CAPITOLUL 4

CONDIŢIONAREA SENZORILOR

Utilizarea senzorilor şi traductoarelor permite conversia mărimii de măsurat într-o altă mărime, de cele mai multe ori de altă natură fizică. Majoritatea aplicaţiilor actuale urmăresc conversia într-o mărime electrică, pentru realizarea unui sistem de măsurare condus de calculator.

Rostul acestui capitol este de a oferi informaţii privind condiţionarea senzorilor, realizată în scopul obţinerii unor mărimi electrice direct proporţionale cu mărimile fizice supuse procesului de măsurare.

Soluţiile depind de tipul senzorilor şi traductoarelor utilizate: parametrice (pasive) sau generatoare (active).

4.1. CONDIºIONAREA SENZORILOR PASIVI

Senzorul pasiv îşi variază, sub acţiunea mărimii de măsurat x(t), impedanţa sau una din componentele acesteia (R,L,C). Variaţiile respective nu se pot transforma într-un semnal electric decât prin asocierea unei surse de energie electrică. Sursa de tensiune sau de curent, împreună cu reţeaua aferentă de impedanţe

constituie blocul de condiţionare. Există două tipuri de blocuri de condiţionare pentru senzori pasivi, funcţie de modul de transfer al variaţiilor impedanţei senzorului: cu modificarea frecvenţei semnalului sau cu modificarea amplitudinii semnalului.

4.1.1.Condiţionare cu modificarea frecvenţei semnalului.

105

Blocurile de condiţionare de acest tip sunt oscilatoare a căror frecvenţă variază funcţie de impedanţa senzorului. O soluţie o constituie utilizarea oscilatorului sinusoidal. Frecvenţa acestuia este fixată printr-un circuit rezonant format dintr-o bobină de inductanţă L0 şi un condensator . La rezonanţă, frecvenţa are expresia:

(4.1)

Dacă senzorul utilizat este de tip inductiv sau capacitiv, variaţia inductivităţii (cu L) sau a capacităţii (cu C), sub influenţa mărimii de măsurat, conduce la modificarea frecvenţei de rezonanţă a circuitului:

f fL

L

0

01

1

2

sau f f

C

C

0

01

1

2

(4.2)

O altă soluţie o reprezintă folosirea generatoarelor de semnal dreptunghiular, frecvenţa acestora fiind funcţie de impedanţa senzorului. Relaţiile de dependenţă pot fi de forma:

f fC

C 0

01( )

sau f f

R

R 0

01( )

(4.3)

soluţia fiind utilă pentru condiţionarea senzorilor rezistivi şi inductivi.

4.1.2. Condiţionare cu modificarea amplitudinii semnaluluiDouă soluţii s-au impus în condiţionarea de acest tip:

montajul potenţiometric şi montajul de punte în regim neechilibrat.

Montajul potenţiometric (Fig.4.1.a) este cel mai simplu, dar prezintă inconvenientul sensibilităţii la acţiunea mărimilor perturbatoare şi la deriva surselor de energie.

Reducerea influenţei mărimilor perturbatoare se poate realiza cu montajul de punte (Fig.4.1.c), ce permite o măsurare diferenţială.

106

Când senzorul este pur rezistiv, se utilizează, de preferinţă, o sursă de curent continuu; astfel, eventualele reactanţe parazite nu afectează lanţul de măsurare. Pentru senzorii ce îşi modifică reactanţa sub acţiunea mărimii de măsurat se utilizează o sursă de tensiune alternativă sinusoidală; semnalul de măsură este astfel modulat în amplitudine de variaţia reactanţei senzorului Zs .

a) b) Fig.4.1. Blocuri de condiţionare pentru senzori pasivi: a) montaj potenţiometric; b) montaj de punte.

Pentru blocul de condiţionare tip montaj potenţiometric,

pentru senzori rezistivi (Fig.4.1.a), legătura între variaţia tensiunii de ieşire şi variaţia rezistenţei senzorului , este:

U E

R R

R R R

R

R RS S

S S

S

S

0

0 1

0

0 1(4.4)

caracteristica de conversie fiind neliniară. Numai dacă variaţiile sunt foarte mici ( ) caracteristica de conversie devine liniară:

U E

R R

R R

S

S

1

0 12 (4.5)

Posibilitatea de a obţine o caracteristică de conversie liniară constă în utilizarea ca rezistor a unui senzor de acelaşi

tip cu , dar cu variaţii de rezistenţă de semn contrar (R R RS S1 0 ), rezultând, astfel, o caracteristică de conversie liniară:

107

UE R

Rs

S

2 0(4.6)

În situaţia în care se utilizează montajul potenţiometric pentru senzori cu variaţia reactanţei (inductivă sau capacitivă), se pot întâlni următoarele cazuri:¨ , deci impedanţa este de fapt o rezistenţă electrică

R1 . Când impedanţa senzorului variază, variaţia corespun-zătoare a tensiunii de ieşire este:

U ER Z

Z R Z

Z R

S

SS

S

1

0 12

0 1

1

1 (4.7)

¨ X1 de acelaşi tip cu X2 .Este cazul tipic al senzorilor de deplasare inductivi cu miez

mobil. Alegerea celor două impedanţe identice asigură compensarea efectelor datorate perturbaţiilor cât şi ameliorarea liniarităţii.

