Gabriel Nicolae Popa

Senzori şi traductoareMăsurări, traductoare, instrumentaţie

curs

2013

1. Senzori şi traductoare. Probleme generale

1.1. Noţiuni introductive

Prin traductor se înţelege dispozitivul cu ajutorul căruia o mărime fizică, de o anumită natură, este convertită într-o mărime fizică de altă natură, obişnuit electrică, sau de aceiaşi natură, dar de alţi parametri. În general traductoarele convertesc mărimile neelectrice în mărimi electrice care apoi pot să fie utilizate mai departe în vederea măsurării, înregistrării, în sistemele automate etc.

La traductoare, pentru o mulţime a valorilor mărimii de intrare x, corespunde o mulţime a valorilor mărimii de ieşire y, între care se impune, pe cât posibil, să fie o relaţie de proporţionalitate.Un traductor este compus din elementul sensibil ES (fig. 1.1) la mărimea fizică pe care o converteşte (de exemplu termorezistenţa, pentru măsurarea temperaturii, traductor Hall, pentru măsurarea intensităţii câmpului magnetic, tub Bourdon pentru măsurarea presiunii, doză tensometrică pentru măsurarea solicitărilor mecanice forţe sau cupluri de forţe etc.), adaptorul AD care transformă mărimea de ieşire a elementului sensibil într-un semnal tipizat (4…20mA; 0…20mA; 0…10V; etc) şi sursa de energie electrică SE. Dacă ES nu este liniar, traductorul este prevăzut şi cu circuit de liniarizare CL după care se obţine semnalul MEL (mărime electrică liniarizată, fig.1.1).

Traductoarele se clasifică după principiul de funcţionare, după natura mărimii măsurate şi după forma mărimii de ieşire.

După principiul de funcţionare traductoarele se împart în traductoare parametrice şi traductoare generatoare.

La traductoarele parametrice modificarea mărimii de intrare determină modificarea parametrului principal (PE) R, L sau C al elementului sensibil. Aceste traductoare trebuie să fie prevăzute cu sursă de energie electrică SE (fig. 1.1).

Fig. 1.1. Schema bloc a unui traductor parametric

La traductoarele generatoare modificarea mărimii de intrare se determină o modificare corespunzătoare a tensiunii de ieşire, ca şi în cazul tahogeneratoarelor şi termocuplurilor, sau a sarcinii electrice, la traductoarele piezoelectrice. Acest tip de elemente sensibile funcţionează fără să fie alimentate la SE.

După natura mărimii măsurate traductoarele se clasifică în traductoare pentru mărimi electrice (curent, tensiune, putere, frecvenţă) şi traductoare pentru mărimi neelectrice (deplasare liniară, deplasare unghiulară, temperatură, presiune, debit, turaţie etc.).

După forma mărimii de ieşire traductoarele se împart în traductoare analogice, cu impulsuri şi numerice. La traductoarele analogice mărimea de ieşire y este o funcţie continuă cu mărimea de intrare x. Se urmăreşte realizarea traductoarelor la care dependenţa între mărimea de ieşire şi cea de intrare să fie liniară. Traductoarele cu impulsuri cu mărime de ieşire y formată dintr-o succesiune de impulsuri modulate în amplitudine, durată sau frecvenţă în funcţie de valoarea la un moment dat, a mărimii de intrare x. La unele traductoare, cum este cazul traductoarelor de nivel cu plutitor, la care mărimea de ieşire este sub forma unei succesiuni de impulsuri de c.c., creşterea sau micşorarea mărimii de intrare determină schimbarea polarităţii semnalului de ieşire, iar numărul de impulsuri transmise poartă informaţia referitoare la valoarea mărimii fizice care se măsoară.

2

La traductoarele cu impulsuri ES, împreuna cu CL, care în unele cazuri poate să lipsească, fac parte dintr-un oscilator sinusoidal de tip L-C, sau generator de semnale dreptunghiulare de tip R-C, ambele funcţionând într-o bandă largă de frecvenţe la care semnalul de ieşire este modulat în frecvenţă. Mărimea fizică de intrare în traductor, în aceste situaţii determină modificarea parametrilor L şi/sau C, sau R şi/ sau C care determină modificarea frecvenţei semnalului de ieşire, obişnuit după formula lui Thomson, în cazul oscilatoarelor sinusoidale de tip L-C:

(1.1)

(1.2)

(1.3)

sau:

(1.4)

(1.5)

la generatoarele de semnal dreptunghiular. În aceste relaţii fx1 = f1(Lx), fx2 = f2(Cx), fx3 = f3(Lx,Cx), când traductorul este biparametric

fx4=f4(Rx), iar fx5 = f5(Cx). Coeficientul kc din relaţiile (1.4) şi (1.5) are valoarea în funcţie de tipul elementelor active ale oscilatorului. Pentru oscilatorul realizat cu tranzistoare sau cu circuit integrat βE555, kc = ln2 [1], [2], pentru realizarea cu circuite integrate TTL kc = 3 [3], iar când sunt utilizate circuite integrate CMOS, kc =2 [4], când, dupa ES sau CL semnalul obţinut este o tensiune continuă a cărei valoare este proporţională cu valoarea mărimii de intrare, pentru ca mărimea de ieşire să fie un semnal modulat în frecvenţă, în locul adaptorului AD, din fig. 1.1 se utilizează un convertor liniar tensiune continuă - frecvenţă. La traductoarele numerice, mărimea de intrare este convertită într-un semnal codificat în binar care apoi, prin decodificare este afişat numeric. Senzorii, spre deosebire de traductoare, semnalizează sau pot transmite comenzi în instalaţiile de automatizare deservită, când mărimea fizică de intrare atinge anumite valori limită, care prin depăşire determină în unele situaţii: avarii, accidente, incendii, explozii, inundarea sălilor de maşinii etc. În multe cazuri traductoarele sunt prevăzute cu circuite suplimentare, cu ajutorul cărora sunt sesizate valorile limită ale mărimii de intrare, sau valorii intermediare utilizate pentru comanda procesului tehnologic controlat, aşa cum sunt releele de frecvenţă realizate cu filtre L-C, sau filtre R-C dublu T, care sunt astfel dimensionate încât să sesizeze diferite valori ale frecvenţei semnalului de ieşire al traductorului corespunzătoare valorilor limită sau intermediare ale mărimii fizice de intrare. Astfel de filtre, în prezent, se realizează şi cu circuite integrate monostabile şi logice, cu diferite funcţii. Dacă semnalul de ieşire al traductorului este o tensiune continuă, sesizarea valorilor impuse de conducerea unui proces tehnologic se realizează cu circuite care au la bază diode Zenner sau circuite integrate trigger Schmitt. Când semnalul de ieşire al traductorului este codificat în binar, sesizare valorilor, care interesează, ale semnalului de intrare, se face cu ajutorul unor decodificatoare realizate cu circuite logice integrate, proiectate să transmită la ieşire semnal de comandă pentru un anumit număr, codificat în binar, corespunzător valorii impuse a mărimii de intrare.

Senzorii care au construcţia cea mai simplă, sunt cei cu contacte normal deschise sau normal închise acţionate mecanic prin piese care execută o mişcare de translaţie sau de rotaţie. Acţionarea acestor contacte se poate face şi cu magneţi permanenţi poziţionaţi corespunzător pe piesele cu mişcare de rotaţie sau de translaţie. Astfel de senzori sunt limitatoarele de cursă, la podurile rulante, ascensoare, freze, la instalaţiile de descărcare prin răsturnare a vagoanelor de marfă (culbutoare), din instalaţii de comandă automată a inversării focului din cuptoarele bateriilor de cocsificare sau din cuptoarele Siemens-Martin de elaborare a oţelului, etc.

