TRADUCTOARE

     Din prezentarea structurii sistemelor automate în cap. 1., s-a vazut ca dispozitivul de automatizare cuprinde o serie de elemente specifice ca: traductoare, elemente de executie, regulatoare, elemente auxiliare (amplificatoare, circuite de masura, convertoare, etc.).

            Traductoarele, cunoscute frecvent sub numele de elemente de masura sunt destinate pentru masurarea marimilor conduse [20, 21, 55] si a unor marimi semnificative pe baza carora se pune în evidenta echilibrul proceselor. Prin intermediul lor, vom obtine informatiile necesare conducerii automate a proceselor în circuit închis, fiind montate de regula pe bucla de reactie.

                               

                        3.1.  Generalitati, performante, clasificare

            Traductoarele sunt elemente din structura sistemelor automate care au rolul de a masura valorile parametrului reglat si de a converti acest parametru (marime) într-o marime fizica ce este compatibila cu marimea de intrare în elementul urmator al sistemului. Traductoarele se compun din elementul sensibil si elementul traductor , conform figurii 3.1.

            Elementul sensibil efectueaza operatia de masurare propriu-zisa, iar elementul traductor asigura transformarea semnalului într-un alt semnal, în general electric sau pneumatic, unificat, semnal ce  e preteaza pentru transmiterea la distanta.

            Performantele traductoarelor pot fi apreciate pe baza urmatoarelor  caracteristici:

            - Sensibilitatea reprezinta limita raportului dintre variatia infinit mica a marimii de iesire si cea de intrare, când ultima tinde spre zero, adica:

                                                         (3.1)

Este necesar ca aceasta sensibilitate sa fie constanta pe tot domeniul de masura, adica elementul sa fie liniar, în caz contrar sensibilitatea putându-se defini în jurul oricarui punct de functionare. În mod normal, elementele de masurat prezinta un anumit prag de sensibilitate, adica o valoare limita i sub care nu mai apare o marime masurabila la iesire.

            - Precizia  se defineste ca valoarea relativa a erorii exprimata în procente:

                                                       (3.2)

obisnuit elementele de masurat din sistemele automate având clase de precizie de 0,2 1,5 %, fiind necesar sa fie cu cel putin un ordin de marime superioara preciziei reglajului în ansamblu.

            - Liniaritatea se refera la aspectul caracteristicii statice a elementelor si, aceasta caracteristica nu trebuie sa prezinte curburi si histerezis pe tot domeniul de variatie al marimilor de intrare si iesire.

            -Comportarea dinamica. Aceasta caracteristica se refera la capacitatea elementului de a reproduce cât mai exact si fara întârziere variatiile marimii masurate. Se apreciaza pe baza functiei de transfer a elementului, adica pe baza constantelor de timp ce intervin sau, uneori pe baza benzii de trecere

            -Reproductibilitate, reprezinta proprietatea elementelor de a-si mentine neschimbate caracteristicile statice si dinamice pe o perioada cât mai lunga de timp, în anumite conditii de mediu admisibile.

            -Timpul de raspuns reprezinta intervalul de timp în care un semnal aplicat la intrare se va resimti la iesirea elementului. Acest timp poate fi oricât de mic, dar niciodata nul, putând fi asimilat cu inertia.

            -Gradul de finete se caracterizeaza prin cantitatea de energie absorbita de traductor din mediul de masura, recomandându-se sa fie cât mai mica pentru a nu influenta desfasurarea procesului. Alegerea traductorului se va face în functie de parametrul reglat, în functie de mediul de masura, în functie de tipul semnalului: continuu, electric sau neelectric, discontinuu, s.a.

            Privite sub aspectul tipului de semnale, traductoarele pot fi analogice sau pot fi numerice (cifrice).

            Clasificarea traductoarelor este o problema destul de dificila, deoarece varietatea acestora este multipla. Una din variantele de clasificare, în functie de marimea de intrare si cea de iesire, este prezentata schematic în figura 3.2.

            Un alt mod de clasificare, dupa [23] poate fi facut în raport de marimea de natura neelectrica pe cale electrica. În acest caz vom avea:

a.   &nb 20520r1714u sp;  Traductoare pentru marimi geometrice: rezistive, inductive, capacitive si numerice de deplasare; cu radiatii; de proximitate.

b.   &nb 20520r1714u sp;  Traductoare pentru marimi cinematice : de viteza; de acceleratie; de socuri si vibratii; giroscopice.

c.   &nb 20520r1714u sp;  Traductoare pentru marimi mecanice : elastice (tractiune, compresie, îndoire, cuplu); tensometrice rezistive; cu coarda vibranta; magnetostrictive; de forta; de cuplu.

d.   &nb 20520r1714u sp;  Traductoare pentru marimi tehnologice: presiune, debite, nivel, temperatura.

                e.  Alte traductoare: integrate, etc.

            În cadrul lucrarii vor fi prezentate doar traductoarele cele mai uzuale, detalii suplimentare gasindu-se în [2,23], cu referiri la principiul lor de functionare, prezentarea schematica a acestora, variante constructive posibil de realizat, fara a insista  prea mult  asupra aspectului matematic al acestora, problema ce revine altor lucrari de specialitate. 

                       

3.2. Traductoare pentru marimi geometrice

            Traductoarele mecanice de captare pot fi realizate în mai multe variante, adica:palpator, pârghie, consola, cuplaj indirect; acestea fiind prezentate în figura 3.3. (a, b, c, d).

3.2.1. Traductoare de deplasare

            Pentru masurarea deplasarilor se utilizeaza o serie de traductoare cum ar fi: traductoarele rezistive (potentiometrice), inductive, capacitive, selsinele, traductoare piezoelectrice, cu radiatii, numerice, de proximitate, s.a.

Traductoare rezistive

            Dupa cum se cunoaste, variatia rezistentei e data de:

                                                              (3.3)                                                      

unde:   – rezistivitatea electrica; l– lungimea conductorului; S – sectiunea conductorului. Modificând lungimea conductorului, practic se va modifica rezistenta electrica R.

            Pentru masurarea deplasarilor liniare se utilizeaza cu precadere potentiometrul liniar, figura 2.4. care se realizeaza prin bobinarea pe un suport izolant a unui fir rezistiv pe care se deplaseaza un cursor ce e sustinut de o pista decontact. Rezistenta de iesire a potentiometrului se modifica proportional cu deplasarea cursorului.

                                                    (2.4.)

unde: R – rezistenta electrica a potentiometrului; l – lungimea potentiometrului, x – deplasarea cursorului.

            Deoarece masurarea rezistentei este greoaie, se alimenteaza potentiometrul cu o tensiune continua stabilizata U tensiunea de iesire a acestuia Ux depinzând numai de x, U si l fiind constante.

            Numai în cazul în care tensiunea de alimentare este stabilizata si valoarea curentului ce strabate potentiometrul este redusa, traductorul reproduce corect caracteristicile.

            Pentru deplasari unghiulare se utilizeaza un potentiometru de forma circulara, obtinut prin bobinarea  pe un suport izolant circular a unui fir rezistiv peste care aluneca un cursor, conform figura 3.5.

            Rezistenta la iesirea potentiometrului si tensiunea de iesire când acesta este alimentat la o tensiune continua stabilizata, depind numai de unghiul α dupa relatia:

     si                                         (3.6)

Traductoare inductive

            Functionarea traductoarelor induc-tive are la baza variatia geometriei circuitului (cuplajului) magnetic în functie de masurând, care se traduce într-o variatie de inductivitate proprie sau mutualaPentru cazul deplasarilor liniare mici (< 2 mm), uzual se folosesc traductoare inductive cu întrefier variabil (cu armatura mobila). Una din aceste variante este prezentata în figura 3.6.

            Circuitul magnetic se realizeaza dintr-o oala de permaloy 1 si armatura mobila 2. Bobina 4 se fixeaza în piesa 1, tija 3 fiind fixata în armatura mobila 2. Prin l1 si l2 s-au notat lungimile medii ale liniilor de câmp magnetic, iar d este distanta dintre armatura mobila 2 si miezul magnetic 1.

            La modificarea distantei d sub actiunea unei deplasari, practic se va modifica inductanta L a bobinei ce depinzde de d. Deoarece, ca si în cazul traductoarelor rezistive este dificil a se masura variatiile de inductanta, practic se masoara caderea de tensiune pe rezistenta R.

            În cazul în care sectiunile circuitului magnetic se aleg într-un anumit mod, caderea de tensiune pe rezistenta R este aproximativ egala cu marimea de iesire e si este data de relatia:

                                (3.7)

unde: U – tensiune de alimentare alternativa stabilizata;

RL- rezistenta electrica a bobinei;

, rp – permeabilitatea magnetica absoluta si relativa a permaloyului;

            N – numar de spire;

S – sectiunea circuitului magnetic.

            Pentru cazul deplasarilor mai mari de 2 mm în mod obisnuit se utilizeaza traductoare inductive diferentiale cunoscute si sub denumirea de transformatoare diferentiale. În cazul unor deplasari de pâna la 4 mm se utilizeaza traductorul inductiv diferential cu întrefier variabil, iar pentru deplasari de ordinul centimetrilor se utilizeaza traductoare inductive diferentiale, cu miez magnetic mobil. Acestea se realizeaza constructiv prin bobinarea a doua înfasurari primare si doua secundare identice pe cele doua carcase izolante ce se monteaza pe un tub din material nemagnetic ( plastic, textolit, alama, s.a.) în interiorul caruia se poate deplasa liber un miez magnetic ce se executa obisnuit din fier moale. Practic reprezinta doua transformatoare identice montate pe aceeasi carcasa ce arata constructiv ca în figura 3.7., unde: 1 - bobine primare;   2 - bobine secundare; 3 - miez magnetic; 4 - tija; 5 - distantier; 6 - capace.

            Pentru reducerea perturbatiilor de natura electromagnetica, întreg ansamblul se ecraneaza.

            Functionarea traductorului prezentat se bazeaza pe principiul variatiei cuplajului magnetic între primarul si secundarul celor doua transformatoare identice la deplasarea miezului magnetic.

            Se recomanda ca pentru o buna reproductibilitate tensiunea de alimentare  primara sa fie alternativa stabilizata, iar tensiunea secundara sa fie redresata si stabilizata.

            Înfasurarile primare ale celor doua transformatoare se leaga în serie aditional, iar cele secundare în opozitie, astfel ca, în pozitia centrala a miezului magnetic

tensiunea de iesire este nula. Schema electrica a legaturilor arata ca în figura 3.8.a. Conform acestei legaturi, caracteristica statica arata ca în figura 3.8.b. Aceasta varianta are dezavantajul ca indiferent de pozitia miezului magnetic, fata depozitiacentrala (la dreapta sau stânga), conform caracteristici statice, valoarea marimii de iesire este aceeasi.

De aceea, în practica este convenabil sa se realizeze circuitul de masura din figura 3.9.a., caracteristica statica în acest caz fiind prezentata în figura 3.9.b.

            Comparativ cu traductoarele inductive cu armatura mobila, din cauza circuitului magnetic redus acestea au un factor de calitate scazut, de ordinul unitatilor. Cu toate acestea, traductoarele inductive cu miez mobil sunt preferate deoarece prezinta o serie de avantaje ca:

-   &nb 20520r1714u sp;   &nb 20520r1714u sp;  domeniul de masurare poate fi de ordinul centimetrilor;

-   &nb 20520r1714u sp;   &nb 20520r1714u sp;  prezinta o reproductibilitate si rezolutie ridicata;

-   &nb 20520r1714u sp;   &nb 20520r1714u sp;  sunt insensibile la deplasarile radiale si au frecari reduse;

-   &nb 20520r1714u sp;   &nb 20520r1714u sp;  prezinta posibilitatea protectiei la medii corozive, presiuni si temperaturi ridicate, s.a.

            Facem mentiunea ca în afara traductoarelor inductive prezentate, în practica se mai pot utiliza traductoare de tip: transformator, inductosin liniar si circular [23].

 

Traductoare capacitive

            Functioneaza pe principiul modificarii capacitatii unui condensator atunci când variaza fie distanta dintre armaturile lui, fie dimensiunile armaturilor, fie constanta dielectrica a mediului dintre ele conform relatiei:

                                                            (3.8)

            Pentru deplasari mici, se utilizeaza traductoare capacitive la care se modifica distanta dintre armaturi (figura 3.10), armatura 1 fiind suspendata elastic si se poate deplasa paralel cu ea însasi sub actiunea fortei F (deplasarii). Armatura 2 este fixa si izolata electric fata de suport.  Între capacitatea traductorului si deplasarea (x) a armaturii mobile exista o relatie de forma:

                                             (3.9)

unde:

            εr - permitivitatea relativa a dielectricului dintre armaturi;

            Ss – suprafata de suprapunere a celor doua armaturi;

            δ – distanta dintre armaturi;

            x – deplasarea de masurat.

Sensibilitatea traductoarelor e data de:

            Pentru masurarea unor unghiuri se utilizeaza traductorul capacitiv reprezentat schematic în figura 3.11, la care se modifica practic suprafata de suprapunere a armaturilor, una fiind fixa - 1 , cealalta - 2 putându-se roti prin fixarea acesteia pe axul 3.

În functie de unghiul de rotire α a armaturii mobile se va modifica suprafata de suprapunere dintre cele doua armaturi, valoarea capacitatii fiind data de:

                               (3.10)

notatiile fiind cele anterioare, rezulta:

Pentru cazul unor deplasari liniare se utilizeaza: traductoare cu armaturi dreptunghiu-lare si cilindrice. Pentru traductorul cu armaturi dreptunghiulare (1–fixa, 2 – mobila) din figura

3.12.,capacitatea este data de: , iar 

      (3.11)

Pentru traductorul cu armaturi cilindrice din figura 3.15 (1 – fixa, 2 – mobila) capacitatea depinde de deplasarea axiala a cilindrului interior, fiind:

, iar    (3.12)

unde r1, r2 sunt razele cilindrului interior, respectiv exterior.

            Cu mentiunea ca exista si variante de traductoare capacitive la care se modifica dielectricul (acesta nu în sensul ca se modifica pozitia dielectricului fata de cele doua

armaturi), precizam ca toate traductoarele capacitive functioneaza în curent alternativ la frecventa de cel putin 1 kHz.

            Traductoarele capacitive prezinta o foarte buna sensibilitate fiind utilizate frecvent pentru masurari de deplasari rapide. metoda compensarii.

            Datorita faptului ca în mare masura capacitatea traductorului depinde de dimensiunile geometrice ale armaturilor care pot varia cu temperatura mediului, ducând la erori importante, pentru înlaturarea acestui inconvenient armaturile se confectioneaza dintr-un material special numit invar. De asemenea se utilizeaza si prin montarea în punte a doua traductoare identice, numai unul dintre acestia fiind actionat de marimea neelectrica masurata sau controlata.

            Traductoare piezoelectrice

            Sunt traductoarele generatoare ce functioneaza pe principiul piezoelectric (magnetostrictiv). Acest fenomen consta în aparitia de sarcini electrice pe fetele unui cristal special în momentul în care asupra acestuia se exercita forte (presiuni) mecanice, fenomen descoperit de fratii curie la sfârsitul secolului

trecut.

