Traductoare Rezistive

UNIVERSITTATEA TEHNIC GH. ASACHI IAIFACULTATEA DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

TRADUCTOARE REZISTIVE

GRUPA - 9404CUPRINS

Introducere

CAP.I.Clasificarea general a traductoarelor1.1. Traductoare parametrice

1.2. Traductoare generatoare

CAP. II. Traductoare de deplasare; Reostatice.

2.1. Elemente sensibile pentru deplasri liniare mici.

2.2. Montajul reostatic

2.3. Elemente sensibile rezistive pentru msurarea deplasarilor unghiulare

2.4.1. Caracteristici constructive

2.4.2. Caracteristici metrologice

CAP. III. Traductoare piezorezistive

3.1. Construcie

3.2. Tipuri de senzori piezorezistivi

3.3.Scheme de msurare

3.3.1Punte de msurare cu amplificare

3.3.2.Puni cu dispozitive de liniarizare

3.3.3.Puni cu senzori la distana

3.3.4.Exemple (poze) de traductoare piezorezistive

CAP. IV. Traductoare termorezistive

4.1. Termometre cu elemente sensibile rezistive

4.2. Termorezistoarele sau termorezistenele

4.2.1.Termorezistenele

4.2.2.Termistoarele

CAP. V. Traductoare tensomertice

5.1. Tensometre cu fir metalic

5.2. Parametrii tensometrilor

5.3. Circuite de msurare

5.4. Exemple (poze) de traductoare tensometrice

CAP. VI. Senzori si microsenzori chemorezistivi

6.1. Senzori chemorezistivi

6.2. Microsenzori chemorezistivi

6.2.1.Microsenzori cu strat de SnO2

CAP. VII. Fotorezistorul

BibliografieINTRODUCEREProgresele din domeniul tehnicii msurrii sunt strns legate de progresele din domeniul senzorilor i traductoarelor i de cele din domeniul mijloacelor de prelucrare i transmitere a semnalelor asociate mrimilor msurate.

n paralel cu perfecionarea senzorilor i traductoarelor tradiionale au aprut i s-au dezvoltat rapid noi tipuri de asemenea echipamente, bazate pe proprieti, efecte i materiale speciale. Dintre acestea menionm:

-Senzori i traductoare din materiale semiconductoare;

-Senzori i traductoare fotoelectronice;

-Senzori i traductoare electrochimice i biochimice;

-Senzori si traductoare cu microunde radar ;

-Senzori bazai pe efecte speciale, .a.

O tendin manifestat n ultimele decenii este aceea de a ncorpora n structura senzorilor sau traductoarelor circuite i dispozitive de prelucrare primar a semnalelor prelevate pentru a furniza la ieire un semnal ct mai bogat n informaie i ct mai propice pentru transmitere ctre celelalte elemente ale sistemului de msurare sau conducere. Este vorba de prelucrri care s fac posibil transmiterea mrimilor prelevate pe semnale de ieire standard acceptabile de aparatele de msurare i/sau de microprocesoarele din structura senzorilor i traductoarelor sau de cele din structura sistemului de msurare.

Cvasitotalitatea senzorilor i traductoarelor care se fabric n prezent au ca mrime de ieire curentul electric (420 mA), trenul de impulsuri cu frecvene de ordinul KHzMHz sau ieire numeric serial sau paralel pe 8-32 bii, transmisibile pe magistrale de tip HART, FIELDBUS, OPC .a.

Exist, de asemenea, tendina de a folosi, acolo unde este cazul, traductoare inteligente, adic traductoare care s ntruneasc n totalitate sau parial atributele (cerinele) echipamentelor inteligente, enumerate anterior.

Gradul de inteligen al traductorului este determinat, att de inteligena metodei de msurare adoptate ct i de inteligena sistemului care asigur derularea automat a procesului de msurare.

Inteligena se materializeaz att prin diverse funcii implementate prin echipamente, ct mai ales prin algoritmul sau programul de aplicaie executat de o structur programabil.

I. Clasificarea gENERAL A traductoarelor

dup natura mrimii de intrare

traductoare de mrimemrimi neelectricetemperatur

debit

presiune

nivel

umiditate

vitez etc.

mrimi electricetensiune

curent

rezisten

frecven etc.

traductoare de calitate (caracteristici ale compoziiei corpurilor)gazoanalizoare

traductoare de pH

spectrografe etc.

dup natura mrimii de ieire

traductoare parametrice (transform o mrime neelectric ntr-un parametru de circuit electric)

rezistive

capacitive

fotoelectrice etc.

traductoare generatoare (transform o mrime neelectric ntr-o for electromotoare)

de inducie

sincrone

piezoelectrice

termoelectrice etc.

1.1. Traductoare parametriceMrimi fizice de bazMrimi fizice derivateElemente sensibile tipice

Deplasare- deplasare liniar;

- deplasare unghiular

- lungime (dimensiuni geometrice);

- grosime;

- straturi de acoperire;

- nivel

- deformaie (indirect for, presiune sau cuplu);

- altitudine.- rezistive;

- inductive;

- fotoelectrice;

- electrodinamice (de inducie, selsine, inductosine).

Vitez- vitez liniar;

- vitez unghiular;

- debit.- electrodinamice (de inducie);

- fotoelectrice.

For- efort unitar;

- greutate

- acceleraie (vibraie);

- cuplu;

- presiune (absolut, relativ, vacuum, nivel, debit);

- vscozitate.- termorezistive;

- termistoare;

- rezistive;

- inductive;

- capacitive;

- piezorezistive;

- magnetorezistive.

Temperatur- temperatur ( pentru solide, fluide, de suprafa);

- cldur (flux, energie);

- conductibilitate termic.- termorezistene;

- termistoare;

- termocupluri.

Mas- debit de mas- complexe (dilatare+deplasare)

Concentraie- densitate;

- componente n amestecuri de gaze;

- ioni de hidrogen n soluii.- idem ca la for;

- termorezistive;

- electrochimice;

- conductometrice.

