1

STELIAN DUMITRESCU

SISTEME INTELIGENTE DE MASURARE

EDITURA UNIVERSITATII DIN PLOIESTI

2012

1

2

2

3

CONTINUT Continut Prefata Capitolul 1. Fundamentele procesului de masurare 1.1. Elementele definitorii ale masurarilor 1.2. Structuri si functii ale sistemelor de masurare 1.2.1. Echipamente cu functii de baza 1.2.2. Echipamente cu functii auxiliare 1.3. Evolutii recente si previzibile 1.3.1. Relatia traditie-evolutie 1.3.2. Evolutii previzibile 1.4. Atribute ale sistemelor de masurare evoluate Subiecte/intrebati de control Capitolul 2. Progrese n domeniul senzorilor / traductoarelor 2.1. Caracterizare general 2.2. Structuri i funcii ale traductoarelor inteligente 2.3. Senzori / traductoare piezoelectrice si piezorezistive 2.3.1. Consideratiuni generale 2.3.2 .Constructia senzorilor piezoelectrici 2.3.3. Circuite electronice aferente 2.3.4. Traductoare piezorezistive 2.4. Senzori / traductoare fotoelectronice 2.4.1. Consideratiuni generale 2.4.2. Senzori cuantici 2.4.3. Senzori/traductoare fototermice 2.4.4. Dispozitive piroelectronice 2.5. Senzori / traductoare cu microunde 2.5.1. Consideratiuni generale 2.5.2. Traductoare de viteza de tip Dopller 2.5.3. Traductoare de nivel cu unde radar 2.6. Senzori / traductoare electrochimice 2.6.1. Consideratiuni generale 2.6.2. Senzori/traductoare pentru lichide 2.6.3.Senzori/traductoare pentru gaze 2.6.4. Senzori si microsenzori chemorezistivi 2.7. Biosenzonzori 2.7.1.Caracterizare generala 2.7.2.Constructia biosenzorilor 2.7.3.Tipuri de bioconvertoare 2.7.4.Utilizari ale biosenzorilor Subiecte/intrebari de control Pagina 3 5 7 7 9 9 10 11 11 11 13 14 15 15 16 20 20 22 23 25 31 31 31 38 39 39 39 39 41 48 48 48 51 53 57 57 58 59 60 62

3

4

Capitolul 3. Aparate de masurare numerice cu microprocesoare 3.1. Caracterizare generala 3.2. Functii executabile de catre microprocesoare 3.3. Structuri de AM dotate cu microprocesoare 3.3.1 Structura unui dispozitiv de comanda cu microprocesor 3.3.2 Structuri de AM cu microprocesoare 3.3.3 Structura unui multimetru monoprocesor 3.3.4 Structura unui multimetru biprocesor 3.3.5 Structura unor analizoare spectrofotometrice de absorbtie 3.4. Comanda componentelor apatatelor de masurare 3.4.1.Comanda blocurilor de conditionare a semnalelor 3.4.2. Comanda convertoarelor analog-numerice 3.4.3. Comanda comunicatiei intre blocuri 3.4.4. Comunicatia cu utilizatorul 3.5.Conversia semnificatiei semnalelor 3.6. Corectia erorilor de masurare Subiecte/intrebari de control Capitolul 4. Sisteme de masurare si de monitorizare programabile 4.1. Consideratiuni generale 4.2. Sisteme de achizitie si prelucrari de date primare 4.2.1. Caracterizare generala 4.2.2. SAPD cu multiplexarea intrarilor neesantionate 4.2.3. SAPD cu multiplexarea intrarilor esantionate 4.2.4. SAPD cu esantionarea semnalelor numerice 4.3. Structura generala a sistemelor de masurare programabile 4.4. Masurari cu echipamente programabile 4.4.1. Unitatea de achizitii de date HP 4.4.2. Panoul de comanda si comenzile sistemului 4.4.3. Instalarea, configurarea si testarea sistemului 4.4.4. Programarea directa a masurarilor 4.4.5. Memorarea si prelucrarea datelor 4.4.6. Cateva aplicatii 4.5. Sisteme de masurare si de gastionare a cantitatilor de lichide din parcuri de rezervoare 4.5.1. Consideratiuni generale 4.5.2. Structuri de monitorizare si de gestionare a stocurilor Subiecte/intrebari de control Bibliografie

62 62 63 64 64 65 66 67 69 74 74 76 77 78 81 84 85 86 86 87 87 89 89 90 91 97 97 101 103 104 106 107 108 108 110 113 115

4

5

PREFACreaia tiinific a comunitii umane este un proces continuuu, care nu are limite i care nu va nceta niciodat. Ea se manifest att prin idei, principii i concepte noi, ct mai ales prin forme i mijloace noi i variate de implementare a principiilor i conceptelor, cunoscute i aplicate i pn n prezent. Este dovedit faptul c datorit experienei acumulate creaiile recente prezint performane superioare fa de creaiile similare anterioare. n lucrarea de fa se prezint o succint analiz i o sintez a celor mai semnificative evoluii i realizri din domeniul msurrii, care au avut loc n ultimele decenii. n Capitolul 1 sunt prezentate fundamentele procesului de msurare, elementele definitorii ale acestui proces, precum i evoluiile nregistrate n ultimele decenii, evoluii care permit s se contureze tendinele previzibile pentru urmtorii ani. Tot aici sunt formulate i principalele atribute ale aparatelor / sistemelor de msurare inteligente. n Capitolul 2 sunt prezentate cele mai semnificative nouti din domeniul senzorilor / traductoarelor. Sunt menionate noi tipuri de senzori / traductoare aprute relativ recent precum i ideile dominante n prezent cu privire la concepia i realizarea acestui tip de echipamente ca elemente componente ale unor sisteme inteligente. n Capitolul 3 sunt prezentate trsturile caracteristice ale aparatelor / sistemelor de msurare inteligente, dotate cu microprocesoare (calculatoare); capabile s ndeplineasc automat toate operaiile legate de msurtori simple sau complexe, n timp real, inclusiv msurtori fiscale i s comunice att cu utilizatorul ct i cu alte aparate / sisteme prin mijloacele moderne ale tehnicii de calcul de ultim generaie. n Capitolul 4 sunt prezentate elementele definitorii ale sistemelor de msurare programabile pentru aplicaii ample cum ar fi achiziia i prelucrarea datelor din procese complexe, monitorizarea, transportul i transferul de fluide prin conducte i rezervoare, .a. Sunt descrise cteva structuri de referin precum i algoritmi de funcionare a acestor sisteme.

5

6

6

7

Progresele din domeniul tehnicii masurarii sunt la fel de rapide i de semnificative ca i cele din domeniile de vrf ale tehnicilor contemporane

Capitolul 1 FUNDAMENTELE CONCEPTULUI DE MSURAREIdei/subiecte principale: Elementele definitorii ale masurarii -recapitulare Structura si functiile sistemelor de masurare Evolutii recente si previzibile Atribute ale sistemelor de masurare evoluate

1.1. Elementele definitorii ale msurriiPrin msurare se nelege ansamblul de operaii experimentale prin care o mrime de msurat x este comparat cu valorile unei scri de msurare, exprimat n uniti de msur um, pentru a identifica valoarea din scar cea mai apropiat de valoarea real a mrimii de msurat, sub forma raportului:

N=

x , um

(1.1)

care exprim echivalentul valoric al mrimii msurate. Msurarea nu este un cop in sine insa este necesar pentru c ea st la baza cvasitotalitii activitilor umane. Ea este indispensabil n relaiile de vnzare / cumprare, n conducerea proceselor de fabricaie, n activiti de cercetare .a.m.d. Efectuarea unei msurri implic urmtoarele operaii: Precizarea/definirea mrimii de msurat (msurandului); Alegerea scrii de msurare i a unitii de msur adoptate; Adoptarea i aplicarea unei proceduri / metode de msurare; Precizarea mijloacelor tehnice (echipamentelor) necesare pentru efectuarea msurrii; Prelucrarea rezultatelor primare pentru a obine un rezultat final ct mai exact i sub form convenabil utilizatorului; Afiarea / nregistrarea rezultatului msurrii; Opional, n afar de msurare mai pot fi efectuate i alte operaii i anume: - Calibrarea / etalonarea periodic a aparatului de msurare; - Semnalizarea / alarmarea depirii unei limite prescrise de ctre mrimea msurat;

7

8 - Memorarea / arhivarea rezultatelor msurrilor anterioare i / sau a evenimentelor ce au avut loc n ultima perioad de timp, .a. O marime de masurat poate fi oricare propietate comuna, oricare manifestare sau element de caracterizare a unei clase de obiecte, de fenomene ori de procese reale, care in diverse circumstante pot avea mai multe stari, mai multe valori sau nuante, iar rezultatul msurarii masurandului se numeste masura sau valoarea acestuia si se exprima, cel mai adesea, printr-un numar. Oricat de performante ar fi metodele si mijloacele de masurare, rezultatul masurarii va fi intotdeauna diferit de valoarea reala a marimii masurate iar diferenta dintre valoarea reala si cea data de aparatul de masurare se numeste eroare de masurare si constitue principalul indicator al calitatii masurarii. Pentru msurarea unor mrimi electrice precum tensiunea, curentul, frecvena, .a., se folosesc aparate de msurare i vizualizare direct AMV (voltmetre, ampermetre, frecvenmetre, .a.). Pentru msurarea unor mrimi neelectrice precum presiunea, debitul, nivelul, vscozitatea, densitatea, turbulena, .a., se recurge la folosirea unor sisteme de echipamente de convertire a mrimii neelectrice de msurat ntr-o mrime electric sau fotoelectric (senzori, traductoare, convertoare), precum i la folosirea unor elemente de prelucrare a mrimilor intermediare pentru a obine rezultatul final al msurrilor. Senzorii i traductoarele sunt echipamente specifice mrimii neelectrice de msurat. Sunt de preferat acele echipamente care au ca mrime de ieire un semnal electric sau fotoelectric, deoarece aceste semnale sunt mai uor de prelucrat n sistemele de msurare moderne. Convertoarele de mrimi intermediare, ca i echipamentele de prelucrare a semnalelor din cadrul sistemelor de msurare, care se folosesc n prezent. sunt aproape exclusiv echipamente electronice sau fotoelectronice i se realizeaz ndeosebi sub form de circuite integrate. Schema unui sistem clasic de msurare a unei mrimi neelectrice este prezentat n figura 1.1.1, n care se disting tipuri de echipamente: Senzorul sau traductorul T, care transpune valoarea mrimii de msurat, X pe un semnal purttor de informaie, Y; Aparatul de msurare i vizualizare, AMV, care determina, afieaza/inregistreaz rezultatul msurrii mrimii X. Daca rezultatul masurarii este dat sub forma numerica acesta indeplineste si functia de conversie analog-numrica; Echipamente de conversie i adaptare, ECA, care preia semnalul Y de la senzor / traductor i l transform ntr-un semnal electric compatibil cu caracteristicile de intrare ale AMV. Aceste echipamente pot fi folosite ca echipamente autonome, dar ele pot fi incorporate fie n structura senzorului, fie n structura AMV. Dispozitiv de semnalizare optica si/sau acustica, DS, -optional; Dispozitive de memorare a rezultatelor masurarilor optiomnal. Aparatura i sistemele de msurare a diverselor mrimi sunt de o foarte mare diversitate, att n ceea ce privete natura mrimilor msurate ct i mai ales natura, structura i complexitatea acestora. Exist aparate foarte simple cum sunt 8

9 unele termometre, manometre, .a., dar n ultima vreme au fost elaborate i realizate aparate i sisteme de msurare performante foarte sofisticate, mai ales cele pentru determinarea compoziiei chimice i structurii diverselor produse naturale sau fabricate.

