senzori si traductoare

SENZORI SI TRADUCTOARE DE TEMPETATURASurse ale erorii

Pentru a măsura rezistenţa electrică a unei termorezistenţe este necesar ca senzorul să fie parcurs de un curent electric. Trecerea unui asemenea curent va produce un efect de încălzire şi temperatura senzorului se va ridica deasupra condiţiei ideale de echilibru.Daca autoîncălzirea este o problema, atunci curentul care parcurge termorezistenţa trebuie redus la un minim care să asigure totuşi o sensibilitate corespunzătoare.Efectul de auto-încălzire constă într-o constantă de disipaţie, exprimata in mW/°C. Auto-încălzirea, pentru majoritatea aplicaţiilor, nu constituie o problema. Totusi curentul de măsurare I constant pentru un RTD este cuprins intre 2 şi 20mA. O metodă de a reduce auto-încălzirea şi de a mări sensibilitatea este aceea de a folosi pulsuri scurte de curent pentru măsurare.

2. TERMISTORULDenumirea de "termistor" este o combinare a cuvintelor englezeşti "thermally

sensitive resistor“ si utilizează dependenţa exponenţială a rezistentei unui semiconductor fără joncţiune de temperatura.Termistorul NTC (Negative Temperature Coefficient, coeficient negativ de temperatură) este un dispozitiv semiconductor cu două terminale relativ simplu, realizat din amestecuri sinterizate din oxizi ai metalelor de tranziţie ca manganul, cobaltul, nichelul, fierul, cuprul. Spre deosebire de metale la care rezistenţa electrică creşte cu temperatura, la termistori rezistenţa scade cu creşterea temperaturii lor:

SENZORI SI TRADUCTOARE DE TEMPETATURAÎn aplicaţii practice şi pentru intervale de temperaturi nu prea mari, ecuaţia

caracteristicii R(t) a unui termistor este:

• Se remarcă faptul că un termistor are coeficient de variaţie cu temperatura negativ fiind dat de relatia:

• sau uzual:

RT/ R0

1

0.1

10 Termorezistenta

Termistor

-50 0 20 100 50 150

θ[0C]

T

T

T RdR

RR1

2T

BR

2T

BR

SENZORI SI TRADUCTOARE DE TEMPETATURATermorezistenţele tehnice cu termistoare au o construcţie asemănătoare

termorezistenţelor metalice iar cele de laborator au forme subordonate constructiv avantajului unui timp de răspuns inferior termorezistenţelor metalice.

Faţă de termistoarele metalice, cele cu semiconductoare au următoarele avantaje:

• sensibilitate superioară, • dimensiuni mai reduse • inerţie termică coborâtă, • perturbă mai puţin câmpul termic cercetat, • pot fi realizate cu rezistenţe ohmice ridicate astfel încât chiar la o distanţă

mare între punctul de măsurare şi punctul de indicare al valorii, rezistenţă conductorului de legătură devine neglijabilă.

Termistoarele obişnuite sunt folosite pentru măsurări în domeniul -100˚C…+300˚C iar cele de construcţie specială până la 100˚C, în timp ce

elementele sensibile cu joncţiune (diode, tranzistoare) nu depăşesc domeniul –40˚C…+140˚C.

Dezavantajul principal al termistoarelor semiconductoare îl constituie neliniaritatea dependenţei R(T) care impune utilizarea schemelor de liniarizare cu ajutorul rezistenţelor suplimentare independente de temperatură (figura de pe slideul urmator). Se poate realiza liniarizarea numai pentru domenii înguste de temperaturi şi pe seama scăderii sensibilităţii.

SENZORI SI TRADUCTOARE DE TEMPETATURA

Datorită inerţiei lor reduse, termorezistenţele cu semiconductoare se introduc pe scară din ce în ce mai largă în instalaţiile de reglare a temperaturii, a condiţionării aerului, în instalaţiile de încălzire şi ventilaţie de climatizare, etc.

