150606125 Senzori Si Traductoare

of 100/100
CORNELIU IOAN OPREA IOAN SURUGIU SENZORI ŞI TRADUCTOARE CURS UNIVERSITAR Constanţa 2012 GT 4 5 Circuit de măsură 1 2 2 3 R IM OM p Obiect de măsură x AM p Aparat de măsură m Utilizare rezultat Operator
  • date post

    24-Nov-2015
  • Category

    Documents

  • view

    117
  • download

    21

Embed Size (px)

Transcript of 150606125 Senzori Si Traductoare

  • CORNELIU IOAN OPREAIOAN SURUGIU

    SENZORI I TRADUCTOARE

    CURS UNIVERSITAR

    Constana2012

    GT

    4 5

    Circuit de msur

    1

    2

    2

    3

    R

    IM

    OM p

    Obiect demsur

    x

    AM p

    Aparat demsur

    m Utilizarerezultat

    Operator

  • 2CUPRINS

    Introducere .............................................................................................................................. 5I. Procesul de msurare .............................................................................................. 5

    II. Importana msurrilor n tiin i tehnic 6III. Uniti de msur ................................................................................................... 6

    IV. Deosebirile dintre traductor i aparatul de msurat .9V. Poziia traductoarelor n cadrul S.R.A 9

    VI. Structura general a unui traductor ....................................................................... 10

    Capitolul 1: Caracteristicile i performanele traductoarelor .......................................... 131.1. Caracteristici i performane n regim staionar ................................................ 131.2. Caracteristici i performane n regim dinamic ................................................ 211.3. Indicatori de regim dinamic pentru traductoare numerice ................................ 221.4. Caracteristici energetice .................................................................................... 221.5. Caracteristici constructive ................................................................................ 23

    1.5.1. Robusteea ......................................................................................................... 231.5.2. Capacitatea de suprancrcare ........................................................................... 231.5.3. Protecia climatic ............................................................................................ 231.5.4. Protecia contra exploziilor ............................................................................... 241.5.5. Protecia anticoroziv ........................................................................................251.5.6. Gradele normale de protecie ........................................................................... 251.5.7. Efectele ocurilor i vibraiilor mecanice ..........................................................26

    Capitolul 2: Componentele principale ale traductoarelor 272.1. Elementele sensibile ale traductoarelor (ES) .................................................... 27

    2.1.1. Elemente sensibile de tip parametric .272.1.2. Elemente sensibile de tip generator .. 24

    2.2. Clasificarea elementelor sensibile dup mrimile detectate . 282.3. Adaptoare .. 29

    2.3.1. Adaptoare pentru elemente sensibile de tip parametric 302.3.2. Adaptoare pentru elemente sensibile de tip generator . 30

    2.4. Traductoare numerice. Adaptoare pentru traductoare numerice ...................... 332.5. Traductoare pneumatice. Adaptoare pentru traductoare pneumatice 352.6. Principii generale de alegere a traductoarelor .................................................. 37

    Capitolul 3: Traductoare pentru msurarea temperaturii .. 393.1. Msurarea temperaturii cu termocupluri .......................................................... 39

    3.1.1. Principiul de funcionare a termocuplului .393.1.2. Amplificatoare pentru semnale generate de termocupluri 40

    3.2. Msurarea temperaturii cu traductoare rezistive .............................................. 413.2.1. Generaliti 413.2.2. Traductoare rezistive din materiale conductoare (termorezistene) .. 423.2.3. Traductoare rezistive din materiale semiconductoare (termistoare) ................. 42

    3.2.3.1. Caracteristicile termistoarelor ... 423.2.3.2. Circuite cu termistoare pentru msurarea temperaturii 44

    3.3. Msurarea temperaturii cu traductoare care utilizeaz tranzistoare ................. 483.3.1. Generaliti 483.3.2. Circuite de msurare cu compensarea variaiei curentului de colector .483.3.3. Circuite de msurare cu curent de baz constant . 48

    3.4. Pirometre de radiaie ........................................................................................ 493.4.1. Generaliti 493.4.2. Pirometre cu radiaie total ... 513.4.3. Pirometre cu radiaie parial 52

  • 33.5. Instalaii de msurare a temperaturilor cu centralizarea datelor 533.6. Instalaie pentru msurarea temperaturii cu transmiterea la distan a rezultatelor .. 54

    Capitolul 4: Traductoare de proximitate ............................................................................554.1. Traductoare inductive de proximitate ... 554.2. Traductoare magnetice de proximitate ..564.3. Elemente sensibile capacitive pentru traductoare de proximitate .564.4. Elemente sensibile fotoelectrice pentru traductoare de proximitate 574.5. Elemente sensibile fluidice pentru traductoarele de proximitate .. 57

    4.5.1. Dispozitivul duzpalet ...584.5.2. Senzorul de proximitate cu jet liber" (cu turbulen) ..594.5.3. Senzorul de proximitate cu impact de jeturi . 594.5.4. Senzorul de tip focar ..60

    4.6. Traductoare integrate de proximitate 604.6.1. Senzor inductiv integrat de proximitate 604.6.2. Senzor magnetic integrat de proximitate ...... 61

    Capitolul 5: Traductoare pentru controlul dimensional .. 635.1. Elemente sensibile electrice . 635.2. Elemente sensibile pneumatice pentru controlul dimensional .. 63

    Capitolul 6: Traductoare de vitez i turaie ....656.1. Principii i metode utilizate n msurarea vitezei . 656.2. Traductoare de vitez liniar .67

    6.2.1. Traductor de vitez liniar bazat pe msurareadistanei parcurse ntr-un interval de timp dat 67

    6.2.2. Traductor de vitez liniar bazat pe cronometrarea timpului de parcurgere a unei distane cunoscute .676.3. Traductoare de turaie .68

    6.3.1. Tahogeneratoare de curent continuu ...686.3.2. Tahogeneratoare de curent alternativ ...706.3.3. Traductoare de turaie cu reluctan variabil ...716.3.4. Traductoare de turaie cu elemente fotoelectrice .. 736.3.5. Elemente sensibile magnetice pentru traductoare de turaie . 75

    6.4. Adaptoare numerice pentru traductoare de turaie 766.4.1. Traductor de turaie cu numrarea impulsurilor 776.4.2. Traductor de turaie cu inversarea perioadei .77

    Capitolul 7: Traductoare de vibraii i acceleraii 797.1. Noiuni fundamentale ....................................................................................... 797.2. Mrimile caracteristice i unitile de msur specifice vibraiilor .. 797.3. Principii de realizare a traductoarelor de vibraii . 81

    7.3.1. Elemente sensibile pentru traductoare de vibraii ............................................. 827.3.2. Convertoare intermediare asociate elementelor sensibile pentru conversia n semnal electric ...85

    Capitolul 8: Traductoare pentru fore i cupluri .. 898.1. Noiuni introductive . 898.2. Traductoare de for tensorezistive ... 89

    8.2.1. Principiul de funcionare al elementelor sensibile tensorezistive 898.2.2. Tipuri de mrci tensometrice i caracteristicile acestora .. 908.2.3. Adaptoare pentru traductoare tensorezistive .928.2.4. Circuite finale pentru adaptoarele cu puni tensometrice . 95

  • 48.3. Traductoare de for i cuplu cu elemente sensibile nespecifice ...................... 978.3.1. Traductoare magnetostrictive 978.3.2. Elemente sensibile piezoelectrice pentru traductoare de for ..998.3.3. Elemente sensibile inductive pentru traductoare de for .998.3.4. Traductoare de cuplu cu discuri incrementale 1008.3.5. Traductoare inductive de cuplu ...100

    Bibliografie

    1. Valentin Sgrciu: Traductori i sisteme de msurare, Univ. Politehnica Bucureti,note de curs, 2008.

    2. G. Ionescu: Msurri i traductoare, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti,1985.

    3. G. Ionescu i colectiv: Traductoare pentru automatizri industriale, Editura Tehnic,Bucureti, 1985.

    4. C. Iliescu i colectiv: Msurarea electric a mrimilor neelectrice, Editura Tritonic,Bucureti, 1994.

    5. M. Y. Usher: Sensors and transducers, Editura Mac-Millan Publishers, London,1985.

  • 5INTRODUCERE

    Se vor prezenta principiile de funcionare i modului de realizare constructiv pentrucele mai utilizate traductoare n cadrul sistemelor de reglare (sau conducere) a proceselor in-dustriale.

    I. Procesul de msurareA msura nseamn a compara o mrime necunoscut X cu o alta de aceeai natur x

    luat drept unitate, dup relaia:

    (i .1) X = m x,n care m reprezint valoareamrimii necunoscute X. Aceastcomparare este efectuat, de re-gul, de ctre un aparat de msur ce are memorat unitatea de msur, n interior, pe scaragradat.

    Mrimea de msurat X se mai numete i msurand.Indicaia aparatului de msur (valoarea m) este perceput de ctre un operator (uman

    sau automat), iar acest rezultat al msurrii este transmis mai departe pentru a fi utilizat npractic (figura i .1).

    Schema bloc din figura i.1 sugereaz c procesul de msurare poate fi considerat ca ointerfa ntre obiectul de msur i domeniul de utilizare a rezultatului msurrii (control, ve-rificare experimental a unei teorii etc).

    Din cauza imperfeciunii aparatului de msurat AM i a operatorului, precum i dato-torit prezenei unor factori perturbatori p, rezultatul msurrii este ntotdeauna afectat de oeroare, iar nivelul acesteia definete calitatea de baz a unei msurri: precizia; cu ct eroareaeste mai mic, cu att precizia este mai bun. Rezultatul unei msurri nu prezint nici o im-portan practic dac nu se cunoate i precizia acestuia.

    Pentru micorarea erorilor i deci creterea preciziei de msurare, trebuie, n primulrnd, eliminai sau meninui la nivele constante, controlabile, toi factorii perturbatori p cumsunt factorii de clim (temperatura, umiditatea, presiunea), cmpurile electrice, magnetice ielectromagnetice.

    n afar de acestea mai trebuie precizate i condiiile tehnice de definire a mrimii X.De exemplu, dac la msurarea pierderilor n fier rezult 2W/kg aceast cifr nu este conclu-dent dac nu se specific i valoarea induciei magnetice, respectiv frecvena la care au fostmsurate.

    Ca regul general se recomand ca obiectele s fie msurate n condiiile lor normalede lucru, sau ct mai apropiate de acestea.

    Aparatul de msur trebuie s fie ct mai adecvat scopului urmrit, iar o alegere judi-cioas cere cunoaterea performanelor i limitelor aparatului respectiv n condiiile reale delucru. Principalul parametru de calitate al unui aparat de msur este precizia; aceast preci-zie trebuie verificat, de regul, naintea operaiei de msurare, mai ales cnd se fac msurride mare rspundere, fr a acorda credit sut la sut indicaiilor din prospectul aparatului.

    Operatorul uman. Cel mai solicitat sim al acestuia este vzul, iar n cazul msurtori-lor acustice se adaug i auzul. n legtur cu aceste dou simuri se cunosc urmtoarele:

    - Exist un prag minim de sensibilitate sub care dou stri vecine nu mai pot fi deosebiteuna de alta, prag care definete rezoluia operatorului;

    - Senzaia depinde logaritmic de excitaie (legea Webwe-Fechner). Pentru a ine seamade aceast particularitate, unele aparate de msur utilizate n electroacustic i n telecomu-nicaii au scar logaritmic, gradat n decibeli (dB);

    - Acuitatea vizual i cea acustic se mbuntesc prin antrenament;- Att acuitatea vizual ct i cea acustic scad rapid la creterea gradului de oboseal.

    n cazul utilizrii operatorului automat este necesar ca aparatul de msur s fie adec-

    OM p

    Figura i.1. Schema bloc a procesului de msurare

    Obiect demsur

    x

    AM p

    Aparat demsur

    m UtilizarerezultatOperator

  • 6vat acestuia. De exemplu, dac operatorul este un calculator de proces, aparatul trebuie sfurnizeze informaia n codul acestuia. n figura i.2(a) este dat schema de principiu a unuilan de msur.

