Atestat- Tipuri de traductoare Mandache Cristina Clasa a XII a A

1

ArgumentTraductoarele, cunoscute frecvent sub numele de elemente de msur, sunt destinate pentru msurarea mrimilor conduse i a unor mrimi semnificative pe baza crora se pune n eviden echilibrul proceselor. Prin intermediul lor, vom obine informaiile necesare conducerii automate a proceselor n circuit nchis. Traductoarele se utilizeaz att n cadrul sistemelor de msurare i control, ct i n cadrul sistemelor de reglare automat. Traductoarele se compun dintr-un element sensibil i un adaptor. Elementul sensibil, numit i detector, este specific fiecrui parametru msurat. Elementul sensibil efectueaz operaia de msurare propriu-zis, iar elementul traductor asigur transformarea semnalului ntr-un alt semnal, n general electric sau pneumatic, unificat, semnal ce preteaz pentru transmiterea la distan. Traductoarele folosite n sistemele automate din industria chimic sunt traductoare de mrimi neelectrice destinate msurrii parametrilor specifici industriei chimice, i anume: temperatur, presiune, debit, nivel, concentraie, pH etc. Lucrarea Tipuri de traductoare este structurat pe urmtoarele capitole: Capitolul 1: Traductoare n care se numete traductor acel element al SRA care realizeaz convertirea unei mrimi fizice de obicei neelectric n mrime de alt natur fizic de obicei electric proporional cu prima sau dependent de aceasta, n scopul utilizrii ntr-un sistem de automatizare. Capitolul 2: Caracteristici generale ale traductoarelor n care am prezentat caracteristicile generale, valabile pentru orice traductor: natura fizic a mrimilor de intrare i de ieire, puterea consumat la intrare ( de obicei o putere mic sau foarte mic, de ordinul ctorva wai sau miliwai sau chiar mai puin), caracteristica static a traductorului, domeniul de msurare, panta absolut (sau sensibilitatea) Ka, panta medie (Km). Capitolul 3: Clasificarea traductoarelor n care am specificat felul n care clasificarea traductoarelor poate fi fcut: n funcie de natura mrimii de ieire xe sau n funie de natura mrimii de intrare xi. Astfel, n funcie de natura mrimii electrice de la ieire se deosebesc traductoare parametrice i generatoare( de inducie, sincrone, piezoelectrice, termoelectrice); n funcie de natura mrimii aplicate la intrare: traductoare de mrimi electrice (curent, frecven, putere, faz, etc.) i neelectrice (temperatur, deplasare, debit, vitez, presiune,

2

etc.); n funcie de domeniul de variaie al mrimii de ieire: traductoare unificate i neunificate. Astfel, am amnunit traductoarele de temperatur, nct msurarea temperaturii se bazeaz pe diferite fenomene i efecte fizice, n care modificarea temperaturii determin modificri ale unor proprieti sau caracteristici ale materialelor: variaia dimensiunilor geometrice, variaia rezistenei electrice, apariia unei tensiuni electromotoare de-a lungul jonciunii a dou metale, variaia intensitii radiaiei emise, variaia frecvenei de rezonan a unui cristal de cuar etc. definesc aceste tipuri de traductoare. Al doilea tip de traductoare abordat sunt traductoarele electronice de presiune, cele enumerate i detaliate fiind: traductorul de presiune cu tub Bourdon AT 10-ELT 370, cu capsul AT 20 ELT 370, traductoare de presiune cu membran. Traductoarele pneumatice de presiune sunt enumerate astfel: traductorul de presiune relativ cu tub Bourdon AT 10 PLT 370, traductorul pneumatic de presiune diferenial cu burdufuri tip AT 10 PLT 370 iar traductoarele de debit sunt exemplificate astfel: traductorul debitmetric de presiune diferenial, traductorul electromagnetic de debit FE 800-FE 96, traductorul rotametric de debit DR 100 ELT 310. Ca finalizare a clasificrii traductoarelor, am ncheiat cu triarea celor de nivel n care am exemplificat decat un singur tip de traductor de nivel, acesta fiind traductorul de nivel cu imersor AT 50 ELT 370. Deoarece procesele industriale sunt caracterizate de mai multe mrimit fizice, al cror control nu mai poate fi efectuat dect prin utilizarea unor aparate corespunztoare din punct de vedere etnic, s-a impus, ca o necesitate obiectiv, introducerea pe scar larg a aparaturii de msurat, control i automatizare, realizndu-se cu aceast ocazie i o serie de cerine. n concluzie, conducerea proceselor tehnologice n timp real nu se poate realiza dect utilizndu-se aparatur de automatizare performant, aparatur care nglobeaz n ultimul timp i sisteme de conducere cu microprocesor. Un lucru trebuie neaprat menionat, i anume acela c automatizarea impune cu necesitate existena unor instalaii tehnologice, ct i a unor tehnologii moderne, care s justifice existena acestor instalaii. De asemenea, fr o mecanizare corespunztoare, nici nu se poate pune problema automatizrii, dat fiind faptul c, din punctul de vedere al evoluiei tehnicii, automatizarea urmeaz mecanizrii.

