SENZORI ŞI TRADUCTOARE NUMERICE

Ágoston KatalinUniversitatea “Petru Maior” Tg.Mures

TIPURI DE SENZORI FOLOSITE ÎN ENERGETICĂ

Senzori de tensiune Senzori de curent Senzori de temperatură Senzori de nivel Senzori pentru gaze Senzori de debit Senzori de presiune

Senzori de tensiune

Caracterizat prin: *puterea nominală secundară*clasa de precizie*supradimensionat pentru solicitări termice*funcţionează în gol (Rv f. mare)

Senzori de tensiune

Divizoare de tensiune inductive

Divizoare de tensiune rezistive

Caracteristici generale

Pot măsura nivele de tensiune AC sau DC. La ieşire furnizează U sau I proporţional cu mărimea de intrare. Pot furniza frecvenţă sau o frecvenţă modulată de intrare. Unele au la ieşire un semnal sin sau un tren de impulsuri. Altele folosesc modulaţia în amplitudine (AM), modulaţie în frecvenţă (FM) modulaţia lăţimii impulsului (PWM). Se folosesc şi senzori cu alimentaţie proprie, portabile, pentru circuite imprimate. Unele sunt capabile pentru măsurarea tensiunii trifazate. Pot fi echipate cu indicator de semn. Senzori specializaţi folosesc fibre optice şi componente optice.

Utilizare

Se folosesc la:

•măsurarea puterii •detectarea căderilor de tensiune•detectarea sarcinii •la cuplări , decuplări în siguranţă •detectare de suprasarcină la motoare •în clădiri •sisteme de control •măsurarea temperaturii

Exemplu

•Asigură ieşire izolată de semnal unificat 4 - 20mA proporţional dc.•Precizie 1%FS; •Timp de răspuns110ms; •Alimentare+25 to +45Vdc;

•Domeniul de temperatură –25° to +75°C

Exemplu

•Ieşire izolată, prop. cu tensiunea AC. de intrare în dom.0-5V •Precizie 0.5%FS; •Timp de răspuns 1/2-cycle of AC; •Alimentare din tensiunea de intrare; •Frecvenţă 57-63Hz; •Dom de temp. -40° to +70°C; •Carcasă metalică

Senzori de Curent

•căderea rezistivă de tensiune •câmpul magnetic generat

1. Transformator de măsură de curent2. Sesizare magnetică cu senzor Hall3. Convertor curent-tensiune4. Sesizare rezistivă

Transformator de curent

2211 NiNi

•Supradimensionat pentru solicitări termice şi de curent •Funcţionează în scurtcircuit•Nu are voie să funcţioneze în gol•Fenomenul de saturaţie mai mic decât în c.c.

Sesizare magnetică cu senzor Hall

d

IB

2

0

Izolare galvanică

Senzor magnetorezistenţă gigant – GMR pentru cablaje imprimate sensibil pentru câmpuri parazite

g

IBRUU HHallout

Convertor curent-tensiunepentru curenţi mici (pA)

Sesizare rezistivă

R

UI

•Căderea de tensiune pe rezistenţa•Puterea disipată P=I2·R •Rezistenţa parazită serie

•Scurgeri de curent la R mari•Autoâncălzire – neliniaritate•Efecte dinamice – dependenţă de frecvenţă

Exemplu

LEM

LEM

Avantaje, dezavantaje

•Măsoară în c.c. şi c.a. •Asigură izolare galvanică •Consum mic •Cost redus•Dimensiune mică •Fără întreruperea circuitului

•Bandă de frecvenţă limitată •Timp de răspuns moderat •Dependente de variaţii de temperatură •Offset magnetic şi d.c.

Caracteristici

•Curent de intrare 2A- 20kA •Se elimină dependenţa de temperatură •Fluxuri reziduale•Timp de răspuns mai mic•Precizie mai mare •Domeniu de frecvenţă mare - 200kHz

2 variante: - rezistenţă internă - rezistenţă externă

Utilizări

ACS715Automotive Grade, Fully Integrated, Hall Effect-Based

Linear Current Sensor with 2.1 kVRMS Voltage Isolation

Senzori de Temperatură

Termorezistenţe -T coeficient de variaţie a rezistivităţii mare

-R0 rezistenţa nominală mare

-liniaritate bună a caracteristicii -stabilitate în timp şi la agenţi chimici

00 1 TTRR T

Pt100 şi Pt1000•rezistivitate: 0,1mm2m. •domeniu de temperatură -200C +850C •etaloane de temperatură 0 600C