X

T

Y ECA Y* AMV

X*

DSFig. 1.1.1. Schema unui sistem clasic de msurare. O categorie aparte de aparate / sisteme de msurare o constituie aa zisele analizoare. Sub denumirea generic de analiz i analizor se nelege ansamblul de operaii ce au loc n anumite echipamente (ale analizorului) n vederea determinrii compoziiei chimice a unui produs (amestec), a mediului sau a unui anumit indicator de calitate, ca de exemplu: puritatea apei, turbulena unui lichid, coninutul n toxine al unor alimente, etc. Rezultatul unei analize, exprimat prin concentraiile componenilor unui amestec sau printr-un indice de calitatea, se determin ntr-un mod asemntor cu cel adoptat n sistemele de msurare, prezentate mai nainte, dar sunt mai complicate i prezint anumite particulariti determinate de tipul de analiz, de complexitatea acesteia, de forma de prezentare a rezultatului analizei, .a. Ceea ce difer cel mai mult ntre sistemele de msurare i cele de analiz este faptul c pentru analiz este necesar n cele mai multe cazuri s se preleve din mediul analizat o prob (eantion) ct mai reprezentativ, care s fie supus analizei n echipamente specifice ale analizorului. n general structura analizoarelor este mai complicat dect structura aparatelor de msurare, ntruct n cadrul unui analizor exist cel puin un aparat de msurare.

1.2. Structura i funciile sistemelor de msurareAtt sistemele de msurare ct i cele de analiz au n componena lor dou tipuri de echipamente i funcii: Echipamente cu funcii de baz, specifice msurrii; Echipamente cu funcii auxiliare, complementare, care faciliteaz, accelereaz i mresc performanele msurrii.

1.2.1. Echipamente cu funcii de bazn categoria echipamentelor de baz intr acele echipamente strict necesare fr de care nu este posibil msurarea / analiza dorit i anume:

9

10 Unul sau mai muli senzori / traductoare pentru prelevarea mrimii de msurat sau a mrimilor ce determin mrimea de msurat i care transpun aceast mrime pe semnale purttoare de informaie; Echipamente pentru prelucrarea primar a semnalelor date de traductoare n vederea determinrii mrimii msurate sau analizate i transpunerea acestei mrimi pe semnal usor msurabil (amplificatoare / atenuatoare, convertoare, filtre, etc.); Echipamente de msurare i de afiare / nregistrare a semnalului asociat mrimii msurate / analizate; Optional -Echipamente suplimentare pentru semnalizare optic / acustic a unor evenimente critice: depiri de limite prestabilite, defeciuni, etc. n cazul analizoarelor mai sunt necesare, dup caz, n funcie de metoda de analiz aleas, unul sau mai multe din urmtoarele tipuri de echipamente: Dispozitive de prelevare i condiionare a probelor; Celule de analiz a probelor prelevare; Surse de excitaie a probelor; Senzori i/sau receptori (detectoare) pentru transpunerea componenilor amestecului analizat pe semnale purtatoare de informatie si pentru identificarea acestora; In unele cazuri -dispozitive de separare a componenilor amesteculu; Elemente de comutare i dirijare a fluxurilor de radiaii i de materiale, .a.

1.2.2. Echipamente cu funcii auxiliareEchipamentele auxiliare ndeplinesc funcii ce vizeaz n principal facilizarea i accelerarea operaiilor de baz prin executarea automat sau mcar semiautomat a prelucrrii datelor obinute de la echipamentele cu funcii de baz, n vederea determinrii rapide i exacte a rezultatului msurrii / analizei, dar i funcii care vizeaz ealonarea judicioas a operaiilor interne de executat n conformitate cu procedura de msurare / analiz adoptat, adic acele echipamente care asigur efectuarea automat a msurrii / analizei. Pn n urm cu 23 decenii diversitatea i ponderea echipamentelor cu funcii auxiliare erau relativ mici, funciile auxiliare erau executate de personalul de exploatare a echipamentelor de baz. n prezent ponderea i diversitatea acestor echipamente este semnificativ, iar n unele cazuri este chiar preponderent, deoarece performanele aparatelor / sistemelor de msurare / analiz moderne sunt determinate n mare msur de aceste echipamente, care pot asigura masurari multiple in timp real in sisteme de masurare multivariabile oricat de ample . Echipamentele auxiliare pot ndeplini una sau mai multe din urmtoarele tipuri de funcii / operaii: Prelucrarea secundar a semnalelor primare de la senzori / detectoare i memorarea temporar a datelor relevante asupra msurrii / analizei. Este vorba de una sau mai multe tipuri de operaii ca: filtrarea semnalelor primite pentru a ndeprta componentele parazite; conversia semnalelor primare n semnale standard unificate i compatibilizarea caracteristicilor intrare-ieire ale elementelor componente; calculul / evaluarea unor mrimi finale pe baza unor mrimi primare prelevate prin senzori; calcule de valori medii sau de

10

11 alte mrimi statistice; comparri cu valori prestabilite; concentraiilor pe baza cromatografiei sau spectogramei .a. calculul

Conversia analog numeric i numeric analogic pentru a putea realiza comunicaia ntre echipamente de tip analogic i cele de tip numeric / logic din componena sistemului, precum i conversia n uniti de msur a semnalelor interne (numr de cuante, curent, tensiune), asociate mrimilor msurate; Corecia automat a erorilor de msurare care se poate face cu ajutorul unor dispozitive de corecie specializate pe funcie sau se face prin program de ctre un microprocesor / calculator. Se are n vedere corecia erorilor introduse de mediul ambiant (temperatur, presiune, umiditate, etc.) dar i erori de metod sau instrumente precum eroarea de zero, eroarea de neliniaritate, de histerezis, .a.; Autocalibrarea automat periodic sau la dorin precum i testarea funcionabilitii corecte a blocurilor componente ale sistemului n vederea depistrii eventualelor disfuncionaliti; Comanda secvenial coordonat a operaiilor interne ale sistemul0ui de msurare / analiz n conformitate cu algoritmul metodei de msurare sau de analiz adoptat. Este vorba de operaii ca: nchiderea / deschiderea unor ntreruptoare sau comutatoare; poziionarea unor elemente mobile n puncte prestabilite; comanda afirii / nregistrrii rezultatului msurrii / analizei ; comutrii de fluxuri de excitaie; introducerea probei de analizat, .a. Comunicaia cu alte echipamente interconectate ntr-un sistem de monitorizare i / sau conducere a unor procese de complexitate medie sau mare.

1.3. Evoluii recente i previzibile1.3.1. Relaia tradiie inovaieDe-a lungul anilor au fost realizate i folosite o mare varietate de tipuri de mijloace de msurare. Unele dintre acestea, cele care i-au dovedit eficiena, se folosesc i n prezent, ele devenind tradiionale, clasice. Procesul de diversificare, de concepie i de realizare de noi timpuri de mijloace de msurare cu performane din ce n ce mai bune continu i n prezent, aa nct n faza de proiectare a unui obiectiv, care implic multe msurri, factorii de decizie au de ales ntre a folosi mijloace de msurare tradiionale sau a adapta mijloace de msurare noi, inovative. Alegerea unor mijloace de msurare tradiionale este tentant deoarece nu implic probleme de implementare de noi tipuri de aparate, pe cnd alegerea unor mijloace noi inovative este i ea atractiv prin performanele superioare ale acestora, dei prezint unele dificulti i chiar riscuri de implementare, schimbri de gndire, implicaii economice, .a. Tocmai din aceste cauze anumii factori de decizie manifest reineri sau ntrzieri n aplicarea soluiilor inovative. n ciuda tendinelor conservatoare exist suficiente foruri i ntreprinderi temerare care i asum responsabilitatea promovrii soluiilor inovative, care n final izbutesc. Dup primele implementri de succes ncrederea general n astfel de

11

12 soluii crete, aplicaiile se nmulesc i treptat, dup civa ani de experien, aceste soluii devin tradiionale. Prin urmare statutul de soluie inovativ se raporteaz numai la perioada de nceput a aplicrii acesteia pn cnd aceasta i-a cucerit recunoaterea cvaziunanim a succesului.

1.3.2. Evolutii previzibileDin analiza evoluiei din ultimele dou trei decenii a mijloacelor de msurare se contureaz urmtoarele tendine: Tendina de modularizare i standardizare a componentelor i sistemelor de msurare dup norme adoptate de organisme i asociaii tiinifice i profesionale. n aceast direcie se remarc existena unui sortiment relativ bogat de astfel de echipamente, care uureaz sarcinile proiectantului de sisteme de msurare, reducndu-le n principal la integrarea ntr-un sistem a unor astfel de componente. Tendina de generalizare a compatibilitii caracteristicilor de interconectare ale echipamentelor i sistemelor i folosirea de semnale unificate, standardizate cu care acestea sa opereze, asa nct s se poat realiza interconexiuni directe, sau reducndu-se astfel necesitatea unor adaptri i conversii prin echipamente de interfaare. Tendina de extindere a folosirii echipamentelor i sistemelor care opereaz cu semnale logice i numerice pe seama restrngerii la strictul necesar a celor de tip analogic. Aceast tendin este justificat de tendina de a ncorpora n echipamentele de msurare / automatizare a unor microprocesoare numerice pentru prelucrri de date, pentru corecii de rezultate ale msurrii, pentru comanda ealonrii operaiilor interne ale sistemelor i n general pentru automatizarea operaiei de msurare. Tendina de lrgire / generalizare a folosirii echipamentelor / sistemelor programabile, pilotate de microprocesoare dedicate, dotate cu perifericele necesare, care pot fi programate s ndeplineasc o gam larg de funcii. Folosind un astfel de microprocesor este posibil o reconfigurare, o dezvoltare i o perfecionare relativ uoar a funciilor sistemului prin programe adecvate fr a modifica structura de echipamente; Tendina de prelucrare a semnalelor de ieire ct mai aproape sau chiar n cadrul sursei de semnal, deci ct mai aproape de senzori / traductoare i de transmitere a semnalului prelucrat sub form numeric. n cazul sistemelor multivariabile se prefer transmiterea prin magistrale de date sau pe canale radio i nu prin perechi de conductori pentru fiecare variabil; Tendina / preferina de realiza i folosi senzori / traductoare / convertoare i alte echipamente ale sistemului de msurare sub form de circuite integrate de dimensiuni foarte mici, obinute prin nanotehnologii de ultim generaie; Tendina de folosire n cadrul unor sisteme de achiziie de date a unor echipamente foarte performante pentru msurri multiple si monitorizare a zeci sau sute de mrimi prin multiplexare n timp; Tendina de a adopta n cadrul sistemelor de msurare a unor principii i soluii care sunt aplicate n cadrul sistemelor de calcul (calculatoarelor) numerice pentru a optimiza circulaia i prelucrarea datelor n timp real.

