Traductoare de Presiune

39
CUPRINS ARGUMENT CAPITOLUL I-PROCESUL DE MASURARE 1.1 Procesul de măsurare 1.2 Deosebirile dintre traductor şi aparatul de măsurat CAPITOLUL II-LOCUL SI ROLUL TRADUCTOARELOR IN SISTEME DE REGLARE AUTOMATA 2.1 Pozitia traductoarelor in cadrul S.R.A 2.2 Structura generală a unui traductor 2.3 Particularităţile semnificative ale adaptorului CAPITOLUL III- CARACTERISTICILE ŞI PERFORMANŢELE TRADUCTOARELOR 3.1 Caracteristici şi performanţe în regim staţionar 3.2 Caracteristici şi performanţe în regim dinamic CAPITOLUL IV -TIPURI DE TRADUCTOARE 4.1 Traductoare pentru mărimi electrice 4.2 Traductoare pentru forţe şi cuplu 4.3 Traductoare de presiune cu elemente sensibile elastice 4.3.1. Membrane 4.3.2. Tuburile ondulate (silfoanele) 4.3.3 Tuburi Bourdon

description

proiect traductoare de presiune

Transcript of Traductoare de Presiune

Senzori si Traductoare

CUPRINS

ARGUMENT

CAPITOLUL I-PROCESUL DE MASURARE

1.1 Procesul de msurare

1.2 Deosebirile dintre traductor i aparatul de msurat

CAPITOLUL II-LOCUL SI ROLUL TRADUCTOARELOR IN

SISTEME DE REGLARE AUTOMATA

2.1 Pozitia traductoarelor in cadrul S.R.A

2.2 Structura general a unui traductor

2.3 Particularitile semnificative ale adaptorului

Capitolul iII- CARACTERISTICILE I PERFORMANELE

TRADUCTOARELOR

3.1 Caracteristici i performane n regim staionar

3.2 Caracteristici i performane n regim dinamic

CAPITOLUL IV -TIPURI DE TRADUCTOARE 4.1 Traductoare pentru mrimi electrice

4.2 Traductoare pentru fore i cuplu 4.3 Traductoare de presiune cu elemente sensibile elastice

4.3.1. Membrane

4.3.2. Tuburile ondulate (silfoanele)

4.3.3 Tuburi BourdonBIBLIOGRAFIE

ARGUMENTTraductorul (definit n sensul atribuit de automatic) este un dispozitiv de automatizare care stabilete o coresponden ntre mrimea de msurat (ce poate fi de orice natur sau domeniu de variaie) i o mrime de natur dat, avnd un domeniu de variaie calibrat, mrime ce este recepionat i prelucrat de ctre echipamentele de conducere (regulatoare i calculatoare de proces).

Noiunea de traductor se poate extinde pentru definirea unor elemente cu funciuni similare care intr n structura unor lanuri de msurare complexe, utilizate n scopuri de cercetare, sau laboratoare metrologice .

Informaia furnizat de traductor nu se adreseaz unui operator uman, ci unui echipament de conducere sau reglare automat.

Deosebirile dintre traductor i aparatul de msurat rezid mai ales n natura caracteristicilor statice i dinamice. Din punct de vedere al caracteristicilor, traductoarelor li se impun urmtoarele cerine:

a) Relaie de dependen liniar ntre intrare i ieire (I - E).

b) Dinamic proprie care s nu influeneze n mod esenial comportarea SRA.

Aceste cerine reprezint restricii severe n construcia traductoarelor.

- Dac pentru un aparat de msur relaia de dependen I-E poate fi neliniar, n acest caz scara aparatului gradndu-se neliniar, n cazul traductorului dependena I-E este impus strict liniar, adic, eroarea de neliniaritate admis este foarte redus. Toate operaiile de conducere a procesului se bazeaz pe aceast proprietate.

n ceea ce privete, dinamica proprie, este necesar ca informaia furnizat de traductor ctre echipamentul de conducere s ajung la aceasta fr ntrziere, pentru ca deciziile de conducere s fie oportune.

Rezult c dinamica proprie a traductorului trebuie s fie rapid, nct programarea informaiei prin traductor (ntre I i E) s se fac cu ntrzieri minime (neglijabile) n raport cu dinamica procesului condus.

Se observ (deduce) c traductoarele trebuie s mbine cerinele de liniaritate i vitez de rspuns cu performanele metrologice privind precizia, similare cu cele ale aparatelor de msur sau chiar mai ridicate, innd seama c posibilitile de discriminare ale SRA sunt superioare fa de cele oferite de operatorul uman.

Toate consideraiile implic i necesitatea unei fiabiliti sporite n raport cu aparatele de msurat, datorit faptului c o indicaie greit dat de un aparat de msurat poate fi uor sesizat i interpretat de ctre operator, pe cnd detectarea unor valori eronate furnizate de traductoare este mult mai dificil n cazul unui SRA.

CAPITOLUL IPROCESUL DE MASURARE

Disciplina de Senzori i Traductoare ofer elevilor, cunotinele necesare nelegerii principiilor de funcionare i modului de realizare constructiv pentru cele mai utilizate traductoare n cadrul sistemelor de reglare (sau conducere) a proceselor industriale.

ntruct aceast disciplin (Senzori i Traductoare) este precedat i logic conectat de Msurrile Electrice, n cele ce urmeaz se vor reaminti cteva noiuni generale referitoare la:

Procesul de msurare

Importana msurrilor n tehnic

Unitile de msur.

1.1 Procesul de msurare

A msura nseamn a compara o mrime necunoscut (X) cu o alta de aceeai natur (x) luat drept unitate, dup relaia:

X = mx

(i .1)

n care m reprezint valoarea mrimii necunoscute (X). Aceast comparare este efectuat, de regul, de ctre un aparat de msur ce are memorat unitatea de msur, n interior, pe scara gradat.

Mrimea de msurat (X) se mai numete i msurand.

Indicaia aparatului de msur (valoarea m) este perceput de ctre un operator (uman sau automat), iar acest rezultat al msurrii este transmis mai departe pentru a fi utilizat n practic (fig. i .1).

