Senzori - Prezentare Romana 2012

7/22/2019 Senzori - Prezentare Romana 2012

1/128

SENZORI SI

ACHIZITII DE DATE

CURS

Cursul de senzori si traductoare trateazaconstructia, functionarea si utilizarea sistemelormoderne de masurare cu senzori in domeniulingineriei mecanice.


2/128

CAPITOLUL 1

INTRODUCERE INSENZORICA


3/128

Notiunile de senzori si traductori

Traductorul reprezinta unitatea elementara deconversie a unei marimi fizice intr-o marimecare poate fi evaluata electric.

Senzorul reprezinta un echipament alcatuit dinunul sau mai multi traductori capabil saconverteasca o marime fizica intr-o marime

electrica care poate fi utilizata fara nici oprocesare intr-un sistem de comandaautomata.


4/128

Aplicatii ale senzorilor

Senzorii sunt prezenti in aproape toate activitatile

umane, incepand cu bunurile de larg consum pana laprocesele industriale complexe.

In tehnica exista trei domenii principale de aplicatii alesenzorilor:

Monitorizarea proceselor industriale

Comanda automata a proceselor

Analiza experimentala


5/128

1. Monitorizarea proceselor industriale

Multe dintre aplicatiile de masurare au in principal unctiide monitorizare. Monitorizarea reprezinta vizulizarea

marimilor de proces.

In aplicatiile casnice instrumentele de masurare aconsumului de apa, gaz, enerogie electrica, etc au functii

de monitorizare. Aceste instrumente indica consumurile,iar prin citirea lor nu se intervine asupra starii sistemului.Determinarea consumurilor se face numai pentru calcululcosturilor pe care utilizatorul trebuie sa le plateasca catre

furnizori.


6/128

2. Comanda proceselor industriale

Un domeniu deosebit de important de utilizare a

sistemelor de masurare cu senzori sunt in cadrulautomatizarii sistemelor de comanda a proceselorindustriale.

Schema functionala a unui sistem de comanda automataa unui proces este prezentat in figura 1. Pentru acontrola valoarea unui marimi de proces, mai intaitrebuie masurata. Astfel apare necesitatea utilizarii unei

bucle de reactie, care introduce valoarea momentana amarimii de proces in schema de comanda.


7/128


8/128


9/128


10/128

Caracteristicile metodei de analiza teoretice:

Rezultatele modelarii teoretice sunt mai generale decataplicatia studiata

Necesita ipoteze simplificatoare, ceea ce conduce la unmodel simplificat. In acest caz comportarea modeluluiteoretic este diferita de a celui real.

In unele cazuri se ajunge la un model matematic

complicat. In trecut acesta a fost una din cauzele pentrucare unele cercetari au fost oprite, insa azi datoritasistemelor de calcul performante aceste probleme aufost rezolvate.

Necesita numai resurse de birou hartie, creion,calculatoare, software, etc. Facilitati de laborator nu suntnecesare


11/128

Metoda analizei experimentale- Executia unui stand experimental pentru

implementarea aplicatiei- Construirea sistemului de masurare a marimilor de

proces- Efectuarea masuratorilor experimentale- Determinarea modelului matematic prin identificare

experimentala

Caracteristicile metodei experimentale:

Rezultatele metodei experimentale se refera numai laaplicatia studiata

Nu sunt necesare ipoteze simplificatoare,

comporatmentul sistemului studiat fiind cel real. Sunt necesare sisteme de masurare performante

pentru determinarea marimilor de proces Este necesara existenta unui stand experimental si a

facilitatilor de laborator.


12/128

CAPITOLUL 2

SEMNALE


13/128

Semnal - orice mrime a crei amplitudine sau variaiaei n timp conine informaii despre procesSemnalele fizice trebuie convertite n semnale electrice,

tensiune sau curent, pentru a fi compatibile cu

sistemul de achizitii de date (DAQ)


14/128

Clasificarea semnalelor: semnale analogice - conin informaia n

variaia continu a semnalului n timp semnale digitale - au numai dou stri

discrete - 1 logic (on) sau 0 logic (off)


15/128

2.1. Semnalele analogice de curent continuu

- statice sau variaz lent n timp- informaia este coninut n amplitudinea semnalului

Masurarea semnalelor analogice de curent continuu:- Amplitudinea semnalului trebuie msurat precis(rezolutie ridicata)

- Nu necesita viteza de masurare ridicata - semnalul

variaz ncet.


16/128

Exemple de semnale de curent continuu DC

- Temperatur- Tensiunii la bornele unei baterii

- Nivelul unui lichid intr-un rezervor


17/128

2.2. Semnale analogice n domeniul timp

- conin informaia util n nivelul semnalului i n variaiaacestuia n timp

- informaia se gsete n forma undei - pant, dispunereai forma vrfurilor, etc.

Masurarea semnalelor analogice in domeniul timp:- Amplitudinea semnalului trebuie msurat precis (rezolutie

ridicata)

- Necesita viteza de masurare ridicata viteza de esantionaretrebuie sa fie mai mare de viteza procesului


18/128

Exemple de semnale analogice n domeniu timp:

- Semnalul provenit dela un electrocardiograf- Semnalul dat de presiunea arteriala- Semnalul video


19/128

2.3. Semnale analogice n domeniul frecvenial

- conin informaia n modul de variaie a semnalului n timp- informaia este coninut n structura frecvenelorcomponente

Masurarea semnalelor analogice in domeniul frecvential:- Necesita viteza de masurare ridicata viteza de

esantionare trebuie sa fie mai mare de viteza procesului

- Necesita facilitati de analiza pentru determinareafrecventelor componente ale semnalului


20/128

Example de semnale analogice in domeniu frecvential:

- Semnalul provenit de la un senzor de emisie acustica- Semnalul provenit de la un senzor de la un microfon- Semnalul de iesire de la un senzor de vibratie


21/128

2.4. Semnale logice On-Off

- conin informaia n starea digital a semnalului

- instrumentul este un simplu detector de stare


22/128

2.5. Semnale de tip tren de impulsuri

- constau ntr-o serie de tranziii a strilor

- informaia este coninut n:

- numrul de apariii a tranziiilor de stare

- viteza la care tranziiile apar- timpul dintre dou sau mai multe tranziii


23/128

2.6. Un semnal - cinci perspective de msurare

- cele cinci clasificri ale semnalelor nu sunt exclusive

- un semnal particular poate conine mai multe tipuri deinformaie

- un semnal poate fi clasificat n mai mult de o categorie i de

aceea poate fi msurat n mai multe moduri


24/128

a - 1 bit, b - 2 biti, c - 3 biti.

