Traductoare utilizate in automatizari
1
CUPRINS:
Argument..................................................................pag 1 Capitolul 1. Notiuni Notiuni generale........………................pag generale........………................pag 2 – 3 Capitolul 2. Caracteristici Caracteristici generale..................... generale...........................pag ......pag 3 – 23 Capitolul 3. Clasificarea Clasificarea traductoarelor....................pag traductoarelor....................pag 24 – 25 Capitolul 4. Tipuri de traductoare.......................... traductoare.............................pag ...pag 25 – 35 Bibliografie.................................................................pag 36
2
CUPRINS:
Argument..................................................................pag 1 Capitolul 1. Notiuni Notiuni generale........………................pag generale........………................pag 2 – 3 Capitolul 2. Caracteristici Caracteristici generale..................... generale...........................pag ......pag 3 – 23 Capitolul 3. Clasificarea Clasificarea traductoarelor....................pag traductoarelor....................pag 24 – 25 Capitolul 4. Tipuri de traductoare.......................... traductoare.............................pag ...pag 25 – 35 Bibliografie.................................................................pag 36
2
Argument
Electronica si automatizari – cuvinte cu rezonanta vasta in lume joaca un rol de frunte si ca ramura industriala se situeaza prioritar in domeniile de varf ale dezvoltarii, intrunind sufragii unanime privind investitiile materiale si pregatirea profesionala. In viata de zi cu zi fiecare persoana utilizeaza aparatura audiovideo, aparate electrocasnice si multe alte tipuri de aparate fara de care viata fiecaruia fiecaruia dintre noi nu nu ar mai avea farmec. farmec. Fiecare dintre aceste produse prezinta in componenta lor elemente de circuit electronice cu un grad de dificultate mai mic sau mai mare. Electronica si automatizari este un domeniu in crestere contino, crestere in tara noastra mai ales in industria constructoare de masini, de exmplu calculatoarele de bord sau roboti industriali sint doua argumente foarte bune pentru care merita sa fi electronist si bine inteles sunt multe altele dar nu necesita sa fie enumerate pentru ca sunt foarte cunoscute si mai ales oameni care sunt specializati in acest domeniu, meseria de electronist necesita multa rabdare si mult devotament si asta pentru ca mereu iese ceva nou, inovator, piesele vechi sunt devansate de tehnologie in fiecare an iar noi electronisti de meserie o sa ajungem sa facem doar munca de supraveghere daca nu de pe acum se intampla asa, o sa ajunga si tara noastra la aceasta tehnologie dar in cativa ani, oricum in viitorul apropriat, pentru ca tara noastra este un teren necultivat in mediul afacerilor.
3
Traductoare 1. NOTIUNI GENERALE In scopul masurarii marimilor fizice ce intervin intr-un proces tehnologic, este necesara de obicei convertirea („traducerea”) acestora in marimi de alta natura fizica care pot fi introduse cu usurinta intr-un circuit de automatizare (de exemplu, o temperatura poate sa influenteze un circuit de automatizare numai daca este convertita (tradusa) intr-o tensiune electrica proportionala sau dependenta de temperatura respectiva) Elementul care permite convertirea („traducerea”) undei marimi fizzice (de obicei neelectrica) intr-o alta marime fizica (de obicei electrica) dependenta de prima, in scopul introducerii acesteia intr-un circuit de automatizare se numeste traductor . Se numeste traductor acel element al SRA care realizeaza convertirea unei marimi fizice -- de obicei neelectrica -- in marime de alta natura fizica -- de obicei electrica -- proportionala cu prima sau dependenta de aceasta, in scopul utilizarii intr-un sistem de automatizare. In structura traductoarelor se intalnes, in general, o serie de subelemente consecutive, ca de exemplu: convertoare, elemente senibile, adaptoare etc. Dupa cum v-a reiesi din exemplele urmatoare, structura generala a traductoarelor este foarte diferita de la un tip de traductor la altul, cuprizand unul, doua, sau mai multe convertoare conectate in serie. In majoritatea majoritatea cazurilor, structura generala a unui traductor este urmatoarea:
Marimea de la intrarea i (eprezentand valori de temperatura, presiune, forta, turatie,nivel etc.) este convertita („tradusa”) de catre elementul sensibil ES intr-o marime indermediara l (de exemplu o deplasare liniara, o rotatie etc.) care se 4
aplica adaptorului AD (convertorul de iesire). Aceasta transforma marimea l in marime de iesire y, de obicei de natura electrica (tensiune, curent, rezistenta, idunctanta etc.), ce poate fi observata sau prelucrata mai usor in circuitul de reglare. Convertoru (adaptorul) de iesire are totodata rolul de a realiza si o adaptare cu celelalte elemente din cadrul SRA. In cazul particular al SRA unificate (sisteme cu semnal standard, atat ca natura, cat si ca nivel) –de exemplu, sistemul unificat E-IEA cu componente electronice discrete de tip serie sau sistemul SRA cu circuite integrate, fabricate in tara – adaptoarele au rolul de a converti o marime de iesire oarecare intr-un semnal unificat (de exemplu semnalul de curent unificat: 2-10 mA c.c. sau respectiv, 4-20 mA c.c., sau pentru reglarile fluidice ce-l de presiune unificata: 0,2-1 daN/cm’). De obicei adaptorul cuprinde si sursa de energie SE necesara pentru convertire marimii indermediare l in marimea dorita la iesire y. (fig. 1)
2. CARACTERISTICI GENERALE
Caracteristicile funcţionale ale traductoarelor reflectă (în esenţă) modul în care se realizează relaţia de dependenţă intrare-ieşire (I-E). Performanţele traductoarelor sunt indicatori care permit să se aprecieze măsura în care caracteristicile reale corespund cu cele ideale şi ce condiţii sunt necesare pentru o bună concordanţă între acestea. Caracteristicile şi performanţele de regim staţionar se referă la situaţia în care mărimile de intrare şi de ieşire din traductor nu variază, adică parametrii purtători de informaţie specifici celor două mărimi sunt invarianţi. Caracteristica statică a traductorului este reprezentată prin relaţia intrare – ieşire (I-E): y = f(x) (1.1) în care y şi x îndeplinesc cerinţele unei măsurări statice. Relaţia (1.1) poate fi exprimată analitic sau poate fi dată grafic printr-o curbă trasată cu perechile de valori (x , y). Caracteristica y = f(x) redă dependenţa I-E sub forma ideală deoarece, în realitate, în timpul funcţionării traductorului, simultan cu mărimea de măsurat x, se exercită atât efectele mărimilor perturbatoare externe ξ1, ξ2 , ξ3 , ..., ξn cât şi a celor interne ν1, ν2 , ν3 , ..., νr care determină modificări nedorite ale caracteristicii statice ideale.
