- 1 -

CURS 7 –BSA

Adaptoare electronice pentru traductoare

Rolul adaptorului este acela de a converti mărimea generată de elementul sensibil (ES) în semnalul electric de ieşire al traductorului. Deoarece în acest caz, conversia şi adaptarea semnalului de ieşire la cerinţele impuse de elementele lanţului de măsurare implică circuite şi blocuri electronice, se utilizează frecvent denumirea de adaptoare electronice.

Adaptoarele furnizează la ieşire, de regulă, tensiuni şi curenţi electrici variind în limite specificate, indiferent de natura şi domeniul de variaţie al mărimii aplicate la intrarea traductorului. De asemenea, aceste semnale au asociată o putere corelată cu caracteristicile energetice ale circuitelor de intrare din ultimul element al lanţului de măsurare (rezistenţa de sarcină).

Diferenţierile cele mai importante la adaptoare apar pe partea de intrare, care recepţionează mărimile diversificate atât ca natură fizică, precum şi gama de variaţie, furnizate de elementul sensibil. Circuitele de intrare ale adaptoarelor capătă astfel caracteristici particulare în raport cu tipurile elementelor sensibile şi în acest sens vor fi tratate în continuare.

1. Adaptoare pentru elemente sensibile de tip parametric

Adaptoarele pentru elemente sensibile de tip parametric se caracterizează prin aceea că sunt prevăzute la intrare cu scheme specifice parametrilor elementelor de circuit: R, L, C.

Fig. 4.2. Schema bloc a unui adaptor pentru element sensibil rezistiv

Schema bloc a unui adaptor pentru element sensibil rezistiv conţine următoarele elemente (figura 4.2 - în afara elementelor din figură se prevăd şi surse de alimentare):

• SM - schemă de măsurare în punte Wheatstone de curent continuu funcţionând în regim neechilibrat. Pentru alimentarea punţii este necesară o sursă de tensiune stabilizată, deoarece tensiunea de dezechilibru este direct influenţată de variaţiile tensiunii de alimentare. Schemele în punte sunt, de obicei, preferate unor montaje mai simple de tipul divizor de tensiune, întrucât ele permit compensarea influenţei unor factori externi şi, deci, asigură o precizie mai ridicată;

• BC - bloc de comparaţie prin diferenţă, care compară tensiunea de dezechilibru ∆U provocată de variaţia ∆R a rezistenţei elementului sensibil, cu tensiunea de reacţie Ur ;

• A - amplificator de tensiune continuă care poate fi de tipul cu cuplare directă sau cu modulare - demodulare. Există o gamă largă de amplificatoare integrate de măsurare, de la tipurile mai simple din categoria AO, până la cele mai evoluate, cu separare galvanică, instrumentale, etc.;

• BL - bloc de liniarizare introdus atunci când este necesar să compenseze neliniarităţile determinate de elementul sensibil sau de schema de măsurare. BL este un generator de funcţii realizat cu diode, diode Zener, tranzistoare, care introduce, în mod intenţionat, neliniarităţi de sens opus celor determinate de elementul sensibil sau de schema de măsurare, astfel ca pe ansamblu, relaţia intrare - ieşire a traductorului, pe domeniul considerat, să fie liniară;

• CTC - convertor tensiune - curent care asigură semnalul unificat de ieşire în curent (de exemplu: 4 ... 20 mA c.c.). De regulă, este realizat cu tranzistoare de putere medie, deoarece amplificatoarele, în special cele integrate, nu pot asigura la ieşire puterea necesară, (de exemplu 20 mA pe o rezistenţă de sarcină în valoare de 600 Ω ). Montajele de tip Darlington sunt cele mai frecvente;

BL CTCcI

A

BR

BCSMU∆

rU

R∆

+−

- 2 -

• BR - bloc de reacţie negativă care furnizează tensiunea Ur proporţională cu Ic; în unele cazuri se prevede un bloc de reacţie şi liniarizare (BRL). Reacţia negativă se introduce în scopul eliminării influenţei perturbaţiilor, astfel încât să cuprindă în bucla respectivă cât mai multe din blocurile componente. Blocul de reacţie, de cele mai multe ori, este un divizor rezistiv de tensiune sau de curent.