Radiaie- umiditate;

- luminoas;

- termic;

- nuclear.- fotoelectrice;

- detectoare n infrarou;

- elemente sensibile bazate pe ionizare.

1.2. Traductoare generatoareMrimea fizic de msuratEfectul utilizatMrimea de ieire

TemperaturaTermoelectricitateTensiune

PiroelectricitateSarcina

Flux de

radiaie opticFoto-emisieCurent

Efect fotovoltaicTensiune

Efect foto-electricTensiune

ForaPiezo-electricitateSarcina electric

PresiunePiezo-electricitateSarcina electric

AcceleraiePiezo-electricitateSarcina electric

VitezaInducie electromagneticTensiune

Poziie (Magnet)Efect HallTensiune

II. TRADUCTOARE DE DEPLASARE; REOSTATICE2.1. Elemente sensibile rezistive pentru deplasri liniare mici

Funcionarea acestora se bazeaz pe dependena liniar care exist ntre rezistena electric, R (a rezistorului ) i lungimea sa () conform relaiei :

; unde: este rezistivitatea materialului iar S aria seciunii conductorului, ambele considerndu-se constante. Se utilizeaz frecvent E.S. rezistive cu variaie cvasicontinu, realizate prin bobinare cu pas uniform i mic a unui fir conductor pe un suport de material izolator (ceramic)- figura 1:

Figura 1.- Element sensibil rezistiv pentru deplasri liniare

Deoarece principalele surse de erori pentru aceste elemente sensibile sunt contactele imperfecte ntre cursor i rezistorul bobinat, ct i variaia temperaturii mediului, se impune pentru firul conductor utilizarea unor materiale care au coeficientul de variaie a lui cu temperatura foarte mic: manganina, constantan, nicron; pentru cursor lamelele sau perii din fire de argint cu grafit, iar pentru carcasa materiale ceramice cu bun izolaie i stabilitate la variaia temperaturii .Schemele de conversie la traductoarele de deplasare cu E.S. rezistive sunt de dou tipuri:

2.2. Montajul reostatic, figura 2.

Figura 2. element sensibil rezistiv n montaj reostatic: a schema electric; b caracteristica static

Deplasarea (x) se exprim prin curentul , conform relaiei :

care indic o caracteristic neliniar.

2.3. Montajul poteniometric (figura 3) la care mrimea de ieire este o tensiune dat de relaia de mai sus.

Figura 3. Element sensibil rezistiv n montaj poteniometric: a schema electric; b caracteristici statice

; ;

(m = coeficient de ncrcare )

Caracteristica static (figura 3 -b) este liniar doar pentru sarcin infinit (m = 0); R=0 ; ( .

Neliniaritatea crete odat cu micorarea rezistenei de sarcin Rs. Este necesar deci o rezisten de sarcin ct mai mare. O alt component a erorii de neliniaritate este dat de mrimea pasului de bobinare. Ideal, cursorul ar trebui s calce pe o singur spir. Eroarea de neliniaritate scade atunci cnd n circuitul de msurare (corespunztor lui Rx)

sunt cuprinse mai multe spire din R, ceea ce nsemn c rezoluia nu este constant. Dei aceast poate atinge valoarea de din mrimea de msurat, uzual se obine o rezoluie de 0,01 mm la o deplasare de 100 mm.

Observaii:

- Teoretic aceste ES pot fi utilizate pentru msurarea deplasrilor mari ( de ordinul metrilor), dar aplicaiile acestor traductoare se limiteaz la msurarea deplasrilor n domeniul (100300) mm.

- ES rezistive trebuie protejate mpotriva prafului sau altor impuriti prin capsulare.

2.4. Elemente sensibile rezistive pentru msurarea deplasrilor unghiulare Constructiv, acestea sunt servopoteniometre (figura 4.) care funcioneaz pe acelai principiu ca i ES rezistive pentru deplasri liniare. Dac cursorul este rotit cu unghiul ( fa de poziia de referin (zero) se obin la bornele poteniometrului tensiunile:

; sau (4.34)

unde: Ua este tensiunea de alimentare; - unghiul maxim care de obicei este mai mic dect fiind limitat de spaiul necesar amplasrii contactelor ()Poteniometrele de acest tip pot fi :

-uniturn, dac

-multiturn pentru domenii care depesc , la care numrul de rotaii este standardizat:rotaii, adic:

Servopoteniometrul multiturn are rezistena aplicat pe un suport electroizolant elocoidal .

Figura 4. Element sensibil rezistiv (poteniometric) pentru deplasri unghiulare.

ES de acest tip se utilizeaz pentru msurarea deplasrilor liniare mari (510 m) dac sunt acionate prin mecanisme cu minireductoare adecvate .

Exemplu: Msurarea nivelului n rezervoare (bazine) .

Firul rezistiv este bobinat pe un suport izolant circular, iar cursorul realizeaz contactul electric cu o spir a nfurrii, putnd efectua o deplasare unghiular cu un unghi maxim ocmax.Dac ntre cele bornele (1-2) borne valoarea rezistenei este Rmax, atunci ntre bornele (1-3) valoarea rezistenei va fi:Figura 4.1Datorit trecerii cursorului de pe o spir pe alta, se realizeaz o variaie brusc a rezistenei electrice R eroarea de discontinuitate fiind:

unde:n - numrul de spire al nfurrii traductorului ;

unghiul curent de rotaie al cursorului; max - unghiul maxim de rotaie al cursorului. Valoarea minim care apare la sfritul cursei n uniti relative se numete "factor de treapt":