12

13

1.4. Atribute ale sistemelor de masurare evoluaten general msurarea nu este un scop n sine, ci face parte dintr-un ansamblu de operaii / procese mai ample n care msurarea constituie o component de mare importan, deoarece n toate celelalte operaii se folosesc rezultatele msurrii. Cerinele i exigenele asupra msurrii i aparatelor / sistemelor de msurare trebuie s fie tot att de nalte i severe ca i cele ce se impun asupra ansamblului din care face parte msurarea. Deoarece n prezent proiectarea i realizarea obiectivelor / activitilor se face dup cele mai noi concepte, folosind echipamente moderne evoluate, inteligente, rezult c i echipamentele / sistemele de msurare trebuie s se situeze la acelai nivel de inteligen. Despre un aparat / sistem se spune c este inteligent dac este capabil s ndeplineasc funcia / funciile pentru care a fost conceput cu suficient inteligent i dac poate conlucra direct prin conexiune cu alte echipamente / sisteme inteligente. Prin inteligena unui sistem / aparat / echipament se nelege aptitudinea acestuia de a se autoanaliza n raport cu factori (condiii) interni i externi i de a gsi i adopta cea mai potrivit / eficient procedur de realizare a funciei / funciilor pentru care a fost creat programat. n general inteligena unui echipament / aparat / sistem se apreciaz dup o serie de atribute / prorpieti ale acestuia dintre care mai importante sunt urmtoarele: Aptitudinea de a recunoate i folosi un limbaj sau un mod de comunicaie cu elementele sistemului de masurare. Prin aceasta se nelege c recunoate simbolurile alfabetului limbajului i semnificaia acestuia precum i semnificaia semnalelor asociate acestor simboluri i cuvintelor alctuite din simboluri. Un astfel de atribut l au cele mai multe din echipamentele numerice de ultima generaie, ndeosebi cele programabile, dotate cu microprocesor i programe corespunztoare; Aptitudinea de a executa o mulime de operaii /aciuni precizate

prin anumite comenzi (instruciuni) formulate n conformitate cu regulile limbajului adoptat pentru a ndeplini anumite funcii programabile: operaii logice / aritmetice, evaluri de funcii, raionamente, clasificri, .a. adica niste prelucrari similare cu cele din calculatoare; S aib o structur i o funcionare automat flexibil i adaptabil

i posibilitatea de a se reconfigura i da a-i modifica algoritmul de funcionare astfel nct s ndeplineasc sarcinile programate n condiii optime;

13

14

S dispun de mijloace moderne de comunicaie pentru a comunica

direct sau prin intemediul unor interfee cu entiti de la acelai nivel ierarhic i de la nivel inferior i/sau superior. Este vorba de comunicaii prin magistrale de date, de adrese i de comenzi, realitate din conductori optici sau metalici sau de comunicaie prin radio.Relativ recent au aprut i se comercializeaz echipamente de comunicaie prin canale radio pe frecvene foarte nalte. Comunicaia prin aceste canale ca i comunicaie prin conductori se face dup reguli stricte stabilite prin standarde i prin protocoale de comunicaie: S poat comunica interactiv cu operatorul / utilizatorul prin mijloace ct se poate de simple i prieteneti, asemntoare cu cele utilizate n domeniul calculatoarelor: tastatur / minitastatur. Diplay-uri cu LED-uri, cu LCD-uri sau cu tub catodic, imprimante, plotere, .a. S avertizeze utilizatorul asupra cauzelor care fac imposibil

msurarea, inclusiv asupra eventualelor disfuncionaliti ale sistemului de msurare i s ndrume / asiste utilizatorul n rezolvarea situaiei; Majoritatea acestor atribute au fost dezvoltate la nceput n cadrul sistemelor de calcul logic i numeric, adic n domeniul calculatoarelor numerice, dar n prezent acestea sunt extinse i asupra altor tipuri de sisteme.Prin urmare, o entitate cu adevrat inteligent trebuie s aib aptitudinea / capacitatea de a identifica evenimentele semnificative relevante din evoluia sa, de a le analiza i pe baza unui raionament s deduc i s aplice msurile ce se impun n vederea derulrii optime a proceselor ce au loc n cadrul acesteia. n termeni de specialitate aceasta nseamn c o entitate inteligent trebuie s dispun de un mecanism (motor) de inferen i de o baz de date. n funcie de natura i complexitatea evenimentelor i raionamentelor efectuate n cadrul unei entiti, adic dup natura si puterea motorului de inferen rezult anumite nivele sau grade de inteligen ale sistemului din care face parte. Prin urmare inteligena nu are o singur msur ci ce urmeaz s fie apreciat dup o scar de msuri cu cel puin trei msuri = slab, bun i foarte bun.

Subiecte/intrebari de controlPrezentati elementele definitorii ale unei masurari

Precizai conceptele conform crora se realizeaz n prezent mijloacele moderne de msurare / analiz.Descriei principalele operaii de prelucrare primara a semnalelor asociate marimilor masurate. Descrieti principalele functii auxiliare ce pot fi indeplinite de aparatele de masurare moderne. .

Descriei principalele atribute ale aparatelor/sistemelor de masurare inteligente.

14

15 Precizai tendinele previzibile n perfecionarea mijloacelor de msurare i analiz chimic.

Exist nc numeroase posibiliti de realizare i de folosire de noi tipuri de senzori/traductoare cu performane superioare.

Capitolul 2 PROGRESE N DOMENIUL TRADUCTOARELORIdei/Subiecte principale: Evolutii in conceptia si exploatarea senzorilor/traductoarelor Structuri reprezentative de senzori/traductoare Senzori/traductoare inteligente Interfata dintre senzori si aparatura din aval.

2.1. Caracterizare generalSenzorii sunt elementele primare specifice marimii de masurat, care indeplinesc o functie de baza si anume -transpune marimea de masurat pe semnal purtator de informatie, direct masurabil de catre un aparat de masurare sau dupa o prealabila prelucrare; amplificare filtrare s a. La baza conceptiei si functionarii acestora sta o anumita proprietate, un anumit efect sau fenomen prin care marimea masurata exercita o puternica influenta asupra semnalului de iesire al acestuia. In cazul marimilor de masurat multivariabile, care sunt determinate de mai multe marimi primare sau de marimi de influenta se folosesc mai multi senzori cate unul pentru fiecare marime, iar ansamblul alcatuit din acesti senzori si din elementele de prelucrare a semnalelor acestora pentru a determina marimea de masurat mulivariabila se numeste traductor. Pentru masurarea uneia si aceleiasi marimi se pot folosi mai multe tipuri de senzori/traductoare, de unde rezulta ca varietatea acestor echipamente este foarte mare si in continua crestere. In aceasta lucrare ne vom referi indeosebi la acele aspecte care intereseaza pe utiluzatori si anume ne vom referi la principiile de conceptie de realizare si de functionare a acestor echipamente, care sunt valabile pe termen mediu si lung, fara

15

16 a intra in detalii de constructie, care difera si se schimba frecvent de la o etapa la alta si de la o firma constructoare la alta. Progresele din domeniul tehnicii msurrii sunt strns legate de progresele din domeniul senzorilor i traductoarelor i de cele din domeniul mijloacelor de prelucrare i transmitere a semnalelor asociate mrimilor msurate. De-a-lungul anilor, la diverse etape de dezvoltare ale stiintei si tehnologiei, au existat metode si mijloace de masurare, considerate la acele etape, ca fiind cele mai noi si mai performante, dar nu pentru multa vreme, deoarece, ca efect al progresului tehnic, mereu s-au inregistrat noi descoperiri si au aparut noi solutii de realizare a aparaturii de masurare cu performante din ce in ce mai bune si la preturi din ce in ce mai mici. In ordine istorica primele traductoare care s-au folosit in practica au fost cele bazate pe efecte mecanice, hidraulice, pneumatice, electrice s.a. care aveau o structura relativ rudimentara si semnal de iesire nestandardizat. Au aparut apoi si sau dezvoltat traductoarele electrice, electronice si electrochimice cu semnal de iesire standardizat, iar in ultimele decenii au aparut si s-au dezvoltat traductoarele complexe combinate cum sunt cele fotoelectronice, bazate pe radiatii electromagnetice din spectrul ultraviolet si infrarosu, traductoarele bazate pe unde radar, traductoarele bazate pe efect Coriolis s.a., toate acestea din urma fiind de tip numeric. n cele ce urmeaza vom prezenta succint cateva din tipurile mai noi de traductoare dupa cum urmeaza: Senzori i traductoare din materiale semiconductoare; Senzori i traductoare fotoelectronice; Senzori i traductoare electrochimice i biochimice; Senzori si traductoare cu microunde radar ; Senzori bazai pe efecte speciale, .a. O tendin manifestat n ultimele decenii este aceea de a ncorpora n structura senzorilor sau traductoarelor circuite i dispozitive de prelucrare primar a semnalelor prelevate pentru a furniza la ieire un semnal ct mai bogat n informaie i ct mai propice pentru transmitere ctre celelalte elemente ale sistemului de msurare sau conducere. Este vorba de prelucrri care s fac posibil transmiterea mrimilor prelevate pe semnale de ieire standard acceptabile de aparatele de msurare i/sau de microprocesoarele din structura senzorilor i traductoarelor sau de cele din structura sistemului de msurare. Cvasitotalitatea senzorilor i traductoarelor care se fabric n prezent au ca mrime de ieire curentul electric (420 mA), trenul de impulsuri cu frecvene de ordinul KHzMHz sau ieire numeric serial sau paralel pe 8-32 bii, transmisibile pe magistrale de tip HART, FIELDBUS, OPC .a. Exist, de asemenea, tendina de a folosi, acolo unde este cazul, traductoare inteligente, adic traductoare care s ntruneasc n totalitate sau parial atributele (cerinele) echipamentelor inteligente, enumerate la 1.4. Gradul de inteligen al traductorului este determinat, att de inteligena metodei de msurare adoptate ct i de inteligena sistemului care asigur derularea automat a procesului de msurare.

16

17 Inteligena se materializeaz att prin diverse funcii implementate prin echipamente, ct mai ales prin algoritmul sau programul de aplicaie executat de o structur programabil.

2.2. Structuri de traductoare inteligenten figura 2.2.1 se prezint schema unui model de traductor inteligent cu structur neprogramabil. Principalele blocuri/module componente sunt urmtoarele: Blocul senzorilor, BS, alctuit din senzorul mrimii principale i din senzorul/senzorii mrimilor secundare, care influeneaz rezultatul msurrii; Blocul de conversie i adaptare, BCA, care se mai numete i blocul de condiionare a semnalelor date de BS. Acesta convertete/ adapteaz semnalele date de BS astfel nct acestea s fie acceptate de CAN. Convertorul analog numeric, CAN, care are rolul de a converti semnalele analogice date de BCA n semnale numerice. Blocul de prelucrare secundar a semnalelor numerice, BPSN, care determin semnalul final al traductorului inteligent pe baza unui algoritm prestabilit. Sgeata de interdependen dintre BS, BCA, CAN i BPSN indic posibilitatea modificrii configuraiei acestor blocuri n funcie de condiiile i scopul msurrii. Interfaa de comunicaie cu exteriorul, ICM, prin intermediul unei magistrale standard externe MSE. Blocul de alimentare i referine, BAR, alctuit din sursele de alimentare ale circuitelor electronice ale traductorului precum i din surse de semnal etalon de referin pentru CAN .a. Dac semnalul aplicat la intrarea CAN este liniar dependent de mrimea msurat odat cu conversia analog-numeric se realizeaz de fapt i msurarea, iar semnalul de la ieirea BPSN este purttor al rezultatului msurrii. Acest semnal urmeaz a fi folosit pentru afiarea rezultatului msurrii i/sau n alte scopuri.Mrime Mrimi de principal influen

BS BCA CAN BPSN ICM MSE 17

BAR

18 Fig. 2.2.1. Schema bloc a unui traductor inteligent. n figura 2.2.2 se prezint un model de traductor inteligent mai evoluat, dotat cu microprocesor. n afar de BS, BCA i CAN, care au aceleai roluri ca i n schema precedent, n aceast schem sunt prezente i urmtoarele elemente: Unitatea central de prelucrare, UCP, alctuit dintr-un microprocesor, numit i controler, care poate ndeplini o mulime de funcii programabile, legate de elaborarea semnalului de ieire al traductorului. Acesta dispune de un modul de memorie propriu MM, pentru memorare de date i programe. Controlerul nu are o consol de operare proprie, dar poate fi conectat la un comunicator de cmp inteligent prin intermediul cruia pot fi executate n condiii de exploatare sau n atelierul metrologic o serie de operaii precum, calibrarea, reconfigurarea .a. Multiplexorul analogic, MUXA; Blocul de acionare asupra senzorilor, BAS; Blocul de comand a conversiei/adaptrii, BCA, Blocul de autotestare a funcionalitii blocurilor,BAT; Blocul de comand a multiplexorului, BCM; Blocul de comand a convertorului analog-numeric, BCC. MI BAS BCA BAT BCM BCC

