1

ŞOFEI CARMEN ELENA

CIRCUITE ELECTRONICE UTILIZATE PENTRU MĂSURAREA MĂRIMILOR GEOMETRICE

2011 TÎRGU-JIU

codul ISBN 978-973-0-11245-0

2

CUPRINS

CAPITOLUL I- INTRODUCERE 1.1 Noţiuni generale 1.2 Deosebirile între traductor şi aparatul de măsurat 1.3 Poziţia traductoarelor în cadrul S.R.A. 1.4 Structura generală a unui traductor. CAPITOLUL II- COMPONENTELE PRINCIPALE ALE TRADUCTOARELOR 2.1 Elementele sensibile ale traductoarelor(ES) 2.1.1 Elementele sensibile de tip parametric 2.1.2 Elementele sensibile de tip generator 2.2 Clasificarea elementelor sensibile dupa mărimile detectate CAPITOLUL III- TRADUCTOARELE PENTRU MĂRIMI GEOMETRICE 3.1 Generalităţi 3.2 Traductoare pentru deplasari liniare mici 3.2.1 Elementele sensibile inductive cu miez mobil 3.2.2 Elementele sensibile inductive cu întrefier variabil 3.2.3 Elementele sensibile capacitive pentru traductoarele de deplasare 3.2.4 Elementele sensibile resistive pentru deplasări liniare mici 3.3 Traductoare pentru deplasări liniare mari 3.3.1 Inductosinul liniar 3.3.2 Rigla optică 3.3.3 Traductoare de deplasare cu laser 3.4 Traductoare analogice pentru deplasări unghiulare 3.4.1 Elementele sensibile resistive pentru măsurarea deplasărilor unghiulare 3.4.2 Traductoare numerice pentru deplasările unghiulare 3.5 Traductoare de proximitate 3.5.1 Traductoare inductive de proximitate 3.5.2 Traductoare magnetice de proximitate Bibliografie

3

CAPITOLUL I INTRODUCERE

1.1Noţiuni generale În scopul măsurării mărimilor fizice ce intervin într-un proces tehnologic, este necesară de obicei convertirea („traducerea") acestora în mărimi de altă natură fizică care pot fi introduse cu uşurinţă într-un circuit de automatizare (de exemplu, o temperatură poate să influenţeze un circuit de automatizare numai dacă este convertită (tradusă) într-o tensiune electrică proporţională sau dependentă de temperatura respectivă). Elementul care permite convertirea („traducerea") unei mărimi fizice (de obicei neelectrică) într-o altă mărime fizică (de obicei electrică) dependentă de prima, în scopul introducerii acesteia într-un circuit de automatizare se numeşte traductor. În structura traductoarelor se întîlnesc, în general, o serie de subelemente constitutive, ca, de exemplu: convertoare, elemente sensibile, adaptoare etc. Structura generală a traductoarelor este foarte diferită de la un tip de traductor la altul, cuprinzând unul, două sau mai multe convertoare conectate în serie., Măsurarea mărimilor geometrice este legată de existenţa unui sistem de referinţă faţă de oricare punct care ocupă la un moment dat o anumită poziţie. Schimbarea poziţiei punctului reprezintă o deplasare, iar spaţiul dintre două puncte o distanţă. Situarea unui punct în apropierea unui reper fix se numeşte proximitate.Deplasările pot fi liniare (în cazul mişcărilor de translaţie) sau unghiulare (în cazul mişcărilor de rotaţie). Măsurarea mărimilor geometrice se poate face prin metode absolute sau metode relative prin care se stabileşte o abatere faţă de o valoare de referinţă O problemă specifică traductoarelor de deplasare se referă la asocierea acestora cu sistemele de cuplare la mărimea de măsurat, care pot fi atât liniare, cât şi rotative.Din acest punct de vedere se deosebesc variante de măsurare directă (deplasare liniară prin translaţie; deplasare unghiulară prin rotaţie) şi variante de măsurare indirectă (de exemplu, deplasare unghiulară pentru caracterizarea unei deplasări liniare). Importanţa deosebită a măsurărilor deplasărilor este dată de faptul că, se poate realiza atât controlul mărimilor geometrice propriu-zise (deplasări, dimensiuni, planeitate, rugozitate) cât şi de faptul că o serie de alte mărimi fizice se pot determina prin măsurarea efectului produs de acestea, efect materializat prin deplasarea unui punct (presiuni, forţe, nivel, temperaturi, etc.) care de regulă sunt caracterizate de deplasări mici (atât liniare cât şi unghiulare). O altă problemă specifică măsurării mărimilor geometrice este determinată de dispozitivele utilizate pentru cuplarea mărimii măsurate la traductor, aceste dispozitive putând fi prin contact mecanic (palpatoare, şublere, micrometre) pe cale optică sau fotoelectrică. A măsura înseamnă a compara o mărime necunoscută (X) cu o alta de aceeaşi natură (x) luată drept unitate, după relaţia:

X = mx, (1 .1)

4

în care m reprezintă valoarea mărimii necunoscute (X). Această comparare este efectuată, de regulă, de către un aparat de măsură ce are memorată unitatea de măsură, în interior, pe scara gradată.

Figura 1.1

Mărimea de măsurat (X) se mai numeşte şi măsurand. Indicaţia aparatului de măsură (valoarea m) este percepută de către un operator (uman

sau automat), iar acest rezultat al măsurării este transmis mai departe pentru a fi utilizat în practică (fig. 1 .1).

Schema bloc din figura 1.1 sugerează că procesul de măsurare poate fi considerat ca o interfaţă între obiectul de măsură şi domeniul de utilizare a rezultatului măsurării (control, verificare experimentală a unei teorii etc).

Din cauza imperfecţiunii aparatului de măsurat (AM) şi a operatorului, precum şi datorită prezenţei unor factori perturbatori (FP), rezultatul măsurării este întotdeauna afectat de o eroare, iar nivelul acesteia defineşte calitatea de bază a unei măsurări: precizia; cu cât eroarea este mai mică, cu atât precizia este mai bună. Rezultatul unei măsurări nu prezintă nici o importanţă practică dacă nu se cunoaşte şi precizia acestuia.

Pentru micşorarea erorilor şi deci creşterea preciziei de măsurare, trebuie, în primul rând, eliminaţi sau menţinuţi la nivele constante, controlabile, toţi factorii perturbatori (FP) cum sunt factorii de climă (temperatura, umiditatea, presiunea), câmpurile electrice, magnetice şi electromagnetice.

În afară de acestea mai trebuie precizate şi condiţiile tehnice de definire a mărimii X. De exemplu, dacă la măsurarea pierderilor în fier rezultă 2W/kg această cifră nu este concludentă dacă nu se specifică şi valoarea inducţiei magnetice, respectiv frecvenţa la care au fost măsurate.

Ca regulă generală se recomandă ca obiectele să fie măsurate în condiţiile lor normale de lucru, sau cât mai apropiate de acestea.

Cu privire la aparatul de măsură şi la operator este necesar să se observe următoarele: Aparatul de măsură (AM) trebuie să fie cât mai adecvat scopului urmărit, iar o alegere

judicioasă cere cunoaşterea performanţelor şi limitelor aparatului respectiv în condiţiile reale de lucru. Principalul parametru de calitate al unui AM este precizia; această precizie trebuie verificată, de regulă, înaintea operaţiei de măsurare, mai ales când se fac măsurări de mare răspundere, fără a acorda credit sută la sută indicaţiilor din prospectul aparatului.

Operatorul uman. Cel mai solicitat simţ al acestuia este văzul, iar în cazul măsurătorilor acustice se adaugă şi auzul.

În cazul utilizării operatorului automat este necesar ca aparatul de măsură să poată “vorbi” în limbajul acestuia. De exemplu, dacă operatorul este un calculator de proces, aparatul trebuie să furnizeze informaţia în codul acestuia. În figura 1.2-a este dată schema de principiu a unui lanţ de măsură.