DM - domeniul de masurare

n - numarul de biti pe care se face conversia A/D

Conversia Analog-Digitala


25/128

CAPITOLUL 3

CARACTERISTICI SI

PERFORMANTE ALESISTEMELOR DE

MASURARE CU SENZORI


26/128

3.1. Caracteristici si performante in regim static a

sistemelor de masurare

Regimul static a unui sistem de masurare corespundesituatiei in care variabilele principale (masurandul x si

semnalul de iesire y) nu variaza in timp.

Caracteristica statica de transfer

Caracteristica statica de transfer sau caracteristica statica aunui sistem de masurare reprezinta dependentafunctionala intre semnalul de iesire y si marimea masuratax in cazul unui regim de echilibru static.


27/128

Liniaritatea caracteristici statice este deosebit de

importanta in special in cazul in care semnalul demasura este utilizat intr-un sistem automat decomanda a unui proces, care necesita amplificare

constanta pe tot domeniul de masurare.Caracteristica statica liniara

Domeniu de masurare

Intreaga scala


28/128

a caracteristica statica liniara pe o portiune (0-70)% din

domeniul de masurare, iar apoi prezinta o neliniaritateputernica de tip saturatieb - caracteristica statica neliniara pe intreg domeniul sistemul

poate fi utilizat numai in cazul in care abaterea de la

liniaritate nu va depasi limitele tolerate.


29/128

Caracteristica statica liniara se poate defini:

1. Linia care uneste capetele domeniului de masurare si aintregii scari (fig. a);

2. Linia care uneste capetele caracteristicii obtinute princalibrare (fig. b);


30/128

3. Linia egal distantata de doua paralele care include cel

mai bine toate valorile semnalului de iesire (fig. c);4. Linia care asigura abaterea medie patratica minima

relativ la punctele rezultate din calibrare (fig. d).

yi Valori masurate

y Valorile ideale de pe linie


31/128

Parametri caracteristicii statice

Sensibilitatea unui sistem de masurare reprezinta variatiasemnalului de iesire atunci cand marimea masurata are o variatieunitara

Pragul de sensibilitate este definita ca fiind cea mai mica variatie amarimii masurate care produce o variatie masurabila a semnaluluide iesire.

Rezolutia se refera la sistemele de masurare digitale si este definitaca fiind cea mai mica variatie a marimii masurate care produce ovariatie de tip a semnalului digital de iesire.

Abaterea de la origine este definita ca fiind valoarea semnaluluielectric de iesire atunci cand marimea masurata are valoarea zero.


32/128

Eroarea de hysterezis este definita ca maximul diferenteidintre valorile semnalului de iesire corespunzatoare aceleasimarimi masurate la parcurgerea in sensuri diferite aledomeniului de masurare.


33/128

Abaterea relativa de la liniaritate este diferenta maxima intrecaracteristica obtinuta prin calibrare si cea ideala definita in %relativ la intreaga scala.

Precizia este definita ca fiind capacitatea sistemului de masurarede a asigura obtinerea de rezultate cat mai apropiate devaloarea reala a marimii masurate.

Repetabilitatea calitatea unui sistem de masurare de furnizavalori apropiate intre ele la repetarea masurarilor aceluasimasurand.

Justetea calitatea unui sistem de a da valori apropiate devaloarea adevarata la repetarea masurarilor

Repetabilitate Justete Precizie


34/128

Erorile datorate sistemului de masurare:

- eroarea de zero constanta de-a lungul intreguluidomeniu de masurare

- eroarea de sensibilitate creste proportional cu marimeamasurata


35/128

Calibrarea unui sistem de masurare

Inainte de calibrare trebuie sa stim:

Ce marime fizica masuram

Domeniul de masurare a marimii fizice

Intreaga scala a semnalului de iesire

Inainte de a incepe calibrarea trebuie sa avem:

1. Un stand experimental prin care sa putem genera valoricunoscute ale marimii fizice masurate

2. Un intsrument de masura etalon a marimii fizice masurate.Precizia instrumetului etalon trebuie sa fie mai mare decat

precizia preconizata pentru sistemul de masurare.3. Un instrument pentru masurarea semnalului electric de iesire


36/128

Calibrarea consta in:

1. Se genereaza valori cunoscute ale marimii masurate si semasoara valorile corespunzatoare ale semnalul electrtic deiesire. Generarea acestor valori se face prin intermediulstandului experimental. Pentru a cunoaste valoarea reala amarimii masurate folosim instrumentul etalon. Pentru a masurasemnalul electric de iesire folosim instrumentul.

2. Se repeta masurarile parcurgand intreg domeniul de masurare.Vor rezulta perechi marime masurata semnal electric. Se

reprezinta grafic.3. Se determina caracteristica statica ideala folosind una din cele

patru modalitati de definere. Se determina relatia matematica acaracteristicii statice ideale.

4. Se efectueaza masurari test cu sistemul de masurare calibrat.


37/128

3.2. Caracteristici si performante in regim dinamic a

sistemelor de masurare

Regimul dinamic a unui sistem de masurare corespundesituatiei in care variabilele principale (masurandul x si

semnalul de iesire y) variaza in timp.Performantele comportarii dinamice ale unui sistem de

masurare:

- stabilitatea: capacitatea sistemului de masurare de areintra in regim static dupa incetarea actiunii unei perturbatii;

- rapiditatea: este intervalul de timp in care semnalul deiesire atinge valoarea corespunzatoare marimii intrariiinstantanee (timpul in care sistemul reintra in regim static).


38/128

Analiza experimentala a comportarii dinamice

a.- in domeniu timp;

b.- in domeniu frecvential.

a. Analiza dinamica in domeniul timp

Analiza experimentala in domeniu timp descrie comportareadinamica a unui sistem prin raspunsul acestuia la un semnalde intrare standard (impuls, treapta, rampa).