3

Senzorii folosiţi pentru limitarea deplasărilor liniare sau unghiulare au ca element de execuţie un contact normal închis care este inserat în circuitul de comandă a bobinei contactorului de sens care este declanşat când mecanismul ajunge în poziţia controlată.

1.2. Convertor tensiune continuă - frecvenţă

1.2.1. Convertor tensiune continuă - frecvenţă cu circuit basculant astabil, realizat cu tranzistoare

Un convertor simplu tensiune continuă- frecvenţă este cel prezentat în fig. 1.2 [1]. Circuitul basculant astabil (CBA) cu tranzistoare este simetric (Rc1=Rc2= Rc; Rb1=Rb2=Rb; C1=C2=C).

Fig. 1.2. Convertor tensiune continuă – frecvenţă cu circuit basculant astabil, realizat cu tranzistoare

Tranzistoarele T1 şi T2 au aceleaşi caracteristici. Tensiunea continuă Ua de alimentare trebuie să fie constantă. Aceasta este obţinută cu o sursă continuă de tensiune stabilizată. În continuare, se prezintă proiectarea convertorului tensiune - frecvenţă.

Se determină valorile rezistenţelor din circuitele de colector ale tranzistoarelor T1 şi T2:

, ks0,2 (1.6)

unde Icmax [A] este curentul de colector maxim al tranzistoarelor, luat din catalog, iar k s este un coeficient de siguranţă subunitar care limitează curentul de colector al tranzistoarelor.

Se calculează cu (1.7):(1.7)

valorile rezistenţelor din circuitele de bază. În relaţia (1.7) este factorul de amplificare în curent al tranzistoarelor (se ia din catalogul de tranzistoare).

Se impune frecvenţa maximă de lucru a convertorului (fmax). Frecvenţa maximă a semnalului obţinut la ieşirea convertorului se determină cu:

(1.8)

Din aceasta relaţie se obţine valoarea necesară a capacităţii condensatorului C:

(1.9)

Perioada semnalului de la ieşirea convertorului în funcţie de parametri acestuia, este dată de:

(1.10)

Dar: (1.11)

Cu formulele (1.10) şi (1.11) obţinem:

(1.12)

4

unde uix este valoarea tensiunii de intrare. În expresia (1.10) numai tensiunea uix este variabilă, deci: fx=f(uix).

Din analiza relaţiei (1.12) rezultă că atunci când creşte tensiunea uix creşte şi frecvenţa semnalului de la ieşire. Când tensiunea uix de la intrare se modifică în domeniul uixmin 1,5V…uixmax= Ua, frecvenţa semnalului se modifică între limitele fxmin:

(1.13)

şi fxmax:

(1.14)

Acest convertor este simplu de realizat şi prezintă siguranţă în funcţionare dar, dependenţa dintre frecvenţa semnalului de ieşire şi tensiunea de intrare este aproximativ liniară, dar se impune funcţionarea pentru uix [uixmin…Ua].

1.2.2. Convertor liniar tensiune continuă – frecvenţă, realizat cu amplificator operaţional şi circuit integrat E-555

Convertorul liniar tensiune continuă– frecvenţă, realizat cu amplificator operaţional şi circuit integrat E-555, are schema de principiu dată în fig. 1.3 [2].

Fig. 1.3. Convertor liniar tensiune continuă-frecvenţă, realizat cu circuit integrat E-555 şi amplificator operaţional

Circuitul integrat E-555 conţine un divizor de tensiune format din rezistoarele R3, R4 şi R5

de valori egale, două comparatoare CI şi CS care sesizează tensiunile de prag inferior (PI) şi de prag superior (PS), un circuit basculat bistabil CBB de tip RS, comandat de cele două comparatoare, un circuit logic INVERSOR (INV), în legătura cu ieşirea a CBB-RS şi tranzistorul de descărcare T17. Amplificatorul operaţional AO, împreună cu tranzistorul T1 formează un generator de curent constant i, dat de relaţia:

(1.15)

Amplificatoarele operaţionale au factorul de amplificare kA foarte mare când, pe circuitul de reacţie, impedanţa este foarte mare. În acest caz kA → , în realitate kA =150000…..200000. Factorul de amplificare se calculează cu:

(1.16)

5

În aceste relaţii, ui este tensiunea continuă care se poate regla într-un anumit domeniu, aplicată pe intrarea convertorului, - tensiunea de la intrare în amplificatorul operaţional M 201AN, iar cea de la ieşirea acestuia. Din (1.16) rezultă:

(1.17)

Deoarece kA → , →0, deci 0, iar relaţia (1.15) devine:

(1.18)

La punerea în funcţiune a convertorului tensiune – frecvenţă, se consideră condensatorul C descărcat; semnalul la ieşire al CBB-RS este de nivel logic 0, deci după INV semnalul de ieşire y al convertorului, aplicat frecvenţmetrului F, are nivel logic 1. Tranzistorul T17 de descărcare a condensatorului este blocat (deoarece =0) şi condensatorul C începe să se încarce de la sursa de curent constant realizată cu AO şi T1. Tensiunea între armăturile condensatorului C este dată de:

(1.19)

(1.20)

Deoarece, curentul i este constant, acesta se scoate în afara integralei:

(1.21)

(1.22)

Atât timp cât uc UPI, după comparatorul CI semnalul S = 1 (R = 0), deci Q = 1 şi y = 1. Când uc, care se modifică liniar în timp, potrivit relaţiei (1.20), depăşeşte valoarea prag inferior (uc>UPI), la intrarea CBB-RS semnalele au valorile S = 0 şi R = 0, deci se menţin valorile anterioare ale semnalelor Q şi de la ieşirea CBB. Când tensiunea uc ajunge la nivelul UPS, se schimbă valoarea semnalului R. Acum semnalele CBB-RS au valorile: S = 0, R = 1, Q = 0 şi =1, la ieşirea convertorului, semnalul îşi schimbă valoarea (y = 0). Deoarece =1, tranzistorul T17 intră în conducţie şi condensatorul C se descarcă prin rezistenţa R de descărcare şi rezistenţa colector-emitor a tranzistorului T17 (RCE). Deoarece în momentul iniţial al descărcării uc= UPS, tensiunea de descărcare este dată de relaţia:

(1.23)

După ce începe descărcarea condensatorului (uc<UPS) se schimbă valoarea logică a semnalului R (R = 0). Acum, R = 0, S = 0, dar se păstrează valorile semnalelor de ieşire corespunzătoare situaţiei anterioare: R = 1, S = 0. Deci = 1 şi Q = 0, iar y = 0 pe durata td în care tensiunea uc scade de la valoarea UPS şi ajunge la valoarea UPI. Durata td de descărcare se obţine din ecuaţia:

(1.24)

Acesta se calculează cu:

(1.25)

Dacă se neglijează valoarea rezistenţei RCE, constanta de timp Td se calculează cu:(1.26)

deci:

(1.27)

6

Când uc = UPI semnalul S îşi schimbă valoarea (S = 1). Acum S = 1, R = 0, Q = 1, =0 şi y=1. Deoarece =0 se blochează, tranzistorul T17 şi condensatorul C începe să se încarce de la generatorul de curent constant şi tensiunea uc creşte liniar în timp, după relaţia (1.22), de la valoarea UPI la valoarea UPS. Aceasta creştere are loc într-un interval de timp t, care este timpul de încărcare al condensatorului:

(1.28)

Dar curentul i este în funcţie de u1. Cu (1.18) rezultă:

(1.29)

Modul de modificare a tensiunilor uc şi Uies pe durata de timp ti si td este prezentat în fig. 1.4.