5

Figura 1 .2

1.2 Deosebirile dintre traductor şi aparatul de măsurat Prin aparat de măsurat se înţelege acel dispozitiv care stabileşte o dependenţă între mărimea de măsurat şi o altă mărime ce poate fi percepută nemijlocit cu ajutorul organelelor de simţ umane, într-o manieră care permite determinarea valorii mărimii necunoscute în raport cu o anumită unitate de măsură. În cazul SRA conducerea procesului făcându-se fără participarea directă a operatorului uman, mijloacele prin care se realizează operaţia de măsurare se numesc traductoare. Traductorul (definit în sensul atribuit de automatică) este un dispozitiv de automatizare care stabileşte o corespondenţă între mărimea de măsurat (ce poate fi de orice natură sau domeniu de variaţie) şi o mărime de natură dată, având un domeniu de variaţie calibrat, mărime ce este recepţionată şi prelucrată de către echipamentele de conducere (regulatoare şi calculatoare de proces). Noţiunea de traductor se poate extinde pentru definirea unor elemente cu funcţiuni similare care intră în structura unor lanţuri de măsurare complexe, utilizate în scopuri de cercetare, sau laboratoare metrologice . Informaţia furnizată de traductor nu se adresează unui operator uman, ci unui echipament de conducere sau reglare automată. Deosebirile dintre traductor şi aparatul de măsurat rezidă mai ales în natura caracteristicilor statice şi dinamice. Din punct de vedere al caracteristicilor, traductoarelor li se impun următoarele cerinţe:

a) Relaţie de dependenţă liniară între intrare şi ieşire (I - E). b) Dinamică proprie care să nu influenţeze în mod esenţial comportarea SRA. Aceste cerinţe reprezintă restricţii severe în construcţia traductoarelor.

- Dacă pentru un aparat de măsură relaţia de dependenţă I-E poate fi neliniară, în acest caz scara aparatului gradându-se neliniar, în cazul traductorului dependenţa I-E este impusă strict liniară, adică, eroarea de neliniaritate admisă este foarte redusă. Toate operaţiile de conducere a procesului se bazează pe această proprietate. În ceea ce priveşte, dinamica proprie, este necesar ca informaţia furnizată de traductor către echipamentul de conducere să ajungă la aceasta fără întârziere, pentru ca deciziile de conducere să fie oportune. Rezultă că dinamica proprie a traductorului trebuie să fie rapidă, încât programarea informaţiei prin traductor (între I şi E) să se facă cu întârzieri minime (neglijabile) în raport cu dinamica procesului condus.

6

Se observă (deduce) că traductoarele trebuie să îmbine cerinţele de liniaritate şi viteză de răspuns cu performanţele metrologice privind precizia, similare cu cele ale aparatelor de măsură sau chiar mai ridicate, ţinând seama că posibilităţile de discriminare ale SRA sunt superioare faţă de cele oferite de operatorul uman. Toate consideraţiile implică şi necesitatea unei fiabilităţi sporite în raport cu aparatele de măsurat, datorită faptului că o indicaţie greşită dată de un aparat de măsurat poate fi uşor sesizată şi interpretată de către operator, pe când detectarea unor valori eronate furnizate de traductoare este mult mai dificilă în cazul unui SRA.

1.3 Poziţia traductoarelor în cadrul S.R.A. Se consideră schema structurală, a unui sistem monovariabil de reglare automată, prezentat în figura 1.3.

Figura 1.3

Întrucât semnificaţia şi rolul elementelor ce compun această schemă sunt cunoscute de la disciplina “Bazele Sistemelor Automate”, aici trebuie observat numai faptul că traductorul este plasat pe calea de reacţie, având la intrare mărimea reglată (y), pe care o converteşte (o traduce) în mărime de reacţie (yr ). Mărimea de reacţie, însumată cu referinţa (r), determină eroarea de reglare () conform relaţiei: )t(y)t(r)t( r (1.2) În cazul unui sistem multivariabil de reglare şi/sau conducere automată schema de principiu este de tipul celei din figura 1.4.

Figura 1.4

7

Semnificaţia notaţiilor din figura 1.4 este: Tr – traductoare; EE – element de execuţie; SI-I – sistem de interfaţă a intrărilor; SI-E – sistem de interfaţă a ieşirilor; SIA – sistem de interfaţă pentru mărimi analogice; SIN – sistem de interfaţă pentru mărimi numerice; C.P. – calculator de proces; C.O. - -consola operator; C.U. – calculator universal; P.G. – periferice generale. Din cele două scheme se constată că traductoarele (Tr) sunt situate pe calea informaţională având sensul de transmitere de la proces către sistemul de conducere, iar EE sunt plasate pe calea de transmitere a comenzilor de la sistemul de conducere către proces. Cuplarea traductoarelor cu procesul se poate realiza în diverse moduri: mecanic, termic, electric etc, în raport cu natura fenomenelor purtătoare de informaţie referitoare la mărimea de măsurat. Datorită unor avantaje bine cunoscute, majoritatea echipamentelor de automatizare sunt electrice sau electronice, şi numai în cazuri speciale pneumatice (medii cu pericole de explozii sau incendii). Ca urmare, semnale de ieşire ale traductoarelor sunt de natură electrică (tensiune, curenţi) sau pneumatică (aer instrumental). 1.4 Structura generală a unui traductor Realizarea funcţiilor (menţionate) de către traductor astfel încât semnalul obţinut la ieşirea acestuia să reprezinte valoric mărimea măsurată, sub formă accesibilă dispozitivelor de automatizare, implică o serie de operaţii de conversie însoţite totodată şi de transformări energetice bazate fie pe energia asociată mărimii preluate din proces, fie pe cea furnizată de sursele auxiliare. Schema structurală a unui traductor este prezentată în figura 1.5.

Figura 1.5

Semnificaţia blocurilor funcţionale este următoarea: D ES (element sensibil), sau detector; ET = element de transmitere (de transfer); A AD este adaptorul; SEA este sursa de energie auxiliară. Mărimea de măsurat x este aplicată la intrarea traductorului, reprezentând parametrul reglat (temperatură, debit, presiune, turaţie, nivel, vitază, forţă etc). Mărimea de ieşire y reprezintă valoarea mărimii măsurate, exprimată sub formă de semnal analogic (curent, tensiune sau presiune). Detectorul (D) – numit şi element sensibil, senzor sau captor – este elementul specific pentru detectarea mărimii fizice pe care traductorul trebuie să o măsoare. În mediul în care trebuie să funcţioneze traductorul, în afara mărimii x, există şi alte mărimii fizice. Detectorul trebuie să aibă calitatea de a sesiza numai variaţiile mărimii x, fără ca informaţiile pe care acesta le furnizează să fie afectate de celelalte mărimi din mediul respectiv (din proces). În urma interacţiunii dintre mărimea de măsurat şi detector are loc o modificare de stare a acestuia, care, fiind o consecinţă a unor legi fizice cunoscute teoretic sau experimental, conţine informaţia necesară determinării valorii mărimii de măsurat.

8

Modificarea de stare presupune un consum energetic preluat de la proces. În funcţie de fenomenele fizice pe care se bazează detecţia şi de puterea asociată mărimii de intrare, modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la ieşirea elementului sensibil. În alte situaţii modificarea de stare are ca efect modificarea unor parametrii de material a căror evidenţiere se face utilizând o energie de activare de la o sursă auxiliară (SEA). Indiferent cum se face modificarea de stare a detectorului (D), informaţia furnizată de acesta nu poate fi folosită ca atare, necesitând prelucrări ulterioare prin (ET) şi (A). Adaptorul (A)– are rolul de a modifica (adapta) informaţia obţinută la ieşirea detectorului (D)– la cerinţele impuse de aparatura de automatizare, care o utilizează, adică să o convertească sub forma impusă pentru semnalul de ieşire y.

9

CAPITOLUL 2

COMPONENTELE PRINCIPALE ALE TRADUCTOARELOR

2.1. Elementele sensibile ale traductoarelor (ES)

Elementele sensibile (ES) constituie partea cea mai diversificată a traductoarelor. Acestea permit detectarea mărimii de măsurat din întreg ansamblul de mărimi care acţionează în mediul înconjurător rejectând sau reducând la un minim acceptabil influenţa celorlalte. Dat fiind numărul şi marea varietate a mărimilor care intervin în procesele automatizate şi care trebuie măsurate cu ajutorul traductoarelor, rezultă implicit necesitatea unei multitudini de tipuri de elemente sensibile (ES), corespunzător acestor aplicaţii. Elementele sensibile se pot clasifica : a) după principiul de conversie a mărimii fizice aplicate la intrare:

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

Principiul conversiei este important pentru studiul general al traductoarelor şi evidenţierea fenomenelor fizice care stau la baza funcţionării acestora (modul de conversie al mărimii de măsurat într-un anumit tip de mărime electrică). b) după natura mărimii fizice de măsurat:

elemente sensibile (ES) pentru: deplasare, viteză, forţă, debit, radiaţie etc.