39/128

Eroareadinamica

ys - valoareastationara

e =25% ys=0,01% yspentru sisteme

cu constrangerispeciale

Indici de calitate pentru comportarea dinamica:

- precizie: a - eroarea statica

- rapiditate: tc - timp de crestere

tr - timp de raspuns

- stabilitate: A1 - suprareglajul

D - gradul de amortizare


40/128

Parametri comportarii dinamice

Rapiditate

tr- timpul de raspuns timpul in care semnalul de iesireajunge in regim static

tc- timpul de crestere - timpul in care semnalul de iesirecreste in intervalul (0,1-0,9)ysf- frecventa naturala frecventa oscilatiilorT- perioada oscilatiilor timpul dintre doua oscilatii

consecutive

Stabilitate

- atenuarea - eroarea dinamica pozitiva corespunzatoareprimul maxim a semnalului de iesire.D - gradul de amortizare

b A li di i i d i l f ti l


41/128

b. Analiza dinamica in domeniul frecvential

Analiza experimentala in domeniu frecvential descriecomportarea dinamica a unui sistem de masurare prinraspunsul acestuia la o variatie a marimii de intrare de tipsinusoidal.

Marime de intrare

Semnal de iesire


42/128

M- raportul amplitudinilor - atenuare - depinde de

frecventa unghiulara

- defazajul - depinde de frecventa unghiulara si apare datorita inertiei sistemului


43/128

r- frecventa de rezonanta - frecventa corespunzatoare

atenuarii maxime t- frecventa de taiere - frecventa la atenuarea este

c- frecventa caracteristica: frecventa corespunzatoare unuidefazaj


44/128

Capitolul 4

TRADUCTOARE PENTRU

MASURAREA POZITIEI SIDEPLASARII

4 1 N ti i d b i i d iti i hi l


45/128

4.1. Notiuni de baza privind masurarea pozitiei unghiulare

si liniare

Deplasarea este marimea care caracterizeaza schimbarea pozitieiunui obiect sau a punctului sau caracteristic relativ la un sistem de

referinta.

Pozitia este marimea atribuita unui corp sau punctului saucaracteristic, care il localizeaza in raport cu un sistem de referinta.

Proximitatea este proprietatea unui corp de a fi in imediataapropiere fata de o pozitie data.


46/128

Clasificarea traductorilor de deplasare

a. Forma traiectoriei: - liniari

- rotativi

b. Natura semnalului de iesire: - analogici

- digitalic. Fenomenul fizic utlizat in conversie:

- potentiometric (resistiv);

- inductiv;- capacitiv;

- ultrasonic;

- optic;

- laser, etc.

d. Locul efectuarii masurarii : - masurare directa

- masurare indirecta


47/128

4.2. Sisteme de masurare analogica a pozitiei si deplasarii


48/128

g p p

Sistemele de masurare analogica au ca suport pentru informatie o marimede natura analogica, tensiune sau curent.

4.2.1. Traductoare potentiometrice

Potentiometrul, cel mai simplu traductor analogic de pozitie, transforma odeplasare liniara sau unghiulara intr-o tensiune

ConstructiePotentiometrul este alcatuit dintr-un ansamblu rigla cursor, care sedeplaseaza relativ una fata de celalalt.

Principiul de functionarePotentiometrul functioneaza pe principiul divizorului de tensiune.

In functie de tensiunea de alimentare:- Traductor potentiometric unipolar - tensiunea variaza intre zero si maxim- Traductor potentiometric bipolar - tensiunea variaza de la o tensiunenegativa spre una pozitiva trecand prin zero


49/128

Modelul matematic - caracteristica statica de transfer:

Link-uri\Potentiometer.pdf

Link-uri\Potentiometer electronic adapter.pdf

4.2.2. Traductorul de tip rezolver


50/128

Rezolveruleste un traductor analogic de pozitie rotativ.Constructie:Rezolverul este alcatuit dintr-an ansamblu stator rotor, cu douainfasurari statorice si una rotorica, decalate electric cu 90.Principiu de functionare:Variatia inductivitatii intre infasurarile statorice si cea rotorica, intimp ce ele se deplaseaza relativ unele fata de cealalta.

Modelul matematic


51/128

a. In cazul alimentarii rotorului cu tensiunea

tensiunea indusa in infasurarile rotorice va fi:

b. In cazul alimentarii infasurarilor statorice cu tensiuni de forma:

unde este pozitia de referinta, in rotor se induce tensiunea:

c. In cazul alimentarii infasurarilor statorice cu doua tensiuni deaceeasi frecventa si amplitudine, dar decalate cu 90:

tensiunea indusa in rotor va fi de forma:

Adaptor electronic de conversie rezolver-digital


52/128

p g

Adaptorul functioneaza in bucla inchisa iar pozitia unghiularase determina prin compararea unghiurilor provenite de latraductor () cu cel convertit digital ().

Link-uri\Resolver.pdf

4 2 3 Traductoare de tip inductosin


53/128

4.2.3. Traductoare de tip inductosin

Inductosinul este un traductor analogic pentru masurarea pozitieiunghiulare si liniare.

Constructie

Inductosinul se compune din circuite conductoare, imprimate pe douaelemente plate din otel sau materiale nemetalice, separate de uninterstitiu de aer.

Principiul de functionare

Variatia inductivitatii intre cele doua circuite conductoare, in timp ceele se deplaseaza relativ unul fata de altul.

Clasificare

-Inductosin rotativ

-Inductosin liniar

a. Inductosinul rotativ


54/128

ConstructieInductosinul rotativ este realizat din doua discuri plane, unul mobil,montat solidar pe elementul in miscare (rotorul) si unul fix, asociatsistemului de referinta (statorul).

Modelul matematic


55/128

Rotorul se alimenteaza cu tensiunea:

Infasurarile statorice sunt decalate electric cu 90.

Tensiunile induse in infasurarile statorice vor fi:

unde N- numarul de poli ai rotorului

- unghiul de rotatie relativ dintre rotor si stator.

b.Inductosinul liniar


56/128

Constructie

Inductosinul liniar este format dintr-un ansamblu rigla-cursor pecare sunt imprimate circuitele conductoare, rigla (rotorul) avand osingura infasurare a carei lungime acopera intreg domeniul demasurare, iar cursorul (statorul) doua infasurari decalate electric cu

90.

