INTRODUCERE

Preluarea de ctre om a informaiilor din lumea nconjurtoare s-a bazat, iniial, pe cele cinci organe de sim. Prin originea latin a cuvntului, senzorii ne conduc la semnificaia de a o percepe, a simi i a distinge prin intermediul simurilor umane: vederea (senzori optici), mirosul ( senzori de gaze i umiditate) , auzul ( senzori acustici i de presiune), pipitul ( senzori termici i de presiune), gustul ( senzori de compoziii chimice). n prezent, omul nu se mai bazeaz numai pe propriile sale organe de sim, domeniul funciilor sale senzoriale fiind n continu cre tere datorit dezvoltrii diferitelor tipuri de senzori, destinai msurrii i analizrii diverselor fenomene. Analiza princiipilor de realizare i a caracteristicilor senzorilor are la baz examinarea mrimilor msurrii. Utiliznd principiile termodinamicii, se arta c exist mrimi: -exten sive (masa, sarcina electric. Polarizarea electric i magnetic) -in tensive (potenialul electric i chimic, temperatur absolut, cmpul electric i magnetic). Fiecare mrime extensiv are un corespondent n rndul celor intensive, iar produsul lor reprezint energia reversibil nmagazinat n material. SENZORUL converte te mrimea de msurat ntr-o alt mrime ale crei variaii urmaresc fidel variaiile mrimii de msurat El efectueaz transformarea analogic sau digital a mrimii de msurat ntr-o mrime fizic de aceea i natur sau de natur diferit, avnd ns calitatea important de a fi mai uor msurabil. care se pot extrage de la fenomenul supus

1

Diversitatea necesitailor de msurare, consecin a constrngerilor metrologice, economice sau operatorii, impun existenta, pentru acelai msurnd, a unor tipuri de conversii variate. O clasificare sumar a diferitelor tipuri de senzori se poate realiza n funcie de natura mrimii de ie ire s(m). Astfel, senzorul poate fi modelat prin: impedana (R, L, C ) senzor pasiv (parametric); sursa de energie senzor activ ( generator).

Senzorul generator furnizeaz la ie ire un semnal electric. Senzorul parametric i variaz impedana sub aciunea msurandului i are nevoie de o surs exterioar de energie pentru extragerea unui semnal electric util a fi transmis de-a lungul lanului de msurare. Ansamblul senzor pasivsursa de alimantare este cel care creeaz semnalul electric ale crui caracteristici (amplitudine, frecven) trebuie legate de cele ale mrimii de intrare. TRADUCTORUL este dispozitivul care face ca unei mrimi de intrare s i corespund, conform unei legi determinate, o mrime de ie ire. Exemple: transformatorul de msurare, termoelementul, electrodul de pH etc. Traductorul poate avea n structur sa unul sau mai muli senzori, capabili de a efectua conversia mrimii de msurat ntr-o alt mrime ce prezin t calitatea de a fi uor msurabil.

2

CAPITOLUL I1.1.STRUCTURA GENERAL A UNUI TRADUCTOR

Realizarea funciilor de ctre traductor astfel nct semnalul obinut la ieirea acestuia s reprezinte valoric mrimea msurat, sub form accesibil dispozitivelor de automatizare, implic o serie de operaii de conversie nsoite totodat i de transformri energetice bazate fie pe energia asociat mrimii preluate din proces, fie pe cea furnizat de sursele auxiliare. Schema structurl a unui traductor este prezentat n figura :

Fig - Structur general a unui traductor

Semnificaia blocurilor funcionale este urmtoarea: D ES ( element sensibil), sau detector; ET = element de transmitere (de transfer); A AD este adaptorul; SEA este sursa de energie auxiliar.

3

M rimea vitez, for etc).

de

msurat

x

este

aplicat

la

intrarea

traductorului,

reprezen tnd parametrul reglat (temperatur, debit, presiune, turaie, nivel,

M rimea de ieire y rep rezint valoarea mrimii msurate, exprimat sub form de semnal analogic (curent, tensiune sau presiune). Detectorul (D) numit i element sensibil, senzor sau captor este elementul specific pentru detectarea mrimii fizice pe care traductorul trebuie s o msoare. n mediul n care trebuie s funcioneze traductorul, n afara mrimii x, exist i alte mrimi fizice. Detectorul trebuie s aib calitatea de a sesiza numai variaiile mrimii x, fr ca informaiile pe care acesta le furnizeaz s fie af ectate de celelalte mrimi din mediul respectiv (din proces). n urma interaciunii dintre mrimea de msurat i detector are loc o modificare de stare a acestuia, care, fiind o consecin a unor legi fizice cunoscute teoretic sau experimental, conine informaia necesar determinrii valorii mrimii de msurat. Modificarea de stare presupune un consum energetic preluat de la proces. n funcie de fenomenele fizice pe care se bazeaz detecia i de puterea asociat mrimii de intrare, modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la ie irea elementului sensibil. (Exemplu: Tensiunea electromotoare generat la bornele unui termocuplu n funcie de temperatur.) n alte situaii modificarea de stare are ca efect modificarea unor parametrii de material a cror evideniere se face utiliznd o energie de activare de la o surs auxiliar (SEA). Indiferent cum se face modificarea de stare a detectorului (D), informaia furnizat de acesta nu poate fi folosit ca atare, necesitnd prelucrri ulterioare prin (ET) i (A).

4

Adaptorul (A) are rolul de a modifica (adapta) informaia obinut la ieirea detectorului (D) la cerinele impuse de aparatura de automatizare, pe care o utilizeaz, adic s o converteasc sub forma impus pentru semnalul de ieire y.

1.2.STRUCTURA GENERAL A UNUI SENZOR

Senzorul converte te mrimea de msurat ntr-o alt mrime ale crei variaii urmresc fidel variaiile mrimii de msurat. El efectueaz transformarea analogic sau digital a mrimii de msurat ntr-o mrime fizic de aceea i natur sau de natur deferit, avnd ns calitatea important de a fi mai uor msurabil. Mrimea de msurat poate trece prin mai multe convertiri datorit prezen ei mai multor senzori n structura aceluiai traductor. Senzorii electrici reprezint senzorii care convertesc mrimea de intrare ntr- o mrime de ieire de natur electric. Se pun n eviden cinci domenii de energie care se pot converti unul n cellalt datorit unui senzor : -energie termic ; -energie mecanic ; - energie electric ; -energie magnetic ; - energie chimic. n afar de acestea, n realizarea senzorilor este important domeniul en ergiei radiante. Utilizarea acestor domenii de energie permite realizarea conversiilor din figura:

5

Conversii de energie la nivelul senzorilor.

1.3.CLASIFICAREA SENZORILOR

Senzorii activi

sau senzorii generatori au la baz principiul de

funcionare un efect fizic ce asigur conversia direct n energie electric.

6

n continuare se prezint o descriere a acestor efecte fizice, pentru a pune n eviden modul lor de aplicare : Efect termoelectric. Un circuit format din dou conductoare de natur chimic diferit, avnd jonciunile la temperaturile T 1 i T 2 , genereaz o ten siun e termoelectric E T = S(T 1 T 2 ). Efectul Hall. Un material, n general semiconductor, sub form de placut este parcurs de un curent de intensitate I i introdus n cmp magnetic. n acest caz, va aprea, pe direcia perpendicular pe planul format de inducia magn etic B i de curentul I, o tensiune electric U H = k H IB, constanta Hall k H dep inznd de material i de dimensiunile placuei. Efect piezoelectric. Anumii dielectrici cristalini au proprietatea de a se polariza n urma modificrilor dimensionale ca urmare a unei fore aplicate. Efectul induciei electromagnetice. Dac un conductor se deplaseaza ntrun cmp magnetic de inductie constanta, atunci apare o tensiune electromotoare, proportionala cu viteza de deplasare. De asemenea, n cazul unui circuit nchis aflat ntr-un camp magnetic cu inducie variabil n timp, se induce o tensiune electromotoare egal cu viteza de variaie a fluxului magn etic prin suprafaa circuitului. Efectul fotoelectric. Are la baz echilibrarea sarcinilor electrice ntr-un material sub influena unei radiaii luminoase, cnd lungimea de und este inferioar celei proprii ce caracterizeaza materialul.

