8/6/2019 senzori rezistivi 1 iunie

1/10

Metrologie, Standardizare si Masurari

Andrei CHICIUC

80

8. MSURAREA TURAIEI I DEPLASRILOR

8.1. Marimi neelectrice si clasificarea traductoarelor

Natura foarte diferita a marimilor de masurat (care pot fi termice,mecanice, radiatii s.a.) a impus unificarea semnalelor purtatoare deinformatii si alegerea marimilor electrice pentru acest scop, deoareceelectronica si tehnica de calcul ofera cele mai mari posibilitati devalorificare a informatiilor primite sub forma electrica (precizie,sensibilitate, consum mic de putere, viteza mare de raspuns, prelucrareoperationala a mai multor semnale, stocare etc).

Elementele care realizeaza convertirea unei marimi de intrare neelectrica ntr-o marime de iesire de natura electrica (tensiune, curent, sarcinaelectrica, rezistenta) se numesc traductoare.

Tipurile existente de traductoare sunt extrem de numeroase, clasificarealor putndu-se face dupa urmatoarele criterii:

Dupa forma semnalului electric obtinut, traductoarele se pot grupa n: traductoare analogice, la care semnalul produs depinde

continuu de marimea de intrare; traductoare numerice, la care semnalul de iesire variazadiscontinuu, dupa un anumit cod (operatie de codificare).

Dupa modul de transformari efectuate si modul de interconectare,traductoarele se mpart n:

traductoare directe care realizeaza o singura transformare; traductoare complexe care nglobeaza mai multe tipuri de

traductoare directe si uneori chiar elemente de aparte.

Dupa domeniul de utilizare, traductoarele avnd denumirea marimiimasurate pot fi: pe presiune, de debit, de temperatura, de umiditate, dedeplasare etc.

Dupa natura marimii de iesire, traductoarele electrice directe sempart:

traductoare pasive, la care ca marime de iesire este rezistenta,inductanta sau capacitatea si care necesita o sursa de energieauxiliara;

8/6/2019 senzori rezistivi 1 iunie

2/10

Masurarea turatiei si deplasarilor

Andrei CHICIUC

81

traductoare generatoare la care ca marime de iesire este ot.e.m. termoelectrica, piezoelectrica, fotoelectrica,electrochimica sau de inductie.

8.2. Masurarea turatiei

Principale aparate care permit masurarea pe cale electrica a turatiilor,vitezelor unghiulare sunt: tahometrul cu curenti turbionari,tahogeneratorul, tahometre cu impulsuri, stroposcopul de turatii,giroscopul cu fibra optica si laser.

Tahometrele cu curenti turbionari (figura 8.1) se construiesc pentruintervale de masurare 2010.000 rot/min. Sunt construite dintr-un

dispozitiv mobil format din unul sau doi magneti permanenti ce se potroti n interiorul unui tambur de aluminiu sau cupru. Tamburul este solitarcu un ac indicator si se poate roti la rndul sau ntre doua paliere fiind

nsa mentinut n pozitia initiala datorita unui arc spiral. Arcul spiral arecapatul exterior fix si capatul interior solitar cu tamburul. Arborele acarui turatie se masoara pune n miscare de rotatie dispozitivul mobil siprin aceasta liniile de cmp magnetic produse de magneti permanenti taietamburul. n tambur vor fi induse t.e.m. proportionale cu turatia. ntre

curentii indusi n tambur si fluxul magnetilor permanenti apare ointeractiune care se manifesta prin aparitia unui cuplu activ:nkMa = 1 (8.1)

unde: n este viteza de turatie unghiulara (turatia).

n

M

M

N

S a

r

Fig. 8.1. Schema constructiva a tahometrului cu

curenti turbionari.