Modelul matematic


57/128

In cazul alimentarii rotorului cu tensiunea

tensiunea indusa in infasurarile statorice este:

unde x reprezinta deplasarea relativa rigla-cursor.In cazul alimentarii infasurarilor statorice:

- modulate in amplitudine

unde x0 este pozitia de referinta,tensiunea din rotor va fi:

In cazul alimentarii infasurarilor statorice:

- modulate in faza

tensiunea in rotor va fi:

Adaptorul electronic


58/128

p

In sistemele moderne de masurare, care folosesc traductoareanalogice de tip inductosin folosesc adaptoare ce au incomponenta convertoare A/D, pentru ca informatia utila sa fiecompatibila cu tehnica de calcul.

Link-uri\Inductosyn - Farrand Controls Brochure.pdfLink-uri\Inductosyn Analog to Digital Converter.pdf

4.3. Sisteme de masurare digitale a pozitiei si deplasarii


59/128

4.3. Sisteme de masurare digitale a pozitiei si deplasarii

Sistemele de masurare digitale furnizeaza la iesire semnale de tiptren de impulsuri.

Trenurile de impulsuri sunt generate pe principii magnetice, opticesau electrice.

4.3.1. Traductoare incrementale

Traductoarele incrementale se bazeaza pe principiul masurariipozitiei intre doua puncte prin numararea unor diviziuni(incremente) de pe o rigla sau un disc.

Distanta de masurat se obtine inmultind numarul de incremente cuvaloarea acestuia.

Traductoare incrementale magnetice


60/128

ConstructieTraductoarele magnetice sunt alcatuite dintr-un ansamblu elementmagnetic disc sau rigla.Elementul magnetic poate fi un magnet permanent sau o bobina cu

un miez din material feromagnetic.



61/128

pTraductoarele magnetice se bazeaza pe principiul variatiei reluctanteimagnetice in circuitul element magnetic - disc sau rigla.

In cazul in care elementul magnetic este un magnet permanent,pozitia incrementala se determina prin numararea alternantelortensiunii Ue.

In cazul in care elementul magnetic este o bobina cu miezferomagnetic se foloseste un montaj electric in punte. In unul dinbrate este plasat circuitul de excitatie prin al carui intrefier se rotestediscul dintat. La o diagonala a puntii se conecteaza o sursa de curentalternativ cu frecventa purtatoare inalta (200 kHz), iar la cealaltadiagonala a puntii se culege o tensiune de aceeasi frecventa,

modulata in amplitudine cu pozitia discului. Pozitia incrementala va fiproportionala cu amplitudinea tensiunii de iesire Ue.

Link-uri\Magnetic encoder - Pepperl Fuchs.pdf

Traductoare incrementale optice

Constructie


62/128

Constructie

Traductoarele optice sunt alcatuite din:

- sursa de lumina

- o rigla sau un disc, avand un numar egal de fante si zone opace

- un cap de citire cu un numar de elemente fotosensibile (fotorezistente,fotodiode, fototranzistori).

Citirea se poate face prin transparenta sau reflexie.


L t ti di l i l d l l i fl l d l i


63/128

La rotatia discului sau la deplasarea cursorului, fluxul de lumina

este sesizat de catre elementul fotosensibil in momentul aparitieiunei fante sau a unei oglinzi. Elementul fotosensibil va genera 1logic. In cazul in care fluxul de lumina este intrerupt de o zonaopaca, elementul fotosensibil comuta in 0 logic.

Pozitia incrementala se obtine prin numararea aparitiei impulsurilorsi prin inmultirea cu pasul dintre doua fante, respectiv oglinzi.

Pentru determinarea sensului de deplasare trebuie procesate

semnale electrice provenite de la cel putin doua diode.Siguranta citirii creste cu numarul de diode folosit. Incertitudineacitirii este data de zona de trecere de la o fanta transparenta la ozona opaca. .

Un traductor incremental cu rezolutie ridicata foloseste un sistemcu 4 fotodiode si o contragrila plasata intre disc sau rigla si capulde citire pentru marirea preciziei de citire.

Adaptorul electronic de prelucrare a semnalului


64/128

Adaptorul cuprinde:- doua circuite de conversie a tensiunilor de iesire in impulsuri- doua numaratoare: pozitie unghiulara si rotatii complete

Link-uri\Optical Encoder Omron.pdf

4.3.2. Traductoare absolute

Traductoarele absolute cele mai folosite sunt cele optice principiul lor


65/128

Traductoarele absolute cele mai folosite sunt cele optice, principiul lor

constructiv fiind acelasi cu a celor incrementale, cu diferenta ca rigla saudiscul au o structura de numere codificate, realizate sub forma unor piste

corespunzatoare ordinelor binare.

Link-uri\Absolute encoder - Heidenhain.pdf


66/128

Capitolul 5

TRADUCTOARE PENTRU

MASURAREA VITEZEI

5.1. Notiuni de baza privind masurarea vitezei


67/128

Traductoarele de viteza transforma viteza liniara sau unghiulara intr-un semnal electric adecvat echipamentelor de comanda sauachizitie de date.

In aplicatiile obisnuite (masini-unelte cu comanda numerica, roboti

industriali) controlul vitezei nu se face cu o precizie deosebita, ca siin cazul masurarii pozitiei, urmarindu-se simplificarea solutieiconstructive.

Clasificare traductorilor de viteza in functie de modul de conversie:

- Conversie directa utilizand fenomene fizice a caror evolutie estedependenta de viteza (inductia electromagnetica).

- Conversia prin prelucrare electronica a semnalului provenit de laun traductor de deplasare.

5.2. Traductoare cu conversie directa

Traductoarele cu conversie directa se bazeaza in general pe fenomenul


68/128

Traductoarele cu conversie directa se bazeaza, in general, pe fenomenul

inductiei electromagnetice, tensiunea indusa fiind proportionala cu viteza dedeplasare. In spirele unei bobine aflata in miscare fata de un magnetpermanent ia nastere o tensiune de forma:

B - densitatea fluxului magnetic

L - lungimea bobinajului

v- viteza relativa

k- constanta de proportionalitate.