Pt100 R=100 la 0CR=138,4 la 100CR=0,384 T=1CT0,00385C

Circuite de măsurare cu termorezisteţe

Metoda de punte (tip Wheatstone ) -echilibrat-dezechilibrat:

021

2

T

T

T

R

R

REU

Legarea termorezistenţei cu patru fire

IEX -generator de curent constant

V -voltmetru sau circuit electronic (amplificator) RL -rezistenţele firelor de legătură

Termocupluri efectul termoelectric direct sau

efectul Seebeck

Proprietăţi: •sensibilitate, stabilitate în timp•nu prezintă tensiuni de offset•domeniu de utilizare mare care depinde de materialele uilizate•tensiune de ieşire f. mică (V,mV)•sensibilitatea scade la temp. mici•temp. joncţiunii reci f. constant•fire de legătură prea lungi produc căderi suplimentare de tensiune•teaca de protecţie scade sensib. şi măreşte timpul de răspuns•func. nu este infl. de factori externi doar de zgomote termice interne

...321

22121 TTcTTbTTaE

Utilizarea, construcţia termocuplurilor se face pe baza unor legi:

1 Legea circuitului omogen: într-un circuit omogen (conductoare de aceeaşi natură) nu apare tensiune electromotoare, indiferent de diferenţa de temperatură dintre diferite puncte. Acesta permite utilizarea unor conductoare de legătură2  Legea metalelor intermediare: într-un circuit izoterm (T=ct.) nu se generează tensiune termoelectromotoare indiferent de natura elementelor care formează circuitul. Aceasta permite ca lipirea conductoarelor să se facă cu un alt material, respectiv ca joncţiunea rece să fie formată şi din circuitul de măsurare, cu condiţia ca elementele să fie la aceeaşi temperatură. 3. Legea metalelor succesive: tensiunea termoelectromotoare generată de un termo- cuplu format din conductoarele A şi B este egală cu diferenţa tensiunilor termoelectromotoare generate de termocuplele formate din conductoarele A şi C respectiv C şi B, cu condiţia ca diferenţa de temperatură a joncţiunilor să fie aceeaşi. Pe baza acestei legi se face etalonarea termocuplurilor. 4. Legea temperaturilor intermediare: tensiunea termoelectromotoare obţinută pentru diferenţa de temperatură T2 – T1 este egală cu suma tensiunilor termoelectromo-

toare obţinute pentru diferenţele de temperatură T2 – T3 şi T3 – T1 .

Aceasta permite realizarea corecţiilor la schimbarea temperaturilor de referinţă. T2 – T1 =(T2 – T3)+(T3 – T1).

LEGAREA TERMOCUPLELOR ÎN CIRCUIT

Depinde de: *natura metalelor componente *distanţa dintre punctul de măsurare circuitul de prelucrare *modul de menţinere şi sesizarea temperaturii joncţiunii reci

1.Dacă aparatul se află la d2m şi T=ct. firele se prelungesc: din aceeaşi material, sau din materiale de mare conductivitate

Termostatarea se face la: 0C apă-gheaţă20C ulei

0101 TTETTETTE mm

LEGAREA TERMOCUPLELOR ÎN CIRCUIT

2.Dacă distanţa până la aparatul de măsură este mare se folosesc fire de extensie.

3.Utilizarea unui termocuplu identic

LEGAREA TERMOCUPLELOR ÎN CIRCUIT

432

421 RRRR

RREU

T

T

010121 TTkTTTTkUUU aaTCT

4. Utilizarea unei termorezistenţe sau a unui termistor

432

421 RRRR

RREU

T

T

Senzori integrate, numerice de temperatură

•Ieşire analogică•Termocuple de tip J sau K•Sesizare întrerupere senzor•Tensiune de alimentare +5V, ±15V•Consum mic 1mW

MAX6699Four Thermal-Diode Inputs Local Temperature Sensor 1°C Remote Temperature Accuracy (+60°C to +100°C) Temperature Monitoring Begins at POR for Fail-Safe System Protection Active-Low ALERT and Active-Low OVERT Outputs for InterruptsSmall 16-Pin QSOP and 16-Pin TSSOP Packages 2-Wire SMBus Interface

AD22100

AOUT TCmVVV

VU /5,22375,1

5

LM84

•convertor A/D pe 13 biţi plus bit de semn, •rezoluţie 0,03125°C

ADT7301

MAX6677, MAX6676

Semnalul drepunghiular de la ieşire cu frecvenţă 1,8kHz (±20%) la +25°C Se citesc duratele de timp t1 şi t2.

