CAPITOLUL 4
CONDIŢIONAREA SENZORILOR
Utiliz Utilizare areaa senzoril senzorilor or şi traduct traductoar oarelor elor permite permite conver conversia sia mărimii de măsurat înt într-o alt altă m ărime, de ce cele mai mai mul multe ori ori de altă natură fizică. Majoritatea aplicaţiilor actuale urmăresc conver conversia sia într-o într-o mărime rime electr electric ică, pentru pentru realiza realizarea rea unui sistem sistem de măsurare surare condus condus de calc calculat ulator. or. Rost Rostul ul acest acestui ui capit capitol ol este este de a ofer oferii info inform rmaaţii priv privin indd cond co ndiiţiona ionare reaa senz senzor oril ilor or,, real realiz izat ată în sco scopu pull obţiner inerii ii uno unorr mărimi rimi electr electrice ice direct direct prop propor orţionale ionale cu mărimile rimile fizic fizicee supuse supuse procesul procesului ui de măsurare. Solu oluţiile de depi pind nd de tipul ipul senz senzor oril ilor or şi trad traduc ucto toar arel elor or utilizate: parametrice (pasive) sau generatoare (active). 4.1. CONDIºIONAREA SENZORILOR PASIVI
Sen enzzorul orul pasiv siv îşi va variază, su sub ac acţiune neaa mărimii de de măsurat peda dannţa Z S sau una din componentele acesteia ( R,L,C ). x(t), impe R,L,C ). Variaţiile respective respective nu se pot transforma transforma într-un într-un semnal semnal electric electric decâ de câtt prin prin asoc asocie iere reaa un unei ei surs sursee de en ener ergi giee elec electr tric ică. Surs Sursaa de tens tensiu iune ne sau sau de de cur curen ent, t, împr împreu eunnă cu re reţeaua eaua afe afere rent ntă de impe impeda dannţe Z K constituie blocul Exist stă do douuă tipur ipurii de de blo blocu curi ri blocul de de condi condi ţ ionare ionare. Exi de condi condiţionare ionare pentru pentru senzor senzorii pasivi, pasivi, func funcţie de modul modul de transfe transferr al va vari riaaţiilor ilor imp mped edan anţei senz senzor orul ului ui:: cu mod odif ifiicare careaa frec frecve vennţei semnalului sau cu modificarea amplitudinii semnalului. 4.1.1.C 4.1.1.Condi ondiţionare ionare cu modifi modificar carea ea frecven frecvenţ ei semnal semnalului ului..
105
Blocur Blocurile ile de condi condiţionare ionare de acest acest tip sunt oscila oscilatoa toare re a căror frecvenţă variază funcţie de impedanţa senzorului. O soluţie o constituie utilizar utilizarea ea oscilatorului oscilatorului sinusoidal sinusoidal.. Frec Frecve vennţa aces acestu tuia ia este este fixa fixattă prin printr tr-u -unn circ circui uitt rezo rezona nant nt form format at dintr-o bobină de ind nduuctanţă L0 şi un co cond nden ensa sato torr C . La rezon ezonan anţă, fre frecv cven enţa are are ex expr pres esia ia:: 0
f 0
1
= 2π
(4.1)
L0 C 0
Dac Dacă senz senzor orul ul util utiliz izat at este este de tip tip indu inducti ctivv sau capa capaci citi tiv, v, variaţia inductivităţii (cu ∆ L) sau a capacităţii (cu ∆C ), sub influ nfluen enţa mărimi rimiii de măsura surat, t, cond conduc ucee la mo modi difi fica carrea frec frecve vennţei de rezo rezona nannţă a circ circui uitu tulu lui: i: 1 ∆L 1 ∆C =f 0 f1 − ⋅ (4.2) f = f 0 ⋅ 1 − ⋅ sau 2 L 2 C 0 0 O altă soluţie o reprezintă folosirea generatoarelor de semn mnaal dreptu ptung nghhiular, frecv cveenţa acest cestoora fiind funcţie de imped impedan anţa sen senzo zoru rului lui.. Rel Relaaţiile iile de de depen pende dennţă pot fi de form forma: a: f =
− 0f(1
∆C
C 0
)
sau
f
=
f 0 (1−
∆R
R0
)
(4.3)
soluţia fiind utilă pen enttru condiţionarea senz senzoorilor rezis zistivi şi inductivi. 4.1.2.