2.1.1 Elemente sensibile de tip parametric Elementele sensibile (ES) parametrice (sau modulatoare) se utilizează atunci când mărimea de măsurat este pasivă, adică nu are asociată o putere suficientă, sau fenomenul fizic pe care se bazează conversia nu permite obţinerea directă a unui semnal electric. Se numesc elemente sensibile parametrice deoarece mărimea de intrare (neelectrică) determină variaţia proprietăţilor de material care sunt de natura unui parametru electric de circuit (rezistenţa electrică, inductivitate, capacitate sau combinaţii ale acestora). Pentru a pune în evidenţă aceste variaţii este nevoie de o sursă de energie auxiliară care generează tensiune sau curent constant, a cărei valoare este modulată de variaţia parametrului respectiv, obţinându-se astfel un semnal electric ale cărei variaţii reproduc pe cele ale mărimii de măsurat. Mărimile fizice de natură neelectrică din cele mai diverse domenii (mecanică, chimie, termotehnică, radiaţii) pot fi convertite în mărimi de natură electrică datorată legilor fizice care exprimă dependenţa parametrilor (R, L, C) menţionaţi la anumite materiale (conductoare, semiconductoare sau dielectrice) în raport cu aceste mărimi.

Relaţii fundamentale care stau la baza funcţionării elementelor sensibile parametrice sunt: a) Rezistenţa electrică a unui conductor omogen:

SlR (2.1)

10

unde l – lungimea conductorului; S – secţiunea conductorului; ρ – rezistivitatea materialului. b) Inductivitatea proprie a unui bobine (considerând circuitul magnetic liniar):

;

sl

NL n

1k kk

k

2

(2.2)

unde N – numărul de spire al bobinei; lk – lungimea circuitului magnetic (k);

µk şi sk – permeabilitatea magnetică şi secţiunea mediilor ce formează circuitul magnetic al bobinei.

c) Capacitatea unui condensator plan cu armături paralele:

;dSC

(2.3)

unde ε - permitivitatea mediului; S – suprafaţa activă comună a armăturilor; d – distanţa între armături. Pentru fiecare din cele trei elemente sensibile parametrice (R, L, C) se vor prezenta tabelar atât fenomenele fizice pe care se bazează conversia măsurandului, cât şi aplicaţiile recomandate.

1. Elemente sensibile (ES) rezistive (R) Tabel 2.1.a

Fenomenul fizic pe care se bazează conversia

Aplicaţii (mărimi măsurate)

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

deplasări liniare şi unghiulare; grosime; nivel.

- variaţia rezistivităţii (ρ cu temperatura (termorezistenţa , termistorul)

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

- variaţia lui ρ sub influenţa câmpului magnetic (efect Gauss)

câmpul magnetic; inducţie.

- variaţia lui ρ sub acţiunea radiaţiilor (fotorezistenţe , fotoelemente)

intensitate luminoasă; flux luminos; deplasări (prin modulaţia

11

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

forţă; presiune.

2) Elemente sensibile inductive (L) Tabel 2.1.b

Fenomenul fizic Aplicaţii (mărimi măsurate)

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

deplasări liniare; dimensiuni piese; grosime; nivel.

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

acceleraţie; viteză; vibraţii.

- variaţia lui ρ prin magnetostricţiune forţă; presiune.

3) Elemente sensibile capacitive (C) Tabel 2.1.c

Fenomenul fizic Aplicaţii (mărimi măsurate)

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

- idem asociind cu un element elastic altitudine. - variaţia permitivităţii dielectricului nivel;

grosime; umiditate (solide).

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

2.1.2 Elemente sensibile de tip generator Elementele sensibile de tip generator (sau energetice) sunt utilizate în cazul mărimilor active, adică a acelor mărimi care asociază o putere ce poate fi utilizată pentru conversie fără a afecta valoarea mărimii măsurate. Aceste elementele sensibile (ES) furnizează la ieşire un curent, o tensiune sau o sarcină electrică având variaţii dependente de intrare (x). Pentru a influenţa cât mai puţin mărimea de măsurat, puterea luată de la aceasta trebuie să fie cât mai mică. În practică se utilizează surse auxiliare de energie pentru asigurarea unor performanţe ridicate şi pentru a permite a bună adaptare de impedanţă cu circuitele receptoare din SRA. În tabelul T 2.2 sunt date principalele tipuri de elemente sensibile – generatoare, fenomenele fizice pe care se bazează conversia şi aplicaţiile posibile.

12

Elementele sensibile (ES) de tip generator prezintă avantajul unei cuplări mai uşoare cu adaptorul, cât şi structuri mai simple ale adaptorului, întrucât nu mai necesită conversia unui parametru de circuit (R, L, C) într-un curent sau tensiune – este vorba de elemente sensibile electromagnetice. Elementele sensibile electrochimice şi piezoelectrice (şi chiar fotoelectrice) impun cerinţe speciale, deoarece ele sunt considerate generatoare de tensiuni electromotoare cu impedanţă internă foarte mare, ceea ce atrage după sine condiţii severe pentru impedanţa etajului de intrare în adaptor cât şi modul de realizare a conexiunilor electrice (rezistenţa de izolaţie foarte bună, ecranare etc.).

Tabel 2.2

Tipul elementului sensibil

Fenomenul fizic ce stă la baza conversiei

Aplicaţii (mărimi măsurate)

a) Electromagnetic (de inducţie)

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

- viteza de rotaţie (tahogenerator);

- debite de fluide; - vibraţii.

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

- temperatură

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

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

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

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

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

- concentraţia ionilor de hidrogen (pH).

f)Fotoelectric (fotovoltaic)

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

- deplasări liniare şi unghiulare;

- dimensiuni piese; - viteză de rotaţie.

13

2.2 Clasificarea elementelor sensibile după mărimile detectate În tabelul 2.3. este prezentată o succintă clasificare a ES după mărimile fizice detectate.

Tabel 2.3 Mărimi fizice de

bază Mărimi fizice derivate Elemente sensibile, tipice

DEPLASARE

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

- altitudine

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

VITEZĂ

- liniară; - unghiulară; - debit.

- electrodinamice (tahogenerator);

- fotoelectrice; - termorezistive.

FORŢĂ

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

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

TEMPERATURĂ

- temperatură la suprafaţă (solide, fluide);

- căldură- flux, energie; - conductibilitate termică.

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

MASĂ - debit de masă; - densitate.

- Idem ca la forţă

CONCENTRAŢIE - componente în amestecuri de gaze;

- ioni de hidrogen în soluţii; - umiditate.

- termorezistive; - electrochimice; - conductometrice.

RADIAŢIE - luminoasă; - termică; - nucleară.

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

14

CAPITOLUL 3

TRADUCTOARE PENTRU MARIMI GEOMETRICE 3.1 Generalitati Deplasarea este o mărime ce caracterizează schimbările de poziţie ale unui corp sau ale unui punct caracteristic faţă de un sistem de referinţă. Distanţa reprezintă separarea spaţială (sau planară) dintre două puncte.

Poziţia reprezintă localizarea spaţială a unui punct sau a unui corp în raport cu sistemul de referinţă. Proximitatea reprezintă situarea la o mică distanţă a unui corp (punct) faţă de un reper fix. Traiectoria reprezintă deplasarea simultană (liniară sau circulară) a unui punct pe diferite axe în raport cu un sistem de coordonate. Traiectoriile pot fi – plane sau spaţiale.

Unitatea de măsură pentru deplasările liniare este metru [m] cu submultiplii: milimetru [mm] sau micronul []. Pentru deplasări unghiulare se foloseşte gradul sexazecimal [o], cu submultiplii: minutul şi secunda. Uneori, se foloseşte radianul [rad].

Deplasările liniare sau unghiulare permit măsurarea indirectă a altor mărimi a căror variaţii se materializează prin modificarea poziţiei unui punct (corp sau suprafaţă) în raport cu un sistem de referinţă. De exemplu, deplasările mici permit măsurarea presiunilor, forţelor, nivelelor, temperaturi etc, deoarece aceste mărimi sunt caracterizate prin deplasări mici. Din acest punct de vedere există următoarele variante de măsurare:

a) măsurarea directă: - deplasare liniară prin translaţie şi deplasare unghiulară prin rotaţie. b) măsurarea indirectă: când deplasarea unghiulară este folosită pentru caracterizarea unei

deplasări liniare. 3.2. Traductoare pentru deplasări liniare mici

Acestea sunt destinate conversiei intermediare a unor mărimi, a căror variaţii se traduc (prin sisteme mecanice) în deplasări liniare mici.

Aceste traductoare acoperă un domeniu de măsurare de ordinul (10-2 …10+2) mm, şi au elemente sensibile de tip parametric: inductive, capacitive sau rezistive.

3.2.1. Elemente sensibile inductive cu miez mobil

Din punct de vedere constructiv, elementele sensibile ale acestor traductoare sunt de două tipuri: a) cu modificarea inductanţelor proprii sau mutuale (prin deplasarea unui miez mobil) – figura 3.1 - a. b) cu modificarea întrefierului.

