Universitatea de Stat din Pitesti

TEMA: TRADUCTOARE Notiuni generale

Studenta: Din Madalina-Loredana Facultatea de Stiinte Specializarea: Ingineria Mediului Gr.1; Sgr.2

TRADUCTOARETraductoarele, cunoscute frecvent sub numele de elemente de msur sunt destinate pentru msurarea mrimilor conduse i a unor mrimi semnificative pe baza crora se pune n eviden echilibrul proceselor. Prin intermediul lor, vom obine informaiile necesare conducerii automate a proceselor n circuit nchis, fiind montate de regul pe bucla de reacie. n scopul masurarii marimilor fizice care intervin ntr-un proces tehnologic, este necesar de obicei convertirea acestora n marimi de alta natur fizic pentru a fi introduse cu usurin ntr-un circuit de automatizare. Elementul care permite convertirea unei mrimi fizice (de obicei neelectrica) ntro alta mrime (de obicei electric) dependent de prima, n scopul introducerii acesteia ntr-un circuit de automatizare, se numete traductor. Traductorul este dispozitivul care face ca unei mrimi de intrare s ii corespund, conform unei legi determinate, o mrime de ieire. Exemple: transformatorul de msurare, termoelementul, electrodul de pH etc. Traductorul poate avea in structura sa unul sau mai muli senzori, capabili de a efectua conversia mrimii de msurat intr-o alta mrime ce prezint calitatea de a fi uor msurabil.

Structura general a unui traductorRealizarea funciilor de ctre traductor astfel nct semnalul obinut la ieirea acestuia s reprezinte valoric mrimea msurat, sub form accesibil dispozitivelor de automatizare, implic o serie de operaii de conversie nsoite totodat i de transformri energetice bazate fie pe energia asociat mrimii preluate din proces, fie pe cea furnizat de sursele auxiliare. Schema structural a unui traductor este prezentat n figura .

Fig - Structura general a unui traductor Semnificaia blocurilor funcionale este urmtoarea: D ES (element sensibil), sau detector; ET = element de transmitere (de transfer); A AD este adaptorul; SEA este sursa de energie auxiliar. n structura traductoarelor se ntlnesc, n general, o serie de subelemente constructive, ca, de exemplu: convertoare, elemente sensibile, adaptoare etc. Structura general a traductoarelor este foarte diferit de la un tip de traductor la altul, cuprinznd unul, doua sau mai multe convertoare conectate n serie. n majoritatea cazurilor, structura general a unui traductor este cea din figura urmtoare:

Mrimea de intrare Xi (de exemplu: presiune, nivel, for etc.) este convertit de ctre elementul sensibil ntr-o mrime intermediar X0 (deplasare liniar sau rotire), care este transformat n mrimea de ieire Xe (tensiune electric, rezisten electric, inductana, capacitate etc.), aplicata circuitului de automatizare cu ajutorul unui adaptor. Caracteristicile generale ale traductoarelor De obicei, adaptorul cuprinde i sursa de energie care face posibil convertirea mrimii Xo n mrimea Xe. La un traductor, mrimea de intrare Xi i cea de ieire Xe sunt de natur diferit, ns sunt legate ntre ele prin relaia general de dependenta: Xe = f (Xi) care poate fi o funcie liniar sau neliniar, cu variaii continue sau discontinue.

Pe baza acestei relatii de dependen, se stabilesc urmtoarele caracteristici generale valabile pentru orice traductor: Natura fizic a mrimilor i de ieire de intrare (presiune, debit, temperatur, deplasare etc., respectiv rezistena electric, curent, tensiune etc.); Puterea consumat la intrare i cea transmis elementului urmtor (de sarcin). De obicei, puterea de intrare este relativ mic (ctiva wai, miliwai sau chiar mai puin), astfel nct elementul urmtor n schema de automatizare este aproape totdeauna un amplificator; Caracteristica static a traductorului, care este reprezentarea grafic a relaiei generale de dependent, este prezentat n figura de mai jos:

Clasificarea traductoarelor

Traductor de temperatur cu element sensibil termocuplu

Un traductor de temperatur cu termocuplu este alctuit principial din : elementul sensibil de tip termocuplu, care face conversia din temperatur n tensiune termoelectromotoare; cablurile de prelungire, prin intermediul crora jonciunea de referin este adus la locul msurrii ntr-o zon unde este posibil meninerea constant a temperaturii; adaptorul care obine semnalul unificat de ieire Ie ; Ieirea analogic a traductorului este convertit n semnal numeric prin intermediul unui convertor analog-numeric (CAN), conectat la ieirea adaptorului. Interfaa de comunicaie, IC va avea ca surs de ieire codul numeric y. SAE reprezint sursa de alimentare auxiliar ce alimenteaz elementul de legatur i transport precum i adaptorul. Elementul sensibil de tip termocuplu este de tip activ (generator), deci nu necesit alimetare auxiliara, energia necesar efecturii msurrii fiind preluat de la msurnd.

