Universitatea din Piteşti Facultatea de Electronică Comunicaţii şi Calculatoare Specializarea: Specializarea: Electromecanică Electromecanică
SISTEM DE MSU! SI C"#T!"$ UMIDITTII
Indrumator: S&$& Dr& In'& le(andru Ma'dalena Ma'dale na
%solvent: Tudor Tudor Mi)ail *eor'e
Anul universitar 2012-2013 CUP!I#S
1
Capitolul I&
Noțiuni generale............................ generale................................................... .............................................. ...........................................pa ....................pag.3 g.3 1. Traductoare Traductoare de umiditate................................ umiditate....................................................... .............................................. .......................pag.3 pag.3 1.1 Traductoare Traductoare de umiditate cu oscilator cu cuarț..........................................p ..........................................pag.4 ag.4 1.2 Traductoare Traductoare de umiditate cu senzori macromoleculari macromoleculari ..............................pag.8 ..............................pag.8 1.3 Clasificarea senzorilor........................ senzorilor............................................... ............................................... ..................................pag.12 ..........pag.12 1.4 Caracteristicile metrologice ale traductoarelor............ traductoarelor................................... .................................pag.13 ..........pag.13 1. Caracteristicile și performanțele traductoarelor........................ traductoarelor...........................................pag ...................pag.1! .1! 1.! Traductor psi"rometric.................................. psi"rometric......................................................... .............................................. ........................pag.32 .pag.32 1.# Traductor Traductor umidometric rezistiv............ rezistiv................................... .............................................. .................................pag.3 ..........pag.3 1.8 Traductor Traductor umidometric capacitiv........... capacitiv.................................. .............................................. ................................pag.3 .........pag.3 1.$ %&surarea conținutului de umiditate al gazelor..................... gazelor............................................ ........................pag.3$ .pag.3$ Capitolul II&
2 'roiectarea la nivel de sc"em& (loc ........................................... .................................................................. ..........................pag.40 ...pag.40 2.1 Caracteristicile electrice................................ electrice....................................................... .............................................. ..............................pag.41 .......pag.41 2.2 )enzori )enzori și traductoare pentru pentru temperatur&....................... temperatur&.............................................. ....................................pag.4 .............pag.4!! 2.3 )tructura general& a sistemelor de m&surat cu senzori cu fi(re optice ...............pag.48 Capitolul III
3. 'roiectare la nivel nivel de sc"em& electric& electric& a sistemului sistemului de m&sur& și control a umidit&ții.............................................. ii..................................................................... .............................................. .............................................. .........................pag.4$ ..pag.4$ Capitolul I+
4. 'rezentarea datelor e*perimentale......................... e*perimentale................................................ .............................................. ............................pag.1 .....pag.1 Capitolul +
. Concluzii.............................. Concluzii..................................................... .............................................. .............................................. ..........................................pag ...................pag.! .! .1 Ane*e....................... Ane*e.............................................. .............................................. .............................................. .............................................. ..............................pag.! .......pag.! Capitolul +I
2
Capitolul I&
Noțiuni generale............................ generale................................................... .............................................. ...........................................pa ....................pag.3 g.3 1. Traductoare Traductoare de umiditate................................ umiditate....................................................... .............................................. .......................pag.3 pag.3 1.1 Traductoare Traductoare de umiditate cu oscilator cu cuarț..........................................p ..........................................pag.4 ag.4 1.2 Traductoare Traductoare de umiditate cu senzori macromoleculari macromoleculari ..............................pag.8 ..............................pag.8 1.3 Clasificarea senzorilor........................ senzorilor............................................... ............................................... ..................................pag.12 ..........pag.12 1.4 Caracteristicile metrologice ale traductoarelor............ traductoarelor................................... .................................pag.13 ..........pag.13 1. Caracteristicile și performanțele traductoarelor........................ traductoarelor...........................................pag ...................pag.1! .1! 1.! Traductor psi"rometric.................................. psi"rometric......................................................... .............................................. ........................pag.32 .pag.32 1.# Traductor Traductor umidometric rezistiv............ rezistiv................................... .............................................. .................................pag.3 ..........pag.3 1.8 Traductor Traductor umidometric capacitiv........... capacitiv.................................. .............................................. ................................pag.3 .........pag.3 1.$ %&surarea conținutului de umiditate al gazelor..................... gazelor............................................ ........................pag.3$ .pag.3$ Capitolul II&
2 'roiectarea la nivel de sc"em& (loc ........................................... .................................................................. ..........................pag.40 ...pag.40 2.1 Caracteristicile electrice................................ electrice....................................................... .............................................. ..............................pag.41 .......pag.41 2.2 )enzori )enzori și traductoare pentru pentru temperatur&....................... temperatur&.............................................. ....................................pag.4 .............pag.4!! 2.3 )tructura general& a sistemelor de m&surat cu senzori cu fi(re optice ...............pag.48 Capitolul III
3. 'roiectare la nivel nivel de sc"em& electric& electric& a sistemului sistemului de m&sur& și control a umidit&ții.............................................. ii..................................................................... .............................................. .............................................. .........................pag.4$ ..pag.4$ Capitolul I+
4. 'rezentarea datelor e*perimentale......................... e*perimentale................................................ .............................................. ............................pag.1 .....pag.1 Capitolul +
. Concluzii.............................. Concluzii..................................................... .............................................. .............................................. ..........................................pag ...................pag.! .! .1 Ane*e....................... Ane*e.............................................. .............................................. .............................................. .............................................. ..............................pag.! .......pag.! Capitolul +I
2
!. +i(liografie................................... +i(liografie.......................................................... .............................................. .............................................. ...................................pag.8 ............pag.8
CP ,&T!DUCT"!E DE UMIDIT UMIDI TTE TE
Traductorul Traductorul efectueaz& transformarea analogic& sau digital& a m&rimii de m&surat intr-o m&rime m&rime fizic& de aceea aceeași natur& sau de de natur& diferit& diferit&,, avand calitat calitatea ea important& important& de a fi ușor m&sura(il&.atorit& m&sura(il&.atorit& avantaelor care le caracterizeaz&, caracterizeaz&, traductoarele electrice s-au dezvoltat considera(il, fiind traductoarele traductoarele care convertesc convertesc m&rimea de intrare intr-o m&rime de ieșire de natur& electric&. /n foarte multe instalaii se folosete cu mult& eficient& familia traductoarelor de umiditate. Acestea sunt dispozitive dispozitive care fie c& sesizeaz& prezen prezen ța sau lips& umidit&ii fie c& m&soar& cantitativ valoarea acesteia. acesteia. Att Att intr-un caz ct ct și in cel&lalt traductorul poate poate semnaliza optic optic sau acustic dep&irea unui unui prag sau poate ac țion& asupra unor regulatoare regulatoare care in final s& pun& in funciune pompe, ro(inete, ecluze, etc. 'rincipiul de funcionare al detectorului de umiditate, aflat n structur& traductorului poate fi diferit. Astfel Astfel vom intalni detectoare detectoare de tip mecanic, mecanic, de tip electroc"imic, electroc"imic, de tip rezistiv și de tip capacitiv. Traductoarele Traductoarele capacitive capacitive fac parte din grup& traductoarelor parametrice parametrice și au c& principiu de de funcionare convertirea unei m&rimi neelectrice ntr-o variaie de capacitate.)e capacitate.)e realizeaz& din cele dou& tipuri de condensatoare condensatoare plan și cilindric.
• #"TIU#I *E#E!$E. Conducerea unui proces presupune cunoașterea unor informații ct ct mai mai corecte corecte și ct ct mai mai complete asupra parametrilor m&rimilor fizice ce caracterizeaz& acel proces./n cazul unui proces ne-automatizat, condus condus manual de operator,m&rimile operator,m&rimile fizice care nu sunt accesi(ile accesi(ile simțurilor umane sunt m&surate m&surate cu aparate de m&surat.'e (az& (az& indica țiilor aparatelor,operatorul aparatelor,operatorul uman supraveg"eaz& supraveg"eaz& procesul procesul și ia decizii corespunz&toa corespunz&toare. re. /n cazul unui proces automatizat, automatizat, conducerea sistemului sistemului se face f&r& interven ția omului, pe (az& informațiilor culese din proces proces cu autorul traductoarelor . UMIDI TTE TE • T!DUCT"!E DE UMIDIT
5miditatea reprezinta continutul de apa dintr-un material soldi,lic"id sau gazos.5miditatea gazos.5miditatea materialelor lic"ide sau solide se e*prima ca umiditate relativa,iar masurarea ei se realizeaza cu umidimetre. %asurarea umiditatii gazelor se realizeaza cu "igrometre. 6*ista ma multe tipuri de traductoare de umiditatea si anume -macromoleculari7 3
-cu oscilatori cu cuart7 -cu infrarosu7 Traductoarele Traductoarele pot fi definite ca dispozitive care realizeaz& conversia unor m&rimi fizice temperatura,deplasare,presiune,for&,e temperatura,deplasare,presiune,for&,etc9 tc9 n alte m&rimi fizice,cel mai adesea electrice,sau a unor m&rimi electrice n alte m&rimi electrice, n scopul m&sur&rii parametrilor acelor m&rimi i inform&rii, repectiv lu&rii unor decizii n consecin&. traductor&Tipuri de traductoare& • Structura 'enerală a unui traductor&Tipuri
)tructura general& a unui traductor este prezentata in figura de mai os
)tructura general& a unui traductor. Elementul sensi%il detector,captor,senzo detector,captor,senzor9 r9 este elementul specific pentru detectarea m&rimii fizice
pe care traductorul traductorul tre(uie s& o m&soare.6l m&soare.6l are capacitatea capacitatea de a elimina sau sau reduce la minim minim influențele e*ercitate e*ercitate de alte m&rimi m&rimi dect cea care care se m&soar& și care ac ționeaz& simultan asupra asupra traductorului. Elemente de transmisie sunt elemente au*iliare au*iliare care realizeaz& realizeaz& cone*iuni cone*iuni electrice,mecanice, electrice,mecanice,
optice sau de alt& natur&, n situațiile n care te"nologiile de realizare a traductorului traductorului o impun. daptorul are rolul rolul de a modific modific&& informa informația de la ieșirea elemen elementului tului sensi( sensi(il il la cerin cerințele impuse impuse
de aparatur& aparatur& de automatizare utilizat&. utilizat&. :uncțiile realizate de adaptor adaptor sunt comple*e,ele incluznd și adaptarea de nivel,putere nivel,putere sau impedanț&9 cu referire referire la semnalul semnalul de ie șire, n raport raport cu dispozitivele de automatizare.Adaptorul automatizare.Adaptorul asigur& conversia variațiilor de stare ale elementului sensi(il n semnale semnale cali(rate la ieșire, ce reprezint&la reprezint&la o alt& scar&9 valoarea valoarea m&rimii de intrare.eci adaptorul adaptorul realizeaz& realizeaz& operația specific& specific& m&sur&rii,adic& m&sur&rii,adic& compara comparația cu unitatea de m&sur& m&sur& adoptat&. adoptat&.