    Observaii:1) Cnd msurandul este o

    mrime neelectric (de exemplu,temperatura), ntre OM i AM seinterpune un dispozitiv care s-lconverteasc ntr-o mrime elec-tric X (de exemplu, o tensiune);un asemenea dispozitiv (termocu-plu n cazul citat) se numete tra-ductor.

    2) n cazul mrimilor nee-lectrice este necesar, adesea, nunumai msurarea ci i reglareamrimii respective cum ar fi, deexemplu, msurarea i reglarea temperaturii ntr-un cuptor de tratamente termice. n acestcaz, n schema de msurare apare, n plus, un organ de decizie i aciune (regulator automatde temperatur n cazul citat).

    II. Importana msurrilor n tiin i tehnicBaza oricrei inginerii este proiectarea, iar proiectarea se sprijin pe date obinute prin

    operaii de msurare. Att n tiin, ct i n tehnic informaiile necesare sunt obinute, nprincipal, prin msurri.

    nc la finele secolului trecut, W. Thomson arta c: Istoria fizicii este n esen isto-ria evoluiei mijloacelor de msur deoarece un fenomen fizic nu poate fi neles i utilizat npractic pn nu e msurat. Fizica este tiina care msoar realitatea.

    n prezent, n nici un domeniu al activitilor umane (tiin, cercetare, producie) nuse poate progresa fr operaii de msurare. Dintre tiinele tehnice, electronica este cea maidependent de tehnica msurrilor. n acelai timp, evoluia remarcabil a aparatelor de m-sur electronice se datoreaz progreselor realizate n domeniul dispozitivelor i circuitelorelectronice, a tehnicilor numerice de condiionare i prelucrare a semnalelor.

    III. Uniti de msurDup cum rezult din relaia (i.1), pentru efectuarea unei operaii de msurare este ne-

    cesar i o unitate de msur. Odat cu creterea numrului mrimilor de msurat a aprut ce-rina stabilirii unui grup de uniti care s permit msurarea tuturor mrimilor fizice cunos-cute. Un asemenea grup se numete sistem de uniti.

    n trecutul fizicii au fost elaborate i folosite mai multe sisteme de uniti: CGS elec-trostatic, CGS electromagnetic i MIKSA. Aceasta din urm are la baz sistemul metric (me-tru, kilogram, secund) adoptat n Frana nc din anul 1795 i a fost completat de ctre itali-anul Giorgi, n anul 1936, cu o a patra unitate amperul. Tot Giorgi a propus i numele deMSKA (metru, secund, kilogram, amper) pentru acest sistem de uniti.

    n prezent tinde s se generalizeze n ntreaga lume, sistemul internaional de uniti SI. Acesta provine din MKSA raionalizat, la care au fost adaugate pe parcurs i alte trei uni-ti: gradul Kelvin (K) pentru temperatur, candela (cd) pentru intensitate luminoas i molul(mol) pentru cantitatea de substan. Pe plan internaional SI a fost adoptat n anul 1954, iar lanoi n ar a fost legiferat n anul 1961, dat la care a devenit obligatoriu. Totui, alturi deunitile SI, att la noi ct i n alte ri se mai utilizeaz i uniti din afara sistemului SI, de-numite uniti tolerate (grad Celsius, Gauss, Oerstedt etc.)

    Exist uniti fundamentale, derivate i auxiliare. Uniti fundamentale (SI)

    Cele apte uniti ale SI menionate mai nainte se numesc uniti fundamentale pentru

    (a) Lan de msur

    (b) Sistem de msurarereglareFigura i.2. Principii de msurare

    Regulator automat

    OMObiect de

    msurx'

    AMAparat de

    msurm OperatorTraductor x'

    OMObiect de

    msurx'

    AMAparat de

    msurm

    OperatorTraductor x

  • 7c sunt stabilite independent una de alta, iar celelalte uniti deduse din primele, pe baza unorrelaii cunoscute, se numesc uniti derivate.

    Unitile fundamentale au urmtoarele definiii:1. Metrul (m) reprezint distana parcurs de lumin n vid, timp de 1/299792458 s

    (aproximativ 3,3 ns). Aceast definiie (care presupune viteza luminii n vid este egal cu299792458 m/s i nu 3 108 m/s) a fost adoptat n anul 1983 i nlocuiete pe cea bazat peradiaia atomului de kripton 86 (mai puin precis), adoptat n anul 1960. Pn atunci metrulera definit pe baza prototipului de platin iridat, adoptat n anul 1889 de ctre ConferinaGeneral de Msuri i Greuti (CGPM) i pstrat la Biroul Internaional de Msuri i Greu-ti (BIPM) de la Svres Paris; lungimea prototipului a fost stabilit ca fiind a zecea milioa-na parte din sfertul meridianului terestru.

    2. Kilogramul (kg) reprezint masa kilogramului internaional prototip din platin iri-diat adoptat n anul 1889 de ctre CGM i pstrat la BIMG Svres.

    3. Secunda (s) reprezint durata a 9192631770 perioade ale radiaiei corespunztoaretranziiei ntre cele dou nivele de energie hiperfine ale strii fundamentale a atomului de ce-siu 133. Aceast definiie a fost adoptat n anul 1967 la cea de-a 13-a CGMG. Pn atunci s-afolosit secunda definit pe baza anului tropic 1900.

    4. Amperul reprezint intensitatea unui curent electric constant care, meninut n douconductoare paralele, rectilinii, cu lungimea infinit, aezate n vid la o distan de 1 m unulde altul, ar produce ntre aceste conductoare o for de 2 . 10-7 N/m (0,2 N/m). Aceast defi-niie a fost adoptat de ctre CGM n anul 1948. Pn atunci s-a folosit amperul definit pe ba-za fenomenului de electroliz: cantitatea de electricitate necesar depunerii a 0,118 mg de ar-gint timp de o secund.

    5. Kelvinul (K) sau gradul Kelvin este unitatea de temperatur termodinamic i repre-zint 1/273,16 din temperatura termodinamic a punctului triplu al apei. A fost adoptat nanul 1967. Pn atunci, ca unitate de msur a temperaturii s-a folosit gradul Celsius (oC),unitate utilizat i n prezent.

    ntre acestea dou exist relaia: T(K) = 273,16 + temperatura n oC.6. Candela (cd) reprezint intensitatea luminoas ntr-o direcie dat, a unei surse care

    emite o radiaie monocromatic cu frecvena de 5,4 .1014 Hz (lungimea de und 555 nm) i acrei intensitate energetic n aceast direcie este IR = 1/683 W/sr (=1,46 mW/sr). Aceastdefiniie (radiometric) a fost adoptat n anul 1979. Pn atunci s-a folosit definiia fotome-tric (bazat pe corpul negru), mai dificil de materializat n practic dect prima.

    7. Molul (mol) reprezint cantitatea de substan a unui sistem care conine attea enti-ti elementare (atomi, molecule, ioni etc.) ci atomi exist n 0,012 kg de carbon 12 (6,02 1023 atomi); de exemplu, ntr-un mol de ap exist 6,02.1023 molecule. Aceast unitate se uti-lizeaz n Chimie i n Fizica molecular.

    Uniti derivateUnitile SI derivate, mai des utilizate n electronic, mpreun cu mrimile respective

    sunt date n tabelul 1.1.Acestea au urmtoarele definiii:

    1. Coulombul (C) este cantitatea de electricitate transportat de un curent de 1 A ntr-osecund.

    2. Voltul (V) este diferena de potenial ce se stabilete ntre dou puncte ale unui firparcurs de ctre un curent constant de 1 A, cnd puterea disipat ntre aceste dou puncte esteegal cu 1 W.

    3. Voltul pe metru (V/m) reprezint gradientul de potenial electric, care arat c n acelcmp electric uniform, ntre dou puncte ale spaiului respectiv aflate la 1 m distan unul dealtul exist o diferen de potenial de 1 V.

    4. Ohmul () reprezint rezistena electric existent ntre dou puncte ale unui fir con-ductor cnd o diferen de potenial de 1V aplicat ntre aceste dou puncte face s circuleprin acel conductor un curent de 1 A, conductorul respectiv nefiind sediul nici unei tensiuni

  • 8electromotoare.5. Faradul (F) este capacitatea unui condensator electric ntre armturile cruia apare

    tensiunea de 1V cnd este ncrcat cu 1 C.6. Amperspira (A) este tensiunea magnetomotoare produs de un curent cu intensitatea

    de 1 A la parcurgerea unei singure spire, ntr-un circuit magnetic nchis.7. Amperul/metru (A/m) reprezint tensiunea magnetomotoare pe unitatea de lungime

    ntr-un cmp magnetic uniform (1A/m = 4.10-3 Oe).8. Weberul (Wb) este fluxul de inducie magnetic, care traversnd o singur spir,

    induce n aceast spir o t.e.m. de 1 V cnd fluxul respectiv descrete uniform la zero n timpde o secund. Weberul/m2 = Tesla (T) este unitatea pentru inducie magnetic.

    9. Henry-ul (H) este inductivitatea unui circuit electric nchis n care la o variaie uni-form a curentului, cu viteza de 1 A/s se produce (n acea spir) o t.e.m. de 1 V.

    10. Fluxul luminos () reprezint energia luminoas radiat total de surs luminoasntr-un unghi solid , cu vrful n sursa respectiv ( = 4 steradiani). Ecuaia de definiie: = I/; unitatea de msur: lumen (lm).

    11. Luminana (B) este raportul dintre intensitatea luminoas a unei surse de lumin i osuprafa perpendicular pe raza acestei surse. Unitatea: candela/m2 (cd/m2).

    Tabelul i.1Mrime Unitate de msur

    Nr.crt. Denumire Simbol

    Ecuaie dedefiniie Denumire Simbol Dimensiune

    1 Putere P P = U I Watt W VA2 Cantitate de electricitate Q Q = I t Coulomb C As3 Tensiune electric U U = P/I Volt V V4 Intensitate cmp electric E E = U Volt /metru V/m V/m5 Rezisten R R = U/I Ohm 6 Capacitate C C = Q/I Farad F s/7 Tensiune magnetomotoare - F = n I Amper(amper spir) Asp A8 Intensitate cmp magnetic H H = I/2 l Amper/metru A/m A/m9 Flux magnetic E = d/dt Weber Wb Vs

    10 Inductivitate L L = /I Henry H s11 Inducie magnetic B B = /S Tesla T Vs/m212 Frecven f f = 1/T Hertz Hz s-113 Flux luminos = I/ Lumen lm cd-114 Iluminare E E = /A Lux lx lm/m215 Strlucire (Luminan) B B = I/A candela/m2 cd/m2 cd/m216 Energie W W = P t Watt or Wh5 VAs17 For F F = m a Newton N Kgms-2

    Observaie:n ultima coloan a tabelului i.1 sunt trecute dimensiunile (relative) ale unitilor men-

    ionate. Aceste dimensiuni sunt utile la verificarea rapid a corectitudinii relaiilor de calculn care intr astfel de mrimi. O asemenea verificare se numete analiz dimensional.

    Uniti SI auxiliaren aceast clas sunt incluse dou uniti geometrice: radianul i steradianul.

    1. Radianul (rad) este unghiul plan cuprins ntre dou raze care intercepteaz pe cir-cumferina unui cerc un arc de lungime egal cu cea a razei.

    2. Steradianul (sr) este unghiul solid care, avnd vrful n centrul unei sfere, delimitea-z pe suprafaa acestei sfere o arie egal cu cea a unui ptrat a crui latur este egal cu razasferei.

  • 9IV. Deosebirile dintre traductor i aparatul de msuratPrin aparat de msurat se nelege acel dispozitiv care stabilete o dependen ntre

    mrimea de msurat i o alt mrime ce poate fi perceput nemijlocit cu ajutorul organelor desim umane, ntr-o manier care permite determinarea valorii mrimii necunoscute n raportcu o anumit unitate de msur.

    n cazul SRA conducerea procesului fcndu-se fr participarea direct a operatoru-lui uman, mijloacele prin care se realizeaz operaia de msurare se numesc traductoare.