1.4.SENZORI PASIVI SAU SENZORI PARAMETRICI

Ei se caracterizeaz prin aceea, c mrimea de intrare le influeneaza proprietile, fiind convertit ntr-o mrime pasiv, cum ar fi : rezisten a, ind uctivitatea, capacitatea , etc.

7

n tabelul de mai jos sunt prezentate principiile fizice ce stau la baza funcionrii senzorilor parametrici, precum i tipurile de materiale utilizate pen tru obinerea acestora. Din realiz rile existente se poate remarca, n special, locul important pe care l ocup n cadrul acestei categorii, senzorii rezistivi, inductivi i capacitivi. Posibilitatea de conversie a unor marimi de natur neelectric n mrime natural electric se datoreaza, deci, unor legi fizice, care exprim dependena parametrilor electrici ai senzorului faa de aceste marimi.

1.5.SENZORI I TRADUCTOARE PENTRU TEMPERATURA

8

Msurarea temperaturii se bazeaza pe diferite efe cte fizice determinate de variaia de temperatur.Cele mai importante dintre acestea sunt :-

dilatarea solidelor , lichidelor sau a gazelor variaia rezistenei electrice tensiunea electromotoare la jonciunea a doua metale intensitatea radiaiilor emise variaia frecvenei de rezonan a unui cristal, etc . Intervalul de temperatur n univers se ntinde de la aproximativ 3 K

n spaiul interplanetar pn la miliarde de K n procesele de fuziune nuclear din interiorul unor stele. Intervalul practic de temperaturi pe Pmnt poate fi considerat ntre 0.20 000 K, n general, sau 0.5000 K n majoritatea aplicaiilor tiinifice, industriale etc.

Aceasta este o gam nc extrem de larg, care nu poate fi acoperit de nici unul din tipurile cunoscute de traductoare de temperatur, De aceea, una din restriciile care se impun la utilizarea traductoarelor de temperatur este intervalul util sau gama de temperaturi n care acesta poate funciona.Ali parametri funcionali sunt :-

exactitatea de msurare dimensiunile sensibilitatea stabilitatea timpul de rspuns al traductorului. O caracteristic important n multe cazuri este interschimbabilitatea :

-

-

unele traductoare ( ca de exemplu, termocuplurile, termorezistoarele metalice) sunt interschimbabile, pe cnd altele ( de exemplu, termistoarele) nu sunt n general interschimbabile.

9

Cele mai obinuite mijloace de msurare a temperaturii sunt :-

termometre cu lichid termometre bimetalice termometre mamometrice termocupluri termorezistoare metalice termistoare termometru cu jonc iune pn termometre cu cuar pirometre cu radiaii termometre cu termorezistene Primele trei dintre acestea sunt traductoare primare de msurat a

-

-

temp eraturii, restul necesit dispozitive electronice pentru msurare.

1.5.1.TERMOCUPLUL

Termocuplul reprezint ansamblul a doua conductoare omogene de natur diferit, denumite termoelectrozi, sudate la unul din capete (sudare calda) care este imersat n mediul cu temperatur de msurat, la capetele

10

libere, care constituie jonciunea de referin sau sudura rece, aflata la temp eratura o, aprnd o tensiune electromotoare E T C prin efect Seebeck, a crei valoare este dat de relaia aproximativ E T C =K T C (-o), unde K T C este sensibilitatea termocuplului, dependent de

natura celor doi termoelectrozi. Sensibilitatea K T C este de valori reduse uzual ntre 0.005 i 0.007

mVC, nefiind constant pe domeniul de msurare, deci relaia scris anterior este valabil pe intervale mici de timp. De aceea caracteristica static a termocup lului se stabile te grafic printr-o form tabelat ce conine tensiun ea electromotoare din 10 C n 10 C. Un termocuplu industrial se compune din doi termoelectrozi, teaca de protecie, cutie de conexiuni i plac de borne.

1.5.2.TERMOELECTROZII

Datorit temperaturii mediului de msurare, am ales ca material de conf ectionare a termoelectrozilor Cromel-Cropel. Punctul de topire al cromelului este 1430C, valori ce sunt net superioare lui max=100C. Termoelectrozii ale i nu au impuriti, tensiuni mecanice, deformri, i dezvolt o tensiune electromotoare n funcie de temperatur de valoare relativ mare, avnd n acela i timp un coeficient de variaie cu temperatur a rezistenei electrice mic ( K(Pt)=0.2710 - 3 K - 1 . De asemenea ele sunt rezisten te la coroziune, ocuri termice i mecanice i nu i schimba n timp temp eratura. Diametrele termoelectrozilor sunt de 0.35 mm, fapt ce conduce la atingerea fr probleme a limitei de utilizare maxime de 100C.Forma

11

termocup lului este cea standard, pentru a avea o mai larg utilizare industrial.

Teaca de protecie

Teaca de protecie are rolul de a feri termoelectrozii de aciunea coroziv a mediului a crui temperatur se msoara, mpiedic deteriorarea lor mecanic, asigur o montare corect i comod a termocuplului n zona de msurare. Teaca de protecie aleas n funcie de mediul bazic n care va fi

folosit traductorul i innd cont de temperatura maxim de expunere, este cea de tip Oel-Inox 304 sau 306, cu o dimensiune de 20 mm. Pentru a face fa la situaia cnd presiunea mediului de lucru este superioar presiunii atmosferice, teaca de protecie va fi fixat cu nipluri sudate. Lungimea nominal a tecii de protecie este de 2000 mm, aceasta fiind caracteristica termocuplului normal (standard) ales. Pentru aplicaiile care impun msurarea temperaturii unor corpuri de dimensiuni reduse se va utiliza o sond de temperatur cu termocup lu ncorporat, de tip termocupluri cu varfuri. Cei doi termoelectrozi sunt separai, sudura cald realizndu-se prin nfigerea acestora n corpul conductor a crui temperatur se msoar. Se va avea grij ca suprafaa s fie curat de oxizi pentru a se evita apariia unei tensiuni electromotoare perturbatoare. Dimensiunea i materialul tecii de protecie au fost astfel alese nct termocup lul rezultat are o constant de timp ntre 15s i 90s, termocuplul avnd un timp de rspuns mediu. Atingerea valorii de temperatur din incinta n care se face msurarea se realizeaza practic dup un timp de rspuns t s =3-4T.

12

La montarea traductorului, se va ine seama de minimizarea erorilor de msurare i de aceea va fi montat pe directia gradientului maxim de temp eratur.

Caracteristica temperatur- tensiune pentru termocuplu.

1.5.3.EECTUL SEEBECK

Efectul Seebeck const n apariia unei tensiuni electromotoare ntr-un circuit format din dou materiale diferite, ale cror contacte (suduri) sun t

13

men inute la temperaturi diferite. Un calcul exact ale acestei tensiuni electromotoare se face n cadrul teoriei fenomenelor de transport. Tensiun ea termoelectromotoare (Seebeck) depinde de natura conductoarelor i de diferen a de temperatur ntre cele dou suduri. E = ( T1 T2 ) unde reprezint coeficientul Seeback

Pentru metalele simple, aflate la temperatura camerei este de civa microvoli/C, astfel nct la o diferen de temperatur ntre suduri de 100 C, se obine o tensiune termoelectromotoare de ordinul milivolilor. Ef ectul Seebeck are aplicaii la confecionarea termocuplelor -

dispozitive folosite la msurarea temperaturilor. Dac T0 este temperatura sudurii reci i este meninut constant (de obicei prin introducerea ei ntr-un amestec de ap cu ghea), tensiunea termoelectromotoare va fi funcie numai de temperatura sudurii calde. E = f ( T) Dac se msoar experimental valorile tensiunii E la diferite temperaturi i se reprezint ntr-un sistem de axe perechile de valori Ei Ti , se obine o curb numit curba de etalonare a termocuplului.