• T!DUCT"! DE UMIDITTE CU "SCI$T"! CU CU!T
4
/i (azeaz& functionarea pe proprietatea oscilatorului a c&rui frecvent& de rezonant& variaz& cu grosimea i densitatea cuartului . 5miditatea aerului conduce la aparitia unei cantit&ti de vapori care se fi*eaz& pe oscilator prin intermediul unei mem(rane de a(sor(tie a(sor(tie a umidit&tii depus& pe suprafata suprafata cuartului. in punct de vedere constructiv traductorul de umiditate are structura prezentat& ;n figura.
5% >>TAT6 T6 C5 =)C>?AT =)C> ?AT=< =< C5 C5A
>TA
• )c"ema (loc a traductorului de umiditate cu oscilator cu cuart este prezentat& n figura de mai os
• Plasarea traductorului intr-un sistem de re'al. automat/S!0-Sc)ema S!&
care realizeaz& convertirea convertirea unei m&rimi fizice de o(icei Traductor @ element al )
neelectric& ntr-o m&rime m&rime de alt& natur& natur& fizic& de o(icei o(icei electric& electric& proporional& cu prima sau dependent& de aceasta ntr-un fel presta(ilit, n scopul utiliz&rii ntr-un sistem de automatizare. /ntr-un )A, traductorul este poziionat pe calea de reacie.
/n general traductorul cuprinde @ elementul sensi(il 6)9 sau detectorul @ specific m&rimii m&surate, are rolul de a capta m&rimea ce tre(uie m&surat&7 @ adaptorul A9 prelucreaz& i convertete semnalul dat de 6) ntr-o m&rime direct utiliza(il& n sistemul automat.
%&rimea de intrare u de e*emplu presiune, nivel, for& etc.9 este convertit& de c&tre elementul sensi(il 6)9 ntr-o m&rime intermediar& 0 deplasare liniar& sau rotire9, care este transformat& n m&rimea de ieire 1 tensiune electric&, rezisten& electric&, inductan&, capacitate etc.9, aplicat& circuitului de automatizare cu autorul unui adaptor9. 5miditatea reprezint& reprezint& cantitatea de ap& conținut& n aer./n lim(aul comun termenul de umiditate se refer& n general la umiditatea relativ&. !
6*ist& trei moduri de a clasifica umiditatea -umiditatea a(solut&7 -umiditatea relativ&7 -umiditatea specific&7
• Umiditatea a%solută reprezint& cantitatea de ap& ntr-un anumit volum de aer. • Umiditatea relativă se definește c& fiind cantitatea de vapori de ap& din aer comparativ cu cantitatea ma*im& de vapori de ap& care ar putea e*ist& n aer la saturație.Cantitatea de ma*im& de vapori de ap& la saturație depinde de temperatur&.5miditatea relativ& este cuprins& ntre 0 și 100B. • Umiditatea speci2ică reprezint& cantitatea de vapori de ap& din aer ntr-un volum de aer dat.
/n figura de mai os este reprezentat& dependența umidit&ț ii relative de temperatur&.
ependența vaporilor de ap& din aer de temperatur&.
•
Descrierea sistemului proiectat. Controlerul de umiditate și temperatur& are urm&toarele (locuri principale -circuitele de interfaț& cu senzorul7 -microcontroller-ul cu circuitele aferente7 -interfaț& cu utilizatorul tastatur& și afiș aul97 -driver-ele pentru comand& triacelor7
#
-surs& de alimentare. Traductoarele de umiditate sunt de mai multe tipurii - %acromoleculari7 - Cu oscilator cu cuarț7 -
Cu infraroșu7 •
Traductor de umiditate cu senzori macromoleculari
/și (azeaz& funtionarea pe modificarea capacit&ții rezistenței ca urmare a modific&rii permitivit&ții, respective a rezistivit&ții la variația umidit&ții. Traductor de umiditate cu in2raroșu&
'rincipiul de funcționare este (azat pe a(sorția apei de anumite lungimi de und& din spectrul infraroșu N><9. Determinarea umidităţii aerului şi 'azelor&
Umiditatea a%solută a atmosferei se definete ca fiind masa vaporilor de ap&, e*primat& n
grame, dintr-un metru cu( de aer. Umiditatea relativă este definit& ca raportul procentual dintre presiunea vaporilor i
presiunea ma*im& a vaporilor saturai la o temperatur& dat&.
Mijloace de măsurare
Higrometre
Psihrometre
8
Hidrografe
3I*!"MET!U
•
Psi)ometrul cu aspiratie&
)e compune dintr-un ventilator acionat de un arc sau de un motor electric alimentat de o (aterie, care aspir& aer cu o vitez& constant& 2 mDs9 prin am(ele traductoare de temperatur&.Termometrul uscat este e*pus direct aerului. Termometrul umed este nconurat de gaze meninute umede.
$
atorit& curentului de aer, o cantitate de ap& se evapor& consumnd o cantitate de c&ldur& luat& din aer. Temperatura indicat& de termometrul umed va scade i va co(or cu att mai mult cu ct se vaporizeaz& o cantitate mai mare de ap&, adic& cu ct aerul iniial este mai uscat. iferena de temperatur& ntre termometrul umed i cel uscat se numete diferen& psi"rometric& i permite determinarea presiunii pariale a vaporilor de ap&.
•
T!DUCT"!U$ DE UMIDITTE E!U$UI&
Traductorul realizat incorporeazE un senzor de umiditate capacitiv produs de Falvo. Acest senzor este un senzor de tip capacitiv alcatuit dintr-o folie dielectrica speciala pe care s-au depus, pe am(ele parti, o pelicula su(tire de aur, ntreg ansam(lul fiind ncapsulat intr-o carcasa din masa plastica perforata. Ansam(lul mai sus amintit se constituie intr-un condensator plan al carui dielectric si modifica constanta dielectrica su( influenta umiditatii mediului am(iant, astfel modificndu-se capacitatea electrica. >ntroducnd acest condensator ntr-un circuit electric oscilant variatia capacitatii duce n final la o variatie a frecventei de oscilatie.
%arimile fizice care descriu cantitativ umiditatea sunt •
umiditatea a%soluta - 3a%s - reprezinta cantitatea de apa continuta ntr-un volum
definit de aer. •
umiditatea de saturatie - 3sat/4 0 - reprezinta cantitatea ma*ima de apa ce poate fi
continuta ntr-un volum definit de aer.
10
:igura de mai sus prezinta dependenta umiditatii de saturatie G sat de temperatura H.
•
umiditatea relativa - 3rel - reprezinta raportul dintre umiditatea a(soluta si cea de
saturatie.
)c"ema electric& de utilizare. 11
Traductorul realizat m&soar& umiditatea relativ& 0-100B.)c"ema electric& conține un amplificator diferențial realizat cu circuitul ?%308 ce genereaz& la ieșire o tensiune ntre 2,$3,$F.
MET"DE DE DETE!MI#!E UMIDITTII& •
Metode directe @ se m&soar& direct masa materialului umed i masa apei coninut& in
•
materialul de analizat. Metode indirecte @ prin care se m&soar& o alt& m&rime a materialului de analizat care variaz& cu umiditatea temperatura, rezistena electric&9. %iloacele pentru m&surarea umidit&ii se numesc umidometre.
• •
UMID"TESTU$
6ste un aparat care, utiliznd metoda direct& se foloseste pentru determinarea umidit&ii n&molurilor de la tratarea i epurarea apelor.
Clasi2icarea senzorilor
)enzori activi sau senzori generatori @ au la (aza principiul de functionare un efect fizic ce asigura conversia directa in energie electrica. >n continuare se prezinta o descriere a acestor efecte fizice, pentru a pune in avidenta modul lor de aplicare I E2ect termoelectric& 5n circuit format din doua conductoare de natura c"imica diferita, avand onctiunile la temperaturaturile T1 si T2, genereaza o tensiune termoelectrica 6 T J )T1 @ T29. IE2ectul 3all& 5n materiam, in general semiconductor, su( forma de placuta este parcursa de un curent de intensitate > si introdus in camp magnetic. >n acest caz, va aparea, pe directia perpendiculara pe planul format de inductia magnetica + si de curentul >, o tensiune electrica 5G J K G>+, constanta Gall K G depinzand de material si de dimensiunile placutei. IE2ect piezoelectic& Anumiti dielectrici cristalini au proprietatea de a se polariza in urma modificarilor dimensionale ca urmare a unei forte aplicate. IE2ectul inductiei electroma'netice& aca un conductor se deplaseaza intr-un camp magnetic de inductie constanta, atunci apare o tensiune electromotoare, proportionala cu viteza de deplasare. e asemenea, in cazul unui circuit inc"is aflat intr-un camp magnetic cu inductie varia(ila in timp, se induce o tensiune electromotoare egala cu viteza de variatie a flu*ului magnetic prin suprafata circuitului. IE2ectul 2otoelectric& Are la (aza ec"ili(rarea sarcinilor electrice intr-un material su( influenta inei radiatii luminoase, cand lungimea de unda este inferioara celei proprii ce caracterizeaza materialul. )enzori pasivi sau senzori perametrici. 6i se caracterizeaza prin aceea, ca marimea de intrare le influenteaza prorietatile, fiind convertita intr-o marime pasiva, cum ar fi rezistenta, inductivitatea, capacitatea, etc. >n ta(elul de mai os sunt prezentate principiile fizice ce satu la (aza functionarii senzorilor parametrici, precum si tipurile de materiale utilizate pentru o(tinerea acestora. 12
in realizarile e*istente se poate remarca, in special, locul important pe care il ocupa, in cadrul acestei categorii, senzorii rezistivi, inductivi si capacitivi. 'osi(ilitatea de conversie a unor marimi de natura neelectrica in marime naturala electrica se datoreaza, deci, unor legi fizice, care e*prima dependenta parametrilor electrici ai senzorului fata de aceste marimi.