Pentru elementele sensibile inductive şi capacitive, structura adaptorului este similară. Deosebirile apar în modul de realizare a elementelor componente. Astfel, schemele de măsurare sunt punţi de c.a. funcţionând în regim neechilibrat, iar amplificatoarele de c.a. sunt de tipul selectiv, acordate pe frecvenţa de alimentare a schemelor de măsurare. Separarea galvanică prin cuplare cu transformator apare în acest caz mai simplă, în schimb cuprinderea cât mai multor elemente în buclă şi liniarizarea devin mai complicate. 2. Adaptoare pentru elemente sensibile de tip generator

Elementele sensibile de tip generator furnizează la ieşire un semnal de natura unei tensiuni electrice continue sau alternative (termocuplurile, tahogeneratoarele, etc). În această situaţie, structura adaptorului este în principiu aceeaşi ca în figura 4.2, din care lipseşte însă schema de măsurare (tensiunea dată de termocuplu fiind similară cu tensiunea de dezechilibru a punţii de c.c). În acest caz, se impun o serie de cerinţe specifice amplificatoarelor folosite în cadrul acestor adaptoare. Aceste cerinţe sunt strâns legate de caracteristicile semnalului generat de elementul sensibil, cazurile cel mai frecvent întâlnite, fiind următoarele:

• Tensiuni continue de nivel foarte redus; adaptorul pentru traductorul de temperatură cu termocuplu reprezintă un exemplu tipic în acest sens. Măsurarea tensiunii unor surse de semnal de nivel foarte scăzut, de ordinul mV, cum este cazul termocuplurilor, este afectată în primul rând de deriva tensiunii de decalare. Astfel, dacă se măsoară temperatura cu un termocuplu Pt-Rh-Pt cu o sensibilitate de 10 µV/°C şi se utilizează un amplificator cu o derivă de tensiune de 15 µV/°C, rezultă că la o variaţie a temperaturii mediului de numai 10°C, deriva va fi de 150µV, ceea ce corespunde unei erori de temperatură de 15°C, evident neacceptabilă.

În amplificatoarele de c.c. realizate cu componente discrete, reducerea derivelor se face prin sortări şi ajustări de piese componente, precum şi prin adoptarea unor scheme adecvate de amplificatoare (cu modulare-demodulare, diferenţiale cu compensare statică a derivei etc). Pentru satisfacerea acestor cerinţe, au fost dezvoltate numeroase tipuri de amplificatoare integrate de măsurare cu performanţe ridicate, cum sunt cele cu cuplaj direct şi compensare statică a derivei cu temperatura care asigură derive de 0,25 µV/°C şi chiar 0,lµV/°C comparabile cu cele ale amplificatoarelor cu modulare-demodulare, dar mai simple şi mai ieftine decât acestea;

• Tensiuni alternative de frecvenţă variabilă în limite largi. Amplificatoarele de tensiune de bandă largă 1Hz...l06Hz sunt necesare, fie în cazul unor traductoare electromagnetice cum sunt tahogeneratoarele, traductoarele de debit cu turbină, fie pentru traductoare destinate măsurării unor mărimi variabile în timp, de exemplu cele piezoelectrice, magnetostrictive. Asemenea amplificatoare se realizează cu cuplaje RC între etaje şi includ o puternică reacţie negativă, necesară pentru asigurarea liniarităţii şi constantei amplificării pe întreaga bandă. În prezent se construiesc amplificatoare integrate de bandă largă, care au amplificări până la 60 dB pe bandă până la l,5MHz;

• Tensiuni continue sau alternative obţinute de la surse cu impedanţă proprie de valoare foarte mare. Problemele cele mai dificile le pun amplificatoarele pentru acele elemente sensibile la care sursa de semnal se caracterizează prin rezistenţă sau impedanţă internă foarte mare, de ordinul 108...109Ω (traductoare de pH, traductoare de debit electromagnetic, traductoare piezoelectrice, etc). Rezultă că în asemenea cazuri, măsurarea trebuie să se facă fără consum de putere de la sursa de semnal. Aceasta înseamnă că amplificatoarele necesare pentru aceste aplicaţii - denumite şi amplificatoare electrometrice - trebuie să realizeze rezistenţe de intrare de 1012...1014 Ω. În tehnica actuală s-au dezvoltat, în principal, două direcţii de elaborare a acestor amplificatoare:

• amplificator cu modulator cu diode varicap; • amplificatoare cu tranzistoare cu efect de câmp.

- 3 -

Celelalte blocuri componente sunt aceleaşi cu cele descrise la adaptoarele pentru elemente sensibile pasive.

3. Adaptoare cu scheme de măsurare cu echilibrare automată

Pentru măsurarea precisă a tensiunilor sau curenţilor de nivel scăzut daţi de elementele sensibile generatoare, este necesar să se utilizeze scheme de măsurare de tip compensator care realizează compararea tensiunii sau curentului respectiv cu mărimi similare, a căror valoare poate fi variată automat şi cunoscută cu precizie. Măsurarea se face practic fără consum de putere de la elementul sensibil, ceea ce permite eliminarea erorilor sistematice de metodă.

