senzori si traductoare

24
Clasificarea senzorilor/traductoare lor Criterii: a) Dupã necesitatea existentei unei surse auxiliare de activare pentru obtinerea semnalului de intrare se disting: traductoare active sau de tip generator; traductoare pasive sau de tip parametric. b) Dupã semnalul de iesire distingem: traductoare analogice; traductoare numerice. traductoare cvasinumerice c)Dupã principiul de functionare care stã la baza transferului de energie intrare-iesire avem: traductoare lucrând în regim dezechilibrat ; traductoare cu echilibrare automatã.

Upload: burduja-andrei

Post on 30-Oct-2014

226 views

Category:

Documents


14 download

DESCRIPTION

curs

TRANSCRIPT

Page 1: senzori si traductoare

Clasificarea senzorilor/traductoarelor

Criterii:a) Dupã necesitatea existentei unei surse auxiliare de

activare pentru obtinerea semnalului de intrare se disting:● traductoare active sau de tip generator;● traductoare pasive sau de tip parametric.

b) Dupã semnalul de iesire distingem:● traductoare analogice;● traductoare numerice. ● traductoare cvasinumerice

c)Dupã principiul de functionare care stã la baza transferului de energie intrare-iesire avem:● traductoare lucrând în regim dezechilibrat;● traductoare cu echilibrare automatã.

Page 2: senzori si traductoare

Clasificarea senzorilor/traductoarelor

d) Dupã dinamica exprimatã prin relatia intrare-iesire, traductoarele se pot clasifica în:•sisteme de ordinul 0 (sau de tip proportional), •sisteme de ordinul 1 (element de întârziere de ordinul I), •sisteme de ordinul 2 (element de întârziere de ordinul II), •sisteme de ordinul de ordin mai mare.

e) O clasificare foarte rãspânditã a traductoarelor este în functie de mãrimea mãsuratã: traductoare de temperaturã, presiune, debit, nivel, umiditate, pozitie, vitezã, acceleratie, fortã, cuplu etc. f) Dupa principiul functional care sta la baza realizarii partii de intrare a traductorului:

• parametrice rezistive •parametrice capacitive• parametrice inductive•generatoare cu acumulare de sarcina electrica•generatoare cu generare de tensiune electrica / curent electric

.

Page 3: senzori si traductoare

Clasificarea senzorilor/traductoarelor

e) în raport de mărimea de natură neelectrică măsurată pe cale electrică:

Traductoare pentru mărimi geometrice: rezistive, inductive, capacitive şi numerice de deplasare; cu radiaţii; de proximitate.

Traductoare pentru mărimi cinematice: de viteză; de acceleraţie; de şocuri şi vibraţii; giroscopice.

Traductoare pentru mărimi mecanice: elastice (tracţiune, compresie, îndoire, cuplu); tensometrice rezistive; cu coardă vibrantă; magnetostrictive; de forţă; de cuplu.

Traductoare pentru mărimi tehnologice: presiune, debite, nivel, temperatură.

Alte traductoare: integrate, etc.

Page 4: senzori si traductoare

Locul traductoarelor în sistemele automate

Vom considera, în continuare, douã situatii tipice în care se evidentiazã rolul si locul traductoarelor în cadrul sistemelor automate.

A) Buclã de reglare monovariabilã independentã cu traductor analogic, reprezentatã principial în figura urmatoare:

CD

R EA

T

Proces(IA)

yref +

-y

u w

x

p

calea informationala inversa de reactie

calea de comanda de actionare

Page 5: senzori si traductoare

Locul traductoarelor în sistemele automate

B) Conducerea ierarhizatã multiproces - reprezentatã principial în figura alaturata

T – traductoare;EA- elemente de actionare;ICC – interfata de conversie si comunicatie;NLC – nod local de conducere;SA1, SA2 – servere de aplicatieCP – post dispecer;CNI – conducere numerica intreprindere;MC1, MC2 – magistrala de camp;MLA – magistrala locala de aplicatie;MLI – magistrala locala de intreprindere PROCES 1 PROCES 2

