st_cap_1_gata.doc

CAPITOLUL 1

TIPURI DE ELEMENTE SENSIBILE ŞI ADAPTOARE (utilizate în construcţia traductoarelor)

1.1. Elementele sensibile ale traductoarelor

Elementele sensibile (ES) constituie partea cea mai diversificată a traductoarelor. Acestea permit detectarea mărimii de măsurat din întreg ansamblul de mărimi care acţionează în mediul înconjurător rejectând sau reducând la un minim acceptabil influenţa celorlalte.

Deoarece există o mare varietate a mărimilor care intervin în procesele automatizate şi care trebuie măsurate cu ajutorul traductoarelor, rezultă implicit necesitatea unor elemente sensibile (ES), de diferite tipuri, corespunzătoare acestor aplicaţii.

Elementele sensibile se pot clasifica după următoarele criterii:a) după principiul de conversie a mărimii fizice aplicate la intrare:

- elementele sensibile (ES) parametrice; - elementele sensibile (ES) generatoare.

Principiul conversiei este important pentru studiul general al traductoarelor şi evidenţierea fenomenelor fizice care stau la baza funcţionării acestora, explicând modul de conversie al mărimii de măsurat într-o altă mărime fizică (de regulă, o mărime electrică).b) după natura mărimii fizice de măsurat:- elemente sensibile (ES) pentru: deplasare, viteză, forţă, debit, nivel, radiaţie etc.

1.1.1 Elemente sensibile de tip parametric

Elementele sensibile (ES) parametrice (sau modulatoare) se utilizează atunci când mărimea de măsurat este pasivă, adică nu are asociată o putere suficientă, sau fenomenul fizic pe care se bazează conversia nu permite obţinerea directă a unui semnal electric. Se numesc elemente sensibile parametrice deoarece mărimea de intrare (neelectrică) determină variaţia proprietăţilor de material care sunt de natura unui parametru electric de circuit (rezistenţa electrică, inductivitate, capacitate sau combinaţii ale acestora).

Pentru a pune în evidenţă aceste variaţii este nevoie de o sursă de energie auxiliară care generează tensiune sau curent constant, a cărei valoare este

Capitolul 1

modulată de variaţia parametrului respectiv, obţinându-se astfel un semnal electric ale cărei variaţii reproduc pe cele ale mărimii de măsurat.

Mărimile fizice de natură neelectrică din cele mai diverse domenii (mecanică, chimie, termotehnică, radiaţii) pot fi convertite în mărimi de natură electrică datorată legilor fizice care exprimă dependenţa parametrilor (R, L, C) menţionaţi la anumite materiale (conductoare, semiconductoare sau dielectrice) în raport cu aceste mărimi.

Relaţiile fundamentale care stau la baza funcţionării elementelor sensibile parametrice sunt:

a) Rezistenţa electrică a unui conductor omogen:

(1.1)

unde – lungimea conductorului [m]; S – secţiunea conductorului[m2]; – rezistivitatea materialului [m].

b) Inductivitatea proprie a unui bobine cu miez feromagnetic (considerând circuitul magnetic liniar), format din n porţiuni de circuit k:

(1.2)

unde N – numărul de spire al bobinei; k – lungimea porţiunii de circuit magnetic (k);

k şi sk – permeabilitatea magnetică şi secţiunea mediilor aer, fier ce formează porţiunea de circuit magnetic k a bobinei.

c) Capacitatea unui condensator plan cu armături paralele:

(1.3)

unde - permitivitatea mediului [F/m]; S – suprafaţa activă comună a armăturilor [m2]; d – distanţa între armături [m].

Pentru fiecare din cele trei elemente sensibile parametrice (R, L, C) în tabelul T.1 (a, b, c) se prezintă atât fenomenele fizice pe care se bazează conversia măsurandului, cât şi aplicaţiile recomandate.

Elemente sensibile (ES) rezistive (R) Tabel 1.1.a Fenomenul fizic pe care se bazează Aplicaţii (mărimi măsurate)

16

Tipuri de elemente sensibile şi adaptoare

conversia - variaţia lungimii conductorului (sau a numărului de spire în cazul rezistorului bobinat)

deplasări liniare şi unghiulare; grosime; nivel.

- variaţia rezistivităţii ( cu tempera-tura (termorezistenţa , termistorul)

temperatură; umiditate; concentraţie de gaze; viteză gaze (debit); vacuum.

- variaţia lui sub influenţa câmpului magnetic (efect Gauss)

câmpul magnetic; inducţie.

- variaţia lui sub acţiunea radiaţiilor (fotorezistenţe, fotoelemente)

intensitate luminoasă; flux luminos; deplasări (prin modulaţia

fluxului de radiaţii).- variaţia lui , S prin intermediul unui element elastic deformabil (tensorezistenţe, piezorezistenţe).

forţă; presiune.

Elemente sensibile inductive (L) Tabel 1.1.bFenomenul fizic Aplicaţii (mărimi măsurate)

- variaţia , , S pentru porţiuni de circuit magnetic, prin deplasarea unor armături feromagnetice (întrefier variabil, miez mobil).

deplasări liniare; dimensiuni piese; grosime; nivel.

- variaţia , , S prin asociere cu elemente elastice, amortizoare, mase.

acceleraţie; viteză; vibraţii.

- variaţia lui prin magnetostricţiune forţă; presiune.