            Initial, fenomenul a fost observat la cristalele de cuart (SiO2) dar, proprietatile pizoelectrice mai prezinta si alte cristale ca: turmalina, oxidul de zinc, niobatul de litiu, titanul de bariu, plumb si zirconiu, s.a.

            În ultima perioada se utilizeaza cu precadere titanatul de bariu care este un material ceramic cu aspectul portelanului, rezistent la solicitari mecanice si termice care are un randament ridicat în functionare.

          Traductorul este alcatuit din unul din cristalele amintite, prelucrat în mod special (figura 3.14), pe fetele caruia se depune

un strat subtire de argint coloidal cu scopul de a culege sarcinile electrice formate când elementul piezoelectric se supune unor deformatii mecanice.

            Au avantajul unei inertii reduse, sunt fiabile, nu necesita surse de alimentare, în schimb necesita amplificatoare deoarece tensiunea generata este foarte mica. Au dezavantajul unui pret relativ ridicat.

  3.2.2.  Traductoare cu radiatii

            Aceste tipuri de traductoare pot fi folosite la masurarea distantelor sau deplasarilor de regula liniare, bazându-se pe proprietatea de propagare a radiatiilor în timp si interactiunea acestora cu mediile în care se propaga. Aceste radiatii pot fi: optice, acustice, electromagnetice sau nucleare.

            Traductoarele cele mai des utilizate sunt traductoare acustice cu ultrasunete ce functioneaza pe principiul efectului piezoelectric sau  magnetostrictiv, cele doua variante fiind reversibile, putând fi folosite atât la emisia radiatiilor acustice-ultrasonore, cât si la receptia acestora.

Fig. 3.15.

            Traductorul piezoelectric cu ultrasunete, dupa schema principiala din figura 3.15. se compune din carcasa metalica 1, în interiorul careia se monteaza pastila piezoelectrica 2 (materiale cristaline – cuart sau materiale amorfe – titanatul de bariu, titanatul de zirconiu) pe care sunt plasate doua armaturi metalice 3. Placa izolatoare 4 protejeaza traductorul de mediul de contact, putând avea si rolul de transformator acustic prin adaptarea impedantei acustice a traductorului la mediul de propagare. Prin alimentarea traductorului cu o tensiune alternativa între conductorul 5 si carcasa, sub actiunea câmpului electric alternativ creat, prin efect piezoelectric, pastila se va deforma.

            Pentru obtinerea unui raspuns rapid, în spatiul 6 din interiorul carcasei se introduce un material cu impedanta acustica mare (deobicei pulbere de titan în liant solidificat) cu rolul de amortizor mecanic cu precizarea ca amortizarea se poate face si electric, prin montarea unei rezistente electrice de valoare mare în paralel cu traductorul.

            Cu precizarea ca în [23] este descris si un traductor modern cu unde acustice de suprafata (SAW – Surface Acustic Wave) ce permite determinarea pozitiei bidimensionale, în cadrul lucrarii pe care ne propunem a o dezvolta ne limitam doar la cele prezentate, revenind în cap. 3. la diverse convertoare, adaptoare, circuite de masurare, aparate de masura s.a.

             3.3. Traductoare pentru marimi cinematice

            În cadrul acestui paragraf vom încerca sa redam principiul de functionare al unor traductoare frecvent utilizate pentru masurarea vitezei liniare si de rotatie, acceleratiilor, precum si a traductoarelor de tip selsin, acestea din urma putând fi utilizate atât pentru

masurarea si transmiterea la distanta a unor pozitii unghiulare, cât si pentru functionarea în regim de urmarire a rotirii unui organ greu accesibil.

              3.3.1. Traductoare de viteza

            Pentru masurarea vitezelor liniare în general se aplica metoda directa prin determinarea distantei într-un anumit interval de timp sau, cronometrarea timpului de parcurgere a unei anumite distante.                                                                                Totusi, în [23] este indicat pentru masurarea vitezelor liniare traductorul de tip motor liniar prezentat schematic în figura 3.16. Constructiv, este asemanator cu traductorul inductiv diferential cu miez mobil dar, miezul se înlocuieste cu un magnet permanent 1,iar bornele (înfasurarile) 2 se leaga înseriate, astfel ca efectele se vor însuma.

            Tensiunea ce se induce într-o înfasurare e data de:

                                        (3.13)

unde: N – numarul de spire; Ф – fluxul creat de magnetul care este de forma Ф=Ф0f(x). Va rezulta ca:

        (3.14)

            În principiu, se poate observa ca se poate utiliza ca traductor de viteza liniara, orice traductor de deplasare prin derivarea marimii de iesire. Aceasta metoda se utilizeaza destul de rar, pe motivul ca derivarea analogica mareste nivelul perturbatiilor în cazul frecventelor ridicate.

            Traductoarele de viteza de tip motor liniar permit o deplasare maxima de 50 mm, cu o sensibilitate de 5 mv/m/s si liniaritate de 1 %.

            În practica se urmareste de obicei masurarea vitezei de rotatie (cazul actionarilor electrice), vitezele liniare fiind convertite în viteze unghiulare pe baza relatiei:

v = ·R                                                                                    (3.15)

unde: v – viteza liniara; - viteza unghiulara; R – raza de rotatie.

            Tahogeneratoarele, sunt traductoare de turatie (generatoare de curent continuu sau alternativ) care genereaza un semnal de tensiune proportional cu viteza unghiulara.

            Tahogeneratoarele de curent continuu sunt minigeneratoare de curent continuu cu excitatie constanta, în mod obisnuit fiind realizate dintr-un magnet permanent. Tensiunea generata si culeasa de la periile acestuia este data de:

E = ·k·Ф                                                                    (3.16)

unde: – pulsatia; Ф – fluxul magnetic creat de magnetii permanenti; k – constanta de etalonare (proportionalitate). Aceasta caracteristica este de obicei neliniara (figura 3.17.) si, în zona vitezelor de rotatie reduse comportarea lor devine necorespunzatoare, datorita unui numar limitat de lamele la colector. Totodata, prezinta dezavantajul prezentei zgomotelor produse de perii, fiind necesara o filtrare ulterioara.

            În cazul tahogeneratoarelor de curent continuu, tensiunea generata de acestea este de ordinul 2 ÷ 10 V/ 1000 rot/min, având o aplicabilitate restrânsa.

            Tahogeneratoarele de curent alternativ, sunt minigeneratoare sincrone monofazate, rotorul  acestora fiind în mod obisnuit un magnet permanent. Tensiunea generata de acestea este redresata si filtrata, de obicei cu blocuri de cuadripoli de care va trebui sa tinem cont la exprimarea functiilor de transfer, filtrele fiind în general cuadripoli de tipul trece jos.

            Pentru cazul în care puterea (cuplul) transmisa este redusa se poate utiliza si traductorul realizat pe principiul motorului bifazat, reprezentat schematic în figura 3.18.  La acest traductor, una din înfasurarile statorice se alimenteaza în curent alternativ, axul rotorului fiind antrenat de dispozitivul a carui viteza se masoara. Tensiunea generata în a doua înfasurare e va fi proportionala cu , iar pentru o inertie mica se realizeaza constructiv cu rotor sub forma de pahar. Prezinta o sensibilitate de circa 1 mV/rot/min, caracteristica statica este liniara pe un domeniu de turatii larg (0 ÷ 18.500 rot/min) iar, folosind constructii speciale se pot masura turatii pâna la 30.000 rot/min [15], fiind realizate la frecvente de 50 Hz sau 500 Hz.

            Pentru cazul masurarii vitezelor, functiile de transfer ale tahogeneratoarelor se reduc la valoarea constantei de proportionalitate, adica în raport cu pozitia unghiulara, acestea sunt de forma:

Y(s)= K·s                                                                    (3.17)

rezultând un element pur derivativ. Aceasta proprietate, de element pur derivativ, îsi gaseste aplicatii în mod deosebit la sistemele de reglare a pozitiei prin realizarea unor reactii suplimentare [5].

            Actual, un numar mare de traductoare de turatie se realizeaza prin impulsuri, functionând pe principiul reluctantei variabile, cu curenti Foucault sau pe pincipii optice (cazul efectului stroboscopic sau cazul reflexiei unui fascicol luminos).

            Principial, dupa [23] în figura 3.19.a. se prezinta un traductor de turatie cu senzorul magnetic βSM 230, iar în figura 3.19.b. un traductor realizat cu senzorul de proximitate TCA 105N., pentru turatii cuprinse între 100 ÷ 30.000 rot/min. Precizam

faptul ca traductoarele optoelectronice pot fi utilizate la turatii foarte mari, atingând chiar 107 rot/min.

            Cu precizarea ca, circuitele de masurare pentru traductoarelor cu impulsuri sunt frecventmetre, turatia este multiplicata cu un numar egal cu numarul fantelor sau dintilor (repere de marcare), putându-se masura cu precizie buna chiar si turatiile mici.

            O solutie intere-santa pentru masura-rea vitezelor de rotatie o prezinta puntea tahometrica, cu preci-zarea ca aceasta se poate utiliza, cu anumite rezerve, la masurarea vitezei de rotatie a motoarelor de curent continuu. Sche-ma de principiu a ,,puntii tahometrice’’ este redata principial în figura 3.20.a.b., tensiunea de reactie (rotorica) ur putând semnifica masurarea vitezei unghiulare .

            Comportarea puntii tahometrice în regim stationar [54] constant ne duce la concluzia ca ramân valabile relatiile:

                                                    ua= eM+(R1+Ra)·ia;  eM=Ke·

                                                uR2= ia·R1+uu;  uR2=R2·ua/(R2+R3)                      (3.18)

Rezulta ca:

                                            (3.19)

cu precizarea ca Ra este rezistenta rotorica, iar eM este tensiunea electromotoare generata.

            Daca vom lua în considerare ca R1/Ra=R2/R3 se obtine:

                                    (3.20)

            Luând în considerare relatiile (2.18), comportarea în regim dinamic a puntii tahometrice va fi data de:

                                                            (3.21)

sau se poate scrie:

               (3.22)

unde:  T’a=La/(Ra+Ra), La – inductanta rotorica; Ra – rezistenta rotorica.

            Prin alegerea adecvata a rezistentei R1 si prin filtrarea semnalului de reactie cu o constanta de timp mult mai mare decât T’a, se poate considera ca:

                             (3.23)

  3.3.2. Traductoare de acceleratie

            În tehnica de masurare a acceleratiilor se pot utiliza accelerometre: piezoelectrice (de compresie, de forfecare, de forfecare, cu lama în consola); piezorezistive (cu amplificator mecanic, cu timbre tensometrice, cu fibre optice) si cu reactie, acestea urmând a fi prezentate foarte sumar în cele ce urmeaza [23].

             Accelerometre piezoelectrice

            Sensibilitatea acestor traductoare poate fi exprimata prin:

- sensibilitatea de sarcina:                                      [pC/m·s2]                (3.24)

                - sensibilitatea de tensiune:   [mV/m·s2] sau [mV/g]            (3.25)

(g – acceleratie gravitationala)

            Accelerometre piezoelectrice de compresie, figura 3.21. se realizeaza constructiv dintr-o piesa a carei vibratie se masoara si o placa de baza 1 care reprezinta suportul a doua pastile piezoelectrice 2 pe care se plaseaza masa seismica ms. Pretensionarea sistemului este realizata cu ajutorul resortului 3, întreg ansamblu fiind introdus în carcasa 4 si prevazut cu mufa de conectare 5.

            Traductoarele piezoelectrice sunt robuste, preiau undele longitudinale, au o frecventa de rezonanta ridicata, dar, prezinta si o sensibilitate transversala ceea ce face ca sensibilitatea totala sa varieze în functie de unghiul de orientare între o valoare maxima si minima. Pentru reducerea influentei sensibilitatii transversale, pe traductor se marcheaza directia pe care aceasta este minima, fiind necesara respectarea acesteia la montare.

            Accelerometre piezoelectrice de forfecare sunt realizate constructiv sub forma cilindrica curent alternativ în figura 3.22. sau sub forma prismatica triunghiulara. Sunt prevazute cu o placa de baza 1, pastila piezo de forma cilindrica 2 care se fixeaza cu adezivul conductor 3, masa seismica ms 4 si carcasa 5.

            La aceste traductoare, vibratiile produc unde de forfecare în pastila piezoelectrica. Comparativ cu accelerometrele de compresie, sensibilitatea acestor traductoare este redusa la variatii de temperatura si tensiuni mecanice din piesa de baza, prezentând o anumita fragilitate.

            Accelerometre piezorezistive

            Functioneaza pe principiul modificarii rezistentei sub actiunea unei deformatii a unor timbre tensometrice. Principial, un astfel de accelerometru se realizeaza (figura 3.23.) din masa seismica 1, suspendata de lama elastica 2 încastrata în suportul 3, deformatia acesteia fiind masurata cu timbrele tensometrice 4.

Deoarece banda de frecvente începe de la zero, la masurare pot sa apara derive termice, modulului de elasticitate si amortizarii.iar modificarea temperaturii duce la variatia modulului de elastcitate si a amortizarii.

            Aceste accelerometre se utilizeaza ca traductoare de joasa frecventa precum si la masurarea acceleratiilor constante (în cazul vehiculelor), la frecvente în banda 0 ÷ 1000 Hz cu domeniul de masurare (1 – 500)·g.

            Fata de accelerometrele piezoelectrice, cele piezorezistive prezinta avantajul unei impedante echivalente redusa, sunt mai putin

sensibile la influentele exterioare, banda de frecvente începe de la zero, dar sunt mai putin sensibile deoarece în circuitele de masurare s-ar putea sa apara deriva de zero de natura termica sau mecanica.

Precizam ca exista si alte variante îmbunatatite, iar circuitele de masurare sunt cele utilizate la timbrele tensometrice.                                                         

            Traductoare cu fibre optice, figura 3.24, au în componenta placa de baza 1, masa seismica 2, lama elastica 3. Pe partea mobila (2,3) sunt plasate fibre optice multimod (receptor 4, emitator 5) ultimul preluând fluxul luminos de la    sursa 6. De masa seismica este legata rigid bara 7.

            Fluxul de lumina receptionat va depinde de pozitia relativa dintre cele doua fibre optice, având o caracteristica de transfer Gaussian [46] si se constata posibilitatea obtinerii unei variante diferentiale a traductorului, obtinând sensibilitati foarte mari.

             Accelerometre cu reactie

Un accelerometru cu reactie este reprezentat principial în figura 3.25., acesta fiind realizat dintr-un magnet permanent 1 care creeaza un câmp magnetic intens în care se plaseaza un cadru mobil bobinat 2 (cazul dispozitivelor magneto-electrice). De acest

cadru se leaga solidar, printr-o tija, masa seismica 3. Datorita vibratiilor, a caror directie este perpendiculara pe axul cadrului mobil, se produce o deplasare a masei seismice care roteste cadrul, rotire ce va fi sesizata de traductorul de unghi – α. Dupa o eventuala prelucrare, acest

semnal este amplificat prin A si readus în cadru sub forma unui curent de reactie ce va da nastere la un cuplu activ care aduce cadrul mobil la pozitia initiala.

Aceste accelerometre lucreaza în banda de frecvente reduse, uzual 0 ÷ 100 Hz, într-un domeniu de ordinul 10·g, dar, prezinta o rezolutie ce atinge 10-6·g.