C!CTE!ISTICI$E MET!"$"*ICE $E T!DUCT"!E$"! •
Caracteristici metrologice in regim stationar
intre aceste caracteristici se pot enumera 1 .Caracteristica statica de transfer7 2. >ntervalul de masurare7 3. )ensi(ilitatea7 4. 'ragul de sensi(ilitate ; .
dy dx
x = xi
Faloarea sensi(ilit&ii unnui traductor este indicat& de fa(ricant i permite utilizatorului -s& estimeze ordinul de m&rime al semnalului de r&spuns,cunoscnd ordinul de m&rime al semnalului m&surat7 -s& aleag& traductorul de aa manier& nct lanul de automatizare n care intr& s& satisfac& condiiile de lucru impuse. 5nitatea de m&sur& cu care e*prim& sensi(ilitatea depinde de regul& de fenomenul fizic care st& la (aza construciei sale. 6*emple Ω D °C , pentru o rezistent& termometric&7 µ V D °C , pentru un termocuplu. 4 .Pra'ul de sensi%ilitate este cea mai mic& valoare a m&rimii de intrare ce poate fi m&surat&. 13
. !eazolutia reprezint& cea mai mic& variaie de intrare care produce o modificare sesiza(il& a semnalului de ieire. ! .E(actitatea reprezint& concordana dintre valoarea m&surat& i valoarea adev&rat&. #.!epeta%ilitatea caracterizeaz& variaia m&rimii de ieire cnd se aplic& aceeai valoare a m&rimii de intrare, succesiv, n aceleai condiii. 8.$iniaritatea-un traductor de spune c& este liniar pentru o pla& (ine determinat& a m&rimii urm&rite dac& sensi(ilitatea sa este independena de valoarea m&rimii urm&rite. $.3isterezisul unui traductor este datorat e*istenei a dou& valori ale m&rimii de ieire pentru aceeai valoare a m&rimii de intrare, n funcie de sensul de variaie a acestei m&rimi cresc&tor sau descresc&tor9. 10.!apiditatea, sau timpul de r&spuns, este acea caracteristic& te"nic& a unui traductor care permite aprecierea modului n care m&rimea de ieire urm&rete n timp variaiile m&rimii de intrare.
Caracteristicile metrolo'ice in re'im dinamic&
/n regim dinamic m&rimea aplicat& la intrarea traductorului este varia(il& n timp *t9 i m&rimea la ieirea lui este tot o m&rime funcie de timp Lt9.e aceea un rol important n descrierea funcion&rii dinamice a traductoarelor l au ecuaiile de funcionare, funciile de transfer i r&spunsul la diferite semnale. 'entru caracterizarea comport&rii n regim dinamic a traductoarelor, se determin& r&spunsul lor atunci cnd la intrare se aplic& diverse tipuri de semnale. Erorile de neliniaritate si )isterezis
'entru ca toate traductoarele ndeplinesc funcia de m&surare a unei m&rimi fizice ele tre(uie s& se supun& acelorai reguli ca i aparatele de m&sur& i anume,s& ndeplineasc& o serie de condiii metrologice. Erorile de măsură
)ingurele m&rimi fizice ale c&ror valori sunt e*act cunoscute sunt m&rimile etalon, a c&ror valoare a fost aleas& convenional.Toate celelalte m&rimi fizice m&surate sunt cunoscute cu apro*imaie ce este dictat& de precizia de e*ecuie a sistemului de m&surare. )unt definite o serie de tipuri de erori legate de procesul de m&surare, i anume a& Erorile sistematice
'entru o valoare dat& a m&rimii m&surate, eroarea sistematic& este constant&.6a introduce un decala constant ntre valoarea real& i cea m&surat& pentru m&rimea urm&rit&.6*istena unei 14
erori sistematice poate fi depistat& prin diferena care apare ntre valorile cele mai pro(a(ile e*trase din dou& seturi de m&sur&tori efectuate asupra aceleai m&rimi m&surate i efectuate cu traductoare i metode diferite. intre tipurile frecvente de erori sistematice amintim - eroarea asupra m&rimii de referin& • eroarea de zero a aparatului7 • alegerea greit& a m&rimii de referin&7 • necunoaterea valorii precise a tensiunii de alimentare. - eroarea asupra caracteristicilor traductorului • necunoaterea sensi(ilit&ii sau cur(ei de etalonare7 - eroarea datorat& modului defectuos de folosire • eroare de rapiditate7 • eroare de sensi(ilitate7 -eroare la prelucrarea datelor (rute. %& Erori accidentale
Aceste erori au urm&toarele cauze generatoare - erori datorate propriet&ilor intrinseci ale traductorului7 • erori de mo(ilitate7 • erori de citire. -erori datorate semnalelor parazite cu caracter aleatoriu • zgomotele generate de purt&torii de sarcin& electric& n rezistente sau n componente active7 • inducii parazite sau radiaii electromagnetice, n special cele de frecven& industrial&.
6rorile accidentale conduc la dispersarea rezultatelor n cazul m&sur&rilor repetate, iar prelucrarea lor statistic& permite - cunoaterea valorii celei mai pro(a(ile a m&rimii urm&rite7 - fi*area plaei de erori.
1
ac& m&surarea repetat& de n ori9 a unei aceleași m&rimi necunoscute a condus la o serie de valori ale m&rimii urm&rite m1, m2,m3,...., mn, atunci, valoarea medie a m&rimii m&surate este prin definiție m=
m1 + m 2 + ... + mn n
Finețea este calitatea unui traductor de a avea erori accidentale mici.)e traduce prin valori
de m&sur& grupate n urul valorii medii.
Corectitudinea reprezint& calitatea traductorului care reduce erorile sistematice.Faloarea
cea mai pro(a(il& a m&rimii urm&rite este situat& n imediata vecin&tate a valorii adev&rate. Precizia reprezint& calitatea traductorului de a da valori ale m&rimii m&surate situate fiecare
n vecin&tatea valorii urm&rite. $imitele de utilizare a traductoarelor
)olicit&rile mecanice,termice sau electrice la care este supus un traductor pot determina modificarea caracteristicilor traductorului definite de fa(ricant prin cur(ele de etalonare9. )e definesc urm&toarele domenii de utilizare ale traductoarelor 1. domeniul nominal corespunde condițiilor normale de utilizare a traductorului. ?imitele acestui domeniu reprezint& valorile e*treme care pot di m&surate f&r& modificarea caracteristicilor constructive. 2. domeniul de deteriorare odat& dep&șite valorile nominale ale domeniului de m&sur&,dar r&mnnd n anumite limite prescrise care nu duc la distrugerea traductorului, caracteristicile acestuia risc& s& se modifice, dar nu ireversi(il.
•
C!CTE!ISTICI$E 6I PE!F"!M#7E$E T!DUCT"!E$"!
1.1 Caracteristici i performane n regim staionar
1!
Caracteristicile funcionale ale traductoarelor reflect& n esen&9 modul n care se realizeaz& relaia de dependen& intrare-ieire >-69. 'erformanele traductoarelor sunt indicatori care permit s& se aprecieze m&sura n care caracteristicile reale corespund cu cele ideale i ce condiii sunt necesare pentru o (un& concordan& ntre acestea. Caracteristicile i performanele de regim staionar se refer& la situaia n care m&rimile de intrare i de ieire din traductor nu variaz&, adic& parametrii purt&tori de informaie specifici celor dou& m&rimi sunt invariani. Caracteristica statică a traductorului este reprezentat& prin relaia intrare @ ieire >-69
L J f*9 n care L i * ndeplinesc cerinele unei m&sur&ri statice.
1.19
-6 su( forma ideal& deoarece, n realitate, n timpul funcion&rii traductorului, simultan cu m&rimea de m&surat *, se e*ercit& att efectele m&rimilor pertur(atoare e*terne ξ1 , ξ 2 , ξ 3 , ..., ξ n ct i a celor interne ν1, ν 2 , ν 3 , ..., ν r care determin& modific&ri nedorite ale caracteristicii statice ideale. /n afara acestor pertur(aii nedorite9, asupra traductorului intervin i m&rimile de regla, notate prin C1 ,C 2 , C 3 , ..., C M . Aceste reglae servesc la o(inerea unor caracteristici adecvate domeniului de variaie al m&rimii de m&surat n condiii reale de funcionare a traductorului. innd seama de toate m&rimile care pot condiiona funcionarea traductorului, acesta se poate reprezenta printr-o sc"em& funcional& restrns&, ilustrat& n figura 1.1.