Elemente sensibile capacitive (C) Tabel 1.1.cFenomenul fizic Aplicaţii (mărimi măsurate)

- variaţia lui d sau S prin deplasare deplasări liniare sau unghiulare; presiune.

- idem asociind cu un element elastic altitudine.

- variaţia permitivităţii a dielectricului nivel; grosime; umiditate (solide).

Elementele sensibile (ES) parametrice sunt foarte răspândite datorită faptului că pot fi utilizate pentru conversia unei game foarte largi de mărimi cu domenii de variaţie diferite.

17

Capitolul 1

1.1.2 Elemente sensibile de tip generator

Elementele sensibile de tip generator (sau denumite senzori energetici) sunt utilizate în conversia mărimilor active, adică a acelor mărimi care asociază o putere ce poate fi utilizată pentru conversie fără a afecta valoarea mărimii măsurate. Aceste elementele sensibile (ES) furnizează la ieşire un curent, o tensiune sau o sarcină electrică având variaţii dependente de intrarea (x).

Pentru a influenţa cât mai puţin mărimea de măsurat, puterea luată de la senzor trebuie să fie cât mai mică. În practică se utilizează surse auxiliare de energie pentru asigurarea unor performanţe ridicate şi pentru a permite o bună adaptare de impedanţă cu circuitele receptoare din SRA.

Tipuri de elemente sensibile generatoare Tabel 1.2Tipul elementului

sensibilFenomenul fizic ce stă la baza

conversieiAplicaţii (mărimi

măsurate)

a) Electromagnetic(de inducţie)

- generarea prin inducţie a tensiunii electromotoare sub acţiunea mărimii de măsurat.

- viteza de rotaţie (tahogenerator);

- debite de fluide;- vibraţii.

b) Termoelectric

- generarea tensiunii termoelec-tromotoare prin efect termo-electric (Seebek) de contact între două metale diferite.

- temperatură

c) Piezoelectric- polarizarea electrică a unui cristal sub acţiunea unei forţe sau presiuni.

- forţe (dinamice);- presiuni (dinamice).

d) Magnetostrictiv

- generarea tensiunii electromotoare prin variaţia inducţiei remanente sub acţiunea unei forţe asupra materialelor magnetice.

- forţe (dinamice);- presiuni (dinamice).

e) Electrochimic

- generarea tensiunii electromotoare între doi electrozi aflaţi la o distanţă , în soluţii cu concentraţii de ioni diferite.

- concentraţia ionilor de hidrogen (pH).

f)Fotoelectric(fotovoltaic)

- generarea unui curent electric pe baza fenomenului fotoelectric extern sub acţiunea unei radiaţii luminoase.

- deplasări liniare şi unghiulare;

- dimensiuni piese;- viteză de rotaţie.

În tabelul 1.2 sunt date principalele tipuri de elemente sensibile – generatoare, fenomenele fizice pe care se bazează conversia şi aplicaţiile posibile. Elementele sensibile (ES) de tip generator prezintă avantajul unei cuplări mai uşoare cu adaptorul, cât şi structuri mai simple ale adaptorului, întrucât nu mai

18


necesită conversia unui parametru de circuit (R, L, C) într-un semnal de curent sau tensiune.

Elementele sensibile electrochimice şi piezoelectrice (şi chiar fotoelectrice) impun cerinţe speciale, deoarece ele sunt considerate generatoare de tensiuni electromotoare cu impedanţă internă foarte mare, ceea ce presupune condiţii severe pentru impedanţa etajului de intrare în adaptor cât şi modul de realizare a conexiunilor electrice (rezistenţa de izolaţie foarte bună, ecranare obligatorie etc.).

În figura 1.1, se prezintă câteva principii de aplicare a unor fenomene fizice pentru realizarea elementelor sensibile de tip generator.

Fig.1.1 Senzori generatori: a) termoelectric (termocuplu); b) piezoelectric; c) fotoelectric; d) de inducţie; e) electrochimic.

Senzorul termoelectric ( termocuplul ) este constituit dintr-un ansamblu de două conductoare de natură chimică diferită, lipite, presate sau sudate la o extremitate.

Dacă punctul comun (sudura caldă) este încălzit la o temperatură θ, iar extremităţile libere (punctele de măsurare) se află la temperatura θ0, senzorul generează o tensiune termoelectromotoare E, proporţională cu diferenţa de temperatură θ- θ0; această tensiune termoelectromotoare poate fi măsurată cu un milivoltmetru analogic sau digital (figura 1.1-a).

Funcţionarea acestui tip de senzor se bazează pe efectul termoelectric descoperit de Thomas Seebeck în anul 1821.

19

Capitolul 1

Tensiunea termoelectromotoare este dată de relaţia: (1.4)

Relaţia este valabilă pentru un anumit interval de temperatură caracteristic fiecărui tip de termocuplu. S - reprezintă sensibilitatea senzorului şi depinde de natura metalelor din care sunt realizate cele două conductoare. Senzorul trebuie să aibă o sensibilitate S cât mai mare şi aceasta să fie constantă pentru un interval de temperatură cât mai larg. Efectul termoelectric poate fi folosit la măsurarea temperaturii.

Senzorul piezoelectric este alcătuit dintr-un cristal natural (cuarţ) sau dintr-un material sintetic (titanatul de bariu) care prezintă proprietatea de a se polariza electric, adică de a se încărca la suprafaţa sa cu sarcini electrice, sub efectul unor modificări dimensionale, produse de o forţă (figura 1.1-b).