În cazul elementelor sensibile parametrice, condiţii superioare de precizie se pot obţine, de asemenea, dacă schemele de măsurare în punte sunt făcute să funcţioneze în regim echilibrat prin variaţia corespunzătoare a unei rezistenţe de comparaţie.

Întrucât mărimile furnizate de elementele sensibile variază în timp, rezultă că atât compensarea, cât şi echilibrarea punţilor trebuie să se efectueze automat. Astfel, pentru o serie de traductoare de la care se cer performanţe superioare, adaptoarele se realizează sub forma unor compensatoare automate sau punţi cu echilibrare automată. Asemenea soluţii se adoptă mai ales în acele cazuri în care, simultan cu semnalul de ieşire al traductorului necesar pentru scopuri de reglare, apare şi necesitatea indicării sau înregistrării mărimii măsurate de traductor.

Adaptoarele de acest tip sunt mai complexe decât cele menţionate în paragrafele anterioare, ele conţinând pe lângă circuitele electrice (statice), elemente electromecanice (mobile). Datorită prezenţei pieselor în mişcare, performanţele în regim dinamic sunt mai reduse, ele fiind aplicate numai mărimilor caracteristice proceselor lente (mărimi lent variabile în timp, cu banda de frecvenţă f ≤≤≤≤ l Hz).

a. Compensatoare automate Compensatoarele automate pot fi de tip integral şi de tip proporţional. a1. Compensator automat de tip integral În figura 4.3 este prezentată schema de principiu a unui compensator automat de tip integral.

La intrarea amplificatorului A se aplică tensiunea de dezechilibru ∆U, reprezentând diferenţa dintre tensiunea necunoscută Ux şi tensiunea de compensare Uc:

∆U = Ux -Uc . (4.4)

Fig. 4.3. Compensator automat de tip integral

Această tensiune de dezechilibru, amplificată, se aplică înfăşu-rării de comandă a servomotorului SM, care se pune în mişcare, şi prin intermediul mecanismului M (care transformă mişcarea de rotaţie într-o mişcare de translaţie), deplasează cursorul potenţiometrului R până la anularea tensiunii de dezechilibru ∆U; simultan are loc şi deplasarea acului indicator I în faţa unei scări gradate S. Sensul de rotaţie al servomotorului depinde de polaritatea tensiunii de dezechilibru şi astfel deplasarea cursorului are loc întotdeauna în sensul convenabil echilibrării. În momentul în care ∆U=0, servomotorul se opreşte şi cursorul rămâne în poziţia corespunzătoare condiţiei de

- 4 -

compensare până când tensiunea de măsurat îşi modifică din nou valoarea. Procesul de echilibrare se repetă şi cursorul se deplasează într-o nouă poziţie, corespunzătoare noii condiţii de compensare.

Particularitatea acestui tip de compensator o constituie existenţa în bucla de reglaj a elementului integrator, reprezentat de servomotor.

Dacă la bornele înfăşurării de comandă a servomotorului se aplică tensiunea:

Um=ka⋅∆U. (4.5)

ka fiind amplificarea amplificatorului A, rotorul se va roti cu viteza unghiulară:

Ω = km⋅Um = ka⋅km⋅∆U . (4.6)

Viteza liniară de deplasare a cursorului potenţiometrului R fiind proporţională cu viteza unghiulară a axului

.Ukkkdt

dlmar ∆⋅⋅⋅= (4.7)

deplasarea l a cursorului va fi:

.∫∆⋅⋅⋅= Udtkkkl mar (4.8)

Tensiunea de compensare Uc care se stabileşte la echilibru, este deci, proporţională cu integrala tensiunii de dezechilibru:

.UdtkkkklkU marppC ∫∫∫∫⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====⋅⋅⋅⋅==== ∆∆∆∆ (4.9)

Eroarea statică fundamentală a compensatorului, determinată de existenţa pragului de sensibilitate al servomotorului (tensiunea minimă pentru care bucla de reglaj automat intră în funcţiune), este, de obicei, foarte mică, de ordinul 0,l ... 0,2 %.

a2. Compensator automat de tip proporţional Schema de principiu a unui compensator automat de tip proporţional este prezentată în

figura 4.4. Tensiunea de măsurat Ux este comparată cu căderea de tensiune UN de la bornele rezistenţei etalon RN, cădere de tensiune produsă de curentul de ieşire I al amplificatorului de c.c. (A). Montajul tinde să aducă la zero tensiunea ∆U, adică:

∆U = UX-UN=UX-RN⋅I = 0. (4.10)

de unde rezultă:

N

X

R

UI = . (4.11)

Prin urmare, valoarea curentului I este o măsură pentru tensiunea Ux, deci tensiunea de măsurat a fost transformată în cadrul schemei într-un curent proporţional cu aceasta, curent care poate fi măsurat cu ajutorul unui miliampermetru magnetoelectric gradat direct în unităţi de tensiune.

