Elemente sensibile 

Elementele sensibile constituie partea specifică şi cea mai diversificată a unui traductor. Ele trebuie să sesizeze variaţiile mărimii de măsurat şi să rejecteze la maxim influenţa oricăror alţi factori. Elementele sensibile se clasifică după două criterii mai importante:A) După principiul de conversie al mărimii demăsurat deosebim:     - ES parametrice (de tip parametru)     - ES generatoare (de tip generator)B) După natura mărimii fizice măsurate deosebim:     - ES pentru deplasare     - ES pentru viteză     - ES pentru forţă     - ES pentru presiune     - ES pentru temperatură

- etc.      A1. ES de tip parametric      

Sunt utilizate în cazul în care mărimea de măsurat este pasivă sau fenomenul fizic pe care se bazează conversia nu permite obţinerea directă a unui semnal electric.Denumirea de ES parametric provine de la faptul că mărimea de intrare, neelectrică ce urmează a fi măsurată determină variaţia unor proprietăţi de material (rezisitivitate, inductivitate, capacitate, etc.).

Pentru punerea în evidenţă a variaţiilor acestor parametrii este necesară o sursă de energie electrică auxiliară. Se va obţine un semnal electric ale cărui variaţii urmăresc variaţiile parametrului afectat de variaţia mărimii de intrare.     Aşa cum am mai arătat elementele sensibile de tip parametric pot fi în principal de trei feluri:

a) rezistive – bazate pe modificarea rezistenţei unui conductor omogen:  

     S

lR

                               2.23 

În cazul acesta conversia se bazează pe unul din următoarele fenomene:     - variaţia lungimii conductorului

- variaţia lungimii şi secţiunii -  tenso-rezistenţe           - variaţia rezistivităţii cu temperatura

- variaţia rezistivităţii prin procese chimice- variaţia rezistivităţii sub acţiunea radiaţiilor

Prin sesizarea acestor variaţii se pot măsura:     - deplasări liniare şi unghiulare     - grosimi     - nivel     - temperaturi

7

     - viteze     - forţe     - presiuni     - concentraţii     - umiditateInductive - bazate pe expresia  inductivităţii unei bobine:

n

k kk

k

S

l

NL

1

2

                            2.24 unde: N = numărul de spire al bobinei.      k,lk,Sk = permeabilitatea, lungimea şi secţiunea tronsonului circuitului magnetic al bobinei.

L se poate modifica prin modificarea lui lk, k sau Sk şi traductoarele de acest tip pot fi utilizate la măsurarea:     - deplasărilor liniare şi unghiulare     - dimensiunii obiectelor     - grosimilor     - nivelului     - vitezei     - acceleraţiei     - forţei     - presiunii

c) Capacitive - bazate pe relaţia ce defineşte capacitatea unui condensator plan: 

     d

SC

                                2.25unde:     - S - suprafaţa comună a armăturilor     - d - distanţa dintre armături     - - permitivitatea dielectricului dintre armături     Traductorul de acest tip funcţionează pe principiul modificării unuia sau mai multora dintre elementele relaţiei 2.25 şi poate servi la măsurarea:     - deplasării liniare sau unghiulare     - presiunii     - nivelului     - grosimii

- umidităţii materialelor solide 

A.2. ES de tip generator Aceste tipuri de ES sunt utilizate în cazul  mărimilor active, care au asociată o

putere ce poate fi utilizată pentru conversie fară a afecta valoarea mărimii măsurate. În cazul acestui tip de element sensibil nu mai sunt necesare surse auxiliare de energie, el

8

furnizând o tensiune cu curent sau o sarcină electrică cu valoare dependentă de mărimea de intrare.     Pentru ca să nu se preia prea multă putere din mărimea măsurată şi în cazul acestor ele-mente sensibile, adaptoarele vor fi alimentate de la surse de energie separate.Realizarea ES de tip generator se bazează pe o mare diversitate de fenomene şi anume:     - inducţia electromagnetică      - termoelectricitatea     - piezoelectricitatea

-magnetostricţiunea                        Pe baza acestor fenomene şi utilizând elementul sensibil de tip generator adecvat

se pot măsura:     - turaţii     - debite      - temperaturi     - forţe     - presiuni     - deplasări liniare şi unghiulare     S-au prezentat până acum elementele clasificate conform principiului de conversie al mărimii de intrare.

Vom prezenta în continuare câteva elemente sensibile funcţie de mărimea fizică măsurată. 