Sarcina electrică, ce apare ca efect al polarizării, este dată de relaţia:Q = kF (1.5)

în care:-Q este sarcina electrică (Q) care ca unitate de măsură Coulombul [C];-k este modulul piezoelectric, exprimat în C / N;-F este forţa aplicată, exprimată în newtoni [N].

Efectul piezoelectric poate fi folosit pentru măsurarea forţelor, presiunilor sau vibraţiilor.

Senzorul fotoelectric este constituit, în general, dintr-o joncţiune realizată între un metal şi un semiconductor, sau formată din două regiuni semiconductoare cu tip de conductibilitate diferită (n şi p) care admite trecerea electronilor numai într-o singură direcţie (figura 1.1-c).

Într-o joncţiune semiconductoare p-n, fără o polarizare exterioară, se formează stratul de baraj (cu sarcini spaţiale pozitive în partea semiconductorului n şi negative în partea semiconductorului p) al cărui câmp coulombian stabileşte echilibrul în stratul respectiv, împiedicând difuzia în continuare a purtătorilor de sarcină.

Dacă joncţiunea se iluminează, în stratul de baraj se vor elibera un număr de purtători de sarcină (electroni şi goluri), dependent de energia de iluminare, care vor fi acceleraţi de câmpul coulombian. Astfel, către stratul p se vor “pompa” goluri, iar către stratul n – electroni, care duc la apariţia unei tensiuni la bornele elementului. Acesta este efectul fotovoltaic, iar senzorul se numeşte fotoelement.

Deci, dacă o asemenea joncţiune este iluminată, fotonii comunică electronilor din materialul semiconductor o energie suplimentară, trecându-i în acea parte a joncţiunii, din care nu mai pot reveni.

Se stabileşte prin circuitul închis un curent, a cărui intensitate este dată de relaţia:

(1.6)unde:- I este curentul generat, exprimat în A;

20


- S este sensibilitatea senzorului fotoelectric (fotoelementului), exprimată în A/lm;- - fluxul luminos, exprimat în lumeni (lm).

La realizarea unui fotoelement se folosesc joncţiuni p-n de siliciu (element solar Bell), de germaniu şi joncţiunea semiconductor - metal cu seleniu sau cuproxid. Fotoelementul cu seleniu, răspândit datorită coincidenţei sensibilităţii sale luminoase maxime cu cea a ochiului uman ( = 0,55 m), constă dintr-o placă metalică, pe care se depune un strat de seleniu, deasupra se depune prin vaporizare un strat subţire, de ordinul micronilor, de metal nobil care, datorită grosimii mici, este transparent. La contactul seleniu-metal nobil se formează joncţiunea activă; tensiunea fotovoltaică se culege între placa suport şi un electrod de contact.

Suprafaţa activă, expusă iluminării, este de (1…30) cm2.Pe de altă parte, dacă o joncţiune p-n este polarizată din exterior în sensul

creşterii stratului de baraj (câmpul exterior are sensul câmpului coulombian), prin iluminare se eliberează purtătorii de sarcină, iar rezistenţa joncţiunii scade faţă de situaţia neluminată (de întuneric). Acest efect se numeşte fotorezistiv, iar dispozitivul – fotodiodă.

Combinaţia efectului fotorezistiv cu amplificarea caracteristică unui tranzistor se materializează în fototranzistor.

Pentru măsurarea iluminării se pot utiliza: fotoelementul – sensibilitate (0,25…1) mA/lm şi fotodioda (30 mA/lm), care realizează caracteristici statice convenabile. Fototranzistorul , deşi mult mai sensibil (130 mA/lm), este folosit mai mult ca element discret (releu) de comutaţie.

În ultimul timp se foloseşte pe scară largă fotodetectorul hibrid care constă dintr-o fotodiodă cu siliciu, conectată într-un circuit hibrid împreună cu un amplificator operaţional, pe un suport comun ceramic. Ansamblul astfel format este încapsulat într-o carcasă metalică prevăzută cu o fereastră de sticlă sau epoxi.

Frecvenţa maximă a proceselor dinamice luminoase măsurabile este de 50 Hz la fotodiode, 5 KHz la fototranzistoare şi în jur de sute de Hz la fotoelemente, ultimele fiind utilizate mai mult la măsurări statice.

Senzorul de inducţie se bazează pe fenomenul de inducţie electromagnetică.

Se numeşte inducţie electromagnetică producerea unei tensiuni electromotoare într-un circuit (Faraday, 1831) sau, în general, în lungul unei curbe închise, datorită variaţiei în timp a fluxului magnetic, care străbate o suprafaţă sprijinită pe acea curbă. Sensul acestei tensiuni electromotoare este astfel, încât efectele ei se opun cauzelor care a produs-o (regula lui Lenz). Formula integrală a legii inducţiei electromagnetice se scrie sub forma:

(1.7)

şi se enunţă astfel:Tensiunea electromotoare produsă prin inducţie electromagnetică în lungul

unei curbe închise, , este egală cu viteza de scădere a fluxului magnetic prin orice suprafaţă S sprijinită pe această curbă.

21

Capitolul 1

Se presupune un conductor situat perpendicular pe liniile unui câmp magnetic; dacă acesta se deplasează perpendicular pe direcţia liniilor de câmp şi pe propria sa direcţie, în conductor se induce o tensiune electromotoare, e, a cărei expresie este:

e = Bv (1.8)în care:B este inducţia magnetică exprimată în Tesla (T); - lungimea conductorului, exprimată în metri;v - viteza de deplasare a conductorului, exprimată în m/s.