În figura 3.1-a este prezentată forma constructivă (varianta de bază) a unui element sensibil cu modificarea inductivităţii proprii, iar în figura 3.1 –b este dată variaţia acestei inductivităţii în raport cu deplasarea miezului feromagnetic M, în interiorul cascasei unei bobine B.

15

Fig. 3.1.

Semnificaţia notaţiilor este: M - miez feromagnetic ; B - bobina de lungime ℓ ; x - mărimea de măsurat (deplasarea).

Deplasarea lui M provoacă modificarea inductanţei proprii L a bobinei B. Caracteristica statică este pronunţat neliniară, datorită câmpului magnetic neomogen creat în bobină.

De asemenea, apar forţe parazite de atracţie dintre miez şi bobină. Aceste dezavantaje se elimină prin utilizarea a două bobine (B1 şi B2) legate diferenţial (figura 3.2 - a) care asigură o caracteristică mult mai liniară, prezentată în figura 3.2 – b, iar sensibilitatea traductorului creşte. În poziţia de referinţă (x = ”0”), miezul feromagnetic este echidistant faţă de capetele interioare ale bobinelor B1 şi B2.

Fig. 3.2

Principiul de funcţionare al elementelor sensibile inductive se bazează pe modificarea reluctanţelor circuitelor de închidere a fluxurilor, cât şi pe modificarea inductivităţilor proprii ale celor două bobine, exprimate prin relaţiile:

)x(GNL

)x(GNL

2222

1211

(3.1)

Aproximarea ( ) se referă la neliniaritatea reluctanţelor G1 şi G2 cu deplasarea x. Când cele două bobine sunt alimentate de la o sursă de tensiune sinusoidală, iar relaţiile (3.1)

permit exprimarea deplasării x printr-o diferenţă de impedanţe: 21 ZZZ (3.2)

16

Variaţia Z se pune în evidentă conectând cele două bobine (de impedanţă 1Z şi respectiv 2Z ) în braţe adiacente ale unei punţi de impedanţe (figura 3.3 -a) alimentată cu tensiunea alternativă (Ua), a cărei valoare efectivă (Uef) şi pulsaţie () se consideră cunoscute şi constante.

Fig. 3.3 – Punte de impedanţe: a – schema electrică de principiu; b – schema echivalentă

Pentru determinarea tensiunii de dezechilibru (Ud) în funcţie de valoarea deplasării x, se utilizează schema echilaventă a punţii din figura 3.3 – a, prezentată în figura 3.3 – b, unde notaţiile au următoarele semnificaţii:

Z –impedanţa liniei de alimentare a punţii. RP - rezistenţele pe laturile pasive ale punţii (cunoscute);

21Z este impedanţa de cuplaj între bobinele B1 şi B2.

Tensiunea de dezechilibru a punţii se poate exprima conform [13] prin relaţia:

)LjRR(Z2L)x(L)]x(LjRR[

)x(LRj2UP

21

2222P

Pd

2

(3.4)

în care: R=R1=R2 – reprezintă rezistenţele ohmice ale bobinelor B1 şi B2.

21L - inductivitatea mutuală de cuplaj corespunzătoare bobinelor B1 şi B2.

2

) x (L-) x ( L) x ( L ; 2

) x ( L) x ( L) x ( L 2121

;

;LLL 12

R - rezistenţa ohmică a bobinelor 21 L ,L (R= R1=R2)

12L - inductivitatea mutuală de cuplaj.

Din (4.4) rezultă că tensiune de dezechilibru ( dU ) este o mărime complexă caracterizată prin fază şi modul, faza indicând sensul de deplasare al miezului mobil, iar modulul indică mărimea absolută a deplasării.

Dacă dU se aplică unui redresor sensibil la fază, se obţine forma redresată a tensiunii de dezechilibru ( drU ) a cărei variaţie este dată în figura 3.4.

17

Domeniul maxim (uzual) de măsurare a deplasării liniare pentru acest tip de traductor este 100 mm.

În funcţie de caracteristicile magnetice ale miezului feromagnetic mobil, frecvenţa tensiunii de alimentare ( aU ) se alege în domeniul: [ sute Hz …5 KHz ].

Fig. 3.4 Caracteristica de transfer a redresorului sensibil la fază

O variantă îmbunătăţită a elementului sensibil inductiv o reprezintă elementul sensibil de

tip - transformator diferenţial liniar variabil (TDLV) format dintr-o bobină primară şi două bobine secundare situate simetric faţă de cea primară şi plasate într-o carcasă cilindrică comună. În interiorul carcasei bobinelor se deplasează un miez feromagnetic mobil - pe distanţa x, care asigură închiderea fluxului magnetic, figura 3.5 -a.

Bobinele secundare sunt legate diferenţial, (figura 3.5-b) astfel încât tensiunea la ieşire este dată de diferenţa dintre tensiunile electromotoare induse în cele două înfăşurări secundare. Din teorema a-II-a a lui Kirchhoff rezultă: . UU U:sau ; 0UUU 21ee21 (4.4)

Fig. 3.5- Element sensibil de tip TDLV: a schema constructivă; b schema de conexiuni

Traductoarele cu elemente sensibile de tip TDLV folosesc ca adaptor un redresor sensibil la fază, eventual precedat de un amplificator de curent alternativ. Ieşirea din redresorul sensibil la fază se aplică unui amplificator de curent continuu cu impedanţă de ieşire mică, care este prevăzut şi cu un circuit de filtrare (trece-jos) pentru eliminarea armonicelor parazite. În figura 3.6 se prezintă adaptorul pentru un element sensibil de tip TDLV.

18

Fig. 3.6 Adaptor pentru un element sensibil de tip TDLV Performanţele acestui tip de traductor sunt: - lipsa frecărilor la deplasarea miezului şi ca urmare se obţine o robusteţe şi o fiabilitate ridicată; - rezoluţie şi reproductibilitate foarte bune ; - insensibilitate la deplasări radiale ale miezului ; - posibilitatea protecţiei bobinei de medii corozive cu temperaturi şi presiuni ridicate ; - asigurarea separării galvanice (între intrare şi ieşire); - posibilitatea optimizării factorului de calitate al bobinelor care formează elementul sensibil.

3.2.2 Elemente sensibile inductive cu întrefier variabil Varianta constructivă simplă a unui element sensibil cu întrefier variabil este prezentată în figura 3.7. Armătura mobilă se deplasează în raport cu un miez feromagnetic. Corpul, a cărui deplasare se măsoară, va fi solidar cu armătura mobilă, figura 3.7.

Fig. 3.7- Element sensibil inductiv cu întrefier variabil

Pe miezul feromagnetic (realizat din tole) se află plasată o bobină alimentată cu o tensiune alternativă, Ua. Modificând întrefierul δ, prin deplasarea x (a armăturii mobile) se va modifica reluctanţa circuitului magnetic şi implicit inductanţa L (a bobinei), conform relaţiei:

n

1k kkk

2

S

NL

; (3.5)

unde: N este numărul de spire al bobinei; k - lungimea circuitelor magnetice (aer – fier) ;

kS - suprafaţele de închidere a fluxurilor magnetice ; k - permeabilităţile magnetice (ale circuitelor de închidere a fluxurilor). Aplicând relaţia (3.5) elementului sensibil din figura 3.7 se obţine:

19

)x(K

K

S)x(2

SL

NL02

1

aa

0

FeFeF

2

; (3.6)

unde: 0 este întrefierul iniţial (când x=0); x - deplasarea (creşterea sau descreşterea) faţă de întrefierul iniţial 0 , indicii Fe şi a se referă la natura circuitului magnetic: fier sau aer.

Din relaţia (3.6) se observă că inductivitatea L variază neliniar cu deplasarea x.. Pentru ameliorarea liniarităţii şi pentru creşterea sensibilităţii se utilizează montajul diferenţial

din figura 3.8-a pentru care se observă, în figura 3.8-b, variaţiile inductivităţilor L1 şi L2, cât şi variaţia diferenţei inductivităţilor (L1-L2) în raport cu întrefierurile 1 şi 2, care, la rândul lor, depind de valoarea deplasării x.