B.1 Elementele sensibile pentru traductoare de presiune 1. ES bazate pe deformarea elastică a corpurilor

 Aceste ES se bazează pe deformarea elastică a unor elemente cum sunt:

     - tuburile Bourdon      - membranele     - burdufurileEle sunt sigure în funcţionare şi au o construcţie simplă.     a) ES cu tub Bourdon

Schiţa de principiu a unui element sensibil de acest tip se prezintă în figura 2.06. În secţiune transversală, tubul Bourdon poate avea una din următoarele forme din figura 2.07.

Sub acţiunea presiunii tubul va tinde către o formă circulară a secţiunii şi va reduce unghiul de înfăşurare.Dacă forma iniţială (în lipsa presiunii) a secţiunii tubului şi cea finală (după aplicarea presiunii) sunt cele prezentate în figura 2.08,

atunci variaţia unghiului de înfăşurare, , care constituie mărimea de ieşire a elementului sensibil, este:

    

Ryy

y

0

0         2.26

 unde:

fig.2.06

pfig.2.07

x

x0

y0 y

fig.2.08

9

R - raza medie a tubuluiSe poate arăta că funcţia =f(p) este cu bună aproximaţie liniară pe cea mai

mare parte a domeniului de utilizare.Tubul Bourdon acoperă o gamă foarte largă de presiuni:

103N/m2 (1kPa) - 109 N/m2(103MPa). b) ES cu membrană

 Construcţia principială a unui asemenea element sensibil se prezintă în figura 2.09

1. carcasă 2. membrană elastică3. tijăMembrana elastică care constituie

elementul specific este realizată din oţel, aliaj pe bază de Cu, sau din materiale sintetice elastice. Mărimea de ieşire a ES este săgeata membranei transmisă spre exterior cu ajutorul tijei 3 sub forma deplasării y. Se utilizează în gama de presiuni:

1 kPa - 4 Mpa. 

c) ES cu burduf (tub gofrat)  

este construit ca în figura 2.10. Presiunea comprimă elementul elastic constituit din burduful 3 şi arcul 4. Mărimea de ieşire a ES este deplasarea y.

Domeniul de lucru al acestor traductoareeste cuprins între 0,6 kPa şi 102 kPa.

 2. ES bazate pe schimbarea      proprietăţii corpurilor la    

solicitare 

Aceste elemente sensibile se bazează pe modificarea cu presiunea a parametrilor electrici (rezistenţă, inductivitate, capacitate). În această categorie se încadrează:

 ES tensometric (a) ES capacitiv (b) ES piezoelectric (c)

prezentate schematic în figura 2.11.     a) R este timbru tensometric lipit cu adeziv special pe suprafaţa

exterioară a tubului metalic.Sunt utilizate într-o gamă largă de presiuni.

fig.2.09

yp

fig.2.10

43

p

y

fig.2.11

a cb

p

p pR

10

b) Prin modificarea distanţei dintre armăturile condensatorului plan se modifică capacitatea acestuia.

c) Datorită efectului piezoelectric pe feţele cristalului solicitat se acumulează sarcini electrice de semn contrar echivalente cu o tensiune: 

)( pfU                                2.27 

Avantajul acestui element sensibil constă în proprietăţile dinamice foarte bune, iar dezavantajul în dificultatea preluării tensiunii de pe feţele cristalului (sunt necesare pentru aceasta aşa numite amplificatoare de sarcină).

B.2. Elemente sensibile pentru traductoare de debit 

În industria alimentară trebuie măsurate debite ale unor fluide prin conducte, ceea ce

înseamnă ca în ultima instanţă trebuie determinată viteza fluidului. Aceasta se poate realiza prin:

- utilizarea presiunii diferenţiale- utilizarea presiunii dinamice- utilizarea inducţiei electromagnetice- utilizarea propagării oscilaţiilor sonore în mediul fluidUn element sensibil ce utilizează presiunea diferenţială

pentru măsurarea debitului este de forma celei din figura 2.12. Măsurarea debitului se bazează pe relaţia: 

Habba RQppp                       2.28 unde:

RHab reprezintă rezistenţa hidraulică a tronsonului a-b. Acest ES are o construcţie simplă  şi asociat unui manometru diferenţial oferă o posibilitate simplă de indicare a debitului.

fig.2.12

pa

ba

pb

Q

fig.2.13

22

2

4

3

1

U

a b

11