Tensiunea electromotoare este deci proporţională cu viteza de deplasare a conductorului (figura 1.5-d). Acest principiu de conversie a vitezei în tensiune electromotoare se utilizează în generatoarele tahometrice, debitmetre electromagnetice etc.

Senzorul electrochimic presupune apariţia unei diferenţe de potenţial la suprafaţa de contact dintre un electrod metalic şi o soluţie conţinând ioni ai acestui metal (figura 1.1-e) sau între două soluţii de concentraţii ionice diferite, dintre care una cunoscută, cealaltă necunoscută, separate printr-un perete semipermeabil.

Diferenţa de potenţial este funcţie de activitatea ionică, respectiv de concentraţia soluţiei necunoscute. În consecinţă, măsurând diferenţa de potenţial electric generată, se poate determina concentraţia soluţiei necunoscute conform relaţiei lui Nernst:

(1.9)

în care:E este diferenţa de potenţial generată exprimată în volţi;V0- aşa numitul potenţial de electrod, specific pentru metalul respectiv, exprimat în volţi. (V0 reprezintă potenţialul electrodului, când concentraţia activă a ionilor săi, a = l);R - constanta gazelor (8,317 Jouli/gradmol);T - temperatura absolută, exprimată în K;n – valenţa metalului (ionilor); F – constanta lui Faraday (9,65.107 C/gradmol);a – concentraţia activă a ionilor în soluţie, exprimată în mol/litru;(a = fc, în care c este concentraţia soluţiei, iar f este coeficientul de activitate, subunitar, sensibil diferit de unitate numai pentru soluţii foarte concentrate).

Dacă în relaţia lui Nernst (1.9) se înlocuiesc valorile numerice şi se face trecerea de la logaritmul natural la cel zecimal, pentru n = 1, se obţine:

(1.10)Prima parte a relaţiei este exprimată în volţi, iar cea de a doua, în milivolţi.

Cu s-a notat temperatura soluţiei, în oC.

Tabel 1.3Mărime fizică Mărimi măsurate derivate Elemente sensibile, tipice

22


măsurată

DEPLASARE

- deplasare liniară;- deplasare unghiulară;- lungime (lăţime);- grosime;- strat de acoperire;- nivel;- deformaţie (indirect presiune, forţă, cuplu)

- altitudine

- rezistive;- inductive;- fotoelectrice;- electrodinamice (selsine, inductosine).

VITEZĂ(TURAŢIE)

- liniară;- unghiulară;- debit.

- electrodinamice (tahogenerator);

- fotoelectrice;- termorezistive.

FORŢĂ

- efort unitar;- greutate;- acceleraţie;- cuplu, - viscozitate;- vacuum- presiune (relativă; absolută)

- rezistive;- inductive;- capacitive;- piezorezistive;- piezoelectrice;- magnetostrictive.

TEMPERATURĂ

- temperatură la suprafaţă (solide, fluide);

- căldură- flux, energie;- conductibilitate termică.

- termorezistenţe;- termistoare;- termocupluri;- complexe (dilatare + deplasare)

MASĂ- debit de masă;- densitate.

- Idem ca la forţă

CONCENTRAŢIE

- componente în amestecuri de gaze;

- ioni de hidrogen în soluţii;- umiditate.

- termorezistive; - electrochimice;- conductometrice.

RADIAŢIE

- luminoasă;- termică;- nucleară.

- fotoelectric;- detectoare în infraroşu;- elemente sensibile bazate pe ionizare.

Observaţii: 1) - Pentru proiectant şi constructor este utilă clasificarea după principiul de funcţionare, dar pentru utilizator este mai convenabilă clasificarea elementelor sensibile după mărimile fizice pe care ES le poate detecta (sesiza).

În tabelul 1.3. este prezentată o succintă clasificare a ES după principalele mărimi fizice detectate.

23

Capitolul 1

2) - Acelaşi tip de element sensibil poate fi utilizat pentru detectarea unor mărimi fizice foarte diferite. Explicaţia constă în aceea că urmărindu-se conversia mărimii măsurate într-o mărime electrică, este firesc ca elementele sensibile pasive să fie tot de tipul R, L, C, iar cele generatoare să furnizeze o tensiune, un curent sau o sarcină electrică. 3) - Pentru aceeaşi mărime fizică convertită pot fi utilizate mai multe tipuri de elemente sensibile. Alegerea celor mai potrivite elemente sensibile se face în funcţie de: gama de variaţie a mărimii măsurate, posibilitatea de cuplare a senzorului la proces, factorii de mediu, performanţele impuse, factorii economici.

1.2. Tipuri de adaptoare (utilizate în construcţia traductoarelor)

Rolul adaptorului este acela de a converti semnalul generat de elementul sensibil într-un semnal electric de ieşire (Y) de regulă unificat. Semnalele de ieşire fiind unificate, rezultă că etajele de ieşire ale adaptoarelor sunt similare pentru acelaşi tip de semnal unificat. Diferenţieri constructive apar pe partea de intrare în traductoare, care recepţionează mărimile diversificate (ca natură fizică şi domeniu de variaţie) furnizate de elementele sensibile.

1.2.1. Adaptoare pentru elemente sensibile de tip parametric

Ţinând seama că adaptoarele de acest tip transformă variaţiile parametrilor R, L, C în tensiune sau curent electric, rezultă că etajele de intrare în aceste adaptoare utilizează punţi de curent continuu sau alternativ, funcţionând în regim dezechilibrat.