Se utilizeaza destul de putin, deoarece sunt foarte fragile si au un pret de cost ridicat.

                        3.4. Selsine

            Denumirea acestora este o prescurtare a expresiei ,,self synchronous mashine’’ si servesc atât pentru transmiterea la distanta a unor pozitii unghiulare cât si pentru ,,telecomanda’’ rotatiei unui organ greu accesibil ce executa o viteza de rotatie [21,55, 56].                                                                                                                                 Din punct de vedere constructiv, selsinul este practic un generator sincron, adica dispune de trei înfasurari statorice decalate la 1200 si o înfasurare rotorica monofazata. Comparativ cu generatoarele sincrone, rotorul selsinelor este alimentat în general cu tensiune alternativa de frecventa industriala (50 Hz), iar, în cazul unor

 constructii speciale, la frecventa de 500 Hz.

            Datorita fluxului creat de înfasurarea rotorica (figura 3.26.) se vor induce tensiuni electromotoare în fiecare din înfasurarile statorice, amplitudinea acestora

depinzând de pozitia relativa ocupata de înfasurarea rotorica în raport cu pozitia înfasurarii statorice.

            Considerând ca Er este amplitudinea tensiunii rotorice si α reprezinta unghiul între câmpul rotoric creat de aceasta cu axa înfasurarii 1, amplitudinea tensiunilor induse în cele trei înfasurari vor fi:

           E1=Er·cosα; E2= Er·cos(α+2/3); E3= Er·cos(α-2/3),                                (3.26)

cu mentiunea ca aceste tensiuni vor fi alternative si de aceeasi frecventa cu a tensiunii rotorice.

            Pentru transmiterea la distanta a unei pozitii unghiulare α a rotorului cuplat la dispozitivul a carui pozitii se masoara se va utiliza schema de legaturi indicata în figura 3.27., utilizând doua selsine. În cazul în care între pozitia rotorului αg a selsinului generator si αm a selsinului motor va exista o diferenta, datorita curentilor de circulatie ce apar, rezulta un cuplu motor a carui valoare e data aproximativ de:

                                                      (3.27)

cuplu ce se anuleaza numai în cazul în care αg=αm. Rezulta ca αm va reproduce pozitia dispozitivului condus αg.

            Cu precizarea ca utilizând aceasta schema, se poate realiza si regimul de urmarire a rotatiei unui element la care accesul vizual nu este posibil.

            Selsinele au o comportare dinamica ideala la masurarea pozitiei unghiulare dar, trebuie tinut cont si de posibilitatea  unor întârzieri ce apar datorita mecanismului de antrenare al rotorului, inertia acestuia fiind practic neglijabila.

                        3.5.  Traductoare de socuri si vibratii

            Vibratiile reprezinta miscari oscilatorii în jurul unui punct caracterizat prin amplitudine, viteza, acceleratie, frecventa iar, socurile reprezinta miscari în forma de impulsuri singulare cu durata scurta fiind descrise de anumite legi de variatie în timp sau mai simplu, prin valori cinematice maxime.

            Vibratiile sunt de joasa sau înalta frecventa, libere sau întretinute, amortizate sau neamortizate, deterministice sau aleatoare, de translatie, torsiune, încovoiere, etc.

            În principiu, vibratiile se masoara prin cei trei parametri ai acestora, adica: amplitudine, viteza sau acceleratie, prin cunoasterea carora se pot determina si ceilalti parametri (prin derivare sau integrare). În practica se prefera solutia de integrare (derivarea duce de obicei la intensificarea perturbatiilor de înalta

frecventa), prin masurarea acceleratiei care prezinta si avantajul ca nu este necesar un anumit sistem de referinta.

            În practica, masurarea vibratiilor se face prin forta ce actioneaza asupra unei mase seismice din componenta unor

traductoare seismice.

            Principial, dupa figura 3.28. traductoarele seismice sunt traductoare mecanice de tip inertial compuse din: carcasa 1; placa de baza 2; resortul 3 cu constanta elastica k; masa seismica m 4; dispozitivul de amortizare 5 cu factorul de amortizare c, traductorul în ansamblu fiind un sistem mecanic de ordinul II, i – marimea de intrare, e – marimea de iesire.

Ecuatia de miscare a masei seismice în domeniul timp este:

                                          (3.28)

Cu precizarea ca membrul drept al acestei relatii reprezinta forta inertiala, în functie de relatiile existente între coeficientii m, c, k în [10] sunt tratate cazurile: masa

seismica mare, resoarte  slabe (vibrometre); resort rigid, masa si coeficient de amor-tizare neglijabile (accelerometre); coeficient de amortizare mare, masa si constanta elastica neglijabile.

            Traductorul seismic poate fi descris functional si în domeniul frecventa, prin aplicarea transformatei Laplace relatiei (3.28) si determinând functia de transfer care este de forma:

                                   (3.29)

unde:  – pulsatia proprie de rezonanta mecanica;

             – factor de amortizare.

Daca >> 0, atunci e >> i, traductorul se poate utiliza ca vibrometru, fiind realizat constructiv cu masa mare si suspensie moale.

Daca << 0, relatia (3.29) devine:

                                                            (3.30)

ceea ce ne arata ca marimea de iesire este proportionala cu acceleratia, traductorul

ceea ce ne arata ca marimea de iesire este proportionala cu acceleratia, traductorul functionând ca accelerometru seismic, constructie ce presupune o masa seismica redusa si o suspensie tare.

            Functionarea traductorului seismic ca vibrometru impune utilizarea unui filtru trece-sus, constructiv putând reduce amortizarea sau creste masa seismica prin aceasta scazând sensibilitatea.

            În cazul accelerometrelor e necesar sa utilizam un filtru trece-jos, iar cresterea frecventei maxime de functionare devine posibila prin micsorarea masei sau cresterea amortizarii. Aceasta solutie are avantajul reducerii gabaritului, dar, trebuie tinut cont de faptul ca sensibilitatea scade cu patratul frecventei. Totodata cresterea amortizarii are ca efect largire benzii de frecventa, prezentând dezavantajul unui defazaj suplimentar ce face dificila analiza nodurilor de vibrare si a socurilor.

            În mod obisnuit, ca unitate de masura pentru acceleratii se foloseste m/s2

sau acceleratie gravitationala g=9,81 m/s2, iar punerea în evidenta a deplasarii masei seismice se face cu traductoare adecvate de deplasare, viteza sau presiune (forta).

                        3.6.  Traductoare pentru marimi mecanice

            Principalele marimi mecanice masurate în tehnica sunt cele specifice constructiilor mecanice din care deriva si alte marimi specifice: masa, duritatea, tensiunea mecanica, alungirea relativa, modulul de elasticitate, presiunea s.a. La masurarea marimilor mecanice pot fi utilizate traductoarele specifice, dar si traductoarele de deplasare care au în componenta un element elastic ce capteaza forta sau momentul si le transforma într-o deplasare.

            Totodata este necesar sa se acorde o atentie deosebita pentru reducerea la minim a riscurilor unor deformari accidentale, cum ar fi flambajul, adica îndoirea structurii la o compresie axiala, precum si alegerea unor variante de masurare diferentiale.

            În cele ce urmeaza, vom prezenta foarte succint traductoarele pentru marimi mecanice de tipul: elastice (de tractiune – compresie; de îndoire; de taiere; cu sageata mare; de cuplu); tensometrice rezistive; magnetostrictive; de

forta cu masurarea deplasarii de cuplu, fara a insista asupra circuitelor de masurare, conversie sau adaptare, acestea prezentându-se separat.

            Traductoare elastice de cuplu functioneaza în general pe principiul masurarii deformatiei produse de cuplu asupra unor traductoare mecanice. Aceste traductoare pot avea forma de cilindru plin, tub sau bara patrata, reprezentate schematic în figura 3.29. a), b), c).

            Notând cu M – cuplul transmis axial, G – modulul de rigiditate, unghiul de torsiune θ si tensiunea maxima, cu notatiile din figura sunt date de relatiile:

- cilindru plin:                                     (3.31)

- tub:                              (3.32)

- bara patrata:                               (3.33)

            Precizam ca, tensiunea mecanica maxima nu trebuie sa depaseasca 2/3 din tensiunea mecanica limita de forfecare iar în cazul  în care pe lânga forfecare mai apare si fenomenul de îndoire a axului, ceea ce duce la erori suplimentare, lungimea axului trebuie redusa, ceea ce în final duce la scaderea sensibilitatii.

  Traductoare tensometrice rezistive

            Aceste traductoare [10, 20, s. a.] functioneaza pe efectul tensorezistiv descoperit de lordul Kelvin în 1856, efect ce consta în modificarea rezistentei electrice în functie de tensiunea mecanica, prin modificarea lungimii, sectiunii si rezistivitatii electrice . Aplicatiile industriale ale efectului tensometric îsi fac aparitia mult mai târziu, abia prin anul 1920.

pot fi realizate în doua variante: cu filament semiconductor (figura 3.30.a.) si difuzate (figura 3.30.b.). În primul caz, filamentul semiconductor  , care este decupat chimic sau mecanic dintr-un monocristal semiconductor cu lungimi pâna

la un milimetru si grosimi de ordinul 10-2 mm, este conectat la doua conductoare  si montat pe suport .

            În cazul traductoarelor difuzate (obtinute prin difuzia unor impuritati într-o zona a unui substrat de silicon mono-cristalin) se poate observa ca apare si o dioda semiconductoare care trebuie polarizata invers în circuit. Acest lucru permite realizarea unei configuratii de 4 traductoare montate în punte cu aplicabilitate simpla în tehnica circuitelor integrate, cu mentiunea ca rezistivitatea, în cazul cristalelor de siliciu, creste pâna la temperaturi de aproximativ 120 0C, dupa care aceasta se reduce.

            Datorita deformarii suportului, rezistenta R a timbrelor tensometrice se va modifica atât din cauza lungimii l cât si a sectiunii s, respectiv a rezistivitatii electrice . Prin aplicarea diferentialei totale a logaritmului rezistentei [23, 30], prin trecerea concomitenta la diferente finite, sensibilitatea acestor traductoare este data de:

                                                   (3.34)

            Luând în considerare un conductor rotund cu diametrul d, sectiunea acestuia variaza prin intermediul diametrului, care, la rândul sau depinde de variatia lungimii dupa relatia:

                                                                 (3.35)

fiind coeficientul lui Poisson cu valori cuprinse între 0,2 ÷ 0,4. Fenomenul piezorezistiv  este pus în evidenta prin termenul / care este proportional cu variatia volumului V, adica:

                                                                           (3.36)

c fiind constanta lui Bridgman, cu valori aproape unitare pentru metale, +100 pentru semiconductoare "p" si -100 pentru semiconductoare "n". tinând cont ca V=·d2·l/4, relatia (3.35) devine:

                                    (3.37)

k reprezinta sensibilitatea relativa, care pentru c si date are valoarea k ≈ 2 la traductoare metalice, k ≈ ± 100 la traductoarele semiconductoare în functie de tipul semiconductorului "p" sau "n".

            Trebuie retinut faptul ca, pe lânga sensibilitatea longitudinala manifestata în lungimea firului, apare si o sensibilitate transversala kt:

                              (3.38)

unde Rl este rezistenta firului pe portiunea longitudinala, iar Rt pe portiunea transversala. Sensibilitatea transversala este cu atât mai mica cu cât Rt<<Rl, nedepasind 2% din cea transversala. Din acest motiv, la traductoarele cu folie, portiunile transversale sunt mari.

            Referitor la influenta temperaturii, se produc concomitent trei fenomene: dilatarea piesei, dilatarea firului traductorului si modificarea rezistentei acestuia.

Alegând convenabil materialele, devine posibila compensarea acestor efecte (realizare dificila în practica) prin compensarea erorilor cu temperatura utilizând montaje diferentiale sau montaje compensate termic.

            Traductoare magnetostrictive

            Sub actiunea unui câmp magnetic, substantele magnetice îsi modifica geometria (dimensiunile) precum si unele marimi de natura mecanica, mai precis, modulul de elasticitate. Acest fenomen este reversibil, ceea ce ne arata ca se produce o modificarea a curbei de magnetizare, implicit a permeabilitatii magnetice sau

inductiei remanente, sub actiunea unor tensiuni mecanice. Aceasta interac-tiune dintre momentele magnetice elementare si reteaua cristalina, reprezinta proprietate de magnetostric-tiune a substantelor magnetice.

            Pe baza acestei proprietati s-au realizat traductoare de forta la care variaza fie permeabilitatea magnetica, fie inductia remanenta.

            Având la baza principiul variatiei permeabilitatii magnetice, în figura 3.33. se prezinta doua traductoare magnetostrictive (a - de inductivitate proprie; b - de inductivitate mutuala; c - aspectul liniilor de câmp).

            Traductorul din figura 3.31.a. se realizeaza sub forma unei inductivitati cu circuit închis. Proportional cu tensiunea mecanica (efortul ), apare o variatie relativa a permeabilitatii magnetice care se transforma într-o variatie relativa a reluctantei magnetice. În final apare o variatie relativa a inductivitatii data de:

            L/L = k·     (3.39)

            Ca dezavantaje ale acestor traductoare putem mentiona:

            - reproductibilitate redusa, fiind necesara reetalonarea periodica;

            - sensibilitatea scade cu cresterea frecventei, depinzând de amplitudinea curentului de excitatie fiind necesar a stabili regimul optim de functionare pentru fiecare traductor în parte;

            - sensibilitatea caracteristicii scade cu cresterea temperaturii cu circa 0,1%/ 0C si prezinta histerezis;

            - întrefierul reduce sensibilitatea traductorului putând chiar sa o anuleze.

            În cazul traductoarelor cele mai utilizate, realizate din aliaje de feronichel, domeniile de masurare sunt de ordinul 50·106 N/m2, cu o sensibilitate de ordinul 2·10-9 m2/N.

            Traductoarele de inductivitate mutuala (figura 3.31.b.) sau de tip transformator sunt realizate dintr-un material magnetic

omogen, practicându-se patru orificii în vârful unui patrat, pe suprafata compacta a acestuia, orificii în care se realizeaza doua bobinaje cu axele perpendiculare. Daca una din înfasurari se alimenteaza cu Up (tensiune primara), în lipsa unei deformatii (tensiuni) mecanice, materialul magnetic fiind izotrop, în cea de-a doua înfasurare nu va aparea tensiune electrica Ur datorita simetriei liniilor de câmp (figura 3.31.c.). În cazul ca traductorul este tensionat, materialul nu mai este izotrop, se produce modificarea structurii liniilor de câmp si o parte din acestea se închid si prin înfasurarea secundara, producând o tensiune electrica Us. La sarcini de circa 50·106 N/m2, sensibilitatea traductorului poate atinge valorile de 100 mV/V.

            Traductoarele magnetostrictive ce functioneaza pe principiul variatiei inductiei remanente, prezentate principial în figura. 3.32., îsi modifica inductia magnetului permanent  la solicitari mecanice dupa relatia:

                                                       (3.40)

k fiind o constanta ce depinde de natura magnetului (10 -9 T/N·m-2), rezultând ca traductorul se poate utiliza doar pentru masurarea unor forte dinamice, obtinând la borne tensiunea:

                        (3.41)

            Prin integrarea acestei relatii, se vor obtine informatii asupra tensiunii mecanice .