3

Cuprins

Argument .....................................................................................................................................2 I Prezentare - Traductoare ..........................................................................................................5 II Caracteristici generale ale traductoarelor .................................................................................6 III Clasificarea traductoarelor.......................................................................................................6 1. Traductoare de temperatur......................................................................................................7 1.1. Senzori cu dispozitive semiconductoare............................................................................8 1.2. Termocuplul.....................................................................................................................10 2. Traductoare electronice de presiune.......................................................................................12 2.1. Traductorul de presiune cu tub Bourdon AT 10-ELT 370..............................................12 2.2. Traductorul de presiune cu capsul AT 20 ELT 370.......................................................13 2.3. Traductoare de presiune cu membran............................................................................14 3. Traductoare pneumatice de presiune......................................................................................15 3.1. Traductorul de presiune relativ cu tub Bourdon AT 10 PLT 370 .................................15 3.2. Traductorul pneumatic de presiune diferenial cu burdufuri tip AT 10 PLT 370 .........16 4. Traductoare de debit.............................................................Error: Reference source not found 4.1. Traductorul debitmetric de presiune diferenial..........Error: Reference source not found 4.2. Traductorul electromagnetic de debit FE 800-FE 96....Error: Reference source not found 4.3. Traductorul rotametric de debit DR 100 ELT 310........Error: Reference source not found 5. Traductoare de nivel.............................................................Error: Reference source not found 5.1. Traductorul de nivel cu imersor AT 50 ELT 370.........Error: Reference source not found IV. Anexe....................................................................................................................................21

4

I. TraductoarePentru msurarea mrimilor fizice care intervin ntr-un proces tehnologic este necesar, de cele mai multe ori, convertirea (traducerea) acestora n mrimi de alt natur fizic, convenabile pentru celelalte elemente din cuprinsul SRA. De exemplu, o temperatur sau o presiune sunt convertite n mrimi de natur electric tensiune, curent electric proporionale cu mrimile iniiale, care pot fi utilizate i prelucrate de celelalte elemente de automatizare SRA (comparatoare, regulatoare automate etc.) Se numete traductor acel element al SRA care realizeaz convertirea unei mrimi fizice de obicei neelectric n mrime de alt natur fizic de obicei electric proporional cu prima sau dependent de aceasta, n scopul utilizrii ntr-un sistem de automatizare. Exist o larg varietate de traductoare, structura lor fiind mult diferit de la un tip de traductor la altul. Se poate stabili ns o structur general a unui traductor, ca n fig. 11. Mrimea de la intrarea traductorului xi (reprezentnd valori de temperatur, presiune, for, turaie, nivel etc.) este convertit de ctre elementul sensibil ES ntr-o mrime intermediar x0 ( de exemplu o deplasare liniar, o rotaie etc.) care se aplic adaptorului AD. Acesta transform mrimea x0 n mrimea de ieire xe, de obicei de natur electric (tensiune, curent, rezisten, inductan etc.) introdus astfel n circuitul de reglare. n cazul particular al SRA unificate ( cu semnal standard, att ca natur ct i ca nivel) de exemplu, sistemul unificat E-IEA, fabricat n ar adaptoarele au rolul de a converti o mrime de ieire oarecare ntr-un semnal unificat (de exemplu, semnalul de curent unificat: 2-10 mA sau 4-20 mA sau cel de presiune unificat: 0,2-1 kgf/cm2). De obicei, adaptorul cuprinde i sursa de energie SE (fig. 11.1) necesar pentru convertirea mrimii x0 n mrimea dorit la ieire xe.