5
În afara acestor perturbaţii (nedorite), asupra traductorului intervin şi mărimile de reglaj, notate prin C1 ,C 2 , C 3 , ..., C q . Aceste reglaje servesc la obţinerea unor caracteristici adecvate domeniului de variaţie al mărimii de măsurat în condiţii reale de funcţionare a traductorului. Ţinând seama de toate mărimile care pot condiţiona funcţionarea traductorului, acesta se poate reprezenta printr-o schemă funcţională restrânsă, ilustrată în figura 1.1. Reglajele C1 ,C 2 , C 3 , ..., C q nu provoacă provoacă modificări nedorite ale caracteristicii statice ideale şi sunt necesare pentru: alegerea domeniului de măsurare; - prescrierea sensibilităţii traductorului, - calibrarea internă şi reglarea zeroului.
Fig. 1.1 • Mărimile perturbatoare externe ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 , …, ξ n cele mai importante sunt de natura unor factori de mediu: presiunea, umiditatea, temperatura , câmpuri electrice sau magnetice etc. Aceste perturbaţii (nedorite) pot acţiona atât asupra mărimii de măsurat, cât şi asupra elementelor constructive ale traductorului. Mărimile perturbatoare interne se datorează zgomotelor generate de rezistoare, de semiconductoare, frecări în lagăre, îmbătrânirea materialelor care-şi schimbă proprietăţile, variaţii ale parametrilor surselor de alimentare etc. Datorită mărimilor perturbatoare, traductorul va funcţiona după o relaţie de dependenţă (I-E) reală, descrisă de funcţia: y = f ( x , ξ1, ξ2 , ξ3 , ..., ξn , ν1, ν2 , ν3 , ..., νr ) ;
(1.2)
Este important de observat că erorile sunt generate de variaţiile mărimilor perturbatoare şi nu de valorile lor absolute, care dacă ar rămâne constante ar putea fi luate în considerare ca atare în expresia caracteristicii.
6
Modul în care mărimile perturbatoare influenţează ieşirea , admiţând că variaţiile lor sunt mici, se pune în evidenţă prin dezvoltarea în serie Taylor a funcţiei (2.1) cu neglijarea termenilor corespunzători derivatelor de ordin superior. Se obţine: y=
∂ f ∂ f ∂ f ∂ f ∂f ∆x + ∆ξ1 + ... + ∆ξ n + ∆ ν1 + ... + ∆ν r ∂x ∂ ξ1 ∂ξn ∂ ν1 ∂ νr
(1.3)
Derivatele de ordinul I au semnificaţia unor sensibilităţi: ∂ f ∂ x
∂f ∂ξi
- este sensibilitatea utilă a traductorului şi
∂f ∂ νi
sunt sensibilităţi parazite
Cu cât sensibilitatea utilă va fi mai mare, iar sensibilităţile parazite vor fi mai mici, cu atât caracteristica reală a traductorului va fi mai apropiată de cea ideală (1.1) Dacă sensibilităţile parazite au valori ridicate se impune introducerea unor dispozitive de compensare automată. Prin concepţie (proiectare) şi construcţie, traductoarele se realizează astfel încât mărimile de influenţă (perturbatoare) să determine efecte minime si deci , să se poată considera valabilă caracteristică statică ideală y = f(x) în limitele unei erori tolerate. În ipoteza de liniaritate şi admiţând că influenţele mărimilor perturbatoare nu depăşesc eroarea tolerată , forma uzuală pentru caracteristica statică a traductoarelor analogice este: y = k ⋅ ( x − x 0 ) + y 0 ; (1.4) în care x0 şi y0 pot lua diverse valori pozitive sau negative, inclusiv zero. Caracteristicile statice liniare sunt tipice pentru traductoare, dar pot apărea, în anumite cazuri particulare, (cerute de un S.R.A.), caracteristici neliniare. În cele ce urmează se prezintă câteva exemple de caracteristici statice – pentru traductoare: liniară unidirecţională – (figura 1.2), defintă prin funcţia: a) y = k ⋅ ( x − x 0 ) + y 0 ; x ≥ x0 k = tg α (panta caracteristicii)
7
Fig. 1.2
Fig. 1.3
b) proporţională liniară bidirecţională – (figura 1.3), definită prin funcţia: y = k ⋅ x ; k = tg α (1.5) c) liniară pe porţiuni cu zonă de insensibilitate şi saturaţie – (figura 1.4) definită prin funcţia:
0 p e n t− rx1u < x < x1 k ⋅ (x ± x1) p e n: t −r xu2 ≤ x ≤ − x1; x1 ≤ x ≤ x 2 y= − ys p e n txr< u− x 2 + y p e n txr> ux 2 s
(1.6)
d) liniară pe porţiuni cu zonă de insensibilitate, saturaţie şi histerezis –
(figura 1.5), definită prin funcţia:
0 p e n t :r u− x1 ' < x < 0 ; 0 < x < x1; − x1 < x < 0 ; 0 < x < x1 ' k(x ± x ) p e n t :r ux < x < − x , x ≤ x ≤ x 1 2 1 1 2 y = k (x ± x1 ' ) p e n t :r u− x 2 ' < x < − x1 ' , x1 ' ≤ x ≤ x 2 ' ys p e n t :r ux > x 2 ' ; x < x 2 − y p e n t :r ux ≤ − x ' ; x < − x 2 2 s
(1.7)
8
Fig. 1.4
Fig. 1.5
Pentru traductoarele cu ieşiri numerice caracteristica statică este cvasiliniară având forma din figura 1.6. Reprezentarea este pur convenţională, graficul corespunzând echivalentului în sistemul de numeraţie zecimal al codului redat de semnalul Y N de la ieşirea traductorului, pentru diverse valori ale mărimii de intrare, considerând un interval de cuantificare ∆ x. Prin unirea punctelor corespunzătoare valorilor medii ale nivelelor de cuantificare se obţine o dreaptă (reprezentată printr-o linie discontinuă) ce reprezintă caracteristica statică a traductorului numeric. Exceptând discontinuităţile datorate operaţiei de cuantificare, această caracteristică se consideră liniară. Estimarea mărimii de ieşire a traductorului (Y N) este cu atât mai precisă, cu cât intervalul de cuantificare ∆ x este mai mic.