            Traductorul prezentat are dezavantajul  unei robustete mecanice ridicate, are o impedanta electrica mica, este sensibil la variatii de temperatura. Totodata se impune limitarea frecventei maxime a marimii de masurat, aceasta trebuind sa fie mai mica decât frecventa de rezonanta mecanica.

              Traductoare de forta cu masurarea deplasarii

            Aceste tipuri de traductoare prezinta o complexitate ridicata, functionând pe principiul transformari succesive a marimilor, prin transformarea fortei F într-o deplasare l cu ajutorul unui traductor elastic, deplasarea care la rândul sau este masurata cu un traductor electric.

            Notând u - tensiunea la iesirea circuitului de masurare avem:

                                                     (3.42)

unde u/l reprezinta functia de transfer a traductorului electric cu circuitul sau de masurare.

            Dupa cum s-a aratat, traductoarele electrice de deplasare pot fi rezistive, capacitive sau inductive, ultimele având o utilizare mai frecventa .

            Principial, în figura 3.33. se prezinta un  traductor inductiv diferential de tip transformator: 1 - tija; 2 - arcuri spirale; 3 - înfasurari; 4 - distantier; 5 - miez magnetic.

            Traductoarele de elastice utilizate (arcuri spirale, inele dinamometrice, console)

prezinta deformatii mari pentru sarcini mici si sunt prevazute cu opritoare (limitatoare) de deplasare mecanica pentru a nu deteriora la suprasarcini accidentale.

            Miezul magnetic plasat pe axa tijei mobile asupra careia actioneaza forta F, se pozitioneaza în raport cu înfasurarile traductorului cu ajutorul celor doua arcuri cu sensul de înfasurare opus, în scopul compensarii erorilor de temperatura.

            Tensiunea de iesire nominala poate fi de ordinul 1V la tensiuni de alimentare de câtiva volti, frecventa de lucru atinge ordinul kilohertzilor, iar domeniul de masurare al acestor traductoare este de circa ±1 daN pentru deplasari de ±0,5 mm.

            În cazul traductorului de cuplu asociat cu traductorul inductiv diferential, prezentat în figura 3.34., pe arborele - 1 cu diametrele diferite D si d, sunt plasate la o distanta l fata de suprafata de separare a sectiunilor, bobinele - 2 si circuitul magnetic - 3.

Solidar cu sectiunea de diametru mai mare a arborelui se fixeaza o armatura mobila - 4, a carui pozitie este perfect simetrica în raport cu bobinele daca nu apare un cuplu. Când arborele este supus unui cuplu va avea loc o deplasare a armaturii mobile datorita deformarii acestuia, modificându-se cele doua inductivitati ale bobinelor. Trebuie precizat faptul ca daca apare si un cuplu de încovoiere, acesta nu influenteaza masuratorile.

Traductoarele optoelectronice de cuplu functioneaza pe principiul schemei prezentate în figura 3.35., pe arbore fiind plasate la o anumita distanta d, doua discuri perforate cu fante transparente si opace. În practica exista doua posibilitati de masurare:

- Cu modulatie de amplitudine, caz în care sursa de lumina S si fotodetectorul FD sunt plasate în afara sistemului si, deoarece zonele transparente aferente celor doua discuri sunt plasate decalat cu 1/4 din

perioada geometrica, va rezulta, în absenta cuplului daca arborele se roteste, o succesiune de impulsuri cu durata de 1/4 din perioada. La aparitia unui cuplu, datorita rasucirii arborelui, se produce o modificare a pozitiei relative a planelor celor doua discuri si implicit a latimii impulsurilor, marimea masurata fiind data ca o valoare medie a semnalului de la iesirea fotodetectorului FD. Datorita faptului ca fluxul luminos al sursei nu este constant (la becuri cu incandescenta fiind proportional cu puterea a cincea a tensiunii de alimentare) este necesara calibrarea în amplitudine a impulsurilor la fotodetector.

- Cu modulatie de faza, caz în care sursa S se plaseaza între cele doua fotodetectoare FD1 si FD2 asezate de o parte si de alta a discurilor. În cazul rotirii arborelui si transmiterii cuplului prin acesta, datorita modificarii pozitiei relative a celor doua discuri, va aparea un defazaj suplimentar între semnalele produse de cele doua fotodetectoare, defazaj care este proportional cu cuplul transmis.

Este necesar sa precizam ca traductoarele bazate pe metode optice se pot utiliza numai în regim dinamic (arborele este în rotatie) si, spre deosebire de

metodele prezentate anterior nu necesita contact între arbore si partea de masurare.

În cazul traductoarelor de cuplu cu timbre tensometrice sau traductoare inductive, la rotirea arborelui, este necesara realizarea unor legaturi electrice între circuitele de masurare si traductoare, care în principiu pot fi cu contact sau fara contact.

            Pentru realizarea legaturilor electrice cu contact este necesara utilizarea unor inele si perii colectoare sau contacte în baie de mercur. Rezistenta de contact a acestora este variabila si depinde de oscilatiile vitezei, asperitatea suprafetei de contact si a vibratiilor, variatie cu valori de 5 ÷ 50 m pentru inele , perii si de 0,25 m pentru contacte în baie de mercur [23]. În cazul unor materiale de natura diferita ce intra în contact pot sa apara si tensiuni termoelectromotoare  din cauza cresterii temperaturii locale si a frecarii, aceste fenomene ducând în acelasi timp la reducerea timpului de viata si limitarii vitezei maxime de rotatie. Se considera ca viteza liniara maxima la nivel de contact este de circa

25 m/s, la viteze mai mari fiind necesare dispozitive suplimentare pentru racire.

Varianta actuala de legatura fara contact cea mai utilizata este cea prin care se face uz de transformatoare rotitoare, metoda prezentata principial în figura 3.36.

Pe arborele magnetic - 1 se plaseaza doua inele magnetice - 2 cu ajutorul carora se închide circuitul magnetic al armaturii fixe prin intermediul celor doua întrefieruri δ. Pe armatura fixa, respectiv pe cea mobila (arbore) sunt plasate înfasurarile - 3, 4 ale transformatorului.

Datorita dependentei induc-tivitatii de cuplaj cu marimea întrefierului, acesta trebuie menti-nut constant, conditie dificil de realizat tehnologic. Daca traduc-toarele se monteaza pe arbore, este necesar sa existe doua cai de transmitere a informatiei, una prin care se transmite semnalul de alimentare, alta prin care se va culege informatia de masurare.

În cazul în care, pentru cele doua cai se folosesc semnale cu frecvente diferite, se poate face uz de un singur transformator rotitor, caz în care se elimina si defazajul generat de modificarea întrefierului.

                                    3.7. Traductoare de presiune

În functie de domeniul presiunilor de masurat, elementele sensibile ale acestor traductoare difera. Trebuie precizat faptul ca presiunea poate fi absoluta, atunci când se masoara în raport cu vidul absolut, relativa sau efectiva, daca

masurarea se face ca o diferenta fata de presiunea atmosferica si diferentiala, atunci când masurarea se face în raport cu o presiune considerata ca referinta.

            Unitatea de masura a presiunii este pascalul  (1 Pa = 1 N/m2), în tehnica preferându-se barul  ( 1 bar = 10 3 Pa) dar, se folosesc si alte unitati derivate ca: atmosfera fizica (1 atm reprezinta presiunea hidrostatica echivalenta a unei coloane de mercur cu densitatea de 13,595 g/cm3, cu înaltimea de 760 mm, la acceleratia gravitationala g = 980,666 cm/s2);  milimetrii coloana de mercur  ( 1 mm Hg = 1 torr – presiunea hidrostatica a unei coloane de mercur cu înaltimea de 1 mm , în conditiile anterioare; mm coloana apa  (1 mm H2O reprezinta presiunea hidrostatica echivalenta unei coloane de apa cu înaltimea de 1 mm).

            Precizam ca, presiunea normala , luata ca referinta în tehnica – presiunea exercitata de o coloana de mercur  cu înaltimea de 735,56 mm (echivalentul unei atmosfere tehnice) - ,  difera de presiunea atmosferica normala , care corespunde presiunii hidrostatice echivalente unei coloane de mercur cu înaltimea de 760 mm la 00 C si g = 980,666 cm/s2.

            Domeniul presiuilor din tehnica este deosebit de vast, metodele de masurare [20, 51] fiind specifice doar pentru anumite intervale ilustrate în figura 3.39.

            Principiul de functionare al traductoarelor de presiune (elementele sensibile ale acestora)  consta în general, în convertirea unei presiuni într-o deplasare liniara care, la rândul sau este convertita într-o variatie de tensiune cu ajutorul unui montaj potentiometric. Daca vom nota tensiunile ca în figura 3.40., tensiunea de iesire din traductorul de presiune (marimea de executie va fi data de relatia cunoscuta:

                                      (3.44)

                          3.7.1. Elemente elastice

            Ca elemente sensibile, în tehnica, pentru masurarea presiunilor se utilizeaza:

burdufurile metalice ondulate (gofrate), camerele cu membrana si tuburile Bourdon.

            Burdufurile metalice ondulate (silfoane), realizate dintr-un material elastic cunoscut tehnic sub denumirea de tombac sau din otel obisnuit, au proprietatea de a-si modifica dimensiunile sub actiunea unei presiuni, fiind reprezentate în doua variante posibile de figura 3.38. In cazul în care e necesara masurarea unei presiuni absolute sau diferentiale, se utilizeaza folosirea unor baterii de burdufuri montate în opozitie [21].                                                                                                                 Camerele cu membrana , cunoscute si sub denumirea de membrane gofrate, se executa în general dintr-un aliaj de bronz si beriliu sau din oteluri inoxidabile. Functionarea membranei (figura 3.39.) este similaru a burdufului ondulat, adica sub actiunea unei presiuni se va produce deformarea acesteia, ceea ce duce la convertirea unei presiuni într-o variatie de deplasare liniara.                                          Tuburile Bourdon  se executa în general din alama arcuita, cunoscuta sub numele de “tombac” , sub forma unui tub cu sectiune ovala, eliptica sau semisfera (figura 3.40.a.b.c.), cu un capat rigid la care se aplica presiunea de masurat. Celalalt capat (liber) se va deforma sub actiunea presiunii, realizând fie o deplasare liniara, fie una unghiulara (cazul manometrelor), putând fi prevazute cu contacte electrice de minim si maxim (cazul presostatelor). Sensibilitatea maxima a tuburilor Bourdon se obtine pentru cele cu sectiunea semisferica, pentru precizari suplimentare si calcule recomand [51].

            Traductoarele de presiune prezentate au o sensibilitate relativ redusa, precizia lor fiind influentata de vibratii si socuri, temperatura, umiditate existenta derivei de zero, etc. Durata de viata a acestor traductoare este influentata de ciclurile de functionare si suprasarcinile la care sunt supuse [21], fiind totusi traductoarele de presiune cele mai utilizate.

            Comportarea dinamica a acestor traductoare este în concordanta cu a elementelor de tip P1, constanta de timp fiind pâna la ordinul a 5 secunde. 

            Pentru cazul presiunilor foarte mari (sute sau mii de daN/cm2) se folosesc traductoare de presiune speciale, una din variante fiind reprezentata principial în figura 3.41. Elementul sensibil este executat de obicei din otel inoxidabil care, sub actiunea unei presiuni este supus unei dilatari. Acest lucru va duce la variatia lungimii unui fir rezistiv bobinat, adica la variatia rezistentei electrice a acestuia.

            Cu ajutorul unui montaj potentiometric sau cu o punte de masura, variatiile de presiune sunt preluate sub forma unor semnale de tensiune electrica.

              3.7.2. Traductoare electrice asociate

            Traductoarele electrice asociate pentru masurarea presiunilor [23] ce folosesc elemente sensibile elastice pot fi: tensometrice; inductive; capacitive ; electrooptice; piezoelectrice; cu cuart, s.a. Pentru detalii suplimentare recomand si lucrarea [51].

            Traductoarele tensometrice rezistive se utilizeaza prin lipirea acestora direct pe membranele plane sau pe un subansamblu tija-lama, deformabile sub actiunea unui element elastic sensibil .

            Luând în considerare o diafragma circulara încastrata perfect, membrana si blocul de încastarare provenind din acelasi material prin prelucrare tehnologica

adecvata, cu grosimea g si raza R, ca în figura 3.42., sub actiunea presiunilor diferentiale p1 si p2.  In [23, 51] se arata ca expresiile tensiunii mecanice radiale σr

si tangentiale σt sunt date de relatiile:

                          (3.45)

                         (3.46)

            Daca se reprezinta grafic cele doua relatii, μ fiind coeficientul lui Poisson, se va constata ca distributiile celor doua tensiuni mecanice au semne contrare la marginea membranei în raport cu zona centrala. Cu aceasta constatare rezulta ca pot fi utilizate patru timbre tensometrice, metodele de masurare fiind aceleasi ca la masurarea deformatiilor. Pozitionarea timbrelor tensometricese face, de obicei, dupa directia radiala, pe motivul ca deformatiile pe aceasta directie sunt mai importante.

            Utilizarea traductoarelor inductive devine avantajoasa pentru cazul masurarii unor presiuni mari care, la rândul lor produc deplasari liniare mari.

      In figura 3.43. se prezinta un schematic un traductor  de presiune având asociat un traductor inductiv diferential, pentru masurarea fara contact a unei presiuni diferentiale, care se compune din: miezul magnetic – 1; corpul – 2; bobinele – 3 si memebrana – 4. La aceasta varianta constructiva, membrana poate fi si gofrata dar, e recomandabil ca portiunea de mijloc sa fie plana.  De asemenea, pentru aceasta constructie se pot întâlni doua situatii:

   &nb 20520r1714u sp;   &nb 20520r1714u sp; membrana (uneori si corpul traductorului) este magnetica, traductorul fiind inductiv diferential cu armatura mobila;

   &nb 20520r1714u sp;   &nb 20520r1714u sp; membrana este nemagnetica, traductorul inductiv diferential functionând pe baza modificarii curentilor Foucault (cazul traductoarelor de

proximitate) [23].

            Principiul traductoarelor de presiune capacitive, dupa figura 3.44. au la baza urmatoarele elemente componente: membrana – 1; inelul izolator – 2; corpul conductor – 3 si în interior se creeaza vacuum.

   In acest caz, una din armaturile conden-satorului este chiar membrana traductorului.

Se arata ca în functie de valoarea presiunii, capacitatea condensatorului variaza dupa o relatie de forma:

                                  (3.47)

C0 fiind capacitatea nominala ε0.S/d, pmax. fiind presiunea maxima de lucru.

            Traductoarele electrooptice au o utilizare mai restrânsa fata de cele anterioare, cu toate ca permit eliminarea contactului cu elementul sensibil elastic. In acelasi timp, gabaritul lor este redus (de ordinul milimetrilor), principial fiind reprezentate în figura 3.45., unde membrana reflecta lumina transmisa printr-o fibra optica de la sursa de lumina, caree e preluata de o alta fibra optica si transmisa fotodetectorului FD. Prin deformarea membranei sub actiunea unei presiuni p are loc o dispersare a fluxului de lumina, ceea ce duce la scaderea fluxului luminos transmis de FD.  Acest tip prezinta avantajul amplasarii partii electrice la distanta mare de traductor, reducând perturbatiile dar, are dezavantajul ca factorul de reflexie se modifica în timp precum si faptul ca variatiile temperaturii modifica sensibil caracteristicile sale.