2.4.1.Caracteristici constructive

Rezistena poate fi constituit dintr-un fir rezistiv bobinat fie dintr-o band conductoare. Firul trebuie s ndeplineasc urmtoarele condiii: S coeficient mic de variaie cu temperatura al rezistivitaii;S tensiuni termoelectromotoare neglijabile (n prezena cuprului, pentru a nuforma pile electrice);S stabilitate cristalografc;S rezisten la coroziune.Firul rezistiv, bobinat pe un suport izolant (sticl, cearmic sau mase plastice) este la rndul lui izolat cu un lac email sau prin oxidare superficial; el este neizolat doar pe poriunea care vine n contact cu cursorul. Nu se folosesc substane chimic pure ci aliaje, dintre care cele mai folosite sunt: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Cr-Fe, Ag-Pd.Benzile conductoare sunt confecionate plecnd de la o mas plastic ncrcat cu particule conductoare de carbon avnd dimensiuni de ordinul IO"2 (im. La scar microscopic, banda conductoare realizat este discontinu ceea ce d acestor tipuri de traductoare o limita superioar de rezoluie de ordinul 5-IO"6 inch (l inch = 25,4 mm). Valorile rezistenei Rn sunt cel mai adesea ntre l Kl i 100 KH, dar pot atinge i civa MLToleranele de fabricaie ale acestor tipuri de poteniometre variaz astfel: pentru cele standard (uzuale, aplicaii obinuite) tolerana asupra valorii Rn este de20%, sau 10% , putnd fi adus n cazuri speciale la 5%. n general, n tipul de montaje n care se folosec poteniometre, exactitatea acestora nu are foarte mare importan ntruct semnalul depinde de fapt de raportul adimensional R(x)/Rn. Liniaritatea proprie depinde de neomogenitile care se gsesc n compoziia materialelor folosite la fabricaie.Neomogeniti intrinseci ale materialului conduc la variaia creterii unitare de rezisten (dR(x)/dx). Diferenele care apar ntre curba real R(x) i cea mai bun caracteristic obinut cu traductorul sunt de ordinul 0.01% pn la 1% din Rn.2.4.2 Caracteristici metrologiceCursa electric util: reprezint plaja de variaie a lui x n care R(x) este funcie de liniaritatea deplasrii.Rezoluia: cea mai bun rezoluie este acea dat de poteniometrele cu band conductoare; ea este de fapt limitat de structura granular a materialului benzii care conduce la erori de rezoluie de circa 0,l|im. n cazul poteniometrelor bobinate ce conin n spire cursorul poate avea 2n-2 poziii electrice distincte: a n poziii n care contactul este fcut pe o singur spir; a n-2 poziii n care contactul este fcut pe dou spire.Tensiunea msurat variaz astfel discontinuu la fiecare trecere de la o spir la alta. Deplasarea maxim necesar trecerii cursorului de la poziia imediat urmtoare determin rezoluia traductorului; ea depinde de forma i dimensiunile firelor conductoare, de cursor i de asemenea de starea de uzur a acestora.Pentru mbuntirea rezoluiei este necesar s cretem numrul de spire pe unitatea de curs, i deci s reducem diametrul firului. Dar, n acest caz rezult o uzur mai rapid a firului datorit frecrii de cursor i un risc mai mare de rupere a firului n funcionare. Cea mai bun rezoluie pentru traductoare poteniometrice bobinate corespunde unei valori njur de 10 (im, folosind fire de acest diametru. Rezoluia traductorului poate fi mrit fa de rezoluia poteniometrului folosind sisteme de amplificare mecanice (prghii, angrenaje).Zgomotulpoteniometrelor: n timpul micrii cursorului, tensiunea msurat, vm(x), prezint n raport cu legea de variaie real Vm(x) i fluctuaiile aleatoare, Avm, datorate n particular variaiilor care au loc la rezistena de contact.vm(x) = Vm(x) + A vmn cazul poteniometrelor bobinate, rezistena de zgomot Rz, este definit ca fiind:

i - fiind curentul pe care l parcurge cursorul poteniometrului utilizat ca reostat, Rz fiind n general mai mic de 20 kl.Rezistena de zgomot a poteniometrelor realizate cu band conductoare este net mai mare dect a celor bobinate, rmnnd n general sub valoarea de 1% din R.Pentru poteniometrele cu band destinate s funcioneze ca divizoare de tensiune, preferm s determinm valoarea zgomotului plecnd de la un montaj de acest tip.Dup tipul de poteniometru folosit, putem avea la ieire fluctuaii ale tensiunii de ieire de la O, l pn la 2%.Durata de via: frecarea ntre fir/banda conductoare i cursor provoac uzuri mecanice i limiteaz durata de via a produsului; se ajunge la degradarea liniaritii traductorului i chiar la ruperea firului bobinat al poteniometrului.Acumularea de particule pe cursor ca urmare a frecrii i uzurii componentei rezistive duce la creterea rezitenei de contact i a zgomotului msurat prin coeficientul de uniformitate al tensiunii de ieire.Modul de folosire limiteaz durata de via, n particular n cazul poteniometrelor realizate pe un suport plastic, ce pot fi influenate de temperatur la cureni electrici mari.Ca ordin de mrime al duratei de via putem indica: a) pentru poteniometrul bobinat: l 06 manevre; b) pentru poteniometrul cu band conductoare: 5x107 pn la 108 manevre;III. TRADUCTOARE PIEZOREZISTIVE3.1 Construcie. Traductoarele piezoreziztive au senzorii fabricai din siliciu dup tehnologii folosite n fabricarea componentelor semiconductoare sub form de circuite integrate i se folosesc pentru msurarea mrimilor mecanice precum presiunea, ocurile, acceleraiile, vibraiile .a.

Senzorii de presiune au elementul sensibil confecionat dintr-o plcu de siliciu sub form de diafragm circular subire avnd patru piezorezistori implantai simetric pe o suprafa a acesteia - fig.5. Sub efectul unei diferene de presiune diafragma se deformeaz elastic, inducnd n ea o stare de tensiune mecanic ce duce la modificarea rezistenei celor patru piezorezistori. Cu ajutorul unei puni de msurare aceast modificare a rezistenei este transpus pe semnal electric tensiune, dependent de presiune. fig.5.