Schema bloc din figura i.1 sugereaz c procesul de msurare poate fi considerat ca o interfa ntre obiectul de msur i domeniul de utilizare a rezultatului msurrii (control, verificare experimental a unei teorii etc).

Din cauza imperfeciunii aparatului de msurat (AM) i a operatorului, precum i datorit prezenei unor factori perturbatori (FP), rezultatul msurrii este ntotdeauna afectat de o eroare, iar nivelul acesteia definete calitatea de baz a unei msurri: precizia; cu ct eroarea este mai mic, cu att precizia este mai bun. Rezultatul unei msurri nu prezint nici o importan practic dac nu se cunoate i precizia acestuia.

Aparatul de msur (AM) trebuie s fie ct mai adecvat scopului urmrit, iar o alegere judicioas cere cunoaterea performanelor i limitelor aparatului respectiv n condiiile reale de lucru. Principalul parametru de calitate al unui AM este precizia; aceast precizie trebuie verificat, de regul, naintea operaiei de msurare, mai ales cnd se fac msurri de mare rspundere, fr a acorda credit sut la sut indicaiilor din prospectul aparatului.

1.2 Deosebirile dintre traductor i aparatul de msurat

Prin aparat de msurat se nelege acel dispozitiv care stabilete o dependen ntre mrimea de msurat i o alt mrime ce poate fi perceput nemijlocit cu ajutorul organelelor de sim umane, ntr-o manier care permite determinarea valorii mrimii necunoscute n raport cu o anumit unitate de msur.

n cazul SRA conducerea procesului fcndu-se fr participarea direct a operatorului uman, mijloacele prin care se realizeaz operaia de msurare se numesc traductoare.

Traductorul (definit n sensul atribuit de automatic) este un dispozitiv de automatizare care stabilete o coresponden ntre mrimea de msurat (ce poate fi de orice natur sau domeniu de variaie) i o mrime de natur dat, avnd un domeniu de variaie calibrat, mrime ce este recepionat i prelucrat de ctre echipamentele de conducere (regulatoare i calculatoare de proces).

Noiunea de traductor se poate extinde pentru definirea unor elemente cu funciuni similare care intr n structura unor lanuri de msurare complexe, utilizate n scopuri de cercetare, sau laboratoare metrologice .

Observaii:

Fcnd paralelismul funcional ntre aparatele de msurat i traductoare, se observ o serie de deosebiri prin faptul c traductorul este un element component al SRA.

Informaia furnizat de traductor nu se adreseaz unui operator uman, ci unui echipament de conducere sau reglare automat.

Deosebirile dintre traductor i aparatul de msurat rezid mai ales n natura caracteristicilor statice i dinamice. Din punct de vedere al caracteristicilor, traductoarelor li se impun urmtoarele cerine:

c) Relaie de dependen liniar ntre intrare i ieire (I - E).

d) Dinamic proprie care s nu influeneze n mod esenial comportarea SRA.

Aceste cerine reprezint restricii severe n construcia traductoarelor.

- Dac pentru un aparat de msur relaia de dependen I-E poate fi neliniar, n acest caz scara aparatului gradndu-se neliniar, n cazul traductorului dependena I-E este impus strict liniar, adic, eroarea de neliniaritate admis este foarte redus. Toate operaiile de conducere a procesului se bazeaz pe aceast proprietate.

n ceea ce privete, dinamica proprie, este necesar ca informaia furnizat de traductor ctre echipamentul de conducere s ajung la aceasta fr ntrziere, pentru ca deciziile de conducere s fie oportune.

Rezult c dinamica proprie a traductorului trebuie s fie rapid, nct programarea informaiei prin traductor (ntre I i E) s se fac cu ntrzieri minime (neglijabile) n raport cu dinamica procesului condus.

Se observ (deduce) c traductoarele trebuie s mbine cerinele de liniaritate i vitez de rspuns cu performanele metrologice privind precizia, similare cu cele ale aparatelor de msur sau chiar mai ridicate, innd seama c posibilitile de discriminare ale SRA sunt superioare fa de cele oferite de operatorul uman.

Toate consideraiile implic i necesitatea unei fiabiliti sporite n raport cu aparatele de msurat, datorit faptului c o indicaie greit dat de un aparat de msurat poate fi uor sesizat i interpretat de ctre operator, pe cnd detectarea unor valori eronate furnizate de traductoare este mult mai dificil n cazul unui SRA.

CAPITOLUL II

LOCUL SI ROLUL TRADUCTOARELOR IN SISTEME

DE REGLARE AUTOMATA2.1 Pozitia traductoarelor in cadrul S.R.ASe consider schema structural, a unui sistem monovariabil de reglare automat, prezentat n figura i.3.

Fig. i.3 Schema de principiu a unui SRA monovariabil

ntruct semnificaia i rolul elementelor ce compun aceast schem sunt cunoscute de la disciplina Bazele Sistemelor Automate, aici trebuie observat numai faptul c traductorul este plasat pe calea de reacie, avnd la intrare mrimea reglat (y), pe care o convertete (o traduce) n mrime de reacie (yr ). Mrimea de reacie, nsumat cu referina (r), determin eroarea de reglare (() conform relaiei:

(i.2)

n cazul unui sistem multivariabil de reglare i/sau conducere automat schema de principiu este de tipul celei din figura i.4.

Fig. i.4Sistem de conducere automat a unui proces multivariabil

Semnificaia notaiilor din figura i.4 este:

Tr traductoare; EE element de execuie; SI-I sistem de interfa a intrrilor; SI-E sistem de interfa a ieirilor; SIA sistem de interfa pentru mrimi analogice; SIN sistem de interfa pentru mrimi numerice; C.P. calculator de proces; C.O. - -consola operator; C.U. calculator universal; P.G. periferice generale.