Determinarea temperaturii

unde t1 = 0,24ms

15,27315,3982

1 t

tCT

Senzori ultrasoniciUnderstandingUltrasonicsUltrasonic Sensing/Control Basics

Ultrasonic signals are like audible sound waves, except the frequencies are much higher. Our ultrasonic transducers have piezoelectric crystals which resonate to a desired frequency and convert electric energy into acoustic energy and vice versa. The illustration shows how sound waves, transmitted in the shape of a cone, are reflected from a target back to the transducer. An output signal is produced to perform some kind of indicating or control function. A minimum distance from the sensor is required to provide a time delay so that the "echoes" can be interpreted. Variables which can effect the operation of ultrasonic sensing include: target surface angle, reflective surface roughness or changes in temperature or humidity. The targets can have any kind of reflective form - even round objects.

                                      

The ultrasonic sensors use wave-propagation phenomena in air or other materials to measure physical or chemical properties. Ultrasonic sensors transmit ultrasonic waves from its sensor head and again receives the ultrasonic waves reflected from an object.With accordance to the influence principle, two main types of ultrasonic sensors can be differentiated: The propagation-path sensors - decode changes on propagation to get a fast measurement of temperature, flow, pressure variations or gas concentration. Here, the parameters that are affected are the speed of propagation Distance-Sensors detect echoes from objects and evaluate their propagation time and amplitude. They are based on ultrasonic principles; use the travel time and amplitude of the received signal to derive the presence, distance

The ultrasonic transducers comprise: •a high voltage generator, •a piezoelectric transducer (transmitter and receiver), •a signal processing circuit and •an output stage.

Excited by the high voltage generator, the transducer (transmitter-receiver) generates a pulsed ultrasonic wave (200 to 500 kHz depending on the product), which travels through the ambient air at the speed of sound. When the wave strikes an object, it reflects (echo) and travels back towards the transducer. A micro controller analyses the signal received and measures the time interval between the transmitted signal and the echo. By comparison with the preset or learnt times, it determines and controls the output states.

Each transducer has defined terms by the standard IEC 60947-5-2

The Doppler Effect is the change in frequency and wavelength of a wave that is perceived by an observer moving relative to the source of the waves. For waves that propagate in a medium, such as sound waves, the velocity of the observer and of the source is reckoned relative to the medium in which the waves are transmitted. The total Doppler Effect may therefore result from either motion of the source or motion of the observer. The relationship between observed frequency f' and emitted frequency f is given by:

svv

vff '

the speed of waves in the medium

the velocity of the source

Advantages of Ultrasonic Sensors

When used for sensing functions, the ultrasonic method has unique advantages over conventional sensors:

1. Discrete distances to moving objects can be detected and measured. 2. Less affected by target materials and surfaces, and not affected by color. 3. Solid-state units have virtually unlimited, maintenance free life. 4. Can detect small objects over long operating distances. 5. Resistance to external disturbances such as vibration, infrared radiation, ambient noise, and EMI radiation.

Ranging Measurement

Precise distance(s) of an object moving to and from the sensor are measured via time intervals between transmitted and reflected bursts of ultrasonic sound. The example shows a target detected at six inches from sensor and moving to 10 inches. The distance change is continuously calculated and outputted.                                                                                                    

Target Angle

This term refers to the "tilt response" limitations of a given sensor. Since ultrasonic sound waves reflect off the target object, target angles indicate acceptable amounts of tilt for a given sensor. If an application requires a target angle beyond the capabilities of a single sensor, two sensors can be teamed up to provide an even broader angle of tilt.