Prima faz n realizarea senzorilor piezorezistivi const n implantarea de ioni n membrana de siliciu n vederea mbuntirii performanelor dup care diafragma se creeaz prin gravarea chimic a unei configuraii speciale pe cealalt parte a acesteia (partea opus piezorezistorilor). Forma gravat a diafragmei asigur o rigiditate pe contur a acesteia precum i posibilitatea montrii concentrice.

Sensibilitatea diafragmei este dependent de grosimea ei i descrete cu creterea acesteia, dar nu liniar. De exemplu dublarea grosimii duce la reducerea sensibilitii de patru ori. Grosimile uzuale sunt cuprinse ntre 5 i 200 microni n funcie de domeniul de msurare.

Pentru msurarea rezistenei senzorilor i pentru conversia rezistenei acestora n tensiune senzorii se conecteaz la o punte de msurare. Diferena de potenial , prelevat de pe diagonala de msur a punii constituie semnal de ieire asociat presiunii P (msura acesteia) sau efortului aplicat pe diafragm i este exprimat de relaia :

unde Ua este tensiunea de alimentare a punii, este sensibilitatea acesteia, iar este tensiunea de ieire pentru .

Din nefericire semnalul de ieire este afectat de temperatur i de ali factori perturbatori. De aceea fabricanii ofer variante de senzori cu circuite electronice complementare de condiionare a acestui semnal, care s asigure compensarea efectelor perturbatoare i o calibrare precis.

3.2 Tipuri de senzori piezorezistivi. Tipurile de senzori piezorezistivi sunt definite de tipul de presiune pe care o msoar: presiune diferenial, presiune absolut, presiune supraatmosferic sau vid. n consecin un tip de senzor este definit de modul n care presiunea de msurat acioneaz asupra diafragmei.

n principiu senzorii cu diafragm sunt senzori de presiune diferenial pentru c aceasta este supus unor presiuni aplicate pe ambele fee, dar exist particulariti determinate de tipul de presiune de msurat.

Astfel, n fig. 6, a este artat modul de solicitare a diafragmei i carcateristica de transfer a unui senzor de presiune diferenial, , care este un senzor cu camer deschis, cele dou presiuni i fiind prelevate din locuri diferite.

Puntea de msurare a rezistenei elementelor sensibile este astfel conceput i elaborat nct la , adic la limita de jos a domeniului de msurare s dea semnalul Uem.

Dac pe una din feele diafragmei se aplic presiunea atmosferic iar pe cealalt fa se aplic presiunea traductorul pune n eviden de fapt suprapresiunea fa de presiunea atmosferic, adic ceea ce n mod uzual numim presiune. n fig.6,b este prezentat modul de solicitare a diafragmei i caracteristica de transfer a acestui tip de traductori. n acest caz se obine cnd iar se obine cnd .

n cazul msurrii presiunii absolute presiunea de referin este vidul total. Prin urmare una din feele diafragmei este supus aciunii vidului total dintr-o camer nchis, iar cealalt este supus aciunii presiunii de msurat aa cum se vede n figura 6 c). n acest fel o presiune absolut de 0,3 bar reprezint o presiune de 0,3 bar fa de vidul total i implicit o depresiune de 1-0,3 =0,7 bar fa de presiunea atmosferic.

Limita superioar de msurare a presiunii absolute poate fi mai mare dect presiunea atmosferic i n acest caz panta caracteristicii de transfer este mai mic.

Un senzor de vacum mijlocete o msurare a presiunii n care vidul (depresiunea) se raporteaz la presiunea atmosferic. Modul de solicitare a diafragmei i caracteristica de transfer ale acestui tip de senzor sunt prezentate n fig.6 d).

a)

b)

Figura 5.- Traductor piezorezistiv

a) Placuta cu senzori piezorezistivi b) Puntea cu senzori

Figura 6.- Tipuri de senzori piezorezistivi:

De presiune diferenial; b) de suprapresiune;c) de presiune absolut; d) de vid.

3.3 Scheme de msurare. Msurarea variaiilor de rezisten R, care sunt n general mici, se realizeaz cu ajutorul punilor de msurare, deoarece acestea pot elimina influena temperaturii mediului asupra senzorilor i ofer ca semnal de ieire o tensiune electric .

Pentru a obine o sensibilitate maxim a punii este necesar ca pe braele acesteia s se conecteze rezistene de aceeai valoare, adic n regim echilibrat relaxat cnd R=0, .

Conectarea senzorilor piezoelectrici la braele punii se poate face n urmtoarele moduri:

Cu un senzor i trei rezistori cu rezisten fix montaj n sfert de punteCu doi senzori i doi rezistori (montaj n semipunte) n dou variante:

Cu senzorii pe brae opuse, dac ambii au variaii de acelai sens;

Cu senzorii pe brae adiacente, dac acetia au variaii diferite; unul cu

R+R, iar celalalt, cu R- R;

Cu patru senzori pe toate cele patru brae: doi cte doi senzori cu aceeai variaie de rezisten conectai pe brae opuse montaj n punte total aa cum se arat n fig.7.

n regim relaxat, cnd x=0, puntea este echilibrat iar . Cnd apare solicitarea mecanic apare i variaia de rezisten R, puntea se dezechilibreaz i furnizeaz o tensiune , aa cum se arat n tabelul 1.

Pentru oricare din cele patru montaje prezentate n fig.7. relaia dintre i rezistenele braelor (n ipoteza c rezistena intern a sursei de tensiune este nul iar rezistena intern a voltmetrului este infinit) este urmtoarea:

Din analiza acestei formule se deduce c relaia dintre i rezistenele braelor este liniar n cazul montajului n punte total i al montajului n semipunte cu ambele tipuri de variaie a rezistenei (+R i -R) i este neliniar n celelalte cazuri.