Deficienţele montajului potenţiometric constau în prezenţa tensiunii de mod comun, rezoluţie scăzută şi sensibilitate la deriva sursei.

Montajul de punte în regim neechilibrat (Fig.4.2) permite eliminarea deficienţelor prezentate anterior, asigurând multiple combinaţii specifice diferiţilor senzori pasivi şi o exactitate sporită. Puntea simplă Wheatstone în regim neechilibrat, utilizată ca bloc de condiţionare pentru senzori pasivi, are rolul de a transforma o variaţie de rezistenţă electrică într-un semnal electric. Interesul prezentat de metodă provine din natura diferenţială a principiului de măsurare, care o face mai puţin sensibilă la perturbaţii sau la deriva sursei de alimentare.

108

Tensiunea de dezechilibru are expresia:

U ER R R R

R R R R

2 3 1 4

1 2 3 4(4.8)

În marea majoritate a aplicaţiilor punţii, ca bloc de condiţionare a senzorilor pasivi, variaţia rezistenţei electrice a unuia sau mai multor rezistori din braţele punţii, faţă de valoarea iniţială, conduce la o tensiune de dezechilibru, ce depinde de variaţia mărimii de intrare.

Montajul de punte cu un senzor (Fig.4.3) are caracteristica de conversie:

U

E

R

R

R

R

s

os

s

os

41

1

2

(4.9)

Fig.4.2. Montaj de punte în regim neechilibrat.

Fig.4.3. Punte cu un senzor.

109

Această relaţie indică o legătură neliniară între tensiunea de ieşire U a punţii şi variaţia rezistenţei senzorului. Se observă că, simultan cu creşterea variaţiei R Rs os/ , neliniaritatea se accentuează. Pentru variaţii mici se poate aprecia o liniaritate suficientă a caracteristicii de transfer. De exemplu, pentru R Rs os/ =1%, neliniaritatea este 0,5%, pentru R Rs os/ = 0,1% este numai 0,05%. Această observaţie este extrem de utilă în anumite aplicaţii.

Sensibilitatea punţii este în această situaţie S 1

4.

Fig.4. 4. Punte cu doi senzori.Sensibilitatea poate fi dublată prin utilizarea a doi senzori identici, variind sub acţiunea aceleiaşi mărimi de intrare (Fig.4.4). Tensiunea de dezechilibru este în acest caz:

U

E

R

R

R

R

s

os

s

os

21

1

2

(4.10)

Se observă că sensibilitatea este de două ori mai mare, S 1 2 , dar se menţine neliniaritatea blocului de condiţionare.

O metodă pentru liniarizarea răspunsului constă în utilizarea montajului cu doi senzori identici, dar ale căror variaţii sunt de semn opus R R R R R Ros s os s2 1 ; . Tensiunea de ieşire are în acest caz o variaţie riguros liniară, funcţie de variaţia rezistenţei senzorilor:

UE R

Rs

os

2(4.11)

110

Situaţia este ideală pentru realizarea unui lanţ de măsurare, dar pe lângă creşterea preţului prin apariţia celui de-al doilea senzor, apare şi aspectul deosebit de important, că nu putem găsi, în toate situaţiile, senzori liniari care să varieze cu +Rs şi cu -

Rs la aplicarea aceleiaşi mărimi. O astfel de posibilitate apare

când un senzor este solicitat la întindere şi celălalt la compresiune de către efortul ce acţionează asupra unei membrane, la măsurarea presiunii.

Montajul de punte care asigură sensibilitatea cea mai mare şi liniaritatea caracteristicii de conversie este prezentat în Fig.4.5, fiind puntea cu patru senzori.

Caracteristica de conversie are forma:

U ER

Rs

os (4.12)

fiind liniară şi cu sensibilitatea de 4 ori mai mare ca puntea cu un singur senzor.

ºinând cont că în multe aplicaţii se pot utiliza numai punţi cu un traductor, s-au imaginat diferite metode de liniarizare a caracteristicii de conversie. Una dintre acestea, bazată pe utilizarea unui amplificator operaţional, este prezentată în Fig.4.6.

Fig.4.5. Punte cu patru senzori.

111

Fig.4.6. Punte activă.

Caracteristica de conversie are forma:

UE R

Rs

os

2 (4.13)

fiind liniară şi cu o sensibilitate de două ori mai mare decât cea a punţii normale cu un senzor.

Dintre problemele specifice care apar la utilizarea montajului de punte în regim neechilibrat în curent continuu se pot aminti: Influenţa conductoarelor de legătură. În situaţia în care senzorul este situat la distanţă de punte, el este conectat prin două conductoare ale căror rezistenţe electrice Rf nu mai pot fi neglijate faţă de cea a senzorului. În plus, este imposibil a distinge variaţia Rf datorată unor mărimi perturbatoare (temperatură, de exemplu), de variaţia R a senzorului.