             

              3.7.3. Traductoare de presiune cu balanta de forte

            Traductorul  de presiune cu balanta de forte, prezinta avantajul [23] ca este un montaj cu reactie, schema sa principiala fiind prezentata în figura 3.46. Presiunea masurata p va actina si deforma membrana elastica, ceea ce va duce la o deplasare a sistemului de pârghii 1-2-3-4-5 care va actiona asupra unui traductor inductiv liniarde tip transformator TI ce intra în componenta oscilatorului O. Prin modificarea

întrefierului lui TI, se va modifica amplitudinea semnalului la iesirea oscilatorului ceea ce va duce la modificarea tensiunii de iesire din detectorul D , tensiune ce va da un semnal de comanda convertorului tensiune – curent CTC.  Tensiunea de comanda a acestuia va duce la modificarea curentului sau de iesire, ceea ce va modifica forta de actionare a electromagnetului EM cu magnetul permanent MP prin intermediul caruia actioneaza asupra pârghiei 4. Acelesi curent de comanda se regaseste la miliamper-metrul mA, fiind debitat prin sursa de alimentare SA. In cazul în care se lucreaza cu semnal unificat (4 – 20 mA), pentru alimentarea blocurilor componente, inclusiv a electromagnetului se va face uz de o sursa auxiliara de energie Saux.

            Fortele ce actioneaza asupra întregului sistem mecanic sunt: forta activa datorata presiunii p, forta de reactie produsa de electromagnet, forta de tensionare a resortului RO si greutatea pârghiei 2 – G ce culiseaza prin punctul de sprijin RD. Echilibrul se va stabili atunci când suma momentelor introduse de fortele indicate este nula.

            Datorita faptului ca în regim de functionare doar fortele datorate presiunii si electromagnetului sunt variabile, la echilibru este valabila relatia:

                                                                    (3.48)

unde: p – presiunea masurata; S – suprafata membranei; N – numarul de spire ; l – lungimea unei spire; B – inductia magnetului permanent; I – curentul prin bobina electromagnetului si k1,k2 – constante constructive.

            Aceste tipuri de traductoare au ca dezavantaje constructia dificila si gabarite mari, precum si  faptul ca sunt sensibile la socuri si vibratii.

            3.7.4. Traductoare de presiune piezoelectrice

            O parte din caracteristicile traductoarelor piezoelectrice au fost prezentate iar, pentru masurarea presiunilor în practica se pot utiliza variantele:

  folosirea în mod direct a efectului piezoelectric;

  dependenta frecventei proprii de rezonanta a cristalului în raport cu presiunea exercitata asupra acestuia.

            Traductoarele bazate pe efectul piezoelectric direct se confectioneaza din materiale pieezoelectrice sau piezoceramice în forma plata sau cilindrica, presiunea maxima ce poate fi aplicata în cazul pastilelor de cuart fiind de 9500 barri iar pentru cele piezoceramice de circa 8000 barri. Valorile prezentate trebuie luate la limite maxime, valorile reale fiinde de 1/10 pâna la 1/20 din valorile indicate, aceasta în functie de

interfata dintre electrod si pastila. Exxistenta unor neregularitati între cele doua suprafete conduce la tensiuni mecanice mari sau chiar distrugerea pastilelor, pentru un contact bun fiind nesara realizarea unui paralelism între suprafete sub

10 μm, cu o abatere a planeitatii sub 1 μm, conditii realizabile printr-o polarizare fina.

            Deoarece între pastilele piezoelectrice (cazul celor de forma în rondele) pot sa apara goluri de aer, acestea se vor elimina prin pretensionarea ansamblului cu resoarte, efect ce permite o îmbunatatire a liniaritatii precum si posibilitatea masrarii unor presiuni mai mici decât cea atmosferica.

            Pentru cresterea sensibilitatii se pot utiliza mai multe rondele ca în figura 3.47. (1 – diafragma; 2 – pastila piezo;   3 – resort pretensionare), iar pentru reducerea vibratiilor conectarea acestora se face în asa fel încât sa aiba loc o însumare a presiunii si efectul acestora sa se anuleze, ceea  ce e posibil doar daca în interfata  exista doi electrozi separati galvanic între ei.

            Pentru cresterea sarcinii si simplificarea modului de conectare, este avantajos sa se utilizeze traductoarele cu element piezoelectric de forma tubulara, reprezentat schematic în figura 3.48., care se metalizeaza pe interior si exterior ( 1 – tub piezoelectric; 2 – rondele). De obicei, acestea sunt pretensionate si se confecti-oneaza din materiale ceramice (PZT, titanat de bariu s.a.), iar sarcina electrica produsa sub   actiunea unei forte F e data de:

                                         (3.48)

unde k este modul piezoelectric.

            Structura prezentata permite si realizarea racirii traductorului cu ajutorul unui jet de apa trimis în interior, permite masurarea unor presiuni de la 1 mbar la 100 bari, sensibilitatea este cuprinsa între 0,05 pC si 1 pC/bar prezentând o buna liniaritate. Au dezavantajul ca nu pot fi utilizate decât în regim dinamic, cu rezerve în cel cvasistatic.

            Traductoarele prezentate permit masurari de presiuni de 0 – 1 bar, cu frecvente de lucru de ordinul 10 100 MHz, prezinta o eroare de liniaritate, histerezis si repetabilitate sub 250 ppm din domeniul de masurare cu deriva de zero si variatia sensibilitatii sub 100 ppm pentru 10C.

            In [23] sunt prezentate si alte traductoare de presiune ce functioneaza pe principiul prezentat ca cele de presiune absoluta cu oscilator cu cuart  si cele ce se bazeaza pe utilizarea unor dispozitive cu unde acustice de suprafata (SAW).

              3.7.5. Traductoare tactile

            Aceste tipuri de traductoare sunt utilizate cu precadere pentru determinarea formei suprafetei unui obiect sau existenta unui obiect într-un dispozitiv de prindere dar, permit

si controlul fortei (presiunii) cu care se realizeaza prinderea obiectului. Realizarea acestor traductoare are la baza modelul uman dar, trebuie precizat (cazul robotilor) ca la operatorul uman informatia tactila are ca baza de referinta: presiune, temperatura, structura suprafetei (duritate, rugozitate, grad de lubrifiere), vibratii, umiditate, s.a. Senzorii tactili sunt utilzati actual la roboti,  facând uz de:                         - metode de inductie (au un nivel si interval redus de masurare);

- metode capacitive (impun folosires de dielectrici cu proprietati elastice si izolatoare bune);

- metode ultrasonore (fac uz de proprietatile de propagare a undelor acustice de suprafata).

            La nivelul actual, traductoarele tactile cele mai utilizate sunt cele rezistive, realizate în forma matriciala, un element al matricei fiind format din doi electrozi între care se intercaleaza cauciuc moale (polibutadien) care are în compozitie elemente conductoare. Prin deformarea cauciucului sub actiunea unei presiuni se va modifica rezistenta echivalenta a celulei.

            Schema principiala a unui astfel de traductor este prezentata în figura 3.49. Fiecare element al matricei se conecteaza la o matrice de decodare prin multiplexare (MUX) ce sesizeaza modificarea curentilor din matrice în raport cu zona solicitata, stabilind în acelasi timp si coordonatele excitatiei, CAN reprezentând un convertor analogic numeric.

              3.7.6. Traductoare pentru subpresiuni

            Pentru masurarea subpresiunilor se utilizeaza vacuumetrele Pirani, traductoarele de vacuum cu ionizare cu catod cald sau rece (Penning), traductoarele cu ionizare prin radiatii (alfatron) si traductoarele de tip magnetron.

            Vacuumetrele Pirani sau cu fir cald functioneaza pe principiul dependentei conductivitatii termice a gazelor în raport cu presiunea, fiind relizate principial ca în figura 3.50. Astfel, în corpul – 1 se creeaza subpresiunea de masurat, în acesta fiind plasat firul rezistiv – 3 care se încalzeste la aproximativ 2000C de la o sursa de alimentare prin electrozii – 2. Temperatura firului reyistiv depinde practic de conductibilitatea termica a gazului care, pentru presiuni sub 103 Pa, este direct proportionala cu presiunea gazului. Reulta ca valoarea temperaturii firului poate fi determinata chiar prin valoarea rezistentei electrice a acestuia (se pot utiliza si alte tipuri de traductoare).

            Vacuumetrele Pirani introduc erori de masurare de ordinul 2 – 10% care cresc cu scaderea presiunii, domniul lor de aplicare limitându-se la 10-1 Pa.

            In cazul unor presiuni din domeniul de vacuum tehnic si vacuum extrem  se face uz de traductoarele de vacuum cu ionizare cu catod cald sau rece si cu radiatii.

            Principial, în figura 3.51., se prezinta un traductor de vacuum cu ionizare cu catod cald. Acesta este realizat din incinta A în care se introduce presiunea de masurat, catodul K încalzit de un filament si înconjurat de grila G ce este alimentata la un

potential pozitiv fata de catod si cilindrul colector C care este alimentat la un potential negativ în raport cu catodul.

            Câmpul electric creat de grila antreneaza electronii emisi de catod care, ciocnind moleculele de gaz le transforma în ioni pozitivi si sunt captati de electrodul colector. Prin masurarea curentului produs de electroni I- din circuitul grilei si curentul ionic I+ din circuitul electrodului colector, se determina valoarea presiunii cu relatia:

                                                        (3.49) 

k fiind o constanta dependenta de geometria electrozilor. De obicei, la masurare se mentine constant curentul I- existând astfel posibilitatea etalonarii directe a aparatului de masura pentru curentul ionic I+ în valori de presiune.

            Domeniul de masura al acestor traductoare este de 10-2 – 10-8 torri, unele constructii speciale atingând 10-10 torri, valoarea inferioara fiind impusa de prezenta razelor X.

            La traductoarele de ionizare cu catod rece (Penning) electronii se genereaza sub actiunea unui câmp electric puternic. Pentru a creste probabilitatea de ionizare a moleculelor, ceea ce necesita cresterea drumului parcurs de electroni, peste câmpul electric se suprapune un câmp magnetic care imprima o traiectorie elicoidala a acestora. Aceasta varianta duce la sensibilitati mai mari decât în cazul traductoarelor cu catod cald, reducând în acelasi timp si limita inferioara de masurare.

            Traductoarele de vacuum cu ionizare prin radiatii functioneaza pe principiul “bombardarii” moleculelor de gaz cu radiatii α (se mai numesc si alfatron), sensibilitatea lor fiind mult mai redusa ca la cele  anterioare.

           

va modifica valoarea curentului prin electromagnetul EM în scopul restabilirii echilibrului, adica momentele celor doua forte sunt egale:

unde F1 e forta data de membrana:

                                                   (3.53)

iar F2 este forta produsa de electromagnet:

                                                                  (3.54)

cu  k1, k1’, k2 – constante; Q – debit; I – curentul prin electromagnet.

            In final se obtine orelatie de forma:

                                                                     (3.55)

ceea ce ne arata o proportionalitate directa între curent si debit.

            In ansamblu, traductorul prezentat este un sistem cu reactie negativa prezentând toate avantajele acestor sisteme, erorile de masurare încadrându-se în limitele ± 0,5%.

              3.8.2. Debitmetre cu sectiune variabila (rotametre)

            Schema de principiu a unui rotametru este prezentata în figura 3.55.,functionarea sa bazându-se pe echilibrul plutitorului – 1 actionat de forta gravitationala în raport cu debitul de fluid si sectiunea varabila a tubului conic– 2.        Deplasarea liniara a plutitorului este convertita într+un semnal electric prin inter-mediul unui traductor inductiv diferential de deplasare - 3.    Rotametrele pot fi utilizate atât pentru gaze cât si pentru lichide, cu o precizie de 1 – 2%, pe un domeniu de variatie al debitului relativ restrâns.

            Asupra plutitorului, pe lânga greutatea G si forta arhimedica Fa, actioneaza o forta dinamica ascensionala  Fas care este proportionala cu patratul vitezei.

            Luând în considerare o curgere stationara, notând cu ρ, V, densitatea, respectiv volumul plutitorului si cu ρ0 densitatea lichidului, la echilibru se poate scrie:

                                           (3.56)

unde S e suprafata plutitorului de diametru d, iar k e coeficient de curgere.

            Plutitorul se va deplasa într-o zona de diametru D, care în functie de h si un factor de proportionalitate k’ e dat de:

D = d + k’.h                                                                 (3.57)

            In aceste conditii, debitul masic Q se poate exprima cu relatia:

                (3.58)

rezultând ca   acesta este direct proportional cu cu înaltimea la care se gaseste plutitorul.

            Rotametrele masoara debite de ordinul 10-4 – 200 m3/ora, în limitele Qmax/Qmin=10 , cu precizii de ordinul procentelor si, trebuie precizat faptul ca introduc rezistente în curgerea fluidului, rezistente ce pot fi importante în unele aplicatii industriale.

            In exploatare, se mai pot utiliza si debitmetre cu strangulare la care forta dinamica roteste paletele unei turbine, viteza de rotatie a acesteia fiin o masura a debitului. Au dezavantajul unei comportari neliniare si introduc rezistente importante în curgerea fluidului.

             

              3.8.3. Debitmetre electromagnetice                                                                 Aceste debitmetre sunt utilizate prin masurarea vitezei de deplasare a fluidelor bune

cnducaoare de electricitate, principiul lor de functonare bazându-se pe legea inductiei electromagnetice.

            In varianta simplificata prezentata în figura 3.56., pe un tub nemagnetic (izolator)  prin care curge fluidul cu viteza v se executa o bobina în aer (exista variante constructive la care aceasta se executa pe un

miez magnetic) si se prevad doi electrozi E1 si E2. Intre cei doi electrozi se culege o tensiune electromotoare        e = k.H.v.D unde H e intensitatea câmpului magnetic creat de bobina, D este diametrul tubului si k e o constanta. Masuratorile nu sunt influentate de vâscoyitatea fluidului, densitatea sau conductibilitatea acestuia si nici de modul de curgere laminar sau turbulent.

            Precizia de masurare este de ± 1% la lichide cu o conductibilitate minima de 100 μS/cm si viteze între 0 – 1 m/s pâna la 10 m/s.

           

                        3.9. Traductoare de nivel

            Masurarea nivelului în tehnica este o problema deosebit de importanta [62] pentru o serie de procese tehnologice precum si pentru evaluarea stocurilor existente, realizându-se pentru granule, pulberi, suspensii, lichide, etc.

            Metodele de masurare ale nivelului pot fi continue  ând se urmareste în permanenta masurarea nivelului prin intermediul lungimii coloanei de substanta si discontinue  când se urmareste masurarea nivelului între anumite limite, de obicei minime si maxîme.

            Metodele de masurare ale nivelului pot fi directe, caz în care se masoara lungimea (înaltimea) efectiva a coloanei de substanta si indirecte daca nivelul se determina cu ajutorul unor marimi intermediaare (presiune, masa, parametri ai circuitelor electrice, atenuarea unei radiatii, etc.).