Figura 7.- Punti de masurare piezoelectriceTabelul 1. Caracteristici ale traductoarelor piezoelectrice

Un senzorDoi senzori pe brae opuseDoi senzori pe brae adiacentePatru senzori

Tensiunea de ieire

Eroare de liniaritate

00

3.3.1 Puni de msurare cu amplificare

Tensiunea de ieire (dezechilibru) a oricrei puni poate fi amplificat cu ajutorul unui amplificator A, aa cum se arat n fig.8. Acest circuit produce o oarecare dezechilibrare a punii datorit curentului de polarizare a acestuia i nu nltur neliniaritatea punii.

De reinut c rezistorul conectat la borna reinversoare nu este legat la mas, ci la tensiunea pentru a putea amplifica att variaiile pozitive ct i pe cele negative.

Figura 8.- Punte cu un senzor i cu amplificator

3.3.2 Puni cu dispozitive de liniarizare

Este important s se disting neliniaritile punii de neliniaritile senzorilor legai la punte.

Exist mai multe posibiliti de liniarizare a punilor i anume: Prin variaii mici ale rezistenei senzorilor; Prin introducerea unor dispozitive compensatoare pe unul sau pe mai multe brae ale punii sa.n fig.9. este prezentat un montaj cu amplificator care produce un nul forat i adaug/scade o tensiune pe braul cu senzori. Aceast tensiune este egal n mrime i de semn opus cu variaia tensiunii din senzor i este liniar n raport cu aceasta.

Un astfel de montaj asigur un ctig de dou ori mai mare dect varianta standard cu un singur senzor i liniaritate chiar i la variaii R mari, dar are semnal de ieire relativ slab i de aeea el ar trebui completat cu un amplificator.

a)

b)Figura 9. -Punte liniarizat:a) avnd un singur senzor; b) cu doi senzori

3.3.3 Puni cu senzori la distanDac senzorii rezistivi se afl un alt loc fa de locaia punii conductorii de legtur a senzorilor la punte produc efecte/erori datorit variaiei parametrilor mediului dintre punte i senzori.

Figura 10.- Montajul Kelvin cu patru fire.

Dac la punte se leag un singur senzor soluia cea mai bun const n legarea senzorului la punte nu cu doi conductori, ci cu trei conductori. Unul din conductori este legat la un bra al punii, unul este legat la braul adiacent la primul iar al treilea conductor constituie prelungirea diagonalei de alimentare pn la senzor. n acest fel influena mediului se manifest egal i cu sensuri opuse pe cele dou brae adiacente, lsnd puntea neafectat.

Dac puntea conine doi sau patru senzori la distan se recurge la soluii speciale de meninere a preciziei acesteia prin legarea senzorilor la punte prin patru sau chiar sase conductori. Una din solutii este prezentata in Fig.10.

3.3.4 Exemple de traductoare piezorezistive

Traductoare de presiune atmosferic(altimetre)Traductorul BITNET utilizeaz un senzor piezorezistiv. Acest senzor combina tehnici avansate de microtehnologie in scopul furnizarii unui semnal analog precis i de amplitudine mare care este proporional cu presiunea aplicat. Diafragma senzorului separ o microincinta de presiune foarte scazut care este utilizata ca presiune de referint. Traductorul este dotat cu un al doilea canal, care masoar temperatura in scopul eliminrii derivei termice.

Principalele caracteristici:

domeniu de masur: 20 - 105 kPa

sensibilitate: 54 mV/kPa

domeniu de temperatur de operare: -40...+125 grd. C

acuratetea msuratorii (diverese erori cumulate): cca. 1%

output traductor: V sau kHz.

Incapsulare: dependenta de aplicatie.

-esantion reprezentativ de date

Aplicaii tipice: barometre portabile, modul pentru staii autonome de inregistrare a evoluiei presiunii atmosferice, prognoza meteo.

Aplicaii derivate: altimetrie, inregistrarea deficitului de presiune al sevei in plante.IV. TRADUCTOARE TERMOREZISTIVE4.1 Termometre cu elemente sensibile rezistiveTermometrele cu elemente sensibile rezistive se bazeaz pe proprietatea unor materiale (metale, aliaje, semiconductoare etc.) de a-i modifica rezistena electric in funcie de temperatur. In funcie de natura materialului utilizat la obinerea elementului sensibil exist termorezistoare (termorezistente) si termistoare.

4.2 Termorezistoarele sau termorezistenele:

-sunt rezistoare executate din metale pure ( platin, cupru, nichel) ce prezinta mari variatii ale rezistivitii cu temperatura.4.2.1 Termorezistenele -au variatia rezistenei cu temperatura de forma:

R este rezistena la temperatura CR0 este valoarea rezistenei la temperatura 0CA, B, C,....sunt constante

Pe domenii mai mici de temperatur caracteristica se poate simplifica, devenind chiar liniar.

In mod curent, incertitudinea este mai mare de 0,1 C. Termometrul rezistiv cu platin etalon are o incertitudine de 0,0001 C.

Msurarea se face cu ajutorul punii Wheatstone Fig. 11 sau, pentru msurari de mare precizie, cu ajutorul unei puni Thomson.

Un brat al punii Wheatstone este constituit din sonda termorezistoare, RT , braul alturat este reprezentat de elementul de reglaj RV in serie cu o pereche de conexiuni din acelai aliaj cu a conexiunilor la termorezisten, introduse in corpul sondei pentru a compensa influentele termice exterioare, RC, iar in celelalte doua brate cate o rezisten de valoare R.

Figura 11. - Termometru cu termorezistenLa echilibrul puntii:

De unde rezult ca rezistena termorezistenei este:

4.2.2 Termistoarele Sunt materiale semiconductoare care i modifica rapid i intr-o plaja de variaie mare rezistena electric sub aciunea unor variaii relativ reduse de temperatur, fiind realizate din oxizi metalici (Fe2O3 , Cu2O, Si2O).