Condiţionare cu modificarea modificarea amplitudinii amplitudinii semnalului
Două soluţii s-au impus în condiţionarea de acest tip: mont montaj ajul ul pote poten n ţ iome iometr tric ic şi montajul de punte în regim neechilibrat. Monta Montaju jull poten potenţiomet iometri ricc (Fig (Fig.4. .4.1. 1.a) a) este este cel cel mai simpl simplu, u, dar prezintă inconvenientul sensibilităţii la acţiunea mărimilor perturbatoare şi la deriva surselor de energie. Red educ uceerea rea influ nfluen enţei mărimi rimillor pe pert rtur urba battoa oare re se po poat atee real realiz izaa cu mo mont ntaj ajul ul de punte punte (Fig (Fig.4. .4.1. 1.c) c),, ce permit permitee o măsura surare re diferenţială. 106
Când Când sen senzor zorul ul este este pur rezi rezist stiv iv,, se utili utilize zeaz ază, de pref prefer erin inţă, o surs sursă de cu curen rentt conti continu nuu; u; astf astfel el,, event eventual ualel elee reacta reactannţe parazi parazite te nu afec afecttează lanţul de măsurare are. Pen Pentru senz nzoorii ce îşi mod modifică reactanţa su sub acţiunea mărimii de măsurat se utilizează o su sursă de tensiun siunee altern ernativă sinu nussoida idală; sem semna nallul de măsur sură este ast astfel modulat mod ulat în în amplitu amplitudin dinee de varia variaţia reacta reactannţei senzoru senzorului lui Z s.
a)
b)
Fig.4.1. Blocuri Blocuri de condiţionare ionare pentru senzori senzori pasivi: pasivi:
a) montaj montaj potenţiometric; iometric; b) montaj montaj de punte. punte.
Pent Pentru ru bloc blocul ul de co cond ndiiţiona ionare re tip tip monta montajj poten poten ţ iome iometr tric ic, pentru pentru senzor senzorii rezistiv rezistivii (Fig.4.1 (Fig.4.1.a), .a), leg legătura tura între varia variaţia tensiun tensiunii ii de ieşire ire şi va vari riaaţia rezis eziste tennţei senz senzor orul ului ui ∆ RS , este:
RS0 + ∆RS RS 0 ∆U = E ⋅ − RS0 + R1 + ∆ RS RS0 + R1
(4.4)
cara caract cter eris isti tica ca de de conv conver ersi siee fiin fiindd neli nelini niar ară. Nu Numa maii dac dacă va vari riaaţiile iile sun untt foar foarte te mici mici ( ∆ RS << RS + R) cara caract cter eris isti tica ca de co conv nver ersi siee devi de vine ne lini liniar ară: 0
∆U ≅ E ⋅
1
⋅ ∆RS 2 + R R ( S 0 1) R1
(4.5)
Posi osibil bilitatea de a obţine o cara aracteristică de conversie lini liniar ară co cons nsttă în uti utili liza zarrea ca ca rezi rezist stor or R1 a unui unui sen senzo zorr de acel acelaaşi tip cu RS , dar dar cu va variaţii de re rezistenţă de sem semn con contrar ( 107
R S0 − ∆ R S ), 1 = R
rezul rezultâ tând, nd, astfel astfel,, o carac caracte teri rist stic ică de co conve nvers rsie ie
liniară:
∆U =
E
⋅
∆Rs
(4.6)
2 RS0
În sit situaţia în care care se util utiliizea zează mo mont ntaj ajul ul po pottenţiome iometr triic pent pe ntru ru sen senzo zori ri cu cu vari variaaţia rea react ctan anţei (in (indu duct ctiv ivă sau sau capa capaci citi tivvă), se se pot întâln întâlnii urm următoarele toarele cazuri cazuri:: deci ci impe impeda dannţa Z 1 este ste de fap fapt o rezistenţă elect ectrică ♦ X 1 = 0 , de ( R1) . Când impedanţa senzorulu ului variază, vari ariaţia co correspu spunzătoar toaree a ten tensi siun unii ii de ieşire ire est este: e: ∆U = E ⋅