    Traductorul (definit n sensul atribuit de automatic) este un dispozitiv de automatiza-re care stabilete o coresponden ntre mrimea de msurat (ce poate fi de orice natur saudomeniu de variaie) i o mrime de natur dat, avnd un domeniu de variaie calibrat, mri-me ce este recepionat i prelucrat de ctre echipamentele de conducere (regulatoare i cal-culatoare de proces).

    Noiunea de traductor se poate extinde pentru definirea unor elemente cu funciuni si-milare care intr n structura unor lanuri de msurare complexe, utilizate n scopuri de cerce-tare, sau laboratoare metrologice.

    Observaii:- Fcnd paralelismul funcional ntre aparatele de msurat i traductoare, se observ o

    serie de deosebiri prin faptul c traductorul este un element component al SRA.- Informaia furnizat de traductor nu se adreseaz unui operator uman, ci unui echipa-

    ment de conducere sau reglare automat.Deosebirile dintre traductor i aparatul de msurat rezid mai ales n natura caracteris-

    ticilor statice i dinamice. Din punct de vedere al caracteristicilor, traductoarelor li se impunurmtoarele cerine:

    a) Relaie de dependen liniar ntre intrare i ieire (IE).b) Dinamic proprie care s nu influeneze n mod esenial comportarea SRA.

    Aceste cerine reprezint restricii severe n construcia traductoarelor.Dac pentru un aparat de msur relaia de dependen IE poate fi neliniar, n acest

    caz scara aparatului gradndu-se neliniar, n cazul traductorului dependena IE este impusstrict liniar, adic, eroarea de neliniaritate admis este foarte redus. Toate operaiile de con-ducere a procesului se bazeaz pe aceast proprietate.

    n ceea ce privete, dinamica proprie, este necesar ca informaia furnizat de traductorctre echipamentul de conducere s ajung la aceasta fr ntrziere, pentru ca deciziile deconducere s fie oportune.

    Rezult c dinamica proprie a traductorului trebuie s fie rapid, nct programareainformaiei prin traductor (ntre I i E) s se fac cu ntrzieri minime (neglijabile) n raportcu dinamica procesului condus.

    Se observ (deduce) c traductoarele trebuie s mbine cerinele de liniaritate i vitezde rspuns cu performanele metrologice privind precizia, similare cu cele ale aparatelor demsur sau chiar mai ridicate, innd seama c posibilitile de discriminare ale SRA sunt su-perioare fa de cele oferite de operatorul uman.

    Toate consideraiile implic i necesitatea unei fiabiliti sporite n raport cu aparatelede msurat, datorit faptului c o indicaie greit dat de un aparat de msurat poate fi uorsesizat i interpretat de ctre operator, pe cnd detectarea unor valori eronate furnizate detraductoare este mult mai dificil n cazul unui SRA.

    V. Poziia traductoarelor n cadrul S.R.ASe consider schema structural, a unui sistem monovariabil de reglare automat, pre-

    zentat n figura i.3.Traductorul este plasat pe calea de reacie, avnd la intrare mrimea reglat y, pe care

    o convertete (o traduce) n mrime de reacie yr. Mrimea de reacie, nsumat cu referina r,de-termin eroarea de reglare conform relaiei:

    (i.2) )()()( tytrt r .

  • 10

    n cazul unui sistem multi-variabil de reglare i/sau conducereautomat schema de principiu estede tipul celei din figura i.4.

    Din cele dou scheme seconstat c traductoarele Tr suntsituate pe calea informaionalavnd sensul de transmitere de laproces ctre sistemul de conducere, iar EE sunt plasate pe calea de transmitere a comenzilorde la sistemul de conducere ctre proces. Cuplarea traductoarelor cu procesul se poate realizan diverse moduri: mecanic, termic, electric etc, n raport cu natura fenomenelor purttoare deinformaie referitoare la mrimea de msurat.

    Datorit unor avantaje bine cunoscute, majoritatea echipamentelor de automatizaresunt electrice sau electronice, i numai n cazuri speciale pneumatice (medii cu pericole deexplozii sau incendii).

    Ca urmare, semnale de ieire ale traductoarelor sunt de natur electric (tensiune, cu-reni) sau pneumatic (aer instrumental).

    Semnalele de ieire ale traductoarelor, indiferent de natura lor electric sau pneuma-tic, au domenii de variaie fixate.

    n acest mod se creaz posibilitatea utilizrii de echipamente tipizate, realizndu-seaa-numitele sisteme unificate de aparate pentru automatizare.

    Prin sistem unificat de echipamente pentru automatizare se nelege ansamblul apara-telor i dispozitivelor realizate dup un principiu constructiv unic, ce utilizeaz un semnalunificat.

    Sistemele unificate de echipamente pentru automatizri, n care sunt incluse i traduc-toarele, asigur avantaje tehnicoeconomice legate de producerea n serii mari, modulariza-rea, tipizarea i interconectarea rapid a diferitelor componente, ceea ce contribuie la reduce-rea costurilor de ntreinere i depanare.

    ntruct traductoarele sau unele componente ale acestora sunt montate direct n insta-laiile n care se desfoar procesul, este necesar ca acestea s funcioneze corect, n condiiifoarte dificile: umiditate, medii corozive sau uneori la temperaturi ridicate sau la presiunifoarte mari.

    Asigurarea unei funcionri corecte n asemenea condiii dificile impune o atenie de-osebit la realizarea constructiv a traductoarelor.

    VI. Structura general a unui traductorRealizarea funciilor (menionate) de ctre traductor astfel nct semnalul obinut la

    ieirea acestuia s reprezinte valoric mrimea msurat, sub form accesibil dispozitivelor

    Figura i.3. SRA monovariabil

    Figura i.4. Sistem de conducere automat a unuiproces multivariabil

    Tr traductoare; EE element de execuie; SI-I sistem de interfa a intrrilor; SI-E sistem de in-terfa a ieirilor; SIA sistem de interfa pentrumrimi analogice; SIN sistem de interfa pentrumrimi numerice; CP calculator de proces; CO consola operator; CU calculator universal; PG periferice generale.

  • 11

    de automatizare, implic o serie de operaii de conversie nsoite totodat i de transformrienergetice bazate fie pe energia asociat mrimii preluate din proces, fie pe cea furnizat desursele auxiliare. Schema structural a unui traductor este prezentat n figura i.5.

    Mrimea de msurat x este aplicat la intrarea traductorului, reprezentnd parametrulreglat (temperatur, debit, presiune, turaie, nivel, vitez, for etc).

    Mrimea de ieire y reprezint valoarea mrimii msurate, exprimat sub form desemnal analogic (curent, tensiune sau presiune).

    a) Detectorul D, numit i element sensibil (ES), senzor sau captor, este elementul speci-fic pentru detectarea mrimii fizice pe care traductorul trebuie s o msoare.

    n mediul n care trebuie s funcioneze traductorul, n afara mrimii x, exist i altemrimii fizice. Detectorul trebuie s aib calitatea de a sesiza numai variaiile mrimii x, frca informaiile pe care acesta le furnizeaz s fie afectate de celelalte mrimi din mediul res-pectiv (din proces).

    n urma interaciunii dintre mrimea de msurat i detector are loc o modificare destare a acestuia, care, fiind o consecin a unor legi fizice cunoscute teoretic sau experimen-tal, conine informaia necesar determinrii valorii mrimii de msurat.

    Modificarea de stare presupune un consum energetic preluat de la proces. n funciede fenomenele fizice pe care se bazeaz detecia i de puterea asociat mrimii de intrare,modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la ieirea elementului sensibil,de exemplu tensiunea electromotoare generat la bornele unui termocuplu n funcie de tem-peratur.

    n alte situaii modificarea de stare are ca efect modificarea unor parametrii de materi-al a cror evideniere se face utiliznd o energie de activare de la o surs auxiliar SEA.

    Indiferent cum se face modificarea de stare a detectorului D, informaia furnizat deacesta nu poate fi folosit ca atare, necesi-tnd prelucrri ulterioare prin ET i A.

    b) Adaptorul A are rolul de a modifi-ca (adapta) informaia obinut la ieireadetectorului D la cerinele impuse de apa-ratura de automatizare, care o utilizeaz,adic s o converteasc sub forma impuspentru semnalul de ieire y.

    Particularitile semnificative aleadaptorului

    La partea de intrare, adaptorul secaracterizeaz printr-o mare diversificareconstructiv pentru a putea prelua variatele forme sub care pot s apar modificrile de stareale diferitelor elemente sensibile ES.

    Pe parte de ieire, adaptoarele cuprind de regul (la echipamentele standardizate) ele-mente comune necesare generrii semnalelor unificate, care nu depind de tipul sau domeniulde variaie al mrimii de intrare.

    Funciile realizate de adaptor sunt complexe, ele incluznd i adaptarea de nivel, pu-tere/impedan) cu referire la semnalul de ieire, n raport cu dispozitivele de automatizare.

    Adaptorul asigur conversia variaiilor de stare ale ES n semnale calibrate la ieire,ce reprezint (la o alt scar) valoarea mrimii de intrare. Deci, adaptorul AD realizeaz ope-raia specific msurrii, adic comparaia cu unitatea de msur adoptat.

    Modalitile practice de efectuare a comparaiei sunt diverse i acestea difereniaz ti-purile de adaptoare (determin diferenieri structurale ale adaptoarelor).

    Astfel, comparaia poate fi simultan cnd se compar permanent o mrime etaloncu mrimea de intrare.

    De cele mai multe ori comparaia este succesiv (nesimultan) cnd mrimea etaloneste aplicat numai iniial pentru calibrare (fiind memorat) iar mrimea de msurat se apli-

    Figura i.5. Structura general a unui traductorD (ES) element sensibil sau detector; ET element de transmitere (de transfer); A (AD) adaptorul; SEA sursa de energie auxiliar.

  • 12

    c permanent. n acest caz valoarea memorat a mrimii etalon se compar succesiv cu valo-rile mrimii de intrare (care variaz).

    n funcie de legile fizicii pe care se bazeaz detecia realizat de ES operaia de m-surare n cadrul adaptorului presupune posibilitatea efecturii unor operaii de calcul liniare(amplificare, atenuare, sumare, integrare, difereniere) sau neliniare ( produs, ridicare la pute-re, radical, logaritmare etc) ct i realizarea unor funcii intenionat neliniare introduse pen-tru compensarea neliniaritilor inerente unor componente astfel nct la ieirea adaptoruluidependena IE s rezulte liniar.

    n funcie de elementele constructive, impuse de natura semnalelor de ieire, adap-toarele sunt de dou feluri: electrice (electronice) sau pneumatice.

    n raport cu forma de variaie a semnalelor de ieire, adaptoarele pot fi: analogice saunumerice.

    Semnalele analogice se caracterizeaz prin variaii continue ale unui parametru carac-teristic i sunt, de regul, semnale unificate.

    Prin semnal unificat se nelege adoptarea ca semnal a aceleiai mrimi fizice, cu ace-lai domeniu de variaie, indiferent de locul unde este plasat elementul de automatizare ntr-un SRA.

    Frecvent utilizate sunt urmtoarele semnale unificate:1) Curentul continuu (n cazul sistemelor de reglare a proceselor lent variabile) cu do-

    meniul de variaie: Icc [ 2 10] mA , sau Icc[4 20] mA2) Tensiunea continu (n cazul sistemelor de reglare a proceselor rapide), cu domeniul

    de variaie: Vcc [0 10] V; sau Vcc[-10 +10] V;3) Presiunea aerului instrumental (aer fr impuriti i cu umiditate minim standar-

    dizat) produs n instalaii speciale: p [0,2 1] daN/cm2 sau: p [0,2 1] bar.Semnalele numerice, generate la ieirea traductoarelor numerice i utilizate n SRAN,

    se caracterizeaz prin variaii discrete care permit reprezentarea ntr-un anumit cod a unuinumr de valori din domeniul de variaie a semnalului analogic de la intrarea traductorului.