1.5.4.TERMOREZISTEN A

14

Principiul

de

func ionare

al

termorezistenelor

se

bazeaz

pe

proprietatea unui conductor de a-i modifica rezistena electric odata cu schimbarea temperaturii. Construcia instalaiei n care se monteaz termorezistenele trebuie s asigure spaiul necesar pentru montare, accesibilitate la cutia de borne, pen tru asigurarea unor intervenii rapide n exploatare n caz de necesitate. Principalele metode de amplasare a termorezistenelor n instalaiile beneficiarului sunt date de dispozitivele de fixare pe care le au acestea:-

fr dispozitiv de fixare flan mobil flan fix niplu sudat; manon tip baionet , etc. Montarea se execut astfel nct imersia termorezistenei n mediul de

-

msur s fie ct mai mare, transferul termic putndu-se efectua n condiii bune. Montarea termorezistenei se poate efectua direct n mediul de msur sau printr-o teac suplimentar de protecie. Utilizare . Termorezistenele se utilizeaz n general la msurarea, cu precizie ridicat, a temperaturii n buclele de automatizare, din cadrul proceselor tehnologice. Descriere - caracteristici constructive Termorezistenele au urmatoarea construcie: - elemen t sensibil : Pt100 W, simplu sau dublu - teac de protecie

15

- cutie de borne (conexiuni) - dispozitiv de fixare - lungimea nominal Ln: 250 ... 2000 mm - lungimea de imersie Li: variabila - domen iul de temperatur: -200 ... +500C Termorezisten ele se execut conform STAS 8420 - 86 i a standardului de fir variante constructive.

Termorezistene Multicalc Utilizare: termorezisten ele se utilizeaza la msurarea temperaturii n

buclele de contorizare dotate cu calculator MULTICALC. Descriere - caracteristici constructive

Termorezisten ele MULTICALC au urmtoarea construcie: - termorezistena propriu-zis - teaca suplimentara - dispozitiv de fixare - etichete - lungimea de imersie (Li): 60, 220 mm - diametru conduct:Dn 15, 300mm - dispozitiv de fixare: Niplu sudat G 1/4 i tut - elemen tul sensibil: Pt100 W - lungimea cablului (Lc): 1,45m

16

- domen iul temperaturii de lucru: 0,150C Termorezistena este conceput, proiectat i executat s funcioneze ntr-un regim de exploatare static (montat ntr-un punct fix al instalaiei beneficiarului) ceea ce face ca exploatarea ei sa fie deosebit de facil. n timpul exploatrii termorezistena se protejeaza prin orice mijloace posibile tehnice de intemperii, praf, radiaii de tot felul (paravane, umbrele, acoperiuri). Acolo unde acest lucru nu este posibil trebuie executat o verificare periodic a locului de montaj prin ndepartarea apei, prafului sau mizeriei din apropierea i de la locul de montaj al termorezistenei. Termorezistena trebuie protejat de lovituri mecanice cu trie ridicat, de vibraii necontrolate, de modificari bru te i repetate ale mediului (temp eraturi i umiditate). ntreinerea n exploatare a termorezistenelor se face n acela i timp cu ntreinerea utilajului (cuptor, conducta, motor) pe care sunt montate acestea. Revizia tehnic (mentenana preventiv) la produsul termorezistent const n verificarea conexiunilor i a integritii cutiei de conexiuni i plcuei de born e. Ea se efectueaz periodic, cel puin la ase luni.

1.5.5. TERMISTORI

17

Un termistor este un senzor de temperatur rezistiv, obinut prin sintetizarea oxizilor unor metale, ca: magneziu, cobalt, nichel, fier sau cupru. Rezisten a termistorului are un coeficient de temepratur negativ, cu valoarea de -0,04K - 1 . Conducia electric n termistori are loc prin saltul purttorilor (hopping) de la poziia unui atom la altul (ale cror energii sunt localizate n banda de energie interzis a materialului respectiv). n expresia conductibilitii = nq, unde n este concentraia de purttori, q - sarcina iar mobilitatea, ntr-un termistor n=const i responsabil de variaia cu temp eratur este mobilitatea care este activat termic:

(4.4) unde E a este nlimea barierei de potenial dintre dou poziii localizate ale atomilor vecini. Ca urmare, dependena rezistivitii n funcie de tempertur se exp rim astfel:

(4.5)

unde este rezistivitatea pentru T . Coef icientul termic al rezistivitii, definit prin:

= (4.6) devin e n acest caz:

18

(4.7)

unde B=E a /k. Valoarea energiei de activare E a la termistori este n jur de 0,3 eV, (ntre 0,15 i 0,51 eV), i pentru B=4000, coeficientul de temperatur este:

(4.8)

iar la temperatur de 37 o C, = -0,0416 K - 1 =-4,16.10 - 2 K - 1 .

Avnd n vedere c pentru rezistene metalice coeficientul lor termic este cu un ordin de mrime mai mare , rezult c la aceeai temperatur sensibilitatea relativ a unui unui termistor este de 10 ori mai mare dect a unei rezistene metalice.

Ca

urmare folosirea unui termistor este adecvat pentru utilizarea la

msurri de temperatur fiziologice, caz n care este necesar o rezoluie mai mare ntr-un domeniu limitat de temperatur. Termistorii comerciali au rezistene care variaz ntre 6 i 60 k la 0 o C i de la 15 la 150 la 37 o C. Majoritatea termistorilor comerciali sunt destul de stabili pentru uzul clinic. Modificarea rezistenei lor este de 0,1 m ntr-o sut de zile, dac nu sunt afectai de ciclurile termice, n timp ce ocurile i deformrile mecan ice19

pot provoca abateri importante ale dependenei rezistivitii de temperatur, deci o important ireproductibilitate. Pentru uzul medical au fost realizate diferite tipuri de sonde cu termistori: a) termistorul perl, o sfer de 0,3 mm diametru, ncapsulat n sticl i con ectat la fire conductoare (Fig. 4.1a)

Fig. 4.1a b) sond de tip cateter, n care termistorul este legat la un cablu izolator

flexibil; zona de conexiuni este complet izolat (Fig. 4.1b)

Fig.4.1b c) sond de tip ac, n care termistoul este introdus ntr-un ac hipodermic (Fig.4.1c)

Fig. 4.1c

20

Timpul de rspuns al unei sonde cu termistor depinde de forma, i dimensiunea sa precum i de tipul materialului n care este introdus i a mediului nconjurtor. Sondele subiri de tip cateter sau ac au timp de rspuns de 0, 1 s sau mai puin n ap i de 3 s sau mai mult n aer. Caracteristica unui termistor, adic dependena rezistivitii funcie de temp eratur, este neliniar (ecuaia (4.5)). Pentru a obine un rspuns linear n raport cu temperatura rezistenei R T a unui termistor au fost propuse mai multe tehnici. ntr-un domeniu ngust de temperatur, linearizarea poate fi realizat prin adugarea unui rezistor de rezisten R n circuite electrice ca cele din figura 4.2: a) atunci cnd este folosit o surs de tensiune constant, se adaug un rezistor de rezisten R 1 , n serie (Fig. 4.2a)

Fig.4.2a

b) atun ci cnd este folosit o surs de curent constant , se plaseaz n circuit un rezistor de rezisten R 1 , n paralel (Fig. 4.2b)

Fig.4.2b

21

Pentru

a

diminua

eroarea

msurrii

n

domeniul

de

temperatur

resp ectiv, rezistena R 1 a rezistorului ce trebuie plasat n circuit ca n Fig.4.2.a sau n Fig. 4.2b, este astfel proiectat nct:

(4.9) unde B are semnificaia dat de relaia (4.7), T este temperatur medie a domeniului de msur iar R este rezisten termistorului la T. Pentru circutul din Fig. 4.2a, se poate gsi imediat dependena liniar a curentului I de temperatur. Astfel, dac sursa de tensiune furnizeaz circuitului tensiunea V a , atunci:

I (4.10)

T

Pen tru circutul din Fig. 4.2b, sursa de curent constant debiteaz curen tul I c iar dependena tensiunii de ie ire V i e este proporional cu temperatura msurat, dup cum urmeaz:

(4.11) n ecuaiile (4.10) i (4.11) am nlocuit rezistena termistorului R T cu R, valoarea sa de la tempertura medie, ceea ce nseamn c din ecuaiile resp ective obinem numai valorile curentului pentru temperatur T medie a domeniului investigat. Se poate calcula valoarea curentului I din ecuaia (4.10) pentru diferite temperaturi din intervalul de temperatur (290-310) K, cu valoarea R T corespunztoare astfel (pentru B = 3 000 K):22

(4.12)

n tabelul 4.1 sunt date valorile curentului

unde am notat

valoarea constant V a /R =A calculate pentru 5 valori ale lui T, iar n figura 4.3 este prezentat o curb de etalonare pentru dependena curentului normat n funcie de temperatur pentru domeniul de msur de la 290 la 310 K.

Abaterea de la liniaritate n acest domeniu este de 0,03K. Dac este permis o eroare de 0,1 K, atunci poate fi acoperit un domeniu cuprins ntre 285 i 315 K.

1.5.6.TERMOMETRUL23

Termometrul, instrument folosit la msurarea temperaturii. Cel mai des folosit tip de termometru este cel cu mercur, care este alctuit dintr-un capilar de sticl cu diametrul uniform care este deschis ntr-un balon umplut cu mercur la un capt. Ansamblul este nchis pentru a asigura o stare parial de vid. Dac temperatura crete, mercurul se ridic n capilar. Temperatur poate fi apoi citit de pe o scal adiacent. Mercurul este des folosit pen tru msurarea temperaturilor obinuite; alcoolul, eterul i alte lichide sunt i ele folosite n termometre. Invenia termometrului i este atribuit lui Galileo Galilei, dei termome- trul etan nu a fost inventat dect abia n 1650. Termometrele modern e cu alcool i mercur au fost inventate de fizicianul german Gabriel Fah renheit, care a propus de asemenea i prima scala termometric larg folosit, ce-i poart numele, n care 32 F este punctul de ngheare al apei i 212 F este punctul de fierbere al acesteia la o presiune atmosferic normal. Dup aceea au mai fost propuse multe alte scri; n cea centi-grad (a lui Celsius), folosit n majoritatea lumii, punctul de nghe se afl la 0 C, iar cel de fierbere la 100 C.

Tipuri de termometre: O mare varietate de dispozitive sunt folosite ca termometre. Condiia principal este ca o proprietate uor de msurat, cum ar fi lungimea coloanei de mercur, s se schimbe pronunat i previzibil o dat cu schimbri ale temp eraturii. Variaia acelei proprieti ar trebui sa rmn relativ liniar fa de variaiile temperaturii. Cu alte cuvinte, o schimbare cu o unitate n temp eratur ar trebui s duc la o schimbare cu o unitate n proprietatea ce va fi msurat n toate punctele scalei. Rezistena electric a conductorilor i semiconductorilor cre te o dat cu cre terea temperaturii. Acest fenomen este baza termometrului cu rezisten unde un voltaj constant sau un potenial electric, este aplicat unui24

termistor.

Pentru

un

termistor

de

o

anumit

compoziie

msura

unei

temp eraturi specifice va determina o rezisten specific prin termistor. Aceast rezisten poate fi msurat de un galvanometru i devine msura temp eraturii. Diferii termistori din nichel, mangan sau cobalt sunt folosii pen tru tem-p eraturi ntre 46 C i 150 C. Similar, termistori din alte metale sau aliaje sunt folosii pentru temperaturi mult mai nalte; platina, de exemplu, poate fi folosit pentru temperaturi de pn la 930 C. Msurri foarte precise de temperatur pot fi fcute cu termocupluri, unde o diferen mic de voltaj (msurat n milivoli) apare cnd dou fire de metale diferite sunt unite pentru a forma un cerc i cele dou jonciuni au temp eraturi diferite. Pentru a mri voltajul, mai multe termocupluri pot fi con ectate n serie pentru a forma un termopil. Deoarece voltajul depinde de diferen a de temperatur a jonciunilor, o jonciune trebuie pstrat la o temp eratur cunoscut; altfel un circuit electronic de compensaie trebuie construit n dispozitiv pentru a msura temperatur actual a senzorului. Termistorii i termocuplurile au adesea o unitate senzitiv mai mic de cm n lungime care le permite s rspund rapid la schimbrile de temp eratur i le face ideale pentru multe scopuri biologice i de inginerie. Pirometrul optic este folosit pentru a msura temperatura obiectelor solide la temperaturi mai mari de 700 C unde majoritatea celorlalte termometre s-ar topi. La o asemenea temperatur ridicat, solidele radiaz suficient energie n raza vizual pentru a permite msurri optice folosind a anumitul fenomen glow color. Culoarea la care strlucirea obiectelor fierbini se schimb de la rou nchis trecnd prin galben i atingnd aproape culoarea alb este de aproximativ 1300 C. Pirometrul conine un filament de tipul celui din becul obinuit controlat de un reostat care este calibrat n aa fel nct culorile n care filamentul strluce te s corespund unor temperaturi specifice. Temperatura unui obiect strlucitor poate fi msurat prin observarea obiectului prin pirometru i prin ajustarea reostatului pn cnd filamentul se mbin n imaginea obiectului. n acest punct temperatura

25

filamentului i a obiectului este egal i poate fi citit de pe reostatul calibrat.

Termometre cu scopuri speciale: Termometrele mai pot fi construite pentru a nregistra temperatura maxim sau minim atins. Un termometru clinic cu mercur, de exemplu, e un instrument de citirea a temperaturii maxime unde o capcan n tubul capilar ntre balon i fundul capilarului permite mercurului s urce o dat cu cre terea temperaturii, dar l oprete s mearg napoi doar prin scuturare putern ic. Temperaturile maxime atinse n timpul activitii cu unelte i maini poate fi de asemenea estimat cu ajutorul unor straturi de vopsea special care-i schimb culoarea cnd anumite temperaturi sunt atinse.

1.6.SENZORI I TRADUCTOARE CU FIBR OPTIC

Generaliti

Fibra optic este un ghid de und dielectric cilindric, care const dintr-o regiune central numit miez care are indicele de refracie mai mare dect al materialului dielectric care nconjoara miezul i care formeaz cma a fibrei.

Miezul respectiv cma a sunt nconjurate de un nveli cu rol de protecie mpotriva forelor exerioare i care ofer o bun rezisten mecanic.

26

Principiul de funcionare al acestor ghiduri de und este bazat pe reflexia total a razelor de lumin la o suprafa de separaie. Fibra optic poate fi n acelai timp senzor i transmitor de informaii; dac n extremitatea fibrei se realizeaz un microcorp negru se poate cap ta radiaia emis de corp a crui temperatur se dorete s se cunoasc. Se poate utiliza de asemenea fotoluminiscena, adic se transmite o radiaie pn la captul fibrei, prevzut cu o pastil luminiscent, care emite la rndul su raze dependente de cldura sa. Folosirea senzorilor cu fibr optic este legat din ce n ce mai mult de disponibilitatea acestor materiale, iar cercetrile n vederea utilizrii lor se face n mai multe direcii: Pe de-o parte transmisia de date (reeaua telefonic este cel mai bun exemp lu); O folosire original este alimentarea cu energie, pentru dispozitive ce necesit securitate intrinsec; Tran smiterea unui flux luminos emis de o substana (dozat prin

chimiluminiscen); n sfrit modificarea proprietilor de reflexie de la extremitatea unei fibre optice sub efectul unei mrimi de msurat este utilizat pentru a capta senzori miniaturizai utilizai n robotic i medicin.