acelaaşi ♦ X 1 de acel
R1 ⋅ ∆ Z S
(
Z S 0 + R1
)
2
1
⋅
1+
∆ Z S
(4.7)
Z S 0 + R1
tip tip cu X 2. Este cazul tipic al senzorilor de deplasare inductivi cu miez mobil. Alegerea celor două impedanţe identice asigură compen compensar sarea ea efecte efectelor lor datorat datoratee perturba perturbaţiilor iilor cât şi ameliora ameliorarea rea liniarităţii. Defi Defici cien enţele ele montaj montajul ului ui poten potenţiomet iometri ricc consta constauu în prezen prezenţa tensi tensiuni uniii de mo modd co comun mun,, rezol rezoluuţie scăzu zuttă şi sens sensibi ibili lita tate te la de deri riva va sursei. Montajul de punte în regim neechilibrat (Fig.4.2) permite elimin eliminare areaa defici deficien enţelor elor prezent prezentate ate anteri anterior, or, asigurâ asigurând nd multip multiple le comb co mbin inaaţii spec speciifice fice dif diferi eriţilor lor senz senzor orii pa pasi sivi vi şi o exa xact ctit itat atee spori sporittă. Puntea Puntea simpl simplă Wheats Wheatsto tone ne în regim regim neechil neechilibr ibrat, at, util utiliz izat ată ca bloc bloc de co cond ndiiţiona ionare re pe pent ntru ru senz senzor orii pa pasi sivi vi,, are are rolu olul de a tran transf sfor orma ma o var varia iaţie de rez rezis iste tennţă elec electr tric ică într într-u -unn sem semnal nal elec electri tric. c. Inter nteres esul ul prez prezen enta tatt de met metodă prov provin inee din din natur aturaa difer iferen enţial ială a principiului de măsurare, care o face mai puţin sensibilă la perturba perturbaţii sau la deriva deriva sursei sursei de alimentare alimentare..
108
Fig.4.2. Montaj de punte în
regim neechilibrat.
Tensiunea de dezechilibru are expresia: ∆U = E
R2 R3 − R1 R4
(4.8)
( )( ) În marea majoritate a aplicaţiilor punţii, ca bloc de cond co ndiiţiona ionare re a senz senzor oril ilor or pa pasi sivi vi,, va vari riaaţia rezi rezist sten enţei elec electr tric icee a unui un uiaa sau sau mai mai mult multor or rez rezis isto tori ri din din bra braţele ele pun punţii, ii, faţă de val valoa oare reaa iniţial ială, co cond nduc ucee la o tens tensiiun unee de dezec ezechi hillibru ibru,, ce de depi pind ndee de vari va riaaţia mărimi rimiii de de int intra rare re.. Montajul Montajul de punte cu un senzor (Fig.4.3) are caracteristica caracteristica de conversie: R1 + R2
R3 + R4
Fig.4.3. Punte cu
un senzor.
∆ Rs Ros
∆U = E ⋅ 4
1
1
+ ⋅
∆ Rs
(4.9)
2 Ros
109
Această relaţie in indică o le legătură neliniară între ten tensiunea de ie ieşire ∆U a pun punţii şi var varia iaţia rez rezis iste tennţei senz senzor orul ului ui.. Se ob obse serv rvă că, simultan cu creşterea variaţiei ∆ Rs / Ros , neliniaritatea se acce accent ntue ueaz ază. Pent Pentru ru va vari riaaţii mici mici se po poat atee ap apre reci ciaa o lini liniar arit itat atee sufici icientă a cara aracter teristicii de transfe sfer. De exe xem mplu, pen entr truu ∆ Rs / Ros =1%, neliniaritatea este 0,5%, pentru ∆ Rs / Ros = 0,1% este numai 0,05%. Această observaţie este extrem de utilă în anumit anumitee aplica aplicaţii. Sens Sensib ibil ilit itat atea ea pu punnţii este este în aceast această situ situaaţie
Fig.4. 4. Punte cu doi
S≅
1 4
.
senzori.