T11 EA11 Tn1 EAn1 T21 T2n EA21 EA2n

SA1 SA2 CP

CNI

NLC1NLC1

ICC1ICCn ICCT ICCEA

nivel deproces

nivel de inteligentadistribuita (conducere

locala)

nivel de aplicatie

nivel de întreprindere

retele extinse

MC1 MC2

MLA

MLI

Page 6: senzori si traductoare

STRUCTURA GENERALA A UNUI TRADUCTOR

ES- element sensibil (senzor, captor, detector);

A – adaptor (circuit de conditionare, transmitter);

ELT – element de legatura si transmisie (rol secundar)

SAE – surse auxiliare de energie

Page 7: senzori si traductoare

STRUCTURA GENERALA A UNUI TRADUCTOR

ES – elementul care asigura cuplarea traductorului cu procesul.Trebuie sa aiba o serie de calitati:

● sa fie selectiv (preia din proces numai marimea fizica si variatiile acesteia care intereseaza); rejecteaza celelalte marimi ale mediului in care se face masurarea;

● sa nu exercite efect de retroactiune ( la cuplarea cu procesul sa nu determine modificari ale marimii masurate x);

● sa permita cuplari cu procesul foarte variate (acelasi tip de traductor sa poata fi folosit la game diferite pentru aceleasi marimi, sau chiar la marimi diferite).

Remarca: Semnalul s1 furnizat de ES nu este calibrat (nu ofera o dependenta liniara si nici plaja de variatie a acestuia nu este normalizata) → necesitatea adaptorului A.

A - adaptorul - are un dublu rol: ● preia semnalul de la ES şi - după o serie de transformări cu caracter liniar / neliniar - îl transformă în semnal calibrat de ieşire y; ● asigură cuplarea cu dispozitivele de automatizare (pe baza energiei dată de sursele de energie auxiliare SAE are în ieşire o putere suficientă de a acţiona aceste dispozitive, fără să apară efect intern de retroacţiune către ES).

Page 8: senzori si traductoare

STRUCTURA GENERALA A UNUI TRADUCTOR

Pentru compatibilitatea cu dispozitivele de automatizare, semnalele calibrate sunt standardizate (unificate). Exemplificare: să considerăm situaţia prezentată în următorul tabel:

Concluzie: indiferent de variaţia mărimii de intrare x, semnalul de ieşire analogic este calibrat (unificat)

Intrare x

Una din variantele unificate

Ieşire y

temperatură în gama 0...1500CTensiune

continuă U

0...10V

temperatură în gama 200...7500C -5V...+5V

temperatură în gama 0...12000C -10V...+10V

presiune în gama 0...1 barCurent

continuu I

0...10 mA

presiune în gama 0...10 bar 0...20mA

presiune în gama 10...20 bar 4...20mA

Page 9: senzori si traductoare

STRUCTURA GENERALA A UNUI TRADUCTOR

Observatii:1. Pe lângă valorile de semnale unificate prezentate în tabel se pot folosi şi altele, firmele oferind - opţional - o anumită gamă cerută de beneficiar;2. În practică ieşirile în semnal unificat de curent continuu sunt mult mai utilizate (comparativ cu cele în tensiune continuă), deoarece acestea permit un transport mult mai uşor la distanţă şi nu există pericolul de scurtcircuit;3. Dintre ieşirile în curent continuu, cea mai mare utilizare o are plaja unificată 4...20 mA; s-a ales limita inferioară 4 mA pentru că dacă semnalul de ieşire este 0 mA atunci această situaţie are semnificaţia unei defecţiuni;4. In schema din figura…. s-a prevăzut semnalul y0 care are rolul de a decala ieşirea pentru valoarea minimă a domeniului intrării.

ELT - sunt elemente de legătură şi transmisie a semnalului de la ES către A cu structură simplă, care asigură conexiuni de natură mecanică, electrică, optică, termică etc

SAE - sursele auxiliare de energie - sunt cerute de elementul sensibil, în special la categoria celor parametrice (dar nu numai!), ca şi de adaptor pentru circuitele interne de calcul, liniarizare şi ieşire.