    Cele mai utilizate coduri (cu nivele compatibile TTL) sunt:- binar natural, cu 8, 10, 12, 16, 32 bii (uneori 64 bii);- zecimal codificat binar cu 2, 3 sau 4 decade.

    Observaii:a) Utilizarea unui traductor este precedat de operaia de calibrare iniial prin care in-

    tervalul de variaie al semnalului analogic de la ieirea traductorului (adaptorului) se asociazdomeniului necesar al mrimii de intrare n traductor i n consecin, fiecrui nivel de sem-nal la ieire i corespunde o valoare bine precizat a mrimii de intrare (a mrimii traduse) prin legea de dependen liniar a mrimii msurate.

    b) Particularitile referitoare la aspectele tehnologice sau economice impun i prezenaunor elemente auxiliare. De exemplu, n msurarea temperaturilor nalte, elementul sensibilES nu poate fi plasat n aceeai unitate constructiv cu adaptorul. Deci, este necesar un ele-ment de legtur ntre ES i A (adaptor). Aceste elemente, ET de transmisie, realizeaz le-gturi electrice, mecanice, optice etc ntre ES i A.

    Dac mrimea generat de ES este neadecvat pentru transmisie (cazul transmisiilor lamare distan) atunci ET conine i elemente de conversie potrivit cerinelor impuse de cana-lele de transmisie.

    c) n categoria elementelor auxiliare intr i sursele de energie auxiliar, care ajut laconversia semnalelor din ES i A, atunci cnd aceste conversii nu se pot obine utiliznd pu-terea asociat mrimii de msurat, sau cnd aceste conversii (cu energie proprie luat de lasemnalul de msurat) introduc dificulti n realizarea performanelor cerute semnalului deieire din traductor.

    ***

  • 13

    CAPITOLUL 1CARACTERISTICILE I PERFORMANELE TRADUCTOARELOR

    1.1. Caracteristici i performane n regim staionar

    Caracteristicile funcionale ale traductoarelor reflect (n esen) modul n care se re-alizeaz relaia de dependen intrareieire (IE).

    Performanele traductoarelor sunt indicatori care permit s se aprecieze msura n carecaracteristicile reale corespund cu cele ideale i ce condiii sunt necesare pentru o bun con-cordan ntre acestea.

    Caracteristicile i performanele de regim staionar se refer la situaia n care mrimi-le de intrare i de ieire din traductor nu variaz, adic parametrii purttori de informaie spe-cifici celor dou mrimi sunt invariani.

    Caracteristica static a traductorului este reprezentat prin relaia intrareieire (I-E)(1.1) y = f(x),n care y i x ndeplinesc cerinele unei msurri statice.

    Relaia (1.1) poate fi exprimat analitic sau poate fi dat grafic printr-o curb trasatcu perechile de valori (x, y).

    Caracteristica y = f(x) red dependena IE sub forma ideal deoarece, n realitate, ntimpul funcionrii traductorului, simultan cu mrimea de msurat x, se exercit att efectelemrimilor perturbatoare externe 1, 2, 3, ..., n ct i a celor interne 1, 2, 3, ..., r care de-termin modificri nedorite ale caracteristicii statice ideale.

    n afara acestor perturbaii (nedorite), asupra traductorului intervin i mrimile de re-glaj, notate prin C1, C2, C3,..., Cq. Aceste reglaje servesc la obinerea unor caracteristici adec-vate domeniului de variaie a mrimii de msurat n condiii reale de funcionare a traductoru-lui. innd seama de toate mrimile care pot condiiona funcionarea traductorului, acesta sepoate reprezenta printr-o schem funcional restrns, ilustrat n figura 1.1.

    Reglajele C1, C2, C3,..., Cq nu provoac provoac modificri nedorite ale caracteristiciistatice ideale i sunt necesare pentru:

    - alegerea domeniului de msurare;- prescrierea sensibilitii traductorului,- calibrarea intern i reglarea zeroului.

    Mrimile perturbatoare externe 1, 2, 3 , , n cele mai importante sunt de natu-ra unor factori de mediu: presiunea, umiditatea, temperatura, cmpuri electrice sau magneticeetc. Aceste perturbaii (nedorite) pot aciona att asupra mrimii de msurat, ct i asupra ele-mentelor constructive ale traductorului.

    Mrimile perturbatoare interne se datoreaz zgomotelor generate de rezistoare, desemiconductoare, frecri n lagre, mbtrnirea materialelor care-i schimb proprietile,variaii ale parametrilor surselor de alimentare etc. Datorit mrimilor perturbatoare, traduc-torul va funciona dup o relaie de dependen (IE) real, descris de funcia:

    Figura 1.1. Schema funcional restrns

  • 14

    (1.2) )...,,,,,...,,,,,( 321321 rnxfy ;Este important de observat c erorile sunt generate de variaiile mrimilor perturba-

    toare i nu de valorile lor absolute, care dac ar rmne constante ar putea fi luate n conside-rare ca atare n expresia caracteristicii.

    Modul n care mrimile perturbatoare influeneaz ieirea, admind c variaiile lorsunt mici, se pune n eviden prin dezvoltarea n serie Taylor a funciei (1.2) cu neglijareatermenilor corespunztori derivatelor de ordin superior. Se obine:

    (1.3) rr

    n

    n

    ffffx

    x

    fy

    ...... 1

    11

    1

    Derivatele de ordinul I au semnificaia unor sensibiliti:

    x

    f

    - este sensibilitatea util a traductorului

    i

    f i

    i

    f sunt sensibiliti parazite.

    Cu ct sensibilitatea util va fi mai mare, iar sensibilitile parazite vor fi mai mici, cuatt caracteristica real a traductorului va fi mai apropiat de cea ideal (relaia (1.1)).

    Dac sensibilitile parazite au valori ridicate se impune introducerea unor dispozitivede compensare automat.

    Prin concepie (proiectare) i construcie, traductoarele se realizeaz astfel nct mri-mile de influen (perturbatoare) s determine efecte minime i deci, s se poat considera va-labil caracteristic static ideal y = f(x) n limitele unei erori tolerate.

    n ipoteza de liniaritate i admind c influenele mrimilor perturbatoare nu dep-esc eroarea tolerat, forma uzual pentru caracteristica static a traductoarelor analogice este

    (1.4) 00 )( yxxky ;n care x0 i y0 pot lua diverse valori pozitive sau negative, inclusiv zero.

    Caracteristicile statice liniare sunt tipice pentru traductoare, dar pot aprea, n anumitecazuri particulare (cerute de un S.R.A.), caracteristici neliniare. n cele ce urmeaz se prezintcteva exemple de caracteristici statice pentru traductoare:

    a) liniar unidirecional (figura 1.2), defint prin funcia:00 )( yxxky ; x x0; k = tg (panta caracteristicii) vezi relaia (1.4).

    b) proporional liniar bidirecional (figura 1.3), definit prin funcia:

    (1.5) xky ; k = tg .

    Figura 1.2. Caracteristica staticliniar unidirecional

    Figura 1.3. Caracteristica staticproporional liniar bidirecional

  • 15

    c) liniar pe poriuni cu zon de insensibilitate i saturaie (figura 1.4), definit prinfuncia:

    (1.6)

    2

    2

    21121

    11

    ;:)(0

    xxpentruyxxpentruy

    xxxxxxpentruxxkxxxpentru

    y

    s

    s

    d) liniar pe poriuni cu zon de insensibilitate, saturaie i histerezis (figura 1.5), defi-nit prin funcia:

    (1.7)

    22

    22

    21121

    21121

    111

    ;':

    ;':

    '','':)'(,:)(

    '0;01;0;0':0

    xxxxpentruy

    xxxxpentruy

    xxxxxxpentruxxk

    xxxxxxpentruxxk

    xxxxxxxxpentru

    y

    s

    s

    Pentru traductoarele cu ieiri numerice caracteristica static este cvasiliniar avndforma din figura 1.6.

    Reprezentarea este pur conveniona-l, graficul corespunznd echivalentului nsistemul de numeraie zecimal al codului re-dat de semnalul YN de la ieirea traductoru-lui, pentru diverse valori ale mrimii de in-trare, considernd un interval de cuantificarex.

    Prin unirea punctelor corespunztoa-re valorilor medii ale nivelelor de cuantifica-re se obine o dreapt (reprezentat printr-olinie discontinu) ce reprezint caracteristicastatic a traductorului numeric.

    Exceptnd discontinuitile datorateoperaiei de cuantificare, aceast caracteristi-c se consider liniar. Estimarea mrimii deieire a traductorului (YN) este cu att maiprecis, cu ct intervalul de cuantificare xeste mai mic.

    Figura 1.4. Caracteristic liniar pe poriunicu zon de insensibilitate i saturaie

    Figura 1.6. Caracteristica static atraductoarelor cu ieiri numerice

    Figura 1.5. Caracteristica liniar pe poriuni cuzon de insensibilitate, saturaie i histerezis

  • 16

    Erorile de neliniaritate i histerezisCaracteristicile statice sunt determinate de legile fizice pe care se bazeaz funciona-

    rea elementelor componente din structura traductorului. Aceste caracteristici se deduc princalcul sau experimental. Raportate la un domeniu larg de variaie a mrimii de intrare, carac-teristicile statice se obin neliniare.

    Datorit avantajelor pe care le au caracteristicile liniare se procedeaz fie la limitareafuncionrii traductorului pe anumite zone ale caracteristicii (unde neliniaritatea este redus),fie se liniarizeaz pe poriuni caracteristica cu ajutorul unor dispozitive special introduse nstructura traductorului. Astfel, caracteristicile statice liniare constituie o aproximare a caracte-risticilor reale neliniare, aproximare acceptabil pentru condiiile de utilizare a traductorului.

    O msur a aproximrii o reprezint abaterea de la liniaritate sau eroarea de neliniari-tate, ilustrat n figura 1.7.

    n domeniul (xmin , xmax), n care inte-reseaz determinarea erori de neliniarizare setraseaz dreapta AB (linie continu), careaproximeaz ct mai bine caracteristica rea-l. Paralel cu AB se traseaz dreptele AB iAB care s ncadreze ntre ele, caracteristi-ca real. Cea mai mare dintre diferenele yi y reprezint abaterea absolut de la li-niaritate, notat prin ymax.

    Abaterea relativ de la liniaritate sedefinete prin relaia:

    (1.8) %100minmax

    max

    yyy

    r ;

    unde: ymax este abaterea absolut de la liniaritate, definit prin relaia:(1.9) ymax = y-y.

    Alt tip de eroare, care poate fi estimat pe caracteristicile statice este eroarea de histe-rezis. Din figura 1.5 se observ c fenomenul de histerezis se manifest prin aceea c se obindou nivele diferite ale semnalului de ieire (y) pentru aceeai valoare a mrimii de intrare, nraport cu sensul cresctor ( ) sau descresctor ( ) de variaie prin care acesta atinge valoa-rea respectiv.

    Eroarea de histerezis este dat de diferena dintre cele dou nivele ale semnalului deieire (y). Pentru a asigura univocitatea valorii msurate, eroarea de histerezis trebuie s se n-cadreze, ca i cea de neliniaritate, sub o limit admisibil.

    Domeniul de msurare se situeaz pe caracteristica static n zona n care aceastaeste liniar. Domeniul de msurare se exprim prin intervalul [xminxmax] n cadrul cruia tra-ductorul permite efectuarea corect a msurrii. Valorile limit minime att pentru intrareaxmin, ct i pentru ieirea ymin pot fi zero sau diferite de zero, de aceeai polaritate sau de pola-ritate opus limitei maxime. Pentru traductoarele cu semnal unificat se ntlnesc cazuri ncare ymin 0 pentru xmin = 0, precum i invers: ymin = 0 cnd xmin 0. Motivaia care justificexis- tena acestor situaii se va explica ulterior. De regul domeniul de msurare se definetepentru intervalul n care eroarea rmne n limitele admisibile.

