TEMA PROIECTULUI:

TRADUCTOARE

CUPRINS

CUPRINS.................................................................................................................................................2

ARGUMENT............................................................................................................................................3

GENERALITĂȚI........................................................................................................................................4

Structura generală a unui traductor.......................................................................................................5

Caracteristicile generale ale traductoarelor...........................................................................................6

FUNCTIILE ELEMENTELOR COMPONENTE..............................................................................................8

Sursele de semnal..................................................................................................................................9

Traductoare pentru procese lente.......................................................................................................11

1. Masurarea presiunii absolute şi diferentiale................................................................................11

2. Masurarea temperaturii...............................................................................................................15

3. Masurarea umiditatii....................................................................................................................16

4. Utilizarea interfetelor de achizitie native NI................................................................................17

5. Caracteristicile placii LabPC1200..................................................................................................17

6. Caracteristicile placii AD510........................................................................................................18

7. Caracteristicile placii Super 12 Bit................................................................................................19

BIBLIOGRAFIE.......................................................................................................................................20

2

ARGUMENT

Scopul lucrării este de a face o prezentare a pricipiilor de funcţionare ale celor mai uzuali senzori din compunerea traductoarelor analogice şi digitale de măsurare a vitezei de rotaţie, modul de etalonare cât şi posibilităţile de afişare şi prelucrare a informaţiilor obţinute de la aceştia.

Ansamblul format dintr-un senzor integrat in acelaşi circuit (chip) cu elementul de adaptare poartă numele de traductor "integrat". Recent a apărut conceptul de senzor sau traductor "inteligent" care prezină asocierea unui traductor cu un microprocesor (microcontroller). Astfel se pot obţine semnale de ieşire cu mare imunitate la pertarbaţii, liniarizarea caracteristicii de conversie a mărimii de intrare x(t) in mărime de ieşire y(t), autocalibrarea, corecţii faţă de diverşi factori de influenţă, generarea unor mărimi de control. Traductoarele inteligente s-au dezvoltat rapid ca elemente componente principale ale sistemelor automate, de măsură, monitorizare şi control, precum şi în domeniul roboticii industriale.

Senzorii şi traductoarele de nivel se folosesc pentru atingerea nivelului minim şi maxim dintr-un recipient cât şi pentru comanda de punere în funcţiune a dispozitivelor de umplere a rezervoareelor sau de umplere a lor.

Măsurarea nivelului în recipienţi este foarte importantă pentru multe procese tehnologice şi pentru evaluarea stocurilor existente.

Din punct de vedere al energiei, indispensabilă desfaşurării procesului de măsurare, senzorii se pot clasifica în senzori activi (generatori), senzori pasivi (parametrici).

În procesul de măsurare a nivelului pot apărea o serie de probleme specifice ca, de exemplu: vase speciale sub presiune sau la temperaturi înalte, prezenţa spumei la suprafaţa exterioară sau a turbulenţelor, corozitatea substanţelor folosite etc. Aceste probleme se rezolvă prin soluţii constructive adecvate. Cele mai simple traductoare de nivel se bazează pe forţa arhimedică: evident, ele pot fi folosite numai în cazul lichidelor.

Traductoarele de presiune reprezintă una dintre categoriile de traductoare care cunosc o largă raspândire în automatizările industriale, presiunea constituind un parametru de bază pentru numeroase procese tehnologice.

În multe ramuri industriale, ca de exemplu industria petrolului, chimiei, termoenergetică etc., reglarea presiunii este chiar determinanta pentru asigurarea desfa urării corecte a șîntregului proces tehnologic.

3

GENERALITĂȚI

    Traductoarele electroacustice sunt subansambluri funcţionale care transformă energia

acustică în energie electrică și invers.

    În funcţie de energia primară cu care lucrează le deosebim:

    - traductoare care transformă sunetele(micile deplasări de natură mecanică ce sunt date de

undele sonore) în curentul electric de audiofrecvenţă(AF) : microfoane, doze de redat discuri

    - traductoare care transformă curenţii electrici de audiofrecvenţă în sunete : casca,

difuzorul, gravorul de disc

    O altă categorie de traductoare o constituie capetele de redare-imprimare a

magnetofoanelor şi casetofoanelor, care transformă câmpul magnetic variabil în curent de AF

şi invers.

    Sursele de semnal şi transductoarele electroacustice sunt parţi componente  indispensabile

ale aparaturii electronice destinate reproducerii şi transmiterii programelor sonore.

    Este bine de ştiut că numai cunoscând construcţia şi modul de funcţionare al elementelor ce

intra în componenţa surselor de semnal şi a traductoarelor electroacustice se va putea asigura

o întreţinere eficientă care să mărească durata de funcţionare.