Page 10: senzori si traductoare

STRUCTURA GENERALA A UNUI TRADUCTOR

Atunci când se doreşte un echivalent numeric al ieşirii obţinute cu un traductor analogic se foloseşte un circuit suplimentar de conversie analog numerică şi o interfaţă de comunicaţie ca în figura urmatoare:

CAN - convertor analog-numeric;IC - interfaţă de comunicaţie;ICC - interfaţă de conversie şi comunicaţie.

Concluzie: Folosind o interfaţă ICC deja standardizată, orice traductor analogic cu ieşire în semnal unificat poate fi inclus într-o schemă complexă de conducere, prin cuplarea acestuia pe o magistrală de câmp standard.

Page 11: senzori si traductoare

CARACTERISTICILE ŞI PERFORMANŢELE TRADUCTOARELOR

Caracteristicile traductoarele ce vor fi luate in considerare sunt mai ales caracteristicile în regim static şi dinamic si mai putin cele energetice, constructive şi de exploatare, economice şi de fiabilitate.

Caracteristici statice; indicatori de calitate (performanţe) în regim static

Caracteristicile statice se definesc în regimul de funcţionare în care atât mărimea de intrare cât şi cea de ieşire sunt în regim staţionar (invariante în timp pe perioada de observaţie).

Matematic, toate derivatele intrării şi ieşirii în raport cu timpul ( ) sunt zero (nule).

Practic un astfel de regim este imposibil de realizat pe o durată mare de observaţie (nici o intrare - implicit ieşirea traductorului - nu poate avea o dinamică nulă pe un timp dat). Totuşi, pe intervale de timp relativ reduse, se poate considera îndeplinită condiţia de regim staţionar, astfel că:

reprezintă caracteristica statică a traductorului (dependenţa intrare-ieşire în absenţa mărimilor de influenţă).

t

)(xfy

Page 12: senzori si traductoare

CARACTERISTICILE ŞI PERFORMANŢELE TRADUCTOARELOR

CARACTERISTICILE STATICE

)...,,;...,,;(~~

11 pnxfy

nn

nn

ffffx

x

fy

~

...~~

...~~

~1

11

1

În realitate conform figurii alaturate pe lângă intrarea utilă x, asupra traductorului mai acţionează o serie de mărimi de influenţă externă - ξ1, ..., ξn - ca şi de influenţă internă - ν1, ..., νp - astfel că trebuie să se considere:

1. Una din caracteristicile esenţiale ale ES - implicit a traductorului - este selectivitatea; concret, daca se procedeaza la dezvoltarea în serie Taylor a funcţiei (*) rezulta:

(*)

Un traductor are o foarte bună selectivitate daca

pjf

x

f

nif

x

f

j

i

,...,2,1)(,~~

,...,2,1)(,~~

)(~~ xfy

Page 13: senzori si traductoare

CARACTERISTICILE ŞI PERFORMANŢELE TRADUCTOARELOR

CARACTERISTICILE STATICE

minminmax

minmaxmin

nificatcalibrat/uiesire

maxmin

diversvariabilintrare

maxmin ]...[]...[ xxxx

yyyyyyxx

minmin xxkyy

2. Domeniul de măsurare este intervalul xmin ... xmax în cadrul căruia traductorul permite efectuarea corectă a măsurării, în conformitate cu caracteristica statică acceptată ca atare a acestuia.

3. Liniaritatea. O cerinţă impusă traductoarelor este de a avea o caracteristica statica liniara, adică se impune o dependenţă de forma (**) + figura alaturata

(**)

Pe domenii mari de variaţie ale intrării caracteristicile statice sunt neliniare, aproximarea prin caracteristici liniare făcându-se în limitele unei erori de neliniaritate sau abateri de la liniaritate εn[%] exprimată cu relaţia:

Page 14: senzori si traductoare

CARACTERISTICILE ŞI PERFORMANŢELE TRADUCTOARELOR

CARACTERISTICILE STATICE

100[%]minmax

max

yy

yn

|}|;|max{| 21max yyy unde

Se consideră că traductorul are o comportare liniară dacă:

impn [%]asigurarea acestei condiţii se realizează în adaptor folosind circuite de liniarizare specifice.

