1

TRADUCTOARE PENTRU TEMPERATURA Traductorul pentru măsurarea temperaturii poate folosi ca detector o gamă largă de dispozitive ca : termometre cu mercur, bimetal, termocupluri,termorezistenţe, pirometre, termistoare, dispozitive semiconductoare cu joncţiuni etc… Dintre acestea am ales pentru a fi prezentat senzorul de tip termistor şi cel pe bază de dispozitive semiconductoare, celelalte fiind discutate la Laboratorul de termodinamică. Termistorul Termistoarele sunt semiconductoare a căror rezistenţă electrică variază cu temperatura.Ele sunt de două tipuri: termistoare cu coeficient de temperatură negativ , (NTC) şi termistoare cu coeficient de temperatură pozitiv (PTC).Cel mai utilizat este termistorul NTC ,având proprietatea că rezistenţa sa electrică scade exponenţial atunci când temperatura creşte şi invers.Fabricarea lor lor se bazează pe amestecul unor pulberi de oxizi cu lianţi, uscate şi apoi sinterizate la temperaturi ridicate.Cele mai comune materiale includ oxid de fier, cobalt, nichel, cupru, zinc şi titan. Prin varierea tipurilor de oxizi, proporţiile acestora, atmosfera şi temperatura de sinterizare se pot obţine termistoare cu diferite valori de rezistenţă şi coeficienţi de temperatură. Constructiv, termistoarele pot fi realizate în diferite forme (fig.1) :disc, perlă, de tip papuc închis pentru măsurări de contact pe suprafaţă, capsule metalice cu şurub de montat pe suprafeţe, montate în capsule standard de diode.Cele mai precise, stabile şi care permit şi măsurarea unor temperaturi ridicate sunt cele încapsulate ermetic în sticlă.

Figura 1. Figura 2. In fig.2 se pot vedea 2 tipuri de termistoare încapsulate în sticlă, unul filiform, cilindric şi altul în formă de picătură şi dimensiunea lor comparativ cu o diodă 1N4148. În comparaţie cu termorezistenţele cu platină, termistoarele au timpi de răspuns mai mici, dar sunt neliniare şi au un domeniu de lucru mult mai limitat. Deşi noţiunea de termistor este adesea asociată cu neliniaritatea şi imprecizie se pot realiza termistoare cu sensibilitate ridicată şi cu precizii de +/- 0,05 oC….+/- 0,01 oC pe domenii de temperatură de 50-75 oC.Combinând precizia ridicată cu posibilităţile actuale de măsurare ( prin tehnici numerice liniarizarea poate fi realizată cu tabele de echivalenţă stocate în memoria nevolatilă a adaptorului în timpul calibrării ) se pot construi termometre bune şi ieftine.

2

100*]/[% 2TBK (1) - coeficient de temperatură

- B coeficient furnizat de fabricant [ K] - T temperatura în Kelvin

În ecuaţia (1) se arată cum se poate determina coeficientul de temperatură al termistorului, atunci cand se cunoaste constanta de material B. Aceasta constanta este furnizata de fabricant fiind specifica fiecarui tip de termistor.In plus, chiar pentru termistoarele de acelasi tip, constanta B variaza usor in finctie de rezistenta nominala a termistorului.

32 )([ln3)([ln2)(ln101

TRaTRaTRaaT

(2)

R(T) – rezistenta termistorului la temperatura T. Pentru termistoarele de precizie, variatia rezistentei cu temperatura se poate afla cu formula din ecuatia (2), numita si ecuatia Steinhart – Hart. Pentru a o aplica , coeficientii a0, a1, a2, a3 trebuie furnizati de fabricantul termistorului sau determinati experimental.

)*

)(exp()()(

O

OO TT

TTBTRTR (3)

R(T) - rezistenta termistorului la temperatura T [ K] R( T0) – rezistenta termistorului la temperatura de referinţă T0 In mod obisnuit, pentru aplicatiile cu o precizie mai redusa se poate folosi ecuatia (3) prin care se poate determina rezistenta la o temperatura data, cunoscand rezistenta nominala a termistorului ( adica la temperatura standard pentru termistori de 25 C) si constanta B.Toate relatiile sunt valabile daca termistorul este parcurs de un curent suficient de mic astfel incat sa consideram neglijabila autoincalzirea acestuia. Se poate considera puterea disipata ca fiind neglijabila daca, o scadere in continuare a puterii disipate, nu conduce la o modificare de rezistenta mai mare de 0,1%.Ecuatia (3) este valabila pentru domenii mici de temperatura, pentru care variatia rezistentei termistorului este cvasi-logaritmica. Marimi caracteristice pentru termistori

- In cataloage, valoarea rezistentei electrice a termistorului se da pentru temperatura standard de 25 C. Uzual se construiesc termistoare cu R (25 C) = 2 ..1M si avand domeniul temperaturilor de lucru cuprins intre – 100 C la max.+350 C.

- Coeficientul de temperatura ,denumit si factor de proportionalitate.Acesta indica cu cat se modifica rezistenta electrica a termistorului cand temperatura mediului ambiant variaza cu 1 0C.Coeficientul alfa se exprima in % /1 0C si poate avea valori cuprinse intre 3-15 % / 1 0C.

- Inertia termica sau constanta de timp (tau) a termistorului, reprezinta timpul pentru care rezistenta electrica a acestuia, se modifica cu 63,2% din valoarea initiala, in urma unui salt de temperatura. Ca valori uzuale = 1…60s.

- Constanta de disipare arata cu cat se supraincalzeste un termistor de un anumit tip, atunci cand este parcurs de un curent de masura dat.Constanta de disipare arata puterea necesara a fi disipata in termistor pentru a –i creste temperatura cu 1 grad Celsius.Daca avem un termistor de 2k , parcurs de

3

un curent de 1 ma, in el se va disipa o putere egala cu R* I2, adica 2 mW. Cum termistorul are de ex. o constanta de disipare in aer de 7,5mW/ K, termistorul se va autoincalzi cu 2mW/ 7,5 mW/ K = 0,26 0C. Constantele de disipare in alte medii (apa, ulei) sunt diferite, de obicei mai mari cu un ordin de marime.Pentru masuratori se pot utiliza curenti cuprinsi intre 10 mA si 1 mA, in funcţie de precizia dorită şi de rezistenţa nominală a termistorului.

Temperatura mediului în care este folosit termistorul este preluată de acesta fie direct din aerul înconjurător, fie prin fixarea termistorului cu un adeziv de piesa controlată.Conectarea termistorului în circuitul adaptorului, care va transforma modificarae rezistenţei electrice într-un semnal de ieşire, reprezentând o tensiune sau un curent, se poate face în mai multe moduri : - termistorul poate fi un element al unui divizor de polarizare a bazei unui

tranzistor - element de comandă al unei diode varicap - fie ca rezistenţă de comandă a unei reacţii în circuite operaţionale - termistorul se poate introduce ca braţ al unei punţi Wheatstone, urmând ca

tensiunea de dezechilibru sa fie folosită ca semnal de ieşire Aplicaţie practică 1 Se consideră o schemă în care termistorul comandă deschiderea unui circuit basculant bistabil ( CBB) prin modificarea tensiunii de polarizare.

Schema prezintă 2 stări; una în care temperatura mediului în care se află termistorul este sub valoarea de control ( supraveghere) şi a doua stare când temperatura este deasupra acestei valori.Termistorul va fi montat în incinta a cărei temperatură trebuie supravegheată, conectarea la restul schemei făcându-se cu un circuit bifilar. Tensiunea de ieşire se culege de la bornele rezistorului R5. Să presupunem că montajul trebuie să asigure menţinerea unei temperaturi constante t = +40 0C +/- 1 0C. Până la atingerea valoriide +40 0C termistorul prezintă o rezistenţă electrică pe care o notăm cu R1(Th). În această situaţie valorile rezistoarelor trebuie astfel calculate încât tranzistorul T1 să fie deschis, respectiv între baza şi emitorul lui să existe o tensiune de minim 0,65V.această tensiune este asigurată de divizorul

4

format din R1şi R1(Th) ţinând cont şi de căderea de tensiune pe R4.Existenţa curentului I1 prin tranzistorul T1 face ca între colectorul şi emiterul său să existe o tensiune mai mică de 0,2V.Cum această tensiune este aplicată tranzistorului T 2 drept tensiune de polarizare, rezultă că T2 va fi blocat, iar prin rezistorul R5 nu va circula nici un curent, deci semnalul de ieşire este nul.