Descrierea fenomelogic a proceselor de detecie.

27

Radiaiile electromagnetice pot reaciona cu materia n diferite moduri. Se pot clasifica aceste aciuni din punct de vedere al efectelor fononice, termice i ondulatorii. n prima categorie, fononii acioneaz direct asupra electronilor materialului. Cum acesti electroni pot fi legai de atomii din reea sau de atomii de impuriti sau din contr pot fi liberi, este posibil o mare varietate de interaciuni. A doua categorie este caracterizat prin modificarea anumitor

proprieti ale materiei ca urmare a cre terii temperaturii provocat de absoria radiaiilor. A treia categorie de efecte este bazat pe interaciunea cmpului electromagnetic datorat fononilor, cu materia a crei rezultat este schimbarea anumitor proprieti interne ale materialelor.

1.6.1. STRUCTURA GENERAL A SISTEMELOR DE MSURAT CU SENZORI CU FIBRE OPTICE

Sistemele de msurat cu fibre oprice au dou seciuni:-

sec iunea optic; seciunea electronic.

28

Structura unui sistem de msurat cu fibr optic. n seciunea optic , suportul energetic al informaiei manipulate este radiaia optic (radiaia electromagnetic din spectrul vizibil, inflarou i uneori ultraviolet).1.

Fibrele optice constituie canalul de transmitere a informaiei sau i elementul sensibil prin intermediul cruia mrimea

a energiei luminoase n sistem, iar n cazul senzorilor intrinseci, ele pot constitui necunoscuta poate fi msurat (aceasta moduleaz unul dintre parametrii luminii ghidate prin intermediul fibrei active).2.

Conectorii optici asigur cuplarea eficient i stabil a radiaiei

de la sursa optic la fibr, de la fibr la fotodetector i ntre fibre (sau ntre fibre i alte componente optice).3.

Elemente de prelucrare a radia iei optice sunt dispozitive necesare

pen tru modificarea caracteristicilor fasciculelor luminose din diferite zon e a seciunii optice. Cele mai uzuale prelucrri sunt : focalizarea, colimarea, expandarea sau reflexia fasciculului optic ; divizarea sau compunerea unor fascicule ; polarizarea sau analiza luminii polarizate ;

29

filtrarea radiaiei optice ;4.

Optrodul. n cazul sistemelor de msurare, elementul specific este

senzorul (optrodul), la nivelul cruia fasciculul optic incident este modulat de semnalul de msurat (X m ). Seciunea electronic asigur integrarea sistemelor cu fibre optice n sistemele electrice i electronice convenionale.1. Bloc electric de comand a sursei optice : -

Sursa optic : n marea majoritate a aplicaiilor sursa optic este o diod superluminiscent sau diod laser ;

-

Circuite de alimentare electric .

2. Blocul electronic de recepie, are o structur asemntoare att pentru

sistemele de msurat, ct i pentru cele de comunicaii.

1.6.2. SENZOR CU FIBRE OPTICE FLUORESCENT PENTRU MSURAREA TEMPERATURII

Senzorul de temperatur cu fibre optice este alctuit dintr-o surs optic, o sond de temperatur cu fibre optice, blocul de detecie i prelucrarea electronic a semnalului.

30

Fig. 1 . Structura senzorului.

Sursa optic produce radiaie optic care excit cristalul de rubin. Acasta este preluat printr-o fibr optic a sondei i lsat asupra cristalului de rubin. Radiaia generat prin fluorescen este colectat de cea de-a dou fibr optic a sondei i este ghidat de detectorul optic din blocul de detecie i prelucrare, unde este transformat ntr-un semnal electric analogic, prelucrat n continuare pentru extragerea informaiei metrologice. Din punct de vedere al fenomenului de fluorescen, rubinul are comportarea unui convertor de ordin 1 : un salt treapt al radiaiei luminoase incidente n banda albastr sau verde , i(t) : i (t) = A l(t) determin o variaie exponenial a radiaiei ro ii emis prin fluorescen n liniile R, f(t) :

Senzorul

de

temperatur

realizat

folose te

pentru

determinarea

constan tei de timp a fluorescenei, metoda sudiului n timp. Sursa optic emite un flux luminos modulat dreptunghiular care excit cristalul de rubin.

31

Blocul de prelucrare electronic extrage din semnalul detectat componen ta exponen iala i o prelucreaz, rezultnd un interval de timp proporional cu constan ta de timp a fluorescenei. Sursa optic este o dioda electroluminiscenta (LED) care emite n band verde, cu lungimea de und central de 565 nm i o lrgime de band de emisie 80 nm, centrat pe lungimea de und central. Dioda este alimen tat de un generator de curent comandat, care injecteaza un curent de 80 mA n palierul superior al undei dreptunghiulare. Comanda generatorului de curen t este realizat de un oscilator treptunghiular cu factorul de umplere 50 % i cu nivelul de ieire TTL, a crui frecven a fost fixat la 35 Hz. Valoarea frecvenei de oscilaie a fost aleas nct s se permit obinerea regimului stabilizat pentru semnalul de fluorescen. Sonda de temperatur (fig. 2) este alcatuit din doua fibre optice de aproximativ 1,5 m fiecare, echipate la cte un capt cu conectoare din plastic i lipite cu capetele de aceeai parte a unui cristal de rubin. nainte de lipire, pe o poriune de aproximativ 5mm s-a deprtat cmaa de protecie a fibrei i cap etele astfel pregtite au fost fixate mpreuna cu un tub termocontractil. Pentru lipirea fibrelor de cristal s-a folosit adeziv optic. Ansamblul astf el realizat a fost nvelit ntr-o folie refectorizant n scopul mririi semnalului recep tat de fibr colectoare i apoi nglobat n rina epoxidic ( ARALDITE) pentru rigidizarea ansamblului.

32

Fig. 2. Sonda de temperatur cu fibr optic. Fibra optic folosit este fibr polimer, indicat pentru aplica iile n spectrul vizibil, cu diametrul miezului de 1 mm, apertura numerica AN = 0, 47, atenuarea tipic de 200 dB/Km i temperatur de utilizare ntre -30 i +85 C. Diametrul miezului i apertura numeric mari sunt ideale pentru aplicaia de fa, permind cuplarea eficient la fibr a luminii emise de LED, ca i colectarea n msura mare a semnalului de fluorescent emis de cristal. Valoarea mare a atenurii, caracteristica fibrei din polimer, nu este relevan t pentru lungimi mici de fibr utilizate, n schimb intervalul de temp eratur redus limiteaza aplicabilitatea senzorului. Cristalul folosit este rubin roz, cu forma de prism triunghiular i este tiat din tr-o bar de rubin pentru laser.33

Blocul

de

detecie

i

preluare

electronic

asigur

conversia

semnalului optic n semnal electric, extragerea semnalului util i prelucrarea acestuia pentru obinerea informaiei de temperatur. Schema bloc este prezen tat n figura 3.

Detectorul optic conine un filtru optic i un ansamblu fotodiod pinamplificator FET cu zgomot redus. Filtru optic este de tip trece- sus (RG 695) i are rolul de a opri trecerea spre fotodetector a radiaiei emise de LED i cup lat n fibra colectoare prin refexii interne n cristal, ca i o mare parte din lumina ambiant colectat accidental. n acest mod se evit saturarea amplificatorului cu o component continu care nu conine informaie metrologic. Semn alul de la ie irea detectorului (s2) este filtrat i amplificat (s3) i apoi prelucrat n continuare, obinndu-se un impuls de durat proporional cu

constan ta de timp a fluorescentei (s4). Prin urmare, mrimea de ie ire, este un interval de timp, proporional cu temperatura.