8/6/2019 senzori rezistivi 1 iunie

3/10

Metrologie, Standardizare si Masurari

Andrei CHICIUC

82

Sub actiunea acestui cuplu activ tamburul se roteste, iar cuplului activ i seopune cuplul rezistent dat de arcul spiral:

= 2kMr (8.2)

unde este unghiul de rotatie.

Cnd cele doua cupluri sunt egale:

nkknMM ra === 43 sau (8.3)

deci, unghiul cu care s-a rotit tamburul (acul indicator) este proportionalcu turatia, iar scara este gradata direct n unitati de turatie.

Tahogeneratoarele sunt traductoare de turatie si ele suntmicrogeneratoare de curent continuu sau alternativ care genereazatensiuni electrice proportionale cu viteza de rotatie a arborelui cu caresunt cuplate. Exista tohogeneratoare de c.c. si de c.a.

Tahogeneratoarele consuma o putere de 150 W care este neglijabila laputeri mari de antrenare, dar la puteri mici apar erori de masurare aturatiei.

Stroboscopul de turatii permite masurarea turatiei fara un contactmecanic cu obiectul aflat n rotatie. Se foloseste inertia ochiului omenesc,prin care un corp n vibratie sau rotatie pare imobil daca este iluminat cuimpulsuri scurte, a caror frecventa de repetitie este egala cu frecventa devibratie sau rotatie a corpului sau este un multiplu ntreg al acesteia. nprezent se folosesc stroboscoape cu sclipiri luminoase. Metodastroboscopica permite masurarea celor mai mici turatii care se ntlnesc

n tehnica. Frecventa impulsurilor poate atinge valoarea de 1000 Hz, la

care corespunde turatia de 60.000 rot/min.

Tahometrul de impulsuri se realizeaza pe baza traductorului digitalelectromagnetic pentru viteza unghiulara ce converteste turatia n trenuride impulsuri.

Solitar cu axul a carei viteza unghiulara se masoara se afla o roata dintatadin material feromagnetic (figura 9.2). Un magnet permanent situat ninteriorul unei bobine se termina cu un capat din material feromagnetic

care se afla la o foarte mica distanta de periferia dintilor. Cnd un dinte se

8/6/2019 senzori rezistivi 1 iunie

4/10

Masurarea turatiei si deplasarilor

Andrei CHICIUC

83

aproprie sau se departeaza de magnet, variaza lungimea ntrefierului, decireluctanta circuitului magnetic, ceea ce conduce la o variatie a fluxului sila generarea unui impuls n bobina.

Pentru obtinerea vitezei unghiulare sepoate masura intervalul de timp dintredoua impulsuri sau numarul deimpulsuri pentru un anumit interval.Precizia depinde de numarul de dinti, deprecizia cu care s-a realizat pasuldintilor si de precizia cu care se masoaraintervalul de timp. Aceste traductoare

pot fi utilizate pentru viteze unghiularecare genereaza frecvente ntre 10 Hz si10 kHz.

8.3. Masurarea deplasarii liniare sau

unghiulare

Traductoarele electrice utilizate pentrumasurarea deplasarii liniare permit

masurarea deplasarii ntr-un intervalcuprins de la ctiva microni pna ladeplasari de ordinul metrilor, iar celepentru deplasari unghiulare ntr-un interval de la cteva secunde la 360.Pentru conversia deplasarii ntr-o marime electrica traductoarele dedeplasare pot cuprinde senzori rezistivi, capacitivi, inductivi, optici saudigitali.

8.3.1. Utilizarea senzorilor rezistivi

Traductoarele rezistive de deplasare sunt constituite dintr-un senzorpotentiometric a carui rezistenta se modifica datorita unui cursor ce sedeplaseaza sub actiunea marimii de masurat, deplasarea putnd fi liniarasau circulara.

Prin deplasarea cursorului are loc o modificare a lungimii l din senzor,care este inclusa n circuitul de masurare, ceea ce conduce la relatia:

( )xfR = (8.4)

Fig. 9.2. Traductor digitalelecromagnetic pentru viteza.