Pe măsură ce temperatura creşte, rezistenţa electrică a termistorului scade.În momentul în care temperatura a ajuns la + 40 0C, termistorul prezintă valoarea R2 (Th) unde R2(Th) < R1(Th), iar tensiunea în baza lui T1 scade ca urmare a modificării raportului dintre R1 şi R(Th).tranzistorul T1 se blochează. Instantaneu are loc deblocarea lui T2, acesta primind tensiunea de polarizare pe bază prin R2 şi R3. Curentul de colector din T2 străbătând şi rezistorul de sarcină R5, face ca la bornele acestuia să apară o tensiune continuă, tensiune care constitue semnalul de ieşire ce va pune în funcţiune elementele de reglaj , avertizare ale instalaţiei. La scăderea din nou a temperaturii sub +40 0C valoarea lui R(Th) creşte, T1 se deschide din nou şi procesul se reia, schema acţionând cu o eroare admisă mai bună de +/- 10C. Termometru digital de control: Interval de măsură: - 50....+ 150 0C. • Gradaţii: 0.1°C • Precizie de măsură: ± 0.1°C Mod de lucru - Se introduce sonda cu termistorul în cutia termostatată. - Se introduce termometrul digital de control în cutia termostată. - Se reglează fin reostatul astfel încât termometrul de control să se stabilizeze

la o valoare cât mai apropiată de + 40 0C. - Se reglează fin semireglabilul R1 până în momentul producerii basculării ,

lucru constatat prin măsurarea tensiunilor . - Se întrerupe alimentarea rezistenţei de încălzire pentru a se răci (fără a

schimba pozitia reostatului de îmcălzire - După ce temperatura a scăzut sensibil cca. 4- 5 grade, se porneşte din nou

încălzirea , observându-se dacă procesul este repetabil în aceleasi condiţii. Se va calcula eroarea cu care acţionează schema . Aplicatie practica 2 Montajul in discutie prezinta modul cum poate un amplificator sa comande un releu, fiind actionat de catre o temperatura joasa (situata sub un anumit prag).

5

Amplificatorul operational 741 este conectat in bucla deschisa, fiind utilizat ca un comparator de tensiune. Cele 2 intrari ale sale sunt conectate la o punte rezistiva de tip Wheatstone, formata din trei rezistente si un termistor.Intrarea neinversoare (+)a AO este conectata la o tensiune fixa, egala cu jumatatea tensiunii de alimentare, furnizata de divizorul rezistiv R2-R3. In celalalt brat al puntii R1- R(Th), care alimenteaza intrarea inversoare (-) a AO, dat fiind faptul ca se utilizeaza un termistor NTC, tensiunea este functie de temperatura mediului. Din semireglabilul R1 se asigura un echilibru al puntii,atunci cand temperatura ambiantase afla in imediata apropiere a pragului fixat,ceea ce inseamna ca diferenta de potential intre cele doua intrari ale AO (pinii 2 si 3) este nula. Atat timp cat temperatura depaseste un anumit prag fixat, puntea este astfel dezechilibrata incat tensiunea de la intrarea inversoare (-) a AO este mai mica decat cea de la intrarea neinversoare (+). In aceste conditii, amplificatorul operational este basculat in starea cu iesirea (pinul 6) „SUS - H” Adica aceasta tensiune are o valoare mare pozitiva ( apropiata de cea a sursei de alimentare). Aceasta tensiune polarizeaza baza tranzistorului pnp, pe care il blocheaza. Prin tranzistor necirculand curent, rezulta ca nici bobina releului REL nu este parcursa de curent, releul fiind neanclansat. Daca temperatura coboara sub un anumit prag (determinat), rezistenta termistorului creste, ca si „caderea” de tensiune de pe el, deci tensiunea de pe intrarea inversoare (pinul 2) depaseste valoarea tensiunii de pe intrarea neinversoarea (pinul 3) a amplificatorului operational. Acesta basculeaza cu iesirea (pinul 6) in starea „JOS -L”, tensiunea fiind apropiata de masa.Acest lucru conduce la deblocarea tranzistorului T, prin care incepe sa circule curent. Curentul sau de colector (care reprezinta si curentul care parcurge bobina relelui) determina actionarea releului. Observatii - punctul de echilibru al puntii este independent de tensiunea de alimentare,

precizia acestui comutator termic nu este afectata de variatiile alimentarii. - bascularea AO dintr-o stare in alta (SUS, JOS) este produsa de o variatie a

tensiunii de intrare de numai cateva zecimi de volt.Aceste variatii pot fi provocate atat de modificarea rezistentei rezistorilor din punte, dar mai ales de variatia valorii termistorului pentru variatii extrem de mici ale temperaturii. Precizia este mai buna de 0,5 0C.

6

Modul de lucru - Se realizarea simularea schemei cu programul „Electronics Workbench”. Se

verifica prin simulare bascularea AO, se citesc tensiunile afisate de aparatele virtuale.

- Se realizeaza fizic montajul pe placa de proba. Se alimenteaza rezistorul de incalzire , reglandu-se temperatura in jurul valorii de 40 0C. Se verifica functionarea montajului, se masoara tensiunile in punctele de interes, anclansarea sau declansarea releului.

1. Cum trebuie modificat montajul daca se doreste ca actionarea releului sa se faca nu

la coborarea temperaturii sub un anumit nivel, ci la depasirea unui prag fixat anterior ?

Aplicatie practica Montajul contine un termistor ca element de comanda al unei diode varicap. Acest mod de utilizare a termistorului are numeroase aplicaţii în bioinstrumentaţie, măsurarea temperaturii în telemetrie, în general la măsurarea temperaturii la corpuri aflate în mişcare, aproape sau la distanţă.

Schema principială conţine un oscilator cu priză inductvă ( Hartley), a cărui frecvenţă este modificată de către dioda varicap, cuplată prin condensatorul de cuplaj de 20 pf cu

7

circuitul oscilant. Cunoscând relaţia lui Thomson LC

f2

1 , se observă că variaţia

frecvenţei nu este liniară cu capacitatea. Trasarea caracteristicii temperatură – frecvenţă Se face ipoteza simplificatoare că singurul element de circuit care afectează frecvenţa de lucru a oscilatorului este doar variaţia de capacitate a diodei varicap. În realitate, frecvenţa de oscilaţie este afectată în primul rând de variaţia tensiunii de alimentare. De aceea montajul trebuie alimentat cu o tensiune relativ scăzută ( 5V), foarte bine stabilizată. Toate elementele din circuit sunt afectate termic, cele mai afectate fiind elementele L şi C care fac parte din circuitul oscilant. Din această cauză, se alege o frecvenţă de oscilaţie sub 3 MHz, pentru care acest tip de oscilator prezintă o stabilitate acceptabilă. Modul de lucru Ca o măsură suplimentară se introduce oscilatorul într-o incintă foarte bine izolată termic, fără posibiltatea realizării de curenţi de aer şi se lasă oscilatorul să funcţioneze cel puţin 30 min. pentru a ajunge la stabilitate termică şi deriva minimă a frecvenţei generate ( +/- 10..15 Hz). Termistorul este ataşat împreună cu termometrul de control pe rezistenţa de încălzire. Se începe încălzirea treptată a rezistenţei, notănd temperatura termometrului digital şi frecvenţa afişată de frecvenţmetrul digital. Se trasează graficul în coordonate frecvenţă – temperatură. Pentru oscilatorul studiat şi condiţiile de lucru date, acest grafic poate fi folosit pentru măsurarea temperaturii fără contact cu un frecvenţmetru, prin telemetrie. Se porneşte receptorul radio , se aduce în apropierea frecvenţei de 3 MHz. Se repetă procedura de mai sus, frecvenţa citindu-se pe scala digitală a receptorului. Se trasează graficul în coordonate frecvenţă – temperatură. Cele 2 grafice trebuie să fie apropiate ca aspect. Aplicaţie practică Utilizarea termistoarelor împreună cu amplificatoare operaţionale pentru realizarea convertoarelor temperatură – frecvenţă

1 k 5 k

Vo+5V

1 kThermistor

5 k

Modul de lucru

8

Se simulează funcţionarea montajului cu programul Electronics Workbench. Se simulează variaţii de rezistenţă şi se măsoară pe voltmerul virtual valorile tensiunii de ieşire V0. Se trasează grafic dependenţa rezistenţă- tensiune. Se ataşează termistorul şi termometrul digital de control pe rezistenţa de încălzire. Se alimentează amplificatorul operational cu tensiune simetrică +/- 15 V şi tensiunea de + 5V pentru intrarea divizorului de tensiune format din rezistenţa de 5K şi termistor. Se conectează ieşirea amplificatorului la un osciloscop ( real sau virtual folosind programele de osciloscop virtual pe PC) sau un voltmwetru digital cu impedanţă mare. Determinarea constantei de timp Permite aprecierea timpului de reacţie a termistorului la schimbările de temperatură. Introduceti termometrul de control şi termistorul într-un vas cu apă fierbinte la cca. 70-80 0C. Se notează timpul şi tensiunea de iesire până la temperatura camerei, apoi se reprezintă grafic.Curba are un aspect exponenţial iar constanta de timp se determină prin calcul folosind definiţia acestei mărimi.