    Observaie. La traductoarele cu semnal unificat, limitele semnalelor de ieire ymin iymax rmn constante indiferent de limitele xmin i xmax ale semnalelor de intrare.

    Sensibilitatea (S)Sensibilitatea traductorului se definete n raport cu mrimea de intrare, neglijnd sen-

    sibilitile parazite introduse de mrimile perturbatoare. Pentru variaii mici x i y sensibi-

    Figura 1.7. Erorile de neliniaritate

  • 17

    liatea se definete prin raportul dintre variaia ieirii i variaia intrrii. n cazul unei caracte-ristici statice liniare sensibilitatea este reprezentat de coeficientul unghiular al dreptei:

    (1.10) S =dxdy

    x

    y

    = k = tg.

    O alt exprimare a sensibilitii, ce ine seama de domeniul de msurare, este dat derelaia:

    (1.11)minmax

    minmax

    xx

    yyS .

    Din relaia (1.11) rezult c sensibilitatea este constant pentru ntregul domeniu demsurare. n cazul unor caracteristici statice neliniare se pot defini numai valori locale alesensibilitii sub forma:

    (1.12)ii xxxx

    ix

    ydxdyS

    ,

    unde x i y sunt variaii mici n jurul punctului de coordonate (xi, yi).Sensibilitatea Si se mai numete i sensibilitate diferenial.Din relaiile (1.10) i (1.11) se observ c sensibilitatea este o mrime ale crei di-

    mensiuni depind de dimensiunile mrimilor de intrare i de ieire, iar valoarea sa depinde deunitile de msur utilizate pentru mrimile respective.

    n cazurile caracteristicilor liniare, la care natura mrimilor x i y este aceeai, sensibi-litatea S se va numi factor de amplificare, dac este supraunitar (S > 1), iar dac S < 1 sensi-bilitatea se va numi factor de atenuare.

    Aceti factori sunt adimensionali i sunt frecvent utilizai pentru caracterizarea traduc-toarelor.

    Cnd domeniul mrimii de intrare este foarte extins, amplificarea sau atenuarea se ex-prim n decibeli [db] prin relaia:

    (1.13) A = 20 log (yx) [db].Uneori se utilizeaz noiunea de sensibilitate relativ exprimat prin:

    (1.14)xx

    yySr //

    ,

    unde yy este variaia relativ a ieirii, iar xx este variaia relativ a intrrii.Sensibilitatea relativ Sr se exprim printr-un numr adimensional, iar valoarea sa nu

    depinde de sistemul de uniti i ca urmare Sr este util la compararea traductoarelor atuncicnd acestea au domenii de msurare diferite.

    Determinarea sensibilitii unui traductor analogic.Sensibilitatea unui traductor este determinat de sensibilitile elementelor componen-

    te i de modul de conectare a acestora n schema structural a traductorului. Dac elementelecare compun traductorul au caracteristicile de transfer (IE) liniare, sensibilitatea totat a tra-ductorului St se deduce uor din sensibilitile pariale ale elementelor traductorului, conside-rnd aceste sensibiliti constante pe ntreg domeniul de msurare.

    Se prezint modul de calcul al sensibilitii totale St pentru cteva scheme tipice deconectare a elementelor componente (descrise de caracteristici liniare).

    a) Pentru conexiunea serie (figura 1.8):(1.15)

    n

    iit SS

    1.

  • 18

    b) Pentru conexiunea paralel (figura 1.9):

    (1.16)

    n

    iit SS

    1.

    c) Conexiunea cu reacie negativ (figura 1.10):

    (1.17)21

    1

    1 SSSSt

    n cazul conexiunii cu reacie negativ, deoarece(de regul S11), se poate admite aproximarea:

    (1.18)2

    1S

    St .

    Deci, se observ c sensibilitatea elementului depe calea de reacie este determinant n calculul sensibi-litii totale a traductorului.

    RezoluiaSunt traductoare care au caracteristici statice ce

    nu sunt perfect netede. Ca urmare, la variaii continue ale mrimii de intrare x n domeniul demsurare, semnalul de ieire y se modific prin salturi avnd valori bine precizate (deoareceare variaii discrete).

    Intervalul maxim de variaie a mrimii de intrare necesar pentru a determina apariiaunui salt la semnalul de ieire, se numete rezoluie.

    Rezoluia este utilizat, mai ales, la traductoare cu semnale de ieire numerice, a crorcaracteristic static este dat printr-o succesiune de trepte (figura 1.6). n acest caz rezoluiaeste dat de intervalul de cuantificare x al mrimii de intrare, iar pentru un domeniu de m-surare fixat prin x se stabilete numrul de nivele analogice ce pot fi reprezentate de ctresemnalul de ieire.

    Rezoluia reprezint un indicator de performan i n cazul unor traductoare conside-rate (de obicei) analogice, cum sunt traductoarele pentru deplasri liniare sau unghiulare bo-binate, la care variaiile de rezisten (sau de tensiune - la montajele poteniometrice) prezintun salt la trecerea cursorului de pe o spir pe alta.

    Pragul de sensibilitateCea mai mic variaie a mrimii de intrare care poate determina o variaie sesizabil

    (msurabil) a semnalului de ieire, se numete prag de sensibilitate.Pragul de sensibilitate este important, ntruct condiioneaz variaiile minime la in-

    trare care pot fi msurate prin intermediul semnalului de ieire.Factorii care determin pragul de sensibilitate sunt fluctuaiile datorate perturbaiilor

    interne i externe: zgomotul n circuitele electrice, frecrile statice i jocurile n angrenajepentru dispozitive mecanice.

    Calitatea traductoarelor este cu att mai bun cu ct sensibilitatea S este mai mare, iarrezoluia i pragul de sensibilitate sunt mai reduse.

    Precizia (eroare de msurare)Scopul fundamental al oricrei msurri, acela de a determinarea i exprima numeric

    Figura 1.8. Conexiunea serie

    Figura 1.10. Conexiunea cureacie negativ

    Figura 1.9. Conexiunea paralel

  • 19

    valoarea mrimii de msurat, poate fi realizat numai cu un anumit grad de incertitudine.Orict de perfecionate ar fi metodele i aparatele utilizate i orict de atent ar fi con-

    trolat procesul de msurare, rezultatul msurrii va fi ntotdeauna diferit de valoarea real sauadevrat a msurandului.

    Eroarea de msurare reprezint diferena dintre rezultatul msurrii i valoarea real.Este evident c, din punct de vedere calitativ msurrile sunt cu att mai bune cu ct

    erorile respective sunt mai mici. n cele ce urmeaz se prezint succint noiunile necesarepentru nelegerea semnificaiei preciziei traductoarelor. Cauzele erorilor de msurare suntmultiple i se pot evidenia printr-o analiz atent a operaiei de msurare. Acestea sunt eroa-rea de interaciune, eroarea de model i eroarea de influen.

    I. Clasificarea dup operaia de msurareI.a) Eroarea de interaciune este provocat de faptul c ES al traductorului exercit o

    aciune asupra valorii reale a mrimii de msurat, astfel nct valoarea efectiv convertit dife-r de cea real. Erorile de interaciune pot aprea i ntre diversele componente din structuratraductorului.

    I. b) Eroarea de model este determinat de faptul c se idealizeaz caracteristicile sta-tice, ignorndu-se anumii factori care le pot influena. Determinarea experimental a caracte-risticilor statice prin utilizarea unor etaloane cu precizie limitat, genereaz eroarea de model.

    I. c) Erorile de influen apar atunci cnd mrimile perturbatoare au variaii mari i nupot fi compensate (prin mijloace tehnice).

    II. Clasificarea n funcie de proprietile generale ale eroriin raport cu proprietile lor generale, criteriile de clasificare a erorilor sunt funcie de

    caracterul variaiilor i valorilor pe care le pot lua, de modul de exprimare valoric i de mri-mea de referin.

    II.a) n funcie de caracterul variaiilor i a valorilor pe care le pot lua exist erori sis-tematice, erori aleatoare i erori grosiere.

    Erorile sistematice se produc n acelai sens n condiii neschimbate de repetare a m-surrii i au valori constante sau variabile, dup o lege determinat n raport cu sursele care legenereaz.

    Erorile aleatoare (ntmpltoare sau accidentale) variaz imprevizibil la repetareamsurtorii, putnd lua valori diferite att ca sens ct i ca valoare.

    Erorile grosiere (inadmisibile) afecteaz prea grav rezultatele msurtorii, nct rezul-tatele nu pot fi luate n considerare. Aceste erori au dou cauze: funcionarea incorect a apa-ratelor i utilizarea unei metode neadecvate de msurare.

    II.b) Modul de exprimare valoric face deosebirea ntre erorile absolute i erorile re-lative.

    Erorile absolute sunt: xi, vi pozitive (sau negative) exprimate n aceleai uniti demsur cu vi.

    Eroarea relativ (real sau convenional) a unei msurri individuale se defineteprin relaiile:

    (1.19)v

    vv

    v

    vv

    x

    xv

    x

    xx iiir

    iiir

    ; , vi valoare msurat.

    Erorile relative sunt exprimate prin numere fr dimensiune. Acestea pot estima preci-zia de msurare, deoarece nglobeaz i informaia cu privire la valoarea mrimii msurate.

    II.c) Mrimea de referin n funcie de care se deosebesc erorile reale fa de erorileconvenionale.

    Eroarea real (a unei msurri individuale) este notat xi i exprim diferena dintrevaloarea msurat vi i valoarea real (adevrat) x:

    (1.20) xi = vi x.

  • 20

    Eroarea convenional (a unei msuri individuale) este diferena:

    (1.21) vi = vi v,unde v este valoarea de referin (admis); vi valoarea msurat.

    Eroarea admisibil (sau tolerat) reprezint valoarea limit a erorii ce nu poate fi de-pit n condiii corecte de utilizare a aparatului. Cunoscnd valoarea admisibil absolutxad, intervalul n care se afl valoarea real x a mrimii de msurat este determinat cu proba-bilitatea 1, conform relaiei:

    (1.22) x[vi xad, vi + xad],care poate fi exprimat i n formele:

    (1.23) vi xad x vi + xad,sau:

    (1.24) x = vi xad.n cazul traductoarelor, n general, se prevd dispozitive pentru compensarea

    automat a erorilor suplimentare, astfel nct precizia msurrilor s fie determinat numai deeroarea intrinsec, chiar la variaii mari ale factorilor de mediu.

    n final eroarea tolerat de aparat, sub form absolut, prin care se poate exprima co-rect precizia msurrii efectuate n condiii reale de funcionare, este dat de relaia:

    (1.25) xtot = xb xs,unde:

    xb este eroarea tolerat intrinsec (de baz) determinat n primul rnd de clasa de pre-cizie;

    xs este eroarea tolerat suplimentar, calculat corespunztor intervalelor n care seafl mrimile de influen.

    Observaie. Cele menionate cu privire la precizie i indicatorii corespunztori suntspecifice traductoarelor analogice, dar innd seama de particularitile conversiei analognu-merice aceste noiuni se pot extinde i la traductoarele cu ieiri numerice.

    La traductoarele cu ieiri numerice, datorit faptului c adaptorul conine un convertoranalognumeric (CAN), apare o eroare inerent de metod, numit eroare de cuantificare,egal cu 12 din intervalul de cuantificare x, adic 12 din bitul cel mai puin semnificativ.

    (a) Eroare de zero (b) Eroare de domeniuFigura 1.11. Erori ale traductoarelor cu ieiri numerice

  • 21

    Reducerea acestor erori la valori acceptabile se face prin micorarea lui x.Erorii de cuantificare i se poate aduga eroarea de zero, ilustrat n figura 1.11(a), i/

    sau eroarea de domeniu prezentat n figura 1.11(b).

    1.2. Caracteristici i performane n regim dinamic

    Regimul dinamic al unui traductor corespunde funcionrii acestuia n situaia n caremrimea de msurat x i implicit semnalul de ieire y variaz n timp. Variaiile mrimii deintrare nu pot fi urmrite instantaneu la ieire, datorit ineriilor care pot fi de natur: mecani-c, electromagnetic, termic etc.