                      

Beam Spread (divergenţa razei)This term is defined as the area in which a round wand will be sensed if passed through the target area. This is the maximum spreading of the ultrasonic sound as it leaves the transducer.

www.migatron.com

TRADUCTOARE DE NIVEL Ultrasonic Integrat -

EasyTREK    CARACTERISTICI :: Preţ redus Măsurare fără contact Electronică compenzată la temperatură Fascicol ingust (5°) Procesare de semnal cu software QUEST+TM Programare cu magnet Comunicaţii (transmitere ) HART Se poate instala sub nivelul de evacuare APLICAŢII :: Măsurarea lichidelor antiexplozibile Apă reziduală ,soluţii apoase, Descărcarea şi incărcarea rezezvoarelor Protecţia pompelor submersibile Afişărea nivelelor superiore şi inferiore de alarmă SPECIFICAŢII :: Sursă de alimentare: 11.4 .. 40 V DC, 3,6 W 11.4 .. 28 V AC 4 VA Temperatura de agent: -30°C .. +60°C Presiune de agent: 0.3 .. 3 bar Nivel de măsurare: 0,25 - 10m Ieşire: 4 – 20 mA, releu, HART Clasă de protecţie: IP65, IP 68, ATEX II 1 G EEx ia IIB T6, ATEX II 1 D IP65 T130°C

www.nivelco.com

Exemple de utilizări

Alte metode de măsurare a nivelului

Float SystemsA small magnetic float slides on a tubular shaft in which reed switches aremounted at intervals. The float follows the rise and fall of the liquid andactuates the switches to produce a continuous level indication.A useful system where a vessel is used for liquids of varying S.G.s and/oris pressurised.

Capacitive SystemsWhen the liquid (or free flowing powders) is non-conducting (e.g. oilproducts, viscous & granular materials) the conductivity method doesnot work, and a different type of electrode containing electroniccircuitry is required. This relies on the capacitive change as the liquid(powder) leaves or touches the tip of the electrode.The same principle is used in the "Flexicap" system which gives continuouslevel indication.

Conductivity SystemsAn electrode (metallic rod or tube) is placed in a conductive liquid (e.g.water, acid, sewage & other aqueous solutions) at the point whereswitching is required.When the liquid touches or leaves the tip of the electrode, an electricalcircuit between it and earth is completed. This causes a switch to operatein the control unit. This is a very simple, accurate and economical methodof controlling levels in liquids and covers up to 70% of applications.

TRADUCTOARE DE DEBIT

fV vS

dt

dlS

dt

lSd

dt

dVQ

Vm Q

dt

dV

dt

Vd

dt

dmQ

Tipuri de debitmetre:- rezistive (diferenţe de presiune) - cu inducţie - cu laser - termice - cu ultrasunete - numerice (efectele curgeri tulburente - frecvenţă)

Traductoare cu ultrasunete

Principiul de funcţionare a acestor tipuri de debitmetre se bazează pe modificarea vitezei de propagare a sunetului într-un fluid aflat în mişcare. Se notează cu vS viteza sunetului în fluid static, vf viteza fluidului, şi vS ± vf viteza sunetului în fluidul aflat în mişcare. Timpul de propagare a sunetului între două sonde aflate la distanţa d va fi:

fS vv

dt

1

fS vv

dt

2

22212

22

S

f

fS

f

fSfS v

dv

vv

dv

vv

d

vv

dttt

Se lucrează cu două sonde, care funcţionează şi ca generator şi ca receptor.Se măsoară frecvenţa impulsurilor recepţionate de sonde

d

vvf fS

1d

vvf fS

2

Diferenţa de frecvenţă, care se determină este proporţională cu viteza fluidului, deci cu debitul de măsurat:

d

vfff f

2

21

Canal Parshall – canale deschise

Nivel Debit

Ape reziduale, uzate, menajereApă purificată, recirculată

Traductoare termice de debit

În unele cazuri, efectul de răcire a fluidului este sesizat prin termorezistenţe din platină (PT100). Şi în acest caz se folosesc doi senzori, unul pentru sesizarea temperaturii, iar celălalt pentru încălzire. Senzorul de temperatură monitorizează temperatura actuală a gazului, în timp ce senzorul auto încălzit este menţinut la o diferenţă de temperatură constantă (relativ la temperatura gazului măsurat) variind curentul prin el. Cu cât masa de fluid care trece prin senzorul încălzit este mai mare, cu atât este mai mare efectul de răcire şi creşte curentul necesar pentru menţinerea lui la temperatura diferenţială constantă. Deci valoarea curentului de încălzire esteproporţională cu debitul de masă al gazului.

Aceste tipuri de traductoare se conectează cu patru fire, două pentru alimentare şi două pentru culegerea semnalului unificat 4-20mA.