9

Dioda semiconductoare Dacă un curent de cca. 1 ma parcurge o diodă cu siliciu, la bornele sale apare o tensiune directă de aproximativ 600 mV. Aceasta tensiune directă variază cu temperatura, joncţiunea prezentând un coeficient negativ de temperatură de cca. 2 mV/ 0C.Puterea disipată pe diodă este numai de 600 microW la un curent de 1 mA, încălzirea acesteia este practic neglijabilă, ceea ce reprezintă un avantaj faţă de utilizarea termistoarelor , la aplicaţiile de temperatură joasă. Aplicaţie practică

La bornele diodei Zener (Dz) polarizate prin intermediul rezistorului R1, se gaseste o tensiune stabilizata de 5,6V. Aceasta tensiune este utilizata pe de o parte, pentru producera unui curent constant prin dioda D cu siliciu,prin intermediullui R4, pe de alta parte a unei tensiuni stabilizate la bornele lui R3, prin intermediul lui R2.La borna neinversoare (+) a AO se aplica o tensiune care depinde de temperatura, iar la intrarea sa inversoare (-) se aplica o tensiune de referinta fixa.Valoarea tensiunii de referinta se poate regla din R 3, echilibrând astfel tensiunea de repaus a diodei, aplicându-se în acest mod, între cele două intrări ale AO o diferenţă de potenţial care depinde de temperatură. Presupunem că semireglabilul R3 este astfel reglat pentru ca diferenţa de tensiune să fie nulă la temperatura de declanşare. Dacă temperatura depăşeşte acest prag, tensiunea directă de pe dioda cu siliciu ( utilizată ca SENZOR ) va scădea, astfel încât tensiunea de la borna neinversoare a AO devine mai mică decât cea de la borna sa inversoare, ceea ce determină bascularea amplificatorului în starea cu iesirea ( pinul 6) “ JOS’’ sau “LOW= L”.Acest lucru determină intrarea în conducţie a tranzistorului şi anclanşarea releului. În schimb, dacă temperatura scade sub un anumit prag, tensiunea directă pe diodă va creşte, determinând u+ >u- şi bascularea AO în starea cu ieşirea “SUS”sau “ HIGH =H”, blocând tranzistorul şi releul declanşarea releului.

10

Releul nu va fi anclanşat decât atunci când temperatura ambiantă va depăşi un prag fixat anterior. Precizia acestui tip de întrerupător este mai bună de 0,5 0C ( simularea arata un prag de 0,02 0 C) într-un domeniu de temperatură cuprins între – 50 0C şi +120 0C. Aplicaţie practică Termometrul electronic reprezintă o aplicaţie a amplificatoarelor diferenţiale şi foloseşte ca traductor de temperatură o diodă, de tip 1N4148 care prezintă un coeficient termic al căderii de tensiune la borne de cca. – 2mV/ 0C.

Modul de lucru După realizarea montajului, termometrul trebuie etalonat prin fixarea celor două extremităţi ale scalei instrumentului la temperaturile de 0 0C ( se aduce acul instrumentului la zero prin manevrarea semireglabilului P1 ) şi respectiv 100 0 C. Aducerea indicaţiei miliampermetrului la cap scală ( 1mA) se face prin manevrarea lui P 2. Scara va fi liniară în domeniul 0 – 100 0C. Pentru etalonare, traductorul va fi plasat în exterior, în contact cu un pahar cu apă cu gheaţă pentru 0 0C şi apă la fierbere pentru 100 0C. Se va verifica liniaritatea scalei comparând indicaţiile termometrului realizat cu cele ale unui termometru considerat etalon , cele două termometre fiind în contact cu o piesă încălzită la diferite temperaturi.Se va trasa grafic indicaţiile celor 2 aparate. Senzori de temperatură integraţi

11

Traductoarele integrate pentru măsurarea temperaturii sunt primele traductoare integrate apărute. Deşi intervalul lor de măsurare nu este prea extins ( - 50, +1500C), ele îşi găsesc o serie de aplicaţii la măsurarea temperaturii ambientale, dar şi la măsurarea altor mărimi prin intermediul variaţiilor de temperatură produse de aceste mărimi. Sunt larg răspândite două tipuri de traductoare integrate pentru măsurarea temperaturii:

- traductoare la care curentul de ieşire variază direct proporţional cu temperatura absolută;

- traductoare la care tensiunea de ieşire variază direct proporţional cu temperatura absolută.

Pentru prima categorie este reprezentativ circuitul AD590 ( Analog Devices – SUA) a cărui schemă de principiu este prezentată mai jos. Acest circuit integrat reprezintă o sursă de curent cu 2 terminale ce furnizează un curent – în A - numeric egal cu temperatura absolută –în K- în gama de temperatură cuprinsă între – 50 şi +150 0C, pentru tensiuni de alimentare UAB cuprinse între 4 şi 30 V. Eroarea absolută maximă la capetele intervalului de măsurare este de ordinul +/_ 2 0C. Cu circuite de corecţie, ea poate fi coborâtă la +/- 0,2 0C.

Din cea de-a doua categorie se prezintă circuitul integrat LM135 ( National Semiconductor – SUA). Caracteristica curent-tensiune a joncţiunii p-n este influenţată de temperatura mediului, conform relaţiei :

1exp

mkTqUII O

Folosind această dependenţă s-au realizat senzori de temperatură tip semiconductor, utilizabile cu mare precizie în domeniul de temperatură -50°C +150°C. Senzorii din seria LM135, LM235, LM335 sunt senzori de temperatură integrate de precizie şi uşor de calibrat. Circuitul integrat simulează funcţionarea unei diode zener având tensiunea de tăiere proporţional cu temperatura,

coeficientul de temperatură fiind 10mV/°K. Rezistenţa dinamică este de 1Ω şi lucrează într-un domeniu de curent de 400µA şi 5mA. Caracteristica de ieşire este liniară şi prezintă o eroare tipică mai mică decât 1°C pe domeniul de variaţie a temperaturii de 100°C. Tipul LM335 lucrează în domeniul de temperatură de la - 40°C până la 100°C. În figura de mai jos se arată configuraţia de bază a senzorului şi modul de calibrare folosind pinul ADJ.

12

Expresia tensiunii de ieşire este : O

TT TTVV

O* unde

OTV este tensiunea de ie;ire la

temperatura T0. integrează pe acelaşi cip blocul de condiţionare a semnalului, liniarizare, conversia analog digitală. Aplicaţie practică Senzor de temperatură LM75 Acest senzor de temperatură complex integrează pe acelaşi cip blocul de condiţionare a semnalului, liniarizare, conversia analog digitală. Senzorul conţine un convertor AD de 9 biţi care converteşte valoarea analogică corespunzătoare temperaturii într-o valoare digitală utilizabilă de PC. Comunicaţia serială folosită este I2C Acesta este un protocol folosit pentru comunicaţii seriale prin 2 fire cu diferite tipuri de dispozitive configurate similar. I2C constă fizic în 2 linii active şi o conexiune de împământare. Liniile active sunt denumite SDA şi SCL. Ambele linii sunt bidirecţionale. SDA este Serial Date Line iar SCL este Serial Clock Line. I2C este un bus (magistrala de transfer date) multi-master. Astfel prin I2C bus pot fi conectate mai multe circuite integrate capabile să iniţieze transferuri de date. Protocolul I2C specifică că integratul care iniţializează conexiunea este considerat Bus Master . În consecinţă restul circuitelor conectate la I2C sunt privite ca Bus Slaves.

Dacă Bus Master sunt microcontrolere (MCU) iată cum arată o secvenţă de comunicaţie pe I2C.

1. MCU trimite secvenţa START . În acest moment toate circuitele de pe bus trec în modul recepţie.

2. MCU trimite ADRESA circuitului cu care vrea să comunice impreună cu flagul operaţiei ( READ / WRITE ) .

3. Circuitele compară ADRESA cu adresa proprie şi dacă nu îi este destinat mesajul asteapta condiţia de STOP .

4. Dacă un circuit are ADRESA dorită de MCU atunci cipul va produce un mesaj ACKNOWLEDGE

13

5. Apoi se trece la transferul datelor. Când s-au terminat de transferat datele se trimite secvenţa de STOP.

LM75 este desemnat ca un dispozitiv “slave” şi poate fi configurat prin interfaţa I2C pentru a alerta sistemul PC asupra unor condiţii de maxim şi minim ale temperaturii.

Figura de mai sus reprezintă schema electronică preluată împreună cu programul freeware ds75v11.zip de pe pagina web menţionată . Pe portul serial al PC sunt semnale conform protocolului RS232, cu nivele teoretice între -12 V şi + 12V. Rolul interfeţei realizate cu circuitul CD4081 este compatibilizarea tensiunilor cu nivelul 0V/ 5V, caracteristic protocolului I2C.

14

Funcţiile utile accesibile pe bara de jos ( de la stânga la dreapta) :

- selectarea intervalului la care se pot face citirile - numărul de zecimale afişate după virgulă - începe măsurarea - înregistrarea datelor in fisier cu extensia .txt - stergere înregistrări - configurarea senzorului în modul de lucru comparator ( stabilirea

ferestrei de temperaturii maxime/ minime, etc…) - ON / OFF comenzi ce permit deschiderea sau închiderea magistralei

(bus) I2C. - Posibilitatea reglării unei temperaturi de offset, dacă e cazul. Modul de lucru - se introduce interfaţa în portul serial al PC. - se lansează în execuţie programul ds75v11.zip - se setează intrarea senzorului activ din cei 8 disponibili - se alege intervalul la care se doreşte efectuarea înregistrării - se calibrează senzorul integrat cu ajutorul unui termometru de control - se aşează senzorul pe un corp încălzit - se lansează comanda de efectuare a măsurătorilor , se salvează cca 20 –

30 valori pe fisierul text, apoi se trasează graficul ( de ex. în EXCCEL). ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

15

TRADUCTOARE FOTOELECTRICE

Traductoarele optice sunt folosite în instalaţii de automatizare ori de câte ori informaţia este prezentă sub forma intensităţii fluxului luminos. Ca exemple de utilizare se pot enumera lectorul optic de bandă, aprinderea automată a luminii, în locuri periculoase, la lăsarea întunericului, receptoare de cablu cu fibre optice, numărarea obiectelor care se deplasează pe o bandă rulantă, traductoare de turaţie sau referinţă de fază pentru dispozitive aflate în mişcare de rotaţie, etc.