Fig. 1.6
Fig. 1.7
Erorile de neliniaritate şi interezis 9
Caracteristicile statice sunt determinate de legile fizice pe care se bazează funcţionarea elementelor componente din structura traductorului. Aceste caracteristici se deduc prin calcul sau experimental. Raportate la un domeniu larg de variaţie a mărimii de intrare, caracteristicile statice se obţin neliniare. Datorită avantajelor pe care le au caracteristicile liniare se procedează fie la limitarea funcţionării traductorului pe anumite zone ale caracteristicii (unde neliniaritatea este redusă), fie se liniarizează pe porţiuni caracteristica cu ajutorul unor dispozitive special introduse în structura traductorului. Astfel, caracteristicile statice liniare constituie o aproximare a caracteristicilor reale neliniare, aproximare acceptabilă pentru condiţiile de utilizare a traductorului. O măsură a aproximării o reprezintă abaterea de la liniaritate sau eroarea de neliniaritate, ilustrată în figura 1.7. În domeniul (xmin , xmax), în care ne interesează determinarea erori de neliniarizare se trasează dreapta AB (linie continuă), care aproximează cât mai bine caracteristica reală. Paralel cu AB se trasează dreptele A’B’ şi A”B” care să încadreze între ele, caracteristica reală. Cea mai mare dintre diferenţele ∆ y’ şi ∆ y” reprezintă abaterea absolută de la liniaritate, notată prin ∆ ymax. “Abaterea relativă de la liniaritate” se defineşte prin relaţia: ε r =
∆ y m ax
y m ax − y m in
⋅ 100[ %]
;
(1.8)
unde: ∆ ymax este abaterea absolută de la liniaritate, definită prin relaţia: ∆ ymax=∆ y”-∆ y’; (1.9) Alt tip de eroare, care poate fi estimată pe caracteristicile statice este eroarea de histerezis. Din figura 1.5 se observă că fenomenul de histerezis se manifestă prin aceea că se obţin două nivele diferite ale semnalului de ieşire (y) pentru aceeaşi valoare a mărimii de intrare, în raport cu sensul crescător ( ↑ ) sau descrescător ( ↓ ) de variaţie prin care acesta atinge valoarea respectivă. Eroarea de histerezis este dată de diferenţa dintre cele două nivele ale semnalului de ieşire (y). Pentru a asigura univocitatea valorii măsurate, eroarea de histerezis trebuie să se încadreze, ca şi cea de neliniaritate, sub o limită admisibilă.
Domeniul de măsurare se situează pe caracteristica statică în zona în care aceasta este liniară. Domeniul de măsurare se exprimă prin intervalul [xmin… 10
xmax] în cadrul căruia traductorul permite efectuarea corectă a măsurării. Valorile limită minime atât pentru intrarea x min , cât şi pentru ieşirea y min pot fi zero sau diferite de zero , de aceeaşi polaritate sau de polaritate opusă limitei maxime.Pentru traductoarele cu semnal unificat se întâlnesc cazuri în care ymin≠ 0 pentru xmin=0, precum şi invers: ymin=0 când xmin≠ 0. Motivaţia care justifică existenţa acestor situaţii se va explica ulterior. De regulă domeniul de măsurare se defineşte pentru intervalul în care eroarea rămâne în limitele admisibile. Observaţie. La traductoarele cu semnal unificat, limitele semnalelor de ieşire ymin şi ymax rămân constante indiferent de limitele x min şi xmax ale semnalelor de intrare.
Sensibilitatea (S) Sensibilitatea traductorului se defineşte în raport cu mărimea de intrare, neglijând sensibilităţile parazite introduse de mărimile perturbatoare. Pentru variaţii mici ∆ x şi ∆ y sensibilitatea se defineşte prin raportul dintre variaţia ieşirii şi variaţia intrării. În cazul unei caracteristici statice liniare sensibilitatea este reprezentată de coeficientul unghiular al dreptei. S = dy/dx ≅ ∆ y/∆ x = k = tg α (1.10) O altă exprimare a sensibilităţii, ce ţine seama de domeniul de măsurare, este dată de relaţia: S=
y max − y min
(1.11)
x max − x min
Din relaţia (1.11) rezultă că sensibilitatea este constantă pentru întregul domeniu de măsurare. În cazul unor caracteristici statice neliniare se pot defini numai valori locale ale sensibilităţii sub forma: S i = dy / dx
¿ ∣ ∣ x = x i
≃ Δy / Δx ¿ ∣ ∣ x = x i
¿
;
(1.12)
unde ∆ x şi ∆ y sunt variaţii mici în jurul punctului de coordonate (xi, yi). Sensibilitatea Si – se numeşte şi sensibilitate diferenţială. Din relaţiile (1.10) şi (1.11) se observă că sensibilitatea este o mărime ale cărei dimensiuni depind de dimensiunile mărimilor de intrare şi de ieşire, iar valoarea sa depinde de unităţile de măsură utilizate pentru mărimile respective. 11
În cazurile caracteristicilor liniare, la care natura mărimilor x şi y este aceeaşi, sensibilitatea (S) se va numi factor de amplificare, dacă este supraunitară (S > 1), iar dacă S < 1 sensibilitatea se va numi factor de atenuare. Aceşti factori sunt adimensionali şi sunt frecvent utilizaţi pentru caracterizarea traductoarelor. Când domeniul mărimii de intrare este foarte extins, amplificarea sau atenuarea se exprimă în decibeli [db] prin relaţia: A=20 log (y/x); [db] (1.13) Uneori se utilizează noţiunea de sensibilitate relativă exprimată prin: Sr =
∆y / y ∆x / x
(1.14)
unde ∆ y/y este variaţia relativă a ieşirii, iar ∆ x/x este variaţia relativă a intrării. Sensibilitatea relativă (Sr ) se exprimă printr-un număr adimensional, iar valoarea sa nu depinde de sistemul de unităţi şi ca urmare S r este utilă la compararea traductoarelor atunci când acestea au domenii de măsurare diferite.
Determinarea sensibilitatea unui traductor analogic.
Sensibilitatea unui traductor este determinată de sensibilităţile elementelor componente şi de modul de conectare a acestora în schema structurală a traductorului. Dacă elementele care compun traductorul au caracteristicile de transfer (I-E) liniare, sensibilitatea totată a traductorului (S t) se deduce uşor din sensibilităţile parţiale ale elementelor traductorului, considerând aceste sensibilităţi constante pe întreg domeniul de măsurare. Se prezintă modul de calcul al sensibilităţii totale (S t) pentru câteva scheme tipice de conectare a elementelor componente (descrise de caracteristici liniare).
a) Pentru conexiunea serie (figura 1.8):
12
n
St =
(1.15)
∏S i
i =1
b) Pentru conexiunea paralel (figura 1.9): n
St =
(1.16)
∑ Si ; i =1
c) Conexiunea cu reacţie negativă (figura 1.10): St
=
S1
(1.17)
1 +S1S 2
Fig. 1.8
Fig. 1.9
Fig. 1.10
În cazul conexiunii cu reacţie negativă, deoarece (de regulă S1>> 1), se poate admite aproximarea: St
=
1 S2
;
(1.18)
Deci se observă că sensibilitatea elementului de pe calea de reacţie este determinantă în calculul sensibilităţii totale a traductorului.
Rezoluţia 13
Sunt traductoare care au caracteristici statice ce nu sunt perfect netede. Ca urmare, la variaţii continue ale mărimii de intrare (x) în domeniul de măsurare, semnalul de ieşire (y) se modifică prin salturi având valori bine precizate (deoarece are variaţii discrete). Intervalul maxim de variaţie al mărimii de intrare necesar pentru a determina apariţia unui salt la semnalul de ieşire, se numeşte rezoluţie. Rezoluţia este utilizată, mai ales, la traductoare cu semnale de ieşire numerice, a căror caracteristică statică este dată printr-o succesiune de trepte (figura 1.6). În acest caz rezoluţia este dată de intervalul de cuantificare ∆ x al mărimii de intrare, iar pentru un domeniu de măsurare fixat prin ∆ x se stabileşte numărul de nivele analogice ce pot fi reprezentate de către semnalul de ieşire. Rezoluţia reprezintă un indicator de performanţă şi în cazul unor traductoare considerate (de obicei) analogice, cum sunt traductoarele pentru deplasări liniare sau unghiulare bobinate, la care variaţiile de rezistenţă (sau de tensiune - la montajele potenţiometrice) prezintă un salt la trecerea cursorului de pe o spiră pe alta.