Din cele dou scheme se constat c traductoarele (Tr) sunt situate pe calea informaional avnd sensul de transmitere de la proces ctre sistemul de conducere, iar EE sunt plasate pe calea de transmitere a comenzilor de la sistemul de conducere ctre proces. Cuplarea traductoarelor cu procesul se poate realiza n diverse moduri: mecanic, termic, electric etc, n raport cu natura fenomenelor purttoare de informaie referitoare la mrimea de msurat.

Datorit unor avantaje bine cunoscute, majoritatea echipamentelor de automatizare sunt electrice sau electronice, i numai n cazuri speciale pneumatice (medii cu pericole de explozii sau incendii).

Ca urmare, semnale de ieire ale traductoarelor sunt de natur electric (tensiune, cureni) sau pneumatic (aer instrumental).

Semnalele de ieire ale traductoarelor, indiferent de natura lor electric sau pneumatic, au domenii de variaie fixate.

n acest mod se creaz posibilitatea utilizrii de echipamente tipizate, realizndu-se aa-numitele sisteme unificate de aparate pentru automatizare.

Prin sistem unificat de echipamente pentru automatizare se nelege ansamblul aparatelor i dispozitivelor realizate dup un principiu constructiv unic, ce utilizeaz un semnal unificat.

Sistemele unificate de echipamente pentru automatizri, n care sunt incluse i traductoarele, asigur avantaje tehnico-economice legate de producerea n serii mari, modularizarea, tipizarea i interconectarea rapid a diferitelor componente, ceea ce contribuie la reducerea costurilor de ntreinere i depanare.

ntruct traductoarele sau unele componente ale acestora sunt montate direct n instalaiile n care se desfoar procesul, este necesar ca acestea s funcioneze corect, n condiii foarte dificile: umiditate, medii corozive sau uneori la temperaturi ridicate sau la presiuni foarte mari.

Asigurarea unei funcionri corecte n asemenea condiii dificile impune o atenie deosebit la realizarea constructiv a traductoarelor.

2.2 Structura general a unui traductor

Realizarea funciilor (menionate) de ctre traductor astfel nct semnalul obinut la ieirea acestuia s reprezinte valoric mrimea msurat, sub form accesibil dispozitivelor de automatizare, implic o serie de operaii de conversie nsoite totodat i de transformri energetice bazate fie pe energia asociat mrimii preluate din proces, fie pe cea furnizat de sursele auxiliare. Schema structural a unui traductor este prezentat n figura i.5.

Fig. i.5- Structura general a unui traductorSemnificaia blocurilor funcionale este urmtoarea:D ( ES (element sensibil), sau detector; ET = element de transmitere (de transfer); A ( AD este adaptorul; SEA este sursa de energie auxiliar.

Mrimea de msurat x este aplicat la intrarea traductorului, reprezentnd parametrul reglat (temperatur, debit, presiune, turaie, nivel, vitaz, for etc).

Mrimea de ieire y reprezint valoarea mrimii msurate, exprimat sub form de semnal analogic (curent, tensiune sau presiune).

a) Detectorul (D) numit i element sensibil, senzor sau captor este elementul specific pentru detectarea mrimii fizice pe care traductorul trebuie s o msoare.

n mediul n care trebuie s funcioneze traductorul, n afara mrimii x, exist i alte mrimii fizice. Detectorul trebuie s aib calitatea de a sesiza numai variaiile mrimii x, fr ca informaiile pe care acesta le furnizeaz s fie afectate de celelalte mrimi din mediul respectiv (din proces).

n urma interaciunii dintre mrimea de msurat i detector are loc o modificare de stare a acestuia, care, fiind o consecin a unor legi fizice cunoscute teoretic sau experimental, conine informaia necesar determinrii valorii mrimii de msurat.

Modificarea de stare presupune un consum energetic preluat de la proces. n funcie de fenomenele fizice pe care se bazeaz detecia i de puterea asociat mrimii de intrare, modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la ieirea elementului sensibil.

(Exemplu: Tensiunea electromotoare generat la bornele unui termocuplu n funcie de temperatur.)

n alte situaii modificarea de stare are ca efect modificarea unor parametrii de material a cror evideniere se face utiliznd o energie de activare de la o surs auxiliar (SEA).

Indiferent cum se face modificarea de stare a detectorului (D), informaia furnizat de acesta nu poate fi folosit ca atare, necesitnd prelucrri ulterioare prin (ET) i (A).

b) Adaptorul (A) are rolul de a modifica (adapta) informaia obinut la ieirea detectorului (D) la cerinele impuse de aparatura de automatizare, care o utilizeaz, adic s o converteasc sub forma impus pentru semnalul de ieire y.

2.3 Particularitile semnificative ale adaptorului

La partea de intrare, adaptorul se caracterizeaz printr-o mare diversificare constructiv pentru a putea prelua variatele forme sub care pot s apar modificrile de stare ale diferitelor elemente sensibile (ES).

Pe parte de ieire, adaptoarele cuprind de regul (la echipamentele standardizate) elemente comune necesare generrii semnalelor unificate, care nu depind de tipul sau domeniul de variaie al mrimii de intrare.

Funciile realizate de adaptor sunt complexe, ele incluznd i adaptarea de nivel, putere (sau impedan) cu referire la semnalul de ieire, n raport cu dispozitivele de automatizare.

Adaptorul asigur conversia variaiilor de stare ale ES n semnale calibrate la ieire, ce reprezint (la o alt scar) valoarea mrimii de intrare. Deci, adaptorul (AD) realizeaz operaia specific msurrii, adic comparaia cu unitatea de msur adoptat.

Modalitile practice de efectuare a comparaiei sunt diverse i acestea difereniaz tipurile de adaptoare (determin diferenieri structurale ale adaptoarelor).

Astfel, comparaia poate fi simultan cnd se compar permanent o mrime etalon cu mrimea de intrare.