Traductoarele de radiaţii luminoase folosesc drept senzor un dispozitiv semiconductor, care poate fi o celulă fotoelectrică, o fotodiodă sau un fototranzistor.Semnalul obţinut de la un asemenea senzor, totdeauna un semnal electric, este introdus în etajul adaptor al traductorului unde, de regulă, este amplificat sau transformat în oscilaţii electrice.

După modul în care este iluminat detectorul de lumină, traductoarele de radiaţie luminoasă pot fi de tip activ şi de tip pasiv. La cele de tip activ raza de lumină cade permanent pe detector, traductorul urmând să genereze semnalul de control atunci când raza de lumină este întreruptă. La traductorul de tip pasiv, starea de lucru obişnuită este fără iluminarea senzorului, urmând ca la apariţia razei de lumină să fie generat şi semnalul de lucru.Sunt situaţii însă când acelaşi traductor lucrează o parte din timp ca traductor activ, iar apoi ca traductor pasiv. Este cazul dispozitivelor automate de stingere şi aprindere a luminilor la lăsarea nopţii sau începutul zilei.

În cazurile în care semnalul de la ieşire este proporţional cu iluminarea ( cazul fotodiodelor), se obţin traductoare capabile să conducă direct şi fără dificultate procesele tehnologice în circuitul cârora sunt introduse.

Când semnalul de la ieşirea detectorului fotoelectric nu este proporţional cu iluminarea ( cazul fototranzistoarelor), atunci se folosesc scheme de tipul “tot sau nimic”.Constructiv, fototranzistorul este un tranzistor prevăzut cu o fereastră de acces a luminii şi la care în locul semnalului electric aplicat de regulă pe bază, se foloseşte ca element de comandă lumina. Majoritatea fototranzistoarelor nu au prevăzut terminalul de bază, ci numai terminalul corespunzător emitorului şi colectorului.

Printr- un fototranzistor, cu baza liberă şi în absenţa luminii va circula între emitor şi colector aşa- numitul curent de întuneric:

CBOD II

- factorul de amplificare al tranzistorului;

- ICBO fotocurentul generat de joncţiunea bază- colector pentru iluminarea

E = 0

Când fotojoncţiunea bază- colector este iluminată, prin aceasta ia naştere un curent de iluminare Il , cu atât mai mare cu cât iluminarea este mai mare, iar curentul de colector va deveni:

16

)( lCBOL III

Caracteristicile în planul IC – UC ale unui fototranzistor sunt asemănătoare cu cele ale unui tranzistor, cu deosebirea că la fototranzistor, rolul curentului de bază (polarizarea) îl are iluminarea.

Aplicaţie practică

Fototranzistorul este conectat în circutul de polarizare al

tranzistorului BC107, acesta fiind montat în regim de repetor pe emiter.Când fototranzistorul nu este iluminat, rezistenţa sa internă este foarte mare, ceea ce nu permite ca tensiunea sursei de alimentare să ajungă la baza tranzistorului.În aceste condiţii T1 este blocat, ceea ce însemnă că prin rezistor nu circulă nici un curent şi tensiunea de ieşire este nulă.

La apariţia luminii pe fereastra de acces a fototranzistorului, acesta devine conductor, prin el începe să circule curent de colector care va trece prin rezistorul din emiter. La bornele rezistorului apare o tensiune continuă de ieşire, care reprezintă răspunsul traductorului la apariţia luminii.

17

Pentru a realiza un montaj de tip pasiv, adică semnalul să dispară la apariţia luminii, locul fototranzistorului va fi schimbat si schema va fi completată cu rezistorul de 33k . În lipsa luminii rezistorul va asigura deblocarea lui T1 şi deci existenţa unei tensiuni permanente la bornele de ieşire. La apariţia luminii, rezistenţa mică a fototranzistorului deschis face ca potenţialul la baza lui T1 să fie apropiat de zero şi semnalul la ieşire să dispară.

Varianta de mai sus este realizată ca amplificator, semnalul de ieşire culegându-se de la bornele rezistorului de sarcină. Semnalele obţinute de la aceste tipuri de traductoare pot fi folosite pentru a pune în funcţiune, sau de a opri, funcţionarea unor dispozitive de automatizare. Montajul din figura de mai jos asigură o oscilaţie la bornele de ieşire atunci când fototranzistorul este iluminat, însă acest semnal are forma unor impulsuri dreptunghiulare, având o frecvenţă de repetiţie dată de relaţia :

][2*1

6,0 HzCR

f unde R1 şi C2 se exprimă în ohmi, respectiv în farazi.

Circuitul realizat cu T1 şi T2 reprezintă un circuit basculant astabil cu cuplaj pe emitor.Fototranzistorul atunci când este iluminat şi deci este deschis, lucrează ca rezistenţă ce asigură tensiunea de polarizare a bazei lui T1.Semnalul de ieşire se vizualizează pe osciloscop.

18

Aplicaţie practică Montajul anterior care acţionează declanşat de către un termistor poate fi transformat în întrerupător declanşat de lumină, prin înlocuirea termistorului cu o foto rezistenţă. Fotorezistenţa este un rezistor realizat dintr+un material semiconductor, a cărui reuistenţă depinde de valoarea intensităţii fluxului luminos incident. Mod de lucru Întrerupătorul va declanşa la scăderea iluminării sub un anumit prag.

- se realizează simularea funcţionării cu EWB. - se realizează pe placa de test montajul real. La acoperirea

fotorezistorului se va observa declanşarea releului.

Utilizarea senzorilor fotoelectrici la transmiterea semnalelor Lumina poate fi modulată pentru a purta informaţii de tip analogic sau digital. Astfel se pot transmite semnale analogice audio, video şi semnale digitale.Un sistem de comunicaţie folosind lumina conţine un emiţător şi un receptor.Emiţătorul emite o rază de lumină modulată.Receptorul detectează raza de lumină, extrage şi procesează informaţia din lumina modulată.Comunicaţiile folosind lumina pot fi realizate fără fir sau folosind o fibră optică.În comunicaţiile fără fir nu există legătură sau conexiune între emiţător şi receptor.

Emiţătorul emite o lumină modulată ce călătoreşte prin spaţiu şi ajunge la receptor.

Emiţător

Receptor

Diodă luminescentă

Fototranzistor

19

Comunicaţiile folosind o fibră optică conectează emiţătorul cu receptorul prin intermediul acelui fir.Fibra optică acţionează ca un ghid de undă pentru lumină.

Tipuri de modulaţie utilizate Se utilizează trei tipuri importante de modulaţie a luminii: modulatie de amplitudine, modulaţia în impulsuri de amplitudine şi modulaţia în impulsuri de frecvenţă. Modulaţia de amplitudine ( AM) La modulaţia de amplitudine, semnalul modulator controlează intensitatea luminii. În figura (a) se foloseşte pentru modulaţia în amplitudine a luminii semnal audio sinusoidal. Intensitatea luminii urmăreşte variaţiile de tensiune a semnalului audio.

( a) ( b) ( c) Modulaţie în impulsuri de amplitudine Modulaţia impulsurilor în amplitudine este o modulaţie în amplitudine în care purtătoarea, în loc să fie armonică, este formată din impulsuri. Forma acestor impulsuri poate să fie oarecare, dar cel mai des folosite sunt impulsurile dreptunghiulare.Figura (b) arată forma semnalelor modulatoare si modulate. Ca semnal modulator se foloseşte acelaşi semnal audio sinusoidal, semnalul purtător este o succesiune de impulsuri luminoase. Semnalul modulat conţine un şir de impulsuri dreptunghiulare , intensitatea impulsurilor luminoase urmăreşte variaţia tensiunii semnalului audio. Modulaţia de impulsuri în frecvenţă

Emiţător

Receptor

Fibră optică

20

În cazul acestei modulaţii, semnalul modulator controlează frecvenţa impulsurilor

de lumină emise de emiţător.În figura (c) se vede semnalul audio sinusoidal utilizat pentru a modula frecvenţa impulsurilor de lumină. Intensitatea impulsurilor este întotdeauna aceeaşi în timp ce frecvenţa lor urmează variaţia tensiunii semnalului audio.

Aplicaţie practică : Receptor optoelectronic Fototranzistorul Q1 converteşte fascicolul de lumină modulată într-un curent

electric variabil. Acest curent este trimis prin condensatorul C1 la intrarea unui amplificator audio. Rezistorul R1 polarizează corespunzător colectorul fototranzistorului. Circuitul integrat IC1 amplifică semnalul primit de la Q1 iar audiţia se face in difuzorul alimentat prin C4. Condensatorul C3 conectat între pinul 1 şi 6 a amplificatorului determină amplificarea totală a circuitului integrat. Acest circuit va fi capabil să extragă semnalul audio (informaţia) ce modulează în amplitudine raza de lumină ce atinge fototranzistorul, să-l amplifice şi să –l reproducă în difuzor.

