CAPITOLUL ITRADUCTOARE

a. Noiuni generale

n scopul msurrii mrimilor fizice ce intervin ntr-un proces tehnologic, este necesar de obicei convertirea (traducerea) acestora n mrimi de alt natur care pot fi introduse cu uurin ntr-un circuit de automatizare (de exemplu, o temperatur poate s influeneze un circuit de automatizare numai dac este convertit (tradus) ntr-o tensiune electric proporional sau dependent de temperatura respectiv).

Fig. 1. Structura general a unui traductor.

Elementul care permite convertirea (traducerea) unei mrimi fizice (de obicei neelectric) ntr-o alt mrime fizic (de obicei electric) dependent de prima, n scopul introducerii acesteia ntr-un circuit de automatizare se numete traductor.5

n structura traductoarelor se ntlnesc, n general, o serie de subelemente constitutive, ca, de exemplu : convertoare, elemente sensibile, adaptoare etc. Dup cum va reiei din exemplele urmtoare, structura general a traductoarelor este foarte diferit de la un tip de traductor la altul, cuprinznd unul, dou sau mai multe convertoare conectate n serie. n majoritatea cazurilor, structura general a unui traductor este cea din fig. 1. Mrimea de intrare Xi (de exemplu, presiune, nivel, for etc.) este convertit de ctre elementul sensibil ntr-o mrime intermediar X0 (deplasarea liniar sau rotire), care este transformat n mrimea de ieire Xe (tensiune electric, rezisten, inductan, capacitate), aplicat circuitului de automatizare cu ajutorul unui adaptor.

b. Caracteristicile generale ale traductoarelorDe obicei, adaptorul cuprinde i sursa de energie care face posibil convertirea mrimii X0 n mrimea Xe. La un traductor, mrimea de intrare Xi i cea de ieire Xe sunt de natur diferit, ns sunt legate ntre ele prin relaia general de dependen : Xe = f(Xi), (discrete). Pe baza acestei relaii de dependen se stabilesc urmtoarele caracteristici generale valabile pentru orice traductor : - natura fizic a mrimilor de intrare i de ieire (presiune, debit, temperatur, deplasare etc., respectiv rezistena electric, curent, tensiune etc.); - puterea consumat la intrare i cea transmis elementului urmtor. De obicei, puterea de intrare este relativ mic (civa wai, miliwai sau chiar mai puin), astfel nct elementul urmtor n schema de automatizare este aproape totdeauna amplificator;6

(1)

care pot fi o funcie liniar sau neliniar, cu variaii continue sau discontinue

- caracteristica static a traductorului, care este reprezentarea grafic a relaiei (1) fig. 2; - sensibilitatea absolut sau panta Ka, care este raportul dintre variaia mrimii de ieire Xe i variaia mrimii de intrare Xi (fig. 2) Ka = Xe ; Xi (2)

- panta medie (Km), care se obine echivalnd caracteristica static cu o dreapt avnd coeficientul unghiular: Km = tg Ka; (3)

- domeniul de msurare, definit de pragurile superioare de sensibilitate Xi max i Xe max i de cele inferioare Xi min i Xe min.

7

Fig. 2. Caracteristica static a unui traductor.

c. Clasificarea traductoarelorntruct circuitele de automatizare sunt n general de natur electric, mrimea de ieire a traductoarelor este aproape exclusiv de natur electric. Clasificarea traductoarelor poate fi fcut n funcie de natura mrimii de ieire Xe sau n funcie de natura mrimii de intrare Xi.

n funcie de forma semnalului informaional obinut la ieirea traductorului

se deosebesc :

8

- traductoare analogice, la care semnalul de ieire este continuu, printr-o infinitate de valori;

variaz

- traductoare numerice, la care semnalul de ieire este numeric (digital).

n funcie de natura mrimii de ieire (Xe) se deosebesc : - traductoare electrice la care mrimea de ieire este un semnal electric, de

obicei de valori unificate; - traductoare pneumatice, la care mrimea de ieire este un semnal pneumatic, de valori unificate Pe = 0,21 atm; se folosesc n medii cu pericol de explozii sau incendii, spaii n care prezena curentului electric este interzis la orice valori ale parametrului respectiv. Traductoarele electrice se subdivid la rndul lor n : - traductoare parametrice, la care mrimea de msurat este transformat ntrun parametru de circuit electric. Traductoarele parametrice se mpart deci la rndul lor n : traductoare rezistive, traductoare inductive i traductoare capacitive; - traductoare generatoare, la care mrimea msurat este transformat ntr-o tensiune electromotoare a crei valoare depinde de valoarea mrimii respective.