De cele mai multe ori comparaia este succesiv (nesimultan) cnd mrimea etalon este aplicat numai iniial pentru calibrare (fiind memorat) iar mrimea de msurat se aplic permanent.

n acest caz valoarea memorat a mrimii etalon se compar succesiv cu valorile mrimii de intrare (care variaz).

n funcie de legile fizicii pe care se bazeaz detecia realizat de (ES) operaia de msurare n cadrul adaptorului presupune posibilitatea efecturii unor operaii de calcul liniare ( amplificare, atenuare, sumare, integrare, difereniere) sau neliniare ( produs, ridicare la putere, radical, logaritmare etc) ct i realizarea unor funcii intenionat neliniare introduse pentru compensarea neliniaritilor inerente unor componente astfel nct la ieirea adaptorului dependena (I-E) s rezulte liniar.

n funcie de elementele constructive, impuse de natura semnalelor de ieire, adaptoarele sunt de dou feluri:

Adaptoare electrice (electronice);

Adaptoare pneumatice.

n raport cu forma de variaie a semnalelor de ieire, adaptoarele pot fi:

a)- Analogice;

b)- Numerice.Semnalele analogice se caracterizeaz prin variaii continue ale unui parametru caracteristic i sunt, de regul, semnale unificate.

Prin semnal unificat se nelege adoptarea ca semnal a aceleiai mrimi fizice, cu acelai domeniu de variaie, indiferent de locul unde este plasat elementul de automatizare ntr-un SRA.

Frecvent utilizate sunt urmtoarele semnale unificate:

1) Curentul continuu (n cazul sistemelor de reglare a proceselor lent variabile) cu domeniul de variaie:

Icc([ 2 10] mA , sau Icc([4 20] mA

2) Tensiunea continu (n cazul sistemelor de reglare a proceselor rapide), cu domeniul de variaie:

Vcc([0 10] V; sau Vcc([-10 +10] V;

3) Presiunea aerului instrumental (aer fr impuriti i cu umiditate minim standardizat) produs n instalaii speciale:p ([0,2 1] daN/cm2 sau: p( [0,2 1] bar.

Semnalele numerice, generate la ieirea traductoarelor numerice i utilizate n SRAN, se caracterizeaz prin variaii discrete care permit reprezentarea ntr-un anumit cod a unui numr de valori din domeniul de variaie a semnalului analogic de la intrarea traductorului.

Cele mai utilizate coduri (cu nivele compatibile TTL) sunt:

binar - natural, cu 8, 10, 12, 16, 32 bii (uneori 64 bii);

binar codificat zecimal cu 2, 3 sau 4 decade.

Observaii:

a) Utilizarea unui traductor este precedat de operaia de calibrare iniial prin care intervalul de variaie al semnalului analogic de la ieirea traductorului (adaptorului) se asociaz domeniului necesar al mrimii de intrare n traductor i n consecin, fiecrui nivel de semnal la ieire i corespunde o valoare bine precizat a mrimii de intrare (a mrimii traduse) prin legea de dependen liniar a mrimii msurate.

b) Particularitile referitoare la aspectele tehnologice sau economice impun i prezena unor elemente auxiliare.

Exemplu: n msurarea temperaturilor nalte, elementul sensibil (ES) nu poate fi plasat n aceeai unitate constructiv cu adaptorul. Deci, este necesar un element de legtur ntre ES i A (adaptor). Aceste elemente, (ET) de transmisie, realizeaz legturi electrice, mecanice, optice etc ntre ES i A.

Dac mrimea generat de ES este neadecvat pentru transmisie (cazul transmisiilor la mare distan) atunci ET conine i elemente de conversie potrivit cerinelor impuse de canalele de transmisie.

c) n categoria elementelor auxiliare intr i sursele de energie auxiliar, care ajut la conversia semnalelor din ES i A, atunci cnd aceste conversii nu se pot obine utiliznd puterea asociat mrimii de msurat, sau cnd aceste conversii (cu energie proprie luat de la semnalul de msurat) introduc dificulti n realizarea performanelor cerute semnalului de ieire din traductor.

Capitolul iIICARACTERISTICILE I PERFORMANELE

TRADUCTOARELOR

3.1 Caracteristici i performane n regim staionar

Caracteristicile funcionale ale traductoarelor reflect (n esen) modul n care se realizeaz relaia de dependen intrare-ieire (I-E).

Performanele traductoarelor sunt indicatori care permit s se aprecieze msura n care caracteristicile reale corespund cu cele ideale i ce condiii sunt necesare pentru o bun concordan ntre acestea.

Caracteristicile i performanele de regim staionar se refer la situaia n care mrimile de intrare i de ieire din traductor nu variaz, adic parametrii purttori de informaie specifici celor dou mrimi sunt invariani.

Caracteristica static a traductorului este reprezentat prin relaia intrare ieire (I-E):

y = f(x)

(1.1)

n care y i x ndeplinesc cerinele unei msurri statice.

Relaia (1.1) poate fi exprimat analitic sau poate fi dat grafic printr-o curb trasat cu perechile de valori (x , y).

Caracteristica y = f(x) red dependena I-E sub forma ideal deoarece, n realitate, n timpul funcionrii traductorului, simultan cu mrimea de msurat x, se exercit att efectele mrimilor perturbatoare externe ct i a celor interne care determin modificri nedorite ale caracteristicii statice ideale.

n afara acestor perturbaii (nedorite), asupra traductorului intervin i mrimile de reglaj, notate prin . Aceste reglaje servesc la obinerea unor caracteristici adecvate domeniului de variaie al mrimii de msurat n condiii reale de funcionare a traductorului. innd seama de toate mrimile care pot condiiona funcionarea traductorului, acesta se poate reprezenta printr-o schem funcional restrns, ilustrat n figura 1.1.

Reglajele nu provoac modificri nedorite ale caracteristicii statice ideale i sunt necesare pentru:

alegerea domeniului de msurare;

prescrierea sensibilitii traductorului,

Erorile de neliniaritate

Caracteristicile statice sunt determinate de legile fizice pe care se bazeaz funcionarea elementelor componente din structura traductorului. Aceste caracteristici se deduc prin calcul sau experimental. Raportate la un domeniu larg de variaie a mrimii de intrare, caracteristicile statice se obin neliniare.