Modul de lucru : Pe placa de test se lipesc următoarele

piese , după schema de conexiuni : R1 24k C1 47 F C2 100 F C3 10 F C4 100 F Q1 fototranzistor transparent IC1 LM 386

Emiţător optoelectronic

Acest montaj electronic emite o rază de lumină modulată în amplitudine cu ajutorul semnalului audio muzical produs de un receptor de radiodifuziune, un CD player sau altă sursă asemănătoare.

Modul de lucru Pe placa de test se lipesc următoarele piese , după schema de conexiuni : R1 10k R2 4,7k R3 220 R4 1k R5 100 P1 50 k C1 4,7 F Q1 tranzistor npn de audio frecvenţă

21

Semnalul audio se aplică la bornele rezistenţei de sarcinăR1, prin condensatorul C1 şi rezistorul R2 bazei tranzistorului Q1. Rezistoarele R3, R4 şi potenţiometrul P1 sunt folosite pentru stabilirea unui punct de funcţionare optim pentru tranzistor.Tranzistorul Q1 mplifică semnalul din bază producând un curent emiter-colector important, proporţional cu semnalul audio. Trecerea acelui curent prin dioda luminescentă LED creează raza de lumină care variază în amplitudine urmărind variaţiile sursei de semnal audio. Datorită frecvenţei relativ ridicate a semnalului audio 50 Hz – 8000Hz aprox., ochiul nu va sesiza variaţiile de intensitate ale razei de lumină . Rezistorul R5 limitează curentul prin diodă la o valoare admisibilă.

1. Conectaţi sursa de semnal audio la intrarea emiţătorului, pe rezistorul R1. 2. Aliniaţi optic dioda LED cu fototranzistorul Q1 din montajul receptorului

fotoelectric. Cele 2 plăci se vor aşeza la distanţă de 5- 10 cm. 3. Din acest moment trebuie să se audă zgomote în difuzor. Se reglează

potenţiometrul P1 din emiţător astfel încât semnalul audio să se audă clar, fără distorsiuni.

4. Prin intercalarea unui obiect opac se observă dispariţia transmisiei. Depărtarea fototranzistorului de dioda luminescentă determină slăbirea semnalui până la dispariţie.

Traductor magnetic

Traductoarele magnetice pot fi folosite pentru a detecta variaţiile de câmp magnetic, pentru citirea cu ajutorul unui cap magnetic a informaţiei memorată digital pe un suport magnetic (de exemplu cartelele acces ), ca detectoare de poziţie sau pentru determinarea turaţiei sau referinţei de fază pentru dispozitive aflate în mişcare de rotaţie, pe care s-a montat un magnet permanent. În unele aplicaţii magnetul permanent nu este montat pe obiectul aflat în mişcare de rotaţie, el fiind amplasat lângă elementul sensibil, variaţia de câmp magnetic fiind generată de neuniformităţile obiectului aflat în mişcare, dacă acesta este realizat din material feromagnetic (de exemplu pentru determinarea turaţiei unei roţi dinţate prin determinarea numărului de dinţi ce trec prin faţa traductorului într-un interval de timp dat). În figură este prezentată schema electrică a unui traductor magnetic.

22

Elementul sensibil este bobina cu miez magnetic L1. Amplificatorul operaţional lucrează într-o schemă de comparator inversor cu histerezis, reacţia pozitivă fiind asigurată de R9 care determină valoarea histerezisului pentru R7, R8, R10 şi VCC date. Deoarece această categorie de montaje lucrează cu valori foarte mici ale histerezisului, de ordinul mV, este îndeplinită condiţia R9 >> R10 , deci în calcule se poate neglija R10. De obicei rezistenţele R7 şi R8 au valori egale pentru a se lucra cu praguri simetrice faţă de jumătatea tensiunii de alimentare. Modul de lucru 1 Cu ajutorul unui magnet permanent se induce în L1 o tensiune electromotoare şi se vizualizează pe osciloscop semnalul generat la ieşire. 2 Se măsoară tensiunile Upj şi Ups pe intrarea neinversoare a lui IC1-C (ieşirea comparatorului trebuie să fie "sus" pentru Upj şi "jos" pentru Ups ).

23

TRADUCTOARE DE PROXIMITATE INDUCTIVE ŞI CAPACITIVE

1. Scopul lucrării Lucrarea are drept scop prezentarea constructivă a traductoarelor de proximitate inductive şi

determinarea caracteristicilor de lucru ale acestora.

2. Consideraţii teoretice a) Traductoare de proximitate inductive

Traductoarele de proximitate fac parte din categoria traductoarelor fără contact, proximitatea însemnând apropierea dintre două elemente : unul de referinţă fix, iar al doilea aflat în mişcare.

Ca domeniu de aplicabilitate se pot enumera : sesizarea capetelor de cursă, sesizarea unei distanţe între două suprafeţe, sesizarea prezenţei unui obiect în câmpul de lucru. Schema bloc a unui astfel de traductor este prezentată în figura 1. Oscilatorul din cadrul traductorului întreţine un câmp electromagnetic de înaltă frecvenţă, în jurul bobinajului.

Fig.1 Schema bloc a traductorului de proximitate inductive

Apropierea unui corp metalic de faţa activa a traductorului conduce la amortizarea oscilaţiilor (fig.2). Etajul electronic de basculare prelucrează semnalul rezultat şi comandă, prin intermediul amplificatorului, sarcina de tip releu. Alimentarea blocurilor componente ale traductorului, se realizează din exterior prin bloc separat.

Fig.2. Principiul de funcţionare al traductorului de proximitate inductiv Cotele funcţionale necesare pentru definirea caracteristicilor de funcţionare sunt (fig.3): e -

grosimea ecranului metalic; l - lăţimea ecranului; L - lungimea ecranului; X,Y- poziţia ecranului faţă de axa de simetrie a feţei sensibile; s - distanţa de la ecran la faţa sensibilă.

Fig.3. Cote funcţionale ale traductorului

24

Principalele caracteristici funcţionale sunt : a) Zona de acţiune, delimitată de curbele limită: curba de anclanşare (amortizarea

oscilaţiilor) şi curba de declanşare (reluarea oscilaţiilor) (fig.4); b) Distanţa utilă de detecţie, care este puternic influenţată de natura şi dimensiunile ecranului (fig.5).

c) Histereza, definită ca şi distanţa dintre punctele de pornire şi cele de oprire ale oscilaţiilor, în aceleaşi condiţii (fig.4). d) Durata impulsului de ieşire, determinată în principal de viteza şi dimensiunile ecranului metalic.

Fig.4. Fenomenul de histereză al traductorului de proximitate inductive

Fig.5. Influenţa ecranului asupra caracteristicilor traductorului Din punct de vedere constructiv, aceste traductoare se execută sub diverse variante

funcţionale (cu faţa sensibilă inclusă, frontal sau lateral, în corpul propriu-zis al traductorului, sau cu faţa sensibilă separată prin cablu flexibil de corpul traductorului) sau constructive.

b) Traductoare de proximitate capacitive Reamintim relaţia de calcul a capacităţii unui condensator plan:

dSC *

Capacitatea acestui condensator devine variabilă prin modificarea distanţei dintre armături sau modificarea dielectricului dintre acestea (variaţia suprafeţei nu am luat-o în considerare). Dacă acest condensator se identifică cu cel din circuitul de măsură înseamnă că prin apropierea unui element mobil (conductor sau dielectric) de faţa sensibilă a traductorului capacitatea electrică se modifică. Forma unui traductor capacitiv de proximitate este prezentată în figura 6.

25

Fig.6. Traductor capacitiv de proximitate

Traductorul este realizat dintr-o carcasă – ecran în interiorul căreia se găseşte o armătură

izolată. Fucţionarea diferă în funcţie de natura corpului controlat. Variantele constructive pentru detectarea materialelor conductive electric se bazează pe realizarea unui condensator dintr-o armătură – faţa sensibilă a traductorului a doua armătură fiind chiar corpul controlat. La detectarea materialelor dielectrice acestea modifică permitivitatea relativă a condensatorului format.