Pragul de sensibilitate
Cea mai mică variaţie a mărimii de intrare care poate determina o variaţie sesizabilă (măsurabilă) a semnalului de ieşire, se numeşte prag de sensibilitate. Pragul de sensibilitate este important, întrucât condiţionează variaţiile minime la intrare care pot fi măsurate prin intermediul semnalului de ieşire. Factorii care determină pragul de sensibilitate sunt fluctuaţiile datorate perturbaţiilor interne şi externe: zgomotul în circuitele electrice, frecările statice şi jocurile în angrenaje pentru dispozitive mecanice. Calitatea traductoarelor este cu atât mai bună cu cât sensibilitatea S este mai mare, iar rezoluţia şi pragul de sensibilitate sunt mai reduse.
14
Precizia (eroare de măsurare)
Scopul fundamental al oricărei măsurări, acela de a determinarea şi exprima numeric valoarea mărimii de măsurat, poate fi realizat numai cu un anumit grad de incertitudine. Oricât de perfecţionate ar fi metodele şi aparatele utilizate şi oricât de atent ar fi controlat procesul de măsurare, rezultatul măsurării va fi întotdeauna diferit de valoarea reală sau adevărată a măsurandului. - Eroarea de măsurare reprezintă diferenţa dintre rezultatul măsurării şi valoarea reală. Este evident că, din punct de vedere calitativ măsurările sunt cu atât mai bune cu cât erorile respective sunt mai mici. Problematica erorilor de măsurare este complexă şi pentru detalii se recomandă lucrăruile [1] şi [4]. În cele ce urmează se prezintă succint noţiunile necesare pentru înţelegerea semnificaţiei preciziei traductoarelor. Cauzele erorilor de măsurare sunt multiple şi se pot evidenţia printr-o analiză atentă a operaţoiei de măsurare. Acestea sunt:
- Eroarea de interacţiune este provocată de faptul că ES al traductorului exercită o acţiune asupra valorii reale a mărimii de măsurat, astfel încât valoarea efectiv convertită diferă de cea reală. Erorile de interacţiune pot apărea şi între diversele componente din structura traductorului. - Eroarea de model este determinată de faptul că se idealizează caracteristicile statice, ignorându-se anumiţi factori care le pot influenţa. Determinarea experimentală a caracteristicilor statice prin utilizarea unor etaloane cu precizie limitată, generează eroarea de model. - Erori de influenţă care apar atunci când mărimile perturbatoare au variaţii mari şi nu pot fi compensate (prin mijloace tehnice). În raport cu proprietăţile lor generale s-au stabilit următoarele criterii de clasificare a erorilor : a) Caracterul variaţiilor şi valorilor pe care le pot lua: – erori sistematice; – erori aleatoare; – erori grosiere.
15
- Erorile sistematice se produc în acelaşi sens în condiţii neschimbate de repetare a măsurării şi au valori constante sau variabile, după o lege determinată în raport cu sursele care le generează. -Erorile aleatoare (întâmplătoare sau accidentale) variază imprevizibil la repetarea măsurătorii, putând lua valori diferite atât ca sens cât şi ca valoare. - Erorile grosiere (inadmisibile) afectează prea grav rezultatele măsurătorii, încât rezultatele nu pot fi luate în considerare. Aceste erori au două cauze: – funcţionarea incorectă a aparatelor; – utilizarea unei metode incorecte de măsurare. b) Modul de exprimare valorică prin care se face deosebirea între erorile absolute şi erorile relative. - Erorile absolute sunt: ∆ xi, ∆ vi pozitive (sau negative) exprimate în aceleaşi unităţi de măsură cu vi. - Eroarea relativă (reală sau convenţională) a unei măsurări individuale se defineşte prin relaţiile: ∆ x ir =
∆xi
=
x
vi
−
x
x
;
∆ vir =
∆ vi
v
=
vi
−
v
v
;
(1.19)
sunt exprimate prin numere fără dimensiune. Acestea pot estima precizia de măsurare, deoarece înglobează şi informaţia cu privire la valoarea mărimii măsurate. c) Mărimea de referinţă în funcţie de care se deosebesc erorile reale faţă de erorile convenţionale. - Eroarea reală (a unei măsurări individuale) este notată ∆ xi şi exprimă diferenţa dintre valoarea măsurată vi şi valoarea reală (adevărată) x: Erorile relative
∆ xi = vi-x; (1.20)
16
- Eroarea convenţională (a unei măsuri individuale) este diferenţa unde: v – valoarea de referinţă (admisă); vi – valoarea măsurată. (1.21) ∆ vi = vi-v; - Eroarea admisibilă (sau tolerată) reprezintă valoarea limită a erorii ce nu poate fi depăşită în condiţii corecte de utilizare a aparatului. Cunoscând valoarea admisibilă absolută ∆ xad, intervalul în care se află valoarea reală (x) a mărimii de măsurat este determinat cu probabilitatea 1, conform relaţiei: x∈[vi - ∆ xad , vi + ∆ xad]; (1.22) care poate fi exprimat şi în formele: vi - ∆ xad ≤ x ≤ vi + ∆ xad ; (1.23) sau: x = vi ± ∆ xad ; (1.24) În cazul traductoarelor, în general, se prevăd dispozitive pentru compensarea automată a erorilor suplimentare, astfel încât precizia măsurărilor să fie determinată numai de eroarea intrinsecă, chiar la variaţii mari ale factorilor de mediu. În final eroarea tolerată de aparat, sub formă absolută, prin care se poate exprima corect precizia măsurării efectuate în condiţii reale de funcţionare, este dată de relaţia:
∆ xtot = ± ∆ x b ± ∆ xs ; (1.25) unde:
∆ x b – este eroarea tolerată intrinsecă (de bază) determinată în primul rând de clasa de precizie ; ∆ xs – este eroarea tolerată suplimentară, calculată corespunzător intervalelor în care se află mărimile de influenţă. La traductoarele cu ieşiri numerice, datorită faptului că adaptorul conţine un convertor analog-numeric (CAN), apare o eroare inerentă de metodă, numită eroare de cuantificare, egală cu 1/2 din intervalul de cuantificare ∆ x, adică 1/2 din bitul cel mai puţin semnificativ (LSB).