Datorit avantajelor pe care le au caracteristicile liniare se procedeaz fie la limitarea funcionrii traductorului pe anumite zone ale caracteristicii (unde neliniaritatea este redus), fie se liniarizeaz pe poriuni caracteristica cu ajutorul unor dispozitive special introduse n structura traductorului. Astfel, caracteristicile statice liniare constituie o aproximare a caracteristicilor reale neliniare, aproximare acceptabil pentru condiiile de utilizare a traductorului.

O msur a aproximrii o reprezint abaterea de la liniaritate sau eroarea de neliniaritate

( Sensibilitatea (S)

Sensibilitatea traductorului se definete n raport cu mrimea de intrare, neglijnd sensibilitile parazite introduse de mrimile perturbatoare. Pentru variaii mici (x i (y sensibilitatea se definete prin raportul dintre variaia ieirii i variaia intrrii. n cazul unei caracteristici statice liniare sensibilitatea este reprezentat de coeficientul unghiular al dreptei.

S = dy/dx ( (y/(x = k = tg( (1.10)

O alt exprimare a sensibilitii, ce ine seama de domeniul de msurare, este dat de relaia:

(1.11)

Din relaia (1.11) rezult c sensibilitatea este constant pentru ntregul domeniu de msurare. n cazul unor caracteristici statice neliniare se pot defini numai valori locale ale sensibilitii sub forma:

; (1.12)

unde (x i (y sunt variaii mici n jurul punctului de coordonate (xi, yi).

Sensibilitatea Si se numete i sensibilitate diferenial. Din relaiile (1.10) i (1.11) se observ c sensibilitatea este o mrime ale crei dimensiuni depind de dimensiunile mrimilor de intrare i de ieire, iar valoarea sa depinde de unitile de msur utilizate pentru mrimile respective.

n cazurile caracteristicilor liniare, la care natura mrimilor x i y este aceeai, sensibilitatea (S) se va numi factor de amplificare, dac este supraunitar (S > 1), iar dac S < 1 sensibilitatea se va numi factor de atenuare.Aceti factori sunt adimensionali i sunt frecvent utilizai pentru caracterizarea traductoarelor.

Cnd domeniul mrimii de intrare este foarte extins, amplificarea sau atenuarea se exprim n decibeli [db] prin relaia:

A=20 log (y(x); [db] (1.13)

Uneori se utilizeaz noiunea de sensibilitate relativ exprimat prin:

(1.14)

unde (y(y este variaia relativ a ieirii, iar (x(x este variaia relativ a intrrii.

Sensibilitatea relativ (Sr) se exprim printr-un numr adimensional, iar valoarea sa nu depinde de sistemul de uniti i ca urmare Sr este util la compararea traductoarelor atunci cnd acestea au domenii de msurare diferite.

( Rezoluia

Sunt traductoare care au caracteristici statice ce nu sunt perfect netede. Ca urmare, la variaii continue ale mrimii de intrare (x) n domeniul de msurare, semnalul de ieire (y) se modific prin salturi avnd valori bine precizate (deoarece are variaii discrete).

Intervalul maxim de variaie al mrimii de intrare necesar pentru a determina apariia unui salt la semnalul de ieire, se numete rezoluie.

Rezoluia este utilizat, mai ales, la traductoare cu semnale de ieire numerice, a cror caracteristic static este dat printr-o succesiune de trepte (figura 1.6). n acest caz rezoluia este dat de intervalul de cuantificare (x al mrimii de intrare, iar pentru un domeniu de msurare fixat prin (x se stabilete numrul de nivele analogice ce pot fi reprezentate de ctre semnalul de ieire.

Rezoluia reprezint un indicator de performan i n cazul unor traductoare considerate (de obicei) analogice, cum sunt traductoarele pentru deplasri liniare sau unghiulare bobinate, la care variaiile de rezisten (sau de tensiune - la montajele poteniometrice) prezint un salt la trecerea cursorului de pe o spir pe alta.

Pragul de sensibilitate

Cea mai mic variaie a mrimii de intrare care poate determina o variaie sesizabil (msurabil) a semnalului de ieire, se numete prag de sensibilitate.

Pragul de sensibilitate este important, ntruct condiioneaz variaiile minime la intrare care pot fi msurate prin intermediul semnalului de ieire.

Factorii care determin pragul de sensibilitate sunt fluctuaiile datorate perturbaiilor interne i externe: zgomotul n circuitele electrice, frecrile statice i jocurile n angrenaje pentru dispozitive mecanice.

Calitatea traductoarelor este cu att mai bun cu ct sensibilitatea S este mai mare, iar rezoluia i pragul de sensibilitate sunt mai reduse.

( Precizia (eroare de msurare)

Scopul fundamental al oricrei msurri, acela de a determinarea i exprima numeric valoarea mrimii de msurat, poate fi realizat numai cu un anumit grad de incertitudine.

Orict de perfecionate ar fi metodele i aparatele utilizate i orict de atent ar fi controlat procesul de msurare, rezultatul msurrii va fi ntotdeauna diferit de valoarea real sau adevrat a msurandului.

Eroarea de msurare reprezint diferena dintre rezultatul msurrii i valoarea real. Este evident c, din punct de vedere calitativ msurrile sunt cu att mai bune cu ct erorile respective sunt mai mici. Problematica erorilor de msurare este complex i pentru detalii se recomand lucrruile [1] i [4]. n cele ce urmeaz se prezint succint noiunile necesare pentru nelegerea semnificaiei preciziei traductoarelor. Cauzele erorilor de msurare sunt multiple i se pot evidenia printr-o analiz atent a operaoiei de msurare. Acestea sunt:

- Eroarea de interaciune este provocat de faptul c ES al traductorului exercit o aciune asupra valorii reale a mrimii de msurat, astfel nct valoarea efectiv convertit difer de cea real. Erorile de interaciune pot aprea i ntre diversele componente din structura traductorului.