1-bobina;2-magnet permanent;3-roata dintata.

1

2

3

N

S

8/6/2019 senzori rezistivi 1 iunie

5/10

Metrologie, Standardizare si Masurari

Andrei CHICIUC

84

unde: R este rezistenta senzorului; x marimea neelectrica ce producedeplasarea cursorului.

Traductoarele potentiometrice se realizeaza sub forma liniara (figura 8.3,

a) sau circulara (figura 8.3, b).Caracteristica de conversie a traductorului potentiometric liniar este datade relatia:

t

t

t Ral

lRR == (8.5)

n care: Rteste rezistenta totala a senzorului; R rezistenta ntre cursor si

un capat; lt lungimea totala; l lungimea corespunzatoare deplasariicursorului, a=l/lt deplasarea relativa.

Fig. 8.3. Traductoare potentiometrice:a) traductor potentiometric liniar;b) traductor potentiometric circular;c) schema electrica;d) caracteristica de conversie;e) variatia discontinua a senzorului bobinat.

l

l B

C

A B

C

A

B

C

A

R

R

R

a

aR

R

a

aR

2n

a)

b)

c)

d) e)

Rt

t

t

t

t

t

8/6/2019 senzori rezistivi 1 iunie

6/10

Masurarea turatiei si deplasarilor

Andrei CHICIUC

85

Pentru traductorul potentiometric circular se poate scrie n mod similar:

t

t

t RaRR =

= (8.6)

teste unghiul de rotatie a cursorului; - unghiul de rotatie a cursoruluifata de un capat; ta = - rotirea relativa.

Pentru ambele tipuri de traductoare potentiometrice caracteristica deconversie este liniara (figura 8.3, d).

Deoarece senzorul potentiometric se executa prin bobinarea unui fir

rezistiv pe un suport izolant rezulta ca variatia rezistentei nu se produce n mod continuu ci n trepte care corespund cursorului de pe o spira pealta (figura 8.3, e). Rezulta ca valoarea rezistentei R este afectata de oeroare de discontinuitate si deci:

n

RaRR tt 2

= (8.7)

unde n reprezinta numarul total de spire.

Eroarea de discontinuitate este:

n

RR td 2

= (8.8)

iar eroarea relativa de discontinuitate este:

naR

Rdd

=

=

2

1(8.9)

Rezistenta totala a traductorului este de 10100.000 iar eroarea relativade neliniaritate este cuprinsa ntre 0,025% si 0,5%. Reactanta inductivasi capacitiva a traductoarelor potentiometrice este foarte mica putnd fineglijata pna la frecvente de ordinul zecilor de kHz.

Traductoarele potentiometrice se utilizeaza pentru masurarea deplasarilorliniare pentru lungimi pna la 50cm sau pentru deplasari unghiulare.

Deasemeni senzorii potentiometrici pot fi ntlniti n structura

8/6/2019 senzori rezistivi 1 iunie

7/10

Metrologie, Standardizare si Masurari

Andrei CHICIUC

86

traductoarelor complexe pentru masurarea nivelelor, presiunilor, forteloretc.

Traductoarele potentiometrice pot fi conectate n orice circuit de

masurare a rezistentelor electrice. De exemplu n figura 8.4 se utilizeaza osursa de curent continuu U0.

n acest caz tensiunea de iesire este:

RR

UU

t

= 0 (8.10)

Daca se masoara aceasta tensiune cu un voltmetru de rezistenta internaRvel va indica o tensiune:

( )

v

t

t

v

R

RRRR

RUU

+

= 0 (0.1)

si schema de masurare introduce o abatere de la liniaritate care se reducedacaRv>>Rt.

8.3.2. Utilizarea senzorilor capacitivi

Traductoarele capacitive utilizate pentru masurarea electrica a deplasariiliniare sau unghiulare se bazeaza pe modificarea ariei de suprapunere aelectrozilor.