17
Reducerea acestor erori la valori acceptabile se face prin micşorarea lui
∆ x. Erorii de cuantificare i se poate adăuga eroarea de zero, ilustrată în figura 1.11-a, şi/sau eroarea de domeniu prezentată în figura 1.11-b. Detalii asupra altor tipuri de erori generate de conversia analog-numerică se pot găsi în [6] şi [7].
a) Eroare de zero
b) Eroare de domeniu
Fig. 1.11
Caracteristici şi performanţe în regim dinamic Regimul dinamic al unui traductor corespunde funcţionării acestuia în situaţia în care mărimea de măsurat (x) şi implicit semnalul de ieşire (y) variază în timp. Variaţiile mărimii de intrare nu pot fi urmărite instantaneu la ieşire , datorită inerţiilor care pot fi de natură: mecanică , electromagnetică , termică etc. Funcţionarea traductorului în regim dinamic este descrisă de o ecuaţie diferenţială de tipul: n
m
k =0
q =0
∑a k y (k ) ( t ) = ∑ b q x (q) ( t )
(1.26)
unde x (q) , y ( k ) sunt derivatele în raport cu timpul de ordinul q şi k ale intrării x(t) şi respectiv ieşirii y(t); a k şi b q – sunt coeficienţi (de regulă invarianţi).
18
Ecuaţia (1.26) caracterizează complet regimul dinamic al traductorului dacă sunt prevăzute: condiţiile iniţiale, valorile mărimilor x(t), y(t) şi valorile derivatelor la momentul iniţial t 0. Pentru ca traductorul (ca element fizic) să poată fi realizat practic este necesară condiţia: n > m, deci se impune ordinul ecuaţiei diferenţiale. Pentru determinarea soluţiei ecuaţiei (1.26) se utilizează tehnicile uzuale de rezolvare a ecuaţiilor diferenţiale liniare cu coeficienţi constanţi. După rezolvarea ecuaţiei diferenţiale (1.26) se obţine soluţia ecuaţiei pentru condiţii iniţiale date şi mărimea de intrare cunoscută sub forma unei anumite funcţii de timp: y(t) = ytl (t) + ytf (t) + ysf (t)
(1.27)
Cei trei termeni ai soluţiei (1.27) au semnificaţiile: - ytl (t) → componenta tranzitorie liberă, care nu depinde de intrare, dar depinde de dinamica traductorului, cât şi de condiţiile iniţiale nenule de la ieşire ; - ytf (t) → componenta tranzitorie forţată, care depinde atât de dinamica traductorului cât şi de intrare (x) ; - ysf (t) → componenta forţată în regim stabilizat (sau permanent), în care, datorită neliniarităţii, se regăseşte forma de variaţie a intrării. Traductorul ideal, din punct de vedere al comportării dinamice, ar fi acela la care să existe numai ultima componentă în (1.27), fără componente tranzitorii. Analiza comportării dinamice a traductoarelor utilizând rezolvări ale ecuaţiei (1.26) reprezintă operaţii complicate (deşi posibile). Din acest motiv se utilizează metode mai simple care să asigure suficientă precizie, dar aprecieri şi comparaţii mai rapide referitor la performanţele dinamice ale traductoarelor. Adoptând ipotezele simplificatoare: condiţii iniţiale nule, intrări (x) – standard (impuls sau treaptă) se poate aplica transformarea directă Laplace ecuaţiei diferenţiale şi rezultă funcţia de transfer a traductorului: m
H( s ) =
Y( s ) X( s )
∑ b js
=
j =0 n
∑a i s
;
(1.28)
i
i =0
Funcţia de transfer permite (f.d.t.) determinarea răspunsului (traductorului) în formă explicită pentru orice tip de variaţie a intrării (x). De asemenea, funcţia
19
de transfer permite o corelare între analiza teoretică a regimului dinamic şi determinările experimentale. Analiza performanţelor în regim dinamic (pentru traductoare) utilizând H(s) se poate face astfel: 1) În domeniul timpului – utilizând funcţia indicială (răspuns la treaptă) sau funcţia pondere (răspunsul la impuls); 2) În domeniul frecvenţei, pe baza răspunsului permanent armonic la variaţia sinusoidală a intrării (x). Analiza în regim dinamic este similară cu cea de la circuitele electronice (sau din teoria SRA) cu precizarea că valoarea benzii de stabilizare nu trebuie să depăşească valoarea de 2% din semnalul de la ieşire în regim staţionar (stabilizat) ys.
Fig.1.12 Funcţia indicială a unui traductor analogic echivalent cu un element de ordinul II (oscilant - amortizat).
Principalii indicatori de regim dinamic pentru traductoarele analogice sunt : a) ε M – abaterea dinamică maximă (influenţată de factorul de amortizare al traductorului); b) Suprareglarea (supracreşterea) definită prin relaţia: σ
[ %] =
ε
M
ys
⋅ 100
(1.29)
20
c) Abaterea (eroarea) dinamică curentă definită prin relaţia
ε
D
= y(t)-ys ;
(1.30) d) Timpul tranzitoriu (timp de răspuns) tt – definit ca la disciplina de B.S.A. Criteriul de delimitare a timpului tranzitoriu (t t) este stabilit prin relaţia: ε D ( t ) ≤ Bs , pentru
∀ t ≥ tt
(1.31)
Indicatori de regim dinamic pentru traductoare numerice În cazul traductoarelor numerice care operează cu mărimi eşantionate, caracteristicile dinamice sunt descrise cu ajutorul ecuaţiilor cu diferenţe finite, sau al funcţiilor de transfer, utilizând variabila complexă z = esT , unde T este perioada de eşantionare. Pentru traductoarele numerice, care au conectate la ieşire CAN (convertori analog - numerici), indicatorii tipici specificaţi sunt: timpul de conversie sau (uneori) rata de conversie care reprezintă numărul de conversii posibile în unitatea de timp. Însumând timpul de conversie al CAN cu timpul tranzitoriu (t t) al părţii analogice se obţine timpul de stabilizare al mărimii la ieşirea traductorului numeric.
Caracteristici energetice Orice operaţie de măsurare implică un consum energetic. Puterea, prin integrarea căreia rezultă energia consumată poate fi preluată total sau parţial de la mărimile de măsurat. Există mărimi active, care au asociată o putere suficientă pentru ca, prin intermediul unor ES adecvate, să asigure conversia directă într-un semnal electric. Când mărimile de măsurat sunt pasive este obligatoriu necesară, pentru conversia lor în semnal electric, o sursă de energie auxiliară.
21
Pentru a nu afecta rezultatul măsurătorii este necesar ca puterea preluată de la mărimile de măsurat să fie cât mai mică. În practica utilizării traductoarelor se pune problema adaptării impedanţei aparatului de măsură (Zm) sau a traductorului (Ztr ), în raport cu impedanţa sursei Zs , astfel încât consumul energetic şi erorile de măsurare să se menţină în limitele admise. Acest procedeu se numeşte adaptare de amplitudine sau nivel şi se realizează prin utilizarea unor amplificatoare. În acest fel pe lângă adaptarea de nivel se realizează şi o adaptare în putere. Consumurile de putere pot avea valori de la 10 −3 W până la 10 2 W, valorile fiind specificate pentru fiecare traductor. Pentru caracterizarea puterii solicitate de la măsurand, fiecărui traductor i se precizează în catalog sau pe placa indicatoare: impedanţa de intrare pentru aparatul receptor, tipul sursei auxiliare (c.c. sau c.a.), valoarea parametrilor (tensiune, curent) şi limitele admisibile de variaţie ale acestor parametri.
