senzori si traductoare

of 24/24
Clasificarea senzorilor/traductoare lor Criterii: a) Dupã necesitatea existentei unei surse auxiliare de activare pentru obtinerea semnalului de intrare se disting: traductoare active sau de tip generator; traductoare pasive sau de tip parametric. b) Dupã semnalul de iesire distingem: traductoare analogice; traductoare numerice. traductoare cvasinumerice c)Dupã principiul de functionare care stã la baza transferului de energie intrare-iesire avem: traductoare lucrând în regim dezechilibrat ; traductoare cu echilibrare automatã.
  • date post

    30-Oct-2014
  • Category

    Documents

  • view

    154
  • download

    14

Embed Size (px)

description

curs

Transcript of senzori si traductoare

Clasificarea senzorilor/traductoarelor Criterii: a) Dup necesitatea existentei unei surse auxiliare de activare pentru obtinerea semnalului de intrare se disting: traductoare active sau de tip generator; traductoare pasive sau de tip parametric.b) Dup semnalul de iesire distingem: traductoare analogice; traductoare numerice. traductoare cvasinumericec)Dup principiul de functionare care st la baza transferului de energie intrare-iesire avem: traductoare lucrnd n regim dezechilibrat; traductoare cu echilibrare automat. Clasificarea senzorilor/traductoarelor d) Dup dinamica exprimat prin relatia intrare-iesire, traductoarele se pot clasifica n: sisteme de ordinul 0 (sau de tip proportional),sisteme de ordinul 1 (element de ntrziere de ordinul I),sisteme de ordinul 2 (element de ntrziere de ordinul II),sisteme de ordinul de ordin mai mare.e) O clasificare foarte rspndit a traductoarelor este n functie de mrimea msurat:traductoare de temperatur, presiune, debit, nivel, umiditate, pozitie, vitez, acceleratie, fort, cuplu etc.f) Dupa principiul functional care sta la baza realizarii partii de intrare a traductorului: parametrice rezistiveparametrice capacitive parametrice inductive generatoare cu acumulare de sarcina electrica generatoare cu generare de tensiune electrica / curent electric . Clasificarea senzorilor/traductoarelor e) n raport de mrimea de natur neelectric msurat pe cale electric: Traductoare pentru mrimi geometrice: rezistive, inductive, capacitive i numerice de deplasare; cu radiaii; de proximitate. Traductoare pentru mrimi cinematice: de vitez; de acceleraie; de ocuri i vibraii; giroscopice. Traductoare pentru mrimi mecanice: elastice (traciune, compresie, ndoire, cuplu); tensometrice rezistive; cu coard vibrant; magnetostrictive; de for; de cuplu. Traductoare pentru mrimi tehnologice: presiune, debite, nivel, temperatur. Alte traductoare: integrate, etc. Locul traductoarelor n sistemele automate Vom considera, n continuare, dou situatii tipice n care se evidentiaz rolul si locul traductoarelor n cadrul sistemelor automate. A) Bucl de reglare monovariabil independent cu traductor analogic, reprezentat principial n figura urmatoare: CD R EA T Proces (IA) y ref+ - y g uw x p calea informationala inversa de reactie calea de comanda de actionare Locul traductoarelor n sistemele automate B) Conducerea ierarhizat multiproces - reprezentat principial n figura alaturata T traductoare; EA- elemente de actionare; ICC interfata de conversie si comunicatie; NLC nod local de conducere; SA1, SA2 servere de aplicatie CP post dispecer; CNI conducere numerica intreprindere; MC1, MC2 magistrala de camp; MLA magistrala locala de aplicatie; MLI magistrala locala de intreprindere PROCES 1PROCES 2 T 11 EA 11 T n1EA n1T 21 T 2nEA 21 EA 2n SA 1 SA 2 CP CNI NLC 1 NLC 1 ICC 1 ICC n ICCT ICCEA nivel de proces nivel de inteligenta distribuita (conducere locala) nivel de aplicatie nivel de ntreprindere ret ele extinse MC 1 MC 2 MLA MLI STRUCTURA GENERALA A UNUI TRADUCTOR ES- element sensibil (senzor, captor, detector); A adaptor (circuit de conditionare, transmitter); ELT element de legatura si transmisie (rol secundar) SAE surse auxiliare de energie STRUCTURA GENERALA A UNUI TRADUCTOR ES elementul care asigura