Fig. 1.4. Variaţia în timp a tensiunilor: a. uc=f1(t), b.Uies=f2(t)

Perioada Tx a tensiunii de ieşire Uies se calculează cu: (1.30)

Înlocuind în (1.30) relaţiile (1.27) şi (1.29) se obţine expresia:

(1.31)

Frecvenţa fx a tensiunii de ieşire din convertor este:

(1.32)

Cu (1.31) şi (1.32), rezultă:

(1.33)

Analizând expresia (1.33) a dependenţei dintre mărimea fx de ieşirea convertorului şi tensiunea ui de la intrare, se observă că ui, prin modificare, afectează atât numărătorul, cât şi

7

numitorul acestei expresii. Se precizează însă faptul că numitorul relaţiei (1.33) este mult mai puţin influenţat de modificarea tensiunii ui în comparaţie cu numărătorul, deoarece rezistenţa R de descărcare este mult mai mică decât R1 (R<<R1). Din acest motiv, timpul de descărcare td este mult mai mic decât cel de încărcare (td<<ti). Dacă neglijăm rezistenţa de descărcare (R = 0) expresia (1.33) devine:

(1.34)

Datorită divizorului rezistiv R3, R4 şi R5 (R3 = R4 = R5 = 5 kΩ):

(1.35)

(1.36)

relaţia (1.34) va avea forma:

(1.37)

Deci frecvenţa fx a semnalului de ieşire este proporţională cu tensiunea ui de la intrare:(1.38)

Factorul ku de proporţionalitate se calculează cu:

(1.39)

Cu simplificarea făcută, rezultă că frecvenţa fx a tensiunii Uies se modifică liniar în funcţie de valorile pe care le ia tensiunea de intrare ui (potrivit relaţiilor (1.34) sau (1.37).

Pentru calcule precise se utilizează relaţia:

(1.40)

obţinută cu (1.33), ţinând seama că rezistenţa echivalentă de descărcare a condensatorului este: R + REC şi de (1.35) şi (1.36).

Domeniul de modificare a frecvenţei fx se poate stabili cu valoarea condensatorului C. Acesta se determină din relaţia (1.40) în care se impune valoarea maximă a tensiunii de intrare care nu trebuie să depăşească valoarea tensiunii sursei de alimentare (UimaxUas).

Pentru ui= uimax, fx=fixmax, când C=Cj şi din (1.40) se obţine:

, j=1…n. (1.41)

Rezistenţa R1 de intrare în amplificatorul operaţional AO1 nu trebuie să fie mai mică de 10kΩ ( R1 10kΩ ), iar R este de ordinul zecilor sau sutelor de ohmi (50 Ω < R < 200 Ω).

Pentru modificarea domeniului de lucru al convertorului în circuitul condensatorului C se montează un comutator cu n poziţii care activează pe rând condensatoarele de capacitate Cj ( j =1 …n).

1.2.3. Convertor liniar tensiune continuă – frecvenţă cu amplificatoare operaţionale

În fig.1.5 [5] se prezintă schema unui multivibrator cu trei etaje a cărui frecvenţă se modifică în funcţie de nivelul tensiunii aplicate la intrare. Amplificatorul operaţional A1, lucrează ca amplificator diferenţial. Când tranzistorul T cu efect de câmp este blocat, rezistenţa lui internă este foarte mare, practic infinită şi semnalul de ieşire al circuitului A1 este:

(1.42)

Când tranzistorul T conduce, rezistenţa se scade foarte mult (tinde spre zero):

8

(1.43)

Fig. 1.5. Convertor liniar tensiune continuă – frecvenţă, realizat cu amplificatoare operaţionale

Din cele prezentate mai sus, rezultă că tensiunea U0A1 are numai două valori, şi anume U1 sau - U1. Al doilea amplificator lucrează ca integrator cu dublă rampă cu panta pozitivă şi negativă. Semnalul de ieşire din integrator se compară, prin A3, cu tensiunea de referinţă (UZ+UD). Tranzistorul cu efect de câmp, conduce când tensiunea U0 este negativă. În funcţie de acesta, semnalul U0A1 este şi el pozitiv sau negativ, schimbând sensul de variaţie a tensiunii de la ieşire U0A2. Se generează la ieşire, impulsuri cu frecvenţa:

(1.44)

unde: U1 este tensiunea de comandă de la intrare; R – rezistenţa dintre primele două etaje, C – condensatorul din reacţia integratorului cu dublă rampă, UZ – tensiunea Zenner a diodei 1N751, iar UD – căderea de tensiune directă pe o diodă. Pentru elementele din schema prezentată, rezultă:

(1.45)

sau:

(1.46)

Prin utilizarea amplificatoarelor operaţionale, se poate asigura o corespondenţă liniară între tensiunea şi frecvenţa impulsurilor de ieşire. Domeniului de tensiuni 6 mV – 10 V, îi corespunde o variaţie cu frecvenţa între 12 Hz şi 20 kHz.

1.2.4. Convertor liniar tensiune continuă – frecvenţă, realizat cu circuite integrate T.T.L.

Convertorul liniar tensiune continuă – frecvenţă este realizat de patru circuite logice ŞI – NU cu două intrări (fig. 1.6), cu ajutorul cărora sunt realizate două circuite basculante bistabile înseriate, care împreună cu diodele D1, D2 şi cu elementele pasive de circuit R1, R2 şi C1, formează un circuit basculant astabil simetric (dacă R1 = R2 = R ) comandat în tensiune. Gama frecvenţelor de lucru ale convertorului se poate modifica utilizând rezistenţe R şi condensatoare C (C = C1) de diferite valori.

9

Fig. 1.6. Schema de principiu a convertorului liniar tensiune continuă – frecvenţă realizat cu circuite integrate TTL

În continuare se prezintă modul de funcţionare a convertorului tensiune continuă – frecvenţă.

Se presupune că la alimentarea cu tensiune a convertorului, după primul circuit basculant bistabil de tip RS (CBB-RS), format din elementele SI – NU 2, 4, semnalele cu valorile logice: c = 0 şi d = 1. Deoarece c =0, la intrarea circuitului SI – NU 3 rezultă că f =1. Pe cele două intrări ale circuitului SI – NU 1 semnalele au valoarea logică 1 (d = 1, f = 1) ca urmare semnalul e = 0. Rezultă că acum, la ieşirea convertorului semnalul are valoarea logică 1 (f = 1). Deoarece e = 0, intră conducţie dioda D1, ca urmare condensatorul C1 se încarcă de la sursa de tensiune Ux, prin R2, C1, D1, şi circuitul de ieşire din 1, cu sarcină pozitivă, pe armătura inferioară şi negativă, pe cea superioară până când semnalul a = 0. Acum c = 1; deoarece şi b = 1, după circuitul SI – NU 4 semnalul d = 0 care determină e = 1. Perechea de semnale c şi e, de la intrarea circuitului SI – NU 3, au valori logice 1, deci f = 0. Acest semnal determină intrarea în conducţie a diodei D2 care determină descărcarea condensatorului C1 prin circuitul: sursa Ux, R1, C1, D2 şi rezistenţa interioară a circuitului de ieşire din 3. După descărcarea completă, prin acelaşi circuit condensatorul C1 se reîncarcă cu sarcină pozitivă pe armătura superioară, şi negativă pe cea inferioară, până când semnalul b = 0. Acum d = 1; deoarece şi a = 1, după circuitul SI – NU 2, c = 0, deci f = 1. Perechea de semnale f şi d, de la intrarea circuitului SI – NU 1, au valori logice 1, deci e = 0, intră în conducţie dioda D1 şi funcţionarea se repetă.