- Eroarea de model este determinat de faptul c se idealizeaz caracteristicile statice, ignorndu-se anumii factori care le pot influena. Determinarea experimental a caracteristicilor statice prin utilizarea unor etaloane cu precizie limitat, genereaz eroarea de model.

- Erori de influen care apar atunci cnd mrimile perturbatoare au variaii mari i nu pot fi compensate (prin mijloace tehnice).

n raport cu proprietile lor generale s-au stabilit urmtoarele criterii de clasificare a erorilor :

3.2 Caracteristici i performane n regim dinamic

Regimul dinamic al unui traductor corespunde funcionrii acestuia n situaia n care mrimea de msurat (x) i implicit semnalul de ieire (y) variaz n timp. Variaiile mrimii de intrare nu pot fi urmrite instantaneu la ieire , datorit ineriilor care pot fi de natur: mecanic , electromagnetic , termic etc.

Funcionarea traductorului n regim dinamic este descris de o ecuaie diferenial de tipul:

(1.26)

unde , sunt derivatele n raport cu timpul de ordinul q i k ale intrrii x(t) i respectiv ieirii y(t); i sunt coeficieni (de regul invariani).

Ecuaia (1.26) caracterizeaz complet regimul dinamic al traductorului dac sunt prevzute: condiiile iniiale, valorile mrimilor x(t), y(t) i valorile derivatelor la momentul iniial t0.

Pentru ca traductorul (ca element fizic) s poat fi realizat practic este necesar condiia: n > m, deci se impune ordinul ecuaiei difereniale. Pentru determinarea soluiei ecuaiei (1.26) se utilizeaz tehnicile uzuale de rezolvare a ecuaiilor difereniale liniare cu coeficieni constani.

Dup rezolvarea ecuaiei difereniale (1.26) se obine soluia ecuaiei pentru condiii iniiale date i mrimea de intrare cunoscut sub forma unei anumite funcii de timp:

y(t) = ytl (t) + ytf (t) + ysf (t) (1.27)

Cei trei termeni ai soluiei (1.27) au semnificaiile:

- ytl (t) ( componenta tranzitorie liber, care nu depinde de intrare, dar depinde de dinamica traductorului, ct i de condiiile iniiale nenule de la ieire;

- ytf (t) ( componenta tranzitorie forat, care depinde att de dinamica traductorului ct i de intrare (x);

- ysf (t) ( componenta forat n regim stabilizat (sau permanent), n care, datorit neliniaritii, se regsete forma de variaie a intrrii.

Traductorul ideal, din punct de vedere al comportrii dinamice, ar fi acela la care s existe numai ultima component n (1.27), fr componente tranzitorii.

Analiza comportrii dinamice a traductoarelor utiliznd rezolvri ale ecuaiei (1.26) reprezint operaii complicate (dei posibile). Din acest motiv se utilizeaz metode mai simple care s asigure suficient precizie, dar aprecieri i comparaii mai rapide referitor la performanele dinamice ale traductoarelor.

Adoptnd ipotezele simplificatoare: condiii iniiale nule, intrri (x) standard (impuls sau treapt) se poate aplica transformarea direct Laplace ecuaiei difereniale i rezult funcia de transfer a traductorului:

; (1.28)

Funcia de transfer permite (f.d.t.) determinarea rspunsului (traductorului) n form explicit pentru orice tip de variaie a intrrii (x). De asemenea, funcia de transfer permite o corelare ntre analiza teoretic a regimului dinamic i determinrile experimentale.Analiza performanelor n regim dinamic (pentru traductoare) utiliznd H(s) se poate face astfel:

1) n domeniul timpului utiliznd funcia indicial (rspuns la treapt)sau funcia pondere (rspunsul la impuls);

2) n domeniul frecvenei, pe baza rspunsului permanent armonic la variaia sinusoidal a intrrii (x).

Analiza n regim dinamic este similar cu cea de la circuitele electronice (sau din teoria SRA) cu precizarea c valoarea benzii de stabilizare nu trebuie s depeasc valoarea de 2% din semnalul de la ieire n regim staionar (stabilizat) ys.

Fig.1.12 Funcia indicial a unui traductor analogic echivalent

cu un element de ordinul II (oscilant - amortizat).

Principalii indicatori de regim dinamic pentru traductoarele analogice sunt :

a) (M abaterea dinamic maxim (influenat de factorul de amortizare al traductorului);

b) Suprareglarea (supracreterea) definit prin relaia:

(1.29)

c) Abaterea (eroarea) dinamic curent definit prin relaia

(D = y(t)-ys ; (1.30)

d) Timpul tranzitoriu (timp de rspuns) tt definit ca la disciplina de B.S.A. Criteriul de delimitare a timpului tranzitoriu (tt) este stabilit prin relaia:

(1.31)

CAPITOLUL IV

TIPURI DE TRADUCTOARE 4.1 Traductoare pentru mrimi electrice

Transportul, distribuia i utilizarea energiei electrice au impus utilizarea traductoarelor pentru mrimi electrice att n producerea i transportul energiei electrice, ct i n scopuri de reglare, supraveghere local sau la distan. n general, principiul de funcionare al traductorului se bazeaz pe conversia mrimilor electrice preluate direct (de la reea), sau prin intermediul unor elemente primare de transformare n semnale unificate de tensiune sau curent.

Cele mai utilizate sunt traductoarele care servesc la conversia urmtoarelor mrimi electrice: curent, tensiune, putere, frecven (abatere de frecven), defazaj i factor de putere.