n funcie de natura mrimii aplicate la intrare (Xi) se disting : - traductoare de mrimi neelectrice;

traductoare de mrimi electrice. n practic, traductoarele sunt definite pe baza ambelor criterii artate mai sus.

n funcie de domeniul de variaie al mrimii de ieire, traductoarele se - traductoare unificate, la care mrimea de ieire reprezint un semnal unificat

clasific n : electric, sau pneumatic; - traductoare neunificate. n figura 3 se prezint ca exemplu un traductor rezistiv de presiune. Presiunea de msurat P este aplicat unui burduf metalic special B care se deplaseaz n sus, pe msur ce presiunea crete, deplasnd prin tija T cursorul reostatului R.9

Fig. 3 Traductor rezistiv de presiune.

Aadar, rezistena Rx obinut ntre bornele c i o va crete o dat cu creterea presiunii. Pentru a pune n eviden variaia rezistenei Rx, deci a presiunii P, se realizeaz un circuit electric ca cel din figur, i anume : rezistenei totale R0 i se aplic o tensiune constant U0, iar voltmetru V este legat poteniometric ntre bornele c i o. n consecin, voltmetrul V va indica tensiunea Ux, proporional cu rezistena Rx, deci cu deplasarea d, care la rndul sau depinde de presiunea P. Scara voltmetrului este gradat direct n uniti de msur ale presiunii (atm).

10

Fig. 4 Traductor capacitiv de dimensiune.

n figura 4 este prezentat un traductor inductiv de for. Aceasta cuprinde un miez magnetic format dintr-o armtur fix C i o ar-mtur mobil M inut n poziie vertical de resoartele A1 i A2, la o distan de armtura fix. Pe armtura fix se afl se afl pe bobin coninnd N spire, a crei inductan Lx variaz cu ntrefierul .11

n aceste condiii, cnd fora crete, crete corespunztor, i deci Lx scade. Cum curentul Ix din circuitul electric crete o dat cu scderea inductanei, el crete deci cu creterea forei F.

Fig. 5 Traductor capacitiv de dimensiune.

n figura 5 este prezentat un traductor capacitiv pentru msurarea diametrelor axelor care se prelucreaz prin strunjire. Aceasta cuprinde dou armturi curbe C1 i C2, avnd raza de curbur R0 i centrul de curbur n centrul O al axului A, care se rotete fiind strunjit de cuitul S. Notnd cu Rx raza axului, rezult c distana d (d = R0 Rx) crete o dat cu scderea diametrului 2Rx al axului de prelucrat. Valoarea capacitii Cx este determinat de cele dou capaciti formate din armturile C1 i C2, nseriate prin axul A.

12

CAPITOLUL IITRADUCTOARE DE TEMPERATUR1. Noiuni generale.

Temperatura este mrimea fizic ce caracterizeaz starea de nclzire a unui corp. Pentru a msura temperatura este necesar o scar de temperatur care, n sistemul internaional de uniti (SI), este scara termodinamic. Scara termodinamic practic are la baz dou puncte fixe: acela de topire a gheii (00C) i de fierbere a apei (1000C), interval care a fost divizat n 100 de pri (grade) 100 de grade centigrade. Se mai folosete de asemenea i scara termodinamic absolut (Kelvin), care are ca origine punctul zero absolut al temperaturilor; simbolul gradului absolut este K. Valoarea unui grad absolut este egal cu aceea a unui grad centigrad i ntruct punctul de topire al gheii este 273,15 K, relaia care leag temperatura unui corp msurat la scara centigrad (t0C) i absolut (T0C) este urmtoarea: T = (273,15 + t) K. Aparatura pentru msurarea temperaturii se clasific n funcie de variaia unui parametru cu temperatura n aparate bazate pe: - variaia termic (dilatarea) a corpurilor; - variaia rezistenei electrice (termorezistene); - variaia tensiunii termoelectrice (termocupluri); - variaia radiaiei termice (pirometrice). Denumirea general a aparatelor pentru msurarea temperaturii este aceea de termometre.13