In cazul termistoarelor dependena rezisten termistor, RT temperatura, T este :

unde RT si R0 sunt valorile rezistetei termistorului la temeratura T, respectiv T0 exprimate in grade Kelvin, iar B este o canstanta de material.i de aceasta dat, msurarea se poate face cu ajutorul unei punti Wheatstone, echilibrate sau neechilibrate.

Puntea are doua brate constituite din dou termistoare, unul activ si altul de referint, permind msurarea in game orict de restrnse, cu scri aproape liniare.

Gamele pot fi comutate prin schimbarea rezistenelor din celelalte dou brae R1 si R2.

O incertitudine sistematic apare la termometrele cu termistoare cu nclzirea proprie a termistorului, datorit curentului de msurare. Acest lucru se evita prin efectuarea msurarii cu o putere disipat suficient de mic in termistor.

Avantajele termometrelor cu termistoare sunt date de:

rezistena electric suficient de mare, astfel nct rezistenele conductoarelor de legatur devin neglijabile;

dimensiuni foarte mici ale traductorului;

timp de msurare foarte mic 20ms;

nu produc perturbarea campului de temperatur.

In mod curent intervalul de msurare al temperaturii 20 180 C

Pentru msurri de temperatur in intervalul 30-41 C (de exemplu, cercetari medicale), incertitudinea limita este de 0,05%.

Senzor dual de presiune si temperatura

Senzor rezistiv de presiune

Senzor termorezistiv de temperatura

Corpul traductorului

V. TRADUCTOARE TENSOMETRICE

5.1 Tensometru cu fir metalic

Structura tipica a unui tensometru cu fir metallic este indicata in fig 12. iar a unui tensometru cu filament semiconductor, in figura 13.

Fig 12. Tensometru cu fur metallic

Aspectul ambelor tipuri de tensometre justific si denumirea larg utilizat de marca tensometric.

Marca tensometric se lipeste cu ajutorul unor raini sau cimenturi speciale pe corpul a carei deformaie se masoar.

Fig, 13. Tensometru cu fir conductor

Deformaia corpului sau ceea ce este echivalent, tensiunea mecanic se transmite in acest fel cu un randament foarte bun tensometrului.

La tensometru cu fir metalic un prim factor de modificarea valorii rezistenei l constituie variaia relativ a dimensiunii corpului msurat. Variaia seciunii transversale si variaia de rezisitivitate indus de modificare a volumului firului metallic introduce efecte neneglijabile, care au o pondere apropiat de cea a variaiei lungimii firului.

La tensometrul cu filament semiconductor efectele determinate de variaia dimensiunilor sunt neglijabile in comparaie cu efectul dat de variaia de rezistivitate a materialului semiconductor indus de efortul mecanic.

5.2 Parametrii tensometrelorSensibilitatea unui tensometru este definit de relaia:

(1)

Pentru un tensometru cu fir metalic, tinnd cont c raportul intre deformaia transversal i cea longitudinal este:

(2)unde A este aria seciunii transversale, l lungimea firului, - coeficientul lui Poisson i de faptul c pentru metale se poate admie o variaie de rezistivitate proporional cu volumul metalului:

(3)unde m este o constant pentru un material dat, se obine:

(4)sau:

(5)Pentru majoritatea materialelor in domeniul deformaiilor elastice = 0,3 iar in domeniul deformaiilor mai mari, plastice = 0,5. Daca m=1 (de ex la constantan), rezult:

EMBED Equation.3 independent de operarea tensometrului in domeniul elastic sau plastic.

Pentru un tensometru cu filament semiconductor presupunnd cazul uzual in care direcia efortului mecanic si directia curgerii curentului coincid, se poate arata ca:

(6)

unde este coeficientul piezorezistiv longitudinal, iar este efortul longitudinal. Rezulta :

(7)unde E este modulul de elasticitate longitudinal. Valorile tipice ale sensibilitii Ss snt de

ordinul 100.

Influena variaiilor de temperatur este determinat de urmatoarele cauze:

modificarea sensibilitaii in funcie de temperatura de lucru;

dependena valorii nominale a rezistenei tensometrului de temperatura de lucru;

ObservaieAceste doua efecte snt mult mai accentuate la tensometrele semiconductoare.

diferena intre coeficientii de dilatare ai tensometrului si ai materialului a crui stare

de efort se msoar.Liniaritatea tensometrului (sensibilitatea, in mod ideal trebuie sa fie independent de

efort) este mai bun la tensometrele cu fir metalic.

O privire de ansamblu asupra valorilor tipice ale parametrilor pentru diferite tipuri de

tensometre rezult din tabelul 2.

5.3. Circuite de msurareUn circuit de msurare trebuie sa permit atingerea urmatoarelor obiective:

-punerea in eviden a variaiilor de rezisten a tensometrelor;

-eliminarea influenei factorilor de mod comun (de exemplu variaiile induse de

temperatur, de imbatrinirea tensometrelor);

-compensarea efectului dat de diferenele intre valorile rezistenei traductoarelor

(echilibrarea de zero);

-eventual, compensarea electric a indicaiei corespunzatoare unei solicitri statice

mari, pentru a se putea msura cu o sensibilitate sporita variaii mici in jurul

acestei solicitari statice;

-eventual, reducerea sau chiar compensarea unor nelinearitati in caracteristica de

transfer a traductorului.Aceste obiective se realizeaza cu usurin in circuite de tip "punte neechilibrar" in

care unul sau mai multe brate ale punii snt constituite chiar de traductorul, respectiv de

traductoarele n cauza. Pentru aceste puni, in absena solicitrii, traductoarele au valoarea

nominal si tensiunea din diagonala de masur, este nula. La aparitia solicitrii traductoarele

isi modific valoarea, puntea se dezechilibreaz, tesniunea din diagonala de masur fiind

dependent monoton de variaia relativ a valorii rezistenei traductoruluiTabelul 2ParametriiUnitatea de msuraTensometrul metallicTensometrul semiconductor

Sensibilitatea-2100 (1)

Coeficientul de temperatur al rezistivitiipp/C(2)(1020)7007000

Coeficientul de dilatare liniarpp/C10203

Domeniul de deformtii msurabilstrain(3)100001003000

Tolerana asupra valorii nominale%1010

Note: (1) Sensibilitatea poate avea si valori negative in funcie de tipul de conductivitate si de orientare cristalografic(2) ppm inseamna pri pe milion, adica 10-4%

(3) Strain este o unitate de masura a deformatiei relative ( strain inseamna in limba engleza efort);

1 strain = o deformaie relative de 1,

Deci

1 strain = o deformaie relative de 10-6Sunt posibile dou soluii: jumatate de punte (semipunte) i punte intreag.