BS

BCA

MUXA

CAN

UCP ME

MM

Fig. 2.2.2. Schema bloc a unui traductor inteligent dotat cu microprocesor. O astfel de structur permite prelevarea i msurarea mai multor mrimi independente prin multiplexare n timp (multimetru) sau msurarea unor mrimi calculate, dependente de dou sau mai multe mrimi primare prelevate prin senzori. Dup cum se observ un traductor inteligent ca cel din figura 2.2.2 dispune de resursele necesare pentru realizarea urmtoarelor funcii: configurare, comunicare, prelevare, conversie validare s.a. Funcia de configurare/reconfigurare a structurii traductorului inteligent const n alegerea i conectarea ntre ele a echipamentelor care fac posibil transpunerea pe semnalul de ieire a mrimii/mrimilor de intrare dorite. Modificarea configurrilor poate fi realizat de la o consol portativ autonom sau telecomandat i vizeaz: conectarea pe rnd a senzorilor; stabilirea/schimbarea domeniului de msurare; stabilirea/schimbarea frecvenei de eantionare, .a. Funcia de comunicare asigur comunicarea ntre blocurile componente ale traductorului i ntre acesta i mediul exterior. Prin canalele de comunicaie care se formeaz se realizeaz un schimb bidirecional de informaie ntre componentele

18

19 traductorului i ntre acesta i mediul exterior. n acest scop traductorul inteligent decodific instruciunile i mesajele primite din exterior i emite comenzi interne n vederea executrii operaiei cerute de utilizator. Deoarece componentele inteligente opereaz cu timpi de eantionare diferii este necesar ca informaiile livrate de traductor s fie datate, adic parametrul timp al acestuia s fie integrat n sistemul su de analiz. Aceast funcie se realizeaz de ctre ceasul intern al traductorului care trebuie sincronizat cu ceasul sistemului din care face parte traductorul. Funcia de prelevare i prelucrare primar vizeaz aspectele metrologice i cele de prelevare a semnalelor asociate mrimii msurate. Este vorba de obinerea unor date valide din prelevri auxiliare. n acest scop se ine seama de mrimile de influen cu ajutorul unor modele matematice mai mult sau mai puin sofisticate sau de diferite neliniariti ce caracterizeaz interaciunea mrime de msurat-senzor. n funcia de prelevare/prelucrare se ncadreaz i evaluarea erorilor de msurare precum i compensarea acestor erori, fie prin intermediul unor echipamente, fie prin intermediul programelor. Pentru mbuntirea calitii msurrii se recomand ca operaia de conversie analog-numeric s fie realizat la nivelul traductorului pentru a evita transmiterea mrimii msurate pe semnale analogic care sunt mai vulnerabile la factori perturbatori, precum i la filtrare numeric, mult mai eficace dect filtrarea analogic. Funcia de validare vizeaz acele msuri menite s asigure credibilitatea rezultatelor msurrii prin operaii secundare, adesea destul de complicate. Este vorba de analiza i verificarea modului i condiiilor n care realizeaz funcia de prelevare-prelucrare primar de exemplu integritatea i continuitatea lanului de msurare.

Traductorul inteligent ST 3000Traductorul inteligent cu transmiter ST 3000 este produs de compania Honeywell ntr-o varietate de modele pentru msurri de presiune: presiune diferenial, presiune relativ i presiune absolut. Acesta transpune presiunea msurat pe semnal de ieire analogic liniar I = 420 mA, precum i pe semnal numeric pentru comunicaie numeric cu sistemul TPS, Allen-Bradley PLC i alte sisteme de control.

p

SPD

MM Ie=420 mA

p

SP

MUX A

CAN

MP

CNA

T

STFig. 2.2.3. Schema bloc simplificat a traductorului inteligent ST 3000 n mod de operare analogic.

19

20

n afar de presiune, traductorul transpune pe semnal i temperatura cmpului de msurat ca o variabil secundar care este accesibil numai ca parametru de citit prin intermediul comunicatorului de cmp inteligent (Smart Field Communicator, SFC) cnd traductorul funcioneaz n mod analog Schema bloc simplificat a acestui tip de traductor este prezentat n figura 2.2.3 n care se pstreaz aceleai simboluri ca i n schemele precedente. Configurarea, monitorizarea, verificarea metrologic, schimbarea modului de operare (analogi/numeric) se face cu ajutorul comunicatorului de cmp inteligent SFC, care servete ca o interfa de comunicaie cu toate traductoarele firmei Honeywell Acest aparat se poate conecta cu orice tip de traductor prin intermediul unui port serial, iar comunicaia se face dup principiul cerere-rspuns. Cererea este adresat microprocesorului, iar rspunsul este dat de acesta figura 2.2.4.Cerere

ST 3000

420mA Raspuns

SFC

SA i receptor

Fig. 2.2.4. Comunicaia prin SFC. Prin intermediul SFC pot fi realizate urmtoarele funcii: Configurarea traductorului pe baza introducerii parametrilor de operare ai acestuia i anume: - domeniul de msurare; - conformitatea ieirilor; - alocarea de adrese de identificare; - afiarea presiunii de intrare n diferite uniti de msur inginereti i n procente; - schimbarea modului de operare: mod analogic i mod numeric; - verificarea condiiilor n care se fac msurrile pentru a diagnostica i afia eventuale erori i defeciuni prin mesaje corespunztoare.

2.3. Traductoare piezoelectrice i piezorezistive2.3.1. Consideraiuni preliminariiEfectul piezoelectric. Efectul piezoelectric este definit ca interaciunea, dintre efortul mecanic i cmpul /sarcinile electrice, care are loc n anumite materiale cristaline fr centru de simetrie. El poate fi direct sau invers. n primul caz este vorba de producerea de sarcini electrice sau de potenial electric de ctre cristal ca efect al unei solicitri mecanice, (tensiune, for, oc), sau al unei deformri mecanice. n al doilea caz aplicarea unui cmp asupra cristalului produce o deformare reversibil a acestuia din urm sau un efort proporional cu cmpul electric aplicat. ntre deformaia D, cmpul electric E i efortul mecanic F exist o relaie de interdependen:

20

21

D = E +d F , unde este constanta dielectric a cristalului iar d este constanta piezoelectric a acestuia. D i E sunt vectori, este tensor de ordinul doi, d este tensor de ordinul trei, iar F este tensor de ordinul patru. Aceste mrimi conduc la concluzia c proprietile piezoelectrice sunt anizotropice i c cei doi coeficieni i d sunt determinai de simetria cristalului. n principiu n traductoarele piezoelectrice se speculeaz efectul piezoelectric direct. Aceste dispozitive se folosesc pentru msurarea presiunilor eforturilor i ocurilor i au n componen urmtoarele elemente de baz: - senzorul piezoelectric; - circuitul pentru amplificarea sarcinilor electrice i pentru formarea unui semnal de ieire sub form de tensiune sau curent; - opional circuit pentru conversie analog-numeric a semnalului de ieire. Pentru msurarea semnalului de ieire traductorul se conecteaz la un aparat de msurare i afiare/nregistrare cu impedana de intrare foarte mare. Cristalul piezoelectric genereaz sarcini electrice numai cnd se aplic sau se ndeprteaz aciunea mecanic. La solicitari statice aceste sarcini se pierd prin disipere relativ repede. Rata de ncarcare-descarcare a acestora este exponenial. Aceast particularitate face ca senzorii piezoelectrici s fie folosii ndeosebi n msurarea mrimilor care au variaii mari i brute. Totui prin msuri adecvate se pot obine senzori ce pot fi folositi i pentru msurarea mrimilor relativ lent variabile. Materiale piezoelectrice. Caracteristicile i performanele senzorilor piezoelectrici sunt determinate n principal de natura i dimensiunile cristalului folosit. Cel mai uzual cristal este quarul. Acesta este foarte stabil, are rezisten mecanic mare, poate fi folosit la temperaturi de pn la 400 C, este relativ ieftin. Principalul lui neajuns este sensibilitatea relativ mic fa de alte materiale descoperite mai recent. Turmalita are sensibilitate mai mic dect quarul ns poate lucra pn la 600 C. Niobat de litiu i tantalat de litiu au sensibiliti relativ mai mari dar au rezisten de izolare mici ceea ce limiteaz folosirea lor numai la msurri dinamice. Cristalele de CGC (Ca3, Ga2, Ge4, O14 ) au sensibilitate i stabilitate mai bun dect quarul chiar i la temperaturi nalte. Ortofosfatul de galiu are aceeai structur ca i quarul dar are sensibilitate de trei ori mai mare i constant pn la 500 C. Piezoceramicele de tip PZT i de plumb au sensibilitate de pn la 100 ori mai mare dect quarul, dar au o slab liniaritate. Piezoceramica pe baz de bismut i titan au sensibilitate de pn la 10 ori mai mare dect quarul i temperatura limit de folosire 600 C. Pregtirea cristalelor piezoelectrice. Pentru a obine un efect piezoelectric direct, cristalele sunt prelucrate n mod adecvat pentru a obine un efect de suprafa sau unul de volum. Dac din cristal se taie lamele/rondele perpendiculare pe axa mecanic de aplicare a efortului F , se obine un efect longitudinal, deoarece sarcinile Q apar pe 21

22 feele cristalului, aa cum se vede n fig. 2.3.1. n acest caz sensibilitatea senzorului este determinat de coeficientul piezoelectric longitudinal d L i de efortul F , conform relaiei: Q = dL F

a)

b)

c)

Fig. 2.3.1. Tipuri de cristale piezo-electrice : a) Cu efect longitudinal; b) Cu efect transversal; c) Cu efect de volum. Dac din cristal se taie o lamel din acelai plan cu efortul F se obine un senzor cu efect transversal, deoarece sarcinile Q apar pe feele perpendiculare pe direcia efortului F (nu pe aceeai direcie). n consecin sensibilitatea este determinat de coeficientul piezoelectric transversal dT i de raportul dintre aria AQ de colectare a sarcinilor i aria AF pe care se exercit efortul, adic: Q = dT F AQ AF = dT F l

g

unde l este lungimea, iar g - grosimea lamelei. Senzorii cu efect piezoelectric transversal au o sensibilitate dependent de factorul l g , prin urmare sensibilitatea poate fi mrit prin micorarea grosimii i mririi lungimii de prelevare a sarcinilor. Dac lungimea, limea i grosimea cristalului piezoelectric sunt de mrimi comparabile se obine un cristal cu efect de de volum, la care efortul se aplic pe toate feele acestuia iar sarcinile se prelev numai dup o pereche de fee, aa cum se arat n fig. 2.3.1,c. n acest caz sensibilitatea senzorului este dat de relaia: Q = (d L p + 2 dT p ) AQ = d n p AQ unde d n este coeficientul piezoelectric hidrostatic. Senzorii cu efect de volum sunt folosii pentru msurarea undelor de oc, n structura hidrofoanelor .a. unde direcia de propagare a undelor de presiune nu este cunoscut.