Fig. 1.7. Variaţia frecvenţei fx în funcţie de tensiunea continuă Ux la convertorul cu selecţia de principiu din fig. 1.6

În urma experimentării acestui convertor s-a constatat că variaţia frecvenţei fx în funcţie de tensiunea continuă Ux de la intrare, este liniară, ca şi în fig. 1.7. Din această figură se obţine funcţia fx=f(Ux),

(1.47)în care fn [kHz] este ordonata la origine, iar km [kHz/V], coeficientul unghiular al caracteristicii convertorului:

(1.48)

10

Ux [V]

fx [kHz]

fn

Se determină panta:(1.49)

Exemplu: Cu valorile elementelor pasive din schema de principiu (fig. 1.6), pentru tensiunea UCS de alimentare a integratului de 4,57 V, tensiunea constantă a sursei din laborator, s-a obţinut funcţia:

(1.50)deci:

fx=11,25 kHz, iar km=14,99 kHz/V.Din analiza altor patru tipuri de convertoare tensiune continuă – frecvenţă rezultă că ultimul

prezentat, dintre dispozitivele liniare, are construcţia cea mai simplă, se realizează cu un singur circuit integrat TTL. În acest caz apare un avantaj în plus şi anume faptul că alimentarea integratului se face de la o singură sursă de tensiune continuă stabilizată cu tensiune UCS a cărei valoare este cuprinsă între 4,5 V şi 5,5 V. Tensiunea continuă Ux de la intrare nu trebuie să depăşească valoarea UCS.

1.3. Caracteristicile şi performanţele traductoarelor

1.3.1. Caracteristicile şi performanţele în regim staţionar

Caracteristica statică a unui traductor este dependenţa, în regim staţionar, dintre mărimea y de ieşire şi mărimea x de intrare ale traductorului:

(1.51)În regim staţionar semnalul x are o valoare constantă în timp sau se modifică foarte lent în

jurul unei valori stabilite sau impusă de procesul tehnologic controlat. Şi mărimea y, de ieşire a traductorului are o valoare constantă, impusă de mărimea x de intrare sau se modifică lent în jurul unei valori impuse, la fel ca şi x. Caracteristica (1.51) este ideală deoarece, în realitate, funcţionarea traductorului este influenţată de efectele mărimilor perturbatoare externe: 1, 2,…, n, cât şi a celor interne: 1, 2,…, m (fig. 1.8), deci:

(1.52)Variaţiile mici ale mărimilor x, i (i=1,2,…,n) şi j (j=1,2,…,m), determină modificarea

mărimii y de ieşire:

(1.53) În

această relaţie este sensibilitatea utilă a traductorului, iar şi sunt sensibilităţile

parazite. Cu cât sensibilităţile parazite sunt mai mici şi sensibilitatea utilă este mai mare, cu atât caracteristica statică reală se apropie de cea ideală (1.51).

Fig. 1.8. Schema bloc a unui traductor cu caracteristica statică reală

Traductoarele sunt astfel proiectate încât mărimile fizice perturbatoare i şi j să aibă efecte minime, deci pentru utilizare să se apeleze la caracteristica statică ideală (1.51), cu o eroare tolerată.

Normal traductoarele trebuie să aibă o caracteristică statică ideală liniară, în realitate aceasta este liniară numai într-un anumit domeniu de modificare a mărimilor x şi y datorită, în general,

11

x y y = f(x, i, j)

1 2 i

1 2 j

fenomenului de saturaţie. În unele cazuri particulare neliniaritatea traductoarelor este impusă de funcţionarea corectă a SRA-ului în care acestea lucrează.

În continuare se prezintă câteva exemple de caracteristici statice ale traductoarelor.Caracteristicile liniare unidirecţionale sunt prezentate în fig. 1.9.a şi b.

a. b.Fig.1.9. Variante de caracteristici liniare unidirecţionale

Pentru cele două forme de caracteristici, înclinarea a acestora se calculează cu:

(1.54)

Din (1.54) rezultă ecuaţia caracteristicii statice:(1.55)

Convertorul tensiune continuă-frecvenţă, realizat cu circuite integrate TTL, cu schema de principiu, în fig. 1.6, are caracteristica de forma din fig. 1.9.a. Pentru caracteristica din fig. 1.9.a x0=0, deci relaţia (1.55) devine:

(1.56)Caracteristica liniară bidirecţională este prezentată în fig. 1.10, este exprimată analitic

prin relaţia:(1.57)

în care km este coeficientul unghiular al dreptei:

(1.58)

Fig. 1.10. Caracteristică statică liniară bidirecţională

Caracteristica liniară pe porţiuni, cu zone de insensibilitate şi saturaţie (fig. 1.11) este exprimată analitic de relaţia (1.59):

12

y

y0

x0x

y

y0

x0 x

y

x

(1.59)

în care km este coeficientul unghiular al segmentelor de dreaptă înclinate cu unghiul :

(1.60)

Fig. 1.11. Caracteristica statică liniară pe porţiuni, cu zone de insensibilitate şi saturaţie

La această caracteristică zona de insensibilitate este în domeniul x[-x1…+x1], iar cele de saturaţie pentru x <-x2 şi x >x2.

Caracteristică liniară pe porţiuni cu zone de insensibilitate, de saturaţie şi ciclu histerezis (fig. 1.12) este definită de funcţia (1.62).

Fig. 1.12. Caracteristică statică liniară pe porţiuni, cu zone de insensibilitate, de saturaţie şi ciclu histerezis

Înclinările celor patru segmente de dreaptă sunt egale:

(1.61)

În funcţia (1.62) prin şi se înţelege că x creşte sau scade. La caracteristicile reale, lăţimea ciclului histerezis este foarte mică.

13

x

y

ys

-ys

x1 x2

-x2 -x1

x

y

ys

-ys

x1 x2

-x2 -x1

x3 x4

-x3-x4

(1.62)

Performanţelor traductoarelor în regim staţionar sunt: erori de neliniaritate şi de histerezis cât mai mici, domeniul de măsurare mare, şi sensibilitate, rezoluţie şi precizie ridicată.

Erorile de neliniaritate şi de histerezis sunt puse în evidenţă din analiza caracteristicilor statice prezentate în fig. 1.13 şi 1.14. O caracteristică neliniară între punctele A şi B se poate aproxima cu o dreaptă care trece prin cele două puncte. Faţă de această dreaptă caracteristica reală are două variaţii maxime, cu vârfurile în punctele C şi D.

Fig. 1.13. Explicativă la abaterea de neliniaritate a unui traductor cu caracteristică statică neliniară

Fig. 1.14. Explicativă la eroarea de histerezis a unui traductor cu caracteristică statică cu zone de insensibilitate, saturaţie şi ciclu histerezis

Prin cele două puncte se duc dreptele 1 şi 2 paralele cu care delimitează zona în care este plasată caracteristica reală. Pentru o anumită valoare a mărimii x de intrare (x=xp), mărimea de ieşire y are două valori: yp1 şi yp2. Din această figură se obţin abaterile absolută ymax şi cea relativă r de la liniaritate:

(1.63)

(1.64)

14

x

y

ymax

yp2

yp1

ymin

xmin xp xmax

A

B

C

D

P1

P2

2

1

y

ys

yp2

yp1

0 xp

P1

P2

x

La caracteristicile statice ale traductoarelor, cu zone de insensibilitate, de saturaţie şi ciclu histerezis (fig. 1.14), pentru valoarea xp a mărimii de intrare corespund două valori ale mărimii de ieşire: yP1, de la intersecţia ordonatei, care trece prin xp, cu segmentul de dreaptă al sensului crescător, şi yP2, de la intersecţia de la segmentul de dreaptă al sensului descrescător. Eroarea absolută de histerezis se calculează tot cu formula (1.65). Pentru determinarea erorii relative de histerezis se ţine seamă că pe dreapta ymax=Us, iar ymin=0. Cu aceasta relaţiile (1.64) devin:

(1.65)

Erorile absolute şi relative de neliniaritate şi ciclu histerezis trebuie să fie sub limita admisibilă.