Circuitul de tip jumatate de punte este ilustrat in figura 14.

Fig. 14. Configuia jumatate de punte (semipunte)Cele dou traductoare (T1, T2) se monteaz astfel ncat rezistena unuia sa creasc, iar a celuilalt sa scad (de exemplu: tensometrele se lipesc pe fee opuse ale barei a carei deformare se msoar, unul lucrnd la intindere, iar cellalt la compresiune). Restul punii se realizeaz n aparatul de msur unde se afla sursa de alimentare pentru punte (E), amplificatorul diferenial (A), care citeste tensiunea de dezechilibru i elementele de reglaj (P) al dezechilibrului iniial determinat de diferena dintre valorile rezistenei traductoarelor.

Circuitul de punte intreag este ilustrat in figura 15.

Figura 15. Configuratia de tip punte intreaga

Cele patru traductoare (T1, T2, T3, T4) se monteaz n aa fel ncat rezistena a doua din ele sa scad, iar a celorlalte dou s creasc .

n aparatul, de msurare se afl sursa de alimentare pentru punte (E), amplificatorul diferenial (A) care citeste tensiunea de dezechilibru i elementele de reglaj (P) al dezechilibrului iniial.

5.4. Exemple (poze) de traductoare tensometrice

Traductor de presiune pentru presiunea absolut.Sistem de masurare cu mrci tensometrice.Robust, constructie din material rezistent la coroziune.Pentru masuratori statice si dinamice in gaze si fluide.Rezisten deosebita la sarcini alternante.Conform normelor EG EMC.Conectare mecanica: M12x1,5 extern.Domeniul maxim de lucru: 150% (500 bar) / 200% (10...200 bar) din domeniul nominal.Temperatura de lucru: -10...+80 C.Sensibilitatea: 2 mV/V.

Traductor de presiune pentru presiunea relativ.Raport optim calitate/pret.Construcie din material rezistent la coroziune.Dimensiuni de gabarit reduse.Conectare mecanica: G 1/2 Form B, extern.Domeniul maxim de lucru: 200% din domeniul nominal.Temperatura de lucru: -20...+70 C.Semnal de ieire: 0...10 V / 4...20 mA

Traductor de presiune pentru presiunea absolut.Masoara in regim static si dinamic.Sistem de masurare cu marci tensometrice.Instalare rapida si usoara.Diferite variante de conectare mecanica.Construcie din material rezistent la coroziune.Raport optim calitate/pret.Domeniul maxim de lucru: 150% din domeniul nominal.Temperatura de lucru: -10...+70 C.Sensibilitate: 2mV/V.

Traductor de presiune pentru presiunea absolut.Sistem de msurare cu marci tensometrice.Robust, construcie din material rezistent la coroziune.Pentru msuratori statice, dinamice, vrfuri de presiune, fluctuaii de presiune.Disponibil si in varaianta antiex.Conectarea in paralel a mai multor traductoare permite msuratori de presiune difereniale.Conectare mecanic: M12x1,5 extern.Domeniul maxim de lucru: 150% (500...3000 bar) / 200% (10...200 bar) din domeniul nominal.Temperatura de lucru: -10...+80 C.Sensibilitatea: 2 mV/V.

VI. SENZORI I MICROSENZORI CHEMOREZOSTIVILa baza acestul tip de senzori st proprietatea unor materiale semiconductoare (SnO2, ZnO2, TiO2, NbO5, CeO2 .a. ) i a unor materiale organice de a-i modifica rezistena sau permitivitatea electric atunci cnd vin n contact cu un anumit gaz. Ei pot fi, deci, chemorezistivi sau chemocapacitivi. Sensibilitatea lor poate fi marit prin dopare cu catalizatori specifici.

6.1. Senzori chemorezistivi

Senzorii chemorezistivi de tip semiconductori se folosesc ndeosebi la determinarea concentraiilor de gaze ca O2, CO, CH4, .a.

Din structura acestui tip de senzori fig. 16.fac parte: un suport de forma unui tub ceramic, TC, pe care se bobineaz o rezisten de ncalzire, Ri, cu terminale de conectare la o surs de alimentare pentru a nclzi ntregul senzor pn la aproximativ 400C. Peste acest bobinaj se depune un strat din material semiconductor SS, de tip n (Sn02 .a. ) care devine activ atunci cnd este nclzit.

b)

Figura 16.- Senzor chemorezistiv de tip semiconductor:

a) structura; b) simbol; c) schema de montaj

.n absena oxigenului i a altor gaze, electronii din structura poroas din stratul semiconductor se mic liber. n prezena gazului de detectat, avid de electroni, acest gaz se absoarbe pe suprafaja particolelor de semiconductor, formnd o barier de potenial, care mpiedic micarea electronilor i duce astfel la creterea rezistenei electrice.

Dimpotriv, dac atmosfera din jurul stratului semiconductor este reductoare (CO, CH4, alcool, .a. ) stratul poros de semiconductor (Sn02 ...) absoarbe acest gaz, care n prezena oxigenului oxideaz, avnd ca efect scderea barierei de potenial i micorarea rezistenei electrice.

Sensibilitatea straturilor semiconductoare de Sn02 .a. la aciunea gazelor reductoare poate fi mbuntit prin doparea cu Pa, Cd, .a. care au aciune catalitic, favoriznd interactiunile chimice i electrice.