34

1.6.3.SENZORI DE TEMPERATUR FR CONTACT

Firma american Banner s-a hotrt s umple un gol de pia prin lansarea unui senzor de temperatur tip pirometru la un pre accesibil.

Acest senzor denumit T-GAGE exist att n variant cu ie ire pe contact ct i n variant analogic. Caracteristicile acestui senzor sunt urmtoarele :

Timp de rspuns: 75 milisecunde Programare simpl prin teach; nu e necesar reglarea poteniometric Carcas compact, mic; nu este necesar nici un controller extern Nu este necesar micarea obiectului pentru detectare Funcie teach static sau dinamic Ieire pe alarm pentru indicare, semnal maxim Ieire analogic programabil cresctor sau descresctor cu temperatur

Aplicaii:

35

Detectarea prii fierbini: metale, recipiente de sticl sau plastic, cauciuc, produse de pine i patiserie Prti nclzite control de contur sau form Veghere flacr Monitorizare lipici fierbinte Monitorizare etan eitate nchidere la nchiderile prin lipire la cald Detectare pri ngheate, hran congelat, ghea etc Monitorizare echipamente (ca o avertizare a apariiei defectului): ex. cutia de viteze sau motorul supranclzite

Monitorizare temperatur suprafa

1.7. DEOSEBIRILE DINTRE TRADUCTOR I APARATUL DE MASURAT

Prin aparat de msurat se nelege acel dispozitiv care stabile te o dependen ntre mrimea de msurat i o alt mrime ce poate fi perceput nemijlocit cu ajutorul organelelor de sim umane, ntr-o manier care p ermite determin area valorii mrimii necunoscute n raport cu o anumit unitate de msur. n cazul SRA conducerea procesului fcndu-se fr participarea direct a operatorului uman, mijloacele prin care se realizeaz operaia de msurare se numesc traductoare . Trad uctorul (definit n sensul atribuit de automatic) este un dispozitiv de automatizare care stabile te o coresponden ntre mrimea de msurat (ce poate fi de orice natur sau domeniu de variaie) i o mrime de natur dat, avnd un

36

domeniu de variaie calibrat, mrime ce este recepionat i prelucrat de ctre echipamentele de conducere (regulatoare i calculatoare de proces). Noiunea de traductor se poate extinde pentru definirea unor elemente cu funciuni similare care intr n structura unor lanuri de msurare complexe, utilizate n scopuri de cercetare, sau laboratoare metrologice . Observaii: Fcnd paralelismul funcional ntre aparatel e de ms urat i traduct oar e , se observ o serie de deosebiri prin faptul c traductorul este un elemen t compon ent al SRA. Informaia furnizat de traduct or nu se adreseaz unui operator uman, ci unui echipament de conducere sau reglare automat. Deosebirile dintre traductor i aparatul de msurat rezid mai ales n natura caracteristicilor statice i dinamice. Din punct de vedere al caracteristicilor, traductoarelor li se impun urmtoarele cerine: a)Relaie de dependen liniar ntre intrare i ieire (I - E). b)Din amic proprie care s nu influeneze n mod esenial comportarea SRA.

Aceste cerine reprezint restricii severe n construcia traductoarelor. Dac pentru un aparat de msur relaia de dependen I-E poate fi neliniar, n acest caz scara aparatului gradndu-se neliniar, n cazul traductorului dependena I-E este impus strict liniar, adic, se bazeaz pe aceast proprietate. n ceea ce privete, dinamica proprie, este necesar ca informaia furnizat de traductor ctre echipamentul de conducere s ajung la aceasta fr ntrziere, pen tru ca deciziile de conducere s fie oportune. Rezult c dinamica proprie a traductorului trebuie s fie rapid, nct programarea informaiei prin traductor (ntre I i E) s se fac cu ntrzieri minime (neglijabile) n raport cu dinamica procesului condus. eroarea de

neliniaritate admis este foarte redus. Toate operaiile de conducere a procesului

37

Se observ (deduce) c traductoarele trebuie s mbine cerinele de liniaritate i vitez de rspuns cu performanele metrologice privind precizia, similare cu cele ale aparatelor de msur sau chiar mai ridicate, innd seama c posibilitile de discriminare ale SRA sunt superioare fa de cele oferite de operatorul uman. Toate consideraiile implic i necesitatea unei fiabiliti sporite n raport cu aparatele de msurat, datorit faptului c o indicaie gre it dat de un aparat de msurat poate fi uor sesizat i interpretat de ctre operator, pe cnd detectarea unor valori eronate furnizate de traductoare este mult mai dificil n cazul unui SRA.

CAPITOLUL II2.1. Configuraia hardware folosit la achiziia de date.

38

Placa de achiziie: National Instruments 6008 USB

Deoarece orice sistem de achiziie presupune o componenta care sa colecteze mai multe informaii, am ales placa NI 6008 (Fig 2.1.) cu modalitate de conectare la PC prin intermediul portului USB. Fig. 2.1. Aceast plac nu are nevoie de alimentare separat, este prevazut cu un LED care indic starea sa referitor la conectivitate i iniializare. n Fig.2.2. este reprezentat diagrama bloc a plcii de achiziie NI 6008. Observam c exist 8 intrri analogice pe 12 bii, 2 ieiri analogice (tot pe 12 bii), 12 intrri i ieiri digitale. Tot in digrama bloc rezult faptul c este alimentat din portul USB al calculatorului. Placa de date este compatibil cu LabVIEW, LabWindows/CVI, i Mesurment Studio pentru Visual Studio .NET.

Fig. 2.2. Digrama a plcii de achiziie NI 6008. bloc

Pentru a o putea folosi este necesar ca driverele sale (NI-DAQmx) sa fie instalate. Acest lucru presupune operabilitate cu acest dispozitiv i controlul su prin intermediul LabVIEW.

39

Pentru testare este utilizat programul Measurment & Automation Explorer, instalat odat cu placa de achiziie. Pentru realizarea unui test de funcionare al plcii de achiziie pentru un semnal de tip analog,se parcurg urmatorii pai:

Fig. 2.3. Interfaa Measurement & Automation Explorer.-

Se deschide programul Measuerment & Automation Explorer (Fig. 2.3.); Se selecteaz din lista device-urilor, placa de achiziie pe care dorim sa o testm; Se utilizeaz, pentru placa de achiziie selectat, comanda Test Panels;

-

-

n fila Analog Imput a ferestrei de test, se precizeaz:

Fig 2.3. Test Panel pentru NI 6008

Canalul pe care se face msurarea, din lista Channel Name. Domeniul (valoarea maxim si minim ale tensiunii de citire). Rata achiziiei i nr de eantionare ce vor fi citite.40

Modul de afiare al datelor (Mode finite, pentru modelul prezentat). Configurarea canalului (modul diferenial, pentru exemplu prezentat); Se acioneaz apoi butonul Start.

Harta ferestrei de test afiseaz valorile tensiunii msurate la bornele bateriei, conectate, pentru exemplu prezentat, pe canalul 0. Observaie: Pentru configurarea n modul diferenial a unui canal de tip AI (Analog Imput), de exemplu canalul cu index 0, se utilizeaz pentru placa NI DAQ 6008, pinii AI0(+) i AI4(-) , pinul de mpamantare fiind notat GND (se poate conecta borna + a unei baterii de lantern la pinul AI0, iar borna la pinul AI4, msurnd astfel tensiunea electromotoarea bateriei). n vederea achiziionarii tuturor informaiilor de care avem nevoie placa va fi configurat s acioneze numai in modul diferenial, numarul de canale cu posibilitate de msurare n diferenial reducandu-se astfel la 4.

2.2. Configuraia software folosit pentru achiziia de date (LabVIEW 8.1)

LabVIEW este un mediu de programare utilizat mai ales pentru realizarea msurtorilor i monitorizarea unor procese automatizate. Pentru scrierea programelor n LabVIEW, se utilizeaza limbajul grafic G, limbaj de programare de generaia a 5-a, mediul LabVIEW coninnd mai multe biblioteci de funcii predefinite pentru achiziia, prelucrarea, afiarea i transmiterea datelor.