La ieşirea punţilor de măsurare se obţine un semnal de dezechilibru care este amplificat şi convertit (de etajul final al adaptorului) în semnal unificat. Pentru a elimina influenţa perturbaţiilor se utilizează (de regulă) o buclă de reacţie negativă astfel încât aceasta să includă cât mai multe din blocurile componente ale adaptorului.

Dacă schema de măsurare sau elementul sensibil prezintă neliniarităţi importante se prevăd în schema adaptorului blocuri de liniarizare (sub forma unor generatoare de funcţii) plasate fie pe calea directă, fie pe calea de reacţie a adaptorului.

Structura unui adaptor pentru un element sensibil rezistiv este prezentată în figura 1.2

Fig.1.2. Structura elementului sensibil rezistiv.

24


SM – schemă de măsurare tip punte Wheatstone în curent continuu (regim dezechilibrat);BC – bloc de comparaţie care calculează diferenţa U = Ud – Ur ; A – amplificator de tensiune continuă;CTC – convertor tensiune – curent care asigură semnalul unificat de curent la ieşire IC= [2…10] mA, sau [4…20] mA;BR – bloc de reacţie negativă care furnizează tensiunea U r, proporţională cu semnalul unificat Ic. În unele cazuri blocului de reacţie i se ataşează şi un circuit de liniarizare (BRL);BL – bloc de liniarizare introdus atunci când este necesar să se compenseze neliniarităţile generate de elementul sensibil sau puntea de măsurare.

În afara elementelor din schema bloc se prevăd şi surse de alimentare necesare circuitelor utilizate. Alimentarea punţii Wheatstone necesită o tensiune U0 foarte bine stabilizată, deoarece tensiunea de dezechilibru Ud este influenţată de variaţia lui U0.- A – poate fi de tipul cuplare directă sau cu modulare-demodulare, în funcţie de valoarea tensiunii Ud , de condiţiile de adaptare a impedanţelor şi de necesitatea separării galvanice.- CTC – este realizat cu tranzistoare de putere (medie) deoarece amplificatoarele integrate nu pot asigura la ieşire puterea necesară. (ex. 20mA pe 600Ω). Conexiunile de tip Darlington sunt frecvent utilizate.- BR – este realizat (de cele mai multe ori) dintr-un divizor rezistiv de tensiune sau de curent;- BL – realizat cu diode Zener sau tranzistoare are rolul de a introduce în mod intenţionat neliniarităţi de sens opus celor furnizate de elementele sensibile sau de schemele de măsurare.

Observaţie: În cazul elementelor sensibile de tip inductiv sau capacitiv, schemele de

măsură sunt punţi de curent alternativ în regim dezechilibrat, iar amplificatoarele de curent alternativ sunt de tip selectiv, acordate pe frecvenţa de alimentare a schemelor de măsurare (a punţilor de curent alternativ). Separarea galvanică este uşor de asigurat, utilizând transformatoare de cuplaj, dar reacţia globală (cu cât mai multe elemente în buclă) şi liniarizarea devin mai complicate.

1.2.2. Puntea cu echilibrare automată – exemplu de adaptor pentru elemente sensibile parametrice

Structura punţilor cu echilibrare automată (figura 1.3) este asemănătoare cu cea a compensatoarelor automate, aşa cum se va vedea din figura 1.4.

Variaţiile R ale elementului sensibil rezistiv conduc la dezechilibrarea

punţii şi la apariţia tensiunii de dezechilibru Ud care acţionează prin amplificatorul

25

Capitolul 1

A, asupra servomotorului SM, astfel încât puntea să se echilibreze prin deplasarea cursorului potenţiometrului P1, acţionat de minireductorul R1.

Fig. 1.3. Puntea de măsurare cu autoechilibrare.

Simultan, servomotorul (SM) antrenează dispozitivul de indicare sau înregistrare (I), care se opreşte pe o poziţie la care se poate citi valoarea mărimii măsurate de (exemplu temperatură sau forţă). Asemănător, prin minireductorul R2 se antrenează

cursorul potenţiometrului P2, obţinându-se tensiunea de ieşire Ue =KUd. În regim echilibrat precizia măsurării depinde numai de precizia rezistenţelor R1, R2, R3 şi P1, eliminându-se erorile cauzate de variaţia tensiunii (care intervine numai la punţi dezechilibrate). De asemenea, se elimină şi erorile de neliniaritate, care la

variaţii mari R afectează puternic tensiunea Ud şi impun utilizarea circuitelor de liniarizare. Performanţe:

precizia 0,25…0,5 %; deriva de temperatură ; eroarea la variaţia tensiunii de alimentare : 0,1% … 1%.

Datorită existenţei unor elemente în mişcare (role, reductor) – performanţele în regim dinamic sunt reduse şi ca urmare astfel de adaptoare sunt utilizate numai pentru procese lent variabile în timp (cu banda de frecvenţă f 1Hz).