Fig. 3.8- Element sensibil diferenţial cu întrefier variabil: a- schema electrică de montaj; b- caracteristicile statice Considerând x01 şi x02 , din figura 3.8-a se obţine tensiunea de dezechilbru a punţii: .LKsau U ; LK)LL(RUKU 2d121aPd ; (3.7) în care: dU - este tensiunea de dezechilibru ;

aU - valoarea efectivă a tensiunii de alimentare (constantă); - pulsaţia (constantă) a tensiunii aU ;

Din ultima relaţie se observă dependenţa liniară între tensiunea de dezechilibru a punţii şi L, deci se obţine variaţia liniară între Ud şi deplasarea x: xKUd ; (3.8) unde: K= K2L, iar L=K’x; Întrucât variaţia în modul a impedanţei este:

20

222 )LL(RZZ ; (3.9) se impune R cât mai mic pentru ca variaţia relativă de inductanţă să determine o variaţie aproximativ egală de impedanţă. Elementele sensibile cu modificarea întrefierului se pot construi şi ele în variantele de tip transformator. Astfel, în figura 3.9 -a este prezentat montajul pentru varianta simplă, iar în figura 3.9- b este prezentată varianta pentru montajul diferenţial.

Fig. 3.9- Elemente sensibile de tip transformator cu modificarea întrefierului:

a- varianta simplă; b- varianta diferenţială

Pentru varianta simplă (figura 3.9-a), tensiunea de ieşire, din secundar, va fi de forma:

p1

2s U

NN)(kU (3.10)

unde )(k reprezintă factorul de cuplaj, variabil neliniar cu deplasarea x. Pentru montajul din figura 3.9– b tensiunea de ieşire poate fi exprimată prin relaţia:

'p

1

2ies U

NNxk2U (3.11)

Din ultima relaţie se observă că pentru montajul diferenţial tensiunea de la ieşirea ES, are o variaţie liniară cu deplasarea x. Adaptorul care prelucrează tensiunea de ieşire din ES are în componenţă un amplificator şi un redresor sensibil la fază.

Principala sursă de erori în cazul acestor tipuri de traductoare o constituie modificarea caracteristicilor magnetice ale miezului, datorită fenomenului de oboseală şi/sau îmbătrânire.

3.2. 3 Elemente sensibile capacitive pentru traductoarele de deplasare

21

Traductoarele capacitive pentru deplasări liniare folosesc ca elemente sensibile, condensatoare plane, la care se pot modifica unul din cei trei parametri ai relaţiei ce exprimă capacitatea:

x

SC:sauSC

; (3.12)

a) Elemente sensibile capacitive cu modificarea distanţei dintre armături (δ).

În varianta simplă, ES este un condensator plan prevăzut cu o armătură fixă (AF) şi una mobilă (AM), figura 3.10-a. Armătura mobilă este susţinută între două arcuri şi poate fi deplasată cu valoarea x, modificând distanţa δ, faţă de valoarea de referinţă 0 . Variţia capacităţii în funcţie de parametrul δ este ilustrată în figura 3.10 – b.

Fig. 3.10 – Element sensibil capacitiv cu modificarea distanţei dintre armături: a- soluţie constructivă; b – caracteristica statică Semnificaţia parametrilor din relaţia 3.12 este următoarea: - permitivitatea mediului ; S - suprafaţa activă a armăturilor ; δ - distanţa dintre armături ; Deoarece capacitatea C este dată de (4.14) rezultă că variaţia ieşirii (ΔC) raportată la variaţia intrării (Δδ), reprezintă sensibilitatea unui element sensibil capacitiv exprimată prin relaţia:

;SCS2

(3.13)

Rezultă că valoare sensibilităţii elementului sensibil capacitiv (realizat cu un condensator plan) variază neliniar cu δ. Se poate exprima sensibilitatea relativă (Sr):

; 1CCSr

(3.14)

Relaţia (3.14) indică o variaţie neliniară, cu sensibilitate mărită, la variaţii mici (de ordinul micronilor).Creşterea liniarităţii este posibilă dacă elementul sensibil este format din două condensatoare plane în montaj diferenţial având o armătură mobilă comună, ca în figura 3.11.

Alimentate cu tensiune sinusoidală (U~) capacităţile 1C şi 2C se încarcă cu tensiunile U1 şi respectiv U2 (conform teoremei divizorului de tensiune):

U2

xU

0

01

şi U

2x

U0

02

(3.15)

22

Fig.3.11

Scăzând cele două tensiuni se obţine tensiunea diferenţă (Ud) care variază liniar cu deplasarea x:

xKUU0

d

(3.16)

Realizarea conversiei deplasare (x) - tensiune (Ue) este posibilă conectând capacităţile 1C şi

2C într-o punte Sauty (figura .11) care are pe celelalte două laturi două capacităţi fixe 3C şi 4C . Puntea este alimentată cu o tensiune sinusoidală având frecvenţa în domeniul (500 … 5000) Hz, furnizată de un oscilator (OSC).

Tensiunea de dezechilibru (Ud) este preluată de un amplificator A . De la ieşirea acestuia tensiunea este aplicată unui redresor sensibil la fază (RSF), care generează tensiunea (Ue) variabilă în domeniul semnalului unificat ( 10 Vcc) şi direct proporţională cu deplasarea x. aC serveşte la ajustarea sensibilităţii traductorului.

Fig.3.12- Traductor cu element sensibil capacitiv

b) Elemente sensibile capacitive cu modificarea suprafeţei active dintre armături. Se consideră armăturile unui condensator plan cu dimensiunile a, b şi se notează cu x deplasarea relativă a unei armături faţă de cealaltă, figura 4.14

23

La acest element sensibil se obţine o dependenţă aproximativ liniară între capacitate şi deplasarea x a unei armături, figura 3.13.

Fig.4.13 Element sensibul capacitiv cu modificarea suprafeţei

Sensibilitatea acestui tip de element sensibil se poate exprima prin relaţia:

dA

xCS

; (3.17)

Se observă că pentru şi d constanţi, sensibilitatea (S) va fi cu atât mai mare, cu cât suprafaţa activă (A) dintre armături creşte, iar distanţa (d) dintre acestea se micşorează. c) Elemente sensibile capacitive cu modificarea dielectricului În varianta de bază, un astfel de element sensibil este realizat din doi electrozi cilindrici ficşi 1 şi 2 (figura3.14) între care se deplasează un manşon izolator (cu o constantă dielectrică diferită de cea a aerului) alunecând cu frecare minimă. Electrodul fix 2 este plasat echidistant faţă de pereţii electrodului cilindric 1, iar manşonul dielectric( de formă cilindrică) este coaxial electrodului fix 2.

Fig.3.14 – Element sensibil capacitiv cu modificarea dielectricului

Schimbarea capacităţii, datorată deplasării manşonului dielectric (pe distanţa x) se exprimă prin relaţia:

24

dD ln

)x(2

dD ln

x2C r00

; (3.18)

în care: r este primitivitatea dielectrică relativă a manşonului ; 0 - primitivitatea aerului . - lungimea electrozilor ficşi 1 şi 2.

Dezavantajul acestui E.S. constă în neliniaritatea caracteristicii (3.18) . Utilizări :

Un astfel de element sensibil este folosit la traductoarele pentru măsurarea nivelelor unor lichide dielectrice (sau la măsurarea nivelelor unor pulberi dielectrice). Există elemente sensibile capacitive cu modificarea dielectricului de tip condensator plan (figura 3.15), utilizat frecvent la traductoare pentru măsurarea grosimii unor folii din material izolant (hârtie, carton, materiale plastice etc) .

Acest tip de elemente sensibile au dezavantajul unei caracteristici statice pronunţat neliniare, exprimată prin relaţia:

01x0

10h

SC

(3.18)

unde: 1 - este premitivitatea foliei dielectrice, a cărei grosime x se măsoară;

0 - permitivitatea aerului dintre armăturile condensatorului plan; h şi S – parametri geometrici cunoscuţi.

Fig.3.15 – Element sensibil capacitiv (de tip condensator plan) cu modificarea dielectricului 3.2.4. Elemente sensibile rezistive pentru deplasări liniare mici

Funcţionarea acestora se bazează pe dependenţa liniarã care existã între rezistenţa electricã, R (a rezistorului ) şi lungimea sa ( ) conform relaţiei :

S

R ; (3.19)

unde: ρ este rezistivitatea materialului iar S – aria secţiunii conductorului, ambele considerându-se constante.

Se utilizează frecvent E.S. rezistive cu variaţie cvasicontinuă, realizate prin bobinare cu pas uniform şi mic a unui fir conductor pe un suport de material izolator (ceramică)- figura 4.16:

25

Fig.3.16- Element sensibil rezistiv pentru deplasări liniare

Deoarece principalele surse de erori pentru aceste elemente sensibile sunt contactele imperfecte între cursor şi rezistorul bobinat, cât şi variaţia temperaturii mediului, se impune pentru firul conductor utilizarea unor materiale care au coeficientul de variaţie a lui ρ cu temperatura foarte mic: manganina, constantan, nicron; pentru cursor lamelele sau perii din fire de argint cu grafit, iar pentru carcasa materiale ceramice cu bună izolaţie şi stabilitate la variaţia temperaturii . Schemele de conversie la traductoarele de deplasare cu E.S. rezistive sunt de două tipuri: a) Montajul reostatic, figura 3.17-a

Fig. 3.17 – element sensibil rezistiv în montaj reostatic: a – schema electrică; b –

caracteristica statică

Deplasarea (x) se exprimã prin curentul xI , conform relaţiei :

xS

x RREI

(3.20)

care indică o caracteristică neliniară. b) Montajul potenţiometric (figura 3.18) la care mărimea de ieşire este o tensiune dată de relaţia ( 3.21) .