De regul, mrimile de intrare n traductoarele electrice nu se aplic direct, ci prin intermediul unor elemente auxiliare standardizate: unturi electrice, divizoare de tensiune (pentru mrimile continue), transformatoare de curent i transformatoare de tensiune (pentru mrimile alternative). Forma caracteristicilor statice a traductoarelor de mrimi electrice este impus de natura aplicaiilor (care sunt diversificate).

n general, dependena intrare - ieire este liniar, dar la traductoarele de curent i/sau tensiune (folosite pentru supravegherea parametrilor energetici), aceste caracteristici se impun neliniare. 4.2 Traductoare pentru fore i cuplu Traductoarele pentru fore i momente sunt necesare pentru supravegherea structurilor cinematice supuse unor regimuri variabile de ncrcare variabile (de exemplu: maini unelte, roboi, macarale, benzi transportoare etc.). n aceste situaii, fora apare ca o mrime vectorial iar determinarea direciei n care acioneaz fora este esenial. Un caz particular, cnd ne intereseaz valoarea absolut a forei (direcia fiind a priori cunoscut) l reprezint operaia de cntrire automat, adic determinarea greutii unei mase. n aceste cazuri fora este caracterizat i prin acceleraia pe care o imprim structurii cinematice:

(9.1)

unde F este fora ce acioneaz asupra masei m ; a - acceleraia ; K - un coeficient care depinde de sistemul de uniti.

n Sistemul Internaional (SI) pentru [m]=1kg i [a]=1m/s2, K=1, iar [F]=1N.Momentul M este produsul dintre for i braul forei (definit prin distana msurat ntre punctul de aplicare a forei i centrul de rotaie) :

M = , sau (9.2)

unde: este braul forei ; J - momentul de inerie ; au - acceleraia unghiular.

n SI, unitatea de msur pentru moment este [Nm].

Momentul poate fi de: rsucire (torsiune), ncovoiere sau forfecare. Msurarea forelor de ntindere sau compresiune se apreciaz prin msurarea alungirii relative (apreciat prin efortul unitar) care reprezint deformaia produs de fora ce acioneaz pe unitatea de suprafa ntr-un solid:

(9.3)

unde: este deformaia ; - efortul unitar ; E - modulul de elasticitate.Uzual deformaia se exprim n [mm m] sau [m m] .

Conversia deformaiei n semnal util este cea mai rspndit metod pe care se bazeaz funcionarea traductoarelor de fore i momente, datorit posibilitilor tehnice de valorificare a efectului tensorezistiv. Efectul tensorezistiv const n modificarea rezistenei unui conductor atunci cnd acesta este supus la un efort care i provoac alungirea sau compresia. Acest efect a fost pus n eviden nc din 1856 de lord Kelvin, dar aplicaia a devenit utilizabil n tehnic dup circa 75 de ani, cnd s-a construit prima marc tensometric.

Pe lng elementele sensibile tensorezistive, n construcia traductoarelor de for se mai utilizeaz elemente sensibile parametrice de tip inductiv sau capacitiv. Deasemenea, traductoarele de for utilizeaz i elemente sensibile generatoare, bazate pe efecte de material (efect magnetostrictiv sau efect piezoelectric).

4.3 Traductoare de presiune cu elemente sensibile elastice

Aceast categorie de traductoare conin elemente elastice care convertesc presiunea n deformaia elastic a unor corpuri de form special. Elementele sensibile utilizate frecvent sunt: tubul simplu curbat, tubul spiral, membrana simpl sau dubl (capsul) i tip burduf.

4.3.1. Membrane

Membranele sunt plci elastice de grosime mic, de form circular, ncastrate la extremitate. Fixarea pe contur a membranelor face ca sub aciunea presiunii aplicate pe o fa s dea deformaii relativ uor msurabile, ceea ce a cptat o larg utilizare de aparate de msurat. Prin caracteristicile lor, membranele fac posibil msurarea presiunilor de la civa mm H2O pn la sute de atmosfere (at). Se pot utiliza ca elemente sensibile ca atare, sau n corelaie cu alte traductoare de presiune (piezoelectrice, magnetoelastice etc.).

Dup forma constructiv, membranele pot fi clasificate:

plane, a cror suprafa este dreapt (fig.10.2);

gofrate, a cror suprafa are un anumit profil (fig.10.3); sferice, a cror suprafa este curbat n form de calot sferic (figura 10.4).

Fig. 10.2 Membran planFig.10.3 Membran gofrat

Fig. 10.4 Membran sfericFig. 10.5 Domenii de lucru ale membranelor metalice

Membrane plane. Membranele plane se pot clasifica n funcie de :a) rigiditate: metalice (cu rigiditate mare); nemetalice (rigiditate mic, foarte flexibile);

b) raportul dintre sgeata y de la mijlocul membranei i grosimea ei (():

membrane groase (y ( (); membrane cu grosime medie (y ( 3(); membrane subiri (y > 3();

c) modul de ncastrare, care poate fi: perfect (realizat prin lipire) sau liber (alunector, realizat prin strngerea membranei ntre dou inele cu ajutorul unei garnituri).

Materialele din care se confecioneaz de regul membranele plane metalice sunt: bronzul fosforos, bronzul cu beriliu, alpacaua, oelul inoxidabil. Ct privete membranele plane nemetalice, ele pot fi executate din cauciuc, esturi cauciucate, piele. Deoarece n cadrul traductoarelor de presiune se utilizeaz ca elemente sensibile membrane metalice, n cele ce urmeaz ne vom referi numai la aceast categorie. Domeniile de lucru ale membranelor metalice se pot stabili dac se traseaz o curb caracteristic aproximativ, ca n figura 10.5.

Se observ existena a 3 zone de lucru posibile, corespunztor raportului dintre grosimea ( a membranei i sgeata maxim y:

a- pentru y < (, la membranele groase, caracteristica este liniar;

b- pentru y 3(, la membranele subiri, caracteristic neliniar.

Fig. 10.6 Caracteristica de funcionare a membranelor groase

Lund n considerare forele i momentele care acioneaz asupra elementului de volum n [2] se deduce relaia general, valabil n cazul membranelor groase

(10.3)

n care: p este presiunea plicat uniform pe suprafaa membranei; R- raza membranei (vezi fig. 10.2); E- modulul de elasticitate al materialului din care este confecionat membrana; (- grosimea membranei; y- sgeata maxim (obinut n centrul membranei, pentru r = 0);

- constant de material;

(- coeficientul lui Poisson.

