitiva R₅-C pe baza lui T₂. Se declanseaza un regim multivibrator si difuzorul va produce un sunet continuu de alarma sonora (sirena).

Valoarea temperaturii critice se regleaza prin potentiometrul ajustabil P. Se remarca un consum redus in pozitia de asteptare si o sensibilitate satisfacatoare. Semnalul sonor se stinge de la sine daca temperatura se micsoreaza corespunzator.

Un alt tip de releu de nivel, destinat reglarii automate a temperaturii unei incinte, este reprezentat in fig.16

Elementul termosensibil, un termistor R_θ, introdus in divizorul de tensiune (R_θ - R₁ - P), comanda prin priza A, baza tranzistorului T₁ ce face parte din comparatorul T₁T₂ impreuna cu celelalte componente pasive. Prin acest montaj se compara potentialele punctelor A si B. Semnalul de iesire se aplica intre baza si emitorul tranzistorului T₃. In stare rece R_θ este de valoare ridicata, potentialul in punctul A este coborat in F, U_F>U_C si T₃ este deschis. Colectorul lui T₃ antreneaza baza lui T₄. Astfel T₄ conduce, T₅ va conduce de asemenea si releul electromagnetic comanda actiunea elementului incalzitor. Cand se atinge temperatura critica, R_θ devine suficient de mic pentru ca potentialul punctului A sa urce peste potentialul din B, U_F<U_C si T₃ se blocheaza. In consecinta (T₄+T₅) se blocheaza si nivelul cade, incalzirea se intrerupe. Cele doua stari se succed alternativ, iar temperatura se mentine intre limitele apropiate. Pentru θ_cr=40⁰C, rezulta Δθ<0,5⁰C. Valoarea critica se regleaza prin pozitia potentiometrului P (de 10 kΩ). Dioda Zener DZ mentine la bornele comparatorului o tensiune constanta de lucru.

5.Analizator fotocolorimetric diferential

Se considera doua solutii in vasele A si B. Solutia din A e o solutie etalon (apa de exemplu), iar in vasul B solutia de analizat. Fluxul luminos emis de lampa L₁ si cel emis de lampa L₂, traversand cele doua solutii vor face ca celulele fotoelectrice F₁ si F₂, montate ca in fig.17, sa conduca, insa curentii vor fi diferiti, deoarece si fluxurile vor fi diferite. Schema electrica fiind in punte, acest dezechilibru se transmite instrumentului indicator, care poate fi etalonat in marimea care intereseaza sa fie analizata (culoare, concentratie etc.).

La echilibrul U₁=U₁' si U₂=U₂', iar acul aparatului e la zero. Aducerea acului la zero se realizeaza cu ajutorul potentiometrului P, variindu-se prin aceasta tensiunea bazei tranzistorului T₂.

Indicatie zero a instrumentului de masura nu depinde de variatiile tensiunii sursei de alimentare, iar in cazul cand celulele fotoelectrice sunt identice si au aceeasi caracteristica indicatia de zero nu depinde nici de variatiile in timp ale caracteristicilor acestora.

6.Masurarea debitului

6.1. Debitul gravimetric al unui fluid printr-o conducta G, este greutatea fluidului ce strabate sectiunea conductei intr-o secunda. Debitul volumetric Q, este volumul fluidului ce strabate sectiunea conductei intr-o secunda. Intre cele doua marimi exista relatia:

G=Q (2)

unde este greutatea specifica a fluidului.

6.2. Aparat electromagnetic de masurarea debitului

Fluidul caruia i se masoara debitul trece printr-o portiune de conducta de material izolant l, prevazuta pe partea interioara cu doi electrozi metalici (2) ce sunt conectati la un amplificator si respectiv la instrumentul de masura. Conducta cu fluid trece printre polii electromagnetului (3) ce are o bobina alimentata cu o tensiune alternativa (fig.18). Aceste aparate pot fi utilizate pentru orice lichid cu conductibilitatea cel putin egala cu 10^-5Ω^-1 cm^-1 (conductibilitatea apei industriale). Lichidul ce trece printre cei doi electrozi se comporta ca un conductor perpendicular pe liniile de camp magnetic, care se deplaseaza in lungul conductei cu viteza v. In acest conductor, cu lungime egala cu diametrul D al conductei, se induce o tensiune electromotoare:

eBDv (3) care este culeasa la cei doi electrozi ai aparatului. Cum debitul Q este dat de relatia: (4)

rezulta:    (5)

unde:    (6)

Deci, deviatia acului indicator α va fi o functie liniara de debit.