            Din cele prezentate rezulta ca pentru masurarea nivelului se pot utiliza metode care au la baza masurarea altor marimi, în continuare încercând sa prezentam doar metodele bazate pe proprietatile electrice de material. Vom aminti ca cele mai simple nivelmetre utilizate sunt cele cu sticle cilindrice sau prismatice ce se monteaza pe conducta în paralel cu rezervorul (recipientul) al carui nivel îl masuram , sau nivelmetrele cu plutitor magnetic.

             

              3.9.1. Nivelmetre bazate pe proprietatile electrice de material

            Luând în considerare faptul ca materialele al caror nivel se masoara potsa fie dielectrice sau conductoare, rezulta ca metodele de masurare a nivelului difera.

            Pentru materialele dielectrice se folosesc în mod uzual traductoare capacitive, prezentate în schema principiala din figura 3.57. In vasul metalic – 1, în care se gaseste lichidul – 2 se plaseaza un electrod metalic  - 3 care în unele cazuri este izolat cu

teflon  - 4.

            Daca vom nota cu h înaltimea vasului si cu y înaltimea lichidului, între electrodul central si vas vom avea capacitatea totala data de[23]:

                                 (3.59)

unde C0 reprezinta capacitatea totala a ansamblului, fara lichid.

            Aceasta metoda poate fi aplicata în cazul lichidelor sau pulberilor dielectrice daca εr > 2 [62], variatia de capacitate fiind de 10 – 100 pF. Sursa principala de erori în cazul prezentat , o constituie modificarea permitivitatii dielectrice cu temperatura, deficienta ce poate fi înlaturata prin utilizarea de metode de compensare adecvate.

            Pentru cazul materialelor conductoare , cu o conductibilitate σ > 10-2 S/m, se pot folosi nivelmetre rezistive, principiul functional al acestora fiind prezentat în figura 3.58. Astfel, în vasul – 1  ce contine lichidul – 2, se plaseaza rezistorul R .

 1 

            Lichidul conductor va sunta o portiune a rezistorului R astfel ca rezistenta totala din circuit va fi:

                         (3.60)

r(y) reprezentând rezistenta ehivalenta a lichidului.

            Principalul dezavantaj al acestor dispozitive deriva din faptul ca temperatura si natura lichidului influenteaza conductibiliatea σ, fenomen ce poate fi ameliorat utilizând un rezistor cu banda elastica, realizând un nivelmetru dupa schema de principiu din figura 3.59. Rezistenta bobinata  - 1 se introduce într-o banda elastica buna conductoare – 2 ce se va deforma sub actiunea presiunii lichidului – 3.

            Metodele descrise pot masura nivele pâna la 1-2m, cu precizii relativ bune.

            Industrial se utilizeaza teleindicatorul de nivel cu traductor rezistiv tip TNTR – 2, produd de IAMC Otopeni, care este un dispozitiv ce permite transmiterea la distanta a

nivelului lichidelor corosive si necorosive, neinflamabile, bune conducatoare de electricitate, depozitate în rezervoare.

            Ansamblul dispozitivului este prezentat în figura 3.60., unde: 1– scripete;        2 – detaliu de fixare; 3 – cablu de sustinere; 4 – rezistente; 5 – lant de rezistente (traductor rezistiv); 6 – greutate; 7 – tija pamântare; 8 – teleindicator.

            Domeniul de masurare al dispozitivului este de 1,5 – 10 m, în trepte normali-zate de 0,5 m, iar numarul de nivele intermediare total, indiferent de lungimea traductorului este de 40, scala fiind gradata în 4o de diviziuni de la 0% la 100%.

            Când nivelul de lichid este sub minim, rezistenta dintre lantul traductor si elementul de referinta este infinita. Astfel, în circuitul traductorului intervine doar rezistenta ce realizeaza pasul de zero, circuitul de masurare având un curent de 2 mA ce se regleaza cu un potentiometru de pe aparat.

            Scala aparatului este etalonata astfel ca la indicatia 0% sa corespunda 2 mA, iar la 100% sa corespunda 10 mA. Distanta dintre traductor si aparatul indicator nu poate depasi 10 m, deoarece în circuitul traductorului , curentul alternativ foarte mic (16 mA) este influentat de perturbatiile externe. Pentru a nu influenta masuratorile, conductorul de legatura traductor – aparat trebuie sa aiba o rezistenta electrica sub 30 ohmi.

            In serie cu teleindicatorul se poate monta un aparat auxiliar (mA) daca e necesara o teleindicare mai mare de 10 m. Deoarece în circuitul de indicare se lucreaza cu curent continuu, influenta perturbatiilor fiind mai mica, distanta de teleindicare este impusa de rezistenta maxima a liniei de transmisie ce nu trebuie sa depaseasca 500 ohmi.

              3.9.2. Nivelmetre bazate pe fota arhimedica

            Functionarea acestor traductoare fiind bazata pe forta arhimedica, pot fi utilizate numai pentru lichide si se construiesc în variantele cu plutitor si cu imersor.

            Nivelmetrele cu plutitor realizate dupa schema principiala din figura 3.65. se compune din plutitorul – 1, care se afla în permanenta la suprafata lichidului, tamburul – 2 si greutatea suspendata – 3  prin firul – 4. Se poate observa ca tamburul antreneaza un sistem indicator.

            Acest tip de traductor poate fi utilizat si la masurarea nivelului unor pulberi sau granule, urmarindu-se tensiunea din firul de suspendare si prin dispozitive speciale, mentinând constanta aceasta tensiune.      

Nivelmetrele ce functioneaza strict pe baza fortei arhimedice sunt cele cu imersor, reprezentate schematic în figura 3.66., imersorul fiind partial introdus în lichid si suspendat cu ajutorul unui resort de constanta elestica k. Notând: G – greutatea imersorului, Fa – forta arhimedica si Fe – forta elastica a resortului, la echilibru se poate scrie:

                                                 (3.61)

Prin explicitare se obtine succesiv:

                  (3.62)

unde: y – deformarea resortului fata de pozitia de echilibru, m – masa imersorului,

g – acceleratia gravitationala, y – nivelul de lichid, h înaltimea recipientului, ρl, ρ –densitatea lichidului, respectiv a imersorului.

            Din cele prezentate anterior rezulta ca se pot adapta foarte usor un traductor asociat de tipul balanta de forte, metoda fiind aplicabila daca se cunoaste densitatea lichidului, principalele erori fiind date de dependenta de temperatura a densitatii, aceste erori putând fi compensate.

           

              3.9.3. Nivelmetre cu radiatii

            Metodele de masurare a nivelului cu ajutorul radiatiilor sunt foarte avantajoase pe motivul ca nu exista un contact între material si dispozitivul de masurare. Aceste metode se pot folosi la masurarea nivelului în în buncarele de alimentare din metalurgie, în conditii speciale ca: recipiente sub presiune la temperaturi ridicate, medii deosebit de corosive sau toxice, medii inflamabile, etc.

            In functie de natura radiatiilor, nivelmetrele pot fi cu ultrasunete, cu microunde si cu radiatii nucleare.

            Nivelmetrele cu ultrasunete sunt asemanatoare cu traductoarele cu radiatii prezentate anterior, putând fi realizate în variantele cu unda continua (daca traductorul cu ultrasunete funtioneaza continuu) si în impuls. Ambele variante pot folosi metoda prin transmisie, când în mod obligatoriu se folosesc doua traductoare, sau metoda prin reflexie, caz în care acelasi traductor Indeplineste atât rolul de emitator ât si de receptor.

            In practica, deoarece determinarea nivelului se face cu ajutorul vitezei de propagare a ultrasunetelor ce depinde de temperatura, e necesar sa se prevada circuite de corectie a acesteia [23] în functie de temperatura cu ajutorul unor convertoare tensiune – frecventa.

            Domeniul de masurare al acestor traductoare este între 10 – 30 m, la frecvente de lucru între 20 – 40 mHz, cu erori de masurare sub 1%.

              Nivelmetrele cu microunde functioneaza pe principiul reflexiei microundelor de catre materialele conductoare si atenuarii acestora de catre materialele dielectrice.

              In cazul materialelor conductoare, figura 3.63., emitatorul de microunde E va transmite cu ajutorul antenei de emisie AE un fascicul de microunde spre lichidul conductor din recipient. Prin reflexie, acesta este captat de antena de

receptie AR si transmis receptorului R, timpul de tranzit al impulsului fiind o masura a distantei pâna la suprafata de separare. Tinând cont ca viteza de propagare este foarte mare (viteza luminii), intervalul de timp masurat este mic, ceea ce face ca erorile de masura sa nu poata fi reduse sub 1 – 2%.

            Nivelmetre cu radiatii nucleare. Functional, se bayeaya pe principiul de atenuare a radiatiilor nucleare de catre pulberi sau lichide, utiliyând de obicei ca substante radioactive pe cele generatoare de radiatii γ ca: 60Co, cu perioada de înjumatatire de 5,3 ani si 137Ca, cu perioada de înjumatatire de 33 ani.

            Ca si traductoarele cu ultrasunete, traductoarele cu radiatii nucleare pot fi realizate si în variante de urmarire automata a nivelului, una din schemele principiale putându-se realiza dupa figura 3.64.                                                                            Pe recipientul cu lichid se plaseaza traductorul emitator E si traductorul receptor R, primul fiind comandat de oscilatorul O si transmitând un fascicul de ultrasunete prin lichid (cu atenuare mica) sau prin aer ( cu atenuare mare).

            Semnalul receptionat de R este amplificat prin A si se aplica detectorului de prag DP. Cu ajutorul unui amplificator de putere AP si servomotorului SM se da comanda de

deplasare simultana a celor doua traductoare în asa fel încât acestea sa ramâna în zona de separare aer – lichid.

            Cu precizarea ca metoda este avantajoasa în cazul unor recipiente cu acces numai din exterior, dificultatile constructive fiind legate de realizarea partii mecanice, trebuie retinut ca ultrasunetele se pot folosi numai în cazul lichidelor, iar radiatiile nucleare se pot utiliza pentru orice fel de substante, în acest caz receptorul fiind un contor de radiatii , emitatorul fiind sursa radioactiva.

            Din multitudinea traductoarelor de nivel existente, în încheierea acestui pragraf indicam doar doua : traductorul submersibil si traductorul cu radar.

            Traductorul de nivel submersibil  tip MPU executat de firma RITTMEYER pentru apa din rezervoare, lacuri , râuri, reprezinta o serie de traductoare alimentate din bucla de semnal unificat 4 – 20 mA. Nivelul este determinat pe baza presiunii masurate cu un senzor realizat dintr-un cristal de siliciu care asigura o liniaritate si stabilitate în timp foarte bune.

            Aceasta serie de traductoare este proiectata special pentru masurarea nivelului în lacuri, bazine, puturi, fiind destinata hidroenergeticii, instalatiilor de tratare a apei reziduale, etc., cu domeniul de masura de pâna la 20 m coloana apa, existând modele asemanatoare pâna la 200 m cu o precizie de masura de pâna la 0,015%.

            Tructorul de nivel tip RADAR , varianta ECLIPSE, cu ghid de unda (GWR), ali-mentat din bucla este produs de firma MAGNETROL.

            Spre deosebire de traductoarele de nivel cu radar conventionale, care transmit semnalul electromagnetic în aer liber, traductorul ELIPSE utilizeaza pentru semnal un ghid de unda introdus în fluidul de masurat, reducându-se în acest fel fenomenul de absorbtie, respectiv distorsiunile determinate de natura fluidului si conditiile tehnologice (spuma, turbulenta, vapori, densitate, etc.)

            Cracteristicile tehnice principale sunt: gama de masura 610 …6100 mm (cu sonda rigida) sau 1…15 m (cu sonda flexibila), precizia 0,1%, respectiv 0,5% din lungimea sondei, rezolutia ±2,5 mm, presiunea de lucru maxim 345 bari, temperatura de operare maxim 2000C.

            Se utilizeaza pentru masurarea nivelului lichidelor omogene sau neomogene cu o vâscozitate pâna la 1500 cp.

                        3.10. Traductoare de temperatura

            Traductoarele de temperatura sunt dispozitive care functioneaza fie pe principiul generarii unei tensiuni electromotoare, fie pe principiul convertirii temperaturii într-o variatie a unui parametru al circuitelor electrice (de obicei rezistenta) sau, cele mai simple convertesc temperatura într-o deplasare sau dilatare (gaz sau metal).

            Fara a intra în prea multe amanunte amintim ca cele mai simple traductoare de temperatura sunt temometrele cu sau fara contact (reglabil sau nereglabil), ambele tipuri fiind cu mercur, cele cu contact reglabil (Beckmann) având posibilitatea de modificare a temperaturii reglate cu o precizie mai mare. Contactul se realizeazîntre coloana de mercur ce se dilata într-un tub capilar si un electrod prevazut cu un surub de reglare la partea superioara. Curentul maxim din circuit nu poate depasi 1 A , pentru curenti mai mari fiind prevazute dispozitive de amplificare (relee), iar domeniul temperaturilor este de 0 – 3000C cu o precizie de ±2%.

              3.10.1. Traductoare termoelectrice (termocuple)

            Termocuplele tehnice, constructiv se realizeaza din doua conductoare metalice sau aliaje diferite (termoelectrozi) sudate împreuna la unul din capete; prin încalzirea locala a sudurii (jonctiunea de masurare – capat cald), prin efectul termoe-lectric direct 

(efectul Seebeck) se va genera o tensiune termoelectromotoare la capetele libere ale conductoarelor (jonctiunea de referinta – capat rece). Valoarea acestei tensiuni poate fiexprimata prin aproximarea polinomiala de forma:

e = a(T1 – T2) + b(T1 – T2)2 + c(T1 – T2)3 + …                                 (3.63)

 T1 ,T2 fiind temperaturile celor doua capete.

            Materialele utilizate la realizarea termocuplelor pot fi conductoare sau semiconductoare, trebuind sa asigure o sensibilitate ridicata si stabilitate în timp la actiunea agentilor atmosferici.                                     In figura 3.65. se  prezinta schematic un termocuplu a. si schema de legare a acestuia  -b., prezentându-se si un al treilea electrod M3, care se poate utiliza la  prinderea, lipirea, rasucirea sau sudarea capatului cald.

            La denumirea unui termocuplu, primul material indica electrodul pozitiv pentru o diferenta de tempera tura pozitiva.

            Prin mentinerea constanta a temperaturii jonctiunii de referinta (capat rece), de preferinta la o valoare standardizata (0, 20, 500C) numita temperatura de referinta, tensiunea termoelectromotoare ce se va produce depinde, la acelasi termocuplu, numai de temperatura sudurii (capatul cald).

            Mentinerea temperaturii la valoarea constanta este greu realizabila, deoarece instalatiile si agregatele tehnologice la care se masoara aceasta degaja cantitati importante de caldura prin radiatie. De asemenea, însasi conductibilitatea termica a termocuplelor duce la încalzirea capetelor reci, uneori temperatura acestora atingând valori apreciabile de pâna la 100 – 2000C.