V

R

Rt U

U0

Uv

Fig. 8.4. Alimentare n curent continuu.

8/6/2019 senzori rezistivi 1 iunie

8/10

Masurarea turatiei si deplasarilor

Andrei CHICIUC

87

Traductoarele capacitive de deplasare unghiulara sunt construite din doisenzori capacitivi cu un electrod comun. Cei trei electrozi sunt formatidin placi de forma dreptunghiulara cu laturile de ordinul a 2030 mm si

grosime de 12 mm (figura 8.5). Electrozii inferiori sunt ficsi si suntseparati cu o mica distanta (1 mm).

Electrodul superior este electrodul comun si sub actiunea marimii demasurat se poate deplasa paralel cu electrozii ficsi pastrnd o distantaconstanta (d-1mm). Prin aceasta se modifica aria comuna dintre electroziicu: xaA = .

Cei doi electrozi ficsi sunt alimentati prin intermediul unui transformatorcu priza mediana. Cnd electrodul mobil este situat simetric n raport cucei doi electrozi ficsi tensiunea rezultanta Ueste nula si capacitatile celordoi senzori sunt egale C1=C2=C.

Pentru o deplasare x a electrodului superior cele doua capacitati devin:

CCCCCC =+= 21 si (8.12)

Fig. 8.5. Traductor capacitiv de deplasare liniara.

a

Ul

U0

8/6/2019 senzori rezistivi 1 iunie

9/10

Metrologie, Standardizare si Masurari

Andrei CHICIUC

88

Traductoarele capacitive se utilizeaza pentru masurarea deplasarilorliniare pentru lungimi pna la 20mm (egale cu lungimea electrozilor).

8.3.3. Utilizarea senzorilor inductiviSenzorii inductivi utilizati pentru realizarea traductoarelor de deplasarepot fi clasificate n:

senzori inductivi la care este influentata o singura inductivitate; senzori inductivi la care sunt influentate doua inductivitati; senzori inductivi la care sunt influentate inductivitati mutuale.

Senzori inductivi la care este influentata o singura inductivitate.

Formele cele mai raspndite de astfel de traductoare de deplasare ausenzorul construit dintr-o singura bobina a carei inductivitate estemodificata prin deplasarea unui miez sau a unei armaturi.

De exemplu, pentru masurarea deplasarilor se utilizeaza traductorulinductiv cu o singura inductivitate si miez mobil. Traductorul inductiv cumiez mobil (figura 8.6) este format dintr-o bobina cilindrica lunga, fixa,

n interiorul careia se poate deplasa axial un miez mobil din materialferomagnetic, de aceeasi lungime cu bobina, solitar cu piesa a carei

deplasare se masoara. Inductivitatea bobinei variaza n functie de pozitiamiezului ntre valorile L0 si Lmax corespunzatoare miezului scos dinbobina, respectiv complet introdus n bobina.

Dependenta inductivitatii L a bobinei n functie de deplasarea x amiezului feromagnetic fata de pozitia de inductivitate maxima se poateexprima prin relatia:

( )00max

LeLLLl

xk

+=

(8.13)

Caracteristica de conversie L=f(x) exprimata de ecuatia (8.13) sireprezentata grafic n figura 8.6, b este neliniara. Caracteristica deconversie se poate liniariza pe un interval larg, realizndu-se o distributieneuniforma a spirelor pe lungimea bobinei.

Traductorul este robust, simplu si se utilizeaza la masurarea deplasarilormedii si mari pentru intervale de la 0100 mm pna la 02000 mm.

8/6/2019 senzori rezistivi 1 iunie

10/10

Masurarea turatiei si deplasarilor

Andrei CHICIUC

89

x

Lmax

L

L0

xa) b)

Fig. 8.6. Traductor inductiv cu miez mobil: a) circuitul magnetic;b) caracteristica de conversie.