4

Structura generală a unui traductor

   Pentru măsurarea mărimilor fizice care intervin într-un proces tehnologic  este necesară, de

cele mai multe ori, convertirea(traducerea) acestora în mărimi de o altă natură fizică,

convenabile pentru celelalte elemente din cuprinsul SRA. De exemplu, o temperatură sau o

presiune sunt convertite în mărimi de natură electrică-tensiune, curent electric-proporţionale

cu mărimile generale care pot fi utilizate şi prelucrate de celelalte elemente de automatizare

ale SRA(comparatoare, regulatoare automate,etc.).

   Se numeşte TRADUCTOR          acel element al SRA care realizează convertirea unei

mărimi fizice-de obicei neelectrică─în mărime de altă natură fizică─de obicei electrică-

proporţională cu prima sau dependentă de aceasta, într-un fel prestabilit, în scopul utilizării

într-un sistem de automatizare.

    Există o largă varietate de traductoare, structura lor fiind mult diferită de la un tip de

traductor la altul. Se poate stabili o structură generală a unui traductor(fig.1).

   

Fig.1 Structura generală a unui traductor

ES─ element sensibil; AD─ adaptor; SE─ sursă de energie inclusă

    Mărimea de la intrarea traductorului i(reprezentând valori de presiune, temperatură, turaţie,

etc.) este convertită de elementul sensibil ES într-o mărime intermediară l care se aplică

adaptorului AD(convertorul de ieşire). Acesta transformă mărimea l în mărime de ieşire y de

obicei de natură electrică(tensiune, curent, rezistentă, etc.) ce poate fii observată sau

5

prelucrată mai uşor în circuitul de reglare. Convertorul de ieşire are totodată rolul de a realiza

şi o adaptare cu celelalte elemente din cadrul SRA.

Caracteristicile generale ale traductoarelor

    Se pot stabili următoarele categorii generale, valabile pentru orice traductor :

   - natura fizică a mărimilor de intrare şi de ieşire(curent, tensiune, rezistenţă, temperatură,

debit, nivel, etc.)

   - caracteristica statică a traductorului, care reprezintă grafic dependenţa y= f(i) dintre

mărimile de ieşire respective de intrare a traductorului

   - domeniul de măsurare, definit de pragurile superioare de sensibilitate i max. şi y max. şi

de cele inferioare i min. şi y min.

   - panta absolută(sensibilitatea) Ka reprezentând raportul dintre variaţiile mărimilor de ieşire

Δy,  respectiv de intrare Δi (fig. 2) :

                             K=           

   - panta medie(Km), reprezentând coeficientul unghiular (panta) dreptei care aproximează

caracteristica statică reală a traductorului(fig. 2):

Km= tgα ≈ Ka

6

Fig. 2 Caracteristica statică a unui traductor

  - puterea consumată la intrare(de obicei, o putere mică sau foarte mică, de ordinul câtorva

waţi sau miliwaţi, sau chiar mai puţin). Consumul propriu, fiind, de regulă, neglijabil,

înseamnă că puterea transmisă elementului următor este insuficientă pentru a determina o

acţionare; de aceea, în schemele de automatizare un traductor este urmat, aproape întotdeauna

de un amplificator.

7

FUNCTIILE ELEMENTELOR COMPONENTE

Elementul sensibil ES (denumit şi detector, captor sau senzor) este elementul specific

pentru detectarea mărimii fizice pe care traductorul trebuie să o măsoare. Sub acţiunea

mărimii de intrare, are loc o modificare de stare a elementului sensibil, care, fiind o

consecinţă a unor legi fizice cunoscute teoretic sau experimental, conţine informaţia necesară

determinării valorii acestei mărimi. Modificarea de stare presupune un consum energetic

preluat de la proces, în funcţie de fenomenele fizice pe care se bazează detecţia. Modificarea

de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la ieşirea ES (de exemplu t.e.m. a unui

termocuplu în funcţie de temperatură), în alte situaţii, modificarea de stare are ca efect variaţii

ale unor parametri de material a căror evidenţiere printr-un semnal necesită o energie de

activare externă. Indiferent cum s-ar manifesta modificarea de stare a ES, de obicei,

informaţia furnizată nu poate fi folosită ca atare, necesitând prelucrări ulterioare.

Adaptorul A are rolul de a adapta informaţia obţinută (simbolic) la ieşirea ES la

cerinţele impuse de aparatura de măsurare care o utilizează, respectiv să o convertească sub

forma impusă pentru semnalul y.