Domeniul de măsurare se stabileşte pe zona liniară a caracteristicii statice delimitată de două puncte cărora le corespund perechile de coordonate xmin, ymin şi xmax, ymax , deci y[ymin… ymax], iar x[ xmin… xmax]. Coordonatele xmin şi ymin pot avea valorile xmin=0, ymin=0 sau xmin0 şi ymin0. La traductoarele cu semnal unificat pot fi întâlnite şi situaţiile: xmin=0, ymin0 sau xmin0, ymin=0. Pe întreg domeniul de măsurare erorile de neliniaritate trebuie să fie sub limita admisibilă.

Sensibilitatea traductoarelor liniare se defineşte ca raportul dintre variaţia foarte mică dy a mărimii de ieşire şi variaţia dx a mărimii de intrare (care determină dy) neglijându-se sensibilităţile mărimilor perturbatoare i şi i:

(1.66)

în care y şi x sunt variaţiile mici în jurul punctelor de coordonate xi, yi (i=1…n).Sensibilitatea, în funcţie de domeniul de măsurare al traductorului, se calculează cu:

(1.67)

Dacă x şi y au aceiaşi natură fizică şi S>1 sensibilitatea poartă denumirea de factor de amplificare, iar pentru S<1 acesta se numeşte factor de atenuare.

a.

b.

c.Fig. 1.15. Traductoare cu structură complexă care au elementele legate:

a. în serie; b. în paralel; c. care au reacţie negativă

15

yn = ySnx = x1 y1 = x2S1 S2

y2 xn

x1 S1

x2 S2

xn Sn

y1

y2

yn

x y+

+++

+ y

S1

S2

x a=x1

x2=yy2

Raportul dintre variaţia relativă a mărimii de ieşire y/y şi variaţia relativă a mărimii de intrare x/x, se numeşte sensibilitate relativă:

(1.68)

Sensibilitatea relativă este adimensională şi ea se foloseşte pentru compararea traductoarelor cu domenii diferite de măsurare.

În general traductoarele sunt formate din mai multe elemente care pot să fie legate în serie (fig.1.15.a), în paralel (fig.1.15.b) sau cu conexiune complexă, cum este cazul celor care au reacţie negativă (fig.1.15.c).

Dacă elementele componente ale traductoarelor au caracteristicile statice liniare, pentru calculul sensibilităţii St echivalente ale traductorului se utilizează relaţiile din automatică (algebra funcţiilor de transfer) [6]. Ca urmare, la legarea în serie sensibilitatea St este egală cu produsul sensibilităţii elementelor:

(1.69)

la legarea în paralel:

(1.70)

iar pentru traductoarele care au reacţie negativă:

(1.71)

Dacă în locul sensibilităţilor S1, S2, …, Sn, în fig. 1.15.a, b şi c, se trec funcţiile de transfer Y1(s), Y2(s), …, Yn(s), funcţia de transfer Yt(s) echivalentă a traductorului, pentru cele trei conexiuni, se determină cu:

(1.72)

(1.73)

(1.74)

în care indicii S, P şi R se referă la legările elementelor în serie, paralel şi la traductoarele cu reacţie negativă.

1.3.2. Caracteristicile şi performanţele traductoarelor în regim dinamic

În regim dinamic, atât mărimea de intrare cât şi cea de ieşire a traductoarelor sunt variabile în timp. Datorită inerţiilor mecanice, termice, electromagnetice, etc., variaţiile mărimii de ieşire nu pot urmări instantaneu modificările mărimii de intrare.

Funcţionarea traductoarelor în regim dinamic este descrisă de ecuaţia diferenţială, care în cazul general, are forma:

(1.75)

16

x(t)

y

ys

1

T

y(t)

t

x y x

ys

1

tTTm

y(t)

x(t)

a. b.Fig. 1.16. Variaţia mărimii de ieşire y(t) pentru traductoarele la care soluţiile ecuaţiei caracteristice,

corespunzătoare ecuaţiei diferenţiale care descrie funcţionarea acestora, sunt reale şi negative, atunci când mărimea de intrare x(t) se modifică în treaptă unitară

Fig. 1.17. Răspunsul y(t), al unui traductor, la semnalul x(t) de intrare, care se modifică în treaptă unitară, când ecuaţia caracteristică are rădăcini complex conjugate, cu partea reală negativă

Soluţia acestei ecuaţii diferenţială depinde de valorile coeficienţilor Bj (j=0n) şi Ai

(i=0m). Pentru diferite tipuri de traductoare aceşti coeficienţi sunt nişte mărimi constante ale căror valori depind numai de parametrii constructivi; deci forma soluţiei ecuaţiei diferenţiale (1.72) poate să fie influenţată numai prin modificarea parametrilor constructivi ai traductorului. Traductorul poate fi realizat practic numai când, în ecuaţia diferenţială (1.75), n>m.

Dacă mărimea de intrare x(t) se modifică în treaptă unitară şi în urma rezolvării, rădăcinile ecuaţiei caracteristice, corespunzătoare ecuaţiei diferenţiale, sunt reale negative, mărimea de ieşire y(t) variază exponenţial [6] ca în fig.1.16.a şi b. În aceste figuri sunt date şi construcţiile grafice utilizate în vederea determinării constantelor de timp T şi timpul mort Tm ale traductoarelor.

Pe durata regimului tranzitoriu, teoretic mărimea y(t) de ieşire ajunge la valoarea staţionară ys după un timp t=, practic regimul tranzitoriu se consideră încheiat pentru .

Dacă rădăcinile ecuaţiei caracteristice sunt complex conjugate cu partea reală negativă, mărimea y(t) de ieşire are forma unei sinusoide amortizate (fig.1.17) când mărimea de intrare x(t) se modifică în treaptă unitară. Din fig.1.17 se obţin principalii indicatori în regim dinamic, pentru traductoarele analogice, care sunt:- abaterea dinamică maximă amax dată de diferenţa:

(1.78)

17

ymaxy

ys

0,05ys

1,02ys

0,98ys

m

ax

b s

0

tî

ttc

tt

T=2/0,5ys

- supracreşterea mărimii de ieşire:

(1.79)

- abaterea dinamică curentă dată de:(1.80)

- durata tt a regimului tranzitoriu este timpul după care y(t) se modifică în banda bs:(1.81)

- timpul tc de creşterea este durata de timp în care y(t) [0,05ys0,98ys];- timpul tî de întârziere este durata în care y(t) [0ys0,5ys].

1.4. Elemente sensibile de tip parametric

Elementele sensibile (ES) parametrice (sau modulatoare) se utilizează atunci când mărimea de măsurat este pasivă, adică nu are asociată o putere suficientă, sau fenomenul fizic pe care se bazează conversia nu permite obţinerea directă a unui semnal electric. Se numesc elemente sensibile parametrice deoarece mărimea de intrare (neelectrică) determină variaţia proprietăţilor de material care sunt de natura unui parametru electric de circuit (rezistenţa electrică, inductivitate, capacitate sau combinaţii ale acestora) [14,23].

Pentru a pune în evidenţă aceste variaţii este nevoie de o sursă de energie auxiliară care generează tensiune sau curent constant, a cărei valoare este modulată de variaţia parametrului respectiv, obţinându-se astfel un semnal electric ale cărei variaţii reproduc pe cele ale mărimii de măsurat. Mărimile fizice de natură neelectrică din cele mai diverse domenii (mecanică, chimie, termotehnică, radiaţii) pot fi convertite în mărimi de natură electrică datorată legilor fizice care exprimă dependenţa parametrilor (R, L, C) menţionaţi la anumite materiale (conductoare, semiconductoare sau dielectrice) în raport cu aceste mărimi.