22

23

2.3.2. Construcia senzorilor piezoelectriciTraductoarele piezoelectrice de presiune, de efort, de acceleraie i de oc au n general o construcie asemntoare i sunt alctuite din urmtoarele pri componente: - corpul senzorului care cuprinde elementul piezoelectric; - elementele de prelevare a sarcinilor electrice; - conectorul la circuitul electronic; - diafragma separatoare de mediul ambient; - circuitul electronic de amplificare i formare a semnalului electric de ieire de regul, o tensiune sau curent electric standard. Construcia senzorilor piezoelectrici. n fig. 2.3.2, a. este prezentat o schem a unui senzor cu cristal piezoelectric cu efect longitudinal, iar n fig. 2.3.2, b. schema unuia cu efect transversal. Principalele pri componente ale acestora sunt urmtoarele: Corpul C, de regul metalic, are rolul de a ncorpora si proteja cristalul piezoelectric fata de actiuni mecanice si chimice nedorite Dup caz el este prevzut cu mijloace de montare la un punct de msurare i cu conector i cablu de legtur cu circuitul electronic. Cristalul piezoelectric al senzorului, din fig. 2.3.2, a. este alctuit din trei rondele/discuri cu diametru de 6-12 mm, iar cel din fig. 2.3.2.b, este alctuit din segmente longitudinale de cilindru. Rondelele i segmentele de cilindru se monteaz n paralel, astfel ca suprafeele de pe care se prelev sarcinile electrice s se nsumeze. Feele rondelelor cu aceeai polaritate se monteaz fa n fa, iar ntre ele se monteaz lamele colectoare de sarcini; una pentru sarcinile negative, care sunt conduse la corpul C iar cea pentru sarcinile pozitive, care sunt conduse la borna +, prin intermediul unui conductor central. La senzorii din fig. 2.3.2, b sarcinile pozitive sunt colectate de un resort elicoidal. Diafragma D are rolul de izolare a cristalului fa de mediul furnizor de presiune i de a converti presiunea n efort mecanic, aplicat pe feele active ale cristalului. Ea se confecioneaz din materiale metalice flexibile i rezistibile la aciunea mediului cu care vine n contact. n majoritatea cazurilor ea se sudeaz la corp. De reinut c durabilitatea i ali indicatori de calitate ai senzorilor sunt n mare msur determinai de calitatea diafragmei. Pentru compensarea deformaiei cristalului datorit efectelor termice senzorii sunt prevzui cu inele de compensare, iar pentru compensarea efectelor induse de vibraii i acceleraii parazite, care se manifest ndeosebi pe direcia axial i la presiuni mici, senzorii sunt prevzui cu mase seismice de compensare, precum i cu un inel secundar din acelai material piezoelectric ca i cel principal, dar montat n opoziie cu acesta. n principiu senzorii piezoelectrici au o construcie asemntoare dar cu unele adoptri pentru corespunde ct mai bine scopului pentru care sunt creai. Astfel exist senzori de presiune, efort sau ocuri cu ambele borne izolate fa de mas, senzorii pentru msurarea presiunii in camerele de ardere ale motoarelor cu explozie, senzori pentru msurarea presiunii la armele de foc, senzori pentru msurarea presiunii la masinile de injectat mase plastice s a.. 23

24

Fig. 2.3.2. Senzori piezoelectrici de presiune: a) Cu efect longitudinal; b) Cu efect transversal.

2.3.3. Circuite electronice aferentePentru amplificarea sarcinilor produse de efectele mecanice se folosesc amplificatoare de sarcini sau convertoare de impedan. Amplificatorul de sarcini electrice este n principiu un amplificator de tensiune cu factor de amplificare i impedan de intrare foarte mari, configurat ca un integrator. Schema electric echivalent a unui astfel de circuit este prezentat n fig. 2.3.3. Senzorul piezoelectric cu care este conectat este considerat ca o surs de sarcini electrice n paralel cu condensatorul C S (de 10 pF 100 nF) i cu rezistorul RS (de 1 100 G). Cablul de legtur i conectorul sunt modelate prin condensatorul CC i rezistorul RC iar amplificatorul este alctuit din amplificatorul diferenial AO cu reacie prin rezistorul RA i condensatorul C A care i confer funcia de amplificare i integrare. ntreruptorul I servete la punerea pe zero a semnalului de ieire U e . Convertorul de impedan. Funcia de amplificare i formare a semnalului de ieire U e poate fi realizat i de ctre un convertor de impedan, denumit i electrometru, a crui schem este prezentat n fig. 2.3.4. Senzorul i cablul de conexiune sunt reprezentate ca i n figura precedent. Electrometrul este constituit dintr-un MOSFET cu rezisten de intrare de peste 100 T i cureni de pierderi foarte mici, cuplat direct cu un tranzistor bipolar cu factor de amplificare egal cu 1 i cu rezisten de intrare de 100 . Cuplorul de ieire al electrometrului este modelat ca o surs de curent constant de 4 mA cuplat cu condensatorul C g care decupleaz semnalul de ieire de semnalul de zero al aparatului.

24

25 Spre deosebire de amplificatoarele de sarcini, tensiunea de ieire a electrometrului depinde de impedana total de intrare conform relaiei: Q C S + CC + C A + C g Dei amplificatoarele de sarcini sunt mai flexibile i semnalul lor de ieire nu este influenat de impedana de intrare oferind posibilitatea conectrii cu senzori diferii, convertoarele de impedan au totui utilizri largi n sistemele realizate cu circuite integrate . Pentru reducerea zgomotului de fond se evit circuitele care au o born la mas recurgndu-se la circuite difereniale cu ambele borne izolate fa de mas. Ue =

Fig. 2.3.3. Schema echivalent a amplificatorului de sarcini

Fig. 2.3.4. Schema echivalent a convertorului de impedan

2.3.4. Traductoare piezorezistiveConstrucie. Traductoarele piezoreziztive au senzorii fabricai din siliciu dup tehnologii folosite n fabricarea componentelor semiconductoare sub form de circuite integrate i se folosesc pentru msurarea mrimilor mecanice precum presiunea, ocurile, acceleraiile, vibraiile .a. Senzorii de presiune au elementul sensibil confecionat dintr-o plcu de siliciu sub form de diafragm circular subire avnd patru piezorezistori implantai simetric pe o suprafa a acesteia - fig.2.3.5. Sub efectul unei diferene de presiune diafragma se deformeaz elastic, inducnd n ea o stare de tensiune mecanic ce

25

26 duce la modificarea rezistenei celor patru piezorezistori. Cu ajutorul unei puni de msurare aceast modificare a rezistenei este transpus pe semnal electric tensiune, dependent de presiune. fig. 2.3.5. Prima faz n realizarea senzorilor piezorezistivi const n implantarea de ioni n membrana de siliciu n vederea mbuntirii performanelor dup care diafragma se creeaz prin gravarea chimic a unei configuraii speciale pe cealalt parte a acesteia (partea opus piezorezistorilor). Forma gravat a diafragmei asigur o rigiditate pe contur a acesteia precum i posibilitatea montrii concentrice. Sensibilitatea diafragmei este dependent de grosimea ei i descrete cu creterea acesteia, dar nu liniar. De exemplu dublarea grosimii duce la reducerea sensibilitii de patru ori. Grosimile uzuale sunt cuprinse ntre 5 i 200 microni n funcie de domeniul de msurare. Pentru msurarea rezistenei senzorilor i pentru conversia rezistenei acestora n tensiune senzorii se conecteaz la o punte de msurare. Diferena de potenial U e , prelevat de pe diagonala de msur a punii constituie semnal de ieire asociat presiunii P (msura acesteia) sau efortului aplicat pe diafragm i este exprimat de relaia : U e = U a s p U e0 unde Ua este tensiunea de alimentare a punii, s este sensibilitatea acesteia, iar U e 0 este tensiunea de ieire pentru p = 0 . Din nefericire semnalul de ieire U e este afectat de temperatur i de ali factori perturbatori. De aceea fabricanii ofer variante de senzori cu circuite electronice complementare de condiionare a acestui semnal, care s asigure compensarea efectelor perturbatoare i o calibrare precis. Tipuri de senzori piezorezistivi. Tipurile de senzori piezorezistivi sunt definite de tipul de presiune pe care o msoar: presiune diferenial, presiune absolut, presiune supraatmosferic sau vid. n consecin un tip de senzor este definit de modul n care presiunea de msurat acioneaz asupra diafragmei. n principiu senzorii cu diafragm sunt senzori de presiune diferenial pentru c aceasta este supus unor presiuni aplicate pe ambele fee, dar exist particulariti determinate de tipul de presiune de msurat. Astfel, n fig. 2.3.6, a este artat modul de solicitare a diafragmei i carcateristica de transfer a unui senzor de presiune diferenial, p = p1 p2 , care este un senzor cu camer deschis, cele dou presiuni p1 i p2 fiind prelevate din locuri diferite. Puntea de msurare a rezistenei elementelor sensibile este astfel conceput i elaborat nct la p = 0 , adic la limita de jos a domeniului de msurare s dea semnalul Uem. Dac pe una din feele diafragmei se aplic presiunea atmosferic p0 iar pe cealalt fa se aplic presiunea p traductorul pune n eviden de fapt suprapresiunea fa de presiunea atmosferic, adic ceea ce n mod uzual numim presiune. n fig.2.3.6,b este prezentat modul de solicitare a diafragmei i caracteristica de transfer a acestui tip de traductori. n acest caz U em se obine cnd p = p0 iar U M se obine cnd p = pM . n cazul msurrii presiunii absolute presiunea de referin este vidul total. Prin urmare una din feele diafragmei este supus aciunii vidului total dintr-o

26

27 camer nchis, iar cealalt este supus aciunii presiunii de msurat aa cum se vede n fig. 2.3.6,c. n acest fel o presiune absolut de 0,3 bar reprezint o presiune de 0,3 bar fa de vidul total i implicit o depresiune de 1-0,3 =0,7 bar fa de presiunea atmosferic. Limita superioar de msurare a presiunii absolute poate fi mai mare dect presiunea atmosferic i n acest caz panta caracteristicii de transfer este mai mic. Un senzor de vacum mijlocete o msurare a presiunii n care vidul (depresiunea) se raporteaz la presiunea atmosferic. Modul de solicitare a diafragmei i caracteristica de transfer ale acestui tip de senzor sunt prezentate n fig. 2.3.6,d.

a) Fig. 2.3.5. Traductor piezorezistiv: a) Plcu cu senzori piezorezistivi; b) Puntea cu senzori.

b)

Fig. 2.3.6. Tipuri de senzori piezorezistivi: De presiune diferenial; b) de suprapresiune;c) de presiune absolut; d) de vid. Scheme de msurare. Msurarea variaiilor de rezisten R, care sunt n general mici, se realizeaz cu ajutorul punilor de msurare, deoarece acestea pot elimina influena temperaturii mediului asupra senzorilor i ofer ca semnal de ieire o tensiune electric U e .

27

28 Pentru a obine o sensibilitate maxim a punii este necesar ca pe braele acesteia s se conecteze rezistene de aceeai valoare, adic n regim echilibrat relaxat cnd R=0, U e = 0 . Conectarea senzorilor piezoelectrici la braele punii se poate face n urmtoarele moduri: Cu un senzor i trei rezistori cu rezisten fix montaj n sfert de punte; Cu doi senzori i doi rezistori (montaj n semipunte) n dou variante: Cu senzorii pe brae opuse, dac ambii au variaii de acelai sens; Cu senzorii pe brae adiacente, dac acetia au variaii diferite; unul cu R+R, iar celalalt, cu R- R ; Cu patru senzori pe toate cele patru brae: doi cte doi senzori cu aceeai variaie de rezisten conectai pe brae opuse montaj n punte total aa cum se arat n fig. 2.3.7. n regim relaxat, cnd x=0, puntea este echilibrat iar U e = 0 . Cnd apare solicitarea mecanic apare i variaia de rezisten R, puntea se dezechilibreaz i furnizeaz o tensiune U e 0 , aa cum se arat n tabelul 2.3.1. Pentru oricare din cele patru montaje prezentate n fig. 2.3.7. relaia dintre U e i rezistenele braelor (n ipoteza c rezistena intern a sursei de tensiune este nul iar rezistena intern a voltmetrului este infinit) este urmtoarea: R1 R3 R2 R4 Ue = ( R1 + R2 ) ( R3 + R4 ) Din analiza acestei formule se deduce c relaia dintre U e i rezistenele braelor este liniar n cazul montajului n punte total i al montajului n semipunte cu ambele tipuri de variaie a rezistenei (+R i -R) i este neliniar n celelalte cazuri.