                Reducerea erorilor de masurare ce provin din faptul ca temperatura capetelor

reci (cutia de borne sau sudura rece) este diferita de cea de referinta, se face pe cale electrica prin introducerea unor cabluri de compensare sau a cutiilor (dozelor) de compensatie ce au o comportare dinamica în concordanta cu traductorul.

            Principalele parti constructive ale termocuplelor sunt redate în figura 3.66., cu urmatoarele elemente: 1 – unul sau doua termoelemente realizate din electrozi diferitiizolati cu tuburi sau margele ceramice; 2 – teaca de protectie cu sau fara dispozitiv de montare,confectionata din: otel carbon (OLT 45), otel inoxidabil (ST 3), otel refrac-tar (P-4S), ceramica (PENTRU-1, KER 610, KER 710); 3 – dispozitiv de montare: flansa mobila F, flansa sudata Fw, niplu filetat (G ¾’’ sau 1’’); 4 – cutie de borne cu capac; 5 – placa de borne.

            Seria standardizata a lungimii nominale LN este: 250, 500, 750, 1000, 1250, 1500 si 1750 mm, iar lungimea de imersie LI trebuie sa fie cu cel putin 100 mm mai mica decât cea nominala.                                                                                        Deoarece, în tara, tensiunile electromotoare sunt standardizate, termocuplele de orice tip pot fi conectate cu milivoltmetre etalonate în conformitate cu aceste standarde, fabricate la IAEM Timisoara.

            Caracteristicile principale ale termocuplelor utilizate în practica, sunt redate sintetic în tabelul 3.2., cu precizarea ca momentan în tara se executa doar cele cu codurile J, K, R si S, iar dependenta tensiunii electromotoare cu temperatura este prezentata în Anexa 8. 

Tabelul 3.2.

TERMOCUPLU Cod DOMENIU DE TEMPERATURA[0C]

SENSIBILITATEA μV/0C

Chromel / Constantan E - 270… 870 70              valoare medie

Fier / Constantan J - 210… 800 52,9 la 00C; 63,8 la 7000C

Cupru / Constantan T - 270…370 15 la –2000C; 60 la 3500C

Chromel / Alumel K - 270…1250 40             valoare medie

Platina- rodiu(13%) / Platina R - 50….1500 10             valoare medie

Platina- rodiu(10%) / Platina S - 50….1500 6,4  la 00C; 11,5 la 10000C

Platina- rodiu(30%) / Platina-rodiu(6%)

B 0………1700 6            valore medie

Wolfram-reniu(5%) /  Wolfram-reniu(26%)

0…2760 100          aplicatii speciale

Horning[(Bi 95%;Sn 5%) /        (Bi 97%; Sb 3%)]

- < 100 13            valore medie

Schwartz[(Te 33%, Ag 32%, Cu   27%, Se 7%, S 1%) /           Ag2S 50%, Ag2Se 50%)]

- < 100 > 1000 aplicatii speciale

Siliciu “p” / Aluminiu - - 50….-150 44          

Cupru / Paladiu - < 100 -           aplicatii speciale

            Termocuplele din materiale semiconductoare nu se folosesc în mod direct la masurarea temperaturii deoarece siliciul prezinta o rezistenta termica redusa dar, pot masura alte marimi ce au la baza masurarea temperaturii diferentiale, prezentând avantajul ca pot fi realizate în tehnica circuitelor integrate.

            In figura 3.67. se prezinta forma tehnologica a unui termocuplu cu siliciu de tip “p” / aluminiu, realizat din zone de silicIu “p” – 1 si benzi de aluminiu – 2 si SiO2 –3, structura ce permite si interconectarea la folosirea unor baterii de traductoare.         Sensibilitatea acestor traductoare depinde de proprietatile electrice ale semiconductoarelor si de temperatura, fiind cuprinsa între 0,4 – 1mV/K pentru cazul folosirii unor baterii de traductoare.

            Principalele deyavantaje ale acestor traductoare constau în existenta conexiunii termice realizata prin siliciu între jonctiunea calda si cea rece si rezistenta interioara mult mai mare decât la termocuplele metalice (de ordinul zecilor de kΩ).

            Incazul în care variatiile de temperatura ale mediului ambiant sunt reduse, se poate utiliza un circuit de corectie ca cel prezentat în figura 3.68., care foloseste un

termistor RT ce se conecteaza într-o punte alimentata de la sursa de tensiune E.

            La temperatura de referinta impusa T0  puntea este în echilibru si tensiunea U în bratele opuse lui E este nula

 Daca temperatura mediului ambiant Ta se modifica fata de cea de referinta puntea nu mai e în echilibru si tensiunea va fi data de:

                                         (3.64)

            Daca vom alege convenabil elementele puntii si traductorul, variatia tensiunii termoelectromotoare poate fi compensata datorita modificarii temperaturii Ta, adica:

ΔU = S.(T0 – Ta)                                                        (3.65)

unde S este sensibilitatea traductorului care, în cazul unui traductor platina-rodiu(10%) / platina la 15000C, cu temperatura de referinta de 250C si variatii ale lui Ta de ±15%, ne da o tensiune de compensare de ±140 μV, eroarea de compensare fiind mai mica de 1%. Cu toate ca sensibilitatea termocuplelor este mai redusa decât a termorezistentelor, ele sunt caracterizate de o serie de avantaje din care amintim:

genereaza tensiuni electromotoare fara componenta de offset si nu produc semnal de iesire daca nu exista o diferenta de temperatura; nu interfereaza cu alte marimi de influenta, cu exceptia luminii si a unor radiatii nucleare ce pot produce transmutatii (fierul si nichelul sunt stabile la aceste fenomene; nu necesita polarizari initiale.

            Principalele dezavantaje ale temocuplelor constau în: scaderea accentuata a sensibilitatii la temperaturi scazute; aparitia fenomenelor de evaporare, contaminare chimica sau chiar topirea la temperaturi ridicate; limitarea pragului de sensibilitate datorita zgomotului termic propriu.

              3.10.2. Traductoare termorezistive

            Intr-o prima restrângere, din aceasta categorie fac parte cele metalice (termo-rezistentele) si cele semiconductoare (termistoarele).

            La termorezistente, odata cu modificarea temperaturii (datorita variatiei energiei interne proprii) materialele din care se confectioneaza sufera o serie de schimbari ce se refera la structura cristalina, agitatia termica s.a., schimbari ce duc la modificarea rezistentei electrice în raport cu temperatura. Aceasta dependenta poate fi exprimata cel mai simplu prin relatia:

R = R0.(1 + α.ΔT)                                                       (3.66)

unde R0 e rezistenta electrica la 00C, α e coeficientul de temperatura iar ΔT este variatia de temperatura.

            Elementul sensibil al termorezistentei este realizat dintr-o înfasurare plata sau cilindrica peste un suport izolant din mica, izoplac, ceramica, textolit, s.a., cu un fir bobinat neinductiv pe suport si fixat de acesta prin impregnare sau presare mecanica.

            Aspectul exterior al termorezistentelor tehnice este similar cu cel al termocuplelor si prezentat în figura 3.70., realizându-se în varianta cu unul sau cu doua elemente sensibile.

            Dependenta cu temperatura a rezistentei electrice se exprima prin coeficientul de temperatura α al conductorului din care se executa înfasurarea elementului sensibilsi definit ca marime a variatiei rezistentei de 1 Ω la o variatie de 10C a temperaturii. Deoarece acest coeficient nu este dependent numai de natura materialului folosit, ci si de valoarea temperaturii, se obisnuieste a se lua în calcule o valoare medie stabilita pentru intervalul 0…1000C pe baza relatiei:

                                                             (3.67)

R100 fiind rezistenta electrica în ohmi la 1000C.

            La alegerea materialelor din care se executa termorezistoarele se va tine cont de urmatoarele criterii: rezistivitate mare pentru reducerea gabaritelor; coeficient de variatie a rezistivitatii cu temperatura ridicat , ceea ce permite si sensibilitati ridicate;

caracteristica de transfer sa prezinte o buna liniaritate pentru a nu utiliza circuite suplimentare de liniarizare; o buna stabilitate în timp si la actiunea agentilor chimici;

puritate ridicata pentru o buna reproductibilitate; pret de cost redus.

            Toate aceste cerinte nu pot fi îndeplinite simultan, în realizarea termorezistentelor folosindu-ce materiale ca: platina (-180 ÷+6000C si mai rar –200 ÷ +10000C), nichelul (-100÷+2500C), cupru, wolfram, fier. Cele mai utilizate sunt termorezistentele din platina, care se folosesc si ca etaloane de temperatura în intervalul 0÷6000C.

            Cu toate ca nichelul are o sensibilitate mai mare decât platina, acesta are o aplicabilitate mai redusa deoarece se oxideaza la temperaturi ridicate si prezinta fenomenul de tranzitie la temperatura de 3500C ceea ce modifica accentuat rezistivitatea. In acelasi timp, nichelul prezinta neliniaritati importante.

            O foarte buna liniaritate si sensibilitate o prezinta cuprul, dar domeniul de masura este redus prezentând si dezavantajul unei actiuni chimice pronuntate, struc-tura sa cristalina modificându-se în timp.

            Rezistenta nominala a dispozitivelor este de 25, 50, 100, 500 sau 1000Ω la 00C, ultimele variante fiind recomandate pentru temperaturi scazute. Termorezisten-tele executate în tara se confectioneaza din platina, cu rezistente nominale de 50 si 100 Ω, de tipul PT 50 si PT 100, fiind confectionate din fire cu diametre între 0,05 ÷0,2 mm, cu lungimi de ordinul 5 ÷ 20 cm, firele de legatura la blocul de borne fiind de nichel, cu diametru mult mai mare, în scopul neglijarii variatiei rezistentei acestora cutemperatura. Constructiv, termorezistentele trebuie sa asigure protectia la actiunea agentilor externi, sa preia rapid temperatura mediului de masura, sa permita masurarea atât în  curent continuu cât si alternativ, sa nu fie influentate de fenomenul

dilatarii. Timpul de raspuns al acestor traductoare este de ordinul secundelor în apa si de ordinul zecilor de secunde în aer, iar pentru reducerea influentei conductoarelor de legatura se construiesc în variante cu 2, 3 sau uneori 4 borne de conectare.               

            In figura 3.69. se arata marcarea bornelor la termorezistentele indigene (a., b., cu un element

 sensibil, respectiv cu doua în cazul a doua fire de iesire; c., d, cu un element sensibil, respectiv doua în cazul a trei fire de iesire).

            Lungimea nominala LN (cu referire la figura 3.70.) este maxim 2000 mm, dimensiunile minime fiind de 250 si 500 mm, iar lungimea   de  imersie  minima este

LI = 150, 220, 250 mm. Cel mai simplu circuit de masurare cu termorezistente este cel cu logometru magnetoelectric dar, se utilizeaza frecvent si puntile de rezistente (Weathsone). Termistoarele sunt traductoare de temperatura realizate din material semiconductor, fenomenele de conductie în acest caz fiind mult mai complexe.

            In faza initiala au fost utilizate pentru temperaturi scazute, între 1 ÷35 K (ger-maniu) si <20 K (carbon), dar datorita perfectionarii tehnologiei siliciului, în ultima

perioada (în special In tehnica circuitelor integrate) acesta se foloseste dopat cu impuritati de tip “n”. Dependenta de temperatura a rezistentei pentru siliciu este [2]:

                          (3.68)

unde: T – temperatura în 0C; R25 – valoarea rezistentei la 250C; α = 7,8.10-3 K-1;         β = 18,4.10-6 K-2.

            Termistoarele de siliciu au o buna stabilitate pentru temperaturi între      –50 ÷+1200C. Pâna la 1200C, în mecanismul de cnductie intervine dopajul ce reduce mobilitatea purtatorilor de sarcina, pentru temperaturi mai mari, datorita ionizarilor termice, rezistenta scade cu temperatura.

            In tehnica se utilizeaza temistoare a caror sensibilitate este superioara cu cel putin un ordin de marime fata de termorezistente. Se executa din oxizi cu proprietati semiconductoare ca oxizii de mangan, nichel, cobalt, cupru, magneziu, zinc, aluminiu, fier, care sunt macinati si apoi presati prin sinterizare la o temperatura ridicata, la extremitati aplicându-se prin metalizare electrozi de legatura. Se realizeaza în forme miniaturizate de discuri, plachete, perle, cilindri si permit masurarea cvasipunctuala a temperaturii cu o viteza de raspuns ridicate.   Domeniul de masura poate acoperi plaja –200÷+4000C, uzual fiind pâna la 2000C si se poate demonstra ca rezistenta lor variaza cu temperatura dupa relatia:

                                                                         (3.69)

unde: T – temperatura absoluta; A – constanta dependenta de dimensiuni si forma constructiva (T→∞ => R = A, rezistenta conventionala a termistorului); B – constanta caracteristica a materialului din care e confectionate termisorul, cu valori între 2500 ÷ 5000 pentru temperaturî pâna la 2000C.

            Pentru cazul puterii disipate nule, caracteristica termistorului este o exponentiala ce se poate obtine în practica doar prin extrapolare.

            In mod frecvent, dependenta rezistentei de temperatura se exprima în functie de valoarea acesteia la temperatura de referinta T0, adica:

                                               (3.71)

ca temperatura de referinta fiind cosiderate 250C.

            Aceste traductoare prezinta o serie de avantaje ca sensibilitate foarte ridicata, putând atinge rezolutii pâna la 0,010C, fiind indicate în masurarile de presiuni diferentiale dar, prezinta marele dezavantaj de intersanjabilitate (nu pot fi “împerecheate”). Este

foarte dificil ca dintr-un lot destul de mare sa alegem doua termistoare cu rezistenta identica la temperatura de referinta, înlaturarea acestui neajuns facându-se prin înseriere unei rezistente fixe în circuitul de masurare.                 

              3.10.3. Alte traductoare de temperatura                                                                     Din multitudinea traductoarelor de temperatura, se vor prezenta succint traductoarele bimetalice, dilatometrice, manometrice si pirometrice.                       Traductoarele bimetalice sunt materiale metalice fabricate din table sau benzi din componente diferite, unite intim între ele si caracterizate de coeficienti de dilatare termica liniara diferiti. Bimetalul functioneaza pe principiul deformarii la modificari de temperatura sau la orice alte modificari de stari si de procese ce au la baza variatii de temperatura.

            Schematic, în figura 3.70.a. se reprezinta un bimetal încastrat la unul din capete,iar în figura 3.70.b se prezinta caracteristicile de temperatura d = f(T) pentru bimetale cu lungimea de 100 mm si grosimea lamelei d = 1 mm pentru bimetalele confectionate din materialele indicate în tabelul 3.3.

Tabelul 3.3.

Nr.

crt.Componentele bimetalului [%] Incovoiere specifica k Temperatura

maxima [0C]

Rezistivitatea

[Ω mm2/m]

active pasive 0÷2000C 300÷4000 C

1 MnNi-Fe 36Ni-64Fe 0,195

Foarte

mica250 1,08

2 20Ni-6Mn74Fe 36Ni-64Fe 0,155 250÷300 0,76

3 20Ni-6Mn74Fe

42Ni-58Fe 0,115 0,120 350÷400 0,68

4 20Ni-6Mn74Fe

46Ni-54Fe 0,095 0,095 400÷450 0,6

5 Ni 36Ni-64Fe 0,096 F.mica 250 0,16

6 20Ni-6Mn74Fe

Fe 0,06 0,06 600 0,26

            In aplicatiile industriale traductoarele bimetalice sunt elemente esentiale în cazul protectiei la suprasarcini a masinilor, transformatoarelor, conductelor electrice, iar în scopuri mai putin “industriale” sunt utilizate la aparatele si dispozitivele electrocasice (calorifere, perne, plite, uscatoare, fiare de calcat,etc.) [1].