    Funcionarea traductorului n regim dinamic este descris de o ecuaie diferenial:

    (1.26)

    m

    q

    qq

    n

    k

    kk txbtya

    0

    )(

    0

    )( )()( ,

    unde x(q), y(k) sunt derivatele n raport cu timpul de ordinul q i k ale intrrii x(t) i respectivieirii y(t), ak i bq sunt coeficieni (de regul invariani).

    Ecuaia (1.26) caracterizeaz complet regimul dinamic al traductorului dac sunt pre-vzute: condiiile iniiale, valorile mrimilor x(t), y(t) i valorile derivatelor la momentul inii-al t0.

    Pentru ca traductorul (ca element fizic) s poat fi realizat practic este necesar condi-ia: n > m, deci se impune ordinul ecuaiei difereniale. Pentru determinarea soluiei ecuaiei(1.26) se utilizeaz tehnicile uzuale de rezolvare a ecuaiilor difereniale liniare cu coeficieniconstani.

    Dup rezolvarea ecuaiei difereniale (1.26) se obine soluia ecuaiei pentru condiiiiniiale date i mrimea de intrare cunoscut sub forma unei anumite funcii de timp:

    (1.27) y(t) = ytl (t) + ytf (t) + ysf (t).Cei trei termeni ai soluiei (1.27) au urmtoarele semnificaii:

    - ytl (t) este componenta tranzitorie liber, care nu depinde de intrare, dar depinde de di-namica traductorului, ct i de condiiile iniiale nenule de la ieire;

    - ytf (t) este componenta tranzitorie forat, care depinde att de dinamica traductoruluict i de intrarea x;

    - ysf (t) este componenta forat n regim staionar (sau permanent), n care, datorit ne-liniaritii, se regsete forma de variaie a intrrii.

    Traductorul ideal, din punct de vedere al comportrii dinamice, ar fi acela la care sexiste numai ultima component n (1.27), fr componente tranzitorii.

    Analiza comportrii dinamice a traductoarelor utiliznd rezolvri ale ecuaiei (1.26)reprezint operaii complicate (dei posibile). Din acest motiv se utilizeaz metode mai sim-ple care s asigure suficient precizie, dar aprecieri i comparaii mai rapide referitor la per-formanele dinamice ale traductoarelor.

    Adoptnd ipotezele simplificatoare: condiii iniiale nule, intrri x cunoscute (impulssau treapt), se poate aplica transformarea direct Laplace ecuaiei difereniale i rezultfuncia de transfer H(s) a traductorului:

    (1.28)

    n

    i

    ii

    m

    j

    jj

    sa

    sb

    sXsY

    sH

    0

    0

    )()(

    ;

    Funcia de transfer permite H(s) determinarea rspunsului (traductorului) n form ex-plicit pentru orice tip de variaie a intrrii x. De asemenea, funcia de transfer permite o core-

  • 22

    lare ntre analiza teoretic a regimului dinamic i determinrile experimentale.Analiza performanelor n regim dinamic (pentru traductoare) utiliznd H(s) se poate

    face astfel:1) n domeniul timpului, utiliznd funcia indicial (rspuns la treapt) sau funcia pon-

    dere (rspunsul la impuls);2) n domeniul frecvenei, pe baza rspunsului permanent armonic la variaia sinusoida-

    l a intrrii x.Analiza n regim dinamic este simi-

    lar cu cea de la circuitele electronice (saudin teoria SRA) cu precizarea c valoareabenzii de stabilizare Bs nu trebuie s dep-easc valoarea de 2% din semnalul de laieire n regim staionar ys, figura 1.12.

    Principalii indicatori de regim dina-mic pentru traductoarele analogice sunt:

    a) M abaterea dinamic maxim,influenat de factorul de amortizare al tra-ductorului;

    b) Suprareglarea (supracreterea) ,definit prin relaia:

    (1.29) 100% syM

    .

    c) Abaterea (eroarea) dinamic curent D definit prin relaia(1.30) D = y(t) ys.

    d) Timpul tranzitoriu (timp de rspuns) tt este intervalul de timp msurat de la nceputulprocesului tranzitoriu i pn n momentul n care valoarea absolut a diferenei |y(t) ys|scade sub banda de stabilizare Bs, fr a mai depi ulterior aceast limit.Criteriul de delimitare a timpului tranzitoriu tt este stabilit prin relaia:

    (1.31) tsD ttpentruBt ,)( .1.3. Indicatori de regim dinamic pentru traductoare numerice

    n cazul traductoarelor numerice care opereaz cu mrimi eantionate, caracteristiciledinamice sunt descrise cu ajutorul ecuaiilor cu diferene finite, sau al funciilor de transfer,utiliznd variabila complex sTez , unde T este perioada de eantionare.

    Pentru traductoarele numerice, care au conectate la ieire CAN (convertoare analog numerice), indicatorii tipici specificai sunt: timpul de conversie sau (uneori) rata de conver-sie care reprezint numrul de conversii posibile n unitatea de timp.

    nsumnd timpul de conversie al CAN cu timpul tranzitoriu tt al prii analogice seobine timpul de stabilizare al mrimii la ieirea traductorului numeric.

    1.4. Caracteristici energetice

    Orice operaie de msurare implic un consum energetic. Puterea, prin integrarea c-reia rezult energia consumat poate fi preluat total sau parial de la mrimile de msurat.

    Exist mrimi active, care au asociat o putere suficient pentru ca, prin intermediulunor ES adecvate, s asigure conversia direct ntr-un semnal electric. Cnd mrimile de m-surat sunt pasive este obligatoriu necesar, pentru conversia lor n semnal electric, o surs deenergie auxiliar.

    Figura 1.12. Funcia indicial a unui traductoranalogic echivalent cu un element de ordinul II

    (oscilant amortizat).

  • 23

    Pentru a nu afecta rezultatul msurtorii este necesar ca puterea preluat de la mrimi-le de msurat s fie ct mai mic. n practica utilizrii traductoarelor se pune problema adap-trii impedanei aparatului de msur Zm sau a traductorului Ztr, n raport cu impedana surseiZs, astfel nct consumul energetic i erorile de msurare s se menin n limitele admise.

    Acest procedeu se numete adaptare de amplitudine sau nivel i se realizeaz prin uti-lizarea unor amplificatoare. n acest fel pe lng adaptarea de nivel se realizeaz i o adaptaren putere. Consumurile de putere pot avea valori de la 103 W pn la 102 W, valorile fiindspecificate pentru fiecare traductor.

    Pentru caracterizarea puterii solicitate de la msurand, fiecrui traductor i se precizea-z n catalog sau pe placa indicatoare: impedana de intrare pentru aparatul receptor, tipul sur-sei auxiliare (c.c. sau c.a.), valoarea parametrilor (tensiune, curent) i limitele admisibile devariaie ale acestor parametri.

    1.5. Caracteristici constructive

    Calitatea efectiv a unui traductor este determinat, att de concepia care d princi-piul de funcionare, ct i de modul n care este realizat constructiv acesta.

    Condiiile efective de funcionare oferite de industrie pot impune cerine constructivediferite, chiar dac msurandul i intervalul de variaie al acestuia sunt aceleai.

    Caracteristicile constructive determin modul n care un traductor i pstreaz carac-teristicile funcionale sub aciunea mrimilor de influen care se exercit n cazul diverseloraplicaii. n continuare se prezint cteva din caracteristicile constructive ale traductoarelor:robusteea, capacitatea de suprancrcare, protecia climatic, protecia contra exploziilor,protecia anticoroziv, gradele normale de protecie, efectele ocurilor i vibraiilor mecani-ce.

    1.5.1. Robusteea

    Robusteea este o noiune de ordin calitativ. Este dat de capacitatea traductorului de afunciona corect n condiii de ocuri, vibraii, variaii mari de temperatur, umiditate, presiu-ne, ageni nocivi (chimici sau biologici).

    1.5.2. Capacitatea de suprancrcare

    Aceast noiune definete proprietatea unui traductor de a suporta valori ale mrimiide msurat care depesc limita superioar a domeniului, fr ca prin aceasta s rezulte modi-ficri ale performanelor funcionale (liniaritate, precizie, sensibilitate) sau deteriorri cons-tructive.

    Capacitatea de suprancrcare se exprim prin raportul ntre: valoarea maxim nedis-tructibil i limita superioar a domeniului.

    Prin valoare nedistructibil se nelege valoarea msurandului peste limita superioara domeniului care dup ce i nceteaz aciunea, permite revenirea traductorului la caracte-risticile iniiale.

    Capacitaii de suprancrcare i se asociaz un timp de exercitare: timp scurt (cnd so-licitarea este numit oc); timp ndelungat (pentru suprasarcin) .

    Observaie. Pentru a proteja aparatura de automatizare unele traductoare limiteaz(printr-un dispozitiv de protecie) valoarea superioar a semnalului de ieire y, chiar dac apardepiri ale semnalului de intrare x.

    1.5.3. Protecia climatic

    Acest tip de protecie reprezint ansamblul de msuri care se iau n cadrul calculelorde dimensionare i alegere a materialelor, pieselor i componentelor, n proiectarea formei idetaliilor constructive (n special ale carcasei), n stabilirea acoperirii suprafeelor i a tehno-logiei de execuie, pentru a se asigura c aciunea complex a factorilor climatici pe o anumi-

  • 24

    t durat s nu influeneze nefavorabil proprietile funcionale sau aspectul traductorului, ncondiiile reale de utilizare.

    Conform STAS 6535-83 i recomandrilor CEI (Comitetului Electrotehnic Internaio-nal) tipurile de protecie climatic sunt:

    N (Normalis): protecie pentru climat temperat;F (Frigidus): protecie pentru climat rece;TH (Tropicus Humidus): protecie pentru climat tropical umed;TA (Tropicus Aridus) protecie pentru climat tropical uscat;EF: protecie pentru climat foarte rece;M: protecie pentru climat temperat marin rece;MT: protecie pentru climat tropical marin.

    Fiecare tip de protecie climatic cuprinde mai multe categorii:- Categoria 1: pentru aparate (inclusiv traductoare) utilizate n aer liber;- Categoria 2: aparate utilizate n spaii exterioare acoperite (fr ocuri, vibraii, radiaii

    solare, precipitaii);- Categoria 3: pentru aparate ce funcioneaz n spaii nchise i care nu au modificri

    rapide de temperatur, fr praf, ocuri, precipitaii sau radiaii solare.- Categoria 4: pentru aparate (traductoare) ce funcioneaz n spaii nchise avnd condi-

    ii climatice reglate artificial.Valorile standard ale solicitrilor factorilor climatici sunt date n tabelul 1.1.

    Tabelul 1.1. Factori climaticiSimbolul zonei macroclimatice

    Caracteristicile factorilor climatici N F TH TA M MTMedia temperaturii minime anuale -33oC -60oC +1oC -10oC -30oC +1oCMedia temperaturii maxime anuale +40oC +40oC +45oC +50oC +40oC +45oCTemperaturi maxime absolute +45oC +45oC +50oC +55oC +45oCTemperaturi minime absolute -50oC -65oC -10oC -20oC -40oCUmiditate relativ

  • 25

    - Zona 2, n care amestecul exploziv poate fi generat numai n caz de avarie i pentruo perioad scurt de timp.

    Conform STAS 6877/1-73 traductoarele trebuie s fie protejate mpotriva exploziilordac sunt destinate funcionrii n aceste condiii.

