Senzori si Traductoare

PROIECT

SENZORI I TRADUCTOARENAVARCA ADRIAN CLASA a XI-a D2010Cuprins :

1.Tema de proiectare

2.Noiuni generale despre msurarea temperaturii

3.Schema bloc a traductorului

4.Proiectarea blocurilor componente

4.1.Alegerea senzorului

4.2.Circuitul adaptor al senzorului

4.3.Circuit amplificator

4.4.Circuit de liniarizare

4.5.Sursa de alimentare

4.6.Dispozitivul de afiare

5.Instruciuni de instalare i montaj

6.Bibliografie1.Tema de proiectare

S se proiecteze un traductor industrial de temperatur, avnd ca baz urmtoarele date de proiectare : Tipul senzorului : termorezisent Domeniul de masur ( C ) : +50 +200 C

Eroarea maxim a traductorului ( % ) : 1,5 %

Domeniul semnalului de ieire [ V ] : 0 2 V

Caracteristica mediului de msur : etuv cu mediu acid .

2.Notiuni generale despre masurarea temperaturii

Msurarea a permis omului s avanseze nencetat pe calea cunoaterii, fiind principalul criteriu n verificarea ipotezelor sale.

Pn la apariia microprocesorului preluarea informaiilor de msurare, precum i luarea deciziilor se fceau n exteriorul mijlocului de msurare, de ctre operatorul uman sau cu ajutorul unui calculator conectat prin citcuit de interfa.

n interiorul unui mijloc de msurare poate fi ns ncorporat un microcalculator (bazat pe microprocesor); astfel, aciunile operatorului sau ale calculatorului extern sunt prelucrate, parial sau total, de mijlocul de msurare acesta coportndu-se ca un mijloc de msurare inteligent.

Msurarea unei mrimi fizice presupune, n primul rand, determinarea sa.

Prin metode de msurare se nelege ansamblul relaiilor teoretice i operaiilor experimentale pe care le presupune msurarea.

Printre metodele de msurare putem aminti:

metoda direct;

metoda indirect;

metoda de comparaie;

metoda diferenial;

metoda de zero;

metoda substituiei (Borda);

metoda perturbrii (Gauss);

metoda de multiplicare (de raport);

metoda prin coinciden;

metoda prin interpolare;

metoda prin extrapolare;

medoda prin eantionare;

metoda prin corelaie (autocorelaie).

Elementele sensibile care detecteaza marimea de msurat sunt denumite senzori. Senzorul este elementul sensibil cu rolul de a detecta mrimea de msurat, aplicat la intrarea sa, i de a o converti ntr-o alt mrime fizica, de aceiai natur sau de natur diferit.

Ansamblul format din elementul sensibil ( senzorul ) i elementele de adaptare i prelucrare ( condiionare i tratare ale semnalului ) se numete traductor. Traductorul poate avea n structura sa mai muli senzori, capabili sa efectueze conversia mrimii de msurat ntr-o mrime electric, indirect, prin mai multe etape intermediare.

Senzorii i traductoarele se pot clasifica dupa mai multe criterii :1.Dupa natura mrimii de intrare se disting :

a.senzori de deplasare

b.senzori de temperatur

c.senzori de radiaii ionizante

2.Dupa natura mrimii de ieire se disting :

a.senzori rezistivi

b.senzori inductivi

c.senzori capacitivi

3.Dupa modul de obinere a energiei necesare formrii semnaului metrologic se disting :

a.senzori activi sau senzori generatori ( energetici )

b.senzori pasivi sau senzori parametrici ( modulatori )

4.Dupa modul de variaie a mrimii de ieire se disting :

a.senzori analogici

b.senzori digitali

Traductoarele de temperatur cu termorezisten i bazeaz funcionarea pe proprietatea metalelor (materiale conductoare) de a produce o sarcin electric spontan ca rezultat al modificrii brute a temperaturii (efectul piro-electric). S-au folosit mai ales informaii legate de rezistivitate, inversul conductibilitii, rezultnd dezvoltarea traductoarelor de temperatur cu termorezisten. Fiecare metal are o rezistivitate specific ce poate fi determinat experimental. Aceast rezisten (R) este direct proporional cu lungimea firului (l) i invers proporional cu aria seciunii transversale (S). n cazul unui conductor omogen formula este:

R=

(1)

unde ( =constanta de proporionalitate sau rezistivitatea materialului. Elementele sensibile rezistive i bazeaz funcionarea pe proprietatea unor materiale (metale, aliaje, oxizi metalici) de a-i modifica rezistena electrica n funcie de temperatura mediului de lucru n care sunt introduse. Variaiile de rezisten electric sunt preluate de ctre un adaptor, care le convertete n semnal electric de ieire.