Funcţiile realizate de adaptor sunt complexe. Ele determină ceea ce se înţelege în mod

curent prin adaptare de nivel sau de putere (impedanţă) cu referire la semnalul de ieşire în

raport cu dispozitivele sistemului de măsurare. Totodată, adaptorul este cel care asigură

conversia variaţiilor de stare ale ES în semnale calibrate reprezentând valoarea mărimii de

intrare. Prin urmare, se poate spune că adaptorul este elementul în cadrul căruia se efectuează

8

operaţia specifică măsurării - comparaţia cu unitatea de măsură adoptată. Comparaţia se poate

face în raport cu o mărime etalon care exercită o acţiune permanentă şi simultană cu mărimea

de intrare (comparaţie simultană). În cele mai multe cazuri comparaţia este nesimultană, în

sensul că mărimea etalon este iniţial aplicată din exterior în cadrul operaţiei de calibrare,

anumite elemente constructive memorând efectele sale şi utilizându-le ulterior pentru

comparaţia cu mărimea de măsurat, singura care se aplică din exterior în aceste cazuri

(comparaţie succesivă)

Sursele de semnal

   Funcţional, sursele de semnal se pot împarţi în trei mari categorii principale :

   Din prima categorie fac parte traductoarele electromagnetice : microfoanele şi dozele de

redare.

   Capetele de înregistrare şi redare fac parte din a doua categorie. Ele sunt traductoare

magnetoelectrice care transformă semnalele electrice în fluxuri magnetice ce creează pe banda

magnetică o magnetizare remanentă în cazul capetelor de înregistrare sau transformă variaţia

magnetismului benzii în semnale electrice în cazul capetelor de redare.

   În cea de-a treia categorie intră generatoarele de semnal, în principal de semnalele pur

sinusoidale ce servesc în general la măsurarea caracteristicilor unui lanţ electroacustic sau la

crearea unor efecte sonore.

9

TIPURI DE SEMNALE

10

Traductoare pentru procese lente In cadrul proceselor lente se pot intalni diferite marimi care trebuie masurate şi controlate,

cum ar fi: temperatura, presiunea, debitul, nivelul, pHul şi conductivitatea. Fiecare din aceste

marimi poate fi masurata cu mai multi senzori sau traductoare in functie de anumite conditii

impuse, de domeniul şi de precizia de masura, ceea ce impune cunoaşterea modului de

utilizare a senzorilor şi traductoarelor şi a problemelor specifice pentru fiecare in parte.

Senzorul este un dispozitiv ce detecteaza o schimbare intrun stimul fizic şi returneaza un

semnal electric care poate fi masurat sau inregistrat, iar traductorul este un dispozitiv ce

transfera semnalul de la un sistem la altul in aceeaşi forma sau diferit. Senzorul este elementul

sensibil, iar traductorul contine elementul sensibil şi circuitele asociate (adaptoare de semnal).

 1. Masurarea presiunii absolute şi diferentiale Traductoare de masurare a presiunii:

 pastila semiconductoare lipita pe o diafragma din siliciu (piezorezistiv);

 pastila semiconductoare lipita pe o diafragma din otel inoxidabil;

 timbru tensiometric lipit pe o diafragma din otel inoxidabil.

 Motorola a dezvoltat familia de traductoare de presiune piezorezistivi care sunt foarte bine

adaptati pentru masurarea presiunilor şi nivelelor.

 

 

Figura 1.1. - Element de baza, capsula pentru presiune absoluta şi diferentiala

Sensorul piezorezistiv are ca principiu de masurare modificarea rezistentei unei pastile de

siliciu datorita tensiunilor rezultate in urma curbari acestei pastile. Deoarece variatia

rezistentei este foarte mica masurarea se face in punte.

 

11

 

Figura 1.2. - Schema interna echivalenta

In figurile urmatoare se poate observa carcasa traductorului din material plastic, pastila de

siliciu şi gelul siliconic cu rol de protectie a pastilei de siliciu. Elementul absolut fata de cel

diferential are partea de jos inchisa şi vidata.

 

 

Figura 1.3. - Structura elementului de masurare a presiunii absolute şi diferentiale

 

Seria MPX2xxx de senzori de presiune au calibrare interna a offsetului, cu ajutorul unor

rezistoare semireglabile şi compensare de temperatura. Elementul activ de masurare a

presiunii este de tip piezorezistiv.

Figura 1.4. - Seria MPX2xxx de senzori de presiune

12

 

Seria MPX5xxx de senzori de presiune au calibrare interna a offsetului, cu ajutorul unor

rezistoare semireglabile, compensare de temperatura şi amplificare de semnal.