Sensibilitat Sensibilitatea ea poate fi fi dublată prin utilizar utilizarea ea a doi senzori senzori identici, identici, variind sub acţiunea aceleiaşi mărimi de intrare (Fig.4.4). Tensiunea de dezechilibru este în acest caz:
∆ Rs Ros
∆U = E ⋅ 2
1
1
+ ⋅
∆ Rs
(4.10)
2 Ros
Se observă că sensibilitatea este de două ori mai mare, S 1 , dar se men menţine nelin neliniar iarita itatea tea blocul blocului ui de condi condiţionare ionare.. O metodă pentru liniarizarea răspunsului constă în util utiliz izar area ea mo mont ntaj ajul ului ui cu doi doi senzo senzori ri iden identi tici ci,, dar ale ale căror ror varia variaţii sunt de semn opus ( R2 = Ros + ∆ Rs ; R1 = Ros − ∆ Rs ) . Tensiunea de ieşire ire are are în aces acestt caz caz o va vari riaaţie rigu riguro ross lini liniar ară, func funcţie de va vari riaaţia rezist rezisten enţei senzoril senzorilor: or: ≅
∆U = 110
E
⋅
∆Rs
2 Ros
(4.11)
Situ Situaaţia este este idea ideallă pe pent ntru ru real realiz izar area ea un unui ui lan lanţ de măsura surare re,, dar pe lângă creşterea preţului prin apariţia celui de-al doilea senzo senzor, r, ap apar aree şi asp aspect ectul ul deo deose sebi bitt de de impo import rtan ant, t, că nu putem putem găsi, si, în toate toate situ situaaţiile, iile, senzo senzori ri lini liniari ari care care să variez variezee cu +∆ Rs şi cu -∆ Rs la apli aplicare careaa acelei aceleiaaşi mărimi. rimi. O astfe astfell de posib posibili ilitat tatee apare apare când când un senzor senzor este este solici solicitat tat la întind întindere ere şi celălalt lalt la compre compresiu siune ne de către efortul ce acţionează asupra unei membrane, la măsurarea presiunii. Montaj Montajul ul de punte care care asigură sensib sensibili ilitat tatea ea cea mai mare şi liniaritatea caracteristicii de conversie este prezentat în Fig.4.5, fiind puntea cu patru senzori. Fig.4.5. Punte cu
patru senzori.
Caracteristica de conversie are forma:
∆U = E ⋅
∆ Rs Ros
(4.12)
fiind fiind liniar liniară şi cu sensibi sensibilit litate ateaa de 4 ori ori mai mai mare mare ca ca puntea puntea cu cu un singur senzor. ºinâ ºinând nd cont cont că în mul multe te apl aplic icaaţii se se pot uti utili liza za num numai ai pun punţi cu un traductor, s-au imaginat diferite metode de liniarizare a caracterist caracteristicii icii de conversi conversie. e. Una dintre dintre acestea, acestea, bazată pe utilizarea utilizarea unui amplifi amplificat cator or opera operaţional, ional, este este preze prezenta ntattă în Fig.4 Fig.4.6. .6.
111
Fig.4.6. Pun untte
act activ ivă.