ES

ELT SAE

A

Y

ICC CAN IC

Y

Elementul sensibil de tip termocuplu. Termocuplul reprezint ansamblul a dou conductoare omogene, de natur diferit, denumite termoelectrozi, sudate la unul din capete (sudare cald) care este imersat n mediul cu temperatura de msurat, la capetele libere, care constituie jonciunea de referin sau sudura rece, aflat la temperatura o, aprnd o tensiune electromotoare ETC prin efect Seebeck, a crei valoare este dat de relaia aproximativ ETC=KTC(-o), unde KTC este sensibilitatea termocuplului, dependent de natura celor 2 termoelectrozi. Sensibilitatea KTC este de valori reduse usual intre 0.005 si 0.007 mVC, nefiind constanta pe domeniul de msurare, deci relaia scris anterior este valabil pe intervale mici de timp. De aceea caracteristica static a termocuplului se stabilete grafic printr-o form tabelat ce conine tensiunea electromotoare din 10 C n 10 C. Un termocuplu industrial se compune din 2 termoelectrozi, teaca de protecie, cutie de conexiuni i placa de borne. Termoelectrozii. Datorit temperaturii mediului de msurare, am ales ca material de confecionare a termoelectrozilor Cromel-Cropel. Punctul de topire al cromelului este 1430C valori ce sunt net superioare lui max=100C. Termoelectrozii alei nu au impuriti, tensiuni mecanice, deformri, i dezvolt o tensiune electromotoare n funcie de temperatura de valoare relativ mare, avnd n acelai timp un coeficient de variaie cu temperatura a rezistenei electrice mic (K(Pt)=0.2710-3 K-1. De asemenea ele sunt rezistente la coroziune, ocuri termicesi mecanice i nu i schimb n timp temperatura. Diametrele termoelectrozilor sunt de 0.35 mm, fapt de conduce la atingerea fr probleme a limitei de utilizare maxime de 100C. Forma termocuplului este cea standard, pentru a avea o mai larg utilizare industrial.

Teaca de protecie. Teaca de protecie are rolul de a feri termoelectrozii de aciunea coroziv a mediului a crui temperatur se msoar, impiedic deteriorarea lor mecanic, asigur o montare corect i comod a termocuplului n zona de msurare. Teaca de protecie aleas in funcie de mediul bazic n care va fi folosit traductorul i innd cont de temperatura maxim de expunere, este cea de tip Oel-Inox 304 sau 306, cu o dimensiune de 20 mm. Pentru a face fa la situaia cnd presiunea mediului de lucru este superioar presiunii atmosferice, teaca de protecie va fi fixat cu nipluri sudate. Lungimea nominal a tecii de protecie este de 2000 mm, aceasta fiind caracteristica termocuplului normal (standard) ales. Pentru aplicaiile care impun msurarea temperaturii unor corpuri de dimensiuni reduse se va utiliza o sond de temperatur cu termocuplu ncorporat, de tip termocupluri cu vrfuri. Cei doi termoelectrozi sunt separai, sudura cald realizndu-se prin nfigerea acestora n corpul conductor a crui temperatur se msoar. Se va avea grij ca suprafaa s fie curat de oxizi pentru a se evita apariia unei tensiuni electromotoare perturbatoare. Dimensiunea i materialul tecii de protecie au fost astfel alese ncat termocuplul rezultat are o constant de timp ntre 15s i 90s, termocuplul avnd un timp de rspuns mediu. Atingerea valorii de temperatur din incinta n care se face msurarea se realizeaz practic dup un timp de rspuns ts=3-4T. La montarea traductorului, se va ine seama de minimizarea erorilor de msurare i de aceea va fi montat pe direcia gradientului maxim de temperatur.