In realitate, ca în orice sistem de reglare automată de tip proporţional nu se poate obţine o compensare exactă, încât:

( ).1 pN

X

R

UI ε−⋅= (4.12)

unde εp reprezintă eroarea de proporţionalitate. Aplicând teorema a doua a lui Kirchhoff (figura 4.4) se obţine:

Ux = Ri⋅Ii+RN⋅ (I + Ii). (4.13)

- 5 -

Fig. 4.4. Compensator automat de tip proporţional bazat pe

principiul compensării tensiunii continue

de unde rezultă:

iN

Ni

N

X IR

RR

R

UI ⋅

+−= . (4.14)

Din egalitatea relaţiilor (4.12) şi (4.14) se obţine eroarea de proporţionalitate:

iX

Nip I

U

RR⋅

+=ε . (4.15)

Deoarece Ri >> RN, relaţia (4.15) devine:

XX

iip U

UU

IR ∆∆∆∆εεεε ====⋅⋅⋅⋅==== . (4.16)

Din relaţia (4.16) se observă că eroarea de proporţionalitate este cu atât mai mică cu cât tensiunea de intrare ∆U, necesară pentru producerea curentului I, este mai mică, adică cu cât este mai mare factorul de amplificare al amplificatorului A.

Montajul poate fi considerat un generator de curent. Aceste compensatoare sunt folosite frecvent pentru măsurarea tensiunii furnizate de

elementele sensibile termoelectrice. Schema de principiu a unui compensator automat care se bazează pe principiul compensării

curentului continuu este prezentată în figura 4.5. Schema funcţionează ca un sistem de reglare automată a curentului I, în aşa fel încât căderile de tensiune, în opoziţie, de pe rezistenţele etalon RN1 şi RN2 să se compenseze. În momentul compensării, ∆U = 0 şi, deci, rezultă:

RN2⋅IX=RN1⋅ (I-IX). (4.17)

sau:

.1

21X

N

NN IR

RRI ⋅+= (4.18)

prin urmare, curentul I indicat de miliampermetrul magnetoelectric este proporţional cu curentul de măsurat Ix.

Fig. 4.5. Compensator automat de tip proporţional bazat pe principiul compensării curentului continuu

xU

NU

iI

U∆iR

A

iI

I NR

NU

mA

xI

ix II −

iI

U∆ iR

A

2NR

I 1NR

ix III +−

mAxI

- 6 -

La amplificatoarele reale, compensarea completă a curentului nu este posibilă, fiind necesară o tensiune ∆U pentru comanda amplificatorului. Prin urmare, curentul de ieşire al amplificatorului este:

(((( ))))p1N

2N1NX 1

RRR

II εεεε−−−−⋅⋅⋅⋅++++⋅⋅⋅⋅==== . (4.19)

Conform schemei din figura 4.5 rezultă:

RN2⋅ (Ix-Ii)-RN1⋅ (I-Ix + Ii)-Ri⋅Ii=0. (4.20) de unde se obţine:

.1

21

1

21

N

iNNi

N

NNX R

RRRI

R

RRII

++⋅−

+⋅= (4.21)

Din egalitatea relaţiilor (4.19) şi (4.21) rezultă eroarea de proporţionalitate:

( ) .21

2121

21

i

iNN

NNXNN

iNN

X

ip R

RRR

RRI

U

RR

RRR

I

I ++⋅

+⋅∆=

+++

⋅=ε (4.22)

Deci eroarea de proporţionalitate este cu atât mai mică cu cât factorul de amplificare al

amplificatorului este mai mare. Acest montaj se comportă ca un generator de curent şi se foloseşte pentru măsurarea

curentului produs de elementele sensibile fotoelectrice. b. Punţi cu echilibrare automată

Punţile de c.c. cu echilibrare automată se folosesc, de regulă, în instalaţiile industriale pentru măsurarea electrică a mărimilor neelectrice şi a variaţiilor acestora, convertibile în rezistenţă. Într-unul din braţele punţii se conectează un element sensibil rezistiv.