:ig. 1.1 1#
• Mărimile pertur%atoare e(terne ξ1 , ξ2 , ξ3 , O, ξn cele mai importante sunt de natura unor factori de mediu presiunea, umiditatea, temperatura , cmpuri electrice sau magnetice etc. Aceste pertur(aii nedorite9 pot aciona att asupra m&rimii de m&surat, ct i asupra elementelor constructive ale traductorului. Mărimile pertur%atoare interne se datoreaz& zgomotelor generate de rezistoare, de
semiconductoare, frec&ri n lag&re, m(&trnirea materialelor care-i sc"im(& propriet&ile, variaii ale parametrilor surselor de alimentare etc. atorit& m&rimilor pertur(atoare, traductorul va funciona dup& o relaie de dependen& >-69 real&, descris& de funcia L = f * , ξ1 , ξ 2 , ξ 3 , ..., ξ n , ν1, ν 2 , ν 3 , ..., ν r 9 7
1.29
6ste important de o(servat c& erorile sunt generate de variaiile m&rimilor pertur(atoare i nu de valorile lor a(solute, care dac& ar r&mne constante ar putea fi luate n considerare ca atare n e*presia caracteristicii. %odul n care m&rimile pertur(atoare influeneaz& ieirea , admind c& variaiile lor sunt mici, se pune n eviden& prin dezvoltarea n serie TaLlor a funciei 2.19 cu negliarea termenilor corespunz&tori derivatelor de ordin superior. )e o(ine L=
∂ f ∂ f ∂f ∂ f ∂ f ∆* + ∆ξ1 + ... + ∆ξ n + ∆ ν1 + ... + ∆ν r ∂* ∂ ξ1 ∂ξn ∂ ν 1 ∂ ν r
1.39
erivatele de ordinul > au semnificaia unor sensi(ilit&i ∂f ∂*
- este sensi(ilitatea util& a traductorului
∂f ∂f i sunt sensi(ilit&i parazite ∂ ν i ∂ξ i
Cu ct sensi(ilitatea util& va fi mai mare, iar sensi(ilit&ile parazite vor fi mai mici, cu att caracteristica real& a traductorului va fi mai apropiat& de cea ideal& 1.19 ac& sensi(ilit&ile parazite au valori ridicate se impune introducerea unor dispozitive de compensare automat&. 'rin concepie proiectare9 i construcie, traductoarele se realizeaz& astfel nct m&rimile de influen& pertur(atoare9 s& determine efecte minime si deci , s& se poat& considera vala(il& caracteristic& static& ideal& L J f*9 n limitele unei erori tolerate. /n ipoteza de liniaritate i admind c& influenele m&rimilor pertur(atoare nu dep&esc eroarea tolerat& , forma uzual& pentru caracteristica static& a traductoarelor analogice este L = K ⋅ 8 * − * 0 9 + L 0 7
1.49
n care *0 i L0 pot lua diverse valori pozitive sau negative, inclusiv zero. Caracteristicile statice liniare sunt tipice pentru traductoare, dar pot ap&rea, n anumite cazuri particulare, cerute de un ).<.A.9, caracteristici neliniare. /n cele ce urmeaz& se prezint& cteva e*emple de caracteristici statice @ pentru traductoare a0 liniară unidirecţională @ figura 1.29, defint& prin funcia L = K ⋅ 8 * − * 0 9 + L 0 7 * ≥ *0 K J tg α panta caracteristicii9 18
:ig. 1.2
:ig. 1.3 %0 proporţională liniară %idirecţională @ figura 1.39, definit& prin funcia L = K ⋅ * 7
K J tg α
1.9
c0 liniară pe porţiuni cu zonă de insensi%ilitate şi saturaţie @ figura 1.49 definit& prin funcia
0 pentru − *1 < * < *1 K ⋅ 8* ± *19 pentru 4 − * 2 ≤ * ≤ −*17 *1 ≤ * ≤ * 2 L= − Ls pentru * < −* 2 + L pentru * > * 2 s
1.!9
d0 liniară pe porţiuni cu zonă de insensi%ilitate5 saturaţie şi )isterezis @ figura 1.9, definit&
prin funcia
0 pentru 4 − *1 P < * < 0 7 0 < * < *17 − *1 < * < 0 7 0 < * < *1 P K8* ± * 9 pentru 4 * < * < −* , * ≤ * ≤ * 1 2 1 1 2 L = K8* ± *1 P 9 pentru 4 − * 2 P < * < −*1 P , *1 P ≤ * ≤ * 2 P 1.#9 Ls pentru 4 * > * 2 P 7 * < * 2 − L pentru 4 * ≤ −* P 7 * < −* 2 2 s
:ig. 1.4 :ig. 1. 'entru traductoarele cu ieiri numerice caracteristica static& este cvasiliniar& avnd forma din figura 1.!. 1$
:ig. 1.!
:ig. 1.#
Erorile de neliniaritate şi )isterezis
Caracteristicile statice sunt determinate de legile fizice pe care se (azeaz& funcionarea elementelor componente din structura traductorului. Aceste caracteristici se deduc prin calcul sau e*perimental.
A(aterea relativ& de la liniaritateS se definete prin relaia ε r =
∆L ma*
L ma* − L min
⋅ 100[ B] 7
1.89
unde ∆Lma* este a(aterea a(solut& de la liniaritate, definit& prin relaia
∆Lma* J ∆LS-∆LR7
1.$9
Alt tip de eroare, care poate fi estimat& pe caracteristicile statice este eroarea de )isterezis& in figura 1. se o(serv& c& fenomenul de "isterezis se manifest& prin aceea c& se o(in dou& nivele diferite ale semnalului de ieire L9 pentru aceeai valoare a m&rimii de intrare, n raport cu sensul cresc&tor ↑ 9 sau descresc&tor ↓ 9 de variaie prin care acesta atinge valoarea respectiv&. 6roarea de "isterezis este dat& de diferena dintre cele dou& nivele ale semnalului de ieire L9. 'entru a asigura univocitatea valorii m&surate, eroarea de "isterezis tre(uie s& se ncadreze, ca i cea de neliniaritate, su( o limit& admisi(il&. Domeniul de măsurare se situeaz& pe caracteristica static& n zona n care aceasta este liniar&.
omeniul de m&surare se e*prim& prin intervalul U* minO*ma*V n cadrul c&ruia traductorul permite efectuarea corect& a m&sur&rii. Falorile limit& minime att pentru intrarea * min , ct i pentru ieirea Lmin pot fi zero sau diferite de zero , de aceeai polaritate sau de polaritate opus& limitei ma*ime.'entru traductoarele cu semnal unificat se ntlnesc cazuri n care L min≠0 pentru *minJ0, precum i invers LminJ0 cnd *min≠0. %otivaia care ustific& e*istena acestor situaii se va e*plica ulterior. e regul& domeniul de m&surare se definete pentru intervalul n care eroarea r&mne n limitele admisi(ile. ?a traductoarele cu semnal unificat, limitele semnalelor de ieire L min i Lma* r&mn constante indiferent de limitele *min i *ma* ale semnalelor de intrare. Sensi%ilitatea /S0
)ensi(ilitatea traductorului se definete n raport cu m&rimea de intrare, neglind sensi(ilit&ile parazite introduse de m&rimile pertur(atoare. 'entru variaii mici ∆* i ∆L sensi(ilitatea se definete prin raportul dintre variaia ieirii i variaia intr&rii. /n cazul unei caracteristici statice liniare sensi(ilitatea este reprezentat& de coeficientul ung"iular al dreptei. ) J dLDd* ≅ ∆LD∆* J K J tgα
1.109
= alt& e*primare a sensi(ilit&ii, ce ine seama de domeniul de m&surare, este dat& de relaia − L min L ) = ma* * ma* − * min
1.119
in relaia 1.119 rezult& c& sensi(ilitatea este constant& pentru ntregul domeniu de m&surare. /n cazul unor caracteristici statice neliniare se pot defini numai valori locale ale sensi(ilit&ii su( forma 21
) i = dL d*
*=* i
≅ ∆L ∆* * = * 7 i
1.129
unde ∆* i ∆L sunt variaii mici n urul punctului de coordonate *i, Li9. )ensi(ilitatea )i @ se numete i sensi(ilitate diferenial&. in relaiile 1.109 i 1.119 se o(serv& c& sensi(ilitatea este o m&rime ale c&rei dimensiuni depind de dimensiunile m&rimilor de intrare i de ieire, iar valoarea sa depinde de unit&ile de m&sur& utilizate pentru m&rimile respective. /n cazurile caracteristicilor liniare, la care natura m&rimilor * i L este aceeai, sensi(ilitatea )9 se va numi 2actor de ampli2icare, dac& este supraunitar& ) W 19, iar dac& ) X 1 sensi(ilitatea se va numi 2actor de atenuare. Aceti factori sunt adimensionali i sunt frecvent utilizai pentru caracterizarea traductoarelor. Cnd domeniul m&rimii de intrare este foarte e*tins, amplificarea sau atenuarea se e*prim& n deci(eli Ud(V prin relaia AJ20 log L/*97 Ud(V
1.139
5neori se utilizeaz& noiunea de sensi%ilitate relativă e*primat& prin )r =
∆L D L ∆* D *
1.149
unde ∆L/L este variaia relativ& a ieirii, iar ∆*/* este variaia relativ& a intr&rii. )ensi(ilitatea relativ& )r 9 se e*prim& printr-un num&r adimensional, iar valoarea sa nu depinde de sistemul de unit&i i ca urmare ) r este util& la compararea traductoarelor atunci cnd acestea au domenii de m&surare diferite. Determinarea sensi%ilitatea unui traductor analo'ic . )ensi(ilitatea unui traductor este determinat& de sensi(ilit&ile elementelor componente i de modul de conectare a acestora n sc"ema structural& a traductorului. ac& elementele care compun traductorul au caracteristicile de transfer >-69 liniare, sensi(ilitatea totat& a traductorului )t9 se deduce uor din sensi(ilit&ile pariale ale elementelor traductorului, considernd aceste sensi(ilit&i constante pe ntreg domeniul de m&surare. )e prezint& modul de calcul al sensi(ilit&ii totale ) t9 pentru cteva sc"eme tipice de conectare a elementelor componente descrise de caracteristici liniare9. a9 'entru cone*iunea serie figura 1.89 n
)t =
∏
)i
i =1
1.19
(9 'entru cone*iunea paralel figura 1.$9 n
)t =
∑
)i 7
1.1!9
i =1
c9 Cone*iunea cu reacie negativ& figura 1.109 )t =
)1 1 + )1) 2
22
1.1#9
:ig. 1.8
:ig. 1.$
:ig. 1.10
/n cazul cone*iunii cu reacie negativ&, deoarece de regul& ) 1>>19, se poate admite apro*imarea )t =
1 )2
7
1.189
eci se o(serv& c& sensi(ilitatea elementului de pe calea de reacie este determinant& n calculul sensi(ilit&ii totale a traductorului. !ezoluţia
)unt traductoare care au caracteristici statice ce nu sunt perfect netede. Ca urmare, la variaii continue ale m&rimii de intrare *9 n domeniul de m&surare, semnalul de ieire L9 se modific& prin salturi avnd valori (ine precizate deoarece are variaii discrete9. Intervalul ma(im de variaţie al mărimii de intrare necesar pentru a determina apariţia unui salt la semnalul de ieşire5 se numeşte rezoluţie&
23
'ragul de sensi(ilitate este important, ntruct condiioneaz& variaiile minime la intrare care pot fi m&surate prin intermediul semnalului de ieire. :actorii care determin& pragul de sensi(ilitate sunt fluctuaiile datorate pertur(aiilor interne i e*terne zgomotul n circuitele electrice, frec&rile statice i ocurile n angrenae pentru dispozitive mecanice. Calitatea traductoarelor este cu att mai (un& cu ct sensi(ilitatea ) este mai mare, iar rezoluia i pragul de sensi(ilitate sunt mai reduse. Precizia /eroare de măsurare0