7. Masurarea umiditatii

Continutul de apa in aer poate fi analizat prin: - umiditate absoluta, exprimand masa vaporilor in unitatea de volum ; - umiditatea relativa, ca fiind raportul dintre cantitatea de vapori existenta si cea posibila in stare respectiva a aerului, , in care indicele s specifica starea de saturatie.

Aparatele pentru masurarea umiditatii intalnite mai frecvent in industria alimentara si piscicola sunt:

- aparate pentru umiditate a aerului;

- aparate pentru umiditate a materialelor pulverulente solide sau sub forma de granule;

7.1. Aparate pentru masurarea umiditatii relative a aerului

1) Aparate psihrometrice de umiditate se bazeaza pe faptul ca diferenta temperaturilor indicate de un termometru uscat si un termometru umed depinde de umiditatea relativa a mediului.

Schema de principiu este data in fig.19 Cele doua termorezistente (R_t)us si (R_t)um plasate in mediul examinat (aer) si respectiv intr-un vas cu apa, formeaza cele doua termometre uscat si umed, care sunt legate la doua punti ca in figura. Tensiunile de dezechilibru u₁ si u₂ sunt, practic proportionale cu rezistentele (R_t)us si (R_t)um, deci sunt proportionale cu temperaturile corespunzatoare celor doua termometre. Tensiunea de iesire u=u₁-u₂ este proportionala cu diferenta temperaturilor celor doua termometre si deci depinde de umiditatea relativa a aerului. Tensiunea u este amplificata de un amplificator si apoi masurata de instrumentul de masura (IM).

2) Aparate bazate pe dependenta de umiditate a parametrilor electrici si materialelor higroscopice.

Masurarea umiditatii absolute foloseste fenomenul temperaturii de echilibru a substantelor higroscopice. Elementul esential al unui astfel de aparat este un detector cu material higroscopic (de obicei clorura de litiu). Conductibilitatea electrica a clorurii de litiu in stare uscata (sub forma cristalina), este foarte slaba, crescand insa cu marirea continutului sau de apa.

Schema de principiu este data in fig.20 Tubul din otel inoxidabil l este acoperit cu vata minerala 2, impregnata cu solutie de clorura de litiu. In interiorul tubului 1 se gaseste termorezistenta 5. peste vata minerala se infasoara spirele 3 de sarma de argint sau cupru aurit, izolate intre ele. Prin sita metalica 4 patrunde aerul din mediu, modificand umiditatea solutiei si implicit rezistenta electrica a acesteia (la cresterea umiditatii rezistenta scade). Curentul electric ce apare prin spirele paralele 3 si solutia de clorura de litiu, depinde de conductia solutiei si deci, de umiditatea mediului, incalzeste solutia producand evaporarea apei, determinand un regim stationar termic corespunzator umiditatii mediului. Instrumentul de masura IM, care este de tip logometric masoara un curent care depinde de rezistenta termorezistentei, deci de umiditatea absoluta a mediului analizat. La o variatie a umiditatii mediului, are loc o modificare a curentului electric, deci, o modificare corespunzatoare a temperaturii regimului stationar si a rezistentei termorezistente, astfel instrumentul de masura sesizeaza variatia umiditatii.

7.2. Aparate pentru masurarea umiditatii materialelor pulverulente solide sau sub forma de granule.

Aparatele din aceasta categorie pot fi rezistive si capacitive. Rezistenta materialelor solide si pulverulente depinde de continutul de umiditate al acestora dupa relatia: , unde w este umiditatea materialului, in procente fata de greutatea substantei uscate. Constanta A si exponentul n depind de natura si structura materialului cercetat.

Deoarece rezistenta materialelor pulverulente depinde si de alti factori (temperatura, densitate, compozitie chimica etc.) acest tip de aparate sunt mai putin folosite.