 

 

Figura 1.5. - Seria MPX5xxx de senzori de presiune

 

In tabelul urmator sunt prezentate domeniile de masura şi sensibilitatea pentru fiecare tip de

traductor:

 

 

Nota: Sufixul DP semnifica ca traductorul respectiv este pentru masurarea presiunii

diferentiale;

  Sufixul AP semnifica ca traductorul respectiv este pentru masurarea presiunii

absolute;

Conditionarea

semnalului -

Conform

datelor de

catalog, prin

aplicarea unei

presiuni de

10 KPa

13

Dispozitiv Interval de

presiune

Sensibilitate Tensiune

generata

MPX2010DP 0 10 KPa ±0.01 KPa

(1 mmH2O)

25 mV

MPX5010DP 0 10 KPa ±0.01 KPa

(1 mmH2O)

0.19÷4.7 V

MPX5050DP 0 50 KPa ±0.05 KPa

(5 mmH2O)

0.19÷4.7 V

MPX2100AP 15 115 KPa ±0.1 KPa

(10 mmH2O)

40 mV

MPX5100AP 15 115 KPa ±0.1 KPa

(10 mmH2O)

0.19÷4.7 V

(0.98 m coloana de apa) unui dispozitiv MPX2xxx acesta genereaza la ieşire o tensiune de

amplitudine maxima 25÷40 mV. Pentru o buna utilizare acest semnal trebuie sa fie amplificat.

Aceasta amplificare poate fi realizata folosind un amplificator diferential realizat cu

amplificatoarele U1A şi U1B din circuitul LM324 care contine intern 4 amplificatoare

operationale. Rezistorul R1 permite stabilirea amplificarii. Ieşirea diferentiala astfel obtinuta

este amplificata cu ajutorul amplificatorului U1C prevazut şi cu un reglaj de offset prin

intermediul amplificatorului U1D şi a potentiometrului R10. Acest circuit permite obtinerea la

ieşire a unei tensiuni intre 0.19÷3.90 mV.

 

 

Figura 1.6. - Schema electrica de amplificare

 

In cazul unui dispozitiv MPX5xxx acesta genereaza la ieşire o tensiune de 4.7 V pentru

capatul de scala şi nu necesita circuite de amplificare suplimentare.

 

 

Figura 1.7. - Schema electrica de utilizare

14

 

2. Masurarea temperaturiiTraductoare de masurare a temperaturilor:

 termocuple;

 termorezistenta;

 termistorul;

 senzor integrat de temperatura;

 masurarea temperaturii in infraroşu.

 

Senzorul integrat LM35 - Este un senzor de temperatura de precizie, cu ieşire analogica de

tensiune proportionala liniar cu temperatura masurata in grade Celsius. Ieşirea are impedanta

scazuta, este liniara şi precizia implicita de calibrare simplifica interfata de citire a ieşirii.

 

Caracteristici generale Calibrat direct in °C; factor de scala liniar +10 mV/ °C; masurarea

temperaturii in intervalul 55 °C ¸ +125 °C; tensiune de alimentare intre 4¸30 V şi un curent de

60 µV; impedanta de ieşire 0.1 Ω pentru un curent de incarcare de 1 mA; propria incalzire

introdusa este de 0.08 °C in aer.

 

 

Nu necesita calibrare externa şi furnizeaza o precizie de ±0.25 °C la temperatura de 25 °C şi

±0.75 °C pe tot domeniul de temperatura.

LM35 poate fi aplicat in mod uşor in interiorul altor senzori integrati de temperatura. Prin

lipire sau cimentare pe o suprafata temperatura citita poate fi diferita cu 0.01 °C de

temperatura suprafetei.

Aceasta presupune ca temperatura aerului inconjurator este aproape identica cu temperatura

suprafetei; daca temperatura aerului este mult mai mare sau mai mica decat temperatura

suprafetei, temperatura indicata de senzorul integrat LM35 va fi una intermediara intre cea a

15

suprafetei şi cea a mediului. Este valabil in special pentru capsula de plastic TO92, unde

terminale din cupru reprezinta calea principala de evacuare a caldurii din circuit.

Problema poate fi rezolvata prin mentinerea traseului firelor de legatura ale circuitului LM35

la aceeaşi temperatura cu cea a suprafetei masurate; firele pot fi mentinute la aceeaşi

temperatura cu suprafata prin lipirea lor de suprafata cu raşina epoxidica. 

3. Masurarea umiditatii Poate fi realizata prin masurarea: diferentei de temperatura, modificarii capacitatii (cu

ajutorul higristoarelor), sau a modificarii rezistentei.