3. Instalaţia experimentală Instalaţia experimentală folosită pentru ridicarea caracteristicilor traductorului este

prezentată în figura 6 şi este compusă din următoarele : masa de poziţionare (1) în coordonate x,y; comparatoare (2),(2') pentru controlul deplasărilor pe direcţiile x,y (în cazul în care controlul din şuruburile mesei (1) nu este mulţumitor); traductorul de proximitate (3); aparat de măsură (4), al semnalului obţinut de la traductor; piesa metalică (5), a cărei poziţie se controlează; sursa de tensiune stabilizată (6) pentru alimentarea traductorului cu tensiunea Ui = 12 V. În funcţie de tranzistorul intern al traductorului (npn sau pnp), schema de alimentare

În funcţie de tranzistorul intern al traductorului (npn sau pnp), schema de alimentare a traductorului este următoarea :

4. Modul de lucru

26

4.1. Se fixează piesa (5), pe masa în coordonate, prin intermediul şurubului (7); 4.2. Se fixează traductorul (3) în suportul (8);

4.3. Se reglează poziţia de zero a comparatoarelor (2), (2') pe cele două direcţii, asigurându-se coincidenţa axei piesei (5) cu cea a traductorului; 4.4. Se conectează sursa de tensiune (6) pe treapta Ui = 12 V şi un curent I = 0.2 A;

4.5. Se înregistrează, la aparatul (4), semnalul obţinut de la traductorul (3) pentru poziţii diferite xi ; înregistrările se realizează în ambele sensuri de mişcare ale piesei (5)(Tabelul 1);

4.6. Se reglează masa în coordonate pe o poziţie xi, înregistrându-se semnalul traductorului la diferite poziţii yi (Tabelul 2);

4.7. Se schimbă piesa (5) cu o alta din alt material, reluându-se operaţiile de la punctele anterioare [(4.3);(4.5);(4.6)];

5. Prelucrarea datelor experimentale 5.1. Pe baza valorilor obţinute la punctele (4.5) si (4.6) se ridică

graficul zonei de acţiune delimitată e curbele limită (curba de anclanşare şi cea de declanşare); 5.2. Se determină, pe baza valorilor obţinute la pct.(4.5) , (4.6) şi (5.1), valoarea histerezei; 5.3. Se trasează curbele de variaţie ale semnalului traductorului funcţie de poziţia piesei; 5.4.Pe baza graficelor trasate, se emit concluzii privind funcţionarea traductorului şi influenţa materialului piesei (5) asupra acestuia.

27

Traductor ultrasonor pentru distanţă

Principiu de funcţionare se bazează pe generarea unor unde acustice şi detectarea lor ca urmare a reflexiei lor pe un obiect.Aerul atmosferic este mediul purtător al undelor ultrasonice. Un emiţător ultrasonor emite un tren de impulsuri ultrasonore. Acestea nu pot fi detectate de urechea umană.După emisie, pulsul ultrasonic este reflectat de către un obiect aflat în zona de sesizare a senzorului şi trimis înapoi la receptor.

Prin măsurarea timpului între impulsul emis şi ecoul detectat se poate determina distanţa până la obiect. Viteza sunetului este de 343 m/s la temperatura obişnuită a camerei. Sunetul parcurge aceeasşi distanţă d dus- întors, deci vom avea relaţia : 2d = vs T Întărzierea T între cele două semale este evaluată electronic. Între anumite limite, semnalul de ieşire din traductor este proporţional cu distanţa până la obiect. Obiectele detectate pot fi din materiale diferite.Forma, culoarea, starea solidă sau lichidă, pulverulentă are o influenţă minimă asupra

Corp identificat prin ecolocaţie ultrasonoră

Emiţător Receptor

d

d

28

detecţiei.În cazul suprafeţelor netede, acestea trebuie aliniate perpendicular pe raza ultrasonoră. Schema bloc a senzorului ultrasonic 1. Oscilator 2. Amplificator 3. Etaj de evaluare 4.Adaptor de măsură 5. Alimentare exterioară 6. Stabilizare internă de tensiune 7. Converter ultrasonic cu zonă activă 8. Ieşire de curent 4-20 mA Caracteristici tehnice:

Tensiune de alimentare 24 V cc. Curent de ieşire 4- 20 mA Rezistenţă de sarcină : < 400 Ohm Distanţă măsurată: 150 – 500 mm Distanţa minimă între senzor si un perete lateral reflectorizant : >

75 mm 1 mm Eroarea de liniaritate : 0,2 % pe întreg domeniu Unghiul de apertură a conului de unde sonore: aprox. 50 Senzorul ultrasonic poate fi folosit şi pentru măsurarea nivelului unui lichid ( nivelmetru ultrasonic). Pentru exemplificare se prezintă o curbă caracteristică ,determinată în următoarele condiţii:

Senzorul a fost folosit pentru un traductor de nivel, distanţa între fundul vasului şi senzor fiind aleasă de 330mm.

Micile oscilaţiide la începutul şi de la sfârşitul dreptei sunt inerente şi apar datorită construcţiei senzorului.

29

Modul de lucru - Se montează senzorul pe suportul său. - Se poziţionează un corp metalic reflectorizant coaxial cu senzorul. - Se notează distanţa iniţială. Se alimenteză cu tensiune senzorul şi se pune drept sarcină o rezistenţă mai mică de 400 Ohm ( 350 Ohm ) în serie cu un ampermetru digital.Comutatorul instrumentului digital se fixează pe indicaţia 20 mA curent continuu. - Se alimentează senzorul cu tensiunea de 24V cc. respectând codul culorilor pentru fire ( roşu > +, negru > - ) . - Se îndepărtează sau se apropie corpul reflector în cel puţin 10 puncte, notând în fiecare punct valoarea curentului afişat de ampermetru.Se ţine cont să nu se depăşească valorile extreme pentru posibilităţile senzorului ( 150-500 mm). - Se trasează graficul curent – deplasare folosind un program de calcul cunoscut ( EXCEL). SENZORI ŞI TRADUCTOARE TENSOMETRICE REZISTIVE Senzorii tensometrici rezistivi reprezintă senzorii rezistivi la care variaţia rezistenţei electrice se produce prin variaţia lungimii conductorului, ca efect al alungirii sau contracţiei. Dacă senzorul tensometric este fixat pe o porţiune dintr-o piesă care se deformează din cauza unei solicitări, el se va deforma la fel cu piesa.

30

. Alungirea sau contracţia unui senzor tensometric rezistiv. Măsurând prin metode electrice variaţia de rezistenţă a senzorului tensometric, care este proporţională ca alungirea sa, se poate determinape baza unei etalonări prealabile, deformatia în porţiunea de piesă studiată şi în final mărimea neelectrică ce a produs această deformaţie. După modul de realizare şi de montare a senzorului rezistiv se disting următoarele tipuri de traductoare:

traductoare tensometrice simple Pentru aceste traductoare, senzorul rezistiv se montează direct pe piesă şi el urmăreşte deformaţiile piesei. Deoarece firul rezistiv are grosimea de ordinul sutimilor de milimetru, montarea acestor senzori este o operaţie dificilă fi de aceea ele se utilizează numai pentru măsurarea temperaturilor pieselor ce funcţionează la temperaturi ridicate.

Traductoare tensometrice cu suport de hârtie Penau a se elimina dificultăţile montării directe a senzorului rezistiv pe piesă acesta este lipit, în prealabil, cu un adeziv pe un suport de hârtie. Întrucât rezistenţa electrică a senzorului trebuie să fie destul de mare, pentru ca traductorul să aibă o sensibilitate corespunzătoare, lungimea totală a firului este de ordinul a 10 cm. Pentru a se reduce suprafaţa de aşezare a traductorului, firul este dispus sub forma unui grilaj

Senzorul tensometric rezistiv cu suport de hârtie:

- Grilajul de fir se lipeşte pe suportul de hârtie sau alt material izolator, iar la capetele sale sunt lipite două terminale de cupru, de secţiune mai mare, prin intermediul cărora se conectează traductorul în circuitul de măsurare. Senzorul rezistiv al .traductorului este protejat printr-o foiţă subţire de hârtie care se lipeşte pe deasupra. Pentru utilizare, suportul traductorului se lipeşte pe piesa de măsurat cu un adeziv cu proprietăţi speciale. Acest tip de traductor, care este cel mai răspândit, prezintă o serie de avantaje: se instalează relativ uşor, traductoarele produse într-un lot sunt unifome din punct de vedere al calităţii, se pot face traductoare de diverse forme şi configuraţii.

Traductoare tensometrice rezistive cu folie

31

Aceste traductoare rămân în principiu identice cu cele precedente deosebirea constând în faptul că senzorul nu mal este o sârmă subţire, ci o folie din material rezistiv de grosime între 2 şi 20

m , aplicată pe suport şi decupată prin mijloace fotochimice.

Traductoare tensometrice rezistive cu folie ( variante constructive)..

Traductorul cu folie are avantajul unui contact mecanic şi termic mai bun cu piesa cercetată, ceea ce permite funţionarea cu un curent de măsurare mai mare. Totodată se pot obţine dimensiuni mai mici şi se simplifică producţia de mare serie

- Traductoare tensometrice rezistive cu semiconductor

Aceste tipuri de traductoare au apărut în ultimii ani datorită dezvoltării fizicii semiconductoarelor obţinându-se traductoare la care senzorul este un semiconductor (siliciu sau germaniu). Avantajul principal , faţă de tipurile de traductoare menţionate este marea lor sensibilitate la deformaţii (de 50...60 ori mai sensibile decât traductoarele eu sârmă sau folie). Din cauza procesului de fabricaţie mai dificil acest tip de traductor este mai scump decât cele cu fir sau folie.

În general dimensiunile traductoarelor tensometrice sunt cuprinse între 3 şi 150 mm ca lungime; lungimile sub 20 mm sunt pentru măsurare deformaţiilor materialelor omogene (de exemplu oţel) iar lungimile mai mari pentru materiale neomogene (de exemplu beton sau lemn). Ele au 1...60 mm ca lăţime.

Pentru măsurarea deformaţiilor care au loc în lungul unei direcţii cunoscute de exercitarea efortului este suficientă folosirea unui singur traductor.

