Traductoare Capacitive 2012

Click here to load reader

  • date post

    24-Jul-2015
  • Category

    Documents

  • view

    1.959
  • download

    7

Embed Size (px)

Transcript of Traductoare Capacitive 2012

Argument

Traductoarele sunt elemente din structura sistemelor automate care au rolul de a masura valorile parametrului reglat si de a converti acest parametru (marime) ntr-o marime fizica ce este compatibila cu marimea de intrare n elementul urmator al sistemului. Traductoarele se compun din elementul sensibil si elementul traductor , conform figurii 1. Elementul sensibil efectueaza operatia de masurare propriu-zisa, iar elementul traductor asigura transformarea semnalului ntr-un alt semnal, n general electric sau pneumatic, unificat, semnal ce e preteaza Fig 1. pentru transmiterea la distanta. Natura foarte diferita a marimilor de masurat (care pot fi termice, mecanice, radiatii s.a.) a impus unificarea semnalelor purtatoare deinformatii si alegerea marimilor electrice pentru acest scop, deoarece electronica si tehnica de calcul ofera cele rnai mari posibilitati de valorificare a informatiilor primite sub forma electrica (precizie, sensibilitate, consum mic de putere, viteza mare de raspuns, prelucrare operationala a mai multor semnale, stocare etc.). Performantele traductoarelor pot fi apreciate pe baza urmatoarelor caracteristici: - Sensibilitatea reprezinta limita raportului dintre variatia infinit mica a marimii de iesire si cea de intrare, cnd ultima tinde spre zero, adica:

Este necesar ca aceasta sensibilitate sa fie constanta pe tot domeniul de masura, adica elementul sa fie liniar, n caz contrar sensibilitatea putndu-se defini n jurul oricarui punct de functionare. n mod normal, elementele de masurat prezinta un anumit prag de sensibilitate, adica o valoare limita i sub care nu mai apare o marime masurabila la iesire. - Precizia se defineste ca valoarea relativa a erorii exprimata n procente:

obisnuit elementele de masurat din sistemele automate avand clase de precizie de 0,2 1,5 %, fiind necesar sa fie cu cel putin un ordin de marime superioara preciziei reglajului n ansamblu. - Liniaritatea se refera la aspectul caracteristicii statice a elementelor si, aceasta caracteristica nu trebuie sa prezinte curburi si histerezis pe tot domeniul de variatie al marimilor de intrare si iesire. -Comportarea dinamica. Aceasta caracteristica se refera la capacitatea elementului de a reproduce ct mai exact si fara ntrziere variatiile marimii masurate. Se apreciaza pe baza functiei de transfer a elementului, adica pe baza constantelor de timp ce intervin sau, uneori pe baza benzii de trecere -Reproductibilitatea, reprezinta proprietatea elementelor de a-si mentine neschimbate caracteristicile statice si dinamice pe o perioada ct mai lunga de timp, n anumite conditii de mediu admisibile. -Timpul de raspuns reprezinta intervalul de timp n care un semnal aplicat la intrare se va resimti la iesirea elementului. Acest timp poate fi orict de mic, dar niciodata nul, putnd fi asimilat cu inertia. -Gradul de finete se caracterizeaza prin cantitatea de energie absorbita de traductor din mediul de masura, recomandndu-se sa fie ct mai mica pentru a nu influenta desfasurarea procesului. Alegerea traductorului se va face n functie de parametrul reglat, n functie de mediul de masura, n functie de tipul semnalului: continuu, electric sau neelectric, discontinuu, s.a. Tipurile existente de traductoare sunt extrem de numeroase, clasificarea lor putandu-se face dupa urmatoarele criterii: 1. Dupa forma semnalului electric obtinut, traductoarele se pot grupa n:1

traductoare analogice, la care semnalul produs depinde continuu de marimea de intrare: traductoare numerice, la care semnalul de iesire variaza discontinuu, dup un anumit cod (operatie de codificare). 2. Dupa modul de transformri efectuate si modul de interconectare, traductoarele se mpart n: traductoare directe care realizeaz o singura transformare; traductoare complexe care nglobeaza mai multe tipuri de traductoare directe si uneori chiar elemente de aparte. 3. Dupa domeniul de utilizare, traductoarele avand denumirea marimii masurate pot fi: de presiune, de debit, de temperatura, de umiditate, de deplasare etc. 4. Dupa natura marimii de iesire, traductoarele electrice directe se mpart: traductoare pasive, la care ca marime de iesire este rezistenta, inductanta sau capacitatea si care necesita o sursa de energie auxiliara;

Capitolul 1 Notiuni introductiveSenzorii capacitivi fac parte din grupa senzorilor parametrici si convertesc marimea neelastica ntr-o variatie de capacitate. Prin definitie, capacitatea reprezinta raportul dintre cantitatea de sarcina electrica Q acumulata pe una din armaturile condensatorului si diferenta de potential U dintre ele: . Traductoarele capacitive pentru masurarea deplasarilor au la baza condensatorul plan si, respectiv, condensatorul cilindric.