Ca şi compensatoarele automate, punţile automate pot fi de tip integral şi de tip proporţional.

b1. Puntea automată de tip integral Într-o latură a punţii (figura 4.6) se conectează un element sensibil rezistiv. Puntea este în

echilibru (∆U=0) pentru valoarea nominală R a rezistenţei elementului sensibil. Sub influenţa mărimii neelectrice de măsurat, rezistenţa elementului sensibil variază cu ∆R, deci apare o tensiune de dezechilibru ∆U≠0; această tensiune, amplificată, se aplică înfăşurării de comandă a SM, care se pune în mişcare şi prin intermediul mecanismului M (care transformă mişcarea de rotaţie într-o mişcare de translaţie) deplasează cursorul potenţiometrului Rv până la anularea tensiunii ∆U. Simultan are loc şi deplasarea acului indicator I în faţa unei scări S gradate în unităţi ale mărimii neelectrice de măsurat. Particularitatea acestui tip de punte o constituie existenţa, în bucla de reglaj,

Fig. 4.6. Punte automată de tip integral

- 7 -

a elementului integrator, reprezentat de servomotor. Pentru puntea din figura 4.6 sunt valabile relaţiile stabilite pentru compensatorul automat de tip integrator.

b2. Puntea automată de tip proporţional Principiul punţii cu echilibrare automată de tip proporţional este prezentat în figura 4.7. La

variaţia rezistenţei elementului sensibil cu ∆R, apare o tensiune de dezechilibru ∆U≠0, care se aplică amplificatorului A. Curentul I2 de la ieşirea amplificatorului produce o cădere de tensiune la bornele rezistenţei etalon R0, care tinde să reechilibreze puntea:

∆R⋅I = R0⋅I2 . (4.23)

Rezistenţele punţii sunt astfel alese încât:

R3 >> R şi R2 >> R1 + R0, (4.24)

adică se poate considera că nu are loc modificarea curentului I la variaţia rezistenţei elementului sensibil cu ∆R.

Fig. 4.7. Punte automată de tip proporţional

În realitate echilibrarea punţii nu se poate face exact, ca în orice sistem de echilibrare automată de tip proporţional, ci numai aproximativ, încât la ieşirea punţii există o tensiune de dezechilibru:

∆U = ∆R⋅I - R0⋅I2 = ∆R⋅I - R0⋅Y21⋅∆U (4.25)

unde Y21 este admitanţa de transfer a amplificatorului A. Din relaţia (4.25) se obţine:

.1 210 YR

IRU

⋅+⋅∆=∆ (4.26)

Tensiunea de dezechilibru corespunde unei erori absolute de măsurare a variaţiei rezistenţei

(respectiv a mărimii neelectrice):

.1 210 YR

R

I

U

⋅+∆=∆

(4.27)

şi unei erori relative:

.1

1

210 YRRI

U

⋅+=

∆

∆

=ε (4.28)

A

mA2I

U∆0R1R2R

3R

RR ∆+I

E+ −

- 8 -

Eroarea punţii cu echilibrare automată de tip proporţional este cu atât mai mică cu cât admitanţa de transfer Y21 este mai mare, deci cu cât amplificarea amplificatorului este mai mare.

Pentru orice valoare a rezistenţei elementului sensibil există o valoare corespunzătoare pe care trebuie să o aibă curentul de reacţie I2=Y21·∆U pentru a reechilibra puntea. Deci miliampermetrul magnetoelectric conectat în circuitul de ieşire al amplificatorului şi care măsoară curentul de echilibrare I2, poate fi etalonat direct în unitatea mărimii neelectrice sesizată de elementul sensibil. Datorită faptului că indicaţia miliampermetrului:

.1 210

21212 YR

IRYUYI

⋅+⋅∆⋅=∆⋅= (4.29)

este proporţională cu tensiunea de dezechilibru, puntea se numeşte de tip proporţional. Convertoare pentru traductoare numerice

Pe măsura introducerii tot mai largi a calculatoarelor de proces sau a echipamentelor numerice specializate, de conducere automată, apare tot mai frecvent necesitatea ca traductoarele să fie prevăzute cu ieşiri numerice. Ieşirile traductoarelor numerice uzuale sunt semnale compatibile TTL care reprezintă valoarea măsurată în cod binar sau binar codificat zecimal(BCZ).

Modalitatea cea mai simplă de obţinere a unei astfel de ieşiri numerice constă în conversia analog - numerică (A/N) a semnalului de la iesirea adaptorului.

Fig. 4.8. Traductor cu ieşire numerică

U Element sensibil Adaptor Convertor analogic-numeric

I

nyx