Caracteristica de funcionare este prezentat n figura 10.6.

n cazul membranelor metalice de grosime medie (y ( 3(), relaia (10.3) devine:

(10.4)

valoarea coeficientului A3 depinznd de sistemul de ncastrare. Astfel, la ncastrare perfect, A3 ( 3, iar la ncastrare liber A3 = 6/7 (pentru un ( = 0,3).

Pentru membranele metalice subiri (y > 3(), relaia (10.3) are forma:

(10.5)

n care i depind de material i de modul de ncastrare. Membrane ondulate (gofrate). Membranele ondulate sunt prevzute cu o serie de gofreuri concentrice, avnd n zona central o poriune plan, de obicei rigidizat. Fa de membranele plane, membranele gofrate prezint o serie de avantaje n funcionare, cum ar fi: posibilitatea obinerii unor deformaii (sgei) mari fr deformri permanente (se pot deci msura presiuni mari); o caracteristic de funcionare apropiat de cea liniar; stabilitate mai mare a caracteristicilor etc.

Dezavantajul important l constituie tehnologia de execuie care este mult mai complicat fa de membranele plane.

Formele cele mai utilizate de gofreuri sunt: sinusoidal; trapezoidal; ascuit.Membranele ondulate pot fi folosite simplu, sau sub forma unor ansambluri de dou membrane lipite pe circumferin, care poart numele de capsule.

Dup destinaia lor, capsulele pot fi: manometrice (presiunea de msurat se introduce n interior), care msoar diferena de presiune dintre un mediu interior i mediul exterior (fig.10.7); aneroide (n interior se realizeaz o rarefiere, putndu-se deci msura presiunea mediului exterior); umplute (n interior se introduc gaze, vapori, lichid).

Utilizarea capsulelor n msurrile de presiune este avantajoas, deoarece se poate realiza o sgeat dubl n comparaie cu o membran ncrcat similar. O mrire substanial a sgeii se poate obine dac se utilizeaz o baterie de capsule (mai multe capsule suprapuse). n aceast situaie, deplasarea centrului bateriei fb este:

(10.6)

n care: fc - este deplasarea centrului unei capsule; k - numrul de capsule;

fm - deplasarea centrului unei membrane.

Fig. 10.7 Capsul

Materialul din care se confecioneaz membranele ondulate i capsulele este bronzul cu beriliu (material cu o caracteristic stabil i pierderi mici prin histerezis 0,20,5%).

Caracteristica de funcionare a membranei ondulate se deduce prin nlocuirea membranei ondulate cu una plan, iar influena gofreurilor este luat n considerare prin introducerea unor coeficieni de anizotropie la ntindere i ncovoiere pe direcie radial i circumferenial. Relaia final are forma:

(10.7)

n care: a , b depind de coeficienii de anizotropie, precum i de coeficientul lui Poisson. Aceti coeficieni pot fi determinai direct cu ajutorul unor nomograme trasate funcie de nlimea gofreurilor, ( (grosimea membranei) i caracteristicile constructive ale gofreurilor. Semnificaia celorlalte notaii din relaia (10.7) este similar cu aceea din (10.3).

4.3.2. Tuburile ondulate (silfoanele)

Silfonul este un tub cilindric cu gofraje transversale pe suprafaa lateral. Forma general a unui silfon este prezentat n figura 10.8.

Materialele cele mai indicate pentru confecionarea silfoanelor sunt:

p ( 1,5 daN/mm2: bronzul cu beriliu;

presiuni mari (solicitri ciclice): bronzul cu beriliu i adaos de litat;

p > 200 daN/mm2 i funcionare n medii agresive: oel inoxidabil.

n construcia aparatelor de msurat se folosesc de obicei (pentru game medii de presiune) tuburi ondulate cu diametrul 7150 mm i h = 0,080,3 mm, cu care se pot realiza sensibiliti de ordinul 10-1 mm H2O. Profilul tuburilor este diferit funcie de modul n care este utilizat. Astfel, de exemplu, dac solicitrile sunt de ntindere, profilul se execut cu un punct de inflexiune, pentru compresiune se folosesc profile drepte, etc.

Fig. 10.8 SilfonFig. 10.9 Tub Bourdon simplu

Sgeata care rezult n urma aplicrii unei presiuni p poate fi calculat considerndu-se, ntr-o prim aproximaie, tubul ondulat ca un sistem de plci inelare legate pe conturul exterior. Rezult c sgeata y are forma:

(10.8)

n care: F este fora central care acioneaz axial asupra tubului; n- numrul de onduleuri; Ak- coeficient care depinde de materialul tubului i de geometria lui; h- grosimea; r0- razele de curbur ale onduleurilor.

Valorile coeficientului Ak depind de raportul .

4.3.3 Tuburi Bourdon

Tuburile Bourdon sunt tuburi cu perei subiri sau groi de forma unui arc de cerc avnd la centru n jur de 250oC (fig.10.9). Deoarece din punct de vedere constructiv sunt relativ simplu de executat, au o mare rspndire n dispozitivele de msurare a presiunii. Deoarece sensibilitatea este relativ mic, pentru obinerea unei deplasri apreciabile a captului liber se monteaz un mecanism de multiplicare.

Tuburile Bourdon se ntrebuineaz att pentru msurarea presiunilor joase (civa mm Hg), ct i pentru msurarea presiunilor nalte (( 400 daN/cm2). Pentru presiuni p > 10 daN/cm2 se ntrebuineaz tuburi cu perei groi.

Cteva dintre formele cele mai utilizate de seciuni ale tuburilor Bourdon sunt prezentate n figura 10.10.

Fig. 10.10 Seciuni de tub Bourdon: a) plan-oval; b) eliptic; c) n D

Seciunile eliptic i plan-oval sub aciunea presiunii de msurat i mresc raza de curbur, dar au o sensibilitate mai mic n raport cu aceea n form de D.

Ceea ce intereseaz n funcionarea ca element sensibil a tubului B este deplasarea captului liber sub aciunea presiunii interioare din tub (presiunea de msurat) deplasare care se face n sensul ndreptrii tubului.

Presupunnd un tub Bourdon cu unghiul la centru (