)copul fundamental al oric&rei m&sur&ri, acela de a determinarea i e*prima numeric valoarea m&rimii de m&surat, poate fi realizat numai cu un anumit grad de incertitudine. =rict de perfecionate ar fi metodele i aparatele utilizate i orict de atent ar fi controlat procesul de m&surare, rezultatul m&sur&rii va fi ntotdeauna diferit de valoarea real& sau adev&rat& a m&surandului. Eroarea de măsurare reprezint& diferena dintre rezultatul m&sur&rii i valoarea real&. 6ste evident c&, din punct de vedere calitativ m&sur&rile sunt cu att mai (une cu ct erorile respective sunt mai mici. 'ro(lematica erorilor de m&surare este comple*& i pentru detalii se recomand& lucr&ruile U1V i U4V. /n cele ce urmeaz& se prezint& succint noiunile necesare pentru nelegerea semnificaiei preciziei traductoarelor . Cauzele erorilor de m&surare sunt multiple i se pot evidenia printr-o analiz& atent& a operaoiei de m&surare. Acestea sunt - Eroarea de interacţiune este provocat& de faptul c& 6) al traductorului e*ercit& o
aciune asupra valorii reale a m&rimii de m&surat, astfel nct valoarea efectiv convertit& difer& de cea real&. 6rorile de interaciune pot ap&rea i ntre diversele componente din structura traductorului. - Eroarea de model este determinat& de faptul c& se idealizeaz& caracteristicile statice,
ignorndu-se anumii factori care le pot influena. eterminarea e*perimental& a caracteristicilor statice prin utilizarea unor etaloane cu precizie limitat&, genereaz& eroarea de model. - Erori de in2luenţă care apar atunci cnd m&rimile pertur(atoare au variaii mari i nu pot fi compensate prin miloace te"nice9. /n raport cu propriet&ile lor generale s-au sta(ilit urm&toarele criterii de clasificare a erorilor 24
a0 Caracterul variaţiilor i valorilor pe care le pot lua
erori sistematice7 erori aleatoare7 erori grosiere. Erorile sistematice se produc n acelai sens n condiii nesc"im(ate de repetare a m&sur&rii i au valori constante sau varia(ile, dup& o lege determinat& n raport cu sursele care le genereaz&. – – –
Erorile aleatoare ntmpl&toare sau accidentale9 variaz& imprevizi(il la repetarea m&sur&torii,
putnd lua valori diferite att ca sens ct i ca valoare. Erorile 'rosiere inadmisi(ile9 afecteaz& prea grav rezultatele m&sur&torii, nct rezultatele nu
pot fi luate n considerare. Aceste erori au dou& cauze – funcionarea incorect& a aparatelor7 – utilizarea unei metode incorecte de m&surare. %0 Modul de e(primare valorică prin care se face deose(irea ntre erorile a(solute i erorile
relative. Erorile a%solute sunt ∆*i, ∆vi pozitive sau negative9 e*primate n aceleai unit&i de m&sur& cu
vi. Eroarea relativă real& sau convenional&9 a unei m&sur&ri individuale se definete prin relaiile ∆* ir =
∆* i
*
=
vi − * *
7
∆v ir =
∆v i
=
v
vi
−v
v
7
1.1$9
6rorile relative sunt e*primate prin numere f&r& dimensiune. Acestea pot estima precizia de m&surare, deoarece nglo(eaz& i informaia cu privire la valoarea m&rimii m&surate. c0 Mărimea de re2erinţă n funcie de care se deose(esc erorile reale fa& de erorile convenionale. Eroarea reală a unei m&sur&ri individuale9 este notat& ∆*i i e*prim& diferena dintre valoarea m&surat& vi i valoarea real& adev&rat&9 (:
∆*i J vi-*7
1.209
Eroarea convenţională a unei m&suri individuale9 este diferena
∆vi J vi-v7
1.219
unde v @ valoarea de referin& admis&97 vi @ valoarea m&surat&. Eroarea admisi%ilă sau tolerat&9 reprezint& valoarea limit& a erorii ce nu poate fi dep&it& n condiii corecte de utilizare a aparatului. Cunoscnd valoarea admisi(il& a(solut& ∆*ad, intervalul n care se afl& valoarea real& *9 a m&rimii de m&surat este determinat cu pro(a(ilitatea 1, conform relaiei *∈Uvi - ∆*ad , vi Y ∆*adV7 care poate fi e*primat i n formele 2
1.229
vi - ∆*ad ≤ * ≤ vi Y ∆*ad 7
1.239
sau * J vi ± ∆*ad 7
1.249
/n cazul traductoarelor, n general, se prev&d dispozitive pentru compensarea automat& a erorilor suplimentare, astfel nct precizia m&sur&rilor s& fie determinat& numai de eroarea intrinsec&, c"iar la variaii mari ale factorilor de mediu. /n final eroarea tolerat& de aparat, su( form& a(solut&, prin care se poate e*prima corect precizia m&sur&rii efectuate n condiii reale de funcionare, este dat& de relaia
∆*tot J ± ∆* ( ± ∆*s 7
1.29
unde
∆* ( @ este eroarea tolerat& intrinsec& de (az&9 determinat& n primul rnd de clasa de precizie 7 ∆*s @ este eroarea tolerat& suplimentar&, calculat& corespunz&tor intervalelor n care se afl& m&rimile de influen&. ?a traductoarele cu ieiri numerice, datorit& faptului c& adaptorul conine un convertor analog-numeric CAN9, apare o eroare inerent& de metod&, numit& eroare de cuantificare, egal& cu 1/2 din intervalul de cuantificare ∆*, adic& 1/2 din (itul cel mai puin semnificativ ?)+9.
a9 6roare de zero
(9 6roare de domeniu :ig. 1.11 2!
,&8 Caracteristici şi per2ormanţe 9n re'im dinamic
m
K = 0
M =0
∑ a K L 8 K 9 ( t ) = ∑ ( M * 8M 9 ( t )
1.2!9
unde * M 9 , L 8 K 9 sunt derivatele n raport cu timpul de ordinul M i K ale intr&rii *t9 i respectiv ieirii Lt97 a K i ( M @ sunt coeficieni de regul& invariani9. 6cuaia 1.2!9 caracterizeaz& complet regimul dinamic al traductorului dac& sunt prev&zute condiiile iniiale, valorile m&rimilor *t9, Lt9 i valorile derivatelor la momentul iniial t0. 'entru ca traductorul ca element fizic9 s& poat& fi realizat practic este necesar& condiia n W m, deci se impune ordinul ecuaiei difereniale. 'entru determinarea soluiei ecuaiei 1.2!9 se utilizeaz& te"nicile uzuale de rezolvare a ecuaiilor difereniale liniare cu coeficieni constani. up& rezolvarea ecuaiei difereniale 1.2!9 se o(ine soluia ecuaiei pentru condiii iniiale date i m&rimea de intrare cunoscut& su( forma unei anumite funcii de timp Lt9 J Ltl t9 Y Ltf t9 Y Lsf t9 1.2#9 Cei trei termeni ai soluiei 1.2#9 au semnificaiile - Ltl t9 → componenta tranzitorie li(er&, care nu depinde de intrare, dar depinde de dinamica traductorului, ct i de condiiile iniiale nenule de la ieire 7 - Ltf t9 → componenta tranzitorie forat&, care depinde att de dinamica traductorului ct i de intrare *9 7 - Lsf t9 → componenta forat& n regim sta(ilizat sau permanent9, n care, datorit& neliniarit&ii, se reg&sete forma de variaie a intr&rii. Traductorul ideal, din punct de vedere al comport&rii dinamice, ar fi acela la care s& e*iste numai ultima component& n 1.2#9, f&r& componente tranzitorii. Analiza comport&rii dinamice a traductoarelor utiliznd rezolv&ri ale ecuaiei 1.2!9 reprezint& operaii complicate dei posi(ile9. in acest motiv se utilizeaz& metode mai simple care s& asigure suficient& precizie, dar aprecieri i comparaii mai rapide referitor la performanele dinamice ale traductoarelor. Adoptnd ipotezele simplificatoare condiii iniiale nule, intr&ri *9 @ standard impuls sau treapt&9 se poate aplica transformarea direct& ?aplace ecuaiei difereniale i rezult& funcia de transfer a traductorului
2#
m
G( s ) =
Q( s ) A( s )
∑ ( s =
= 0 n
7
1.289
∑ a isi
i =0
:uncia de transfer permite f.d.t.9 determinarea r&spunsului traductorului9 n form& e*plicit& pentru orice tip de variaie a intr&rii *9. e asemenea, funcia de transfer permite o corelare ntre analiza teoretic& a regimului dinamic i determin&rile e*perimentale. Analiza performanelor n regim dinamic pentru traductoare9 utiliznd Gs9 se poate face astfel 19 /n domeniul timpului @ utiliznd funcia indicial& r&spuns la treapt&9 sau funcia pondere r&spunsul la impuls97 29 /n domeniul frecvenei, pe (aza r&spunsului permanent armonic la variaia sinusoidal& a intr&rii *9. Analiza n regim dinamic este similar& cu cea de la circuitele electronice sau din teoria )
:ig.1.12 :uncia indicial& a unui traductor analogic ec"ivalent cu un element de ordinul >> oscilant - amortizat9. 'rincipalii indicatori de regim dinamic pentru traductoarele analogice sunt a9 ε% @ a(aterea dinamic& ma*im& influenat& de factorul de amortizare al traductorului97 (9 )uprareglarea supracreterea9 definit& prin relaia σ
[ B]
ε =
%
Ls
⋅
100
1.2$9
c9 A(aterea eroarea9 dinamic& curent& definit& prin relaia 28
ε J Lt9-Ls 7
1.309
d9 Timpul tranzitoriu timp de r&spuns9 tt @ definit ca la disciplina de +.).A. Criteriul de delimitare a timpului tranzitoriu tt9 este sta(ilit prin relaia ε - t 9 ≤ +s , pentru
∀
t ≥ tt
1.319
,& Indicatori de re'im dinamic pentru traductoare numerice
/n cazul traductoarelor numerice care opereaz& cu m&rimi eantionate, caracteristicile dinamice sunt descrise cu autorul ecuaiilor cu diferene finite, sau al funciilor de transfer, utiliznd varia(ila comple*& z = esT , unde T este perioada de eantionare. 'entru traductoarele numerice, care au conectate la ieire CAN convertori analog numerici9, indicatorii tipici specificai sunt timpul de conversie sau uneori9 rata de conversie care reprezint& num&rul de conversii posi(ile n unitatea de timp. /nsumnd timpul de conversie al CAN cu timpul tranzitoriu t t9 al p&rii analogice se o(ine timpul de sta(ilizare al m&rimii la ieirea traductorului numeric. ,&; Caracteristici ener'etice
=rice operaie de m&surare implic& un consum energetic. 'uterea, prin integrarea c&reia rezult& energia consumat& poate fi preluat& total sau parial de la m&rimile de m&surat. 6*ist& m&rimi active, care au asociat& o putere suficient& pentru ca, prin intermediul unor 6) adecvate, s& asigure conversia direct& ntr-un semnal electric. Cnd m&rimile de m&surat sunt pasive este o(ligatoriu necesar&, pentru conversia lor n semnal electric, o surs& de energie au*iliar&. 'entru a nu afecta rezultatul m&sur&torii este necesar ca puterea preluat& de la m&rimile de m&surat s& fie ct mai mic&. /n practica utiliz&rii traductoarelor se pune pro(lema adapt&rii impedanei aparatului de m&sur& Z m9 sau a traductorului Z tr 9, n raport cu impedana sursei Z s , astfel nct consumul energetic i erorile de m&surare s& se menin& n limitele admise. Acest procedeu se numete adaptare de amplitudine sau nivel i se realizeaz& prin utilizarea unor amplificatoare. /n acest fel pe lng& adaptarea de nivel se realizeaz& i o adaptare n putere. Consumurile de putere pot avea valori de la 10 −3 [ pn& la 10 2 [, valorile fiind specificate pentru fiecare traductor. 'entru caracterizarea puterii solicitate de la m&surand, fiec&rui traductor i se precizeaz& n catalog sau pe placa indicatoare impedana de intrare pentru aparatul receptor, tipul sursei 2$
au*iliare c.c. sau c.a.9, valoarea parametrilor tensiune, curent9 i limitele admisi(ile de variaie ale acestor parametri.