1.2.3. Adaptoare pentru elemente sensibile de tip generator

26


Acestea au în principiu aceeaşi structură ca în figura 1.3, prezentată anterior, dar lipseşte schema de măsurare (SM). Semnalul dat de elementele sensibile se aplică direct la intrarea amplificatorului. Dacă există reacţie, comparaţia se realizează într-un singur montaj diferenţial de tensiune. Întrucât lipseşte (SM) care printr-o proiectare adecvată realiza şi o adaptare de impedanţă, amplificatoarelor folosite în cadrul acestor adaptoare li se impun o serie de cerinţe care sunt strâns legate de caracteristicile semnalului generat de elementele sensibile. Cele mai frecvent întâlnite semnale generate de ES sunt :- tensiuni continue de nivel foarte redus;- tensiuni alternative cu frecvenţă variabilă în limite largi;- tensiuni continue sau alternative obţinute de la surse cu impedanţă proprie foarte mare.

Măsurarea tensiunii de nivel foarte redus (mV), cum este cazul termocuplurilor, este afectată de deriva tensiunii de decalare datorită rezistenţei sursei de semnal, care este relativ mică.

Exemplu: dacă termocuplul Pt. Rh-Pt are o sensibilitate de ordinul 10V/ºC, iar amplificatorul are o derivă de tensiune de 15V/ºC, rezultă că la o variaţie a temperaturii de 10ºC, deriva va fi de 150 V ceea ce corespunde unei erori de temperatură de 15ºC, evident neacceptabilă.

Pentru reducerea derivelor, deci a erorilor de măsurare se utilizează amplificatoare integrate de măsurare, cu performanţe ridicate care pot asigura derive de 0,25 V/ºC sau 0,1V/ºC, la fel ca cele realizate de amplificatoarele cu modulare-demodulare, dar mult mai ieftine şi mai simple.

În cazul traductoarelor electromagnetice (tahogeneratoare, traductoare de debit cu turbină etc) care utilizează semnale alternative cu frecvenţă variabilă în limite largi se folosesc amplificatoare de bandă largă 1Hz …106 Hz, care au cuplaje RC între etaje şi au reacţie negativă, pentru a asigura liniaritatea şi amplificări constante pe întreaga bandă.

Atunci când sursa de semnal a elementelor sensibile are rezistenţă sau impedanţă internă foarte mare, de ordinul (108 …109 Ω) este necesar ca în aceste situaţii măsurarea să se facă fără consum de putere de la sursa de semnal (traductoare de pH, traductoare de debit electromagnetice, piezoelectrice). În aceste cazuri amplificatoarele conţinute în adaptoare, numite amplificatoare electrometrice, trebuie să aibă impedanţe de intrare de ordinul (1012 …1014)Ω. Acest lucru se poate realiza utilizând:

amplificatoare cu modulator care conţin diode varicap; amplificatoare realizate cu tranzistoare de tip MOS.

Celelalte blocuri funcţionale sunt aceleaşi cu cele descrise la adaptoarele pentru ES parametrice.

1.2.4. Compensatorul automat – exemplu pentru adaptor pentru elemente sensibile de tip generator

27

Capitolul 1

Măsurarea precisă a tensiunii sau a curenţilor de nivel scăzut (daţi de elementele sensibile generatoare) se poate face cu scheme de măsurare de tip compensator care realizează compararea tensiunii sau curentului respectiv cu mărimi similare a căror valori pot fi reglate automat şi cunoscute cu precizie.

În acest fel măsurarea se poate face fără consum de putere de la elementele sensibile, deci se elimină erorile sistematice de metodă. Întrucât mărimile furnizate de elementele sensibile sunt variabile în timp, este necesar ca operaţia de compensare cât şi echilibrarea punţilor să se facă automat. Astfel, pentru o serie de traductoare la care se cer performanţe superioare, adaptoarele se realizează sub forma unor compensatoare automate, ca în figura 1.4.

Schema de principiu a unui compensator pentru măsurarea tensiunilor de nivel redus (cazul termocuplurilor) este prezentată în figura 1.4.

Fig. 1.4. Schema de principiu a unui compensator automat.

Schema reprezintă un sistem automat în circuit închis (sistem de urmărire) având ca intrare tensiunea Ux (de la ES), iar ca ieşire deplasarea unghiulară a axului servomotorului (SM). Acesta acţionează asupra cursoarelor potenţiometrelor P1 şi P2 prin intermediul reductoarelor R1 şi R2 şi asupra unui dispozitiv de indicare şi înregistrare (I ) pe diagrama (S). Tensiunea Ux se compară cu tensiunea UC (de comandă), culeasă de la potenţiometrul P1 şi care variază liniar cu poziţia cursorului.

Diferenţa de tensiune U=Ux-UC este amplificată de amplificatorul A şi aplicată servomotorului SM, care se roteşte şi prin reductorul R1 deplasează cursorul potenţiometrului P1, până când (Ux=UC), deci (U=0). Simultan servomotorul (SM) antrenează dispozitivul de indicare sau înregistrare (I), care se opreşte pe o poziţie la care se poate citi valoarea mărimii măsurate. Asemănător, prin reductorul R2 se antrenează cursorul potenţiometrului P2, obţinându-se

tensiunea de ieşire Ue =KUx , care poate fi de natura unui semnal unificat, în

domeniul [0…10] Vcc.Observaţii:

28


Dacă Ue este culeasă între cursorul lui P2 şi altă poziţie (decât capetele potenţiometrului) corespunzătoare unei valori de referinţă, atunci P2 + sursa poate îndeplini funcţia de comparator pentru un SRA (sistem de reglare automată) în care se află inclus traductorul.

În acest caz, Ue = K(Uref - Ux) şi reprezintă semnalul de eroare pentru SRA. Servomotorul (SM) având o caracteristică de element integrator, compensatoarele respective sunt denumite de tip integral. Caracterul integrator al servomotorului prezintă avantajul că la o variaţie treaptă a mărimii de intrare eroarea staţionară este nulă.