26

Fig. 3.18 – Element sensibil rezistiv în montaj potenţiometric: a – schema electrică; b –

caracteristici statice

1)x1(xm

E U **x

; S

xRRm şi;

RRx ; (3.21)

(m = coeficient de încărcare ) Caracteristica staticã (figura 3.18 -b) este liniarã doar pentru sarcinã infinită (m = 0); R=0 ;

SR . Neliniaritatea creşte odată cu micşorarea rezistenţei de sarcină Rs. Este necesară deci o rezistenţă de sarcină cât mai mare. O altă componentă a erorii de neliniaritate este dată de mărimea pasului de bobinare. Ideal, cursorul ar trebui să calce pe o singură spiră. Eroarea de neliniaritate scade atunci când în circuitul de măsurare (corespunzător lui Rx) sunt cuprinse mai multe spire din R, ceea ce însemnă că rezoluţia nu este constantă. Deşi

această poate atinge valoarea de 43 10...10 din mărimea de măsurat, uzual se obţine o rezoluţie de 0,01 mm la o deplasare de 100 mm. Observaţii: - Teoretic aceste ES pot fi utilizate pentru măsurarea deplasărilor mari ( de ordinul metrilor), dar aplicaţiile acestor traductoare se limitează la măsurarea deplasărilor în domeniul (100…300) mm. - ES rezistive trebuie protejate împotriva prafului sau altor impurităţi prin capsulare.

3.3. Traductoare pentru deplasări liniare mari Măsurarea deplasărilor liniare mari, de ordinul metrilor sau zecilor de metri este necesară în

industria materialelor de construcţii (benzi transportoare) ), în metalurgie (laminoare) sau în construcţia de maşini (maşini unelte cu comandă numerică) .

Deplasările mari se pot măsura direct, cu elemente sensibile liniare (absolute sau incrementale), sau indirect cu ES. unghiulare de tip ciclic absolut (selsin) sau numeric absolut (disc codat). Utilizarea E.S. cu funcţionare ciclică, necesită sisteme mecanice adecvate conversiei de tip circular- liniară, cum ar fi: pinion-cremalieră, şurub-piuliţă, bandă rulantă şi cablu-arc (resort). Măsurarea corectă a deplasărilor liniare mari, presupune eliminarea jocurilor în agrenaje şi a histeresului mecanic.

Traductoarele directe pentru măsurarea deplasărilor liniare mari sunt de tip riglă (dispusă de obicei pe suportul care deplasează organul mobil) sau utilizează tehnici de interferometrie cu laser.

27

Cele mai răspândite elementele sensibile de tip riglă sunt: inductosinul liniar şi rigla optică. 3.3.1 Inductosinul liniar

Acesta este echivalent cu un selsin multipolar desfăşurat în plan, la care rotorul este o riglă a cărei lungime trebuie să acopere domeniul maxim de măsurare, iar statorul este un cursor ce se deplasează deasupra riglei. Pe riglă şi pe cursor se găsesc înfăşurări realizate din folie de cupru imprimate prin procedee speciale (serigrafice). Rigla are o singură înfăşurare, iar cursorul are două înfăşurări, toate realizate cu acelaşi pas, figura 3.19. ; 2p p (3.22)

unde: p este pasul înfăşurării, iar p - pasul polar.

Fig. 3.19 –Inductosin liniar (dispunerea înfăşurărilor)

Între spirele celor două înfăşurări ale cursorului există un decalaj de 90° electrice (notat cu d). Acest decalajul între spirele înfăşurării cursorului se exprimă prin relaţia :

;2

n 2d pp

(3.23)

unde n - este numărul de paşi polari (n - număr întreg), iar x - poziţia relativă între riglă şi cursor.

Principalele caracteristici (standardizate internaţional) ale inductosinului liniar sunt: - lungimea riglei: l =250 mm; 500 mm; 1000mm. - pas polar p = 2 mm;

- rezistenţa înfăşurărilor: pentru riglă = (51); pentru cursor =1,5; - interstiţiul riglă - cursor: (0,05 … 0,25) mm. - grosimea conductoarelor (cupru) : (0,03…0,07) mm - numărul de poli pe rigleta standard : 64…96 - frecvenţa tensiunii de alimentare: (2 … 10 Khz) -raportul dintre tensiunea inductoare şi cea indusă: tK = (150…200) unde tK este raportul de

transformare al tensiunilor. Inductosinul se poate realiza ca traductor absolut în domeniul unui semipas (semiperioadă) de 2 mm,

dar şi ca traductor ciclic absolut într-o schemă care contorizează numeric numărul de semipaşi (treceri prin zero ale tensiunii proporţionale cu defazajul) şi apoi exprimând numeric sau analogic faza în cadrul unui pas.

- Variantele de alimentare ale înfăşurărilor sunt :

28

Pe riglă, cu prelucrarea a două semnale culese din înfăşurările cursorului ; Pe cursor, cu două tensiuni şi prelucrând un singur semnal de ieşire (din înfăşurarea riglei). Ultima soluţie este cea mai utilizată şi se practică în două variante : a) Cu modulaţie de fază: În acest caz cursorul fiind alimentat cu tensiunile U sin ωt, respectiv U cos ωt, se obţine tensiune de ieşire (din riglă) :

; )xtsin(UK)2xsin(2t cosUK)

2xcos(2t sinUKU

pt

pt

ptr

(3.24) unde tK este raportul de transformare al tensiunilor; x - poziţia relativă între riglă şi cursor în cadrul unui semipas (x = 0 ,dacă se suprapun înfăşurările riglei cu prima înfăşurare a cursorului). b) Cu modulaţie în amplitudine, situaţie în care se obţine:

);x-(xsint sinUKU 0p

tr

(3.25)

unde: 0x este poziţia faţă de care se măsoară deplasarea în cadrul unui semipas. Observaţii: Când se doreşte măsurarea deplasărilor mari prin înserierea mai multor rigle, se va acorda atenţie

la : evitarea excentricităţilor; păstrarea constantă a interstiţiilor dintre riglă şi cursor; păstrarea paralelismului faţă de ghidaj şi a planeităţii. Erorile specifice acestui traductor se datorează dilatării inegale (cu temperatura) a riglei şi suportului, motiv pentru care se impun măsuri speciale de corecţie.Erorile datorate câmpurilor perturbatoare externe se elimină prin ecranarea părţii active a cursorului, cu o folie de metal legată la masă.

Schema de principiu pentru prelucrarea semnalelor produse de inductosinul liniar, în cazul deplasării pe

o axă şi oprire la cotă prescrisă, este dată în figura 3.20 :

Fig. 3.20 –Sistem de măsurare pentru inductosin

29

Măsurarea constă în prelucrarea numerică a fazei semnalului e, faţă de faza unui semnal de

referinţă re , care reprezintă ultima poziţie a organului mobil (OM). Ciclul de măsurare are loc astfel:

1) Se testează dacă defazajul dintre e şi re este < 180° ; dacă da, la fazmetru ajunge un semnal e’(proporţional cu e); dacă nu la fazmetru ajunge acelaşi semnal negat ( 'e ). Această secvenţă de lucru asigură măsurări doar pe o semiperioadă ( cân d faza semnalului variază între 0 şi 180°).

2) Se compară e’ (sau 'e ) cu re ; dacă OM şi-a schimbat poziţia apare o diferenţă de fază între e şi re , iar în numărătorul acumulator(AC) intră trenul de impulsuri de la ieşirea blocului D.F. (fazmetru digital) care reprezintă cota reală.

3) În funcţie de semnul diferenţei de fază între e şi re , în defazorul DP se trece conţinutul AC (la semn plus) sau complementul faţă de 2000 (la semn minus).

4) DP modifică (în funcţie de conţinutul lui AC) semnalul re pentru următorul test de măsurare. 3.3.2. Rigla optică

Riglele optice sunt elemente sensibile care se realizează şi funcţionează pe principii asemănătoare discurilor fotoelectrice codate. Deci, se pot construi rigle optice absolute sau incrementale.