• Sunt realizate elemente sensibile cu diametrul de numai 0.24mm, cu o constantă de timp de 20 ms şi care pot evidenţia diferenţe de temperatură de 0.01˚C.

• Termistoarele sunt realizate sub forma de perla (cu terminale axiale sau de o singura parte), bagheta sau pastila (slideul urmator).

rR

UI

T

RT

r

I


Majoritatea circuitelor de masurare utilizate pentru termistoare sunt circuite dedicate, impuse în primul rând de caracteristica puternic neliniara si

coeficientul negativ de variatie cu temperatura ale acestora:puntea simpla de curent continuu, conversia rezistenta - frecventa, metoda

voltampermetrica, cu circuite de liniarizare asociale.

3. Traductoare termoelectrice (termocuple)

Termocuplul (TC) este un senzor generator alcatuit din doua conductoare din metale diferite (termoelectrozi) care formeaza o jonctiune termoelectrica.

Functionarea lui are la baza fenomenul Seebeck (superpozitia dintre efectul Peltier si efectul Thomson):

)( 0 TCTC ke


În tabelul urmator se gasesc valorile t.t.e.m. referentiate la Pt, pentru diferite metale, corespunzand unei diferente de temperatura de 100oC. Din tabel se pot deduce

perechile termoelectrice optime (cu t.t.e.m. de valoare maxima).

Metalul t.t.e.m. pt

θ1 - θ 2 = 100 0C

mV

Constantan

Nichel

Paladiu

Platina

Pt 90 % + Rhodiu 10 %

Cupru

Argint

Aur

Magnanina

Wolfram

Fier

Crom - Nichel

-3,47

-1,94

-0,28

0

+0,65

+0,67

+0,79

+0,80

+0,82

+0,90

+1,89

+2,20


Materialele care constituie perechea termoelectrica se aleg astfel încât termocuplul rezultat sa indeplineasca urmatoarele conditii esentiale:

- proprietati termoelectrice stabile în timp;

- imunitate la influentele mediului;

- repetabilitate tehnologica;

- sensibilitatea cat mai ridicata;

Caracteristicile principale ale termocuplelor cele maiutilizate în practică, sunt redate sintetic în tabelul urmator:

TERMOCUPLU Cod DOMENIU DE TEMPERATURĂ [0C]

SENSIBILITATEA μV/0C

Chromel / Constantan E -270… 870 70 valoare medie

Fier / Constantan J - 210… 800 52,9 la 00C; 63,8 la 7000C

Cupru / Constantan T -270…370 15 la –2000C; 60 la 3500C

Chromel / Alumel K - 270…1250 40 valoare medie

Platină- rodiu(13%) / Platină R - 50….1500 10 valoare medie

Platină- rodiu(10%) / Platină S - 50….1500 6,4 la 00C; 11,5 la 10000C

Platină- rodiu(30%) / Platină-rodiu(6%) B 0………1700 6 valore medie


Jonctiunea de masurare este realizata prin sudura electrica (pentru cele din metale rare), sau cu flacara oxiacetilenica (pentru materiale nenobile).

Diametrul termoelectrozilor este 0,1...0,5mm pentru cazul metalelor rare, 0,2...4mm pentru cele uzuale. Izolatia între conductoare poate fi:

- clasica (rondele ceramice) - moderna (izola\ie minerala sau pulbere de oxizi metalici (MgO sau Al3O3)), cu

codificare MI (mineral insulated) Termoelectrozii si izolatia lor sunt introduse în teci de protectie, de diverse forme si

dimensiuni, realizate din metal (pentru temperaturi de lucru pâna la 1100oC),sau din ceramica sau materiale metaloceramice - pentru temperaturi mai mari.