Pentru eliminarea acestor inconveniente se utilizează următoarele soluţii :

- Montajul cu "trei conductoare". Al treilea conductor, care porneşte de la o extremitate a senzorului, se conectează la sursa de alimentare. Tensiunile parazite ce se pot induce în acest fir nu împiedică echilibrarea punţii şi perturbă puţin măsurarea.

- Montajul cu “conductoare de compensare”. Unul din braţele punţii este format de senzori şi cele două conductoare de legătură. Braţul alăturat este constituit dintr-o rezistenţă fixă şi două conductoare de legătură, identice cu precedentele şi situate în aceleaşi condiţii de mediu.

112

Sursa de alimentare. Alimentarea cu o sursă de curent continuu prezintă avantajul obţinerii unui semnal electric proporţional cu variaţia Rs a rezistenţei electrice a senzorului. Alegerea

montajului sursei de alimentare depinde de exactitatea dorită şi de cerinţele specifice lanţului de măsurare proiectat. Există în prezent circuite specializate pentru surse de alimentare, ce utilizează reţelele de rezistoare pentru programarea tensiunii şi borne de sesizare pentru menţinerea constantă a tensiunii de alimentare a punţii (circuit 2B35-Analog Devices - Fig.4.7).

Fig.4.7. Circuit specializat pentru alimentarea punţii.

Metoda de punte în regim neechilibrat se poate folosi şi pentru condiţionarea senzorilor inductivi şi capacitivi, alimentarea fiind, bineînţeles, cu tensiune alternativă. În Fig.4.8. şi Fig.4.9 se prezintă punţile tip Sauty (pentru senzori capacitivi cu pierderi mici în dielectric) şi Nernst (pentru senzori capacitivi cu pierderi importante în dielectric).

113

Fig.4.8. Puntea Sauty. Fig.4.9. Puntea Nernst.

În cazul unui senzor inductiv se poate utiliza ca bloc de condiţionare o punte Maxwell (Fig.4.10).

Pentru senzorii inductivi şi capacitivi de tip diferenţial sunt prezentate montaje de condiţionare în Fig.4.11.

Fig.4.11. Condiţionarea senzorilor de deplasare inductivi şi capacitivi.4.2. CONDIºIONAREA SENZORILOR ACTIVI

Fig.4.10. Punte Maxwell pentru condiţionarea senzorilor inductivi.

114

Senzorii activi se bazează pe principii fizice ce asigură conversia energiei mărimii de măsurat în energie electrică. Pentru utilizator este important să cunoască natura mărimii de ieşire a senzorului activ (t.e.m., curent, sarcină) ca să construiască blocul de condiţionare asociat. De exemplu, senzorii ce se bazează pe inducţia electromagnetică au ca mărime de ieşire o tensiune electrică, senzorii ce se bazează pe efect fotoelectric, au ca mărime de ieşire un curent electric etc.

4.2.1. Condiţionarea senzorilor cu mărimea de ieşire tensiune electricăSchema echivalentă a senzorului este reprezentată de o

sursă de t.e.m. Es în serie cu o rezistenţă Rs (Fig.4.12)

Fig. 4.12. Schema echivalentă Fig. 4.13. Conectarea la a senzorului generator. blocul următor.

Conectând la bornele senzorului un bloc a cărui rezistenţă de intrare este Ri (Fig.4.13), tensiunea de ieşire devine:

U ER

R Rm si

i s

(4.14)

Se poate observa că în situaţia Ri< Rs, blocul de condiţionare perturbă comportarea senzorului, consumând din energia electrică produsă de acesta. O rezistenţă Ri cât mai mare se poate realiza cu unul din montajele din Fig.4.14, ce utilizează proprietăţile amplificatorului operaţional.

115

Fig.4.14. Utilizarea AO.

Montajul neinversor asigură atât o rezistenţă de intrare, practic infinită, cât şi o amplificare reglabilă :

U ER

Rm s

1 2

1(4.15)

4.2.2. Condiţionarea senzorilor cu mărimea de ieşire curent electricSchema echivalentă a unui asemenea senzor constă într-un

generator de curent Is în paralel cu o rezistenţă Rs (Fig.4.15.a) La conectarea blocului de condiţionare având o rezistenţă de intrare Ri (Fig.4.15.b), intensitatea curentului sesizat de acest bloc este:

I IR

R Rm SS

S i

(4.16)

a) b)Fig.4.15. Codiţionarea senzorului generator de curent.

116

Dacă Ri > Rs, blocul de condiţionare afectează curentul util Is. O problemă, ce apare deseori este nivelul scăzut al curentului Is, soluţia fiind utilizarea unui amplificator. Se poate utiliza o schemă de convertor curent-tensiune, reducând şi influenţa rezistenţei de intrare Ri (Fig.4.16)

Fig.4.16. Utilizarea unui convertor curent - tensiune.

117