Relaţii fundamentale care stau la baza funcţionării elementelor sensibile parametrice sunt:a) Rezistenţa electrică a unui conductor omogen:

(1.82)

unde l – lungimea conductorului; S – secţiunea conductorului; – rezistivitatea materialului.b) Inductivitatea proprie a unui bobine (considerând circuitul magnetic liniar):

(1.83)

unde N – numărul de spire al bobinei; lk – lungimea circuitului magnetic (k); k şi sk – permeabilitatea magnetică şi secţiunea mediilor ce formează circuitul magnetic al bobinei.

c) Capacitatea unui condensator plan cu armături paralele:

(1.84)

unde - permitivitatea mediului; S – suprafaţa activă comună a armăturilor; d – distanţa între armături.

Pentru fiecare din cele trei elemente sensibile parametrice (R, L, C) se vor prezenta tabelar atât fenomenele fizice pe care se bazează conversia măsurandului, cât şi aplicaţiile recomandate.

Tabel 1.1 Elemente sensibile (ES) rezistive (R)

18

Fenomenul fizic pe care se bazează conversia Aplicaţii (mărimi măsurate) - variaţia lungimii conductorului (sau a numărului de spire în cazul rezistorului bobinat)

– deplasări liniare şi unghiulare;

– grosime;– nivel.

- variaţia rezistivităţii ( cu temperatura (termorezistenţa, termistorul)

– temperatură;– umiditate;– concentraţie de gaze;– viteză gaze (debit);– vacuum.

- variaţia lui sub influenţa câmpului magnetic (efect Gauss)

– câmpul magnetic;– inducţie.

- variaţia lui sub acţiunea radiaţiilor (fotorezistenţe, fotoelemente)

– intensitate luminoasă;– flux luminos;– deplasări (prin modulaţia

fluxului de radiaţii).- variaţia lui , l, S prin intermediul unui element elastic deformabil (tensorezistenţe, piezorezistenţe).

– forţă;– presiune.

Tabel 1.2.Elemente sensibile inductive (L)

Fenomenul fizic Aplicaţii (mărimi măsurate)- variaţia l, , S pentru porţiuni de circuit magnetic prin plasarea unor armături feromagnetice (întrefier variabil, miez mobil).

deplasări liniare; dimensiuni piese; grosime; nivel.

- variaţia l, , S prin asociere cu elemente elastice, amortizoare, mase.

acceleraţie; viteză; vibraţii.

- variaţia lui prin magnetostricţiune. forţă; presiune.

Tabel 1.3.Elemente sensibile capacitive (C)

Fenomenul fizic Aplicaţii (mărimi măsurate)- variaţia d sau S prin deplasare deplasări liniare sau unghiulare;

presiune.- idem asociind cu un element elastic altitudine.- variaţia permitivităţii dielectricului nivel;

grosime; umiditate (solide).

Elementele sensibile (ES) parametrice sunt foarte răspândite datorită faptului că pot fi utilizate pentru conversia unei game foarte largi de mărimi cu domenii de variaţie diferită.

1.5. Elemente sensibile de tip generator

19

Elementele sensibile de tip generator (sau energetice) sunt utilizate în cazul mărimilor active, adică a acelor mărimi care asociază o putere ce poate fi utilizată pentru conversie fără a afecta valoarea mărimii măsurate. Aceste elementele sensibile (ES) furnizează la ieşire un curent, o tensiune sau o sarcină electrică având variaţii dependente de intrare (x) [12,14, 25].

Pentru a influenţa cât mai puţin mărimea de măsurat, puterea luată de la aceasta trebuie să fie cât mai mică. În practică se utilizează surse auxiliare de energie pentru asigurarea unor performanţe ridicate şi pentru a permite a bună adaptare de impedanţă cu circuitele receptoare din sistemele de reglare automată.

În tabelul 1.4 sunt date principalele tipuri de elemente sensibile – generatoare, fenomenele fizice pe care se bazează conversia şi aplicaţiile posibile. Elementele sensibile (ES) de tip generator prezintă avantajul unei cuplări mai uşoare cu adaptorul, cât şi structuri mai simple ale adaptorului, întrucât nu mai necesită conversia unui parametru de circuit (R, L, C) într-un curent sau tensiune – este vorba de elemente sensibile electromagnetice.

Elementele sensibile electrochimice şi piezoelectrice (şi chiar fotoelectrice) impun cerinţe speciale, deoarece ele sunt considerate generatoare de tensiuni electromotoare cu impedanţă internă foarte mare, ceea ce atrage după sine condiţii severe pentru impedanţa etajului de intrare în adaptor cât şi modul de realizare a conexiunilor electrice (rezistenţa de izolaţie foarte bună, ecranare, etc.).

În tabelul 1.4. este prezentată o succintă clasificare a ES după mărimile fizice detectate.

Tabel 1.4.Tipul elementului

sensibilFenomenul fizic ce stă la baza conversiei Aplicaţii (mărimi măsurate)

a) Electromagnetic(de inducţie)

- generarea prin inducţie a tensiunii electromotoare sub acţiunea mărimii de măsurat.

- viteza de rotaţie (tahogenerator);

- debite de fluide;- vibraţii.

b) Termoelectric - generarea tensiunii termo-electromotoare prin efect termo-electric (Seebek) de contact între două metale diferite.

- temperatură

c) Piezoelectric - polarizarea electrică a unui cristal sub acţiunea unei forţe sau presiuni.

- forţe (dinamice);- presiuni (dinamice).

d) Magnetostrictiv - generarea tensiunii electromotoare prin variaţia inducţiei remanente sub acţiunea unei forţe asupra materialelor magnetice.

- forţe (dinamice);- presiuni (dinamice).

e) Electrochimic - generarea tensiunii electromotoare între doi electrozi aflaţi la o distanţă, în soluţii cu concentraţii de ioni diferite.

- concentraţia ionilor de hidrogen (pH).

f) Fotoelectric(fotovoltaic)

- generarea unui curent electric pe baza fenomenului fotoelectric extern sub acţiunea unei radiaţii luminoase.

- deplasări liniare şi unghiulare;

- dimensiuni piese;- viteză de rotaţie.

Tabel 1.5.Clasificarea elementelor sensibile după mărimile detectate

20

Mărimi fizice de bază

Mărimi fizice derivate Elemente sensibile, tipice

Deplasare

- deplasare liniară;- deplasare unghiulară;- lungime (lăţime);- grosime;- strat de acoperire;- nivel;- deformaţie (indirect presiune, forţă, cuplu)- altitudine

- rezistive;- inductive;- fotoelectrice;- electrodinamice (selsine, inductosine).

Viteză

- liniară;- unghiulară;- debit.

- electrodinamice (tahogenerator);

- fotoelectrice;- termorezistive.

Forţă

- efort unitar;- greutate;- acceleraţie;- cuplu, - viscozitate;- vacuum;- presiune (relativă; absolută)

- rezistive;- inductive;- capacitive;- piezorezistive;- piezoelectrice;- magnetostrictive.

Temperatură

- temperatură la suprafaţă (solide, fluide);- căldură - flux, energie;- conductibilitate termică.

- termorezistenţe;- termistoare;- termocupluri;- complexe (dilatare + deplasare)

Masă- debit de masă;- densitate.

- idem ca la forţă

Concentraţie- componente în amestecuri de gaze;- ioni de hidrogen în soluţii;- umiditate.

- termorezistive; - electrochimice;- conductometrice.

Radiaţie

- luminoasă;- termică;- nucleară.

- fotoelectric;- detectoare în infraroşu;- elemente sensibile bazate pe ionizare.