4. Sensibilitatea. Considerând neglijabile sensibilităţile parazite introduse de marimile de influenta, ceea ce înseamnă caracteristică statică ideală y = f(x), se defineşte sensibilitatea ca derivata ieşirii în raport cu intrarea, adică:

]iidim.intrar[

]idim.iesiri[

d

d

minmax

minmax

c.s.l.var.finite

xx

yy

x

y

x

yS

→ S sensibilitate absoluta.

Page 15: senzori si traductoare

CARACTERISTICILE ŞI PERFORMANŢELE TRADUCTOARELOR

CARACTERISTICILE STATICE

*)*(*[%]100||

minmax

xx

xc ad

minmax100|| xx

cxad

5. Clasa de precizie se defineşte se defineşte ca eroarea admisibilă de bază dată sub formă normată (raportată la domeniu), adică:

Din relaţia (***) se obţine eroarea admisibilă absolută de bază (intrinsecă):

relaţie valabilă pentru condiţii de referinţă precizate prin standarde sub formă de valori sau intervale de referinţă.

În consecinţă, eroarea admisibilă absolută totală |Δxad|t va fi:

badxdin

sad

pcdin

badtad xxx||%..

||||||

(***)

Page 16: senzori si traductoare

CARACTERISTICILE ŞI PERFORMANŢELE TRADUCTOARELOR

CARACTERISTICILE STATICE

6. Rezoluţia se exprimă prin intervalul maxim de variaţie al mărimii de intrare care poate fi pus în evidenţă (citit) la ieşirea traductorului.

Rezoluţia este specifică traductoarelor analogice cu caracteristică statică discontinuă sau cvasicontinuă, la care semnalul calibrat de ieşire este numeric sau analogic în trepte.

La traductoarele numerice rezoluţia se exprimă prin numărul de biţi ai conversiei analog-numerice, respectiv intervalul elementar de cuantificare al mărimii de intrare.

Exemplificare: dacă se face conversia pe n biţi atunci treapta elementară de cuantificare (cuanta) este

ceea ce semnifică o reprezentare în valoare absolută a rezoluţiei. 12

minmax

n

xxx

Se poate utiliza şi o reprezentare procentuală a rezoluţiei.

Exemplificare: un traductor numeric de temperatură cu domeniul de măsurare 00C...5000C şi conversie pe 10 biţi are cuanta elementară Δx ≈ 0,50C - rezoluţie exprimată în unităţile de măsură ale intrării - sau, procentual, de 1/1023[%] ≈ 0,1%.

Page 17: senzori si traductoare

CARACTERISTICILE ŞI PERFORMANŢELE TRADUCTOARELOR

CARACTERISTICILE STATICE

7. Repetabilitatea exprimă abilitatea traductorului de a reproduce valori ale ieşirii cât mai apropiate atunci când se aplică acestuia - în mod repetat - aceeaşi valoare a măsurandului, în aceleaşi condiţii de experimentare şi în acelaşi sens, măsurările fiind considerate într-un timp limitat.

Repetabilitatea se exprimă procentual prin raportarea diferenţei maxime a valorilor citite în ieşire la plaja maximă de variaţie a ieşirii traductorului. Statistic, repetabilitatea se consideră ca valoarea minimă care depăşeşte - cu o probabilitate specificată - valoarea absolută a diferenţei dintre două citiri succesive obţinute în condiţii specificate.

8. Reproductibilitatea se referă - de asemenea - la gradul de coincidenţă dintre două citiri succesive atunci când aceeaşi mărime este măsurată cu o metodă precizată, dar numărul de determinări este foarte mare, efectuate de operatori diferiţi cu aparate diferite, în laboratoare diferite. Cantitativ, reproductibilitatea este valoarea minimă care depăşeşte, cu o probabilitate dată, valoarea absolută a diferenţei dintre două măsurări singulare obţinute în condiţiile mai sus-menţionate.