2. Traductoare termorezistive. Traductoarele termorezistive (traductoare parametrice) sau, cum se mai numesc, termorezistenele, sunt rezistoare sensibile la temperatur, confecionate din materiale conductoare sau semiconductoare a cror rezistivitate variaz cu temperatura. Termorezistenele conductoare (metalice) sunt confecionate din metale pure, cum sunt: fierul, cuprul, nichelul sau platina, avnd coeficientul de temperatur cuprins ntre 3,7 103

i 6,5 10

3

1/0C. Aceasta nseamn c la o cretere a

temperaturii de 1000C, rezistena materialului crete cu 37 65 %. Variaia rezistenei metalelor n funcie de temperatur este liniar pentru temperaturi de 100 2000C, fiind exprimat prin relaia: Rt = R0 (1 + ), n care: Rt este valoarea final a rezistenei ( ); R0 valoarea iniial a rezistenei ( ); - variaia de temperatur ( 0C ); - sensibilitatea relativ ( 1/0C). Pentru cupru, n intervalul +50 < t < 1500C sensibilitatea relativ = 4,3 10 -3 (1/0C). termorezistenele semiconductoare, numite i termistoare, sunt

confecionate prin presare din oxizii, carburile sau sulfurile unor metale ca: nichel,14

cupru, plumb, magneziu etc. Rezistivitatea acestor materiale este incomparabil mai mare dect cea a metalelor (de 1010.....1021 ori mai mare), ns, spre deosebire de metale, rezistena termistoarelor RT scade cu creterea temperaturii, dup o relaie exponenial. La zero absolut rezistivitatea termistoarelor devine infinit, n timp ce rezistivitatea conductelor devine zero (fenomenul de supraconductivitate). n cazul termorezistenelor semiconductoare, variaia este incompatibil mai mare dect n cazul termorezistenelor conductoare, mai ales n domeniul temperaturilor negative pe scara Celsius. Termistoarele sunt folosite mai ales pentru msurarea temperaturilor joase. Aceste proprieti ale termorezistenelor (metalice sau semiconductoare) fac posibil folosirea lor ca elemente sensibile n realizarea traductoarelor. Dup modul de nclzire a termorezistenelor folosite n construcia traductoarelor, se deosebesc dou principii de msurare: - temperatura i implicit rezistena termorezistenei sunt determinate de temperatura mediului ambiant, influena curentului de msurare fiind neglijabil (termorezistene folosite la termometre); - nclzirea este produs de curentul electric care strbate termorezistena, temperatura, i deci valoarea rezistenei, fiind determinat de condiiile variabile de transmitere a cldurii n mediul ambiant (termorezistenele folosite la analizoarele de gaz, la vacuummetre, la anemometre etc.). n acest caz, schimbul de cldur (disiparea) ntre conductorul termorezistiv i mediul ambiant se face prin convecie, conducie, conducie i radiaie. Termorezistenele metalice se confecioneaz de obicei din srm de cupru, nichel sau platin cu diametre de circa 0,1 mm i de lungimi care s asigure rezistene normale de 46 sau 100 .

15

Srma se bobineaz pe carcase de mic, porelan sau cuar i, uneori, cnd mediul de msurare este agresiv (atac materialul termorezistenei), se introduc n teci metalice de protecie (figura 6). Termometrele cu termistoare au valori nominale cuprinse ntre 1000 i 200000 i sunt utilizate n special n domeniul temperaturilor negative pe scara Celsius, datorit sensibilitii mari a acestora.

Figura 6. Termorezistenele de cupru se folosesc pentru msurarea temperaturilor n domeniul 0 1200C i prezint n acest domeniu o variaie liniar cu temperatura. Termorezistenele de platin sunt utilizate pentru msurarea temperaturilor cuprinse ntre 200 i +5000C. Termorezistoarele pot fi utilizate ca traductoare de temperatur unificate (figura 7) prin cuplarea lor cu adaptoare formate din blocuri de gam tip H72 (la o termorezisten) sau tip H77 (dou termorezistene) i amplificator cu modulator tip ELT 160. Se obine astfel la ieire un semnal unificat i = 2.10 mA c.c., corespunztor domeniului de variaie al temperaturii.

16

Figura 7.3. Traductoare termoelectrice.