,&< Caracteristici constructive
Calitatea efectiv& a unui traductor este determinat&, att de concepia care d& principiul de funcionare, ct i de modul n care este realizat constructiv acesta. Condiiile efective de funcionare oferite de industrie pot impune cerine constructive diferite, c"iar dac& m&surandul i intervalul de variaie al acestuia sunt aceleai. Caracteristicile constructive determin& modul n care un traductor i p&streaz& caracteristicile funcionale su( aciunea m&rimilor de influen& care se e*ercit& n cazul diverselor aplicaii. /n cele ce urmeaz& se prezint& cteva din caracteristicile constructive ale traductoarelor ,&<&, !o%usteţea
Aceast& noiune definete proprietatea unui traductor de a suporta valori ale m&rimii de m&surat care dep&esc limita superioar& a domeniului - f&r& ca prin aceasta s& rezulte modific&ri ale performanelor funcionale liniaritate, precizie, sensi(ilitate9 sau deterior&ri constructive. Capacitatea de supranc&rcare se e*prim& prin raportul ntre valoarea ma*im& nedistructi(il& i limita superioar& a domeniului. 'rin valoare nedistructi(il& se nelege valoarea m&surandului peste limita superioar& a domeniului care dup& ce i nceteaz& aciunea, permite revenirea traductorului la caracteristicile iniiale. Capacitaii de supranc&rcare i se asociaz& un timp de e*ercitare timp scurt cnd solicitarea este numit& oc97 timp ndelungat pentru suprasarcin&9 . ,&<& Protecţia climatică
Acest tip de protecie reprezint& ansam(lul de m&suri care se iau n cadrul calculelor de dimensionare i alegere a materialelor, pieselor i componentelor, n proiectarea formei i detaliilor constructive n special ale carcasei9, n sta(ilirea acoperirii suprafeelor i a te"nologiei de e*ecuie, pentru a se asigura c& aciunea comple*& a factorilor climatici pe o anumit& durat& s& nu influeneze nefavora(il propriet&ile funcionale sau aspectul traductorului n condiiile reale de utilizare. Conform )TA) !3-83 i recomand&rilor C6> Comitetului 6lectrote"nic >nternaional9 tipurile de protecie climatic& sunt N → protecie pentru climat temperat7 30
: → protecie pentru climat rece7 TG → protecie pentru climat tropical umed7 TA → protecie pentru climat tropical uscat7 6: → protecie pentru climat foarte rece7 % → protecie pentru climat temperat marin rece7 %T → protecie pentru climat tropical marin. )im(olurile au semnificaiile T→ tropicus7 A→ aridus7 G→ "umidus7 : → frigidus. :iecare tip de protecie climatic& cuprinde mai multe categorii Cate'oria ,: pentru aparate inclusiv traductoare9 utilizate n aer li(er7 Cate'oria 8: aparate utilizate n spaii e*terioare acoperite f&r& ocuri vi(raii, radiaii solare, precipitaii97 Cate'oria : pentru aparate ce funcioneaz& n spaii nc"ise i care nu au modific&ri rapide de temperatur&, f&r& praf, ocuri, precipitaii sau radiaii solare. Cate'oria ;: pentru aparate traductoare9 ce funcioneaz& n spaii nc"ise avnd condiii climatice reglate artificial. Falorile standard ale solicit&rilor factorilor climatici sunt date n ta(elul T @ 1.1. Ta(elul 1.1 )im(olul zonei macroclimatice Caracteristicile factorilor climatici %edia temperaturii minime anuale %edia temperaturii ma*ime anuale Temperaturi ma*ime a(solute Temperaturi minime a(solute 5miditate relativ&
N
:
TG
TA
%
%T
-33oC
-!0oC
Y1oC
-10oC
-30oC
Y1oC
Y40oC
Y40oC
Y4oC
Y0oC
Y40oC
Y4oC
Y4oC
Y4oC
Y0oC
YoC
Y4oC
-0oC
-!oC
-10oC
-20oC
-40oC
X80B
X80B
W80B
X!0B
X80B
Umiditatea reprezint& cantitatea de ap& coninut& n unitatea de mas& sau de volum a unui
corp gazos sau solid. Aceast& definiie general& aplica(il& n spe& la lic"ide i solide cap&t& forme mai precise n cazul umidit&ii gazelor. Cantitatea ue vapori de ap& dintr-un amestec gazos se caracterizeaz& prin umiditatea relativă si absolută a acestui amestec. 31
reprezint& cantitatea masa9 vapWrilor de ap& coninut& ntr-un metru cu( de amestec gazos gDm 9. Umiditatea relativă reprezint& raportul dintre cantitatea vaporilor de ap& coninut& ntr-un metru cu( de gaz si cantitatea ma*im& posi(il& saturaie9 a vaporilor de ap& dintr-un metru cu( de gaz la aceeai temperatur&. Punct de rouă. n procesul de m&surare a umidit&ii se folosete uneori o m&rime specific& numit& punct de rouă care reprezint& temperatura la care vaporii de ap& dintr-un gaz aung la saturaie. 5nitatea de m&sur& a umidit&ii a(solute este gramul pe metru cu( gDm 39, iar umiditatea relativ& se e*prim& n procente \Do9 ] adimensio-nal&. Aparatul pentru m&surarea umidit&ii poart& denumirea general& de umidometru& 'entru a m&sura umiditatea gazelor se aplic& metode prin care se realizeaz& o dependen& ntre diverse m&rimi fizice i umiditate. Metoda 'ravimetrică se (azeaz& pe determinarea prin cnt&rire a cantit&ii de ap& a(sor(it& de o su(stan& c"imic& dintr-o cantitate anumit& de gaz analizat. :&cnd raportul dintre cantitatea de ap& e*tras& si volumul de gaz ve"iculat cnt&rind su(stana nainte si dup& parcurgerea pro(ei de gaz9 se o(ine valoarea umidit&ii a(solute. Metoda )i'rometrică se (azeaz& pe modificarea direct& sau indirecta a propriet&ilor fizice ale unor su(stane n funcie de umiditatea unui gaz de m&surat. = Metoda punctului de rouă permite determinarea gradului de umiditate prin m&surarea temperaturii de condensare saturaie9 a vaporilor de ap& dintr-un gaz (punct de rouă). Metoda psi)rometrică se (azeaz& pe sesizarea cantit&ii de c&ldura necesar& procesului de evaporare a apei coninute ntr-un volum de gaz. %&surarea umidit&ii unui gaz cu autorul psi"ometrului se reduce, de fapt, la determinarea diferenei de temperatur& dintre dou& termometre cu termorezistene un termometru m&surnd temperatura gazului uscat, iar al doilea pe cea a gazului umed. Umiditatea absolută 3
•
T!DUCT"! PSI3!"MET!IC
5miditatea relativ& u a unui gaz depinde de diferena psi"rometric& t us-ium ) dup& relaia
/n care 'um este presiunea vaporilor saturai din mediul de ncercat la temperatura t um a termometrului umed7 '5) ] presiunea vaporilor saturai din medial de ncercat, la temperatura t us a termometrului uscat7. ' ] presiunea (arometric& e*terioar&97 ^ ] constanta psi"rometric& Traductorul psi"rometric fig. .449 cuprinde dou& termorezistene T u s _i T um avind rezistenele Rus si respectiv Rum ) i constituie mpreun& cu rezistenele Rl R!. R" respectiv R# R$ R% (raele a dou& puni de m&surare '1 si P !.. Am(ele puni snt alimentate de la aceeai surs& de tensiune continu& e. 0 aplicat amplificatorului A. Astfel, motorul & de curent continuu cu e*citaie separat& alimentat prin amplificatorul ' deplaseaz& cursorul ^ al reostatului R & si nu oprete dect atunci cnd > 0 se anuleaz&. Tensiunea U ab din diagonala punii '1 depinde de valoarea < 5) a termorezistenei T u s care este la rndul s&u o funcie de temperatur& t u s conform caracteristicii statice a traductorului
32
< usJftus97 similar, tensiunea U cd este o funcie de t um. )e o(serv& c& am(ele puni funcioneaz& n regim dezec"ili(rat. Faloarea curentului de dezec"ili(ru >0 ce alimenteaz& amplificatorul ' deci motorul9 reflect& diferena de dezec"ili(ru a celor dou& puni
>0J
Ua( − U o ,
Ra
.09
n care < A este rezistena de intrare a amplificatorului ' U a * un procent din tensiunea U ab dat de raportul rezistenelor determinate de cursorul + Ua( Uab
−
Ra( Rab
< aK este rezistena ntre (ornele a si Rab,R &.