Circuitele de masurare pentru termocuple sunt circuite de tip milivoltmetru dar care urmaresc si compensarea temperaturii sudurilor reci.

mV

Termocuplu Fire de Extensie

Circuit compensare

RT R3

R2R1

E

TRADUCTOARE DE VIBRAŢII ŞI ACCELERAŢII

Traductoare de vibratii si acceleratii – principii de realizare

Pentru punerea în evidenţă a efectelor vibraţiilor se utilizează traductoare ce urmaresc:

a. Măsurarea nivelelor de vibraţii la ieşirea unui sistem, pentru a le compara cu nivelele standard admisibile;

b. Măsurarea mărimilor de intrare în sistem (mărimi vibratorii de excitaţie) necesare întocmirii programelor de încărcări mecanice;

c. Măsurarea simultană a ambelor mărimi vibratorii, de la intrarea şi ieşirea sistemului în scopul determinării caracteristicilor acestuia.

Vibraţiile mecanice care au loc în echipamente şi instalaţii industriale. pot fi:

a) Cu unul sau două grade de libertate, figura de pe slideul urmator (a şi b);

b) De translaţie (verticale şi orizontale) şi de torsiune cu un singur grad de libertate (figura c,d,e).


• Indiferent de natura vibraţiilor, mărimile specifice acestora sunt: deplasarea liniară sau unghiulară, viteza, acceleraţia şi frecvenţa. Daca vom considera,

ca exemplu, sistemul oscilant cu un grad de libertate, din figura a asupra căruia acţionează o forţă externă F(t), legea de mişcare a masei m este

dată de ecuaţia: tFky

dt

dy

dt

ydm

2

2


Structura unui traductor de vibraţii este prezentată în figura de mai jos, unde se observă că elementul sensibil la vibraţii (ESV) generează la ieşire tot o

mărime de natură mecanică (deplasarea sau forţă) iar pentru obţinerea unui semnal electric care să fie prelucrat (calibrat) de adaptor, este necesar un

convertor intermediar care să transforme mărimea mecanică într-o mărime electrică.

Elementele sensibile pentru detectarea vibraţiilor liniare sunt de tip inerţial (cu masă seismică) prezentate în figura de pe slideul urmator. Un ESV are în

componenţă un sistem oscilant cu un singur grad de libertate, montat în interiorul unei carcase. Mişcarea este amortizată proporţional cu viteza.

Având în vedere că vibraţiile sunt caracteristice corpurilor în mişcare, analiza funcţionării elementului sensibil este atribuită regimului dinamic.


La apariţia deplasării x(t) a carcasei (fixată rigid pe suportul ale cărui vibratii se masoara), urmare a forţei de inerţie F aplicată corpului mobil de masă m, aceasta

se va deplasa pe o direcţie y paralelă cu axa x, după ecuaţia:

În carcasa se află convertorul intermediar (C.I.), care transformă deplasarea y(t) sau forţa dinamică într-un semnal electric. Convertorul intermediar poate fi de tip parametric sau de tip generator. În rezolvarea acestei ecuaţii se pot distinge trei situaţii specifice:

a) se consideră m – foarte mare, c şi k fiind neglijabile (amortizare şi resort slab).

În aceste condiţii ecuaţia devine: deci: y = - x

2

2

2

2

dt

xdmky

dt

dyc

dt

ydm

2

2

2

2

dt

xd

dt

yd


În acest caz, masa m nu urmăreşte mişcarea carcasei, ci rămâne fixă în spaţiul din interiorul carcasei, carcasa deplasându-se faţă de m. Deci elementul

sensibil la vibraţii este utilizabil pentru măsurarea deplasării x(t).

b) Amortizarea este puternică (c - foarte mare), m şi k fiind neglijabile. În această situaţie ecuaţia devine:

, deci:

Rezultă că deplasarea y este proporţională cu viteza de măsurat, adică ESV este utilizat la măsurarea vitezei .

c) Resortul este foarte rigid (k - foarte mare), iar m şi c fiind neglijabile. Similar

se obţine:

În această situaţie rezultă că deplasarea masei este proporţională cu acceleraţia de măsurat, ESV fiind utilizat la măsurarea acceleraţiei

imprimate carcasei.