1.3. Adaptoare pentru traductoare numerice

În cazul reglării sau conducerii numerice a proceselor este necesar ca traductoarele să fie prevăzute cu ieşiri numerice.– Traductoarele numerice au semnale de ieşire compatibile TTL – care reprezintă valoarea măsurată în cod binar sau binar codificat zecimal.– Obţinerea semnalelor numerice la ieşirea traductorului este posibilă prin utilizarea unor convertoare analog-numerice (C.A.N.) care să transforme semnalul analogic (unificat) obţinut la ieşirea unuia din adaptoarele prezentate anterior, într-un semnal numeric la ieşirea traductorului (figura 1.5).

Pentru conversia analog – numerică există convertoare realizate cu componente discrete sau cu circuite integrate. Ţinând seama de principiile funcţionale, cele mai utilizate CAN sunt:

a) C.A.N. cu reacţie, care pot fi:– cu trepte egale de tensiune;– cu aproximaţii succesive.

b) C.A.N. funcţionând prin integrare.

Convertoarele sunt mult mai complexe decât adaptoarele (dar mai scumpe), deci utilizarea lor trebuie să se justifice economic.

Utilizarea C.A.N. este justificabilă dacă se folosesc circuite electronice de multiplexare a ieşirilor analogice, astfel încât un singur C.A.N. să fie folosit pentru măsurarea (conversia) mai multor semnale analogice.

Având în vedere principiul de funcţionare al C.A.N. cu reacţie, unde ieşirea C.A.N. se compară cu semnalul analogic de la intrare (care este afectat de zgomot), în cazul C.A.N. funcţionând prin integrare, acest dezavantaj este înlăturat.

C.A.N. prin integrare funcţionează astfel: ieşirea numerică (digitală) depinde de valoarea integrală a mărimii analogice de intrare într-un timp bine stabilit.

29

Capitolul 1

Fig. 1.5. Schema unui traductor cu semnal de ieşire numeric.

Cele mai utilizate C.A.N. funcţionând prin integrare sunt cele cu dublă pantă, a căror schemă este prezentată în figura 1.6:

Fig. 1.6. Structura unui CAN funcţionând prin integrare cu dublă pantă.

- Conversia mărimii analogice de intrare se realizează în două secvenţe. În prima secvenţă tensiunea de intrare (VIN) se aplică integratorului o perioadă de timp (T1), determinată prin blocul logic de comandă. Deci rampa obţinută are durată constantă şi pantă variabilă proporţională cu valoarea semnalului analogic de intrare (VIN), figura 1.7.

Fig. 1.7. Variaţia tensiunii la ieşirea integratorului.

- Sensul de creştere sau descreştere al rampei depinde de polaritatea tensiunii de intrare. În a doua secvenţă i se aplică integratorului o tensiune de referinţă care are sensul opus semnalului de intrare. Se va genera o rampă de tensiune în sens opus primei rampe.

30


Curentul de descărcare al condensatorului (încărcat după prima treaptă) este constant în timp, panta rampei de descărcare este constantă, deci durata de descărcare (T2) va fi variabilă, proporţională cu valoarea tensiunii la care s-a încărcat condensatorul. Comparatorul C semnalizează sfârşitul descărcării condensatorului, adică trecerea prin zero a tensiunii de la ieşirea integratorului. Tensiunea de la ieşirea integratorului la sfârşitul primei secvenţe este:

(1.11)Semnalul obţinut prin integrarea tensiunii de referinţă pe durata de descărcare T2 este:

(1.12)

Din egalitatea tensiunilor, exprimate prin relaţiile (1.11) şi (1.12), valabilă în momentul t’, rezultă:

(1.13)

Din (1.13) se obţine timpul T2: . (1.14)

Considerând referinţa constantă (Vref = ct.) se observă că durata de descărcare (T2) variază liniar cu tensiunea de intrare. Deoarece T1 este măsurat cu un semnal de tact de frecvenţă f0 , iar mărimea sa este: T1= N f0, (unde N este valoarea prefixată arbitrar), iar T2 este măsurat cu aceeaşi frecvenţă având

valoarea: T2 = Nx f0 , din egalitatea anterioară (1.14) rezultă:

(1.15)

Deci, numărul de impulsuri (Nx) înregistrat în numărător este direct

proporţional cu tensiunea de intrare (VIN) dacă Vref şi valoarea lui N sunt constante (prescrise).

În construcţia traductoarelor numerice prezintă interes deosebit elementele sensibile care pot furniza la ieşire semnale periodice sinusoidale sau impulsuri, a căror frecvenţă este dependentă liniar de mărimea de măsurat.

Conversia frecvenţei sau duratei în cod (numeric) poate fi realizată cu ajutorul unor scheme de complexitate mai mică ca în figura 1.8.

Mărimea de ieşire din E.S. este convertită în frecvenţă sau durată de impulsuri prin blocul CF (convertorul în frecvenţă). Semnalele obţinute sunt aplicate circuitului de poartă CP care realizează funcţia “SI”. CP primeşte un semnal de referinţă de la GT (generator de tact ) care, în cazul conversiei în frecvenţă, reprezintă un interval de timp calibrat, iar la conversia în durată - o frecvenţă calibrată.

31

Capitolul 1

Fig. 1.8. Schema de conversie a frecvenţei sau duratei - în cod numeric.