Page 18: senzori si traductoare

CARACTERISTICILE ŞI PERFORMANŢELE TRADUCTOARELOR

CARACTERISTICILE DINAMICE

Caracteristicile dinamice: se referă la funcţionarea traductorului în regim dinamic, la care atât intrarea x(t) cât şi semnalul calibrat y(t) sunt variabile în timp. Considerând traductorul ca un element liniar monovariabil intrare-ieşire, funcţionarea sa în regim dinamic este descrisă de ecuaţia diferenţială:

n

k

m

j

jj

kk txbtya

0 0

)()( (*))()(

unde ak şi bj sunt coeficienţi constanţi (structura traductorului nu se modifică în timp), iar n>m este condiţia de realizabilitate fizică.Deducerea indicatorilor de performanţă în regim dinamic - presupune găsirea soluţiei ecuaţiei (*) pentru forme tipice (reprezentative) ale intrării x(t). Se pot utiliza două căi: a) se determină răspunsul în timp, sau prin utilizarea calculului operaţional (transformata

Laplace) în variabilă complexă s, dându-se intrării funcţii standard (impuls Dirac, treaptă unitate);

b) se determină răspunsul în frecvenţă, considerând intrarea cu semnal sinusoidal cu amplitudine constantă şi frecvenţă variabilă.

Page 19: senzori si traductoare

CARACTERISTICILE ŞI

PERFORMANŢELE TRADUCTOARELOR CARACTERISTICI ENERGETICE

Deoarece traductoarele presupun preluarea unei mărimi printr-o operaţie de măsurare, rezultă că are loc un consum energetic. Puterea, care prin integrare dă consumul energetic, este preluată total sau parţial de la mărimea de măsurat (total în cazul mărimilor active şi parţial la cele pasive). Puterea preluată de la mărimea de măsurat nu poate depăşi o anumită limită denumită putere disponibilă pentru a nu influenţa valoarea mărimii de măsurat.

În general, oricărei mărimi X supuse măsurării i se poate asocia o altă mărime Y, astfel încât produsul lor XY să reprezinte o putere, iar raportul acestora X/Y să fie de natura unei impedanţe, denumită impedanţă generalizată sau metrologică

Y

XZm

Obţinerea unei impedanţe Zm → preocupare permanentă în construcţia traductoarelor → perfecţionarea permanenta a elementelor sensibile - dimensiuni, masă - având în vedere că ele sunt cele care determină în cea mai mare măsură impedanţa Zm.

Page 20: senzori si traductoare

CARACTERISTICILE ŞI

PERFORMANŢELE TRADUCTOARELOR CARACTERISTICI ENERGETICE

Probleme puse în practica construcţiei traductoarelor:

● adaptarea impedanţei Zm cu cea a sursei Zs care produce mărimea activă de măsurat → se procedează la preluarea mărimii de măsurat cu amplificatoare de măsurare;

● prin folosirea amplificatorului, pe lângă adaptarea în nivel se realizează şi o adaptare în putere, rezultatul fiind o adaptare în impedanţă;

● dacă este posibilă o metodă de zero - măsurare fără consum energetic - echivalent cu o impedanţă Zm = ∞ (este cazul punţilor cu echilibrare automată) ● în cazul mărimilor pasive, măsurarea presupune utilizarea unei surse auxiliare de energie → trebuie avute în vedere două aspecte: ♦ puterea preluată de la sursa auxiliară să fie folosită pentru conversia mărimii parametrice într-un semnal electric (tensiune, curent); ♦ să nu apară modificări ale valorii măsurate (de exemplu, în cazul unui termistor, să nu se producă o încălzire suplimentară la alimentarea cu o tensiune externă).

● O altă problemă este legată de consumul propriu - pe ansamblu - al traductorului.

Page 21: senzori si traductoare

CARACTERISTICILE ŞI

PERFORMANŢELE TRADUCTOARELOR CARACTERISTICI CONSTRUCTIVE

Formele constructive sunt condiţionate - în mod esenţial - de natura aplicaţiei → pot fi diferite, chiar dacă mărimea şi domeniul de măsurare sunt aceleaşi.

Mai importante sunt: - robusteţea - calitatea traductorului de a dispune de stabilitate în funcţionare (funcţionează la parametrii nominali). -capacitatea de supraîncărcare reprezinţă proprietatea unui traductor de a suporta valori ale mărimii de măsurat care depăşesc limita superioară a domeniului pentru care este destinat;

pe timp îndelungat - suprasarcină - pe timp scurt - şoc.