R1U

R2 Ue R2+R2

R1 +R1U

R2 Ue R3 +R3

R4

R4

R1U

R2 -R2 Ue R3+R3

R1 +R1U

R2 -R2 Ue R3 +R3

R4

R4 -R4

Fig. 2.3.7. Punti de masurare piezoelectrice. 28

29 Tabelul 2.3.1. Caracteristici ale traductoarelor piezoelectrice Doi senzori pe brae Doi senzori Un senzor opuse pe brae adiacente Tensiunea U R U R U R Ue = Ue = Ue = de ieire 2 R 4 R + R 2 R + R 2 Ue 2 = 0,5% / % = 0,5% / % Eroare de 0 liniaritate Puni de msurare cu amplificare Tensiunea de ieire (dezechilibru) a oricrei puni poate fi amplificat cu ajutorul unui amplificator A, aa cum se arat n fig. 2.3.8. Acest circuit produce o oarecare dezechilibrare a punii datorit curentului de polarizare a acestuia i nu nltur neliniaritatea punii. De reinut c rezistorul conectat la borna reinversoare nu este legat la mas, ci la tensiunea U 2 pentru a putea amplifica att variaiile pozitive ct i pe cele negative.

Patru senzori U R Ue = R 0

Fig. 2.3.8. Punte cu un senzor i cu amplificator

Puni cu dispozitive de liniarizare Este important s se disting neliniaritile punii de neliniaritile senzorilor legai la punte. Exist mai multe posibiliti de liniarizare a punilor i anume : Prin variaii mici ale rezistenei senzorilor;Prin introducerea unor dispozitive compensatoare pe unul sau pe mai multe brae ale punii sa. n fig 2.3.9. este prezentat un montaj cu amplificator care produce un nul forat i adaug/scade o tensiune pe braul cu senzori. Aceast tensiune este egal n mrime i de semn opus cu variaia tensiunii din senzor i este liniar n raport cu aceasta. Un astfel de montaj asigur un ctig de dou ori mai mare dect varianta standard cu un singur senzor i liniaritate chiar i la variaii R mari, dar are semnal de ieire relativ slab i de aeea el ar trebui completat cu un amplificator.

29

30

Fig. 2.3.9. Punte liniarizat: a) avnd un singur senzor; b) cu doi senzori. Puni cu senzori la distan Dac senzorii rezistivi se afl un alt loc fa de locaia punii conductorii de legtur a senzorilor la punte produc efecte/erori datorit variaiei parametrilor mediului dintre punte i senzori.

Fig. 2.3.10. Montajul Kelvin cu patru fire. Dac la punte se leag un singur senzor soluia cea mai bun const n legarea senzorului la punte nu cu doi conductori, ci cu trei conductori. Unul din conductori este legat la un bra al punii, unul este legat la braul adiacent la primul iar al treilea conductor constituie prelungirea diagonalei de alimentare pn la senzor. n acest fel influena mediului se manifest egal i cu sensuri opuse pe cele dou brae adiacente, lsnd puntea neafectat. Dac puntea conine doi sau patru senzori la distan se recurge la soluii speciale de meninere a preciziei acesteia prin legarea senzorilor la punte prin patru sau chiar sase conductori. Una din solutii este prezentata in Fig. 2.3.10.

30

31

2.4. Traductoare fotoelectronice 2.4.1. Consideraiuni generaleRadiaiile electromagnetice sunt purttoare de energie dar sunt i purttoare de informaie privind nivelul energetic la care se afl corpul emitent i structura i compoziia chimic a acestuia. Prin urmare traductoarele fotoelectronice pot fi folosite pentru msurarea temperaturii, pentru determinarea compoziiei chimice a substanelor, pentru determinarea suspensiilor solide n lichide sau gaze .a. Informaia n cauz poate fi pus n eviden de ctre un senzor/traductor adecvat, care pe baza unui anumit efect al radiaiilor asupra lui, produce un semnal de ieire dependent de componena spectrului de radiaii recepionate, sau numai de anumite lungimi de und ale radiaiei din care, pe baza legilor radiaiilor se deduce temperatura i compoziia chimic a corpului emitent. Sub influena radiaiilor electromagnetice un senzor/traductor poate reaciona, dup caz, prin generarea unei tensiuni sau sarcini electrice dependente de intensitatea radiaiilor i de lungimile de und ale acestora, sau prin modificarea valorii unui parametru de baz al acestuia, precum rezistena electric, culoarea .a. Semnalul de ieire produs de radiaii asupra senzorului se obine fr ca senzorul s fie n contact direct cu corpul emitent, adic preluarea de informaie se face de la distan chiar i cnd corpul int se afl n micare, ceea ce constituie un avantaj remarcabil. De reamintit c n conformitate cu teoria modern a fizicii cuantice radiaiile sunt produse de fotoni, care se propag cu o vitez c=3106 km/ss, care au o lungime de und i o frecven = 2c/, fiecare foton dispunnd de o energie E = hc/, h fiind constanta lui Planck egal cu 6,6710-34 Js. Prin urmare ntre energia E i lungimea de und exist o relaie de dependen pe care poate fi fundamentat concepia unui senzor / traductor fotoelectronic. Exist o mare varietate de senzori / traductoare fotoelectronice care pot fi clasificai dup numeroase criterii. Pentru nceput vom ncadra aceste dispozitive n trei categorii: Senzori / traductoare cuantice; Senzori / traductoare fototermice; Senzori / traductoare analitice complexe sau combinate. n cele ce urmeaz prezentm trsturile eseniale ale acestor dispozitive.

2.4.2. Senzori cuanticin cazul senzorilor/traductoarelor cunatici fotonii incideni sunt absorbii de un material semiconductor i fiecare foton absorbit elibereaz un electron din reeaua semiconductorului numai dac acesta dispune de un potenial energetic suficient de mare. Electronii eliberai se mic liber, dar cu ajutorul unui cmp electric cu care se polarizeaz senzorul acetia formeaz un curent fotoelectronic dependent de intensitatea radiaiilor, adic dependent de nivelul energetic la care se afl corpul emitent. Semnalul de ieire astfel obinut fiind slab, este amplificat i condiionat pentru a putea fi aplicat la intrarea echipamentelor de msurare standardizate.

31

32

Tipuri de senzori cuantici Senzori /traductoare fotoelectronice monocanalCei mai uzuali senzori fotoelectronici monocanal sunt fotorezistoarele ,fotodiodele, fototranzistoarele, fotomultiplicatorii electronici s.a. Fotorezistorul este cel mai simplu senzor fotosensibil, care are proprietate de a-i modula rezistena electric n funcie de intensitatea radiaiilor incidente si anume, rezistenta sa scade cu creterea intensitii fluxului, datorit generrii unui numar sporit de perechi electron-gol, care mresc conductibilitatea electric a fototranzistorului. In principiu, un fotorezistor este alctuit dintr-un suport de sticl, SS, sau alt material transparent pe care este depus prin procedee speciale, un strat fin de material semiconductor fotosensibil, sulfur de plumb, sulfur de cadmiu, .a. Pentru a putea fi conectat n circuite electronice de alimentare fotorezistorul este prevzut cu plcue sau fire terminale, PT, de pe care se poate preleva o cdere de tensiune dependent de intensitatea fluxului incident figura 2.4.1. i PT

SS SF Fig. 2.4.1. Structura unui fotorezistor Fotodioda este un dispozitiv semiconductor de tip ventil comandat prin flux de radiaii (lumin). Este alctuit dintr-o jonciune p-n fotosensibil, prevzut cu terminale (fire) pentru conectare n circuite electrice. Dac este polarizat pe sensul de conducie lucreaz ca un conductor, iar pe sensul invers genereaz un curent comandat de fluxul de radiaii incidente figura 2.4.2. A pn C IAC

+ A UAC C c)

0 1 2

a)

b) Fig. 2.4.2. Fotodioda; a) Structur; b) Caracteristica IAC = f(); c) Simbol.

Cnd un foton este absorbit de o diod acesta elibereaz un electron care poate trece peste bariera de potenial a semiconductorului i poate genera un curent electronic numai dac are o energie mai mare dect cea necesar depirii acestei bariere. Din aceast cauz se spune c o fotodiod are o lungime de und de tiere specific, n sensul c fotonii cu lungime de und mai mare dect lungimea de tiere nu vor trece de barier pe cnd cei cu lungimea de und mai mic vor depi bariera i vor forma un fotocurent dependent de intensitatea radiaiilor recepionate. n cadrul tradcutoarelor fotoelectronice diodele pot fi folosite ntr-un montaj fotovoltaic sau ntr-unul fotoconductiv. 32

33 n montaj fotovoltaic dioda este inclus ntr-un circuit de conversie i amplificare ca cel din figura 2.4.3. Sub efectul fluxului de radiaii dioda produce o tensiune care este amplificat de ctre amplificatorul A si care furnizeaz tensiunea de ieire Ue.Cr + A Ri R1 R2 Rc Rr Ue Ue FD

FD

+ A -

a)

b)

Fig.2.4.3. Senzori cuantici cu fotodiode: a) Montaj fotovoltaic; b) Montaj fotoconductiv ntr-un astfel de montaj nu are loc o depolarizare a diodei i n consecin nu exist pierderi de curent n diod. Din aceste considerente aceste montaje se recomand pentru aplicaii de precizie. Acest montaj are ns un rspuns relativ lent deoarece sarcinile generate trebuie s ncarce capacitatea diodei. n montajul fotoconductiv dioda este polarizat i ncadrat ntr-un circuit electronic ca cel din figura 2.4.3.,b. Aici fotocurentul diodei de ordinul nano sau microamperilor este convertit n tensiune electric de ctre rezistorul RC, iar tensiunea este amplificat de amplificatorul A cu reacie negativ prin Rr i Cr. Principalul avantaj al acestui montaj const n faptul c polarizarea aplicat diminueaz efectul capacitii diodei i astfel se obine un rspuns mai rapid. Din nefericire polarizarea prodce scurgeri de curent care devin suprtoare la limita de jos a domeniului de lucru.

Diode laser acordabileDiodele laser acordabile, DLA, sunt dispozitive semiconductoare alctuite din cristale de arseniu i galiu, care atunci cnd sunt strbtute de un curent electric emit raze laser foarte pure din spectrul infrarou inferior, raze ce pot fi transmise la distan prin cabluri de fibre optice. Lungimea de und a rezei laser emis de o DLA este determinat de proporia tipurilor de cristale din componena acesteia. Rezult deci c prin alegerea adecvat a compoziiei chimice a DLA se pot realiza diode care s emit raze laser cu lungimi de und dorite. n limite relativ restrnse lungimea de und a razelor laser este dependent i de curentul diodei. Prin urmare o DLA poate emite raze laser cu lungimi de und dependente de compoziia chimic a acesteia, dar i de curentul electric ce o strbate, comportndu-se ca un generator de raze laser cu lungime de und comandat de curent. Alegnd n mod corespunztor un domeniu de variaie a curentului diodei i variind liniar cresctor acest curent n limitele domeniului ales, dioda va emite periodic raze laser cu lungimi de und cuprinse n acel domeniu. Fototranzistorul este un dispozitiv semiconductor cu trei electrozi, care ofer posibilitatea obinerii unui semnal de ieire comandat de fluxul fotonic mult 33

34 mai puternic decit cel dat de fotodiode. Aici fotocurentul obinut n baz comand curentul colector emitor, care este mai mare dect curentul bazei fig. 2.4.4. IC E 2 1 0 5V C

a)

UCE ICE 2>1> C C b)0 Fig. 2.4.4. Fototranzistorul ; a) structura; b) caracteristica IC =f(, UCE); c) simbol.