    Modalitile de protecie antiexploziv sunt:a) Capsulare antideflagrant execuie d (STAS 6877/1-74), simbolizat prin Ex. d.

    n acest caz prile electrice care pot aprinde o atmosfer exploziv sunt introduse ntr-o car-cas capabil s suporte o explozie a unui amestec exploziv ptruns n interiorul acesteia, frs sufere avarii sau s permit propagarea exploziei n exterior prin mbinri sau alte ci.

    b) Capsulare presurizat execuie p (STAS 6877/2-74), simbolizat prin Ex. p, princare prile potenial generatoare de explozii sunt introduse ntr-o carcas, unde este asigurato atmosfer protectoare prin presurizare cu gaz inert care mpiedic ptrunderea atmosfereiexplozive n interiorul carcasei.

    c) Siguran intrinsec execuie i (STAS 6877/4-74), simbolizat Ex. i, prin care ni-ciun circuit prin care trece curent electric nu poate aprinde o atmosfer exploziv, att n con-diii normale de funcionare ct i n caz de defect, prin scntei electrice sau efecte termice.

    d) nglobare n nisip execuie q (STAS 6877/5-74) simbolizat Ex.q, prin care pr-ile capabile s aprind o atmosfer exploziv prin scntei sau arcuri electrice sunt nchise n-tr-o carcas nglobat n nisip.

    e) Imersie n ulei execuie o (STAS 6877/6-74) simbolizat prin Ex. o, prin careprile capabile s aprind atmosfera exploziv sunt imersate n ulei, deci scnteile sau gazelefierbini formate sub ulei nu pot declana explozii n zona de deasupra suprafeei uleiului.

    f) Siguran mrit execuie e (STAS 6877/7-74) simbolizat Ex. E, prin care se iaumsuri suplimentare pentru a crete gradul de siguran mpotriva aprinderilor prin scntei,arcuri electrice etc.

    g) Protecie special execuie s standard german (VDE) simbolizat prin Ex. s, cepresupune msuri suplimentare fa de cele menionate anterior contra aprinderii atmosfereiexplozive.

    1.5.5. Protecia anticoroziv

    Acest tip de protecie se are n vedere din faza de proiectare i urmrete ca elemente-le sensibile (ES) i restul elementelor constructive s reziste aciunii corozive a unor factoridin mediul ambiant. Astfel, elementele sensibile (ES) se construiesc din materiale care nusunt afectate de ageni corozivi, iar suprafeele exterioare ale traductoarelor se protejeaz cusubstane (acoperiri) de protecie anticorozive, utiliznd una din metodele: vopsire, galvani-zare, cadmiere, nichelare etc.

    1.5.6. Gradele normale de protecie

    Traductoarele (electrice i electronice), aparinnd categoriei utilajelor electrice, tre-buie asigurate cu protecii specifice acestor utilaje, referitoare la protecia persoanelor contraatingerii prilor interioare aflate sub tensiune, ct i contra ptrunderii corpurilor strine soli-de, contra ptrunderii apei i protecia contra deteriorrilor mecanice.

    STAS (5325-79) stabilete gradele normale de protecie pentru produsele electrotehni-ce, inclusiv traductoare.

    Gradele de protecie sunt simbolizate prin literele IP urmate de 2 (dou) sau 3 (trei)cifre avnd urmtoarele semnificaii:

    prima cifr simbolizeaz gradul de protecie al persoanelor contra atingerii prilor in-terioare aflate sub tensiune sau n micare precum i contra ptrunderii corpurilor strine. nacest sens se disting 7 grade de protecie, dup cum urmeaz:

    0 fr protecie1 protecie contra ptrunderii corpurilor solide cu dimensiunui mai mari de 50 mm;2 protecie contra ptrunderii corpurilor solide cu dimensiuni mai mari de 12 mm;

  • 26

    3 protecie contra ptrunderii corpurilor solide cu dimensiuni mai mari de 2,5 mm;4 protecie contra ptrunderii corpurilor solide cu dimensiuni mai mari de 1mm;5 protecie parial contra prafului;6 protecie total contra prafului.

    a doua cifr (protecie contra ptrunderii apei), are semnificaiile:0 fr protecie;1 protecie contra picturilor de ap de condensare;2 protecie contra picturilor de ap ce cad sub unghi de maxim 15 grade, fa de verti-

    cal;3 protecie contra apei de ploaie;4 protecie contra stropirii cu ap;5 protecie contra jetului de ap sub presiune;6 protecie corespunztoare condiiilor de pe puntea navelor;7 protecie contra efectelor imersiei n ap;8 protecie pentru utilaj (traductor) submersibil.

    a treia cifr precizeaz protecia contra deteriorrii mecanice, care cuprinde 6 grade cesunt detaliate n tabelul 1.2.

    Tabelul 1.2. Gradele proteciei contra deteriorrii mecaniceCondiii de solicitare mecanicSimbolizare

    prin a treiacifr

    Masa berbecului[kg]

    nlimea de cdere[cm]

    Cursa pe orizontal aberbecului [cm]

    0 1 0,15 40 802 0,5 40 803 1,5 40 804 5 40 805 15 40 80

    1.5.7. Efectele ocurilor i vibraiilor mecanice

    n timpul funcionrii sau pe durata transportului traductoarele pot fi supuse unor o-curi sau vibraii mecanice. ocurile pot aprea n cazul unor obiecte mobile terestre, mariti-me, aerospaiale, ori generate de fenomene seismice.

    Seria de standarde (STAS 8393/70) precizeaz ncercrile la ocuri i vibraii, ct iconstatarea rezultatelor acestor solicitri.

    Exemplu:n Registrul Naval Romn (RNR) normele (39-78/4) precizeaz modul de ncercare a

    aparaturii electrotehnice (inclusiv traductoarelor) la vibraii mecanice cu variaie continu afrecvenei:

    gama de frecvene [5...30] Hz; domeniul amplitudinilor pe subgame:

    25 mm pentru [5...10] Hz; 0,6 mm pentru [10...20] Hz; 0,3 mm pentru [20...30] Hz.

    durata ncercrii pentru fiecare subgam de frecvene este de minimum 2 min; durata de ncercare la frecvene de rezonan cu efect perturbator, este de minimum 2

    ore.

    ***

  • 27

    CAPITOLUL 2COMPONENTELE PRINCIPALE ALE TRADUCTOARELOR

    2.1. Elementele sensibile ale traductoarelor (ES)Elementele sensibile ES constituie partea cea mai diversificat a traductoarelor. Aces-

    tea permit detectarea mrimii de msurat din ntreg ansamblul de mrimi care acioneaz nmediul nconjurtor rejectnd sau reducnd la un minim acceptabil influena celorlalte.

    Dat fiind numrul i marea varietate a mrimilor care intervin n procesele automati-zate i care trebuie msurate cu ajutorul traductoarelor, rezult implicit necesitatea unei mul-titudini de tipuri de elemente sensibile ES, corespunztor acestor aplicaii.

    Elementele sensibile se pot clasifica:a) Dup principiul de conversie a mrimii fizice aplicate la intrare: elementele sensibile

    (ES) parametrice i elementele sensibile (ES) generatoare.Principiul conversiei este important pentru studiul general al traductoarelor i eviden-

    ierea fenomenelor fizice care stau la baza funcionrii acestora (modul de conversie al mri-mii de msurat ntr-un anumit tip de mrime electric).

    b) Dup natura mrimii fizice de msurat sunt elemente sensibile ES pentru: deplasare,vitez, for, debit, radiaie etc.

    2.1.1. Elemente sensibile de tip parametric

    Elementele sensibile ES parametrice (sau modulatoare) se utilizeaz atunci cnd m-rimea de msurat este pasiv, adic nu are asociat o putere suficient, sau fenomenul fizic pecare se bazeaz conversia nu permite obinerea direct a unui semnal electric. Se numesc ele-mente sensibile parametrice deoarece mrimea de intrare (neelectric) determin variaia pro-prietilor de material care sunt de natura unui parametru electric de circuit (rezistena electri-c, inductivitate, capacitate sau combinaii ale acestora).

    Pentru a pune n eviden aceste variaii este nevoie de o surs de energie auxiliar ca-re genereaz tensiune sau curent constant, a crei valoare este modulat de variaia parame-trului respectiv, obinndu-se astfel un semnal electric ale crei variaii reproduc pe cele alemrimii de msurat.

    Mrimile fizice de natur neelectric din cele mai diverse domenii (mecanic, chimie,termotehnic, radiaii) pot fi convertite n mrimi de natur electric datorat legilor fizice ca-re exprim dependena parametrilor (R, L, C) menionai la anumite materiale (conductoare,semiconductoare sau dielectrice) n raport cu aceste mrimi.

    Relaiile fundamentale care stau la baza funcionrii elementelor sensibile parame-trice sunt:

    a) Rezistena electric a unui conductor omogen:

    (2.1)SlR ,

    unde l este lungimea conductorului, S seciunea conductorului i rezistivitatea materialului.b) Inductivitatea proprie a unui bobine (considernd circuitul magnetic liniar):

    (2.2)

    n

    k kk

    k

    s

    lNL

    1

    2

    ,

    unde N este numrul de spire al bobinei, lk lungimea circuitului magnetic k, k i sk perme-abilitatea magnetic i respectiv seciunea mediilor ce formeaz circuitul magnetic al bobinei.

    c) Capacitatea unui condensator plan cu armturi paralele:

  • 28

    (2.3)d

    SC ,

    unde este permitivitatea mediului, S suprafaa activ comun a armturilor i d distanantre armturi.

    Pentru fiecare din cele trei elemente sensibile parametrice (R, L, C) se vor prezenta ta-belar att fenomenele fizice pe care se bazeaz conversia msurandului, ct i aplicaiile reco-mandate.

    1) Elemente sensibile (ES) rezistive (R)Tabelul 2.1(a)

    Fenomenul fizic pe care se bazeaz conversia Aplicaii (mrimi msurate)- variaia lungimii conductorului (sau a numrului de

    spire n cazul rezistorului bobinat)deplasri liniare i unghiulare;grosime; nivel.

    - variaia rezistivitii cu temperatura (termorezistena,termistorul)

    temperatur; umiditate; concentraiede gaze; vitez gaze (debit); vacuum.

    - variaia rezitivitii sub influena cmpului magnetic(efect Gauss)

    cmpul magnetic; inducie.

    - variaia lui sub aciunea radiaiilor (fotorezistene,fotoelemente)

    intensitate luminoas; flux luminos;deplasri (prin modulaia fluxului deradiaii).

    - variaia lui , l, S, prin intermediul unui element elasticdeformabil (tensorezistene, piezorezistene).

    for; presiune.

    2) Elemente sensibile inductive (L)Tabelul 2.1(b)

    Fenomenul fizic Aplicaii (mrimi msurate)- variaia l, , S pentru poriuni de circuit magneticprin plasarea unor armturi feromagnetice (ntrefiervariabil, miez mobil).

    deplasri liniare; dimensiuni piese;grosime; nivel.

    - variaia l, , S prin asociere cu elemente elastice,amortizoare, mase.

    acceleraie; vitez; vibraii.

    - variaia lui prin magnetostriciune for; presiune.

    3) Elemente sensibile capacitive (C)Tabelul 2.1(c)

    Fenomenul fizic Aplicaii (mrimi msurate)- variaia d sau S prin deplasare deplasri liniare sau unghiulare; presiune.- idem asociind cu un element elastic altitudine.- variaia permitivitii dielectricului nivel; grosime; umiditate (solide).

    Elementele sensibile (ES) parametrice sunt foarte rspndite datorit faptului c pot fiutilizate pentru conversia unei game foarte largi de mrimi cu domenii de variaie diferit.

    2.1.2. Elemente sensibile de tip generator

    Elementele sensibile de tip generator (sau energetice) sunt utilizate n cazul mrimiloractive, adic a acelor mrimi care asociaz o putere ce poate fi utilizat pentru conversie fra afecta valoarea mrimii msurate. Aceste elementele sensibile (ES) furnizeaz la ieire uncurent, o tensiune sau o sarcin electric avnd variaii dependente de intrarea x.

    Pentru a influena ct mai puin mrimea de msurat, puterea luat de la aceasta trebu-ie s fie ct mai mic. n practic se utilizeaz surse auxiliare de energie pentru asigurareaunor performane ridicate i pentru a permite a bun adaptare de impedan cu circuitele re-ceptoare din SRA.