Acestea sunt traductoare generatoare a cror funcionare se bazeaz pe tensiunea electromotoare (numit tensiune termoelectromotoare) care apare n punctul de sudare (jonciune) a dou materiale diferite A i B supuse nclzirii. Aceast tensiune, care este proporional cu temperatura msurat, poate fi pus n eviden, de exemplu, cu ajutorul milivoltmetrului mV (figura 8,b). Circuitul format din cele dou conductoare (termoelectrozi) poart i numele de termocuplu. n acest caz (figura 8,a), tensiunile termoelectromotoare EAB1 i EAB2, obinute la jonciunile J1 i J2, vor fi funcii de temperaturile T1 i T2: EAB1 = f1(T1); EAB2 = f2(T2).

17

Figura 8. Jonciunea J1, la care se aplic sursa temperaturii de msurat, se numete captul activ al termocuplului, iar jonciunea J2, captul liber. Tensiunea termoelectromotoare EAB msurat de aparatul de msurare (milivoltmetrul mV) va fi dat de relaia: EAB = EAB1 EAB2 = f1(T1) f2(T2). Aceasta nseamn c, pentru ca indicaia aparatului mV s fie corect, trebuie ca temperatura captului liber s fie constant, deci f2(T2) = K: EAB = f1(T1) K = f(T1). Att timp ct temperaturile de msurat sunt relativ mici (sute sau mii de grade), erorile de msurare provenite din variaia temperaturii mediului ambiant (de exemplu, T = 21.+400C) sunt neglijabile. La msurri de precizie, captul liber al termocuplului este introdus ntr-un vas cu ap cu ghea (T1 = 00C). Materialele folosite pentru confecionarea termocuplurilor sunt: - pentru temperaturi pn la 10000C metale i aliaje obinuite ca fierul, cuprul, constantanul, cromelul (90% Ni + 10% Cr), aluminiul (95%Ni + procente de Mn, Al, Si, Fe), copelul (56%Cu + 44%Ni) etc;

18

- pentru temperaturi cuprinse ntre 1100 i 16000C metale nobile ca platina, thoriul, iridiul etc; - pentru temperaturi ce depesc 16000C materiale greu fuzibile (refractare), cum sunt: wolframul, molibdenul, carbura de siliciu etc: Tensiunile termoelectromotoare obinute de la termocupluri sunt de obicei cuprinse ntre 5 i 50 mV. Termocuplurile sunt protejate de obicei n teci de protecie, astfel c numai dup aspectul exterior nu se poate face totdeauna distincie ntre o termorezisten i un termocuplu. 4. Traductoare pirometrice. Traductoarele respective, numite i traductoare de radiaii calorice, sunt folosite pentru msurarea temperaturilor mari (600 20000C) ale unor corpuri, fr contact direct ntre elementul sensibil i corp. Traductorul pirometric de radiaie total tip K42 (K56) funcioneaz pe baza dependenei dintre temperatura absolut T (n Kelvin) a unui corp nclzit i energia total Er radiat pe toate lungimile de und: Er = KT4, n care K este o constant ce depinde de natura corpului nclzit. Elementul sensibil este construit dintr-o cutie A (figura 9,2), fixat de exemplu n peretele B al unui cuptor de topit metal, care cuprinde nite plcue P din platin nnegrit (reprezentnd corpul negru absolut care absoarbe toate radiaiile incidente).

19

Figura 9. Pe aceste plcue sunt fixate termocupluri E de tipul cromel constantan care dau la ieire o tensiune U proporional cu temperatura la care sunt nclzite. Un sistem de lentile L concentreaz pe plcuele P radiaia caloric emis de corpul (metalul topit) care este nclzit la temperatura T. Traductorul pirometric conine i adaptorul tip ELT 161, care transform tensiunea U n semnal unificat de curent i = 210 mA c.c., corespunztor diverselor domenii de msurare a temperaturii: 600 14000C; 700 15000C; 700 16000C; 800 17000C i 1100 20000C. n figura 9,b este reprezentat aspectul exterior al pirometrului de radiaie total tip K42. La unele variante constructive pirometrul este prevzut cu un sistem de rcire (cu ap) pentru protejare mpotriva nclzirii excesive a corpului acestuia. Supraveghetorul de flacr SFT 168 este tot un traductor pirometric utilizat pentru supravegherea automat a flcrii unui arztor (de gaze sau combustibil lichid). Supraveghetorul cuprinde dou pri distincte: - detectorul de vizare realizat cu un element fotoelectric i care este orientat spre flacr;20

- adaptorul electronic cuprinznd un releu care permite un semnal discontinuu la ntreruperea flcrii. Detectorul este realizat n variante diferite pentru sensibilitatea maxim n spectrul ultraviolet sau infrarou. n figura 10 se reprezint seciunea n dou plane prin detectorul (capul de vizare) al supraveghetorului de flacr SFT 168.