5

II. Caracteristici generale ale traductoarelorIndiferent de tipul traductorului utilizat, se pot stabili urmtoarele caracteristici generale, valabile pentru orice traductor: - natura fizic a mrimilor de intrare i de ieire (curent, tensiune electric, rezisten electric, presiune, temperatur, debit, nivel, etc.); - puterea consumat la intrare ( de obicei o putere mic sau foarte mic, de ordinul ctorva wai sau miliwai sau chiar mai puin). Consumul propriu fiind, de regul, neglijabil, nseamn c puterea transmis elementului urmtor este insuficient pentru a determina o acionare; de aceea, n schemele de automatizare, un traductor este urmat, aproape ntotdeauna, de un amplificator; - caracteristica static a traductorului, care reprezint grafic dependena xe=f(xi) dintre mrimile de ieire, respectiv de intrare ale traductorului (fig. 11.2). Dupa tipul traductorului, aceast variaie poate reprezenta o funcie liniar sau neliniar, continuu sau discontinuu (cu valori discrete); - domeniul de msurare, definit de pragurile superioare de sensibilitate xi max i xe max i de cele inferioare xi min i xe min (n fig. 11.2 s-a presupus xi min=0); - panta absolut (sau sensibilitatea) Ka, reprezentnd raportul dintre variaiile mrimilor de ieire xe, respective de intrare xi (fig. 11.2): Ka=xe/xi; - panta medie (Km), reprezentnd coeficientul unghiular (panta) dreptei care aproximeaz caracteristica static real a traductorului (fig 11.2): Km=tg Ka.

III. Clasificarea traductoarelorntruct circuitele de automatizare cel mai des folosite sunt de natur electric, mrimea de ieire a traductoarelor este aproape exclusiv de natur electric. Clasificarea traductoarelor poate fi fcut n funcie de natura mrimii de ieire xe sau n funie de natura mrimii de intrare xi. 6

-

n funcie de natura mrimii electrice de la ieire xe se deosebesc:

traductoare parametrice, la care mrimea msurat este transformat ntr-un parametru de circuit electric (rezistena, inductana sau capacitatea). Traductoarele parametrice se mpart, la rndul lor, n: traductoare rezistive, traductoare inductive, traductoare capacitive i traductoare fotoelectrice;

-

traductoare generatoare, la care mrimea msurat este transformat ntr-o tensiune electromotoare, a crei valoare depinde de valoarea mrimii respective (de inducie, sincrone, piezoelectrice, termoelectrice). n funcie de natura mrimii aplicate la intrare (xe) se disting:

-

traductoare de mrimi neelectrice (temperatur, deplasare, debit, vitez, presiune etc.); traductoare de mrimi electrice (curent, frecven, putere, faz etc.). n practic, traductoarele sunt definite pe baza ambelor criterii artate mai sus (de

exemplu, traductor parametric rezistiv de temperatur). n fig. 11.3 se prezint o schem general de clasificare a traductoarelor uzuale. n funcie de domeniul de variaie al mrimii de ieire, traductoarele se clasific n: traductoare unificate la care mrimea de ieire reprezint un semnal unificat electric (2-10 mA sau 4-20 mA), sau pneumatic (0,2-1 kgf/cm2); aceste traductoare se utilizeaz n sistemele de reglare automat cu elemente unificate; traductoare neunificate.