5.2.1. Traductoare pentru masurarea vitezelor liniare


69/128

ConstructieTraductorul pentru masurarea vitezelor liniare este alcatuit dintr-o bobinain care circula un miez din magnet permanent.

In general traductorul se foloseste pe distante scurte, unde iesirea esteliniar dependenta de viteza, pe distante lungi intervin dificultaticonstructive.

Link-uri\Magnetic linear speed sensor.pdf

5.2.2. Traductoare pentru masurarea vitezei unghiulare


70/128

Masurarea directa a vitezei unghiulare se face cu traductoare de tiptahogenerator. Acestea sunt generatoare electrice care furineaza laiesire o tensiune proportionala cu viteze de rotatie unghiulara:

Tahogeratoarele de curent

continuu

Sunt practic generatoare decurent continuu, furnizeaza

la iesire o tensiuneproportionala cu turatia.Constructia:stator - magneti permanenti

rotor infasurariTensiunea generata seculege printr-un sistem perii colector.

Adaptorul electronic pentru tahogeneratorul de curent continuu

Ad t l ti i it d filt i it d t t


71/128

Adaptorul contine un circuit de filtrare, un circuit de atenuare pentrumicsorarea amplitudinii tensiunii in domeniul standard si un convertoranalog-digital pentru ca datele sa poata fi preluate de catre uncalculator.

Domeniul de masurare a tahogeneratorului de curent continuueste 0-10000 rot/min. Sensibilitatea este 5-20 V / 1000 rot/min.

Link-uri\DC Tachogenerator.pdf

Tahogeneratorul de curent alternativ


72/128

Constructie

Tahogeneratorul de curent alternativ este alcatuit dintr-un ansamblu rotor(magnet permanent) si un stator cu o insafsurare.


In stator se induce o tensiune datorate miscarii rotorului (magnetulpermanent) in interiorul bobinei. Ampltitudinea tensiunii induse este

proportionala cu viteza de rotatie.

Adaptorul electronic pentru procesare tensiunii alternative


73/128

Adaptorul consta dintr-o punte de redresare cu diode si un circuit defiltrare. La iesire se obtine o tensiune continua proportionala cutensiunea alternativa la iesirea din traductor.

Domeniul de masurare a tahogeneratorului de curent alternativ este0-6000 rot/min. Sensibilitatea este 1 V / 100 rot/min.

Link-uri\AC Tachogenerator.pdf

5.3. Traductori de deplasare utilizati in masurarea vitezei


74/128

In principiu orice traductor de deplasare, indiferent de naturasemnalului de iesire (analogic sau digital), poate fi utilizat ca traductorde viteza printr-o prelucrare electronica adecvata a semnalului.

5.3.1. Traductoare de pozitie magnetice utilizate in

masurarea vitezei


75/128

masurarea vitezei

Principiul de functionareReluctanta circuitului magnetic al bobinei este dependenta depozitia acestuia (cu dinte sau gol in dreptul miezului). Rotatiadiscului genereaza o tensiune electromotoare indusa, la iesire seobtine un tren de impulsuri a carui frecventa este proportionala cuturatia.

ConstructieTraductoarele megnetice suntalcatuite dintr-un ansamblu magnetpermanent, miez magnetic - bobinasi un disc feromagnetic cuproeminente sau caneluri.

Adaptorul electronic

Adaptorul contine un circuit de tip trigger care converteste semnalul


76/128

p p gg

sinusoidal de la traductorul magnetic intr-un semnal de tip impuls saudreptunghiular. Acest semnal este transformat intr-un semnal TTLcompatibil cu calculatorul.

5.3.2. Traductoare de viteza cu elemente fotoelectrice

Sunt traductoare incrementale de pozitie care furnizeaza la iesire un


77/128

Sunt traductoare incrementale de pozitie, care furnizeaza la iesire untren de impulsuri electrice avand frecventa proportionala cu viteza.

ConstructieSursa de lumina este o dioda cu radiatii infrarosii, iar receptorulun fotoelement cu sensibilitate ridicata. Are loc o amplificare asemnalului, numararea impulsurilor, viteza elemetului mobil fiind

masurata prin intermediul frecven]ei acestor impulsuri.


78/128

CAPITOLUL 6

TRADUCTOARE PENTRU

MASURAREA TEMPERATURII

Temperatura constituie o marime de proces cu implicatiiimportante in domeniu industrial. Controlul si monitorizarea


79/128

temperaturii determina in multe situatii calitatea procesului sauprodusului urmarit.

Temperatura face parte din categoria acelor marimi fizice care

nu pot fi masurate in mod direct. De aceea, pentru masurareatemperaturii este necesara convertirea acesteia intr-o marimefizica direct masurabila.

Clasificarea senzorilor de temperatura d.pd.v. al contactuluicu mediul al carui temperatura se masoara:1. Senzori de temperatura cu contact direct2. Senzori de temperatura cu radiatie

6.1. Senzori de temperatura cu contact direct

6.1.1 Termorezistentele


80/128

Constructie:Elementul activ al termorezistentei este contruit din metale pure: Pt(-220750 C), Cu(-50150 C), Ni(-60180 C).

Principiul de functionare:Proprietatea unor metale pure de a-si modifica rezistenta cu variatia detemperatura.

Relatia matematica:R0 rezistenta electrica la 0 C

Materialele termorezistive trebuie sa satisfaca urmatoarele cerinte:

- Coeficientii de temperatura sa fie cat mai mare si cat mai mic- Rezistivitate cat mai mare;- Stabilitate in timp a proprietatilor electrice, mecanice, fizico-chimice

cu asigurarea repetabilitatii masuratorilor.

R


81/128

Fe

T C-100 0 100 200 300 400500

Ni

Pt

Adaptorul electronic pentru termorezistente este o punte Wheatstone.

Tip conexiune:


82/128

- 2 fire- 3 fire (figura)- 4 fire

R- rezistenta senzorului;R - rezistenta de precizie;

RL1, RL2, RL3- rezistentele conductorilor de legatura.