Punctul de roua Temperatura la care umiditatea incepe sa se formeze pe o suprafata, şi indica

saturarea in proportie de 100% a aerului cu umiditate.

Umiditatea absoluta Exprima o masura reala a cantitatii de vapori de apa in aer.

Umiditatea relativa - Procentul de umiditate in aer comparat cu o cantitate anterioara pe care

o poate contine aerul.

 

Figura 1.9. - Schema electrica de utilizare

 

 

4. Utilizarea interfetelor de achizitie native NI 

In cazul utilizarii unor interfete de achizitie analogice realizate de National Instruments (NI)

accesarea acestor interfete se realizeaza prin functii dedicate (intrari analogice, ieşiri

analogice, buffere de date, generatoare de semnal, intrari şi ieşiri digitale, timere şi

numaratoare, autocalibrare) puse la dispozie sub forma unui pachet numit NIDAQ.

16

  

 

5. Caracteristicile placii LabPC1200 

1. Intrari analogice:

- 8 canale de intrare analogice cu o rezolutie de 12 biti;

- rata de eşantionare de 100 KHz;

- tensiune de intrare ±5 V pentru intrare bipolara, 0÷5 V sau –5÷0 V pentru intrare unipolara

şi protectie pana la ±35 V;

- amplificare reglabila cu 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100;

- o precizie de citire de 0.02 %;

 

2. Ieşiri analogice:

- 2 canale de ieşire cu o rezolutie de 12 biti;

- rata de memorare de 1 KHz;

- tensiune de ieşire ±5 V pentru ieşire bipolara şi 0÷10 V pentru ieşire unipolara;

- o precizie de 0.002 %;

 

3. Intrari şi ieşiri digitale:

- 24 de linii de intrare ieşire digitale compatibile TTL;

- 3 numaratoare cu o rezolutie de 16 biti şi frecventa de baza de 2 MHz.

 

Pentru citirea placii Lab-PC-1200 este necesara specificarea:

 numarului de placi utilizate: 1;

17

 canalul utilizat: 0...7;

 limita superioara a semnalului de intrare: 5 V, 2.5 V, 1 V, 0.5 V, 0.25 V, 0.1 V, 0.05 V;

 limita inferioara a semnalului de intrare: 5 V, 2.5 V, 1 V, 0.5 V, 0.25 V, 0.1 V, 0.05 V;

Diagrama pentru citirea unui canal al placii Lab-PC-1200 este prezentata in figura urmatoare:

 

 

6. Caracteristicile placii AD510 

1. Intrari analogice:

- 8 canale de intrare analogice cu o rezolutie de 12 biti;

- rata de eşantionare de 7,5 sau 30 Hz;

- tensiune de intrare ±5 V pentru intrare bipolara;

- amplificare reglabila cu 1, 10, 100;

 

2. Intrari şi ieşiri digitale:

- 9 linii de intrare ieşire digitale compatibile TTL;

 

Citirea placii AD510 presupune doua etape:

 initializarea placii de achizitie: se realizeaza in cadrul 0 al structurii secventiale;

 citirea placii de achizitie: se realizeaza in cadrul 1 al structurii secventiale.

Pentru ambele etape este necesara specificarea:

 adresei placii: 512;

 canalul utilizat: 1...8;

 amplificarea selectata: 1, 10, 100;

18

 initializare (0) sau citire (1).

Diagrama pentru citirea unui canal al placii AD510 este prezentata in figura urmatoare:

 

 

 

7. Caracteristicile placii Super 12 Bit 

1. Intrari analogice:

- 16 canale de intrare analogice cu o rezolutie de 12 biti;

- rata de eşantionare de 20 KHz;

- tensiune de intrare ±10 V pentru intrare bipolara, 0÷10 V pentru intrare unipolara;

 

2. Ieşiri analogice:

- 2 canale de ieşire cu o rezolutie de 12 biti;

- rata de memorare de 1 KHz;

- tensiune de ieşire ±10 V pentru ieşire bipolara şi 0÷10 V pentru ieşire unipolara;

Utilizarea placii Super 12 Bit se face simplu, fiind necesara numai specificarea canalului

utilizat. Diagrama pentru citirea placii Super 12 Bit este prezentata in figura urmatoare:

 

 BIBLIOGRAFIE

1. ILIESCU, C. s.a. Masurari electrice si electronice.Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1984.

2. NICOLAU, E. s.a. Manualul inginerului electronist.Editura Tehnica, Bucuresti, 1979.

19

3. Internet sursa Wikipedia

4. Solicitari si masuri tehnice clasa a X-a All Educational, 2001 Mariana Constantin, Aurel Ciocarlea-Vasilescu

20