Acelaşi tip de element sensibil poate fi utilizat pentru detectarea unor mărimi fizice foarte diferite. Explicaţia constă în aceea că urmărindu-se conversia într-o mărime electrică, este firesc ca elementele sensibile pasive să fie tot de tipul R, L, C, iar cele generatoare să furnizeze o tensiune, un curent sau o sarcină electrică. Al doilea argument constă în faptul că variaţiile parametrilor R, L, C sau tensiunile şi curenţii generaţi depind, la rândul lor, de o multitudine de factori care, în cadrul unor fenomene fizice convenabil explorate (uneori cu elemente de cuplare adecvate) pot fi influenţate de diverse mărimi.

1.6. Adaptoare

Rolul adaptorului este acela de a converti semnalul generat de elementul sensibil într-un semnal electric de ieşire (Y) de regulă unificat. Semnalele de ieşire fiind unificate, rezultă că etajele de ieşire ale adaptoarelor sunt similare pentru acelaşi tip de semnal unificat

21

1.6.1. Adaptoare pentru elemente sensibil de tip parametric

Ţinând seama că adaptoarele de acest tip transformă variaţiile parametrilor R, L, C în tensiune sau curent electric, rezultă că etajele de intrare în aceste adaptoare utilizează punţi de curent continuu sau alternativ, funcţionând în regim dezechilibrat. La ieşirea punţilor de măsurare se obţine un semnal de dezechilibru care este amplificat şi convertit (de etajul final al adaptorului) în semnal unificat. Pentru a elimina influenţa perturbaţiilor se utilizează (de regulă) o buclă de reacţie negativă astfel încât aceasta să includă cât mai multe din blocurile componente ale adaptorului.

Dacă schema de măsurare sau elementul sensibil prezintă neliniarităţi importante se prevăd în schema adaptorului blocuri de liniarizare (sub forma unor generatoare de funcţii) plasate fie pe calea directă, fie pe calea de reacţie a adaptorului.

Structura unui adaptor pentru un element sensibil rezistiv este prezentată în fig. 1.18.

Fig. 1.18. Schema bloc al unui adaptor cu element sensibil rezistiv

SM – schemă de măsurare tip punte Wheatstone în curent continuu (regim dezechilibrat); BC – bloc de comparaţie care calculează diferenţa între U = Ud – Ur ; A – amplificator de tensiune continuă; CTC – convertor tensiune – curent care asigură semnalul unificat de curent la ieşire (IC= [2…10] mA sau [4…20] mA); BR – bloc de reacţie negativă care furnizează tensiunea Ur, proporţională cu semnalul unificat Ic. În unele cazuri blocului de reacţie i se ataşează şi un circuit de liniarizare (BRL); BL – bloc de liniarizare introdus atunci când este necesar să se compenseze neliniarităţile generate de elementul sensibil sau puntea de măsurare.

În cazul elementelor sensibile de tip inductiv sau capacitiv, schemele de măsură sunt punţi de curent alternativ în regim dezechilibrat, iar amplificatoarele de curent alternativ sunt de tip selectiv, acordate pe frecvenţa de alimentare a schemelor de măsurare (a punţilor de curent alternativ). Separarea galvanică este uşor de asigurat, utilizând transformatoare de cuplaj, dar reacţia globală (cu cât mai multe elemente în buclă) şi liniarizarea devin mai complicate.

1.6.2. Adaptoare pentru elemente sensibile de tip generator

Acestea au în principiu aceeaşi structură ca în fig. 1.18, dar lipseşte schema de măsurare (SM). Semnalul dat de elementele sensibile se aplică direct la intrarea amplificatorului. Dacă există reacţie, comparaţia se realizează într-un singur montaj diferenţial de tensiune. Întrucât lipseşte (SM) care printr-o proiectare adecvată realiza şi o adaptare de impedanţă, amplificatoarelor folosite în cadrul acestor adaptoare li se impun o serie de cerinţe care sunt strâns legate de caracteristicile semnalului generat de elementele sensibile. Cele mai frecvent întâlnite semnale generate de ES sunt:- tensiuni continue de nivel foarte redus;- tensiuni alternative cu frecvenţă variabilă în limite largi;- tensiuni continue sau alternative obţinute de la surse cu impedanţă proprie foarte mare.

Măsurarea tensiunii de nivel foarte redus (mV), cum este cazul termocuplurilor, este afectată de deriva tensiunii de decalare datorită rezistenţei sursei de semnal, care este relativ mică. Dacă termocuplul Pt. Rh-Pt are o sensibilitate de ordinul 10 V/ºC, iar amplificatorul are o derivă de tensiune de 15 V/ºC, rezultă că la o variaţie a temperaturii de 10ºC, deriva va fi de 150 V ceea ce corespunde unei erori de temperatură de 15ºC, evident neacceptabilă. Pentru reducerea

22

derivelor, deci a erorilor de măsurare se utilizează amplificatoare integrate de măsurare, cu performanţe ridicate care pot asigura derive de 0,25 V/ºC sau 0,1V/ºC, la fel ca cele realizate de amplificatoarele cu modulare-demodulare, dar mult mai ieftine şi mai simple.

În cazul traductoarelor electromagnetice (tahogeneratoare, traductoare de debit cu turbină etc.) care utilizează semnale alternative cu frecvenţă variabilă în limite largi se folosesc amplificatoare de bandă largă 1Hz …106 Hz, care au cuplaje R-C între etaje şi au reacţie negativă, pentru a asigura liniaritatea şi amplificări constante pe întreaga bandă.

Atunci când sursa de semnal a elementelor sensibile are rezistenţă sau impedanţă internă foarte mare, de ordinul (108 …109)Ω este necesar ca în aceste situaţii măsurarea să se facă fără consum de putere de la sursa de semnal (traductoare de pH, traductoare de debit electromagnetice, piezoelectrice). În aceste cazuri amplificatoarele conţinute în adaptoare, numite amplificatoare electrometrice, trebuie să aibă impedanţe de intrare de ordinul (1012 …1014)Ω. Acest lucru se poate realiza utilizând:

amplificatoare cu modulator utilizând diode varicap; amplificatoare realizate cu tranzistoare de tip MOS.

Celelalte blocuri funcţionale sunt aceleaşi cu cele descrise la adaptoarele pentru ES parametrice.

1.7. Adaptoare utilizând scheme de măsurare cu echilibrare automată

Măsurarea precisă a tensiunii sau a curenţilor de nivel scăzut (daţi de elementele sensibile generatoare) se poate face cu scheme de măsurare de tip compensator care realizează compararea tensiunii sau curentului respectiv cu mărimi similare a căror valori pot fi reglate automat şi cunoscute cu precizie.

1.7.1. Compensator automatSchema de principiu a unui compensator pentru măsurarea tensiunilor de nivel redus (cazul

termocuplurilor) este prezentată în fig. 1.19.

Fig. 1.19. Schema de principiu a unui compensator automat

Schema reprezintă un sistem automat în circuit închis (sistem de urmărire) având ca intrare tensiunea Ux (de la ES), iar ca ieşire deplasarea unghiulară a axului servomotorului (SM). Acesta acţionează asupra cursoarelor potenţiometrelor P1 şi P2 prin intermediul reductoarelor R1 şi R2 şi asupra unui dispozitiv de indicare şi înregistrare (I) pe diagrama (S). Tensiunea Ux se compară cu tensiunea UC (de comandă), culeasă de la potenţiometrul P1 şi care variază liniar cu poziţia cursorului. Diferenţa de tensiune U=Ux-UC este amplificată de amplificatorul A şi aplicată servomotorului SM, care se roteşte şi prin reductorul R1 deplasează cursorul potenţiometrului P1, până când (Ux=UC), deci (U=0). Simultan servomotorul (SM) antrenează dispozitivul de indicare sau înregistrare (I), care se opreşte pe o poziţie la care se poate citi valoarea mărimii măsurate.