RL1

RL2

RL3

R R

RR

UOUT UIN

6.1.2 Termistoare


83/128

Constructie:Termistoarele sunt senzori termorezistivi din materiale semiconductoare.

Domeniu de masurare: -70250 C cu conditia liniarizarii caracteristiciistatice.

Principiul de functionare:- variatia rezistentei electrice a materialelor semiconductoare

Avantajele termistoarelor:- Rezistenta electrica suficient de mare astfel incat influenta conductorilor delegatura chiar si la distante mari este neglijabila;- Dimensiuni mici;- Timp de masurare foarte scurt.

Termistoarele utilizate in tehnica masurarii se realizeaza din oxizi metalici(Fe2O3, Fe3O4, Ni O, Cu2O, Si2O,Mn2O3).

RT

Modelul matematic:


84/128

T [C]

[]

RT- rezistenta termistoruluiR0- rezistenta la temperatura T0

constanta termica a termistorului (depinde de material)

Adaptoare analogice pentru termistoare


85/128

Rezistenta RT a termistorului determina curentul I prin dispozitivul de masurare.

Circuitul electric - divizor de tensiune sau o punte simplaRe - Rezistenta echivalenta R, R, R, R1, R2, R3.

Termistor Circuitelectric Instrumentde masurare

Sursa detensiune

RT I

U

T

URe

R

R2

R3R

1

Re

U

Uout

Iout

RT R

RT

R

R

RT R

R

RT R

Adaptoare digitale pentru termistoare


86/128

Utilizeaza oscilatoare RC care convertesc marimea de iesire(proprotionala cu temperatura) intr-o frecventa.

RT RP

+-

RS

R1C1

Frecventmetrudigital

C2

Re

6.1.3 Termocuple


87/128

Constructie:Termocuplele sunt senzori generatori constituiti din asocierea adoua metale diferite care transforma variatia de temperatura invariatie de tensiune termoelectromotoare (ttem).

Materiale:Fe Constantan (Fe - CuNi)Cromel Alumel ( NiMnAlSi

Platina Rodiu Platina (PtRh - Pt)NiCr Ni

Model matematic:

Caracteristici:Domeniu de masurare (-10016000C).Sensibilitatea termocuplului (210)mV/1000C.

T

T0

ET

T0

T[C]

ET

Tmin Tmax

Schema bloc de masurare cutermocuplu


88/128

T

Conductori de legatura

TermocupluRezistenta decompensare

IM

T0

6.2. Senzori de temperatura cu radiatie

f


89/128

Principiul de functionare:Utilizeza radiatia termica emisa de obiectul a carui temperatura omasoara.

Contructie:

1 Corpul a carui temperatura se masoara2 Lentila3 Traductor de radiatie termicaRadiatia termica a corpului 1 este concentrata de lentila 2 pe

traductorul de radiatie termica 3, format dintr-o placuta captoare pecare este fixat punctul caldal unui termocuplu.Radiatia termica produce o tensiune termoelectro motoare carepoate fi masurata.

mV

1

Termocuplu

2 3

Domeniu de masurare: 800 2000 CPrecizie: 1% pe tot domeniul de masurare


90/128

Avantaje:- Elementul activ de masurare nu este in contact direct cu corpul acarui temperatura se masoara, incalzindu-se intr-o masura redusa;

- permite masurarea temperaturilor inalte (>1600C).


91/128

CAPITOLUL 7

SENZORI PENTRU

MASURAREA FORTELOR SIMOMENTELOR

Cea mai utilizata metoda de determinare a fortele si momentelor esteconvertirea unei deformatii intr-un semnal electric. Metoda are labaza efectul tensorezistiv. Prin alungirea sau comprimarea unui

d t i d f i i ti i t t i


92/128

conductor supus unei deformari va apare o variatie a rezistenteielectrice a conductorului.

7.1. Traductoare tensorezistive (marci tensometrice)

Un conductor cu sectiunea A, lungimea l si rezistivitatea , variatiarezistentei acestuia in functie de alungireal, este:

Sau in valoare relativa:

iar:

unde - este coeficientul lui Poisson (raportul dintre contractiatransversala si alungire)

Considerand o variatie liniara a rezistivitatii cu volumul V, avem:

In final:


93/128

In final:

unde: km - factor de marca.

- depinde de natura materialului si de tehnologia de fabricatie a marciitensometrice;

- reprezinta sensibilitatea traductorului.

7.2. Tipuri de marci tensometrice

a. Marci tensometrice de tip conductor

metalic

Constructie

Un filament din conductor metalic subtirelipit in zigzag pe un suport de hartie denitro-celuloza sau rasina epoxidica.

Materialele din care sunt facute filamentele trebuie sa indeplineascaconditiile:

The material of the filament must satisfy the following requirements:


94/128

The material of the filament must satisfy the following requirements:-km, factorul de marca sa fie cat mai mare;

- Variatia rezistivitatii conductorului cu temperatura cat mai mica;

- Coeficientul de dilatare aproximativ egal cel al piesei pe caremarca tensometrica se monteaza;

- Limita de elasticitate cai mai ridicata;

- Histerezis redus.

Domeniul de temperatura in care se poate utiliza marca tensometrica estedeterminat de materialul din care este facut suportul:

- hartie: -7070 0C;

- rasina epoxidica: -1801200C.

b. Marci tensometrice din folie metalica subtire


95/128

ConstructieTehnologia de fabricatieeste similara cu ceautilizata la realizareacircuitelor imprimate.

Materialele cele maiutilizate in constructiafoliei metalice subtirisunt aliajele constantansi nichel-crom.

c. Marci tensometrice cu depuneri metalice

Constructie:

Sunt aplicate direct pe suprafata obiectului supus masurarii Initial supraftaeste acoperita cu un material izolator Au dimensiuni reduse si pot lucra la


96/128

Sunt aplicate direct pe suprafata obiectului supus masurarii. Initial supraftaeste acoperita cu un material izolator. Au dimensiuni reduse si pot lucra latemperaturi inalte (12000C).

d. Marci tensometrice semiconductoare

ConstructieLucreaza pe baza efectului piezorezistiv al semiconductoarelor. Factorul demarca este mare (50200).

Dezavantajul lor consta in neliniaritati si compensarea erorilor cauzate detemperatura este dificila.