cuplarea traductorului cu procesul. Trebuie sa aiba o serie de calitati: sa fie selectiv (preia din proces numai marimea fizica si variatiile acesteia care intereseaza); rejecteaza celelalte marimi ale mediului in care se face masurarea; sa nu exercite efect de retroactiune ( la cuplarea cu procesul sa nu determine modificari ale marimii masurate x); sa permita cuplari cu procesul foarte variate (acelasi tip de traductor sa poata fi folosit la game diferite pentru aceleasi marimi, sau chiar la marimi diferite). Remarca: Semnalul s1 furnizat de ES nu este calibrat (nu ofera o dependenta liniara si nici plaja de variatie a acestuia nu este normalizata) necesitatea adaptorului A. A - adaptorul - are un dublu rol: preia semnalul de la ES i - dup o serie de transformri cu caracter liniar / neliniar - l transform n semnal calibrat de ieire y; asigur cuplarea cu dispozitivele de automatizare (pe baza energiei dat de sursele de energie auxiliare SAE are n ieire o putere suficient de a aciona aceste dispozitive, fr s apar efect intern de retroaciune ctre ES).STRUCTURA GENERALA A UNUI TRADUCTOR Pentru compatibilitatea cu dispozitivele de automatizare, semnalele calibrate sunt standardizate (unificate).Exemplificare: s considerm situaia prezentat n urmtorul tabel:Concluzie: indiferent de variaia mrimii de intrare x, semnalul de ieire analogic este calibrat (unificat)Intrare x Una din variantele unificate Ieire y temperatur n gama 0...1500C Tensiune continu U 0...10V temperatur n gama 200...7500C-5V...+5V temperatur n gama 0...12000C-10V...+10V presiune n gama 0...1 bar Curent continuu I 0...10 mA presiune n gama 0...10 bar0...20mA presiune n gama 10...20 bar4...20mA STRUCTURA GENERALA A UNUI TRADUCTOR Observatii: 1. Pe lng valorile de semnale unificate prezentate n tabel se pot folosi i altele, firmele oferind - opional - o anumit gam cerut de beneficiar; 2. n practic ieirile n semnal unificat de curent continuu sunt mult mai utilizate (comparativ cu cele n tensiune continu), deoarece acestea permit un transport mult mai uor la distan i nu exist pericolul de scurtcircuit; 3. Dintre ieirile n curent continuu, cea mai mare utilizare o are plaja unificat 4...20 mA; s-a ales limita inferioar 4 mA pentru c dac semnalul de ieire este 0 mA atunci aceast situaie are semnificaia unei defeciuni; 4. In schema din figura. s-a prevzut semnalul y0 care are rolul de a decala ieirea pentru valoarea minim a domeniului intrrii.ELT - sunt elemente de legtur i transmisie a semnalului de la ES ctre A cu structur simpl, care asigur conexiuni de natur mecanic, electric, optic, termic etc SAE - sursele auxiliare de energie - sunt cerute de elementul sensibil, n special la categoria celor parametrice (dar nu numai!), ca i de adaptor pentru circuitele interne de calcul, liniarizare i ieire. STRUCTURA GENERALA A UNUI TRADUCTOR Atunci cnd se dorete un echivalent numeric al ieirii obinute cu un traductor analogic se folosete un circuit suplimentar de conversie analog numeric i o interfa de comunicaie ca n figura urmatoare:CAN - convertor analog-numeric; IC - interfa de comunicaie; ICC - interfa de conversie i comunicaie.Concluzie: Folosind o interfa ICC deja standardizat, orice traductor analogic cu ieire n semnal unificat poate fi inclus ntr-o schem complex de conducere, prin cuplarea acestuia pe o magistral de cmp standard. CARACTERISTICILE I PERFORMANELE TRADUCTOARELOR Caracteristicile traductoarele ce vor fi luate in considerare sunt mai ales caracteristicile n regimstaticidinamicsimaiputinceleenergetice,constructiveideexploatare, economice i de fiabilitate. Caracteristici statice; indicatori de calitate (performane) n regim static Caracteristicile statice se definesc n regimul de funcionare n care att mrimea de intrare ct i cea de ieire sunt n regim staionar (invariante n timp pe perioada de observaie). Matematic, toate derivatele intrrii i ieirii n raport cu timpul () sunt zero (nule). Practic un astfel de regim este imposibil de realizat pe o durat mare de observaie (nici o intrare - implicit ieirea traductorului - nu poate avea o dinamic nul pe un timp dat). Totui, pe intervale de timp relativ reduse, se poate considera ndeplinit condiia de regim staionar, astfel c: reprezint caracteristica static a traductorului (dependena intrare-ieire n absena mrimilor de influen). cct) (x f y =CARACTERISTICILE I PERFORMANELE TRADUCTOARELOR CARACTERISTICILE STATICE ) ..., , ; ..., , ; (~~1 1 p nx f y v v =nnnnf f f fxxfy v Av cc+ + v Av cc+ A cc+ + A cc+ Acc= A~...