Când direcţia efortului nu este cunoscută dinainte se foloseşte o reţea multiplă de senzori (rozetă) care permite calculul ulterior ai direcţiilor şi valoril deformaţiilor.

32

Rozetele tensometrice sunt realizate din 3-4 senzori tensometrici situaţi la 450 sau 600, 900, după cum se vede în figura de mai sus.

Între variaţia de rezistenţă a senzorului şi alungirea sa specifică ll

există

relaţia liniară: *kRR

k fiind sensibilitatea senzorului cu valoarea k=2

Pentru obţinerea unei sensibilităţi mărite şi pentru compensarea erorii de temperatură se utilizează punţi în regim neechilibrat cu 1,2 sau 4 senzori activi alimentate cu tensiuni continue sau alternative. Puntea în regim neechilibrat

Pentru demonstrarea relaţiilor privind tensiunea de dezechilibru vom considera alimentarea punţii cu tensiune continuă. Tensiunea de dezechilibru U U2 –U1 este dată de relaţia :

))(( 4231

4132

RRRRRRRRUU

TRADUCTOARE DE FORŢĂ

Pentru măsurarea forţelor se realizează convertoare de măsurare sub formă de capsule (capsule dinamometrice) care se montează în serie cu corpul de măsurat şi trebuie să suporte întreaga forţă, prezentând în acelaşi timp o variaţie de lungime cât mai mică. În funcţie de senzorii folosiţi capsulele dinamometrice pot fi: rezistive, capacitive, inductive, magnetoelastice, piezoelectrice.

De exemplu, capsula dinamometrică pentru solicitări de compresiune realizată cu senzori tensometrici prezintă un corp elastic(3) pe suprafaţa căruia sunt aplicaţi patru senzori tensometrici, doi în direcţie verticală (4), adică în direcţia forţei şi ei vor fi comprimaţi, ceilalţi doi în direcţie orizontală (5) care vor fi întinşi. Dilatarea sau comprimarea la care este supus acest corp sunt convertite de senzori în variaţii de rezistenţă ± R , iar aceste variaţii sunt convertite în tensiune electrică prin intermediul unei punţi în regim neechilibrat. În cazul alimentării în cc. se obţine schema funcţională din schema bloc care evidenţiază că deviaţia instrumentului magnetoeleetric este proporţională cu forţa măsurată, iar mărimile de influenţă ce pot afecta exactitatea măsurării sunt: modulul de elasticitate E al materialului din care este executat corpul elastic şi tensiunea de alimentarea punţii. Pentru a asigura preluarea forţei axiale, contactul se realizează prin intermediul unei bile din oţel de rulment (1).

33

Există şi variante constructive realizate pentru solicitări de tracţiune.Un domeniu de utilizare pentru această variantă poate fi cântărirea unor maşini grele, agabaritice. În acest caz, se agaţă corpul de cârligul unei macarale iar între cârlig şi cablul de ridicare se intercalează o capsulă dinamometrică pentru solicitări la tracţiune.

Pentru puntea cu 4 senzori tensometrici rezultă relaţiile : R1= R4= R- R ; R2 = R3 = R+ R Introducând relaţiile în ecuaţia de mai sus se obţine tensiunea

de dezechilibru : RRUU

Rezultă că puntea cu 4 senzori tensometrici rezistivi activi este liniară. Efortul unitar este proporţional cu tensiunea de dezechilibru U .

Uk 4 unde SUEk 4

Sensibilitatea punţii este: Sp=1 deci o sensibilitate de două ori mai mare decât în cazul punţii cu 2 senzori activi şi de patru ori mai mare decât în cazul punţii cu un senzor activ. Pentru a determina influenţa variaţiei temperaturii la locul de măsurare asupra tensiunii de dezechilibru se consideră puntea cu variaţiile de rezistenţă datorate efortului mecanic şi temperaturii. Fiecare rezistenţă va fi afectată suplimentar şi de o variaţie TR . În acest caz rezistenţele ce formează puntea sunt exprimate prin relaţiile :

TRRRRR 41 ; TRRRRR 32 Introducând relaţiile de mai sus în expresia tensiunii de dezechilibru rezultă:

RR

RRUU T1 raportul

RRT

<<1 pentru variaţii de temperatură de 10 0C si

materiale uzuale pentru senzori astfel că:

RRUU

Rezultă că puntea cu 4 senzori activi este liniară şi eroarea de temperatură este compensată în limite largi de temperatură. Puntea de măsură este alimentată cu tensiunea continuă + 24Vcc., conţinând în interior un stabilizator la 5V, tensiune necesară pentru alimentarea punţii tensometrice. Semnalele de nivel mic corespunzătoare tensiunii de dezechilibru sunt amplificate cu un amplificator operaţional a cărui offset (derivă) poate fi reglată cu butonul de pe panoul frontal.Semnalul de măsură poate fi afişat sau evaluat cu ajutorul unui multimetru digital sau echipament de achiziţii date.

34

Tensiunea de ieşire poate atinge variaţia de 5V. Modul de lucru

Se conectează puntea la sursa de alimentare. După aprox. 5 minute, puntea se stabilizează iar deriva este nulă.

Se conectează capsula dinamometrică (neîncărcată) cu bananele la puntea tensometrică. Se fac legăturile dintre puntea tensometrică şi amplificatorul de instrumentaţie. Se conectează la ieşirea amplificatorului ( bornele OUT) un voltmetru digital comutat pe

poziţia 20V cc.Se corectează cu butonul potenţiometrului de pe panou eventuala derivă . Se efectuează calibrarea sistemului cu ajutorul unei mase metalice cu greutate cunoscută. Conform celor de mai sus , indicaţiile punţii sunt liniare astfel ca: G = KP* U , unde G

este greutatea cunoscută a masei metalice iar U este valoarea citită pe voltmetrul digital. Se calculează constanta punţii tensometrice KP care se notează, putând fi folosită la orice

măsurătoare. Se refac măsurătorile pentru mase suplimentare adăugate : 2G, 3G, 4G, 5G, sau alte forţe

cu valoare cunoscută cu observaţia că forţa totală nu trebuie să depăşească 200 N. Se verifică liniaritatea punţii prin trasarea graficului Forţă [N] – tensiune [V] afişată. Se pune pe masa metalică cilindrică o masă arbitrară , se citeşte tensiunea si se determină

prin calcul greutatea masei suplimentare adăugate. Se compară rezultatul obţinut prin calcul cu cel obţinut prin cântărirea masei suplimentare.

35

TRADUCTOARE CAPACITIVE Noţiuni teoretice Se folosesc condensatoare plane, la care se pot modifica:

a) distanţa dintre armături.

( având sensibilitatea:

si sensibilitatea relativa:

Sensibilitatea este sporita la variatii mici ale deplasarii (m m): La montajul diferential (fig.6.22):

36

care depinde liniar de x.

b) suprafata armaturilor ( 6.24) Sensibilitatea este constanta:

unde: -a,b sunt dimensiunile condensatorului plan; - x este deplasarea relativa a fetelor una fata de alta. Aceste elemente sensibile se folosesc mai mult pentru masurarea deplasarilor unghiulare. c) permitivitatea dielectricului. In varianta de baza se realizeaza din doi cilindri ficsi, intre care se deplaseaza un manson izolator cu o constanta dielectrica diferita de a aerului, alunecând cu frecare cât mai redusa. Se folosesc la masurarea nivelului unui lichid dielectric sau pulberi dielectrice. Daca se foloseste un condensator plan, a carui caracteristica este neliniara, elementul sensibil poate servila masurarea grosimii unor materiale dielectrice. Aceste elemente necesita etaje de amplificare cu impedanta mare de intrare, deoarece la modificari de capacitati mici (20…200 pf), chiar la frecvente ridicate (2…20 kHz) impedantele de iesire sunt mari, impunând amplificatoare cu Zi min = 20 M . Acest fapt constituie o limitare in folosirea acestor traductoare. Se va utiliza senzorului capacitiv bazat pe variaţia dielectricului într-un stand pentru măsurarea nivelului unui lichid.

Standul se compune din următoarele elemente : - cilindru gradat cu rol de rezervor pentru lichidul a cărui nivel se măsoară - senzorul capacitiv realizat prin lipirea pe exteriorul cilindrului de sticlă (

dielectric) a două benzi metalice izolate între ele. Se formează astfel un condensator cu capacitatea de aprox. 200 pF ( fără lichid introdus).

- Capacimetrul şi circuitele aferente pentru condiţionarea semnalului. Capacimetrul funcţionează pe principiul conversiei curent –tensiune iar funcţionarea detaliată se poate urmări pe schema anexată.

37

- Placa pentru achiziţia datelor ( 8 canale, 12 biţi). - Calculatorul care rulează programul specializat I- SEE DAQ

Schema bloc a capacimetrului Principiul de funcţionare este cel al măsurării curentului care trece prin condensator

dtdvCi

Aplicând condensatorului un semnal triunghiular de amplitudine si frecvenţă

cunoscute, în cazul nostru 5Vv-v si 20kHz:

sV

dtdv

255

Rezultă că intensitatea curentului este proporţională cu variaţia de capacitate C. Mai departe, variaţia de intensitate este condiţionata de blocurile ce conţin circuite de conversie curent-tensiune, detecţie, filtrare si amplificare, astfel încât la ieşirea capacimetrului se obţine o tensiune cu valoare corespunzatoare pentru a fi citită cu un voltmetru digital sau cu o placă de achizitie legată la calculator.