Programele realizate n LabVIEW se numesc instrumente virtuale (Visual Instruments VIs), la baza acestora stnd conceptele de modularizare i ierarhie arborescent. Cnd se proiecteaza i se implementeaza un IV, trebuie s se ina cont de natura modular a acestuia : s poat fi utilizat att ca program principal ct i ca subrutina n componenta unui alt IV. Un IV

41

folosit la realizarea unui alt IV se numete subIV, avnd rolul unei subrutine. Prin crearea i utilizarea de subIV la realizarea altor IV, utilizatorul definete ierarhii de instrumente virtuale.

2.2.1. Structura unui program

Programele realizate n mediul LabVIEW se numesc, dupa cum am mai precizat, instrumente virtuale (IV). Un IV are trei pari componente:

Panoul frontal; Diagrama bloc; Pictograma i conectorul

Panoul Frontal definete interfaa grafic cu utilizatorul sau ceea ce va vedea utizatorul pe ecranul calculatorului(fig.2.4.). Obiectele grafice de interfaa disponibile pentru realizarea panoului frontal se mpart n controale i indicatoare. Prin intermediul controalelor, utilizatorul introduce sau actualizeaz valorile datelor de intrare (obiecte de tip Get); indicatoarele sunt folosite pentru a se afia rezultatele prelucrrilor (obiectelor de tip Say). Dac IV se privete ca subIV (deci ca subrutina), atunci controalele corespund parametrilor formali de intrare, iar indicatoarele sunt parametri formali de ieire.

Fig.2.4 Panoul frontal.

42

Mediul LabVIEW ofer dezvoltatorului de aplicaii o colecie de obiecte predefinite pentru proiectarea panoului frontal : butoane, comutatoare, cursoare, obiecte pentru reprezentri grafice, rezervoare s.a. Parii din interfaa grafic cu utilizatorul, dat de panoul frontal, i corespunde diagrama bloc, care reine codul programului i definete funcionalitatea IV. Elementele de execuie din cadrul diagramei bloc al IV definesc nodurile programului ; operatori, funcii predefinite, proceduri utilizator (realizate de programator ). Fig,2.5 Diagrama bloc

Realizarea diagramei bloc a IV se face utiliznd limbajul grafic G: pentru definirea fluxurilor datelor n diagrama bloc, corespondenele se leag ntre ele prin fire(sau conductoare).

A treia component unui IV este pictograma i conectorul. Prin stabilirea pictogramei i conectorului, acel instrument virtual va putea fi folosit ca i subrutin n digrama bloc a altui IV.

2.2.2. Programul de achiziie de date. Primul pas n realizarea programului este sa deschidem programul LABVIEW 8.1 care s adune informa ii despre tensiune i s o transforme n temp eratur.O vom face n doi pa i. Primul este sa realizm sec iunea conversiei apoi sa realizm setrile achizi iilor de date.n acest fel vom proceda cu o bun parte din setarile experimentului far sa avem nevoie de hardware de achizi ii de date. Pormin LABVIEW i crem New Blank VI. Pe Front Panel, punem dou Numeric Indicators i un Gauge. Schimbm unul din indicatori n Control (R-click > Change to control) i schimbm denumirea n Reading [V] (R-click > Properties). Cellalt indicator l suprimm (R43

click > Visible Items > Label) i l aliniem sub Gauge. Folosind Propreties function. schimbm denumirea lui Gauge n Temp [F] i schimbm si minimul si maximul la 20 i 100.

Activm Block Diagram (Ctrl-E ca s schimbm ntre Front Panel i Block Diagram) i legm ie srea de la indicatorul de citire la intrarea lui Gauge i la al doilea indicator.

Ne ntoarcem la Front Panel si rulm aplica ia cu butonul de Run Con tinuously. Schimbm valoarea indicatorului de citire i vom constata c

44

Gauge i al doilea indicator i vor schimba i ele valoarea. Oprim aplica ia cu butonul de Abort. Urmatorul pas este s realizm conversia dintre citirea tensiunii de ctre unitatea de achizi ie de date i temperatura citit de Gauge. Ne ntoarcem la Block Diagram si tergem firele care fac conectrile ntre compon ente. Ctrl-B este folositor pentru a terge resturile firelor rmase. Punem n diagram Fromula Block. n diagrama Configure Formula (Rclick > Properties) schimbm valoarea Input X1 n V. Pornim Equation 5, schimbnd constanta din tabel, anulm func ia ln lui R_1 i R_r, schimbm conversia din grade Kelvin n grade Fahrenheit i espresia din planul text, formula pentru temperatur [F] din voli este: ((1/298)+(1/4038)*ln(V/(5-V)))**(-1) * 1.8 460 O scriem in casu a Configure Formula. Dac casuta din dreap ta formulei se face verde atunci formula este corect.

45

Ne ntoarcem la Block Diagram, legm indicatorul de citire la intrarea V a Formula Block si legm ie irea Result a Formula Block la Gauge i la al doilea indicator.

Ne ntoarcem la Front Panel i rulm aplica ia, introducem valori ale tensiunii ntre 0 i 5 V. Dac totul este corect vom putea citi urmatoarele valori din VI. Vol i 3.87 0.31 Msurarea tensiunii Urmtorul pas este s folosim USB-6008 i s modificm VI ca s putem colecta date de la el. Conectam USB-6008 la calculator cu ajutorul cablului USB. Ledul verde al dispozitivului va licuri. Temperatura [grad F] 31.7 210.9

46

Mergem la Front Panel al VI i tergem indicatorii de citire. Schimbm pe Block Diagram. Deschidem Functions Palette. Mergem la Expres > Input. Inserm DAQ Assistant block n diagram. Dac n elegem restric iile de acordare a licen elor , selectm casu a care spune ca n elegem i apasm Next. Urmatoarea casu este Create New Express Task. Selectm Acquire Signals > Analog Input > Voltage.

n casu selectm ai0 ca canalul de unde citim. Acesta corespunde uneia din secven ele de conectare a dispozitivului. Apasm Finish.

47

Se va deschide casu a DAQ Assistant. n casu a Configuration vom pune aceste setri: Terminal Configuration = RSE Signal Input Range: Max = 5, Min = 0 Scaled Units = Volts Acquisition Mode = N Samples Samples to Read = 10 Rate (Hz) = 1k Csua ar trebui sa arate aa:

Apsm Ok ca s terminm de fcut setrile din DAQ Assistant. Adaugam un Numeric Control n Front Panel i i schimbm denumirea n Volts.

48

n digrama block legam ie i rea lui DAQ Assistant la indivatorul de vol i i apoi la intrarea n Formula Block.

Ne ntoarcem la Front Panel i rulam VI.

Legarea i testarea circuitului cu termistor.49

Colectarea automat de date Cutam Data Collector block n Function Palette ( Express > Sig Manip > Collector) i l adugm n diagram. Va apare o casu . Setm numrul maxim de valori la 10.000 .

50

Cutm Write To Measurement File block n Function Palette (Express > Output > Write To Measurement File) i o introducem n diagram. n fereastra de setri vom alege fi ierul n care vom salva valorile memorate.

Vom lega ie irea Result a Formula block la intrarea Signals a Collertor block si ie irea Collected Signal a Collector block la intrarea Signals a Write To Measurement File block.

51

Rulm programul pentru cteva secunde i- l oprim. Apoi deschidem fi i erul text cu Notepad.

Rata de colectare a DAQ Assistant block este setat la 1000 Hz. Pentru c temperatura se schimb ncet vom schimba rata de colectare de la 1000 Hz la 10 Hz. Astfel vom colecta 600 de puncte n fiecare minut. Mai nti deschidem fereastra de proprieta i a DAQ Assistant n diagram block. Sub fereastra Configuration , Time Settings , Acquisition Mode = N Samples , Samples to Read = 10 , Rate = 10. setam

52

Ne va aprea o ferestr n care suntem ntrebati dac vrem sa crem While Loop, vom raspunde nu deoarece l vom crea manual. n Function Palette, gsim While Loop ( Express > Exec Control > While Loop). l introducem n diagram. Vom selecta toate elementele mai pu in Write To Measurement File Block.