Traductoare de debit numerice

Aceste traductoare au fost realizate pentru a uşura prelucrarea datelor, respectiv pentru transmiterea lor la distanţă. Traductoarele digitale convertesc debitul de fluid în frecvenţă. Fenomenele fizice care stau la baza funcţionării acestor senzori sunt: • apariţia unor oscilaţii de natură hidrodinamică în lichidul în mişcare, se determină frecvenţa acestor oscilaţii • vibraţia unui corp sub acţiunea curgerii • rotaţia unei turbine cu axa perpendiculară pe direcţia de curgere a fluidului.

Tipuri:• debitmetre cu vârtej • debitmetre cu turbină

Debitmetre cu vârtej

Aceste tipuri de debitmetre folosesc fenomenul de formare a unor vârtejuri în fluid, când acesta întâlneşte un corp cu feţe simetrice faţă de linia de curgere dar

neparalele cu ea (Karman vortex street). Aceste vârtejuri se formează alternativ pe o parte şi pe cealaltă a corpului apoi se detaşează şi se pierd în fluid. Frecvenţa vârtejurilor depinde de viteza medie de curgere deci de debitul de volum. Variaţiile alternative de presiune cauzate de vârtejuri se transmit prin găurile

laterale aflate în corp la un senzor de presiune. Acest senzor este protejat de temperatură, de şocuri şi de apă. Ca senzor, se foloseşte un senzor diferenţial de capacitate (DSC -Differential Switched Capacitance).

d

vRf fE

SENZORI DE PRESIUNE

S

Fp

Tipuri de senzori: - piezoelectric - piezorezistiv - membrane - tuburi ondulate - mărci tensometrice - capacitive - traductoare de deplasare

lF

www.sensorland.com

Pressure metrology is the technology of transducing pressureinto an electrical quantity. Normally, a diaphragm constructionis used with strain gauges either bonded to , or diffused into it,acting as resistive elements. Under the pressure-induced strain,the resistive values change.In capacitive technology, the pressure diaphragm is one plateof a capacitor that changes its value under pressure-induceddisplacement.                                                                       Pressure sensing using diaphragm technology measures thedifference in pressure of the two sides of the diaphragm.Depending upon the relevant pressure, we use the termsABSOLUTE, where the reference is vacuum (1st picture),GAUGE, where the reference is atmospheric pressure(2nd picture), or DIFFERENTIAL, where the sensor has twoports for the measure of two different pressure.

The piezoresistive pressure sensor, or silicon cell.

This type of pressure sensor consists of a micro-machinedsilicon diaphragm with piezoresistive strain gauges diffusedinto it, fused to a silicon or glass backplate.The resistors have a value of approx. 3.5 kOhm. Pressureinduced strain increases the value of the radial resistors (r),and decreases the value of the resistors (t) transverse tothe radius. This resistance change can be high as 30%.               The resistors are connected as a Wheatstone Bridge, theoutput of which is directly proportional to the pressure.

Pressure Transducers.                                                   Pressure transducers are pressure measuring instruments,ready to use. It is an OEM transducer with pressure port,integrated compensation resistors and a cable or connector.Transducers give an unamplified signal into a separateinstrumentation amplifier or indicator. They can beconsidered as passive bridges, being interchangeablebetween different manufacturers.

Pressure Transmitters.                                                                       In pressure transmitters, the full signal conditioning circuitryis integrated in the housing. The sensor signal is conditionedinto standard output signals of 0...100mV, 0...10V, 0.5...4.5V,and 4-20mA.

www.keller-druck.com

Integrated pressure sensors

MPX4100

SENZORI PENTRU GAZE

Senzorul semiconductor contine un filament de incalzire care aduce la temperatura de functionare (100 ¸ 400 oC) materialul semiconductor aflat pe tubul ceramic ce inconjoara acest filament.

In prezenta unui gaz reducator rezistenta electrica a substantei semiconductoare se modifica drastic chiar pentru concentratii mici de gaz. Cel mai utilizat material semiconductor sensibil la gaze este bioxidul de staniu (SnO2), o substanta relativ comuna, mult utilizata pentru glazurarea de culoare alba a portelanurilor.

Multi alti oxizi sunt sensibili fata de gaze ca oxizii de fier, oxidul de zinc, oxizii de crom, etc. precum si compusii oxidici.

Circuite electronice cu senzori pentru gaze