Ue c)

Cea mai uoar cale de detecie a curentului colector-emitor const n utilizarea unui rezistor pe care are loc o cdere de tensiune dependent de acest curent. Fotodiodele i fototranzistoarele se fabric ntr-o mare varietate de dimensiuni la preuri convenabile. Ele au numeroase aplicaii n aparatura de analiz i msurare fotoelectronic. Cele mai multe fotodiode i fototranzistoare au vrful de sensibilitate n domeniul infrarou apropiat, cu lungimi de und de 900-1000 nm. Aceast localizare a sensibilitii maxime este datorat bandei de energie a siliciului din care sunt fabricate fotoelectronicele. Exist ns o mulime de alte materiale folosite n acest scop. n alegerea dispozitivelor fotoelectronice trebuie s se in seama i de efectul termic ce are loc n acestea. Energia generat de procesele termice este determinat de termodinamica dispozitivului i de temperatura acestuia. Creterea temperaturii are ca efect o cretere a numrului de purttori termici generai. Astfel dispozitivele fabricate din siliciu funcioneaz bine la temperatura camerei dar la temperaturi mai mari de 1000C produc un curent de ntuneric destul de nmare. Senzorii fabricai din alte materiale dect siliciu au lungimi de und de tere mai mari, dar necesit rciri sub temperatura camerei. Prin urmare ce se ctig n domeniul sensibilitate se pltete prin asigurarea rcirii. Un interes deosebit prezint dispozitivele fotoelectronice cu lungimi de und de tere de 10-20m care ofer posibilitatea vizualizrii imaginilor n infrarou pe timp de noapte sau pe ntuneric. Este dovedit c vrful spectrului infrarou pentru obiecte la temperatura camerei se afl n aceast regiune i n consecin contrastul maxim n detecia termic se obine cu dispozitive avnd maximum de sensibilitate n aceast regiune. Se tie c ntre temperatura T (n 0K) a unei surse de radiaii (infraroii) i lungimea de und de intensitate maxim M a spectrului de radiaii a corpului negru exist relaia: 2989 M = T din care rezult c la temperatura camerei lungimea de und de intensitate maxim este de aproximativ 10 microni. Dintre materialele elaborate pentru confecionarea dispozitivelor fotoconductoare Mercur Cadmium Telluride este cel mai bun. Acesta are lungimea de und de tere cuprins ntre 10 i 20m, curent de ntuneric i de zgomot mici absorbanta nalt, .a. Din pcate este foarte greu de obinut i soarte scump.

34

35

Fotomultiplicatorii electronici sunt dispozitive electronice fotoemisive (fotovoltaice) complexe care realizeaz i o amplificare foarte mare a semnalului primar fotoemis. Pentru conversia fluxului de radiaii n curent electric se apeleaz la fotoemisia primar a unui fotocatod FC (ca i n cazul celulelor fotoelectronice), iar pentru amplificarea acestui flux primar se recurge la folosirea unei cascade de emitere E, care produce o emisie electronic secundar sporit, fluxul electronic astfel amplificat fiind captat pe un anod colector final A.

Fig. 2.4.5. Schema unui fotomultiplicator n figura 2.4.5. este prezentat schema de principiu a unui fotomultiplicator electronic n care se disting urmtoarele elemente componente: fotocatodul FC, emitoarele E1, E2, En, anodul A i divizorul de tensiune de polarizare, DT, prin care se polarizeaz toate elementele din interiorul fotomultiplicatorului. Cei mai uzuali fotocatozi sunt cei din stibiu i cesiu. Fluxul de radiaii care ajunge la fotocatod produce emisie electronic primar. Electronii rezultai sunt accelerai n cmpul electric dintre fotocatod i primul emitor pentu a cpta o energie suficient de mare pentru a produce emisie secundar de electroni de ctre acest emitor. n continuare fluxul total de electroni este accelerat de cmpul electric dintre primul i al doilea emitor, care la rndul su produce o emisie secundar .a.m.d., astfel nct la anodul final ajunge un flux electronic multiplicat de fiecare emitor. Presupunnd c fotocatodul produce un curent electronic I0 iar coeficientul de emisie secundar (amplificare) a celor n emitere este m, rezult c la ieirea fotomultiplicatorului se obine un curent fotoelectronic. I = I0 mn , iar factorul de amplificare M al fotomultiplicatorului este I M = 0 =mn , I care este de ordinul zecilor sau sutelor de mii. Parametrii i performanele fotomultiplicatorilor: coeficient de amplificare, liniaritate, stabilitate funcional, .a. sunt dependente de construcia acestora, de proprietile i calitatea suprafeelor emisive, de calitatea vacumului i de regimul electric de exploatare. Caracteristicile spectrale ale fotomultiplicatoarelor sunt liniare n cazul fluxurilor de radiaii mici i ncep s devin neliniare n cazul fluxurilor care depesc 10-4lm. Caracteristica de frecevn a acestor dispozitive are un palier paralel cu abscisa pn n jurul frecvenei de 10MHz, iar la frecvene mai mari are cte o cdere pronunat. n domeniul de temperaturi -40 500C caracteristicile 35

36 fotomultiplicatoarelor nu sunt influenate de temperatur. Influena devine sesizabil la temperaturi mai mari de 500C, iar o nclzire excesiv poate duce la distrugerea fotomultiplicatorului. De remarcat i faptul c la fel ca i celelalte fotoelectrice fotomultiplicatoarele i modific n timp caracteristicile iniiale datorit fenomenelor de mbtrnire.

Detectoare fotoelectronice multicanal multisenzorin aplicaiile ample de mare complexitate se folosesc detectoare de radiaii multicanal mutisenzori sub forma unor matrici de senzori care pot realiza o detecie simultan i rapid a cvazitotalitii radiaiilor monocromatice care alctuiesc un flux de radiaii policromatice. Aceste dispozitive sunt astfel concepute nct s poat identifica lungimile de und monocromatice care alctuiesc fluxul de radiaii policromatice i s furnizeze un semnal de ieire care s pun n eviden intensitatea fiecrei radiaii monocromatice recepionate. n ultimii ani au fost realizate i perfecionate trei tipuri de detectoare multisenzori de nalt sensibilitate i rezoluie. Detecia cu matrice fotoreceptoare Folosirea dispozitivelor semiconductoare integrate n calitate de fotoreceptori ntr-o structur multisenzor a contribuit la ridicarea performanelor spectrometrelor de emisie atomic i la reducerea dimensiunilor i preului de cost. n ultimii ani s-au dezvoltat n paralel trei tipuri de detectoare multisenzori de nalt sensibilitate i rezoluie i anume: Dispozitive de tip reea de fotodiode (PDA Photo Dyode Array); Dispozitive de tip injecie de sarcini (CID Charge Injection Device); Dispozitiv de tip cuplare de sarcini (CCD Charge Coupled Device). Ultimele dou tipuri de dispozitive se bazeaz pe proprietatea de sensibilitate la lumin a cristalelor de siliciu i formeaz o clas larg de dispozitive denumite dispozitive de transport de sarcini Charge Transfer Device, CTD. Pentru a arta principiul de funcionare al acestui tip de dispozitive ne vom referi la un substrat din cristale pure de siliciu, pe care, prin procedee adecvate, s-a depus un strat fin de bioxid de siliciu. n acest substrat, fiecare atom de siliciu este legat de atomii nvecinai n cele trei direcii (x,z,z). Legtura de siliciu-siliciu poate fi rupt de energia transmis prin bombardament de fotoni din spectrul vizibil sau ultraviolet, iar cnd o astfel de legtur este rupt un electron din reea este eliberat lsnd n locul de plecare un gol i astfel se pot forma o mulime de perechi electroni gol. Dac asupra stratului de siliciu se aplic o diferen de potenial, electroni liber vor migra n direcia opus diferenei de potenial, adic spre stratul de bioxid de siliciu, n timp ce golurile vor migra n direcia opus formnd astfel un curent electric proporional cu intensitatea fluxului de fotoni. Cu ct cantitatea de energie fotonic absorbit de siliciu este mai mare cu att este mai mare cantitatea de electroni capturai la interfaa siliciu-bioxid de siliciu.

36

37

Fig. 2.4.6. Capacitor MOS Dispozitivele de transmitere de sarcini elementare, numit pixeli, au dimensiuni de la 30 m i sunt organizate n matrici bidimensionale de 512/512 sau 1024/1024 pixeli. Fiecare pixel este capabil s nmagazineze sarcini generate de fotoni, iar diferitele tipuri de dispozitive de acest fel pot fi difereniate dup modul in care se obin, se nmagazineaz i se interogheaz sarcinile. n cazul dispozitivelor de tip injecie de sarcini (CID) bidimensionale fiecare pixel poate fi accesat i interogat n mod aleator pentru a determina cantitatea de sarcini acumulate n timpul ct dispozitivul a fost supus radiaiei, adic timpul de interogare. Cu ajutorul unor microprocesoare rapide fiecare pixel poate fi examinat chiar i n decursul timpului de interogare pentru a determina sarcinile acumulate. Procesul de examinare (citire) a pixelilor este nedistructiv n sensul c coninutul de sarcini nu este afectat, nu este distrus. Din nefericire, n condiii normale de temperatur, CID au un zgomot de fond foarte mare (mai mare dect CCD) i pentru a-l micora ar fi necesar o rcire foarte intens, ceea ce este foarte dificil i costisitor. Spectrometrele cu plasm cuplate inductiv utilizeaz detectoare de tip CID cu peste 250000 pixeli capabili s se detecteze liniile spectrale dintr-un spectru larg de lungimi de und. n cazul dispozitivelor de tip CCD, sarcinile acumulate n pixeli pot fi citite secvenial iar procesul de citire este din pcate distructiv n raport cu sarcinile pixelilor citii. n timpul expunerii fiecare pixel acumuleaz o sarcin electric proporional cu intensitatea fluxului care cade pe el. La sfritul ciclului de expunere, la o anumit comand, pixelii urmeaz a fi citii, adic golii, pe rnduri sau coloane, toi dintr-odat, astfel nct la un moment dat n circuitul de citire se capteaz coninutul unui pixel al unei linii sau coloane. Cu toate c citirea pixelilor este secvenial, ea se produce foarte rapid iar zgomotul de fond al CCD-ului este foarte redus. El poate fi i mai redus dac dispozitivul este rcit cu ajutorul unui rcitor termoelectric bazat pe efect Peltier. Recent a fost analizat un nou tip de detector denumit detector de cuplare de sarcini segmentat. Spre deosebire de CCD clasice, care conin un singur set continuu de cteva sute sau mii de pixeli, noul tip de detector conine o colecie de aproximativ 200 matrici, relativ mici de la 2080 pixeli fiecare, submatrici care corespund liniilor spectrale a peste 70 de elemente detectabile cu spectrometre de emisie atomic n plasm cuplat inductiv.