23

Asemănător, prin reductorul R2 se antrenează cursorul potenţiometrului P2, obţinându-se tensiunea de ieşire Ue =KUx , care poate fi de natura unui semnal unificat, în domeniul [0…10] Vcc.

Dacă Ue este culeasă între cursorul lui P2 şi altă poziţie (decât capetele potenţiometrului) corespunzătoare unei valori de referinţă, atunci P2 + sursa Ec2 poate îndeplini funcţia de comparator pentru un SRA (sistem de reglare automată) în care se află inclus traductorul. În acest caz, Ue = K(Uref - Ux) şi reprezintă semnalul de eroare pentru SRA. Servomotorul (SM) având o caracteristică de element integrator, compensatoarele respective sunt denumite de tip integral. Caracterul integrator al servomotorului prezintă avantajul că la o variaţie treaptă a mărimii de intrare eroarea staţionară este nulă.

1.7.2. Puntea cu echilibrare automatăStructura punţilor cu echilibrare automată este asemănătoare cu cea a compensatoarelor

automate, aşa cum se observă din fig. 1.20. Variaţiile R ale elementului sensibil rezistiv conduc la dezechilibrarea punţii şi la apariţia

tensiunii de dezechilibru Ud care acţionează prin amplificatorul A, asupra servomotorului SM, astfel încât puntea să se echilibreze prin deplasarea cursorului potenţiometrului P1. În regim echilibrat precizia măsurării depinde numai de precizia rezistenţelor R1, R2, R3 şi P1, eliminându-se erorile cauzate de variaţia tensiunii Ec2 (care intervine numai la punţi dezechilibrate). De asemenea, se elimină şi erorile de neliniaritate, care la variaţii mari R afectează puternic tensiunea Ud şi impun utilizarea circuitelor de liniarizare. Semnalele de ieşire, indicarea sau înregistrarea valorilor mărimii măsurate se realizează la fel ca în fig. 1.19 (ca şi în cazul compensatorului).

Performanţele punţilor automate: precizia 0,25…0,5 %; deriva de temperatură 0,02%/0C; eroarea la variaţia tensiunii de alimentare : 0,1% … 1%.

Datorită existenţei unor elemente în mişcare (role, reductor) – performanţele în regim dinamic sunt reduse şi ca urmare astfel de adaptoare sunt utilizate numai pentru procese lent variabile în timp (cu banda de frecvenţă f 1Hz).

Fig. 1.20. Schema de principiu a unei punţi automate de măsură

1.8. Traductoare numerice În cazul reglării sau conducerii numerice a proceselor este necesar ca traductoarele să fie

prevăzute cu ieşiri numerice. Traductoarele numerice au semnale de ieşire compatibile TTL – care reprezintă valoarea măsurată în cod binar sau binar codificat zecimal. Obţinerea semnalelor numerice la ieşirea traductorului este posibilă prin utilizarea unor convertoare analog-numerice

24

(CAN) care să transforme semnalul analogic (unificat) obţinut la ieşirea unuia din adaptoarele prezentate anterior, într-un semnal numeric la ieşirea traductorului (fig. 1.21).

Pentru conversia analog – numerică există convertoare realizate cu componente discrete sau cu circuite integrate. Ţinând seama de principiile funcţionale, cele mai utilizate CAN sunt:

a) CAN cu reacţie:– cu trepte egale de tensiune;– cu aproximaţii succesive.b) CAN prin integrare.CAN sunt mult mai complexe decât adaptoarele, şi mai scumpe, deci utilizarea lor trebuie să

se justifice economic.Utilizarea CAN este justificabilă dacă se folosesc circuite electronice de multiplexare a

ieşirilor analogice, astfel încât un singur CAN să fie folosit pentru măsurarea (conversia) mai multor semnale analogice.

Fig. 1.21. Schema unui traductor cu semnal de ieşire numeric

În comparaţie cu principiul de funcţionare al CAN cu reacţie, unde ieşirea CAN se compară cu semnalul analogic de la intrare (care este afectat de zgomot), în cazul CAN prin integrare, acest dezavantaj este înlăturat.

CAN prin integrare funcţionează astfel: ieşirea numerică (digitală) depinde de valoarea integrală a mărimii analogice de intrare într-un timp bine stabilit. Cele mai utilizate CAN prin integrare sunt cele cu dublă pantă, a căror schemă este prezentată în fig.1.22:

Fig. 1.22. Schema de principiu pentru CAN prin integrare

Conversia mărimii analogice de intrare se realizează în două secvenţe. În prima secvenţă tensiunea de intrare se aplică integratorului o perioadă de timp (T1), determinată prin blocul logic de comandă.

În construcţia traductoarelor numerice prezintă interes deosebit elementele sensibile care pot furniza la ieşire semnale periodice sinusoidale sau impulsuri, a căror frecvenţă este dependentă liniar de mărimea de măsurat. Conversia frecvenţei sau duratei în cod numeric poate fi realizată cu ajutorul unor scheme de complexitate mai mică ca în fig. 1.23.

25

Fig. 1.23. Conversia frecvenţei sau duratei într-o mărime numerică

Mărimea de ieşire din ES este convertită în frecvenţă sau durată de impulsuri prin blocul CF (convertorul în frecvenţă) sau CD (convertorul în durată). Semnalele obţinute sunt aplicate circuitului de poartă CP care realizează funcţia “SI” logic. CP primeşte un semnal de referinţă de la GT (generator de tact) care, în cazul conversiei în frecvenţă, reprezintă un interval de timp calibrat, iar la conversia în durată - o frecvenţă calibrată. În acest mod, la ieşirea blocului CP rezultă un număr de impulsuri, proporţional cu x, care este acumulat de numărătorul N, eventual reţinut într-o memorie tampon (MT) şi transferat la ieşire sub formă numerică yN - în codul necesar (de regulă binar sau binar codificat zecimal) de către un decodificator adecvat (D). Blocul de control (BC) comandă funcţionarea, într-o anumită succesiune logică, acelor trei blocuri din fig. 1.23 şi asigură modurile de operare ale acestora.

1.9. Senzori utilizaţi în industrie

Pentru exemplificarea unor senzori utilizaţi în industrie, se prezintă câteva tipuri de senzori din industria siderurgică: traductoare de turaţie, senzori de debit, senzori de curgere, senzori de distanţă, senzori de căldură, senzori de temperatură şi presiune. Se precizează totodată, şi locul din procesul tehnologic, unde sunt utilizaţi senzorii. Sunt prezentate procesele tehnologice din industria siderurgică: prepararea minereului, topirea în furnal, rafinarea, turnarea continuă în fig. 1.24, depozitarea şi selectarea fierului vechi, topirea în cuptoarele electrice cu arc, rafinarea şi turnarea continuă sub formă de blumuri în 1.25, iar în ultima figură, etapele după turnarea continuă, debitarea, încălzirea blumurilor, laminarea blumurilor şi obţinerea produselor finite în fig. 1.26 [28-32].

26

Fig. 1.24. Exemple de senzori industriali utilizaţi în industria siderurgică la uzina de preparare, furnale, rafinare, turnare continuă

27

Fig. 1.25. Exemple de senzori industriali utilizaţi în industria siderurgică pentru depozitarea fierului vechi, topirea oţelului cu ajutorul cuptorului cu arc, uzina de preparare, furnale, rafinare, turnare

continuă

28

Fig. 1.26. Utilizarea senzorilor în industria siderurgică la turnarea continuă, laminarea blumurilor de oţel şi obţinerea laminatelor

29