Traductoarele de temperatur cu termorezisten sunt realizate din metale a cror rezisten crete cu temperatura. Pentru o variaie mic de temperatur rezistivitatea crete liniar cu temperatura:

(t=(0[1+((t-t0)](2)

unde (t = rezistivitatea la temperatura t;

(0 = rezistivitatea la temperatura t0;

(=coeficient de temperatur al termorezistenei ((C-1).

Msurarea temperaturii este esenial n industrie. Aceast sarcin revine traductoarelor de temperatur cu termorezistene care sunt disponibile n configuraii variate, att n medii normale (de laborator), ct i n medii cu pericol ridicat de explozie. Combinnd ecuaiile (1) i (2), n condiiile n care t0 este temperatura la 0(C i punnd rezultatul sub forma y=mx+b, rezult clar c rezistena variaz liniar cu temperatura:

=1+(t (3)

Cele mai rspndite termorezistene n aplicaiile industriale se obin prin bobinarea antiinductiv, pe un suport izolant, rezistent la temperatur; elementul sensibil astfel obinut se introduce n teci de protecie, prevzute cu dispozitive de prindere i cutii de borne. Pentru fabricarea termorezistenelor se folosete ca suport izolant textolitul, mica sau ceramica. Pe suportul respectiv se bobineaz neinductiv un fir metalic. Metalele utilizate permit prelucrarea la un diametru foarte mic i o bun stabilitate n timp sub influena temperaturii ridicate i agenilor chimici. Teaca de protecie este destinat pentru a proteja elementul sensibil i firele conductoare de legtur de aciunea duntoare a mediului. Se poate executa din diferite materiale. Materialul tecilor de protecie este condiionat pe lng domeniul de temperatur i natura fluidului a crui temperatur o msoar. Comportarea n timp a tecilor de protecie este influenat puternic de factorii locali activi.

Pentru exprimarea i compararea proprietilor termice ale materialelor folosite la confecionarea elementelor sensibile se utilizeaz coeficientul de temperatur (0100 , definit pe intervalul 0(C100(C prin relaia:

(0100

sau raportul W100 al rezistenelor:

W100=

unde R0,R100 reprezint rezistenele firului la 0(C, respectiv la 100(C.

S-a observat experimental c (0100 este cu att mai mare cu ct puritatea metalului utilizat este mai ridicat, crescnd de asemenea odat cu nlturare tensiunilor mecanice ale firului rezistiv.

Alte caracteristici care permit compararea termorezistenelor ntre ele sunt urmtoarele:

materialul din care este confecionat elementul sensibil(platin, cupru, nichel, mai rar wolfram si molibden);

valoarea rezistenei la 0(C (R0) i eroarea sa tolerat (se construiesc termorezistene de 100((0.1%, 100((0.2%, 50((0.1%, 50((0.2% , mai rar 46((0.1% i 53((0.1%);

constanta de timp (se disting termorezistene cu constant de timp mic T(15s, medie 15s(T(90s i mare T(90s);

intervalul de msurare, n funcie de care exist termorezistene de joas temperatur (-200(C+650(C/+850(C);

gradul de protecie mecanic, climatic, antiexploziv, anticorosiv;

clasa de precizie delimitat prin eroarea tolerat admis raportului W100 (clasa nti (0,0005, clasa a doua (0,001, clasa a doua (0,002).

Teoretic orice metal poate fi folosit la msurarea temperaturii. Metalul ales trebuie s aib un grad nalt de sensibilitate i abilitatea de a reduce efectele corosive. Materialul care ndeplinete aceste cerine cel mai bine este platina i astfel ea a devenit elementul sensibil ales n termorezistene. Printre caracteristicile sale se numr de asemenea stabilitatea chimic, disponibilitate n form pur i proprietile electrice care sunt foarte bine redate.

Pentru proprietile sale(punct de topire ridicat , 1772(C, rezistena la medii oxidante, reproductibilitatea foarte bun a valorii rezistenei electrice pentru orice temperatur din domeniul de utilizare ), platina este metalul cel mai utilizat n realizarea termorezistenelor pentru aplicaii industriale. Se realizeaz termorezistene etalon din platin pentru reproducerea scrii de temperatur.

Alte materiale folosite sunt: Cuprul permite realizarea unei bune reproductibiliti deoarece se poate obine cu puritate naintat pe cale electrolitic, termorezistenele tehnice se utilizeaz n domeniul -50(C+180(C, ntruct peste +180(C apare fenomenul de oxidare, producnd alterarea ireversibil a proprietilor de reproductibilitate.

Nichelul are o bun sensibilitate i liniaritate, dar termorezistenele tehnice se utilizeaz n domeniul -60(C+180(C datorit apariiei fenomenului de oxidare la temperaturi ridicate.