1.Traductoare de temperaturMsurarea temperaturii se bazeaz pe diferite fenomene i efecte fizice, n care modificarea temperaturii determin modificri ale unor proprieti sau caracteristici ale materialelor: variaia dimensiunilor geometrice, variaia rezistenei electrice, apariia unei tensiuni electromotoare de-a lungul jonciunii a dou metale, variaia intensitii radiaiei emise, variaia frecvenei de rezonan a unui cristal de cuar etc. Acurateea procesului de msurare a temperaturii este foarte important pentru cele mai multe aplicaii de control a

7

diferitelor procese tehnologice. n Tabelul 1 sunt prezentate patru dintre cele mai utilizate tipuri de traductoare de temperatur, mpreun cu cteva caracteristici semnificative ale lor. Termocuplurile sunt capabile s msoare temperaturi extreme dar necesit tehnici de realizare a temperaturii de referin, sunt neliniare i au un nivel mic al semnalului de ieire. Senzorii de temperatur cu semiconductori se preteaz la realizarea lor sub form integrat, au un nivel mare al semnalului de ieire dar acoper un domeniu relativ restrns de temperaturi. Termometrele cu rezisten metalic au o acuratee i o liniaritate mai bun, dar necesit o surs de energie de excitare i un circuit de msur de tip punte. Termistorii au cea mai mare sensibilitate dar sunt puternic neliniari.

1.1. Senzori cu dispozitive semiconductoareSe tie c intensitatea curentului prin jonciunea unei diode semiconductoare poate fi exprimat cu ajutorul relaiei: I=Is(eeUd/kT-1), n care Is este curentul de saturaie prin jonciunea polarizat invers. n polarizarea direct exponenial este mult supraunitar, astfel nct se poate scrie cu o foarte bun aproximaie: I=IseeUd/kT. Relaia precedent este valabil i pentru jonciunea baz-emitor a unui tranzistor bipolar (fig. 1) i, neglijnd contribuia curentului de baz la curentul de colector, se poate scrie: IC=IseeUBE/kT (1) Exprimnd tensiunea dintre baz i emitor din relaia precedent: UBE=kT/e ln IC/Is (2), vom observa c aceasta este direct proporional cu temperatura mediului n care se afl jonciunea. Pe aceast dependen se bazeaz folosirea unor structuri integrate cu tranzistori pentru msurarea temperaturii. La 300K mrimea raportului kT/e este de 26 mV. Considernd o structur format din n tranzistori identici conectai n paralel (fig. 2), curenii de colector ai tranzistorilor vor fi i ei identici, astfel nct curentul total de colector al structurii va fi: IC=IC1+IC2+ICn=nIseeUBEn/kT (3) Astfel, tensiunea dintre bazele i emitorii tranzistorilor va avea expresia: UBEn=kT/e ln IC/nIs (4)

8

Dac o astfel de structur se asociaz cu nc un tranzistor (T11), identic cu primii i cu o oglind de curent (T12 si T13), se realizeaz un senzor de temperatur ca cel din fig. 3. Oglinda de curent asigur egalitatea curenilor de colector pentru tranzistorul T11 i pentru structura T1, T2,,Tn. Tensiunea dintre baza i emitorul tranzistorului T11 este dat de expresia (2) iar tensiunea UBEn va fi cea dat de relaia (4). ntre tensiunile marcate n figur exist relaia: UBE=UBEn+Uies sau kT/e ln IC/nIs+Uies, astfel nct expresia tensiunii de ieire va fi:Uies=Kt/e ln n Pe acelai principiu fizic se bazeaz folosirea amplificatorului operaional Norton ca senzor de temperatur. Conexiunea folosit atunci cnd este folosit n acest scop este prezentat n fig. 4a. Jonciunea baz-emitor a tranzistorului T1 din structura intern a amplificatorlui (n fig. 4b este prezent doar partea de intrarea a acestuia), este polarizat direct de ctre tensiunea de ieire care apare ca urmare a alimentrii a amplificatorului cu tensiunea V +. Expresia tensiunii de ieire poate fi calculat pe baza schemei echivalente din fig. 4c, din care pot fi scrise ecuaiile: i -