Aparatele capacitive au la baza functionarii lor dependenta constantei dielectrice , a materialelor pulverulente cu umiditatea. Detectorul capacitiv de umiditate este format din doua armaturi, sub forma unor placi plane sau doi cilindri concentrici. Prin spatiul dintre armaturi trece materialul examinat. In cazul condensatorului plan , unde A si δ sunt: suprafata activa a armaturilor si distanta dintre armaturi. Variatiile de umiditate sunt convertite in variatii de capacitate. Condensatorul se conecteaza intr-un circuit electronic, care transforma variatiile de capacitate in variatii de tensiune electrica

Aparate pentru masurarea concentratiei ionilor de hidrogen in solutii (pH-metru)

In multe procese chimice si biochimice, desfasurarea corecta a proceselor depinde de concentratia ionilor de hidrogen.

Schema disocierii apei in ioni este urmatoarea:

Constanta de disociere a apei k, pentru apa si pentru solutiile apoase este: K=[H⁺].[OH^-] (7)

La disocierea numarul ionilor de hidrogen si hidroxil este egal (solutie neutra), atunci si concentratiile lor vor fi egale cu :

[H⁺]=[OH^-]=10^-7. Prin dizolvarea unui acid in apa, concentratia ionilor de hidrogen in solutie creste, iar a ionilor de hidroxil scade.

La dizolvarea unui hidroxid in apa se produce procesul invers. Prin urmare solutiile acide au [H⁺]>10^-7, iar solutiile alcaline au

[H⁺]<10^-7.

Se noteaza cu pH exponentul de hidrogen.

Prin urmare: pH=-lg[H⁺]=lg (8)

Substantele neutre au pH=7; pentru solutiile acide, pH<7, iar pentru solutiile alcaline, pH>7.

Aparatele de masura (pH-metrele) au doi electrozi, intre care apare o tensiune electromotoare ce depinde de concentratia ionilor de hidrogen din solutie. Un electrod se numeste electrod de referinta si are un potential ce nu depinde de pH-ul solutiei, iar al doilea electrod numit electrod de masura are un potential dependent de pH-ul solutiei.

Scheme de principiu poate fi prezentata ca in fig.21. Tensiunea U ce apare intre electrod de masura 1 si electrodul de referinta 2, a carui potential este constant in raport cu pH-ul solutiei, depinde de potentialul electrodului de masura si de temperatura solutiei. Dependenta de temperatura a tensiunii electromotoare introduce erori de masurare. Pentru compensarea variatiilor de ph cu temperatura, se utilizeaza o termorezistenta imersata in solutie si conectata intr-o punte Wheatstone. Tensiunea de dezechilibru care apare pe diagonala puntii, U', compenseaza variatia tensiunii electromotoare provenita din modificarea temperaturii solutiei. Tensiunea U₁=U'-U este amplificata de un amplificator electronic si masurata de instrumentul de masura.

Aparatele pentru masurarea coloratiei, a transparentei si a concentratiei substantelor in solutii

Metoda calorimetrica este utilizata in chimia analitica pentru determinarea continutului de amoniac, clor si acid clorhidric, acid fosforic, carbon si sulf in fier, bioxid de carbon in amestecurile de gaze precum si a altor substante . Aceasta metoda este folosita in industria zaharului pentru controlul calitatii produselor, in tehnica piscicola pentru aprecierea transparentei apei si a biomasei planctonice a apelor piscicole.

Metoda calorimetrica permite sa se determine concentratia unei substante dizolvate, in functie de intensitatea coloratiei solutiei, bazandu-se pe legile lui Beer si Lambert. In conformitate cu legea lui Lambert-Beer, dependenta concentratiei de intensitatea radiatiei, dupa trecerea prin solutie este:

I=I₀ e^-kcx unde:

I este intensitatea dupa trecerea prin solutie;

I₀ - intensitatea radiatiei luminoase incidente;

c - concentratia substantei colorate in solutie;

x - lungimea traiectoriei razelor prin solutie;

k - constanta de absorbtie, care depinde de natura si starea fizica a mediului, precum si de lungimea de unda a luminii absorbite.