Modul de lucru

1. Se fac conexiunile necesare după cum urmează : senzorul capacitiv se conectează la capacimetru, ieşirea capacimetrului cu intrarea plăcii de achiziţie iar ieşirea acesteia cu portul paralel al PC.

38

2. Se alimentează aparatura la reţea prin cele 2 alimentatoare pentru capacimetru şi placa de achiziţie.

3. Se lansează în execuţie programul ISEE DAQ 4. Din meniul “ Files” se încarcă fişierul de configurare “ My Documents”

“Laborator.SUF “ . 5. Se activează “ Poll I/O “ din butonul aflat în dreapta. 6. Se accesează din meniul “ View” opţiunea “ Trends” 7. Cu cilindrul gol se ajustează butonul “ CAL “ de pe panoul capacimetrului

până ce valoarea citită pe garficul de pe monitor este zero (aducere la zero). 8. Debifăm opţiunea “ AUTOSCALE “ 9. Se introduc cu ajutorul seringii gradate cantităţi de lichid 10. Se observă corespondenţa între cantitatea de lichid introdus si valorile afişate

pe grafic. Atenţie ! pe ordonata sunt valoride tensiune , nu dimensiuni corespunzătoare nivelului.

11. Datele pot fi salvate într – un fişier şi reprezentate de ex. în EXCEL. Referatul va conţine : schema bloc a capacimetrului, grafice, rezultate , concluzii

39

TRADUCTOARE DE TURAŢIE PRINCIPIUL DE LUCRU; NOŢIUNI TEORETICE Tahogeneratorul Un generator electromecanic este un dispozitiv capabil să genereze putere electrică folosind energie mecanică, de obicei prin intermediul unui ax. Atunci când nu sunt conectate la o sarcină (rezistenţă), generatoarele vor produce o tensiune electrică aproximativ proporţională cu viteza axului. Caracteristica statică a tahogeneratorului de c.c., la mersul în gol, este liniară, fiind reprezentată de relaţia: E = K n unde E este tensiunea electromotoare, n este turaţia (în rot/min), iar K este sensibilitatea tahogeneratorului, dependentă de mai mulţi parametri (numărul de perechi de poli, fluxul etc). Sensibilitatea este cuprinsă între 1mV/rot/min şi 10 mV / rot/min. Cu un design şi construcţie precisă, aceste dispozitive pot fi construite asfel încât să genereze tensiuni exacte pentru anumite viteze ale axului; din această cauză pot fi folosite ca şi instrumente de măsură în cadrul echipamentelor mecanice. Un generator special construit pentru această utilizare se numeşte tahometru sau tahogenerator.

Măsurând tensiunea produsă de un tahogenerator putem determina vieteza de rotaţia a dispozitivului conectat la bornele acestuia. Tahogeneratoarele pot fi folosite şi pentru a indica direcţie de rotaţie prin intermediul polarităţii („+” sau „-”) tensiunii de ieşire. În sisteme de măsură şi control undirecţide rotaţie este importantă, tahogeneratorul este o metodă uşoară de determinare a acestui lucru. Tahogeneratoarele sunt frecvent utilizate pentru determinarea vitezei motoarelor electrice. Traductoare cu reluctanţă variabilă O roată dinţată din material feromagnetic se roteşte în faţa unei bobine cu miez din oţel fixat în prelungirea unui magnet permanent. La trecerea dinţilor prin dreptul miezului bobinei se modificăreluctanţa circuitului magnetic, ceea ce duce la o variaţie a fluxului magnetic produs de magnetul permanent.Conform legii inducţiei electromagnetice, la fiecare trecere a unui dinte al roţii dinţate prin dreptul miezului se va produce variaţie de flux magnetic, iar în bobină se va induce un impuls de tensiune cu amplitudinea proporţională cu viteza de rotaţie.

40

Frecvenţa semnalului dat de traductor este : 60nzf

unde : - f este frecvenţa semnalului la ieşirea traductorului [Hz]; - z este numărul de dinţi a roţii dinţate; -n este viteza de rotaţie a roţii dinţate [ rot / min]. Măsurând frecvenţa f a semnalului se poate determina turaţia. Tensiunea rezultantă U se prelucrează într-un circuit formator de semnal, astfel ca semnalul rezultant să poată fi afişat corect de un frecvenţmetru. Completănd schema formatorului cu etaje electronice se poate obţine afişarea pe frecvenţmetru a unei valori numeric egală cu turaţia exprimată în rot / min sau rot /s. Traductoare fotoelectrice Aceste traductoare se prezintă în două variante constructive: cu întreruperea sau cu reflexia fluxului optic. În prima variantă, radiaţia optică provenită de la o sursă optică ( bec cu incandescenţă, diodă LED cu limină vizibilă, diodă în infraroşu IRED), este proiectată de sistemul optic, constituit din lentile asupra fotodetectorului. Între lentile este montat pe axul a cărui turaţie se măsoară, un disc prevăzut cu fante ( orificii, dinţi) care la fiecare rotaţie, permite trecerea luminii pentru un interval scurt de timp. Detectorul va da, la fiecare rotaţie a arborelui, un număr de impulsuri egal cu numărul de fante de pe disc. Detectorul conţine un fotodetector ( fotodiodă, fototranzistor, fotorezistenţă), o sursă de alimentare şi un circuit electronic formator de semnal.

41

Schema principială a turometrului cu întreruperea fluxului luminos

Exemplu de schemă electronică folosită pentru formarea semnalui şi forma semnalului la ieşire. Traductoare inductive Acest tip de traductoare utilizează un oscilator electronic în apropierea căruia se roteşte o roată dinţată ce produce perturbaţii ale câmpului magnetic. O partedin energia oscilaţiilor este disipată sub formă de căldură, datorită apariţiei curenţilor Foucault în piesa metalică. Acest fenomen se manifestă în creşterea pierderilor în bobina oscilatorului, adică o amortizare suplimentară a bobinei, ceea ce duce la dispariţia oscilaţiilor. Această schimbare a stării oscilatorului are ca efect schimbarea nivelului semnalului furnizat de etajul de ieşire a traductorului.Traductorul dă astfel impulsuri a căror frecvenţă este proporţională cu turaţia roţii metalice. Schema bloc 1. oscilator ; 2. demodulator; 3. comparator cu fereastră ( trigher) 4. indicator al stării de funcţionare; 5. etaj de ieşire cu circuit de protecţie; 6. sursă de alimentare exterioară; 7. etaj de stabilizare internă; 8. bobină în zona activă; 9. ieşire semnal dreptunghiular ( spre frecvenţmetru).

42

DESCRIEREA INSTALAŢIEI EXPERIMENTALE Standul conţine un motor electric de curent continuu cu rotor disc cuplat cu un tahogenerator de cc.Pe axul motorului este montată roata metalică cu fante .În dreptul roţii sunt montaţi trei tipuri de traductoare de turaţie descrise mai sus. Standul este completat cu partea electronică ce permite măsurarea turaţiei formată dintr-o placă de achiziţie simplă conectată la calculator. Motorul de cc este alimentat de la o sursă stabilizată de cc, cu posibilitatea reglajului tensiunii de alimentare în trepte de 0,1 V. Tensiunea maximă de alimentare a motorului de cc nu va depăşi 13V. MODUL DE LUCRU

1. Se efectuează toate conexiunile electrice si legătura dintre placa de achiziţie si PC.

2. Se fixează tensiunea de alimentare a motorului la 5 V, făra a alimenta motorul. 3. După verificarea tuturor conexiunilor se alimentează motorul si blocul

electronic. 4. Se variază în trepte, în sens crescător tensiunea de alimentare a motorului ( trepte de 0,5 V -1 V) astfel încât să avem cel puţin 10-12 puncte de măsură. 5. Pentru fiecare valoare a tensiunii de alimentare se măsoară frecvenţa ( turaţia)

afişată de cele 3 traductoare şi valoarea tensiunii continue la bornele tahogeneratorului. Tensiunea tahogeneratorului se măsoară cu un voltmetru digital, astfel încât să fie îndeplinită condiţia unei sarcini apropiate de zero.

PRELUCRAREA ŞI INTERPRETAREA REZULTATELOR

Se înregistrează valorile citite folosind programul DASYLAB 10 şi se trasează graficele turaţie funcţie de tensiunea de alimentare pentru cele 3 traductoare.

Se trasează şi curba de variaţie a tensiunii generate de tahogenerator funcţie de tensiunea de alimentare a motorului. Folosind unul dintre traductoare drept etalon, se determină corespondenţa între tensiunea generată de tahogenerator şi turaţie. Tensiune alimentare motor [V] 5 V .. ... ... 13 V Turaţia trad . inductiv [ rot /s ] , [ Hz] Turaţia trad. fotoelectric [ rot /s ] , [ Hz]

43

Turaţia trad. cu reluctanţă variabilă [ rot /s ] , [ Hz] Tensiunea generată de tahogenerator [ V] Se calculează sensibilitatea tahogeratorului S [mV/rot/min]. Se fac comentarii asupra formei caracteristicii în cazul celor trei traductori.

44