Un astfel de senzor se monteaz ntr-o schem precum cea din figura 16.c. Bobina de nclzire se alimenteaz de la o surs de ~5V iar circuitul de msurare se alimenteaz de la o surs de tensiune Ua de 10-20V. Tensiunea de ieire Ue este dependent de rezistena stratului semiconductor conform relaiei:

(*)Pentru a obine sensibilitate mare se alege o rezisten R egal cu RS de la mijlocul domeniului de interes al amestecului de gaze analizat.

6.2. Microsenzori chemorezistivi

Microsenzorii de tip semiconductor pot fi realizai n tehnologia straturilor subiri. Acetia sunt alctuii dintr-un strat de oxid metalic, care urmeaz s fie nclzit la cteva sute de grade Celsius (100-400C).

La suprafaa ncins a semiconductorului gazul de analizat intr n reactie cu oxigenul absorbit de acesta i ca urmare a cestei reacii se modific rezistenta semiconductorului.

6.2.1. Microsenzori cu strat de Sn02

Structura unui asfel de microsenzor pentru CO, realizat n tehnologie integrat este prezentat n figura 17. n esen este vorba de un strat subire de siliciu SS, pe care se crete prin oxidare un strat foarte subire de SiO2. Pe acest strat se depune un strat foarte subire de aur pe care prin fotolitografiere se realizeaz o rezisten electric de nclzire Ri;. Peste stratul de aur se depune un alt strat de Si02, iar peste aceasta se depune stratul semiconductor de SnO2. Prin procedee adecvate se depun cei patru electrozi cu conductori terminali; doi pentru rezistena de nclzire i doi pentru conectarea la circuitul de ieire, din care face parte stratul de SnO2.

Figura 17. - Structura unui microsenzor chemorezistiv.

Acest tip de senzori sunt robuti, au dimensiuni foarte mici, aproximativ 1-2 mm2. Pentru temperatura de 300C au un consum pentru nclzire de aproximativ 100mW, ofer posibilitatea integrrii lor n circuite de amplificare i corecie a semnalului util. Din pcate, aceti senzori nu sunt selectivi, de aceea ei sunt folosii pentru detecia unor grupuri de gaze, cum este grupul de gaze combustibile CO, CH4, HZS .a. De asemenea, sunt afectai de umiditatea amestecului de analizat i de posibile otrviri produse de anumite gaze toxice.

Lipsa selectivitii acestor senzori poate fi transformat n calitatea de detectori multigaz, recomandabili pentru detecie multicomponent n analizoare cromatografice, precum i n reele de microsenzori pentru monitorizarea mediului, unde nu se cere o selectivitate nalt.

VII. FOTOREZISTORULEste cel mai simplu senzor fotosensibil, care are proprietate de a-i modula rezistena electric n funcie de intensitatea radiaiilor incidente si anume, rezistenta sa scade cu creterea intensitii fluxului, datorit generrii unui numar sporit de perechi electron-gol, care mresc conductibilitatea electric a fototranzistorului.

In principiu, un fotorezistor este alctuit dintr-un suport de sticl, SS, sau alt material transparent pe care este depus prin procedee speciale, un strat fin de material semiconductor fotosensibil, sulfur de plumb, sulfur de cadmiu, .a.

Pentru a putea fi conectat n circuite electronice de alimentare fotorezistorul este prevzut cu plcue sau fire terminale, PT, de pe care se poate preleva o cdere de tensiune dependent de intensitatea fluxului incident figura 18.

Figura 18.- Structura unui fotorezistor

BibliografieDavid Valeru, Msurarea marimilor electrice si neelectrice- curs. Facultatea de Electrotehnic Universitatea Gh. Asachi Iai 2009;

Dumitrescu, St., Tehnici de analiza chimic si fizic, Ed. Universitaii din Ploieti, 2002;

Iliescu S., Fgran I. Automatizarea centralelor termoelectrice;Ionescu G., Msurari si Traductoare Vol. 1 si 2, Ed. Didactic si Pedagogic, Bucuresti 1985,Ionescu G. Traductoare pentru automatizri industriale Editura Tehnic Bucuresti 1985;

Penescu, T., Ptracu, St., Msurarea presiunii in tehnic. Ed. Tehnic, 1968;

Pop E., Stoica, V., Tehnici moderne de msurare. Ed. Facla, Timioara, 1983;

Vezeanu, P., Patrascu, St., Msurarea nivelului n tehnic. Ed. Tehnica, 1970;http://www.spectromas.ro

PAGE 6

_1101545400.unknown

_1197877151.unknown

_1197887506.unknown

_1197887806.unknown

_1319736543.unknown

_1319737348.unknown

_1319737909.unknown

_1319737989.unknown

_1319737289.unknown

_1319736233.unknown

_1319736532.unknown

_1197888440.unknown

_1223634567.unknown

_1197887714.unknown

_1197887801.unknown

_1197887665.unknown

_1197879066.unknown

_1197886799.unknown

_1197887415.unknown

_1197887262.unknown

_1197880356.unknown

_1197878909.unknown

_1197876003.unknown

_1197876578.unknown

_1197877087.unknown

_1197877123.unknown

_1197877015.unknown

_1197876300.unknown

_1197876497.unknown

_1197876017.unknown

_1196652135.unknown

_1196652250.unknown

_1197875550.unknown

_1196652185.unknown

_1196652022.unknown

_1196652100.unknown

_1196651649.unknown

_1101543357.unknown

_1101545207.unknown

_1101545355.unknown

_1101545364.unknown

_1101545215.unknown

_1101544357.unknown

_1101545041.unknown

_1101518800.unknown

_1101542656.unknown

_1101518856.unknown

_1099024911.unknown

_1099062200.unknown

_1099134492.unknown

_1099062217.unknown

_1099062176.unknown

_1064759254.unknown