Caracteristici constructive Calitatea efectivă a unui traductor este determinată, atât de concepţia care dă principiul de funcţionare, cât şi de modul în care este realizat constructiv acesta. Condiţiile efective de funcţionare oferite de industrie pot impune cerinţe constructive diferite, chiar dacă măsurandul şi intervalul de variaţie al acestuia sunt aceleaşi. Caracteristicile constructive determină modul în care un traductor îşi păstrează caracteristicile funcţionale sub acţiunea mărimilor de influenţă care se exercită în cazul diverselor aplicaţii. În cele ce urmează se prezintă câteva din caracteristicile constructive ale traductoarelor:
Robusteţea Robusteţea este o noţiune de ordin calitativ. Este dată de capacitatea traductorului de a funcţiona corect în condiţii de şocuri, vibraţii, variaţii mari de temperatură, umiditate, presiune, agenţi nocivi (chimici sau biologici). 22
Capacitatea de supraîncărcare Această noţiune defineşte proprietatea unui traductor de a suporta valori ale mărimii de măsurat care depăşesc limita superioară a domeniului - fără ca prin aceasta să rezulte modificări ale performanţelor funcţionale (liniaritate, precizie, sensibilitate) sau deteriorări constructive. Capacitatea de supraîncărcare se exprimă prin raportul între: valoarea maximă nedistructibilă şi limita superioară a domeniului. Prin valoare nedistructibilă se înţelege valoarea măsurandului peste limita superioară a domeniului care după ce îşi încetează acţiunea, permite revenirea traductorului la caracteristicile iniţiale. Capacitaţii de supraîncărcare i se asociază un timp de exercitare: timp scurt (când solicitarea este numită şoc); timp îndelungat (pentru suprasarcină) .
Protecţia contra exploziilor Protecţia antiexplozivă cuprinde măsurile specifice aplicate în construcţia şi montarea traductoarelor (de regulă a celor electrice şi electronice) cu scopul de a evita aprinderea atmosferei explozive exterioare de către regimurile de funcţionare ale acestora. Prin atmosfera explozivă se înţelege un amestec de aer cu o substanţă inflamabilă sub formă de gaz, vapori, ceaţă, sau praf în astfel de proporţii, încât sub acţiunea unei surse de aprindere, poate apare fenomenul de ardere ce se propagă violent (exploziv) şi se menţine în întregul amestec. - Sursele de aprindere pot fi: scântei, arcuri electrice generate la deschiderea (ruperea) contactelor electrice, sau conductoarelor, cât şi temperaturile ridicate datorate suprasarcinii etc. - Zonele cu pericol de explozie se împart în trei categorii : Zona “0”, în care amestecul exploziv este prezent în mod continuu sau pentru perioade lungi; Zona “1”, amestecul exploziv poate apărea intermitent Zona “2” , în care amestecul exploziv poate fi generat numai în caz de avarie şi pentru o perioadă scurtă de timp. Conform STAS 6877/1-73 traductoarele trebuie să fie protejate împotriva exploziilor dacă sunt destinate funcţionării în aceste condiţii.
23
Modalităţile de protecţie antiexplozivă sunt: a) Capsulare antideflagrantă execuţie “d” (STAS 6877/1-74) simbolizată prin Ex. d. În acest caz părţile electrice care pot aprinde o atmosferă explozivă sunt introduse într-o carcasă capabilă să suporte o explozie a unui amestec exploziv pătruns în interiorul acesteia, fără să sufere avarii sau să permită propagarea exploziei în exterior prin îmbinări sau alte căi. b) Capsulare presurizată execuţie “p” (STAS 6877/2-74) – simbolizată prin Ex. p, prin care părţile potenţial generatoare de explozii sunt introduse întro carcasă, unde este asigurată o atmosferă protectoare prin presurizare cu gaz inert care împiedică pătrunderea atmosferei explozive în interiorul carcasei. c) Siguranţă intrinsecă execuţie “i” (STAS 6877/4-74) simbolizată Ex. i, prin care nici un circuit prin care trece curent electric nu poate aprinde o atmosferă explozivă, atât în condiţii normale de funcţionare cât şi în caz de defect, prin scântei electrice sau efecte termice. d) Înglobare în nisip execuţie “q” (STAS 6877/5-74) simbolizată Ex.q părţile capabile să aprindă o atmosferă explozivă prin scântei sau arcuri electrice sunt închise într-o carcasă înglobată în nisip. e) Imersie în ulei execuţie “o” (STAS 6877/6-74) simbolizată prin Ex. o prin care părţile capabile să aprindă atmodfera explozivă sunt imersate în ulei, deci scânteile sau gazele fierbinţi formate sub ulei nu pot declanşa explozii în zona de deasupra suprafeţei uleiului. f) Siguranţă mărită execuţie “e” (STAS 6877/7-74) Ex. e prin care se iau măsuri suplimentare pentru a creşte gradul de siguranţă împotriva aprinderilor prin scântei, arcuri electrice etc. g) Protecţie specială execuţie “s” standard german (VDE) simbolizată prin Ex. s, ce presupune măsuri suplimentare faţă de cele menţionate anterior contra aprinderii atmosferei explozive.
Protecţia anticorozivă Acest tip de protecţie se are în vedere din faza de proiectare şi urmăreşte ca elementele sensibile (ES) şi restul elementelor constructive să reziste acţiunii corozive a unor factori din mediul ambiant. Astfel, elementele sensibile (ES) se construiesc din materiale care nu sunt afectate de agenţi corozivi, iar suprafeţele exterioare ale traductoarelor se protejează cu substanţe (acoperiri) de protecţie anticorozive, utilizând una din metodele: vopsire, galvanizare, cadmiere, nichelare etc.