Figura 10.

21

MSURI DE PROTECIE A MUNCIIPrincipalele msuri de protecie a muncii sunt: - asigurarea inaccesibilitii elementelor care fac parte din circuitele electrice i care se realizeaz prin: - amplasarea cablurilor electrice, chiar izolate, precum i a unor echipamente electrice, la o nlime inaccesibil pentru om; - izolarea electric a conductoarelor; - folosirea carcaselor de protecie legate la pmnt; Folosirea tensiunilor reduse (de 12, 24 i 36 V) pentru sculele electrice portative. La utilizarea uneltelor portative alimentate electric, sunt obligatorii: - verificarea atent a uneltei, a izolaiei i a fixrii sculei nainte de nceperea lucrului; - evitarea rsucirii sau a ncolcirii cablului de alimentare n timpul mutrii uneltei dintr-un loc de munc n altul, pentru meninerea bunei stri a izolaiei; - menajarea cablului de legtur n timpul mutrii uneltei dintr-un loc de munc n altul, pentru a nu fi solicitat prin ntindere sau rsucire; - evitarea trecerii cablului de alimentare peste drumurile de acces i n locurile de depozitare a materialelor; dac acest lucru nu poate fi evitat, cablul va fi protejat prin ngropare, acoperire cu scnduri sau suspendare; - interzicerea reparrii sau remedierii defectelor n timpul funcionrii motorului sau lsarea fr supravegherea a uneltei conectate la reeaua electric. Folosirea mijloacelor individuale de protecie i mijloacelor de avertizare. Mijloacele principale de protecie constau n: cleti izolai i scule cu mnere izolate. Mijloacele auxiliare de protecie constau din: echipament de protecie (mnui, cizme, halat, salopet), covorae de cauciuc, platforme electroizolante.22

Deconectarea automat n cazul apariiei unei tensiuni de atingere periculoase sau a unor scurgeri de curent periculoase. Separarea de protecie care se realizeaz cu ajutorul unui transformator de separaie. Izolarea suplimentar de protecie care const n executarea unei izolri suplimentare fa de izolarea obinuit de lucru, dar care nu trebuie s reduc calitile mecanice i electrice impuse izolrii de lucru. Protecia prin legarea la pmnt este folosit pentru asigurarea personalului contra electrocutrii prin atingerea echipamentelor i instalaiilor care nu fac parte din circuitele de lucru, dar care pot intra accidental sub tensiune, din cauza unui defect de izolaie. Elementele care se leag la pmnt sunt urmtoarele: carcasele i postamentele utilajelor, mainilor i ale aparatelor electrice, carcasele tablourilor de distribuie i ale tablourilor de comand, scheletelor metalice care susin instalaiile electrice etc. Protecia prin legarea la nul se realizeaz prin construirea unei reele generale de protecie care nsoete n permanen reeaua de alimentare cu energie electric a utilajelor. Protecia prin egalizarea potenialelor este un mijloc secundar de protecie i const i n efectuarea unor legturi, prin conductoare, n toate prile metalice ale diverselor instalaii i ale construciilor, care n mod accidental ar putea intra sub tensiune i ar fi atinse de ctre o persoan care trece prin acel loc.

23

BIBLIOGRAFIERdoi C-tin., Svasta P., Lzrescu V., Stoichescu D., Li I., Aparate, echipamente i instalaii de electronic industrial. Automatizri. Bucureti 1999. Clin Sergiu G., Aparate i echipamente electrice, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti 1986. Ciobanu M., Carcu T., a., Instalaii electrice Manual de utilizare, Editura Tehnic, Bucureti 1975. http\\:www.actrus.ro http\\:www.google.com Manual pentru liceele industriale i coli profesionale,

24