  • 29

    n tabelul 2.2 sunt date principalele tipuri de elemente sensibile generatoare, fenome-nele fizice pe care se bazeaz conversia i aplicaiile posibile.

    Elementele sensibile (ES) de tip generator prezint avantajul unei cuplri mai uoarecu adaptorul, ct i structuri mai simple ale adaptorului, ntruct nu mai necesit conversiaunui parametru de circuit (R, L, C) ntr-un curent sau tensiune este vorba de elemente sensi-bile electromagnetice.

    Elementele sensibile electrochimice i piezoelectrice (i chiar fotoelectrice) impun ce-rine speciale, deoarece ele sunt considerate generatoare de tensiuni electromotoare cu impe-dan intern foarte mare, ceea ce atrage dup sine condiii severe pentru impedana etajuluide intrare n adaptor ct i modul de realizare a conexiunilor electrice (rezistena de izolaiefoarte bun, ecranare etc.).

    Tabelul 2.2. Elemente sensibile generatoareTipul elementului

    sensibilFenomenul fizic ce st la baza conversiei Aplicaii (mrimi msurate)

    a) Electromagnetic(de inducie)

    - generarea prin inducie a tensiunii elec-tromotoare sub aciunea mrimii de msu-rat.

    viteza de rotaie (tahoge-nerator); debite de fluide;vibraii.

    b) Termoelectric - generarea tensiunii termoelectromotoareprin efect termo-electric (Seebek) de con-tact ntre dou metale diferite.

    temperatur

    c) Piezoelectric - polarizarea electric a unui cristal subaciunea unei fore sau presiuni.

    fore (dinamice); presiuni(dinamice).

    d) Magnetostrictiv - generarea tensiunii electromotoare prinvariaia induciei remanente sub aciuneaunei fore asupra materialelor magnetice.

    fore (dinamice); presiuni(dinamice).

    e) Electrochimic - generarea tensiunii electromotoare ntredoi electrozi aflai la o distan, n soluii cuconcentraii de ioni diferite

    concentraia ionilor de hi-drogen (pH).

    f) Fotoelectric(fotovoltaic)

    - generarea unui curent electric pe bazafenomenului fotoelectric extern sub aciu-nea unei radiaii luminoase.

    deplasri liniare i unghiu-lare; dimensiuni piese;vitez de rotaie.

    Observaie: Pentru proiectant i constructor este util clasificarea dup principiul defuncionare, dar pentru utilizator este mai convenabil clasificarea elementelor sensibile dupmrimile fizice pe care ES le poate detecta.

    2.2. Clasificarea elementelor sensibile dup mrimile detectate

    n tabelul 2.3 este dat o succint clasificare a ES dup mrimile fizice detectate.Observaii:

    1) Acelai tip de element sensibil poate fi utilizat pentru detectarea unor mrimi fizicefoarte diferite. Explicaia const n aceea c urmrindu-se conversia ntr-o mrime electric,este firesc ca elementele sensibile pasive s fie tot de tipul R, L, C, iar cele generatoare s fur-nizeze o tensiune, un curent sau o sarcin electric. Al doilea argument const n faptul cvariaiile parametrilor R, L, C sau tensiunile i curenii generai depind, la rndul lor, de omultitudine de factori care, n cadrul unor fenomene fizice convenabil explorate (uneori cuelemente de cuplare adecvate) pot fi influenate de diverse mrimi.

    2) Pentru aceeai mrime fizic convertit pot fi utilizate mai multe tipuri de elementesensibile. Alegerea celor mai potrivite elemente sensibile de face n funcie de:

    - gama de variaie a mrimii msurate;- posibilitatea de cuplare la proces;- factorii de mediu;- performanele impuse;- factorii economici.

  • 30

    Tabelul 2.3. Clasificarea elementelor sensibile dup mrimile fizice detectateMrimi fizice

    de baz Mrimi fizice derivate Elemente sensibile tipice

    Deplasare

    deplasare liniar; deplasare unghiular; lungi-me (lime); grosime; strat de acoperire; nivel;deformaie (indirect presiune, for, cuplu);altitudine

    rezistive; inductive; fotoelectrice;electrodinamice (selsine, induc-tosine).

    Vitezliniar; unghiular; debit. electrodinamice (tahogenerator);

    fotoelectrice; termorezistive.

    Forefort unitar; greutate; acceleraie; cuplu; vsco-zitate; vacuum presiune (relativ/absolut)

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

    Temperaturtemperatur la suprafa (solide, fluide);cldur-flux, energie; conductibilitate termic.

    termorezistene; termistoare;termocupluri; complexe (dilatare+ deplasare)

    Mas debit de mas; densitate. Idem ca la for

    Concentraie componente n amestecuri de gaze; ioni de hi-drogen n soluii; umiditate.termorezistive; electrochimice;conductometrice.

    Radiaieluminoas; termic; nuclear. fotoelectric; detectoare n infra-

    rou; elemente sensibile bazatepe ionizare.

    2.3. Adaptoare

    Rolul adaptorului este acela de a converti semnalul generat de elementul sensibil ntr-un semnal electric de ieire Y de regul unificat. Semnalele de ieire fiind unificate, rezult cetajele de ieire ale adaptoarelor sunt similare pentru acelai tip de semnal unificat. Difereni-eri constructive apar pe partea de intrare n traductoare, care recepioneaz mrimile diversifi-cate (ca natur fizic i domeniu de variaie) furnizate de elementele sensibile.

    2.3.1. Adaptoare pentru elemente sensibile de tip parametric

    innd seama c adaptoarele de acest tip transform variaiile parametrilor R, L, C ntensiune sau curent electric, rezult c etajele de intrare n aceste adaptoare utilizeaz puni decurent continuu sau alternativ, funcionnd n regim dezechilibrat. La ieirea punilor de m-surare se obine un semnal de dezechilibru care este amplificat i convertit (de etajul final aladaptorului) n semnal unificat. Pentru a elimina influena perturbaiilor se utilizeaz (de re-gul) o bucl de reacie negativ astfel nct aceasta s includ ct mai multe din blocurilecomponente ale adaptorului.

    Dac schema de msurare sau elementul sensibil prezint neliniariti importante seprevd n schema adaptorului blocuri de liniarizare (sub forma unor generatoare de funcii)plasate fie pe calea direct, fie pe calea de reacie a adaptorului.

    Structura unui adaptor pentru un element sensibil rezistiv este prezentat n figura 2.1.Blocurile din figur au urmtoarele semnificaii:

    SM schem de msurare tip punte Wheatstone n curent continuu (regim dezechilibat);

    BC bloc de comparaie care calculeaz diferena ntre U = Ud Ur;Figura 2.1. Structura unui adaptor pentru un element sensibil

    rezistiv

  • 31

    A amplificator de tensiune continu, care poate fi de tipul cuplare direct sau cu mo-dulare-demodulare, n funcie de valoarea tensiunii Ud, de condiiile de adaptare a impedane-lor i de necesitatea separrii galvanice.

    CTC convertor tensiunecurent, care asigur semnalul unificat de curent la ieire (Ic == [210] mA sau [420] mA. Este realizat cu tranzistoare de putere (medie) deoarece am-plificatoarele integrate nu pot asigura la ieire puterea necesar. (ex. 20mA pe 600). Cone-xiunile de tip Darlington sunt utilizate frecvent.

    BR bloc de reacie negativ care furnizeaz tensiunea Ur, proporional cu semnalulunificat Ic. El este realizat (de cele mai multe ori) dintr-un divizor rezistiv de tensiune sau decurent. n unele cazuri blocului de reacie i se ataeaz i un circuit de liniarizare (BRL);

    BL bloc de liniarizare introdus atunci cnd este necesar s se compenseze neliniarit-ile generate de elementul sensibil sau puntea de msurare. Se realizeaz cu diode Zener, tran-zistoare etc. care introduc n mod intenionat neliniariti de sens opus celor furnizate de ele-mentele sensibile sau de schemele de msurare.

    n afara elementelor din schema bloc se prevd i surse de alimentare necesare circui-telor utilizate. Alimentarea punii Wheatstone necesit o tensiune U0 foarte bine stabilizat,deoarece tensiunea de dezechilibru Ud este influenat de variaia lui U0.

    Observaie: n cazul elementelor sensibile de tip inductiv sau capacitiv, schemele de msursunt puni de curent alternativ n regim dezechilibrat, iar amplificatoarele de curent alternativ sunt de tipselectiv, acordate pe frecvena de alimentare a schemelor de msurare (a punilor de curent alternativ).Separarea galvanic este uor de asigurat, utiliznd transforma-toare de cuplaj, dar reacia global (cu ctmai multe elemente n bucl) i liniarizarea devin mai complicate.

    2.3.2. Adaptoare pentru elemente sensibile de tip generator

    Acestea au n principiu aceeai structur ca n figura 2.1, dar lipsete schema de msu-rare SM. Semnalul dat de elementele sensibile se aplic direct la intrarea amplificatorului.Dac exist reacie, comparaia se realizeaz ntr-un singur montaj diferenial de tensiune. n-truct lipsete SM care printr-o proiectare adecvat realiza i o adaptare de impedan, am-plificatoarelor folosite n cadrul acestor adaptoare li se impun o serie de cerine care suntstrns legate de caracteristicile semnalului generat de elementele sensibile. Cele mai frecventntlnite semnale generate de ES sunt :

    - tensiuni continue de nivel foarte redus;- tensiuni alternative cu frecven variabil n limite largi;- tensiuni continue sau alternative obinute de la surse cu impedan proprie foarte mare.

    Msurarea tensiunii de nivel foarte redus (mV), cum este cazul termocuplurilor, esteafectat de deriva tensiunii de decalare datorit rezistenei sursei de semnal, care este relativmic.

    Exemplu: Dac termocuplul Pt-Rh-Pt are o sensibilitate de ordinul 10V/C, iar am-plificatorul are o deriv de tensiune de 15V/C, rezult c la o variaie a temperaturii de10C, deriva va fi de 150 V ceea ce corespunde unei erori de temperatur de 15C, evidentneacceptabil.

    Pentru reducerea derivelor, deci a erorilor de msurare se utilizeaz amplificatoare in-tegrate de msurare, cu performane ridicate care pot asigura derive de 0,25 V/C sau 0,1 V//C, la fel ca cele realizate de amplificatoarele cu modulare-demodulare, dar mult mai ieftinei mai simple.

    n cazul traductoarelor electromagnetice (tahogeneratoare, traductoare de debit cu tur-bin etc) care utilizeaz semnale alternative cu frecven variabil n limite largi se folosescamplificatoare de band larg 1Hz 106 Hz, care au cuplaje RC ntre etaje i au reacie nega-tiv, pentru a asigura liniaritatea i amplificri constante pe ntreaga band.

    Dac sursa de semnal a elementelor sensibile are rezisten sau impedan internfoarte mare, de ordinul (108 109 ) este necesar ca n aceste situaii msurarea s se facfr consum de putere de la sursa de semnal (traductoare de pH, traductoare de debit electro-

  • 32

    magnetice, piezoelectrice). n aceste cazuri amplificatoarele coninute n adaptoare, numiteamplificatoare electrometrice, trebuie s aib impedane de intrare de ordinul (1012 1014).Acest lucru se poate realiza utiliznd:

    - amplificatoare cu modulator utiliznd diode varicap;- amplificatoare realizate cu tranzistoare de tip MOS.

    Celelalte blocuri funcionale sunt aceleai cu cele descrise la adaptoarele pentru ESparametrice.

    Adaptoare utiliznd scheme de msurare cu echilibrare automatMsurarea precis a tensiunii sau a curenilor de nivel sczut (dai de elementele sen-

    sibile generatoare) se poate face cu scheme de msurare de tip compensator care realizeazcompararea tensiunii sau curentului respectiv cu mrimi similare a cror valori pot fi reglateautomat i cunoscute cu precizie.

    n acest fel msurarea se poate face fr consum de putere de la elementele sensibile,deci se elimin erorile sistematice de metod. ntruct mrimile furnizate de