24
Gradele normale de protecţie Traductoarele (electrice şi electronice), aparţinând categoriei utilajelor electrice, trebuie asigurate cu protecţii specifice acestor utilaje, referitoare la protecţia persoanelor contra atingerii părţilor interioare aflate sub tensiune, cât şi contra pătrunderii corpurilor străine solide, contra pătrunderii apei şi protecţia contra deteriorărilor mecanice. STAS (5325-79) - stabileşte gradele normale de protecţie pentru produsele electrotehnice, inclusiv traductoare. Gradele de protecţie sunt simbolizate prin literele IP urmate de 2 (două) sau 3 (trei) cifre având următoarele semnificaţii: - prima
cifră – simbolizează gradul de protecţie al persoanelor contra atingerii părţilor interioare aflate sub tensiune sau în mişcare precum şi contra pătrunderii corpurilor străine. În acest sens se disting 7 grade de protecţie: Semnificaţiile primei cifre : 0 – fără protecţie 1 – protecţie contra pătrunderii corpurilor solide cu dimensiunui mai mari de 50 mm; 2 – protecţie contra pătrunderii corpurilor solide cu dimensiuni mai mari de 12 mm; 3 - protecţie contra pătrunderii corpurilor solide cu dimensiuni mai mari de 2,5 mm; 4 - protecţie contra pătrunderii corpurilor solide cu dimensiuni mai mari de 1mm; 5 – protecţie parţială contra prafului; 6 – protecţie totală contra prafului. - a doua cifră – (protecţie contra pătrunderii apei) are semnificaţiile:
0 – fără protecţie; 1 – protecţie contra picăturilor de apă de condensare; 2 – protecţie contra picăturilor de apă ce cad sub unghi de maxim 15 grade, faţă de verticală; 3 – protecţie contra apei de ploaie; 4 – protecţie contra stropirii cu apă; 5 – protecţie contra jetului de apă sub presiune; 25
6 – protecţie corespunzătoare condiţiilor de pe puntea navelor; 7 – protecţie contra efectelor imersiei în apă; 8 – protecţie pentru utilaj (traductor) submersibil. - a treia cifră precizează protecţia contra deteriorării mecanice, care cuprinde 6 grade detaliate conform tabelului T 1.2. Tabelul 1.2
Simbolizare prin a treia cifră 0 1 2 3 4 5
Condiţii de solicitare mecanică Cursa pe Masa berbecului Înălţimea de orizontală a [kg] cădere [cm] berbecului [cm] 0,15 40 80 0,5 40 80 1,5 40 80 5 40 80 15 40 80
3. CLASIFICAREA TRADUCTOARELOR Intru-cat circuitele de automatizare sunt in general de natura electrica, marimea de iesire a traductoarelor este aproape exclusiv de natura electrica. Clasificarea traductoarelor poate fi facuta in functie de natura marimii de iesire Xe sau in functie de natura marimii de intrare Xi. • In functie de forma semnalului ionformational obtinut la iesirea traductorului se deosebesc:
traductoare analogice, la care semnalul de iesire este continuu, variaza peintr-o infinitate de valori; - traductoare numerice, la care semnalul de iesire es5te numeric (digital). -
• In functie de natura marimii de iesire (Xe) se deosebesc: 26
traductoare pneumatice, la care marimea de iesire este un semnal pneumatic (de aer comprimat), de valori unificate Pe=0,2...1 atm; se folosesc in medii cu pericol de explozii sau incendii, spatii in care prezenta curentului electric este interzisa la oeice valori ale parametrului respectiv. - traductoare electrice („electronice”) la care marimea de iesire este un semnal electric, de obicei de valori unificate (Ie=2...10mA c.c., sau Ie=4...20 mA c.c.). -
Traductoarele electrice se subdivid la randul lor in: traductoare parametrice, la care marimea masurata este transformata intr-un „parametru de circuit electric” (rezistenta, inductanta sau capacitate). Traductoarele parametrice se impard deci la randul lor in: traductoare rezistive, traductoare inductive si traductoare capacitative. - traductoare generatoare, la care marimea masurata este transformataintr-o tensiune electromotoare a carei valoare depinde de valoarea marimii respective. -
• In functie de natura marii aplicate la intrare (Xi) se disting:
traductoare de marimi neelectrice (temperatura, deplasare, debit, viteza, presiune etc.); - traductoare de marimi electrice (curent, frecventa, putere, faza). In practica, traductoarele sunt definite pe baza ambelor criterii aratate mai sus (de exemplu, traductor parametric rezistiv de temperatura). -
• In functie de domeniul de variatie al marimii de iesire, traductoarele se clasifica in:
- traductoare unificate, la care marimea de iesire reprezinta un semnalunificat electric (2-10 mA c.c. sau 4-20 mA c.c.), sau pneumatic (0,2-1 kgf/cm’) - tarductoare neunificate (specializate) In figura urmatoare se prezinta ca exemplu un traductor relativ de presiune. Presiunea de masurat P este aplicata unui burduf metalic special B (capsula)
4. TIPURI DE TRADUCTOARE 27
I.
Traductoare de debit
Aparatul pentru masurarea debitului poarta denumirea generala de debitmetru. In sistemul international de unitati de masura pentru debit sunt adoptate urmatoaerele unitati: - metrul cub pe secunda – debitul volumic; - kilgrame pe secunda – debitul masic; - newton pe secunda – debitul de greutate. O unitate practica pentru debitul de volum este si metrul cub pe ora, din relatia Q = v *S unde se constata ca, deoareceintr-un anumit punct (sectiune) al conductei aria sectiunii este constanta, rezulta ca intre debitul unui fluid si viteza sa intr-o sectiune data este o stricta proportionalitate. Asadar, masurarea debitului saiteza unui fluid este practic acelasi lucru, intre valorile celor doua marimi neexistand decat un factor de proportionalitate (de scara). Pe de alta parte, conform legii lui Bernoulli, caderea de presiune statica pe o strangulare a sectiunii conductei (rezistenta hidrauica sau pneumatica) depinde de patratul vitezei fluidului. In consecinta, prin masurarea diferentei de presiunea pe o asemenea rezistenta hidraulica sau pneumatica se poate determina valoarea vitezei respectiv a debitului fluidului respectiv.
II.
Traductor de proximitate
În general (în sens larg) proximitatea exprimă gradul de apropiere dintre două obiecte, dintre care unul reprezintă sistemul de referinţă. Se poate realiza controlul poziţiei unui obiect care se deplasează, fără contact între acesta şi referinţă. În categoria măsurărilor de proximitate intră : - sesizarea capetelor de cursă ; - sesizarea interstiţiului dintre suprafeţe ; - sesizarea prezenţei unui obiect în câmpul de lucru etc. Traductoarele de proximitate au de regulă o caracteristică de tip releu, mărimea de ieşire având variaţii discrete (" tot sau nimic ") discerne între două valori care reprezintă (convenţional) prezenţa sau absenţa corpului controlat. 28
Această particularitate conduce la realizarea compactă a traductorului, elementul sensibil şi adaptorul (ES + AD) fiind plasate în aceeaşi unitate constructivă.
-Traductoare inductive de proximitate Schema de principiu a acestui traductor este dată în figura schema bloc. Detectorul are rolul de a converti informaţia asupra poziţiei unui obiect metalic (în raport cu faţa sensibilă) în semnal electric. Blocul adaptor prelucrează semnalul electric de la ieşirea detectorului şi comandă un etaj final cu ieşire pe sarcină de tip releu. Blocul de alimentare furnizează tensiunea necesară circuitelor electronice.