De reţinut: traductoarele au circuitul de ieşire prevăzut cu limitare de semnal, chiar dacă au loc depăşiri ale domeniului nominal al mărimii de intrare. - protecţia climatică este în concordanţă cu zonele climatice (rece, temperată, tropical-umedă, tropical-uscată şi foarte rece), care corespund recomandărilor CEI.

- protecţia contra exploziilor cuprinde o serie de măsuri specifice aplicate în construcţia şi montarea traductoarelor pentru a evita aprinderea atmosferelor explozive exterioare. - protecţia anticorosivă se referă la acele părţi - fie ale elementului sensibil, fie ale adaptorului - care vin în contact direct cu medii puternic corosive.

Page 22: senzori si traductoare

CARACTERISTICILE ŞI

PERFORMANŢELE TRADUCTOARELOR CARACTERISTICI DE FIABILITATE

Fiabilitatea reprezintă proprietatea ca traductorul să funcţioneze în limitele indicatorilor săi de performanţă, adică fără defecţiuni, un interval de timp cât mai îndelungat. Poate fi: previzionala, experimentala, operationala.

Dacă unui traductor i se pot preveni, depista şi înlătura defecţiunile se spune că acesta are proprietatea de mentenabilitate. Proprietatea ca după efectuarea reparaţiilor (acţiuni de mentenanţă), să-şi recapete integral capacitatea de funcţionare se numeşte restabilire. Disponibilitatea este proprietatea unui traductor ca acesta să-şi îndeplinească funcţia specificată sub aspectele combinate de fiabilitate, mentenabilitate şi de organizare a activităţii de mentenanţă la un anumit moment de timp sau într-un interval de timp dat. Cauzele defecţiunilor sunt variate, fie întâmplătoare, fie sistematice (datorită îmbătrânirii componentelor), în consecinţă acestea se studiază probabilistic sau statistic. Se definesc astfel (probabilistic):

funcţia de defectare )()( fTtPtF

funcţia de fiabilitate )()( fTtPtR ).(1)( tFtR Tf - timpul de bună funcţionare

Alti indicatori importanti: MTBF, λ, z

Page 23: senzori si traductoare

CARACTERISTICILE ŞI

PERFORMANŢELE TRADUCTOARELOR CARACTERISTICI DE FIABILITATE

Fiabilitatea reprezintă proprietatea ca traductorul să funcţioneze în limitele indicatorilor săi de performanţă, adică fără defecţiuni, un interval de timp cât mai îndelungat. Poate fi: previzionala, experimentala, operationala.

Dacă unui traductor i se pot preveni, depista şi înlătura defecţiunile se spune că acesta are proprietatea de mentenabilitate. Proprietatea ca după efectuarea reparaţiilor (acţiuni de mentenanţă), să-şi recapete integral capacitatea de funcţionare se numeşte restabilire.

Exista deci intervale de timp tk in care functioneaza si intervale ti in care este reparat:

Principalii parametri de fiabilitate sunt:

Page 24: senzori si traductoare

CARACTERISTICILE ŞI

PERFORMANŢELE TRADUCTOARELOR CARACTERISTICI DE FIABILITATE

- Media timpului de buna functionare

- Media timpului de reparatii:

-Disponibilitatea:

Disponibilitatea este deci proprietatea unui traductor ca acesta să-şi îndeplinească funcţia specificată sub aspectele combinate de fiabilitate, mentenabilitate şi de organizare a activităţii de mentenanţă la un anumit moment de timp sau într-un interval de timp dat

1

1

1

n

t

MTR

n

i

i

MTRMTBF

MTBFD

- Media timpului de buna functionare

- Media timpului de reparatii:

-Disponibilitatea:

Disponibilitatea este deci proprietatea unui traductor ca acesta să-şi îndeplinească funcţia specificată sub aspectele combinate de fiabilitate, mentenabilitate şi de organizare a activităţii de mentenanţă la un anumit moment de timp sau într-un interval de timp dat

n

t

MTBF

n

k

k 1

tnt1 t2 tn-1

t’1 t’n-2 t’n-1