Cabluri de prelungire. Jonciunea de referint. Valoarea tensiunii termoelectomotoare dat de termocuplu, cu jonciunea de msurare imersat ntr-un mediu cu temperatura , este n conformitate cu caracteristica static dac jonciunea de referint o este meninut la temperatura de 0 C. Cum capetele libere ale celor doi termoelectrozi sunt aduse la cutia de borne, aflat n mediul ambiant din imediata apropiere a procesului n care se face msurarea, nu este posibil de meninut temperatura acestuia la 0 C, de aceea se procedeaz la folosirea unor cabluri de prelungire, ce deplaseaz jonciunea de referint de la cutia de borne la un loc din apropierea adaptorului. Cablurile de prelungire sunt dou conductoare, izolate electric, realizate din materiale diferite de termoelectrozii termocuplului, ntruct termoelectrozii sunt alctuii din metale nobile. Datorit termoelectrozilor folosii i proprietilor mediului de tip oxidant, cablurile de prelungire sunt de tip: conductorul pozitiv din Cromel, iar cel negativ constituit dintr-un aliaj de Copel cu temperaturile de utilizare ntre 0 200 C. Conductorul pozitiv al cablului de prelungire va fi codificat prin culoarea albastr, iar cel negativ prin culoarea roie astfel nct la montare s fie mai uoar conectarea conductoarelor la termoelectrodul aferent (+ la + si la - ).

Modalitatea de compensare a temperaturii jonciunii de referin se va realiza prin : - introducerea n circuitul termocuplu a unei tensiuni de compensare egal i de sens contrar celei produse de variaiile de temperatur asupra joncunii de referin.

n serie cu termocuplul TC se conecteaz tensiunea de dezechilibru UCD a unei puni rezistive Wheastone, alimentat n diagonala AB cu curentul constant I, care cuprinde n structura sa o rezistena RT din nichel, celelalte rezistene fiind realizate din constantan. n ipoteza simplificatoare c att termocuplul ct i rezistena RT au caracteristici statice liniare pe domeniul maxim de variaie a temperaturii jonciunii de referin, RTmax = RT0 =(1+RT o max) UBDmax=( RTmax- RT0) I1= RT0 RT o max I1, unde: RTmax este coeficientul de variaie al rezistenei RT cu temperatura. RT0= valoarea lui RT la O C RTmax = valoarea lui RT la max. UBDmax=variaia de tensiune maxim pe rezistena corespunztoare variaiei maxime de temperatur. Cum ETC (0 max)= UBDmax, va rezulta imediat valoarea rezistenei RT0= ETC (0 max) /

RT o max I1,

Deoarece caracteristica static a termocuplului este neliniar se poate proceda printr-o metoda grafo-analitic constnd n determinarea grafic a erorii maxime de neliniaritate a termocuplului pe domeniul 0 max. Pentru termocuplul pe care l-am folosit ( Cromel-Copel) a crui jonciune de referin trebuie compensat pe domeniul 0 - 40 C: pentru rezistena RT se utilizeaz srma de cupru iar pentru celelalte rezistene din punte vom utiliza manganina.

7.5 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

tensiune (mv)

temperatura (celsius) Caracteristica static a traductorului de temperatur avnd ca termoelectrozi Cromel respectiv Copel, dedus din tabelul de valori succesive ale tensiunii termoelectromotoare la temperaturi din 10 in 10 C, este prezentat in graficul de mai sus. Pe baza valorilor am determinat eroarea de neliniaritate maxim n=7.05% sau exprimat n mV este 0.49; UBDmax =E cromel-copel (40C )-0.5 n=2.66-0.24=2.42 mV; Impunnd I1=I2=2,5 mA stiind ca rezult: RT0 = 5.68; Adaptorul. Schema principial a unui adaptor este prezentat n figura de mai jos:

cu

=0.426 10-2 K-1 i dac se impune U=8V si Uab=6V

Dupa cum se vede i din schema alaturat, adaptorul unui traductor are ca elemente principale: circuitul de intrare, circuitul de prelucrare intermediar ce se ocup cu liniarizarea caracteristicii statice, precum i circuitul de ieire. De asemenea este necesar o surs auxiliar de energie pentru alimentarea acestor componente. Cum traductorul are alimentare i semnal analogic de ieire pe 2 fire, aceasta se rsfrnge asupra adaptorului care va fi de tip conexiune cu 2 fire (reprezentat schematic n figura urmtoare). Adaptorul are dou generatoare de curent, unul cu ieire constant Io i cellalt al crei ieiri Iv este comandat de circuitul de intrare:

Circuitul de intrare. Termocuplul fiind un element generator, preia o parte mica din puterea disponibil a msurandului i produce o tensiune care conine informaie despre mrimea de proces, temperatura. Fiind semnale slabe obinute pe surse echivalente cu rezistene interne importante rezult ca circuitul de intrare va fi o componen activ n principal bazat pe amplificatoare operaionale de mare impedan de intrare. Pentru a realiza o rejecie pe modul comun suficient (1200 db), am utilizat ca circuit de intrare urmtoarea schem de structuri cu amplificatoare instrumentale LM 201 A (analog devices), ce permit un timp de rspuns de ordinul milisecundelor:

Am ales R=1 respectiv RCT=500; Cum, tensiunea de ieire Ue=(1+2R / RCT) A=Ue/es =1+2R / RCT =1 000. Valoarea erorii de neliniaritate maxim obinut pe cale grafic din caracteristica tensiunii de ieire din circuitul de intrare este identic cu eroarea de neliniaritate a elementului sensibil determinate anterior n=7.05%. n consecin se va proceda la liniarizarea caracteristii statice n cadrul circuitului de prelucrare intermediar. Se observa din caracteristica static a elementului sensibil prezena a 4 regiuni liniare.

ees, va rezulta amplificarea circuitului de intrare

Circuitul de prelucrare intermediar. Pantele obinute pe cele 4 regiuni liniare sunt: M1 =0.0665; M2=0.119; M3=0.020; M4=0.054; Printr-o metod grafic de liniarizare a dependenei cu tensiunii de intrare n circuitul de prelucrare intermediar se obin pantele M1,M2,M3,M4 corespunztoare variaiei tensiunii de ieire din circuitul de prelucrare intermediar cu tensiunea de

intrare n circuitul de prelucrare intermediar pentru a se obine la ieirea acestui circuit o dependen liniar cu temperatura. M1 =0.725; M2=0.295; M3=119; M4=0.85; Aceste pante pot fi obinute cu ajutorul unui circuit de liniarizare cu diode Zener:

Din condiia c pantele stabilite pe cale grafic ale dependenei tensiunii de ieire din CPI n funcie de tensiunea de intrare in CPI s fie modelate cu diodele Zener din calcule se impun urmtoarele condiii: Rezistenele vor fi astfel alese astfel nct s se satisfac simultan condiiile: M1=Rr/R0; M2=Rr/(R0||R1); M3=Rr/(R0||R1||R2); M4=Rr/(R0||R1||R2||R3); Deasemenea diodele Zener au tensiunile de deschidere a jonciunilor: Udz1=Uci1=2.66V (tensiunea maxim de intrare n CPI pe prima poriune liniar); Udz2=Uci2+Uci1=6.51V; (tensiunea maxim de intrare n CPI pe doua poriune liniar); Udz3=Uci3+Uci2+Uci1=10.05V; (tensiunea maxim de intrare n CPI pe treia poriune liniar); Panta dependenei tensiunii de ieire din CPI de mrimea de msurat(temperatura) este de 0.047; Circuitul de ieire Ca circuit de ieire am folosit un convertor tensiune-curent.

Pentru asigurarea unui curent de ieire independent de Rs pe variaii mari ale acesteia (0-5K), schemele practice folosesc tranzistoare montate n ieire pe post de surse de curent cu alimentare independenta de cea a convertorului propriu zis. Ie=1-5mA Rs=0-5k Uies=IeRs=25 V. Se vor monta nsa 2 surse de 24 deV inseriate (48 V), pentru a avea o rezerv de tensiune pentru jonciunile b-e ale tranzitoarelor de ieire, precum i pe rezistena Rs:

Ies= -(R2/R1)(Ucpi/Ro + Uref/Ro); Se pun condiii asupra rezistenelor R1,R2,Ro innd cont c Ucpi minim este 0 V iar Ucpi maxim este 4.7V; n montajul din figur se recurge la folosirea unei surse de referin pentru a asigura limita inferioar a curentului unificat din ieire. Se pun condiiile R2=0.85(RoR1) i Uref=6V; Pentru realizarea afirii locale, n cutia de borne se va aduga o rezisten de sarcina de 1k. Curentul variaz ntre 1-5mA, deci tensiunea de ieire afiat se va afla ntre domeniul 1 V i 5 V. La 1 V (nulul electric) corespunde o=0 C, iar la captul scalei max=100C, deci vom avea 10 C pe diviziune(o diviziune reprezint 0.5V). Se prevede conectarea uoar n circuit a unui aparat de msura (printr-un jack cu 2 mufe).

Pentru cuplarea traductorului la o schem de conducere numeric se folosete interfaa de comand i conversie care are n structura ei un CAN ce are rolul de a transforma semnalul echilibrat din ieire n semnal numeric. Astfel n cazul de fa poate fi folosit un CAN cu aproximri successive cu o ieire pe 3 bii;