7.3. Adaptoare electronice pentru marcile tensometrice

Adaptoarele electronice sunt alcatuite din 2 blocuri:a) Puntea tensometrica: traductoarele sunt conectate intr-un aranjament detip punte Wheatstone;b) Amplificatorul final are rolul de a converti semnalul electric ce iese din

punte intr-un semnal standard.

Link-uri\Strain gauges.pdf

R1 R4

a. Puntea tensometrica

Traductorii tensorezistivi set i t f


97/128

R R

R3R2

UOUT UIN

R1 R4

R3R2

UOUT UIN

R1 R4

R3R2

UOUT UIN

Traductorii tensorezistivi seconecteaza in punte conformaranjamentului:a) Sfert de punte

b) Semi puntec) Punte completa

Rezistentele variabile din

aranjament reprezinta marciletensometrice.

Rezistentele constante sunt

rezistentele de calibrare aleaparatului de masura.

Puntea completa este recomandata datorita urmatoarelor avantaje:

-Evitarea influentei unor fenomene cum ar fi temperatura, tensiuneatransversala

Sensibilitate ridicata a masurarii


98/128

- Sensibilitate ridicata a masurarii

- Dependenta de rezistentele calibrate este evitata.

Conditia de echilibru a puntiiIn cazul puntii complete se poate scrie:

Daca puntea este in echilibru:

Dupa ce este aplicata deformatia puntea se dezechilibreaza:

Aplicand dezvoltarea in serie Taylor


99/128

Deoarece

Stiind ca:

Modelul liniarizat al puntii Wheatstone complete:

b. Adaptoare finale pentru punti tensometrice

b1. Adaptoare de curent continuu


100/128

R1 R4

R3

R2

UOUT

UIN

Amplificator de

curent continuu

R

P

Semnal

unificat

Convertor

U / I

Sursa

tensiune

b2. Adaptoare de curent alternativ (modulate in frecventa)

AmplificatorR1 R4 Punte PreamplificatorUOUT


101/128

Semnalunificat

Amplificatorfinal

Demodulatorde faza

Filtrutrece-jos

Generator detensiune sin

1 4

R3R2

Puntetensometrica

ConvertorU / I

Preamplificator

UINUIN

UOUT

U1

U0

Uf

Tipuri de tensiunimecanice

Amplasarea marcilortensometrice pe

Deformatia specifica

7.4. Elementul elastic si montarea marcilor tensometrice


102/128

pelementul elastic

AlungireaCompresiunea

Incovoierea

Torsiunea unde

CAPITOLUL 8


103/128

CAPITOLUL 8

SENZORI PENTRU MASURAREA

PRESIUNII SI DEBITULUI

8.1. Senzori de presiune

O forta F uniform repartizata pe suprafata S, exercita pe aceastasuprafata o presiune p:


104/128

p p p psuprafata o presiune p:

Fenomene utilizate in constructia senzorilor de presiune: piesoresistiv tensoresistiv (marci tensometrice)

inductiv capacitiv

8.1.1. Traductoare de presiune cu elemente elastice

Forta creata prin actiunea presiunii este convertita printr-un element

elastic in deformatie, care apoi este masurata pe cale tensometrica,inductiva sau capacitiva


105/128

inductiva sau capacitiva.Elemente elastice

- membrana

- tub ondulat- tub Bourdon

A) Elemente elastice de tip membrana

a) Membrana plana

p - presiunea

R - raza membraneiE - modul de elasticitatey deformatia (sageata) membranei - coeficientul lui Poisson

b) Membrana gofrata

Genereaza deplasari mari fara deformatii permanente;


106/128

p p ;Caracteristica statica aproape liniara si mai stabila;Pot fi utilizate in perechi de doua membrane formand o capsula.

Materialul utlizat estebronzul de beriliu(caracteristica stabila si

histeresis mic)

asibdepind de coeficientii de anizotropie si de .

B) Tubul ondulat

Materiale utlizate in constructia tuburilorondulate:


107/128

- presiuni joase: bronz de beriliu- presiuni ridicate: otel

In general se utilizeaza pentru presiunijoase unde este necesara o sensibilitateridicata.

C) Tubul Bourdon

Tuburile sunt in forma de arc, cu unghiul lacentru250.Sub actiunea presiunii capatul liber altubului se deplaseaza in sensul indreptariitubului.Sunt utilizati in constructia manometrelorcu ac indicator si mai putin in senzorica.

Elemente de conversie asociate

Convertesc deformatiile mecanice ale elementelor elastice in variatii

ale unor marimii electrice.


108/128

A) De tip inductiv: - deplasarea elementului elastic modificainductanta unei bobine.

Convertorul este de tip transformator diferential liniar variabil TDLV.

B) De tip capacitiv

Convertesc deformatia unui element elastic intr-o variatie de

capacitate.C t ti T d t l t l t it di 2 d


109/128

Constructie: Traductorul este alcatuit din 2 camere de masurareseparate de o membrana elastica.

Cele 2 camere suntumplute cu un fluiddielectric (ulei siliconic)

care joaca rolul demediu de trasmitere apresiunii.

Presiunea este aplicatape partile laterale alecelor 2 camere demasurare.

Capacitor plates

Elastic membraneIsolating support

(glass)

Interspaces filled withsilicone oil

Sealing welds

Connectionelectrical

wires

Separationmembrane

C) De tip tensoresistiv

Deformatia produsa de presiune este transformata intr-un semnalelectric prin intermediul marcilor tensometrice. Acestea sunt aplicate


110/128

p ppe o membrana elastica in diverse aranjamente.

a dispunerea in punte

b tensiunile

tangentiale si radialec marca tensometricade tip rozeta

Utilizarea de elemente deformabile fixate mecanic pe membraneelastice


111/128

Link-uri\Pressure sensor Cerabar.pdf

8.1.2 Traductoare piezoelectrice de presiune

Principiul de functionareFenomenul piezoelectric consta in aparitia polarizarii electrice pe

f t i i t l d f t F ti f t i


112/128

suprafata unui cristal cand o forta F actioneaza asupra suprafetei.Polarizarea este proportionala cu forta aplicata si cu orientareaacesteia in raport cu axele cristalului.