2.4.3. Senzori / traductoare fototermice

37

38 Senzorii/traductoarele fototermice denumite i bolometre transform energia radiatiilori absorbite n cldura care este cuantificata prin temperatura obinut. n acelai timp senzorul transpune valoarea temperaturii pe semnal de ieire cu ajutorul unui senzor de temperatur adecvat. Pentru a obine performanele superioare se aleg senzori de temperatur cu sensibilitate mare i capacitate termic mic, deci cu dimensiuni mici. De aceea este de dorit s se mbine cea mai bun microtehnologie de fabricaie cu cea mai bun integrare electronic. Bolometrul din figura 2.4.7. este alctuit dintr-un senzor rezistiv sub forma unei pelicule metalice aplicat pe un suport electroizolant. Pe faa peliculei este aplicat un strat fin de material termorezistent care transform energia radiaiilor incidente n cldur. Sub influena radiaiilor recepionate pelicula se nclzete pn la o temperatur corespunztoare echilibrului dintre cldura produs i cea disipat. n acest fel, rezistena electric Rb a peliculei care este dependent de temperatur este n mod implicit msura intensitii radiaiilor incidente. Rezistena peliculei poate fi transpus pe semnal de ieire cdere de tensiune US pe un rezistor exterior RS strbtut de curentul I, aa cum se arat n figura 2.4.7.,b. n absena radiaiilor curentul bolometrului este I=U/(RB+RS). n prezena radiaiilor acesta se modific n funcie de intensitatea acestora i produce la ieire tensiunea US. Dac radiaia incident este de forma Acost atunci sensibilitatea bolometrului este dat de relaia: dU e k R B RS U 1 S= dA = ( R + R ) 2 2 B S B + h 2 2 2

(

)

unde U este tensiunea de alimentare, k este randamentul bolometrului adic raportul dintre energia radiaiei absorbite i cea a radiaiei incidente, B este curentul de pierderi termice ale bolometrului, h este cldura specific a bolometrului iar este un coeficient de sensibilitate la temperatur asociat bolometrului. Pentru a obine o sensibilitate mare este indicat s se aleag un material cu mare i cu B i h mici, realiznd astfel bolometre cu sensibilitate mare pentru suprafee de detecie mici.

a)

b) Fig. 2.4.7T. Senzor de radiaii de tip bolometru

2.4.4. Dispozitive piroelectrice

38

39 Relativ recent au fost realizate la preuri convenabile detectoare de radiaii n infrarou care nu necesita rcire. Acestea sunt confecionate de materiale speciale care genereaz sarcini electrice atunci cnd sunt supuse unor variaii de temperatur. Ele sunt sensibile nu la cldur ci la schimbri de temperatur. Cel mai bun, dar i cel mai scump material piroelectric care este folosit n astfel de detectoare este Tri-glicin sulfuri deuterate (Deuterated Tri-Glicin Sulfide). Acesta are o bun sensibilitate n infrarou fiind folosit n spectrometrie, n detecia obiectelor termoemisive n micare, .a. n general orice material este un oarecare msur piroelectric, dar numai unele materiale ofer eficien convenabil. Astfel, n aplicaiile n care nu se cer performane nalte pot fi folosite filme din PVDF, deoarece acestea sunt foarte ieftine. Dispozitivele piroelectrice pot fi folosite ca detectoare de micare n infrarou fiind capabile s sesizeze nchiderea/deschiderea unei ui, micarea unui obiect .a. Pentru a obine o imagine a obiectului n micare este necesar o reea de elemente detectoare i o optic de focalizare. Senzori analitici Senzorii analitici furnizeaz semnal de ieire dependent de compoziia chimic a corpului/substanei analizat. Acetia sunt denumii i detectoare, deoarece principala lor funcie este aceea de a detecta prezena n amestec a unui component sau grup de componeni de interes, urmat de evaluarea concentraiilor acestora n cadrul amestecului. Determinarea compoziiei chimice se face ntr-un proces complex de interaciune dintre radiaiile electromagnetice emise de o surs i obiectul analizei (solid, lichid, gaz). Altfel spus, obiectul analizei este supus aciunii radiaiilor din spectrul vizibil, din spectrul UV, din spectrul IR sau din spectrul X, aciune care se manifest printr-un efect specific precum absorbia diferenial a radiaiilor de ctre componenii amestecului, fluorescena acestora, .a. Pentru ca aceast interaciune s aib loc n condiii favorabile mediul de analizat se aduce ntr-o celul de analiz n care este supus radiaiilor sau, ca alternativ, elementele senzorului sunt amplasate n mediul de analizat. Principalele elemente ale unui senzor/detector sunt sursa de radiaii, celula de analiz, receptorul de radiaii la ieirea din celula de analiz i circuitele electronice de amplificare i prelucrare/conditionare a semnalului detectorilor. Senzorii/traductoarele analitice, mpreun cu celelalte dispozitive de prelucrare a semnalelor primare n vederea determinrii compoziiei chimice a amestecului i a afirii/nregistrrii acesteia formeaz ceea ce se numete analizor chimic. .

2.5. Traductoare cu microunde2.5.1. Caracterizare genralMicroundele sunt radiaii electromagnetice cu lungimi de und cuprinse ntre 3 mm i 3 m (100GHz 100MHz). Din acest spectru fac parte i undele radar (Radio Detection And Ranging) cu frecvene cuprinse ntre 5 i 26 GHz. Cnd aceste unde ating suprafaa unor corpuri ele sufer anumite efecte ce pot furniza informaii despre distana dintre surs i corp i/sau despre viteza de deplasare a corpului fa

39

40 de surs. Cel mai interesant efect este reflexia undelor de ctre corpul int, dar prezint interes i fenomenele de polarizare, de difuzie, de refracie i de interferen. Aceste radiaii pot fi utilizate cu numeroase scopuri, unul foarte important fiind utilizarea lor n concepia senzorilor/traductoarelor de nivel, de vitez, de poziie .a. n cele mai multe aplicaii pentru msurarea distanei i vitezei se recurge la un sistem de reflexie de ctre corpul/substana int a undelor emise de ctre o anten i recepionate de aceeai anten. Prin urmare un traductor cu microunde de acest fel are n componena sa urmtoarele elemente eseniale: o surs de radiaii radar; o anten de emisie/recepie; circuite de amplificare i prelucrare a semnalelor primare n vederea determinrii semnalului de ieire; dispozitive de afiare/nregistrare a mrimii msurate; dispozitive de cuplare cu alte echipamente externe; optional -dispozitive de prelucrere secundara a datelor, precum si dispozitive de comanda si/sau de automatizare a functionarii aparatului Pentru msurarea distanelor i vitezelor pot fi folosite unde radar continue sau unde discontinue sub form de pulsuri n numeroase scheme de msurare. Cele mai interesante i mai uzuale vor fi prezentate n cele ce urmeaz.

2.5.2. Traductoare de vitez de tip DopplerPentru msurarea vitezei de deplasare se poate recurge la efectul Doppler, conform cruia unda radar reflectat de un obiect n micare are o frecven modificat cu f, dependent de vitez. Astfel, dac sursa de radiaii i obiectul sunt staionare f este nul. Dac ns corpul se deplaseaz cu viteza v pe direcia surs corp ctre corp f>0, iar dac se deplaseaz n sens opus fT1. n eantionarea unor astfel de semnale de foarte nalt frecven apar probleme practice datorate timpului extrem de scurt, de ordinul picosecundelor, n care urmeaz s se extrag eantioane. Pentru a ocoli aceste dificulti se recurge la combinarea procedurii de eantionare cu o procedur de intercorelare. n loc de o eentionare de foarte scurt durat se recurge la o eantionare printr-o procedur de intercorelare n care pulsul de eantionat este corelat cu un puls similar de eantionare, emis la perioade de timp T2 > T1 . Prin procedura de intercorelare fiecare punct al pulsurilor emise sau reflectate este multiplicat cu un punct corespunztor al pulsurilor de eantionare i astfel se obin unul dup altul punctele unui semnal rezultant.

45

46 Procedura de eantionare a pulsurilor de unde radar este destul de complicat dar oricum este mai simpl dect procedura transformrii Fourier. Ea const n generarea unui semnal de referin cu o perioad de timp modificabil. Acest semnal se multiplic cu semnalul reflectat recepionat, iar rezultatul multiplicrii se integreaz. Toate aceste operaii pot fi efectuate de mijloace electronie relativ simple. puls emis puls receptionat

semnal de esantionare a) b)

Fig. 2.5.7. Eantionare prin intercorelare: a) eantionare clasic; b) eantionare prin interblocare Prin metoda descris semnalele de nalt frecven de ordinul GHz sunt transformate n semnale cu frecven de ordinul KHz, iar frecvena de repetiie a pulsurilor este i ea redus in acelasi raport.. Operaiile n cadrul acestei metode sunt exclusiv n domeniul timp i vizeaz analiza ecourilor care apar ca pulsuri separate n timp, ceea ce face posibil identificarea ecourilor utile i a celor false. In figura 2.5.8. se prezint schema bloc a unui traductor cu pulsuri de unde radar. n cadrul acestei scheme sunt generate dou trenuri de pulsuri identice dar cu perioada de repetare puin diferite. Unul din ele are perioada T 1 si este generat de oscilatorul OM i de formatorul de pulsuri FPM, iar cellalt are perioada T 2 >T1 i este generat de oscilatorul OR i formatorul de pulsuri FPR. Trenul de pulsuri emise de FPM este apliat la intrarea antenei de emisiereceptie AER, unde este transformat in tren de microunde si este dirijat catre suprafata tinta, care il reflecta inapoi catre antena. Semnalele asociate celor doua trenuri de pulsuri (cel direct si cel reflectat) ajung in mixerul M. Cellalt tren de pulsuri, emise de FPR este aplicat, de asemenea, la intrarea mizerului M. Aici, in acest dispozitiv, au loc operaiile de divizare a frecventei (dilatare in timp) prin tehnica intercorelarii si de determinare a defazarii in timp a pulsurilor reflectate fata de pulsurile directe, astfel ca la iesirea mixerului se obtin distinct pulsurile directe si cele reflectate intr-o diagrama amplitudine-timp, dilatata in timp, defazarea in timp fiind o masura a distantei dintre antena si obiectul tinta.

OR

FPR Formator de pulsuri FPM

T2

OM

Amplificator A 46

47

Oscilator pentru eantion Oscilator pentru msurare Formator de pulsuri T1

Mixer t

MP Microprocesor controler AER

Cuplor

Amplificato r

Fig. 2.5.9. Schema bloc a unui traductor de nivel cu pulsuri de unde radar n cadrul acestei scheme microprocesorul controler are rolul de a controla i regla frecvena trenurilor de pulsuri si eventual -rolul de coordonate a actiunilor interne ale traduntorului APLICAII n principiu traductoarele de nivel cu microunde pot fi folosite n orice aplicaie n care se dorete determinarea distanei dintre antena de emisie-recepie i o suprafa int, care ntoarce undele dirijate spre ea napoi ctre anten. Avnd ns n vedere faptul c echipamentele care opereaz cu unde radar sunt n general costisitoare dar cu performane foarte bune, aceste echipamente urmeaz s fie folosite n acele aplicaii n care se impun exigene nalte i unde alte tipuri de echipamente nu pot satisface aceste exigene. n consecin echipamentele cu unde radar i justific aplicabilitatea n msurarea nivelului n urmtoarele cazuri: rezervoare mari pentru depozitarea produselor petroliere sau a altor produse cu riscuri pentru mediu i oameni; reactoare sau vase care opereaz cu substane agresive i la temperaturi i presiuni foarte mari; vase nchise sau deschise care conin metale sau alte materiale n sare topit; rezervoare ce conin substane foarte nocive precum clorul, amoniacul, acidul sulfuric .a.; rezervoare de stocare a gazelor lichefiate (propan, butan .a.); silozuri de pulberi fine; cazane de produs abur, .a.

2.6. Senzori / traductoare electrochimice2.6.1.Caracterizare generalaCaracteristic pentru aceast categorie de senzori/traductoare este faptul ca la baza procesului de analiz st o reacie electrochimic sau chimic, nsoit de anumite efecte, pe baza crora se poate determina concentraia n anumii

47

48 componeni de interes, participani la reacie. Unii dintre componeni produc efecte specifice, iar alii produc efecte comune. Cele mai interesante efecte electrochimice, care sunt folosite la identificarea componenilor participani la reacie i la determinarea concentraiilor acestora, sunt urmtoarele: Generarea unei diferene de potenial electric, dependent de caracterul i de concentraia n anu