Riglele absolute pot fi utilizate pentru măsurarea deplasărilor liniare de circa 1 m, cu precizie de 1(un) micron.Acestea sunt cele mai precise E.S. ale traductoarelor pentru deplasări liniare.

Costul ridicat, probleme de rectilinitate perfectă şi lipsa impurităţilor fac imposibilă utilizarea acestora pentru domenii mari. Ele nu pot fi capsulate etanş (cum sunt discurile absolute). De aceea, în cazul măsurărilor absolute pentru domenii mari de deplasare se va recurge la măsurări indirecte (cu discuri absolute) sau măsurări directe incrementale. În figura 4.36 se prezintă schema de principiu pentru o riglă incrementală.

Fig. 3.21 - Schema de principiu a unei rigle incrementale.

Riglele optice incrementale se utilizează (cu succes) pentru măsurarea deplasărilor de maximum de 3m. Pentru lungimi mai mari se utilizează rigle metalice (oţel) - cu procedeu de citire episcopic.

30

Mărirea preciziei se poate face prin tehnici de multiplicare electronică (interpolare în cadrul unui pas). O altă variantă de E.S. optic , specifică riglelor, apelează la tehnica franjelor Moiré. Franjele Moiré sunt produse de variaţiile poziţiilor relative a două rigle identice, suprapuse dar uşor nealiniate. Fiecare riglă constă dintr-o suprafaţă transparentă formată dintr-un un mare număr de linii echidistante.

La deplasarea unei rigle peste cealaltă, sub un anumit unghi, apar alternanţe de zone luminoase şi întunecate (franje Moiré) care se deplasează cu câte o cuantă la fiecare deplasare a riglei egală cu pasul reţelei de linii.

3.3.3. Traductoare de deplasare cu laser

Tehnica frecvent întâlnită, care utilizează laserul, pentru măsurarea deplasării este interferometria.Datorită complexităţii lor, interferometrele laser sunt denumite sisteme de măsurare , dar acestea pot fi încadrate în categoria traductoarelor.

Principiul metodei interferometrice, de măsurare a deplasărilor, are la bază compararea distanţei de măsurat cu lungimea de undă emisă de o sursă de referinţă şi exprimarea acestei distanţe printr-un număr proporţional cu numărul de franje de interferenţă sesizate într-un anumit punct. În continuare se descrie principiul de măsurare. Se consideră sursele S1 şi 2S de oscilaţii armonice într-un mediu omogen şi izotrop, care emit unde de aceeaşi amplitudine, aceeaşi frecvenţă şi cu diferenţă de fază nulă. Se notează expresiile undelor emise de cele două surse prin :

;Tt2 sinAy1 ;T

t2 sinAy2 (3.26)

Fig. 3.22- Principiul interferometriei Se consideră punctul P situat la distanţa 1d faţă de sursa 1S şi la distanţa 2d faţă de sursa 2S , iar

cele două distanţe sunt considerabil mai mari decât distanţa dintre sursele S1 şi S2 (figura 3.22). Semnalul rezultat în P este dat de relaţia:

dT

t2sinA dT

t2sinAyyy2

21

121p PP

(3.27)

Dacă 1 = 2 = , relaţia anterioară devine:

;ddcos2

ddTt2sinA2y 2121

p

(3.28)

Amplitudinea oscilaţiei în punctul P este:

21P

ddcosA2A (3.29)

Se observă că amplitudinea semnalului în P este maximă pentru :

kdd 21 ; adică

pentru: . kdd 21

31

De asemenea, amplitudinea semnalului în P este minimă pentru : 2

)1k2(dd 21

, adică pentru

2

1k2dd 21

, unde k are valori întregi consecutive.

Relaţia (3.29) arată că prin interferenţă rezultă unde staţionare în spaţiu, deoarece amplitudinea PA depinde de poziţia lui P prin termenul ( 21 dd ), iar pentru un punct (P) fixat este independentă de timp.

Deci amplitudinea undei rezultante este o măsură a diferenţei de drum ( 21 dd ) dintre cele două unde şi implicit o măsură a distanţei dintre cele două surse. Unitatea de măsură care exprimă această dependenţă este lungimea de undă. Determinarea în P a două maxime de amplitudine succesive însemnând o creştere (scădere) a distanţei dintre surse cu .

Particularizând natura oscilaţiilor la radiaţia luminoasă şi impunând condiţiile ca fasciculele de lumină care interferează să fie omogene (monocromatice) şi coerente (cu diferenţe de fază constantă), relaţiile anterioare rămân valabile. Zonele de maxim şi minim vor purta în acest caz denumirea de franje de interferenţă (de maxim şi de minim).

Dacă 1S şi S2 sunt două surse de lumină situate pe aceeaşi dreaptă şi P un plan perpendicular pe dreaptă, imaginea obţinută în planul P va fi o familie de cercuri, concentrice cu centrul la intersecţia dreptei cu planul, luminoase (pentru kdd 21 ), şi cercuri întunecate pentru

[2

)1k2(dd 21

]. Această imagine de cercuri se modifică odată cu variaţia distanţei

dintre surse, astfel încât în acelaşi punct P se succed zone de iluminare maximă sau/şi minimă pentru deplasări relative k ale unei surse faţă de cealaltă.

Rezultă că metoda ce trebuie aplicată pentru măsurarea distanţei (deplasării) este plasarea în punctul P a unui fotoelement care să sesizeze trecerea succesivă prin zone de iluminare maximă şi implicit, variaţia distanţei cu k . Aplicarea principiului de măsurare a deplasării, descrisă anterior, este posibilă dacă se utilizează un aparat numit Interferometrul MICHELSON[16]. Acest interferometru are schema de principiu prezentată în figura 3.23, unde semnificaţiile notaţiilor sunt:

Fig. 3.23 – Principiul interferometrului Michelson

32

L -laser cu heliu – neon; 1 şi 2 - sistem de lentile; S - oglinda semitransparentă; 1O şi 2O - oglinzi reflectoare; S.D - sistem de detecţie a franjelor de interferenţă; 1L şi 2L - lungimi diferite între S şi oglinzile 1O , 2O .

Fasciculul luminos provenit de la laserul L este trecut prin sistemul de lentile 1 , 2 pentru a-i reduce divergenţa, apoi divizat de oglinda semitransparentă S. Cele două fascicule sunt reflectate de oglinzile 1O şi 2O iar prin suprapunere aceste fascicule dau naştere unui fenomen de interferenţă, materializat printr-un sistem de franje.

Pornind de la relaţia (3.28) care exprimă variaţia armonică a intensităţii luminoase într-un punct şi de la faptul că intensităţi luminoase egale se succed la intervale de 2 (echivalente cu deplasări ) rezultă defazajul :

; )LL(4d 2 21

(3.30)

unde d este 2 ( 21 LL ) - este diferenţa de drum parcursă de cele două fascicule. Considerând iniţial 21 LL şi 0 , o lungime orientată de-a lungul unuia dintre braţele

interferometrului (pe direcţia 1O sau 2O ) va fi măsurată prin deplasarea oglinzii respective ( 1O sau

2O ). Sistemul de franje este sesizat de două fotomultiplicatoare aşezate astfel încât să primească

simultan lumină maximă şi respectiv minimă. Acest lucru corespunde unui defazaj de 2

.

Această diferenţă de fază este dependentă de valoarea absorbită a lui şi permite determinarea sensului de deplasare al oglinzii mobile. Un circuit logic, cuplat cu un numărător reversibil, primeşte semnale de la cele două fotomultiplicatoare, adăugând o unitate pentru o deplasare cu 2

într-un sens şi scăzând o unitate

pentru o deplasare cu 2 în sens contrar. Rezultă o precizie de măsurare egală cu 2

care poate

fi crescută prelucrând numeric defazajul pentru deplasări mai mici decât 2 , dacă raportul

zgomotsemnal creşte la detector. Două variante constructive de interferometre cu laser sunt

prezentate în [2]. Performanţe: În comparaţie cu alte tipuri de traductoare pentru deplasare, interferometrele asigură performanţe superioare: - eroarea riglei interferometrice m/m1,0 ; - neliniaritatea indicaţiilor: m/m5,0 ; - sensibilitatea curentă: m/m1,0 ; - reproductibilitatea mare a unităţii de măsură în limitele 10-8…10 -10 ; - efectuarea masurărilor fără contact şi în locuri greu accesibile; - fiabilitate metrologică ridicată. Observaţie: Traductoarele bazate pe tehnica interferometrică sunt utilizate cu succes în măsurarea cotelor, deplasărilor şi avansurilor la maşinile-unelte. Echipamentele industriale realizate pe aceste