53

Vom observa c a fost creat un buton STOP n Front Panel. l vom folosi p entru a opri rularea in bucl, ceea ce va opri colectarea datelor i scrierea lor n fi i erul de date.

Rulm programul timp de 10s i apoi apsm STOP. Examinm fi i erul cu date. Vom avea n jur de 100 de puncte de date. Dac apsm din nou

54

butonul STOP, se va stoca date noi, care sunt date dintre succesivele STOPuri. Vom opri programul folosind butonul Abort. Exportarea datelor n Excel Vom colecta date timp de 10s i vom avea n fi i erul de date cam 100 de puncte de date. n timpul colectrii , strngem termistorul , l inem ln g o lamp, suflm asupra lui i facem altceva pentru a-i modifica temperatura. Desch idem fi i erul de date i tergem primele rnduri pn la primul rnd de date. Salvm fi ierul.

Deschidem Excel-ul i importm fi i erul n el.

55

De aici vom crea un grafic temperatur - timp. Care ne va arta ce se ntmpl cu temperatura termistorului dac este adus lng un bec cu halogen al unei lmpi de birou.

56

CAPITOLUL III3.Cmpul de temperatur al unui cond uctor cu efect de capt La conductoarele care cuprind o sec iune diminuat, cum sunt

siguran ele fuzibile i contactele electrice, puterea specifica J 2 este mai mare n zona cu sec iune diminuat dect n restul conductorului. Ca urmare un f lux termic se va transmite din aceasta zon n masa conductorului.

3.1.nclzirea locului ngust La diminuarea sec iunii unui conductor, temperatura locului ngust este mai ridicat dect a restului conductorului. Elementele conductorului sunt: l 1 lungimea locului ngust A 1 aria sec iunii nguste A aria sec iunii restului conductorului rezistivitatea comun celor dou sec iuni

Fig.3.1. Relativ la efectul de capt57

Puterea electric dezvoltat prin efecte Joule n conductorul de sec iun e diminuat este: P j = p (1+ R *) l 1 J 2 1 A 1 Iar puterea electric disipat pe suprafa a exterioar corespunzatoare este: P d = l p 1 l 1 * Diferena ntre puterile dezvoltat i cea disipat de suprafa exterioar este transmis simetric, prin conductivitate, conductorului cu aria seciunii A. Deci dup direcia x se va transmite puterea (sau fluxul electric): 1 (j d ) = ( ) x=0 2 x

Expresia gradientului

pentru x=0 este: x

x=o= - (* - max) x Astfel avem relaia: p (1+ R *) l 1 J 2 1 A 1 - l p 1 l 1 * = 2A(* - max) de unde extragem valoarea ncalzirii * n seciune ngust:

unde max reprezint supratemperatura conductorului n regim permanent.

3.2.Regimul termic al unui conductor electric cu sec iune variabil Schema electric Se va realiza montajul din figura 1 , n care: A - ampermetru de 5A;

58

T1 - transformatorul de curent intens (trusa de curent 1200A); T2 - transformator de msur 500/5A; B1, B2 - sistem de bare cu seciune variabil, prevzute cu cte 6 termocuple; Tc - termocuple fier-constantan. E36 (A) - aparat nregistrator de msurare a temperaturii; P - pupitru de alimentare.

Fig. 1. Schema electric a circuitului de ncercare Modul de lucru Se folosete un sistem de dou bare cu zon ngustat, avnd transmisivitatea cldurii diferit, parcurse de acelasi curent I. Se stabilete n circuitul barelor un curent I = 250 A care se menine constant tot timpul lucrrii. nclzirea se determin cu aparatul E36(A), prevzut cu 12 canale care msoar temperatura Q n diferite puncte ale barelor, realiznd compensarea variaiei temperaturii in funcie de mediul ambiant. Temperatura mediului ambiant ma se msoar cu un termometru. Supratemperatura se obine cu relaia:

= - maSchema de conexiuni a aparatului E36(A) este prezentat n figura 4. Pentru determinarea supratemperaturii ca funcie de timp se citesc indicaiile termo-cuplelor nr. : 1, 6, 7, 12 din 5 n 5 minute. Rezultatele se vor trece n tabelul 1. Dimensiunile barelor sunt cele din figura 2.

59

Constantele se vor calcula cu relaiile:

Barele sunt confecionate din cupru, avnd urmtoarele caracteristici : 20 = 1,7510-8 Wm = 386 W/m grd c1 = 3,76106 W s / m3 grd R = 4,3910-3 1/grd Transmisivitatea global a cldurii , pentru cele dou bare, va fi apreciat din diagramele = f(T) , n funcie de emisivitatea termic et care depinde de starea suprafeelor acestora. Se consider pentru bara lustruit et =0,2 iar pentru bara vopsit et = 0,85. Se va considera c pentru atingerea regimului stabilizat este necesar un timp de nclzire egal cu 5 - 6 constante de timp. Pentru determinarea repartiiei supratemperaturii n lungul barelor se vor citi cele 12 termocuple dup ce barele au atins nclzirea n regim stabilizat. Rezultatele se vor trece n tabelul 2. Valoarea lui * este dat de termocuplul nr.1, respectiv 7, plasat la locul de striciune. Calculul valorilor lui max si * se face cu relaiile:

Calculul lui * se face cu relaia (vezi cursul de aparate electrice):

Caracteristica = f(x) teoretic, se traseaz dup relaia:

unde: Punctele caracteristicilor se vor calcula conform dispunerii termocuplelor pe bare. Observa ie Este necesar ca pe tot timpul lucrrii curentul s fie meninut constant la valoarea prescris.60

Tabelul 1 Bar Vop sit Lustruit Termocuplu T-1 T-6 T-7 T-12 t[minute] 5 16 9 17 10 10 23 14 24 15 15 39 31.6 42.5 34.5 20 41 34 45.5 37 25 42 35 47 38.5 30 43 35.5 48 40 35 43.5 36 48.5 40

[C] 1[C] 6[C] 7[C] 12[C]

Tabelul 2 Termocuplu x[cm] T10 29.5 44

Bar vopsit T2 T3 T4 T58 21.24 41 16 15.63 39.5 24 11.21 39 32 8.26 36.5

T660 2.65 36

T70 30.32 49

Bar lustruit T8 T9 T10 T118 23.64 44.5 16 18.79 43 24 14.85 42 32 11.52 42

T1260 4.85 41

calculat[C] msurat[C]

Rela tii de calcul a)Pen tru bara vopsit:

61

62

b)Pen tru bar lustruit

63

Observa ie-

dac valoarea lungimii stric iunii l 1 scade, atunci valoarea * cre te

64

Bibliografie

1. Senzori i traductoare , Constantin Vlaicu i Costin Cepi ca,

editura Bucuresti, 2001 ;2. Indrumar pentru electronisti , C. Constantinescu, editura

Tehnica Bucuresti,1986 ;3. www.regielive.ro TRADUCTOR DE TEMPERATUR CU

ELEMENT SENSIBIL TERMOCUPLU ;4. www.regielive.ro TRADUCTOR DE TEMPERATUR CU

TERMOREZISTENTA ;5. www.regielive.ro SENZORI I TRADUCTOARE ; 6. www.regielive.ro SENZORI I TRADUCTOARE CU FIBRE

OPTICE ;7. www.regielive.ro_ COMPONENTELE PRINCIPALE ALE

TRADUCTOARELOR8. www.regielive.ro SENZORI I TRADUCTOARE 9. www.regielive.ro INTRODUCERE IN SENZORI I

TRADUCTOARE . 10. 11. ndrumar de laborator Echipamente Electrice Aparate electrice

65