Ca urmare, cnd umiditatea este zero gazul este uscat9, rezult& Rum ,Rus deci U ca,U ab si pentru ca s& avem >0J 0 relaia .09 este necesar ca U a ,Uab adic& cursorul + este deplasat de motorul % la cap&tul (, indicnd pe scara gradat& ) valoarea u\DoJ 0, caz n care i motorul se oprete. 'entru alt& valoare a umidit&ii Rvm se modific& i curentul de diferen& > 0, iar motorul acioneaz& cursorul + pn& ce sistemul se ec"ili(reaz& > 0J09, indicnd valoarea respectiv& a umidit&ii.
33
34
= Traductorul de umiditate tip 522 , a c&rui vedere de ansam(lu este reprezentat& n figura .4,a, permite prin conectarea la aparatul nregistrator serie %"$ m&surarea si controlul continuu
ale umidit&ii. Aparatul respectiv fig. .4, (9 este compus dintr-un corp n care snt montate dou& termorezistene, una umed&, iar cealalt& uscat& fig. .449, un (azin pentru umezirea termorezistenei umede si un ventilator pentru circulaia forat& a gazului analizat. Aparatul poate fi prev&zut i cu un rezervor suplimentar de alimentare cu ap& care comunic& cu (azinul traductorului prin dou& conducte de cauciuc.
3
T!DUCT"! UMID"MET!IC !E>ISTI+ eterminarea umidit&ii se face prin determinarea rezistivit&ii conductivit&ii9 unui volum (ine definit din corpul respectiv, n acest scop, se folosesc incinte speciale de dimen siuni sta(ilite, numite celule de măsurare. Ca e*emplu, n figura .4! este ar&tat& o seciune printr-o celul& de m&surare pentru corpuri solide pulverulente praf sau granule9. Corpul %* este introdus n celula realizat& su( form& de vas V fiind presat prin nuru(area capacului C. %&surarea se efectueaz& ntre electrodul legat la discul care este plasat pe suportul izolant >, electrod care este scos prin tu(ul izolant T i electrodul 2 legat la masa metalic& a celulei. Faloarea rezistenei R x care este o funcie de umiditate 5T a corpului & x se determin& prin metodele cunoscute de m&surare a rezistenelor, de e*emplu prin ] metoda voltmetrului i ampermetrului7 ] metoda punii ["eatstone7 ] folosirea adaptorului T /$0 cu un (loc de gam& corespunz&tor7 ] folosirea unui aparat nregistrator ] nregistrator din seria punilor automate.
T!DUCT"! UMID"MET!IC CPCITI+
)imilar cu metoda precedent&, determinarea umidit&ii se face do data aceasta prin determinarea unui alt parametru electric si anume capacitatea electric& a unei celule de m&surare capacitive al c&rei dielectric este corpul de m&surat. up& cum se tie, valoarea unei capacit&i C cu arm&turi plan-paralele de suprafa& ), distan& ntre pl&ci d i avnd ca dielectric un corp de permitivitate dielectric& relativ& 1r este dat& de relaia CJ
ε r ε 0
d
S .
.19
'ermitivitatea dielectric& relativ& sr a maorit&ii su(stanelor este cuprins& ntre 2 i 10, pe cnd aceea a apei este de 80. 6ste deci normal ca adaosuri mici de ap& s& influeneze sensi(il constanta dielectric& 1rm a amestecului, deci e*ist& posi(ilitatea m&sur&rii umidit&ii um m&surnd perrnitivitatea Sm respectiv valoarea capacit&ii C m a unei celule de m&surare 3!
.29
um,2(1 rm ),2(C m ).
Celula de m&surare este similar& cu aceea indicat& n figura .4!, de data aceasta m&surnduse ns& nu rezistena, ci capacitatea ntre cei doi electrozi. Ca e*emplu, n figura .4# se reprezint& sc"ema principal& a unui umi-dometru capacitiv numit decametru. 6l este format dintr-un oscilator cu un tranzistor T cuplat inductiv cu un circuit rezonant format din inductana b i capacit&ile C x i C m legate n paralel C*YC`JC0.
.39
5n al doilea circuit rezonant RC R este reglat pentru o frecven& de rezonan& fi*& 2 R de e*emplu
f
1 2π
. RC R
J 1.8 %Gz,
.49
circuit a c&rui tensiune este indicat& de voltmetrul electronic ( conectat eventual n paralel cu un tu( luminescent , de e*emplu lampa cu neon9. Capacitatea Cm reprezint& celula capacitiv& de m&surare, iar capacitatea C x este dat& de un condensator varia(il avnd un (uton cu indicator i scar& gradat&. >niial celula fiind goal& se acordeaz& oscilatorului tranzistorizat prin modificarea lui C, pn& ce oscileaz& pe frecvena de rezonan& <. Circuitul receptor C intr& n rezonan&, deci tensiunea U indicat& de voltmetrul are valoarea ma*im& eventual lampa cu neon se aprinde9. R
R
R
)e introduce corpul de analizat n celula de m&surare C m si deci capacitatea ei crete cu o valoare bC datorit& modific&rii permitivit&ii dielectrice f . Ca urmare, oscilatorul i modific& frecvena de oscilaie, ceea ce are ca efect dezacordarea circuitului receptor ? < , C< 97 lampa se stinge, iar voltmetral indic& o tensiune redus&. 'rin manevrarea condensatorului C x n sensul reducerii capacit&ii acastuia, capacitatea ansam(lului C x3C m este readus& la valoarea anterioar& corespunz&toare frecvenei de rezonan& f < . Circuitul receptor reintr& n rezonan& concretizat& prin indicaia ma*im& a voltmetrului aprinderea l&mpii 9. 'entru o su(stan& (ine definit&, scara indicatoare a condensatorului poate fi etalonat& direct n valori ale umidit&ii.
3#
38
•
Măsurarea conţinutului de umiditate al 'azelor
Aparatul 'eutron se (azeaz& pe principiul m&sur&rii coninutului de umiditate prin determinarea punctului de rou& din temperatura de ec"ili(ru a materialelor "igroscopice. eterminarea punctului de rou& se realizeaz& prin m&sur&ri de temperatur& cu autorul a dou& termometre. 'rincipiul se (azeaz& pe faptul c& la aceeai temperatur& presiunea vaporilor de ap& ntr-o soluie de sare cristalizat& este mai redus& dect presiunea de saturaie a vaporilor de ap&. /n figura 8.1 sunt redate n mod comparativ presiunea vaporilor de ap& a unei soluii de clorur& de litiu cristalizat& i presiunea de saturaie a vaporilor n funcie de temperatur&. Atta timp ct presiunea parial& a vaporilor din aer este mai mare dect presiunea parial& a vaporilor din soluia de clorur& de litiu, aceasta va a(sor(i umiditatea din atmosfer&. Crescnd temperatura soluiei de clorur& de litiu, aceasta nu mai preia ap& din atmosfer&, sta(ilindu-se un ec"ili(ru ntre am(ele presiuni pariale ale vaporilor. in graficul prezentat n figura 8.1 se determin& temperatura de rou& corespunz&toare temperaturii de ec"ili(ru. Traductorul de umiditate este prezentat n figura 8.2 avnd urm&toarele repere 1-nf&urarea de nc&lzire7 2-vat& de sticl& impregnat&7 3-tu( de sticl&7 4termometru7 -termorezisten&. Cnd sesizorul i aerul nconur&tor au aceeai temperatur&, clorura de litiu a(soar(e ap& din aer. ac& termorezistenei i se aplic& o tensiune alternativ&, un curent electric trece prin soluia de clorur& de litiu, nc&lzind-o conform legii Houle - ?enz. 'rin creterea temperaturii crete presiunea parial& a vaporilor din soluie pn& la ec"ili(ru. Cu autorul termometrului se m&soar& temperatura stratului de ?iCl, iar din cur(a presiunii pariale a vaporilor din soluie se deduce presiunea parial& a vaporilor p v9.
:igura 8.1. 'resiunea parial& a vaporilor de ap& a unei soluii saturate de ?iCl.
3$
:igura 8.2. )esizorul traductorului de umiditate cu clorur& de litiu Cu cel de-al doilea termometru se m&soar& temperatura aerului nconur&tor, ceea ce permite aflarea presiunii de saturaie corespunz&toare acestei temperaturi p v sat9. ?imita erorilor este de 1B i 2B umiditate relativ& la temperatura mediului de 10o C, respectiv 40o C.
CP 8& P!"IECT!E $ #I+E$ DE SC3EM ?$"C U#UI SISTEM DE MSU!!E SI C"#T!"$ UMIDITTII
Condensat or
Amplificator operational LF 35
!raductor re"isti# de umiditate $%H&'($
$en"or de umiditate
&
$ursa de alimentare
)c"ema (loc a unui traductor de umiditate . Senzorul de umidiate are rolul de a m&sura umiditatea n funcție de temperatur&.Acest
senzor este proiectat pentru m&surarea umidit&ții relative.Are o mare sensi(ilitate și liniaritate. 40
Traductorul rezistiv de umiditate )QG-2<) are o rezistent& ce variaz& cu umiditatea din
atmosfer&.
mpli2icatorul operațional ?: 3! m&soar& tensiunea rezisten ței traductorului rezistiv
)QG-2<), dac& este modificat& cu
ac& folosim amplificatorul operațional ?% 308 se lipește condensatorul de 100 p:.Amplificatorul operațional ?: 3! nu necesit& condensatorul de 100 p:. Caracteristicile electrice
1. Tensiune nominal& %A. AC Fpp recomandat 1F<%)9 2. 'utere nominal& 0.2!m[ la 1F<%)9 3. )tandardul caracteristic 33㏀ la 2;, !0B
Fia%ilitate
N< 1. 2. 3.
4.
.
6lement de testare
Test condiie
Temperatura inalta de stocare
- temperatura 8℃ Test de timp timp de recuperare 1000 ore 1 2 ore Temperatura oasa de - temperatura-timp de testare stocare 30℃ 1000 ore Timp de recuperare 1 2 ore Temperatura - temperatura 40℃, umiditate ridicataDumiditate ridicata de $B
Criteriul de testare X B
X B
X B
!.
#.
•
- (enzen 30t.BYLlene 40t. B Y 30t.B toluen. Temperatura 2℃, timp de testare 300 de ore de timp de recuperare 1 2 ore - impresiona 1F<%), timp de testare 1KGz Tensiune rezistenta 3.000 de ore. Timpul de recuperare 1 2 ore CI!CUITE DE ?> /E(emplu0
Fin J
42
X B
X B
Seria standard dimensiune S@3-8!&
43
)enzor de umiditate
44
Carateristica standard&
Caracteristica de temperatura&
4
Caracteristica de 2recventa&
Senzori si traductoare pentru temparatura
%asurarea temperaturii se (azeaza pe diferite efecte fizice determinate de variatia de temperatura.Cele mai importante dintre acestea sunt - ilatarea solidelor , lic"idelor sau a gazelor 7 -
Fariatia rezistentei electrice 7
-
Tensiunea electromotoare la onctiunea a doua metale 7
-
>ntensitatea radiatiilor emise 7
-
Fariatia frecventei de rezonanta a unui cristal, etc .