~ ~...~ ~~1111n realitate conform figurii alaturate pe lng intrarea util x, asupra traductorului mai acioneaz o serie de mrimi de influen extern -1, ...,n - ca i de influen intern -1, ...,p - astfel c trebuie s se considere: 1. Una din caracteristicile eseniale ale ES - implicit a traductorului - este selectivitatea; concret, daca se procedeaza la dezvoltarea n serie Taylor a funciei (*) rezulta: (*) Un traductor are o foarte bun selectivitate daca p jfxfn ifxfji,..., 2 , 1 ) ( ,~ ~,..., 2 , 1 ) ( ,~ ~= v cc>>cc= cc>>cc) (~~x f y ~ CARACTERISTICILE I PERFORMANELE TRADUCTOARELOR CARACTERISTICILE STATICE ( )minmin maxmin maxminnificat calibrat/uiesiremax mindivers variabilintraremax min] ... [ ] ... [ x xx xy yy y y y x x + = ( )min minx x k y y + =2. Domeniul de msurare este intervalul xmin ... xmax n cadrul cruia traductorul permite efectuarea corect a msurrii, n conformitate cu caracteristica static acceptat ca atare a acestuia.3. Liniaritatea. O cerin impus traductoarelor este de a avea o caracteristica statica liniara, adic se impune o dependen de forma (**) + figura alaturata (**) Pe domenii mari de variaie ale intrrii caracteristicile statice sunt neliniare, aproximarea prin caracteristici liniare fcndu-se n limitele unei erori de neliniaritate sau abateri de la liniaritaten[%] exprimat cu relaia: CARACTERISTICILE I PERFORMANELE TRADUCTOARELOR CARACTERISTICILE STATICE 100 [%]min maxmaxA= cy yyn|} | ; | max{|2 1 maxy y y A A = Aunde Se consider c traductorul are o comportare liniar dac:imp nc s c [%]asigurarea acestei condiii se realizeaz n adaptor folosind circuite de liniarizare specifice.4. Sensibilitatea. Considernd neglijabile sensibilitile parazite introduse de marimile de influenta, ceea ce nseamn caracteristic static ideal y = f(x), se definete sensibilitatea ca derivata ieirii n raport cu intrarea, adic: ] ii dim.intrar [] i dim.iesiri [ddmin maxmin maxc.s.l. var.finitex xy yxyxySAA= = S sensibilitate absoluta. CARACTERISTICILE I PERFORMANELE TRADUCTOARELOR CARACTERISTICILE STATICE *) * (* [%] 100| |min maxA=x xxcad( )min max100| | x xcxad = A5. Clasa de precizie se definete se definete ca eroarea admisibil de baz dat sub form normat (raportat la domeniu), adic:Din relaia (***) se obine eroarea admisibil absolut de baz (intrinsec):relaie valabil pentru condiii de referin precizate prin standarde sub form de valori sau intervale de referin. n consecin, eroarea admisibil absolut total|xad|t va fi: b adx dins adp c dinb ad t adx x x| | % . .| | | | | |AA + A = A(***) CARACTERISTICILE I PERFORMANELE TRADUCTOARELOR CARACTERISTICILE STATICE 6. Rezoluia se exprim prin intervalul maxim de variaie al mrimii de intrare care poate fi pus n eviden (citit)la ieirea traductorului.Rezoluia este specific traductoarelor analogice cu caracteristic static discontinu sau cvasicontinu, la care semnalul calibrat de ieire este numeric sau analogic n trepte.La traductoarele numerice rezoluia se exprim prin numrul de bii ai conversiei analog-numerice, respectiv intervalul elementar de cuantificare al mrimii de intrare.Exemplificare: dac se face conversia pe n bii atunci treapta elementar de cuantificare (cuanta) este ceea ce semnific o reprezentare n valoare absolut a rezoluiei.1 2min max= Anx xxSe poate utiliza i o reprezentare procentual a rezoluiei. Exemplificare: un traductor numeric de temperatur cu domeniul de msurare 00C...5000C i conversie pe 10 bii are cuanta elementar x 0,50C - rezoluie exprimat n unitile de msur ale intrrii - sau, procentual, de 1/1023[%] 0,1%.CARACTERISTICILE I PERFORMANELE TRADUCTOARELOR CARACTERISTICILE STATICE 7. Repetabilitatea exprim abilitatea traductorului de a reproduce valori ale ieirii ct mai apropiate atunci cnd se aplic acestuia - n mod repetat - aceeai valoare a msurandului,n aceleai condiii de experimentare i n acelai sens, msurrile fiind considerate ntr-un timp limitat.Repetabilitatea se exprim procentual prin raportarea diferenei maxime a valorilor citite n ieirelaplajamaximdevariaieaieiriitraductorului.Statistic,repetabilitatease considercavaloareaminimcaredepete-cuoprobabilitatespecificat-valoarea absolut a diferenei dintre dou citiri succesive obinute n condiii specificate. 8. Reproductibilitatea se refer - de asemenea - la gradul de coinciden dintre dou citiri succesive atunci cnd aceeai mrime este msurat cu o metod precizat, dar numrul de determinri este foarte mare, efectuate de operatori diferii cu aparate diferite, n laboratoare diferite. Cantitativ, reproductibilitatea este valoarea minim care depete, cu o probabilitate dat, valoarea absolut a diferenei dintre dou msurri singulare obinute n condiiile mai sus-menionate.CARACTERISTICILE I PERFORMANELE TRADUCTOARELORCARACTERISTICILE DINAMICE Caracteristicile dinamice: se refer la funcionarea traductorului n regim dinamic, la care att intrarea x(t) ct i semnalul calibrat y(t) sunt variabile n timp.Considernd traductorul ca un element liniar monovariabil intrare-ieire, funcionarea sa n regim dinamic este descris de ecuaia diferenial: = ==nkmjjjkkt x b t y a0 0) ( ) ((*) ) ( ) (unde ak i bj sunt coeficieni constani (structura traductorului nu se modific n timp), iar n>m este condiia de realizabilitate fizic. Deducerea indicatorilor de performan n regim dinamic - presupune gsirea soluiei ecuaiei (*) pentru forme tipice (reprezentative) ale intrrii x(t). Se pot utiliza dou ci:a) se determin rspunsul n timp, sau prin utilizarea calculului operaional (transformata Laplace) n variabil complex s, dndu-se intrrii funcii standard (impuls Dirac, treapt unitate);b) se determin rspunsul n frecven, considernd intrarea cu semnal sinusoidal cu amplitudine constant i frecven variabil. CARACTERISTICILE I PERFORMANELE TRADUCTOARELORCARACTERISTICI ENERGETICE Deoarece traductoarele presupun preluarea unei mrimi printr-o operaie de msurare, rezult c are loc un consum energetic.Puterea, care prin integrare d consumul energetic, este preluat total sau parial de la mrimea de msurat (total n cazul mrimilor active i parial la cele pasive). Puterea preluat de la mrimea de msurat nu poate depi o anumit limit denumit putere disponibil pentru a nu influena valoarea mrimii de msurat. n general, oricrei mrimi X supuse msurrii i se poate asocia o alt mrime Y, astfel nct produsul lor XY s reprezinte o putere, iar raportul acestora X/Y s fie de natura unei impedane, denumit impedan generalizat sau metrologic =YXZmObinerea unei impedane Zm preocupare permanent n construcia traductoarelor perfecionarea permanenta a elementelor sensibile - dimensiuni, mas - avnd n vedere c ele sunt cele care determin n cea mai mare msur impedana Zm. CARACTERISTICILE I PERFORMANELE TRADUCTOARELORCARACTERISTICI ENERGETICE Probleme puse n practica construciei traductoarelor: adaptarea impedanei Zm cu cea a sursei Zs care produce mrimea activ de msurat se procedeaz la preluarea mrimii de msurat cu amplificatoare de msurare; prin folosirea amplificatorului, pe lng adaptarea n nivel se realizeaz i o adaptare n putere, rezultatul fiind o adaptare n impedan; dac este posibil o metod de zero - msurare fr consum energetic - echivalent cu o impedan Zm = (este cazul punilor cu echilibrare automat) n cazul mrimilor pasive, msurarea presupune utilizarea unei surse auxiliare de energie trebuie avute n vedere dou aspecte: puterea preluat de la sursa auxiliar s fie folosit pentru conversia mrimii parametrice ntr-un semnal electric (tensiune, curent); s nu apar modificri ale valorii msurate (de exemplu, n cazul unui termistor, s nu se produc o nclzire suplimentar la alimentarea cu o tensiune extern). O alt problem este legat de consumul propriu - pe ansamblu - al traductorului. CARACTERISTICILE I PERFORMANELE TRADUCTOARELORCARACTERISTICI CONSTRUCTIVE Formele constructive sunt condiionate - n mod esenial - de natura aplicaiei pot fi diferite, chiar dac mrimea i domeniul de msurare sunt aceleai. Mai importante sunt:- robusteea - calitatea traductorului de a dispune de stabilitate n funcionare (funcioneaz la parametrii nominali).