            Considerând ca valoarea coeficientilor de dilatare temica liniara a celor doua lamele este α1 si α2, cu α1>α2 , sub actiunea unei temperaturi, lamela se va încovoia  spre partea cu coeficient de dilatare mai mic, valoarea deplasarii d puând fi evaluata teoretic prin relatia:

                                                                        (3.72)

unde ΔT – variatia de temperatura, k – connstanta dependenta de diferenta între α1 si α2 si raportul modulelor de elestice al lamelelor, x – grosimea bimetalului si L – lun-gimea lamelei.

            Prin deformarea lamelei bimetalice se pot închide sau deschide contacte electrice fixe sau reglabile cu temperatura.

            Bimetalele sunt traductoare robuste, cu erori de masurare ce nu depasesc ±1%, fiind utilizate cu rezultate bune în plaja de temperaturi –50 ÷ +1000C.

            Traductoarele dilatometrice functioneaze principiul dependentei dintre variatiile de temperatura si dilatarea termica a unei tevi metalice.

Principial, un astfel de traductor e prezentat în figura 3.71. care se compune din teava metalica – 1 (confectionata obisnuit din cupru cu coeficient de dilatare termica liniara mare si o tija – 2 confectionata din invar (coeficien de dilatare redus).Prin intermediul unui dop, tija se sudeaza cu un capat la fundul tevii, iar celalalt capat actioneaza direct sau prin intermediul unui sistem de pârghii , una sau mai multe perechi de contacte – 3 ce se conecteaza în sistemul de reglare a temperaturii.                                        Traductoarele manometrice functioneaza pe principiul variatiei presiunii lichidelor si gazelor la volum constant în functie de temperatura.  Constructiv, figura 3.72., sunt realizate din rezervorul – 1 umplut cu un lichid cu punct de fierbere ridicat, vapori sau gaze ce se introduce în mediul de masura, tubul capilar – 2 si resortul manometric – 3. Aceste parti componente formeaza un sistem ermetic protejat fata de corpul dispozitivului.

            Variatiile de temperatura ale fluidului din rezervor vor produce variatii de presiune ale vaporilor de fluid si deformarea proportionala a resortului manometric, care printr-un sistem de transmitere adecvat va actionad pentru indicare, înregistrare, semnalizare sau reglare.

            Domeniul temperaturilor de lucru este cuprins între     –50 ÷ +4000C, cu o eroare de masurare ce nu depaseste ±1,5%, fiind utilizate la scara redusa datorita

constructiei dificile si pretului de cost ridicat.

            Traductoare pirometrice. Notiunea de pirometrie deriva de la cuvântul grecesc “piro” (foc), referindu-se la masurarea temperaturii pe baza unor metode fara contact, în concordanta cu legile radiatiei termice.

            Este cunoscut faptul ca toate substantele emit energie radianta ce depinde de temperatura absoluta a corpurilor respective, fenomenele de radiatie termica fiind descrise de o serie de legi deduse din termodinamica. Aceste legi au fost verificate pentru un corp negru absolut  , care este un emitator sau receptor total al energiei radiante. Dar, nu toate corpurile îndeplinesc aceasta conditie, fiind necesara introducerea unui coeficient de corectie (emisivitatea) mai mic decât unitatea, coeficient ce depinde de natura si starea suprafetei corpului, precum si de lungimea de unda a radiatiei (cu exceptia corpurilor gri).

            Pe baza legilor lui Planck, Wien si Stefan-Boltzmann [23] s-au realizat pirometrele ce permit masurarea temperaturii prin intermediul energiei radiante în mai multe variante ca: pirometre cu radiatie totala; pirometre monocromatice (cu banda  îngusta); pirometre cu disparitie de filament; pirometre bicromatice.

            Deoarece, în lantul de masura, de la corpul a carui temperatura se masoara exista o anumita distanta, se impune ca radiatia sa se propage spre un traductor sau fotodetector. In raport de caracteristica de sensibilitate a fotodetectoarelor, utilizarea pirometrelor este limitata, tabelul 3.4. prezentând limitele inferiare ale intervalului de temperatura pentru o parte redusa de fotodetectoare utilizabile.

Tabelul 3.4.

Tip

fotodetectorFotodiode Fototranzistoare

Si Ge PbS PbSe InSb HgCdTe

Temperatura minima [0C] 600 200 100 50 0 -50 

            Pirometrele de radiatie totala au la baza functionarii legea Stefan-Boltzmann si implica utilizarea unui detector de banda larga, semnalul electric obtinut la iesirea fotodetectorului fiind proportional cu puterea a patra a temperaturii, adica  e = e0.k.T4, k fiind o constanta iar e0 emisivitatea medie.

            Principial, pirometrul cu radiatie totala se realizeaza dupa schema prezentata în figura 3.73. Corpul – 1 cu suprafata

emisiva – 2 transmite radiatia termica spre detectorul – 3, cu ajutorul unei diafragme – 4 si o og;linda concava – 5.

            Pentru absorbtia totala a radiatiilor de catre detector, care poate fi un termocuplu, acesta va trebui sa se înnegreasca.

            La aceste traductoare, masurarea temperaturii nu depinde de distanta dintre suprafata emisiva si pirometru (oglinda), cu exceptia ca suprafata vizata de pirometru sa fie activa. Existenta unor reflexii suplimentare, de exemplu corpul este executat din aluminiu, duce la aparitia unor erori de masurare deoarece corpul poate reflecta si sursa care îl încalzeste.

            Pirometrele cu banda îngusta (monocromatice) fac uz de o serie de filtre optice si detectoare si prezinta o sensibilitate maxima pe axa filtrului optic doar pentru o anumita fractiune a spectrului de radiatie termica.

            Pirometrele cu disparitie de filament functioneaza pe acelasi principiu cu cele monocromatice, având în componenta lor si o lampa etalon cu filament de wolfram. Masurarea se face prin comparatie, adica pe imaginea suprafetei radiante ce emite o radiatie în spectrul vizibil, se suprapun lampa etalon. Reglând curentul de filament se va modifica temperatura acestuia si implicit culoarea. Astfel (figura 3.74.), în functie de temperatura filamentului Tf, valoarea curentului prin acesta constituie o masura a temperaturii urmarite Tm.

            Pirometrele obisnuite au domeniile: 7000C (filament rosu închis) si tempera-tura maxima a filamentului 15000C, dar pot fi extinse pâna la 30000C prin utilizarea unor atenuatoare optice.

            In cazul în care disparitia filamentului e sesizata cu fotodetectoare, limita inferioara poate ajunge pâna la 5000C, cu erori de masurare ce se pot situa sub ± 0,5%.

            Pirometrele bicromatice se realizeaza din doua pirometre monocromatice care lucreazîn doua regiuni apropiate ale radiatiei termice, în asa fel încât emisivitatea sa se poata considera constanta. Aceste pirometre pot masura temperaturi în intervalul 700 ÷ 20000C si idicatia lor nu depinde de natura corpului si starea suprafetei pentru cazul emisivitatilor cuprinse între 0,3 si 1.

            Pirometrele sunt foarte mult utilizate în siderurgie (metalurgie) pentru masurarea temperaturii sarjei în cuptoare, furnale etc.

            Pe lânga traductoarele de temperatura amintite în acest paragraf se mai pot aminti traductoarele speciale (termometre) cu semiconductoare (cu una sau doua diode), termometrele bazate pe masurarea zgomotului de fond s.a., assupra carora nu se va insista.

                        3.11. Traductoare integrate

            Dezvoltarea alerta a tehologiei microelectronicii a permis realizarea unor traductoare integrate miniaturale, cu o fiabilitate ridicata prin reducerea numarului de conexiuni si lipituri, cu o protectie ridicata la actiunea agentilor externi si actiunea perturbatiilor. Cu toate ca pretul de cost al acestor traductoare este relativ ridicat, prin avantajele pe care le oferasi tinând cont de intersanjabilitatea lor, la productia de serie devin net superioare (performante si cost) traductoarelor obisnuite.

            Ca material de baza pentru executia acestor traductoare se foloseste siliciul din care se pot produce usor rezistente, condensatoare, diode si tranzistoare. Folosind metoda de depunere a unor pelicule subtiri, din alte materiale, ce sunt compatibile cu tehnologia siliciului, pot fi obtinute si alte dispozitive ca: termocuple (Bi – Sn), magnetorezistoare (In, Sb), traductoare higroscopice (cu polimeri), traductoare cu unde acustice de suprafata SAW (ZnO), etc., domeniul temperaturilor de lucru fiind de – 50 ÷ +1500C.

            Fara a intra în prea multe amanunte  vom cita ca traductoare integrate pe cele cu senzori elastici (lama, membrana) folosite la accelerometre când lama elastica este completata cu o masa seismica. De asemenea, se pot realiza structuri termice pentru masurarea unei diferente de temperatura ce e necesara pentru masurarea altor marimi.

            Mentionez ca, primele traductoare integrate realizate practic au fost cele de temperatura, care desi nu prezinta un domeniu extins (– 50 ÷ +1500C), îsi gasesc aplicabilitate în tehnica.

            La nivelul actual, pentru masurarea temperaturii se pot utiliza:

-  traductoare integrate la care curentul de iesire are o variatie direct proportio-nala cu temperatura absoluta;

-  traductoare integrate la care tensiunea de iesire variaza direct proportional cu temperatura absoluta.

            Reprezentativ, pentru prima categorie, este circuitul integrat AD 590 (Analog Device), a carui schema de principiu e data în figura 3.75., si care reprezinta o sursa de curent cu doua terminale ce furnizeaza un curent (în μA) numeric egal cu temperatura absoluta (în K), pentru gama de temperaturi      – 50 ÷ +1500C, la tensiuni de alimentare între 4 ÷ 30 V.

            Cu ajutorul tranzistoarelor T3  si T4 se realizeaza asa numita “oglinda de curent” care împarte curentul I(T) în doua parti egale Ic1  si Ic2 . Tranzistorul T2 este format din opt tranzistoare identice T1, conectate în paralel si în [23] se demonstreaza ca:

                                                            (3.73)

unde: q = 1,60218 x 10-19 C – sarcina electronului; k = 1,38066 x 10-23 – constanta lui Boltzmann; T – temperatura absoluta.

            Daca se alege valoarea rezistentei R = 358 Ω va rezulta ca:

I(T) = T, cu I(T)  în μA si  T în K

            Acest circuit îsi gaseste aplicatii la executarea unor termometre digitale dar, se poate utiliza si în circuitele de compensare a temperaturii sudurii reci sau la masurarea altor marimi neelectrice pe baza masurarii temperaturii.

            Astfel, în figura 3.76. se prezinta un termometru realizat cu senzorul de temperatura AD 590. Acest senzor injecteaza curentul I(T) în rezistorul R1 de 1 kΩ

           

producând la bornele acestuia o cadere de tensiune, în mV, proportionala cu tempe-ratura absoluta. Aceasta tensiune se aplica amplificatorului diferential împreuna cu tensiunea furnizata de divizorul R2, P, R3, alimentat de la sursa de referinta AD 580 ce asigura o tensiune de 2,5 V. Daca tensiunea aplicata bornei neinversoare a amplificatorului este 273,15 mV si amplificarea este de 10, la iesirea amplificatorului se obtine o tensiune, în mV, numeric egala cu temperatura, în 0C, multiplicata cu 10. 

            Din punct de vedere electric, traductoarele din cea de-a doua categorie sunt echivalente cu o dioda zenner la care tensiunea de strapungere este proportionala cu temperatura absoluta si tipic pentru acestea este traductorul integrat LM 135 (National Semiconductor) ce prezinta o sensibilitate de 10 mV/K. Se mai poate utiliza si un alt circuit integrat, tip STP 35 (Texas Instruments), cu domeniul – 40 ÷ 1250C, cu o eroare maxima absoluta de ±40C si o eroare de neliniaritate de ±0,5%.

            Senzorii de temperatura utilizati pot fi: diode, tranzistoare, termorezistoare din siliciu sau termocupluri, sau pot fi realizate oscilatoare termice. 

            Din marimile ce pot fi masurate pe baza varitiilor de temperatura pot fi enumerate: valoarea efectiva a curentului electric; debitul; detectia radiatiilor în infrarosu; vacuumul; determinari calorimetrice; nivele, etc.

            In prezent, multe din traductoarele integrate sunt produse în serie, cu aplicatii în special în productia bunurilor de larg consum, în industria automobilelor sau în masurarile din biologie si ecologie.

            Aplicatiile traductoarelor integrate nu se rezuma numai la realizarea acestora în serie mare ci, prin tehnici moderne de proiecatre ca ASIC (Application Specific Integrated Circuit) se pot realiza traductoare integrate specializate unor procese bine definite.

            Cercetarile actuale încearca eliminarea traductoarelor clasice cu cele integrate, procesul de realizare al acestora fiind în continua perfectionare viând atât diversificarea

gamei, cresterea performantelor si a fiabilitatii dar, si gasirea unor noi metode si principii de masurare.

            In încheiere se poate aminti ca utilizând tehnica circuitelor integrate s-au realizat traductoare integrate ultrasonice în tehnica POSFET (în diferite variante), precum si traductoare cu unde de încovoiere.

                        3.12. Traductoare inteligente

              Dezvoltarea într-un ritm galopant a ciberneticii si tehnicii de calcul a permis realizarea simultana în cazul aceluiasi CIP a traductoarelor integrate si elementelor de prelucrare, dând în acest fel posibilitatea ca informatia obtinuta la iesire sa poata fi utilizata direct de calculatoare. In acest sens, s-au obtinut traductoare foarte performante pe care le vom numi traductoare inteligente. Prin introducerea unui procesor în componenta traductorului si realizarea unei interfete de comunicare bidirectionala cu exteriorul, a devenit posibila cresterea nivelului procesare în cadrul traductoarelor inteligente care într-o schema bloc pot fi prezentate ca în figura 3.75.

            Elementul de baza este constituit din traductorul principal ce preia informatiile de la masurand si care poate fi identificat printr-un codce este stocat în memoriaa PROM. Marimile de influenta actioneaza asupra traductoarelor secundare, semnalele provenite de la acesta (este inclus si traductorul principal) sunt transmise unui sistem de achizitii de date format dintr-un multiplexor, amplificatorul A, circuitul de esantionare si memorare CEM si convertorul analogic numeric CAN.  Microprocesorul μP îndeplineste rolul de a gestiona achizitia datelor, corectia marimilor de influenta, influenta caracteristicii de transfer si diagnosticarea traductoarelor. In memoria PROM sunt stocate programul de operare, tabele de corectii si liniarizare, etc., pe lânga codul de recunoastere al traductorului, iar în

 memoria RAM sunt stocate datele curente de operare sau acelea ce urmeaza a fi transmise.