2

2

dt

xdm

dt

dyc

dt

dx

c

my

)t(x

2

2

dt

xdmyk deci:

2

2

dt

xd

k

my


Traductoare de vibraţii şi acceleraţii - convertoare intermediare Convertoarele intermediare pot fi de tip parametric sau de tip

generator.

Tipuri de convertoarele intermediare parametrice.

a) Convertoarele intermediare rezistive – sunt realizate cu mărci tensometrice (MT) fixate pe arcul elastic sau pe alt element elastic

influenţat de masa vibrantă, figura de mai jos. Pe lamelă elastică (L), prinsă rigid de carcasă şi de masa m, este fixată marca

tensiometrică (MT) care îşi modifică rezistenţa prin deformarea generată de mişcarea vibratorie


b).Convertoarele intermediare capacitive au structura funcţională prezentată în figura anterioara. Datorită preciziei reduse, acestea se utilizează mai ales pentru masurări

relative. Prin deplasarea masei m se deplasează şi armătura mobilă (AM) faţă de armătura fixă (AF) a condensatorului C. Utilizând o schemă de măsurare adecvată,

capacitatea C(y) se determină comod, obţinându-se informaţii utile referitoare la caracteristicile vibraţiei.

c).Convertoarele intermediare inductive – funcţionează pe principiul modificării inductanţei unei bobine prin deplasarea unui miez mobil (Fig. a) sau modificarea

întrefierului între masa seismică şi bobină, (Fig. b).

d).Convertoare intermediare electromagnetice sunt folosite pentru măsurarea vibraţiilor liniare. Funcţionarea acestora se bazează pe fenomenul de generare a t.e.m. într-un conductor care se deplasează cu viteza v perpendicular pe liniile de câmp magnetic

de inducţie B:


unde u(t) este proporţională cu viteza de vibraţie şi este suficient de mare, astfel încât nu sunt necesare amplificatoare preformante (figura din stg.).

e) Convertoare intermadiare piezoelectrice. Fenomenul de piezoelectricitate constă în apariţia unei polarizări electrice (sarcini electrice) pe suprafeţele unui cristal,

atunci când asupra acestuia acţionează o forţă F. Polarizarea este proporţională cu mărimea forţei aplicate şi îşi schimbă semnul (polaritatea) după sensul forţei. Efectul piezoelectric se explică prin deformarea reţelei cristaline, fapt ce atrage

după sine deteriorarea echilibrului electric stabilit între atomii care constituie reţeaua.

Schema de principiu a unui convertor intermediar realizat cu element sensibil piezoelectric este prezentată în figura b. Elementele piezoelectrice sunt rondele

realizate din materiale piezoelectrice.


Acestea sunt pretensionate între masa seismică (m) şi corpul elementului sensibil. Mişcarea vibratorie x(t) deplasează masa

seismică, dând naştere unei forţe F ce presează intermitent rondele piezoelectrice, care generează sarcina electrică proporţională cu

acceleraţia.Adaptoarele pentru traductoarele de vibraţii se diferenţiază în funcţie

de tipul convertorului intermediar, în adaptoare pentru convertoare parametrice şi adaptoare pentru convertoare generatoare.

Adaptorul pentru elemente sensibile parametrice conţine o schemă de măsurare de tip Wheatstone, dacă ES sunt rezistive (mărci

tensometrice, mărci piezorezistive etc.) sau o schemă de tip punte Wien, Maxwell, dacă elementele sensibile sunt inductive sau capacitive (cap.4). Tensiunile de dezechilibru din punte sunt

amplificate şi prelucrate ulterior în scopul obţinerii semnalelor unificate.

Adaptoarele pentru convertoare intermediare generatoare (piezoelectrice) conţin preamplificatoare pentru a transforma

impedanţa de ieşire (de valoare mare) a convertorului intermediar într-o impedanţă mai mică, convenabilă operaţiei de măsurare, cât şi pentru a amplifica semnalul de nivel mic generat de către detectorul

piezoelectric.

senzori si traductoare

Documents

Transcript of senzori si traductoare