În acest mod, la ieşirea blocului CP rezultă un număr de impulsuri, proporţional cu mărimea de măsurat (x), care este acumulat de numărătorul N, eventual reţinut într-o memorie tampon (MT) şi transferat la ieşire sub formă numerică yN - în codul necesar (de regulă binar sau binar codificat zecimal) de către un decodificator adecvat (D). Blocul de control (BC) comandă funcţionarea, într-o anumită succesiune logică, acelor trei blocuri din figură şi asigură modurile de operare ale acestora.

1.4 Adaptoare pentru traductoare pneumatice

Traductoare pneumatice efectuează conversia mărimii de măsurat într-un semnal calibrat de natură pneumatică (aer instrumental sub presiune în domeniul de variaţie unificat). Traductoarele pneumatice sunt destinate aplicaţiilor în care mediile de lucru prezintă pericol de incendiu sau explozie şi nu permit utilizarea traductoarelor electrice. Dificultăţile de transmitere a semnalelor pneumatice la distanţă determină utilizarea traductoarelor pneumatice în instalaţii de automatizare sau agregate distribuite pe o suprafaţă redusă. Adaptoarele acestor traductoare realizează conversia mărimii furnizate de elementul sensibil în semnal pneumatic unificat (0.2…1) bar, adică (20…100) kPa - cu o putere suficientă pentru transmitere la distanţă şi prelucrare de către echipamentele pneumatice de automatizare.

1.4.1 Tipuri de adaptoare pentru traductoare pneumatice

În funcţie de natura fizică a semnalului furnizat la ieşirea elementelor sensibile adaptoarele pentru traductoare pneumatice - se realizează în următoarele moduri:

a) Sub forma unui amplificator de putere (presiune şi debit) alimentat de la o sursă de aer instrumental cu presiunea de 1,4 bari, dacă E.S. generează la ieşire semnal pneumatic.

b) Adaptor care funcţionează pe principiul compensării forţelor, dacă ES furnizează la ieşire o mărime de natura unei forţe.

32


În figura 1.9 este prezentat adaptorul pneumatic, funcţionând prin compensarea forţelor:

Fig.1.9. Adaptor funcţionând prin compensarea forţelor.

Notaţiile din figură au următoarele semnificaţii:Fi – forţă de intrare (în adaptor) generată de E.S.;

V – ventil (robinet) ;

PA – punct de articulaţie; AP – amplificator de putere;PC – pârghie de comparaţie; P – paletă (obturator);BR – burduf de reacţie; D – duză (ajutaj);Fr – forţă de reacţie dată de BR. SR – şurub pentru reglarea punctului

(poziţiei) zero;

Comparaţia forţelor Fi şi Fr se efectuează prin momentele (cuplurile) pe care

acestea le exercită asupra pârghiei PC. Acţiunea forţei Fi are ca efect apropierea paletei de ajutaj când scade şi ca urmare se obţine o creştere a presiunii de ieşire

(Pe) şi implicit o creştere a forţei de reacţie (Fr) de sens contrar forţei Fi. La

echilibru între Fi şi Fr rezultă că presiunea de ieşire exprimă valoarea forţei Fi.Observaţie:

Deplasările punctelor de aplicaţie ale forţelor sunt foarte reduse (de ordinul micronilor sau zecilor de microni).

c) Adaptorul pneumatic funcţionând prin compensarea deplasărilor

(figura 1.10). În acest caz forţele Fi şi Fr acţionează liber asupra pârghiei de comandă (PC) care nu are punctul de reazem.

Notaţiile au aceeaşi semnificaţie ca la figura anterioară (adaptor prin

compensarea forţelor). În acest caz, deplasarea xi produsă de Fi este echilibrată de

deplasarea xr dată de forţa (Fr) a burdufului de reacţie (BR). Sistemul de pârghii este astfel construit încât permite deplasări mai mari (ca în cazul anterior) ale

punctelor de aplicare a forţelor Fi şi Fr , dar deplasarea diferenţială a paletei (P) rămâne în domeniul redus (microni sau zeci de microni).

33

Capitolul 1

Fig. 1.10. Adaptor pneumatic funcţionând prin compensarea deplasărilor.

Ca urmare, adaptorul din figura 1.10 va avea o caracteristică mai liniară decât cel prezentat în figura 1.9. Dintre cele două tipuri de adaptoare, în realizarea traductoarelor este preferat adaptorul bazat pe compensarea forţelor, întrucât prezintă următoarele avantaje:

erori de neliniaritate şi histerezis reduse datorită deplasărilor foarte mici; rezistenţă ridicată la uzură, şocuri şi vibraţii.

Observaţie:În ambele variante constructive se observă prezenţa dispozitivului duză – paletă, care are funcţia de convertor deplasare – presiune şi se mai numeşte preamplificator pneumatic. Amplificatoarele pneumatice de putere (AP) pot fi de tipul:

- AP având consum continuu, care asigură o amplificare de presiune A=(1015) pentru un debit de ieşire variabil între 1200…1600 Nl/h (normal - litri pe oră);

- AP având consum intermitent, cu amplificarea: A=(1…5) la un debit de ieşire variabil în domeniul: 1500…2500 Nl/h.

Consumul de aer instrumental este variabil în domeniul: 600…1000 Nl/h – pentru AP ce funcţionează în regim continuu şi în domeniul: 150…400 Nl/h la AP care funcţionează în regim intermitent.

34

st_cap_1_gata.doc

Documents