Wolframul prezint o bun liniaritate i o rezisten, astfel c se confecioneaz termorezistene din fire de diametru mic (1015m), utilizate pe domeniul 0(C+600(C; wolframul este folosit cu predilecie fr teac de protecie, n medii gazoase cu viteze mari de curgere, sub form de elemente sensibile cu fire calde.

n mod uzual pe acelai suport izolant se realizeaz unu sau dou elemente sensibile; pentru protecia la agresivitatea mediului de lucru, tecile de protecie pentru termorezistene se confecioneaz din:

cupru (indicate pentru msurarea temperaturilor joase),

oel de construcie OLT 45 (recomandate pentru temperaturi pozitive n medii neutre),

oel inoxidabil (indicate la temperaturi pozitive n medii oxidante sau reductoare).

n funcie de forma i dimensiunile tecii de protecie, ca i de restriciile mediului n care se face msurarea, se poate face o clasificare a termorezistenelor n:

termorezistene subminiatur,

termorezistene miniatur,

termorezistene rapide,

termorezistene normale,

termorezistene cu cot,

termorezistene pentru presiuni nalte,

termorezistene multiteac,

termorezistene pentru suprafee plane.

Cnd discutm despre traductoare de temperatur cu termorezistene trebuie luate n considerare urmtoarele aspecte:

autonclzirea sau efectul Joule. Temperatura indicata de senzor este un pic mai mare datorita acestuia. Totodat, autonclzirea depinde puternic de mediul in care este imersata termorezistena;

precizia msurrii. Exist dou seturi de tolerane: clasa A (-200(+650oC) - se aplica doar termorezistenelor in conexiune pe trei sau patru fire i clasa B (-200(+850oC);

stabilitatea o proprietate a senzorilor de a menine constant ieirea cnd avem la intrare o tensiune constant. Modificrile fizice sau chimice pot duce la apariia unor cureni de calibrare. Proporiile acestor cureni specificate de productori sunt tipic de 0.05oC/an ;

repetabilitatea. Este proprietatea unui senzor de a da acelai rezultat la ieire, la efectuarea repetat a msurrii n aceleai condiii;

rspunsul n timp. Este capacitatea senzorului de a reaciona la variaia temperaturii i acest rspuns n timp depinde de masa senzorului i a materialului testat. Specificaiile termorezistenei conin i constantele de timp ale acesteia definita ca perioada de timp care i trebuie termorezistenei s ating valoarea de 2/3 din valoarea de echilibru atunci cnd termorezistena este supusa unei trepte de temperatura;

configuraia instalaiei electrice. n funcie de modul de conectare a surselor i a ieirii traductorului se disting 3 variante de conexiune: pe 4 fire, pe 3 fire (deviat din cea de 4 fire cu observaia c e posibil o legtur comun ntre alimentare i ieirea traductorului) i pe 2 fire (specifice traductoarelor cu ieirea n curent unificat. Cele dou fire de conectare sunt folosite att pentru alimentare ct i pentru obinerea semnalului de ieire. n acest caz exist dou surse de curent: una cu ieire constant i cealalt cu ieire comandat de circuitul de intrare CI.)3.Schema bloc a traductorului

4.Proiectarea blocurilor componente

4.1.Alegerea senzoruluiCodificarea produsuluiTTR ( termorezisten )

TTR

xxxxxxxxxx

abcdefgh

a tipul termorezistenei i clasa de precizie

b materialul i caracteristica elementului sensibil

c caracteristica tubului de protecie

d materialul tubului de proteciee domeniul temperaturii de lucru

f dispozitivul de fixare

g lungimea de imersie

h tipul execuiei i al proteciei climatice

TTR

51.2.03.3.4.1.1.1a = 51, normal clasa I

b = 2, Pt 100 cu 2 elemente sensibile

c = 03, teac de protecie cu diametrul de 10 mm, lungime nominal 750

d = 3, otel inox

e = 4, -50C ... 250C

f = 1, fr dispozitiv de fixare

g = 1, 100LiLn-100h = 1, normal - temperat4.2.Circuitul adaptor al senzoruluiTemperaturaRU1UA

50119,4000

60123,240,0270,19

70127,070,0530,37

80130,890,0770,54

90134,700,0990,70

100138,500,1210,85

110142,290,1410,99

120146,060,1601,13

130149,820,1781,26

140153,580,1951,38

150157,320,2111,49

160161,040,2271,60

170164,760,2421,71

180168,770,2561,81

190172,160,2691,90

200175,840,2821,99

UA = A U1

A = 7,09

R0 rezistena la temperatur

Rmax rezistena la temperatura maxim

R = R - R0

Dac R0 R4 = R2 R3 U1 = 0Dac R