Daca se considera o solutie etalon de analizat si o solutie de analizat, parcurse pe aceeasi lungime x de raze luminoase cu intensitatea radiatiei incidente I₀, intensitatile radiatiilor dupa trecerea prin solutie, I si I₁, vor fi: I=I₀ e^-kcx, I₁=I₀ e^-kc₁^x (9)

sau: kcx=ln, kc₁x=ln. (10)

Notand cu D=ln densitatea optica a solutiei vom avea:

D₁-D=kx(c₁-c). (11)

Schema de principiu a unui aparat fotocolorimetric de concentratie este data in fig.22. Razele de lumina produse de lampa 1, alimentata cu o tensiune constanta U₀, sunt reflectate de oglinzile 2 si 2', trec prin diafragmele 3 si 3', prin lentilele 4 si 4', prin filtrele optice 5 si 5', precum si prin recipientele 6 si 6', in care se afla solutia etalon respectiv solutia analizata. Fascicolele luminoase cad pe fotocelulele FC1 si FC2 generand aparitia unor curenti i₁, respectiv i₂, proportionali cu fluxurile incidente. Tensiunea de iesire U=Ri₁-Ri₂=R(i₁-i₂). Daca solutiile au aceleasi proprietati optice atunci cei doi curenti i₁=i₂ si U=0. Daca in solutia analizata concentratia colorantului este mai mare, fluxul luminos pe Fc2 este mai mic si i₂<i₁, iar U>0. Tensiunea U este proportionala cu concentratia substantei in solutie.

Masurarea cantitatii de caldura

Cantitatea de caldura este o marime ce prezinta un interes deosebit in tehnica. Caldura este transmisa consumatorilor folosind agenti termici: apa in retelele de termoficare, uleiul sau amoniacul in industrie. Cantitatea de caldura Q se poate determina cu relatia: Q=G c_p Δθ, in care: G - debitul masic al agentului termic; c_p - caldura specifica; Δθ - diferenta de temperatura intre conducta de ducere si cea de intoarcere.

Procesele de masurare a caldurii constau din masurarea in mod separat a diferentei de temperatura si a debitului si afisarea caldurii prin aparate indicatoare sau inregistratoare.

In fig.23 este figurat un astfel de procedeu. Diferenta de temperatura Δθ este masurata cu ajutorul termocuplelor montate in opozitie pe cele doua conducte de ducere si de intoarcere.

Tensiunea furnizata de acestea este proportionala cu diferenta celor doua temperaturi:

u_T=u_d-u_i=kΔθ. (12)

Tensiunea u_T este aplicata rezistentei R_p conectata potentiometric. Cursorul sau este actionat de catre traductorul de debit. Acest traductor masoara debitul cu ajutorul diafragmei (diferenta de presiune pe diafragma este functie de viteza, respectiv debitul agentului termic), asigurand cursorului o deviatie α functie de debit. Cum rezistenta potentiometrica este alimentata cu diferenta tensiunilor, rezulta ca intensitatea curentului i va fi data de o relatie de forma: i=f(k u_T α_M)=f₁(k₁ G) (13)

Folosind apoi elemente de liniarizare si amplificare, se obtine un curent I proportional cu debitul de caldura indicat de ampermetru si inregistrat de contorul [Ah].G - debitul masic al agentului termic; c_p - caldura specifica; Δθ - diferenta de temperatura intre conducta de ducere si cea de intoarcere.

Procesele de masurare a caldurii constau din masurarea in mod separat a diferentei de temperatura si a debitului si afisarea caldurii prin aparate indicatoare sau inregistratoare. In fig.23 este figurat un astfel de procedeu. Diferenta de temperatura Δθ este masurata cu ajutorul termocuplelor montate in opozitie pe cele doua conducte de ducere si de intoarcere.

Tensiunea furnizata de acestea este proportionala cu diferenta celor doua temperaturi:

u_T=u_d-u_i=kΔθ. (12)

Tensiunea u_T este aplicata rezistentei R_p conectata potentiometric. Cursorul sau este actionat de catre traductorul de debit. Acest traductor masoara debitul cu ajutorul diafragmei (diferenta de presiune pe diafragma este functie de viteza, respectiv debitul agentului termic), asigurand cursorului o deviatie α functie de debit. Cum rezistenta potentiometrica este alimentata cu diferenta tensiunilor, rezulta ca intensitatea curentului i va fi data de o relatie de forma:

i=f(k u_T α_M)=f₁(k₁ G) (13)

Folosind apoi elemente de liniarizare si amplificare, se obtine un curent I proportional cu debitul de caldura indicat de ampermetru si inregistrat de contorul [Ah].