Caracteristica de conversie are forma: E
∆Rs
2
Ros
∆U = − ⋅
(4.13)
fiin fiindd lin linia iarră şi cu cu o sensi sensibi bili lita tate te de două ori ori mai mai mare mare decâ decâtt cea cea a punţii normal normalee cu un senzor senzor.. Dintre problem blemeele spe specifice car care ap apaar la utilizarea montajului de punte în regim neechilibrat în curent continuu se pot aminti: Influe uennţa conduct • Infl ducto oare arelor de legă tur ă. În situaţia în care senz senzor orul ul este este situ situat at la dist distan anţă de punte punte,, el este este co cone nect ctat at prin prin douuă co do cond nduc ucto toar aree ale ale căror ror rez rezis iste tennţe ele elect ctri rice ce R f nu mai pot fi negl ne gliijate ate faţă de cea a senz senzor orul ului ui.. În plus plus,, este este imp mpos osiibil bil a dist distin inge ge va vari riaaţia ∆ R f datorată unor mărimi perturbatoare (temp (temper erat atur ură, de de exem exempl plu) u),, de va vari riaaţia ∆ R a senzorului. Pentru eliminarea acestor inconveniente se utilizează următoarele ele so soluţii : - Montajul cu "trei conductoare". Al treilea conductor, care porn po rneeşte de de la o extr extrem emit itat atee a sen senzo zoru rului lui,, se co cone nect cteaz ează la surs sursaa de alimentare. Tensiunile parazite ce se pot induce în acest fir nu împ împie iedi diccă echi echili libr brar area ea pu punnţ ii ş i pe perrturb turbă puţin măsur surarea area.. - Montajul cu “conductoare de compensare”. Unul din bra braţele ele pun punţii este este for forma matt de de sen senzo zori ri şi cel celee dou două co cond nduc ucto toar aree de de legătură. Br Braţul al alăturat es este co constituit di dintr-o re rezistenţă fix ă şi 112
două co condu nduct ctoa oare re de leg legătur tură, iden identi tice ce cu prec precede edent ntel elee şi situ situate ate în acel acelea eaşi con condi diţii de me medi diu. u. Alimentare areaa cu o surs sursă de curent curent continu continuuu • Sursa de alimentare. Aliment prez prezin inttă av avan anta taju jull obţiner inerii ii unu unuii semn semnal al ele elect ctri ricc prop propor orţiona ionall cu va varriaţia ∆ Rs a rezis reziste tennţei elect electri rice ce a senz senzor orul ului ui.. Alege Alegere reaa montaj mon tajului ului sursei sursei de alime alimenta ntare re depin depinde de de exactit exactitate ateaa dorit dorită şi de ceri cerinnţele ele spec specif ific icee lanţului ului de de m ăsura surare re proi proieecta ctat. Exi Exist stă în preze prezent nt circu circuit itee speci special aliz izat atee pe pent ntru ru surse surse de alim alimen entar tare, e, ce utiliz utilizeaz ează reţelele elele de rezist rezistoar oaree pentru pentru progra programar marea ea tensiu tensiunii nii şi born bo rnee de sesi sesiza zare re pentr pentruu me mennţiner inerea ea co cons nsta tant ntă a tens tensiu iuni niii de alimentare alimentare a punţii (circuit (circuit 2B35-Analog 2B35-Analog Devices Devices - Fig.4.7). Fig.4.7).
Fig.4.7. Circuit Circuit specializa specializatt pentru alimentarea alimentarea punţii.
Metoda Metoda de punte punte în regim neech neechili ilibrat brat se poate poate folosi folosi şi pentru condiţionarea ionarea senzori senzorilor lor inductivi inductivi şi capacitivi, capacitivi, alimentarea alimentarea fiin fiind, d, bine bineîn înţeles eles,, cu tens tensiu iune ne alte altern rnati ativvă. În Fig.4 Fig.4.8 .8.. şi Fig.4 Fig.4.9 .9 se prez prezin inttă pu punnţile ile tip tip Saut Sautyy (pen (pentr truu senz senzor orii capa capaci citi tivi vi cu pier pierde deri ri mici în dielect dielectric) ric) şi Nernst (pentr (pentruu senzori capacit capacitivi ivi cu pierderi pierderi importante în dielectric).
113
Fig.4.8. Puntea Sauty.
Fig.4.9. Puntea Nernst.
În cazul unui senzor inductiv se poate utiliza ca bloc de condiţionare o punte punte Maxwell Maxwell (Fig.4.10). (Fig.4.10).
Fig.4.10. Punte Maxwell
pentru cond pentru condiiţionare ionareaa senzorilor inductivi.
Pentru senzorii senzorii inducti inductivi vi şi capacit capacitivi ivi de tip diferen diferenţial sunt prezentate prezentate montaje montaje de condi condiţionare în în Fig.4.11.
Fig.4.11. Condiţionarea ionarea senzor senzorilor ilor de de deplasa deplasare re inducti inductivi vi şi 4.2. CONDIºIONAREA SENZORILOR ACTIVI
114
capaci capacitivi. tivi.