h A

d d D

a

b Fig.2.Condensatoare electrice: a plan b cilindric

Din relatiile capacitatilor pentru condensatorul plan si pentru cel cilindric, rezulta ca traductoarele capacitive pot servi la convertirea in variatii de capacitate a oricarei marimi neelectrice care modifica unul dintre elemente, si anume: distanta dintre armaturi, suprafata de suprapunere a armaturilor, permitivitatea mediului dintre armaturi etc. Pentru a reduce efectul capacitatilor parazite ce apar in raport cu alte conductoare aflate in apropiere, traductoarele capacitive se ecraneaza; si in acest caz, apar capacitati parazite intre armaturi si ecran, insa acestea sunt constante ca valoare si , deci, controlabile in cadrul circuitelor de masurare. Condensatorul plan ( fig.2. a) prezinta o capacitate2

unde:

- permitivitatea vidului; - permitivitatea relativa a mediului dintre armaturi; A- Aria suprafetei de suprapunere a celor doi electrozi; d- distant dintre armaturi.

Condensatorul cilindric( fig.2. b) prezinta o capacitate

unde: D- diametrul electrodului exterior; d- diametrul electrodului interior; h- naltimea de suprapunere a celor doi cilindri. Traductoarele capacitive de deplasare sunt robuste si fiabile; ele pot fi sensibile la temperatura datorita dilatarii, insa, prin alegerea corespunzatoare a materialelor, se poate reduce acest efect. Traductoarele capacitive pot fi influentate de praf, coroziune, umiditate si de radiatiile ionizate. Fortele de actionare a partii mobile pentru traductoarele capacitive sunt deosebit de reduse. Elementul sensibil ES de tip capacitiv poate masura marimile neelectrice care influenteaza capacitatea unui condensator din componenta sa. In tabelul de mai jos sunt enumerate principalele fenomene fizice pe care se bazeaza conversia la traductoarele capacitive si marimile care pot fi masurate. Fenomenul fizic pe care se bazeaza conversia -variatia distantei sau a suprafetei comune a armaturilor prin deplasare directa sau prin asociere cu alte elemente -variatia permitivitatii dielectricului Aplicatii (marimi masurate) - deplasari liniare sau unghiulare - presiune - altitudine - proximitate - nivel - grosime - umiditate (corpuri solide)

1.1 Senzorii si traductoarele capacitive se pot clasifica ca in fiugura alaturata

3

Capitolul 2 Tipuri de traductoare 2.1 Senzori si traductoare capacitive cu modificarea distantei dintre armaturiCel mai simplu senzor este un condensator plan cu o armatura fixa si una mobila (fig. a) a carui capacitate in pozitia d= 0 este:

Daca se mareste distanta dintre armaturi cu d, capacitatea condensatorului devine:

si variatia de capacitate este:

C C- =Din ecuatia de mai sus, se obtine caracteristica de conversie C=f(d) ( fig.3 b), care prezinta o variatie parabolica.C

r

d

0 0

a- Schema electrica;

b- caracteristica de conversie

Fig. 3 . Senzor capacitiv cu armatura mobila UTILIZARE: Variatia capacitatii se poate considera liniara numai pentru deplasari reduse, de aceea aceste traductoare pot fi utilizare numai pentru masurarea deplasarilor mici , de 0-1 mm. Uneori, se contruiesc senzori capacitivi de presiune, la care o armatura este fixa, iar cealalta este formata dintr-o membrana care se deformeaza sub actiunea presiunii, obtinandu-se o caracteristica de conversie C= f(p) liniara.

presiune 4

2 3 1

Fig.4.Senzor capacitiv cu membrana elastica:4

1 armatura; 2 membrana in pozitie initiala; 3 membrana deformata: 4 carcasa Cel mai des folositi sunt, insa, senzorii capacitivi diferentiali ( fig.5. a), unde armaturile exterioare sunt fixe, iar armatura interioara este mobila, rezultand:

Senzorul capacitiv diferential se conecteaza intr-o punte de curent alternativ in regim neechilibrat si se obtine o caracteristica de conversie U= f(d) liniara( fig.5. b). UTILIZARE: Traductoarele capacitive diferentiale intra in structura micrometrelor electrice.U

d d

0

a- Schema eslectrica b- Caracteristica de conversie Fig.5. Senzor capacitiv diferential

2.2 Senzori si traductoare capacitive cu modificarea suprafetei de suprapunere a armaturilorSenzorii capacitivi cu armaturi plane de forma dreptunghiulara sunt utilizati pentru masurarea deplasarilor, o armatura deplasandu-se paralel fata de armatura fixa(fig.6.).

Fig.6. Senzor capacitiv cu modificarea suprafetei de suprapunere Aceeasi solutie de modificare a suprafetei de suprapunere se utilizeaza pentru deplasari ungiulare. Tipul cel mai raspandit de traductor capacitiv din aceasta categorie l constituie traductorul de deplasare unghiulara, reprezentat printr-un condensator rotativ, cu mai multe armaturi(fig.6. a). Traductor capacitive de deplasare unghiulara a- Schema electrica

5

Sub actiunea marimii de masurat, electrozii mobili se rotesc paralel cu electrozii ficsi, pastrand o distanta constanta, astfel ca se modifica aria de suprapunere dintre electrozi si prin aceasta capacitatea tradctorului este in fuctie de unghiul de rotatie. Capacitatea traductorului fiind:

(unde: n- numarul de armaturi; - ungiul sectorului circular;