-capacitatea de suprancrcare reprezin proprietatea unui traductor de a suporta valori ale mrimii de msurat care depesc limita superioar a domeniului pentru care este destinat;pe timp ndelungat - suprasarcin - pe timp scurt - oc.De reinut: traductoarele au circuitul de ieire prevzut cu limitare de semnal, chiar dac au loc depiri ale domeniului nominal al mrimii de intrare.- protecia climatic este n concordan cu zonele climatice (rece, temperat, tropical-umed, tropical-uscat i foarte rece), care corespund recomandrilor CEI. - protecia contra exploziilor cuprinde o serie de msuri specifice aplicate n construcia i montarea traductoarelor pentru a evita aprinderea atmosferelor explozive exterioare.- protecia anticorosiv se refer la acele pri - fie ale elementului sensibil, fie ale adaptorului - care vin n contact direct cu medii puternic corosive.CARACTERISTICILE I PERFORMANELE TRADUCTOARELORCARACTERISTICI DE FIABILITATE Fiabilitatea reprezint proprietatea ca traductorul s funcioneze n limitele indicatorilor si de performan, adic fr defeciuni, un interval de timp ct mai ndelungat. Poate fi: previzionala, experimentala, operationala. Dac unui traductor i se pot preveni, depista i nltura defeciunile se spune c acesta are proprietatea de mentenabilitate.Proprietatea ca dup efectuarea reparaiilor (aciuni de mentenan), s-i recapete integral capacitatea de funcionare se numete restabilire.Disponibilitatea este proprietatea unui traductor ca acesta s-i ndeplineasc funcia specificat sub aspectele combinate de fiabilitate, mentenabilitate i de organizare a activitii de mentenan la un anumit moment de timp sau ntr-un interval de timp dat.Cauzele defeciunilor sunt variate, fie ntmpltoare, fie sistematice (datorit mbtrnirii componentelor), n consecin acestea se studiaz probabilistic sau statistic. Se definesc astfel (probabilistic):funcia de defectare) ( ) (fT t P t F s =funcia de fiabilitate) ( ) (fT t P t R > = ). ( 1 ) ( t F t R =Tf - timpul de bun funcionareAlti indicatori importanti: MTBF, , z CARACTERISTICILE I PERFORMANELE TRADUCTOARELORCARACTERISTICI DE FIABILITATE Fiabilitatea reprezint proprietatea ca traductorul s funcioneze nlimiteleindicatorilorsideperforman,adicfr defeciuni,unintervaldetimpctmaindelungat.Poatefi: previzionala, experimentala, operationala. Dacunuitraductorisepotpreveni,depistainltura defeciunilesespunecacestaareproprietateade mentenabilitate. Proprietatea ca dup efectuarea reparaiilor (aciunidementenan),s-irecapeteintegralcapacitatea de funcionare se numete restabilire.Exista deci intervale de timp tk in care functioneaza si intervale ti in care este reparat: Principalii parametri de fiabilitate sunt: CARACTERISTICILE I PERFORMANELE TRADUCTOARELORCARACTERISTICI DE FIABILITATE - Media timpului de buna functionare - Media timpului de reparatii: -Disponibilitatea: Disponibilitatea este deci proprietatea unui traductor ca acesta s-i ndeplineasc funcia specificat sub aspectele combinate de fiabilitate, mentenabilitate i de organizare a activitii de mentenan la un anumit moment de timp sau ntr-un interval de timp dat 111==ntMTRniiMTR MTBFMTBFD+= - Media timpului de buna functionare - Media timpului de reparatii: -Disponibilitatea: Disponibilitatea este deci proprietatea unui traductor ca acesta s-i ndeplineasc funcia specificat sub aspectele combinate de fiabilitate, mentenabilitate i de organizare a activitii de mentenan la un anumit moment de timp sau ntr-un interval de timp dat ntMTBFnkk==1tn t1 t2tn-1 t1tn-2 tn-1