>ntervalul de temperatura in univers se intinde de la apro*imativ 3 ^ in spatiul interplanetar pana la miliarde de ^ in procesele de fuziune nucleara din interiorul unor stele. >ntervalul practic de temperaturi pe 'amant poate fi considerat intre 0OO.20 000 ^, in general, sau 0O.000 ^ in maoritatea aplicatiilor stiintifice, industriale etc. Aceasta este o gama inca e*trem de larga, care nu poate fi acoperita de nici unul din tipurile cunoscute de traductoare de temperatura, e aceea, una din restrictiile care se impun la utilizarea traductoarelor de temperatura este intervalul util sau gama de temperaturi in care acesta poate functiona.Alti parametri functionali sunt e*actitatea de masurare, dimensiunile, sensi(ilitatea, sta(ilitatea, timpul de raspuns al traductorului. = caracteristica importanta in multe cazuri este intersc"im(a(ilitatea unele traductoare ca de e*emplu, termocuplurile, termorezistoarele 4!
metalice9 sunt intersc"im(a(ile, pe cand altele de e*emplu, termistoarele9 nu sunt in general intersc"im(a(ile. Cele mai o(isnuite miloace de masurare a temperaturii sunt - Termometre cu lic"id 7 -
Termometre (imetalice 7
-
Termometre mamometrice 7
-
Termocupluri 7
-
Termorezistoare metalice 7
-
Termistoare 7
-
Termometru cu onctiune pn 7
-
Termometre cu cuart 7
-
'irometre cu radiati 7
-
Termometre cu termorezistente 7
'rimele trei dintre acestea sunt traductoare primare de masurat a temperaturii, restul necesita dispozitive electronice pentru masurare.
Caracteristica temperatura- tensiune pentru termocuplu.
4#
Structura 'enerala a sistemelor de masurat cu senzori cu 2i%re optice
)istemele de masurat cu fi(re oprice au doua sectiuni - sectiunea optica7 -
sectiunea electronica.
)tructura unui sistem de masurat cu fi(ra optica. >n sectiunea optica, suportul energetic al informatiei manipulate este radiatia optica radiatia electromagnetica din spectrul vizi(il, inflarosu si uneori ultraviolet9. 1.:i(rele optice constituie canalul de transmitere a informatiei sau a energiei luminoase in sistem, iar in cazul senzorilor intrinseci, ele pot constitui si elementul sensi(il prin intermediul caruia marimea necunoscuta poate fi masurata aceasta moduleaza unul dintre parametrii luminii g"idate prin intermediul fi(rei active9. 2.Conectorii optici asigura cuplarea eficienta si sta(ila aradiatiei de la sursa optica la fi(ra, de la fi(ra la fotodetector si intre fi(re sai intre fi(re si alte componente optice9. 3.6lemente de prelucrare a radiatiei optice sunt dispozitive necesare pentru madificarea caracteristicilor fasciclelor luminose din diferite zone a sectiuni optice. Cele mai uzuale prelucrari sunt I focalizarea, colimarea, e*pandarea sau refle*ia fasciculului optic 7 48
Idivizarea sau compunerea unor fascicule 7 Ipolarizarea sau analiza luminii polarizate 7 Ifiltrarea radiatiei optice 7 4.=ptrodul. >n cazul sistemelor de masurare, elementul specific este senzorul optrodul9, la nivelul caruia fasciculul optic incident este modulat de semnalul de masurat m9. )ectiunea electronica asigura integrarea sistemelor cu fi(re optice in sistemele electrice si electronice conventionale. 1. +loc electric de comanda a sursei optice -
)ursa optica in marea maoritate a aplicatiilor sursa optica este o dioda superluminiscenta sau dioda laser 7
-
Circuite de alimentare electrica .
2. +locul electronic de receptie, are o structura asemanatoare atat pentru sistemele de masurat, cat si pentru cele de comunicati. CP & P!"IECT!E $ #I+E$ DE SC3EM E$ECT!IC SISTEMU$UI DE MSU! SI C"#T!"$ UMIDITTII
%&surarea umidit&ții se realizeaz& cu montaul din figur&.Ca traductor de umiditate se folosește un traductor rezistiv )QG-2<) a c&rui rezistenț& variaz& cu umiditatea din atmosfer&.Conform datelor de catalog ,rezistența variaz& ntre 1,! ^ pentru umiditate relativ& de $B și % pentru umiditate relativ& de 20B.ac& modific&m cu
Rt4 h Va lim Rv1 + Rt4 + R3
.
Aceast& tensiune este m&surat& cu autorul amplificatorului operațional 51?%308 și ?:3!9.Acesta este cu configurație diferențial&. 'rintr-o mperec"ere a rezistoarelor se o(ține o funcționare accepta(il&. <1J<2J<4J<J$1^D1B
ac& se folosește ?%308 se lipește condensatorul de 100p:.Am folosit ?:3! care nu necesit& condensatorul de 100p:.
4$
)c"ema electrica
Conform ane*ei nr.1
0
CP ;& P!E>E#T!E DTE$"! EAPE!IME#T$E
%&surarea umidit&ții se realizeaz& cu montaul din figur&.Ca traductor de umiditate se folosește un traductor rezistiv )QG-2<) a c&rui rezistenț& variaz& cu umiditatea din atmosfer&.Conform datelor de catalog ,rezistența variaz& ntre 1,! ^ pentru umiditate relativ& de $B și % pentru umiditate relativ& de 20B.ac& modific&m cu
Rt4 h Va lim Rv1 + Rt4 + R3
.
Aceast& tensiune este m&surat& cu autorul amplificatorului operațional 51?%308 și ?:3!9.Acesta este cu configurație diferențial&.
'rintr-o mperec"ere a rezistoarelor se o(ține o funcționare accepta(il&. <1J<2J<4J<J$1^D1B
1
Am alimentat-o la Fcc cu semiregla(ilul n poziția de pe plac& și am o(ținut variații ale tensiunii de ieșire n funcție de umiditate. Aceasta am realizat-o tamponnd traductorul cu o "rtie umed& am o(ținut o variație a tensiunii.
Marimi masurate
18.j C @ uscat 14.j C @ umed 5miditate J !B < uscatJ 10#.3 k < umedJ 10!.3 k 10#.3−103.$! 10 + 10# h10 = 18.4°C .$1−103.$!
10 +
10!.3 −103.$! 10#.$1−103.$!
h 10 = 1!.°C
5miditate J 82B 2
Senzori rezistivi de umiditate utilizai pentru m&surarea umidit&ii relative
Constructiv constau dintr-un suport ceramic prev&zut cu electrozi metalici intercalai i placai cu un strat de polimer "igroscopic. >n condiii de e*citare cu un semnal alternativ simetric de nivel redus tipic 1Fac9, impedana senzorului variaz& dup& o lege invers logaritmic& cu umiditatea relativ& , avand o e*cursie mare a valorilor de la peste 10% la o umiditate de 10B
Caracteristici de ieireimpedana funcie de umiditate9.
3
)tructura amplificatorul diferential. Amplificatorul diferential, prin caracteristicile sale, poate masura precum si amplifica semnalele de variatie redusa peste care sunt suprapuse zgomote.
5tilizarea amplificatorului diferential in mod diferential. >n mod diferential, pe cele 2 intrari ale circuitului se aplica tensiunile de intrare vi, si vi8 ,iar rezultatul prelucrarii acestor tensiuni este furnizat la iesire su( forma tensiunii de iesire vo. iferenta dintre cele 2 tensiuni de intrare vi,-vi8 se noteaza cu viD si se numeste tensiune de intrare di2erentiala5 iar raportul dintre tensiunea de iesire vo si tensiunea de intrare diferentiala viD se numeste 2actor de ampli2icare in tensiune di2erential si se noteaza cu +D
>n urma calculelor tinand cont de faptul ca ! AB! si ! @B! F, rezulta ca tensiunea de iesire vo se poate calcula in functie de tensiunile de intrarevi, si vi8, cu relatia de mai os
4
7 . 2
in relatia de mai sus, se constata ca factorul de amplificare in tensiune diferential este
7 . 3
iar circuitul genereaza la iesire o tensiune direct proportionala cu tensiunea de intrare diferentiala. >n continuare, se prezinta modul in care se poate determina relatia de mai sus.
,. se determina curentii prin rezistentele circuitului mai intai se noteaza cu i, curentul prin ! si cu i8 curentul prin ! A7 apoi, se tine cont de faptul ca i- si i sunt egali cu zero, fiind curenti de intrare
in A=7 rezulta pe (aza T^1 aplicate in nodul la care este conectata intrarea inversoare, respectiv neinversoare a A=-ului ca prin ! Fcurentul este tot i,, respectiv prin ! @ curentul este tot i8 8. deoarece A=-ul are reactie negativa prin ! F9, tensiunile de intrare de la cele 2 intrari ale
amplificatorului sunt egale 7 . 4
unde vi- este tensiunea din nodul la care este conectata intrarea inversoare a A=-ului, pana la masa, iar vi este tensiunea din nodul la care este conectata intrarea neinversoare a A=-ului, pana la masa. . aplicand legea lui ="m pe toate rezistentele rezulta
CP <& C"#C$U>II
/n concluzie, realizarea unui sistem de m&surare si control a umiditatii este o soluție ieftin&, accesi(il& și n același timp indicat& pentru realizarea m&sur&torilor care nu necesit& un domeniu de umiditate foarte ridicat, din punct de vedere al umidit&ții, sistemul avnd domeniul de m&surare complet. /n ceea ce privește umiditate, sistemul de m&surare, a ar&tat o precizie ridicat&, comparativ cu cea a aparatului de m&sur& etalon, am(ele sisteme de m&surare utiliznd același tip de senzor capacitiv. >n ceea ce privește m&surarea umidit&ții, este c& domeniul de m&surare al sistemului este mai larg dect ce al aparatului etalon 0 100 B
)c"ema ca(la
)c"ema gauri
!
Amplasare piese
#