33

principii conţin traductoare de înaltă performanţă şi sunt prevăzute cu dispozitive de afişare şi /sau conversie, destinate conducerii automate. 3. 4. Traductoare analogice pentru deplasări unghiulare

Deplasarea unghiularã poate fi măsurată în două moduri : a) măsurarea directã a unghiului în domeniul (0…360° ) sau ( 0…180°); b) măsurarea indirectă ( a deplasării liniare ) prin mai multe rotaţii complete ale cursorului în domeniul (0…360°) . În acest subcapitol sunt prezentate numai elementele sensibile pentru măsurări unghiulare propriu-zise. 3. 4.1 Elemente sensibile rezistive pentru măsurarea deplasărilor unghiulare

Constructiv, acestea sunt servopotenţiometre (figura 3.19) care funcţionează pe acelaşi principiu ca şi ES rezistive pentru deplasări liniare. Dacă cursorul este rotit cu unghiul faţă de poziţia de referinţă (zero) se obţin la bornele potenţiometrului tensiunile:

max

ax

UU

; sau

max

maxa'x

UU

(3.31)

unde: Ua este tensiunea de alimentare; max - unghiul maxim care de obicei este mai mic decât 360 fiind

limitat de spaţiul necesar amplasării contactelor ( )358(355...0max )

Potenţiometrele de acest tip pot fi :

- uniturn, dacă )358(355...0max

- multiturn – pentru domenii care depăşesc 360 , la care numărul de rotaţii este

standardizat: 10)sau 3(max rotaţii, adicã: 360 10)sau 3(max Servopotenţiometrul multiturn are rezistenţa aplicată pe un suport electroizolant elocoidal .

Fig. 3.24 – Element sensibil rezistiv (potenţiometric) pentru deplasări unghiulare.

34

ES de acest tip se utilizează pentru măsurarea deplasărilor liniare mari (5…10 m) dacă sunt acţionate prin mecanisme cu minireductoare adecvate .

Exemplu: Măsurarea nivelului în rezervoare (bazine) .

3.4.2. Traductoare numerice pentru deplasări unghiulare Se numesc traductoare numerice şi nu elemente sensibile cu funcţionare discretă,

deoarece acestea sunt singurele traductoare pur numerice (care nu necesită conversie intermediară). Elementul sensibil propriu - zis îl constituie un disc codat, iar prelucrarea informaţiei numerice este specifică modului de codificare.

Principial există două tipuri de ES : a) Discuri codate absolut, la care (în orice moment), dispozitivul de măsurare oferă

informaţii asupra poziţiei unghiulare în raport cu un punct de referinţă - exprimată printr-un număr de cuante.

b) Discuri incrementale, care oferă o succesiune de impulsuri, în raport cu ultima poziţie atinsă, fiecare impuls reprezentând un increment (cuantă) de deplasare. Fiecare cuantă de deplasare echivalează cu o variabilă binară şi reprezintă un bit de informaţie (0 sau 1).

3.5. Traductoare de proximitate

În general (în sens larg) proximitatea exprimă gradul de apropiere dintre două obiecte,

dintre care unul reprezintă sistemul de referinţă. Se poate realiza controlul poziţiei unui obiect care se deplasează, fără contact între acesta şi referinţă. În categoria măsurărilor de proximitate intră :

- sesizarea capetelor de cursă ; - sesizarea interstiţiului dintre suprafeţe ; - sesizarea prezenţei unui obiect în câmpul de lucru etc. Traductoarele de proximitate au de regulă o caracteristică de tip releu, mărimea de ieşire

având variaţii discrete (" tot sau nimic ") discerne între două valori care reprezintă (convenţional) prezenţa sau absenţa corpului controlat. Această particularitate conduce la realizarea compactă a traductorului, elementul sensibil şi adaptorul (ES + AD) fiind plasate în aceeaşi unitate constructivă. 3.5.1. Traductoare inductive de proximitate

Schema de principiu a acestui traductor este dată în figura 3.26. Detectorul are rolul de a converti informaţia asupra poziţiei unui obiect metalic (în raport cu faţa sensibilă) în semnal electric. Blocul adaptor prelucrează semnalul electric de la ieşirea detectorului şi comandă un etaj final cu ieşire pe sarcină de tip releu. Blocul de alimentare furnizează tensiunea necesară circuitelor electronice.

35

Fig. 3.26 - Schema bloc a traductorului inductiv de proximitate.

Oscilatorul din blocul-detector întreţine, prin câmpul magnetic alternativ, oscilaţiile în jurul

bobinei ce formează (împreună cu miezul de ferită) faţa sensibilă a detectorului. Când un obiect metalic (cu proprietăţi feromagnetice) intră în câmpul magnetic al

detectorului, în masa metalului apar curenţi Foucault care generează, la rândul lor, un câmp magnetic de sens opus câmpului principal pe care îl atenuează puternic şi ca urmare blochează oscilaţiile.

Caracteristicile de funcţionare ale traductorului pot fi apreciate în funcţie de valorile cotelor utile, notate în figura 3.27 prin: e – grosimea ecranului metalic (grosimea obiectului detectat); - lăţimea ecranului; L – lungimea ecranului; x – distanţa de la marginea ecranului la centrului feţei sensibile; y – acoperirea feţei sensibile de către ecranul metalic; z – distanţa de la ecran la faţa sensibilă; zN – distanţa nominală de detecţie (sesizare).

Fig.3.27 - Dimensiunile de gabarit ale traductorului inductiv de proximitate.

Principalele caracteristici funcţionale:

a) Zona de acţiune,[2] delimitată de valorile [ 3 … 40 ] mm, este cuprinsă între curba de anclanşare (oprirea oscilaţiilor) şi curba de declanşare (pornirea oscilaţiilor);

b) Distanţa utilă de detecţie – uZ , influenţată puternic de natura şi dimensiunile obiectului (ecranului), cât şi de variaţia temperaturii, a tensiunii de alimentare şi de dispersiile câmpului magnetic (din fabricaţie).

c) Fidelitatea reprezintă toleranţa preciziei de reperare a punctelor de oprire şi pornire a oscilaţiilor, când se menţin constanţi următorii parametri : distanţa, sensul şi viteza de deplasare, temperatura şi tensiunea de alimentare.

d) Histerezisul reprezintă cursa (distanţa) dintre punctele de oprire şi de pornire a oscilaţiilor în aceleaşi condiţii (figura 3.28).

36

e) Durata impulsului de ieşire, determinată de viteza deplasării ecranului (obiectului) şi dimensiunile acestuia. Constructiv traductoarele inductive de proximitate se realizează în două variante: 1) cu faţa sensibil inclusă frontal sau lateral în corpul propriu-zis al traductorului ;

2) cu faţa sensibil separată şi legată prin cablu flexibil de corpul traductorului.

Fig. 3.28 – Histerezisul unui traductor de proximitate 3.5.2. Traductoare magnetice de proximitate

Aceste traductoare au o construcţie simplă şi sunt formate dintr-un contact întrerupător

(releu de tip Reed) plasat pe un braţ al unei carcase sub formă de " U " şi un magnet permanent fixat pe celălalt braţ.Trecerea unui obiect metalic printre braţele detectorului (carcasei) modifică liniile de forţă ale magnetului (le ecranează) şi ca urmare contactul releului îşi schimbă starea – figura 3.29. Există variante constructive la care obiectele magnetice pot acţiona direct asupra releului. Observaţie: Când viteza de deplasare a magnetului mobil depăşeşte 10[ m/s ] - distanţa nominală de acţionare se reduce cu un coeficient (0,7... 0,9) în funcţie de viteza de lucru.

Fig. 3.29 – Traductor magnetic de proximitate

37

Bibliografie: - Dragoş Cosma, Doina Dick, Florin Mareş ,Aurelian Chivu „Electronică, tehnologii şi măsurări”- Editura Cd Press, Bucureşti 2010 -Sabina Hiloli, Năstase Bichir- “Elemente de comandă şi control pentru actionări şi sisteme de reglare automată”- Editura Didactică şi Pedagogică Bucureşti,2004; - Branduşa Pantelimon,Constantin Iliescu –“Senzori şi Traductoare”,-Editura Tritonic Bucureşti 2000 - Prof .dr.ing Nastase Bichir ,prof.dr.ing.Dan Mihoc,Conf.dr.ing.Corneliu Botan, ing. Sabina Hilohi,ing.Dragoş Simulescu „Maşini,Aparate,Actionări şi Automatizări”,Editura didactică şi pedagogică RA Bucureşti 1993; -Sergiu Calin Stelian Popescu –“Aparate echipamente şi instalaţii de electronică industrială, automatizări”-Editura didactică şi pedagogică RA Bucuresti 1992; -Internet