Senz Senzor orii ii acti activi vi se ba baze zeaz ază pe prin princi cipi piii fizi fizice ce ce asig asigur ură conv co nver ersi siaa energ energie ieii mărimi rimiii de măsura suratt în ener energi giee elec electr tric ică. Pent Pentru ru utilizator este important să cunoască natura mărimii de ieşire a senz senzor orul ului ui acti activv (t.e (t.e.m .m.,., cure curent nt,, sarci sarcinnă) ca să co cons nstr trui uias asccă bloc blocul ul de condi condiţiona ionare re asoci asociat at.. De exemp exemplu lu,, senz senzor orii ii ce se bazea bazeazză pe inducţia electromagnetică au ca mărime de ieşire o tensiune elect electri riccă, sen senzo zori riii ce ce se se baze bazeaz ază pe efect efect foto fotoel elec ectr tric ic,, au au ca ca mărime rime de ieşire un un curent curent elec electri tricc etc. etc. 4.2.1 4.2.1.. Condi Condiţionar ionarea ea senz senzor orilo ilorr cu mă rimea rimea de ie ieşire tensiune tensiune electri electriccă
Sch cheema echi echiva vallen enttă a senz senzor orul ului ui est este rep epre reze zent ntat ată de o surs ursă de t.e.m .e.m.. E s în serie cu o rezistenţă Rs (Fig.4.12)
Fig. 4.12. Schema echivalent ă
Fig. 4.13. Conectarea la
a senzorului generator.
blocul următor.
Conect Conectând ând la bornele bornele senzor senzorului ului un bloc bloc a cărui rezist rezisten enţă de intrare este Ri (Fig.4 (Fig.4.13) .13),, tensiun tensiunea ea de ieşire devine devine:: Um
= E s ⋅
Ri Ri
+ Rs
(4.14)
Se poate observa că în situaţia Ri< Rs, blocu blocull de cond co ndiiţiona ionare re pe pert rtur urbbă co comp mpor orta tare reaa senz senzor orul ului ui,, co cons nsum umân ândd din din ener en ergi giaa elec electr tric ică produ produssă de acest acesta. a. O rezi rezist sten enţă Ri cât mai mare se poate realiza cu unul din montajele din Fig.4.14, ce utilizeaz ă propr propriet ietăţile ile am ampl plif ific icato atoru rului lui opera operaţiona ional.l. 115
Fig.4.14. Utilizarea AO.
Mont Montaj ajul ul nein neinve vers rsor or asig asigur ură atât atât o rez reziste istennţă de intr intrar are, e, pract practic ic infi infini nittă, cât cât şi o am ampli plifi fica care re regla reglabi billă :
R2 Um = E s 1 + R1 4.2.2 4.2.2..
(4.15)
Condi Condiţionar ionarea ea senzo senzoril rilor or cu mă rime rimea a de ieşire ire cur curent ent elec electr tric ic
Sche Schema ma echi echival valen enttă a unui unui aseme asemene neaa senzo senzorr const constă într într-u -unn generator de curent I s în paralel cu o rezisten ţă Rs (Fig.4.15.a) La cone co nect ctar area ea blocu bloculu luii de co cond ndiiţiona ionare re av avân ândd o rezi rezist sten enţă de intr intrar aree Ri (Fig.4.15.b), intensitatea curentului sesizat de acest bloc este: Im
a)
116
= I S
RS RS
(4.16)
+ Ri
b)
Fig.4.15. Codiţionarea ionarea senzorului senzorului generator generator de curent.
Dacă Ri > Rs, bloc blocul ul de co cond ndiiţion onar aree afe afecte ctează cu cure rent ntul ul util I s. O problemă, ce apare deseori este nivelul scăzut al curentului I s, solu soluţia fiin fiindd util utiliz izar area ea unu unuii am ampl plif ific icat ator or.. Se poate poate utiliza o schemă de conv nveertor curen urentt-ten enssiun iune, redu ducâ cânnd şi infl influe uennţa rezi rezist sten enţei de int intra rare re Ri (Fig.4.16)
Fig.4.16. Utilizarea unui
convertor curent - tensiune. tensiune.
117