Materiale utilizate: cristale de quartz si titan-bariu

8.2. Traductoare de debit

Traductoarele de debit (debitmetrele) trebuie sa indeplinescaurmatoarele cerinte:


113/128

domeniu de masurare mare precizie ridicata imunitate la variatile de temperatura, presiune si vascozitate ale

fluidului

8.2.1. Traductoare de debit de tip turbina

Principiu de functionare

Convertesc viteza de deplasare a fluidului (debitul) printr-o teava inviteza unghiulara a unei turbine tangentiale sau axiale


114/128

viteza unghiulara a unei turbine tangentiale sau axiale.Viteza de rotatie a turbinei este convertita in frecventa impulsurilorcare vin de la un senzor inductiv de proximitate.

8.2.2. Traductoare de debit cu roti dintate

Traductorul este alcatuit din 2 roti dintate in angrenare actionate de

fluidul a carui debit se masoara. Viteza de rotatie a rotilor dintate esteproportionala cu debitul


115/128

proportionala cu debitul.

In corpultraductorului esteamplasat untraductor inductivde proximitate

care numarafrecventa aparitieidintilor.

CAPITOLUL 9


116/128

INTRODUCERE IN

ACHIZITIA DE DATE

Instrumentatia virtuala

Instrumentul virtual este combinatia dintre un calculator si unechipament de achizitii de date si comanda.


117/128

Avantajele instrumentatiei virtuale:

- Echipamentele folosite sunt de uz general- Se pot construi sisteme de masurare si automatizari careraspunda exact cerintelor specifice (user defined) in loculinstrumentelor traditionale cu functii fixe limitate definite de

producator (vendor defined)- Functia instrumentului este definita de aplicatia software

Funciile instrumentaiei virtuale


118/128

Conversia marimilor de proces in semnale care contin informariade masurare este realizata de senzori.

Achizitia converteste semnalul intr-un format compatibil cuunitatea de procesare (PC).

Analiza consta in extragerea si procesarea informatiei de

masurare. Informatia de masurare este convertita in data.Prezentarea este inregistrarea datelor in formate diferite

(reprezentare grafica, fisiere in diferite formate).

9.2. Structura sistemelor de achizitie de date

Calculatorul

Echipamentul


119/128

Echipamentulde achizitii dedate si

comanda

Modulul deconditionare

de semnal

Senzori sitraductoare

9.3. Module de conditionare de semnal

Aducerea semnalele intr-o forma compatibila cu echipamentul de achizitii

de date se numeste conditionare de semnal.

Tipuri de conditionare de semnal:


120/128

Tipuri de conditionare de semnal:

Amplificarea amplificarea nivelului de semnal, cresterea rezolutiei siimbunatatirea raportului semnal / zgomot

Sursa externa de excitatie furnizeaza tensiuni si curenti de alimentarepentru elementele de camp cum ar fi traductoarele

Liniarizarea realizeaza hardware liniearizarea caracteristicii senzorilor(dependenta intre marimea masurata si semnal)

Izolarea izoleaza semanlele provenite din procesul industrial siechipamentul de achizitii de date

Filtrarea filtreaza semnalele nedorite (zgomote) pentru a nuachizitiona date eronate

Example de conditionare de semnal:


121/128

9.4. Echipamentul de achizitii de date si comanda de

proces

Echipamentul de achizitii de date constituie o interfa ntre


122/128

calculator i mediul sau procesul urmrit, caracterizat prinsemnale analogice, digitale sau de tip tren de impulsuri.

Achiziia de date consta in efectuarea urmatoarelor operatii:

intrri analogice

ieiri analogice intrri-ieiri digitale

intrri-ieiri de tip numrtor/eantionor

Fiecare operatie de achizitii de date este realizata de catrecircuite specializate.

Placa de achizitii de date


123/128

9.4.1. Intrri analogice

Circutele specifice intrrilor analogice: multiplexorul analogic (Mux) amplificatorul instrumental


124/128

p circuitul de eantionare - memorare convertorul analog-digital (ADC) buffer-ul de tip primul intrat primul ieit (FIFO - First In First Out)

9.4.2. Iesiri analogice

Echipamentele multifuncionale conin convertoare digital - analogice care

transforma numere digital n tensiuni analogice.

Generarea tensiunilor analogice


125/128

g

Generarea semnalelor de tip unda

9.4.3. Intrri / ieiri digitale

Intrrile / ieirile digitale ale unei echipament DAQ constau dincircuite care pot genera sau achiziiona semnale compatibile TTL.Semnalul TTL este caracterizat prin doua nivele: 0 logic si 1 logic

Achiziia sau generarea unui semnal digital se face pe o linie digital


126/128

Achiziia sau generarea unui semnal digital se face pe o linie digital.

Liniile digitale la toate plcile DAQ sunt grupate nporturi.

Numrul de linii digitalepentru fiecare port estespecific tipului de plac

utilizat, dar cele maimulte porturi au patrusau opt linii.

Toate liniile din cadrul

aceluiai port trebuie saib aceeai direcie(de exemplu, intraresau ieire).

9.4.4. Intrri-ieiri de tip counter/timer

Un circuit counter/timer (numrare/eantionare) poate fi utilizat pentru:

numrarea apariiei diferitelor evenimente

analiza semnalelor digitale de frecven ridicat


127/128

generarea de semnale dreptunghiulare cu factor de umplere variabil.

Circuitele counter/timer lucreaz cu semnale digitale de tip TTL.Intrarea SURS - numararea de evenimente

Intrarea POART - controleaz funcionarea numrtorului prin definireamomentului n care ncepe i se termin numrrea

Semnalul de IEIRE (OUT) Generarea de trenuri de impulsuriRegistrul de numarare memoria numaratorului

Exemplu: un circuit counter/timer configurat pentru numrarea apariiei unorevenimente

Trenul de impulsuri este conectat la intrarea SURS.Semnalul de tip POART se utlizeaza pentru pornirea i oprirea numrrii.

In momentul n care registrul de numrare este plin apare un semnal la IEIRE


128/128

In momentul n care registrul de numrare este plin apare un semnal la IEIRE.

Senzori - Prezentare Romana 2012

Documents

Transcript of Senzori - Prezentare Romana 2012