- Schema bloc a traductorului inductiv de proximitate. Oscilatorul din blocul-detector întreţine, prin câmpul magnetic alternativ, oscilaţiile în jurul bobinei ce formează (împreună cu miezul de ferită) faţa sensibilă a detectorului. Când un obiect metalic (cu proprietăţi feromagnetice) intră în câmpul magnetic al detectorului, în masa metalului apar curenţi Foucault care generează, la rândul lor, un câmp magnetic de sens opus câmpului principal pe care îl atenuează puternic şi ca urmare blochează oscilaţiile. Caracteristicile de funcţionare ale traductorului pot fi apreciate în funcţie de valorile cotelor utile, notate în figura 5.2 prin: e – grosimea ecranului metalic (grosimea obiectului detectat); - lăţimea ecranului; L – lungimea ecranului; x – distanţa de la marginea ecranului la centrului feţei sensibile; y – acoperirea feţei sensibile de către ecranul metalic; z – distanţa de la ecran la faţa sensibilă; z N – distanţa nominală de detecţie (sesizare).
29
Fig.5.2 - Dimensiunile de gabarit ale traductorului inductiv de proximitate.
Principalele caracteristici funcţionale: a) Zona de acţiune,[2] delimitată de valorile [ 3 … 40 ] mm, este cuprinsă între curba de anclanşare (oprirea oscilaţiilor) şi curba de declanşare (pornirea oscilaţiilor); b) Distanţa utilă de detecţie – Z u , influenţată puternic de natura şi dimensiunile obiectului (ecranului), cât şi de variaţia temperaturii, a tensiunii de alimentare şi de dispersiile câmpului magnetic (din fabricaţie). c) Fidelitatea reprezintă toleranţa preciziei de reperare a punctelor de oprire şi pornire a oscilaţiilor, când se menţin constanţi următorii parametri : distanţa, sensul şi viteza de deplasare, temperatura şi tensiunea de alimentare. d) Histerezisul reprezintă cursa (distanţa) dintre punctele de oprire şi de pornire a oscilaţiilor în aceleaşi condiţii (figura 5.3). e) Durata impulsului de ieşire, determinată de viteza deplasării ecranului (obiectului) şi dimensiunile acestuia. Constructiv traductoarele inductive de proximitate se realizează în două variante: 1) cu faţa sensibil inclusă frontal sau lateral în corpul propriu-zis al traductorului ; 2) cu faţa sensibil separată şi legată prin cablu flexibil de corpul traductorului.
III. Traductor de proximitate magnetic Aceste traductoare au o construcţie simplă şi sunt formate dintr-un contact întrerupător (releu de tip Reed) plasat pe un braţ al unei carcase sub formă de " U " şi un magnet permanent fixat pe celălalt braţ.Trecerea unui obiect metalic printre braţele detectorului (carcasei) modifică liniile de forţă ale magnetului (le 30
ecranează) şi ca urmare contactul releului îşi schimbă starea – figura 5.4. Există variante constructive la care obiectele magnetice pot acţiona direct asupra releului.
- Elemente sensibile capacitive pentru traductoare de proximitate
În cazul traductoarelor capacitive de proximitate elementul sensibil este format dintr-un condensator care face parte dintr-un circuit oscilant. Prezenţa unui material conductor sau dielectric cu permitivitatea εr >1, la o distanţă z u în raport cu faţa sensibilă a detectorului, modifică capacitatea de cuplaj şi amorsează oscilaţiile. Funcţionarea este diferită în raport cu natura obiectului controlat. a) La detecţia materialelor conductoare, obiectul a cărui poziţie este controlată formează cu faţa sensibilă un condensator a cărui capacitate creşte odată cu micşorarea distanţei Δx dintre obiect şi faţa sensibilă. b) La detecţia materialelor izolante, faţa sensibilă este un condensator a cărui capacitate creşte, cu atât mai mult, cu cât premitivitatea dielectrică ( εr ) a obiectului controlat este mai mare. Principalele surse de erori le reprezintă variaţiile de temperatură.
- Elemente sensibile fotoelectrice pentru traductoare de proximitate
31
Funcţionarea acestora se bazează pe modificarea fluxului de radiaţii care se stabileşte între o sursă (emiţător) şi un receptor, datorită prezenţei obiectului controlat. Se disting două variante constructive : a) Element sensibil de tip barieră, la care emiţătorul şi receptorul sunt de o parte şi de alta a obiectului controlat.
– Element sensibil de tip barieră
b) Element sensibil de tip reflector la care fasciculul de radiaţii emis de sursa (E) este transmis spre receptor, situat de aceeaşi parte cu emiţătorul, în raport cu obiectul controlat, prin intermediul unui paravan reflectorizant (reflector). Prezenţa obiectului controlat modifică intensitatea fluxului luminos receptat după reflexie. Dacă obiectul controlat are proprietăţi reflectorizante, atunci el poate juca şi rolul de paravan reflectorizant. Sursele emiţătoare (E) pot fi realizate cu diode electroluminiscente (LED) cu fascicul vizibil sau infraroşu (cel mai utilizat) dar şi cu lămpi speciale care au lentilă de focalizare. Receptoarele (R) utilizează fotodiode sau fototranzistoare în domeniul vizibil sau infraroşu, dar pot utiliza şi celule fotovoltaice în domeniul vizibil. Variaţia de semnal electric furnizată de elementul sensibil, datorită modificării poziţiei obiectului detectat – este prelucrată de adaptorul traductorului (care conţine un formator de impulsuri şi un amplificator) apoi transmisă elementului de ieşire de tip releu sau contactor static (tiristor sau triac).
– Element sensibil fotoelectric de tip reflector. 32
- Elemente sensibile fluidice pentru traductoarele de proximitate Traductoarele fluidice se caracterizează prin simplitate constructivă şi funcţională. De aceea, aceste traductoare se află în nomenclatorul majorităţii producătorilor mondiali de aparatură fluidică. Principiile funcţionale ale elementelor sensibile fluidice derivă din sesizarea modificării unuia sau a mai multor parametri de stare ai fluidului: presiune, viteză, sens de curgere - sub influenţa corpului a cărui prezenţă trebuie sesizată. Elementele sensibile, frecvent întâlnite în costrucţia traductoarelor fluidice de proximitate, sunt: a)
Dispozitiv duză - paletă - întâlnit în construcţia tuturor adaptoarelor pneumatice unde are rol de preamplificator înaintea etajului final de putere.În acelaşi timp dispozitivul duză – paletă este utilizat ca element sensibil al traductorului de proximitate.
Principiul de funcţionare şi caracteristica statică a dispozitivului duză – paletă sunt date în de jos. Obiectul detectat joacă rolul paletei (P), iar rezistenţa pneumatică R 2 reprezintă duza (D).
– Dispozitiv duză – paletă: a) – principiul de funcţionare; b) caracteristica statică
Dacă presiunea de alimentare ( Pa ≡ P1 ) este constantă, variaţia presiunii P2 (identică cu presiunea de ieşire Pe ) în funcţie de valoarea distanţei (x) dintre paletă şi duză este prezentată în figura 5.8 – b. Caracteristica statică P2 = f ( x ) este liniară numai în zona AB. Se observă că pentru x = 0, presiunea P2 are valoare maximă, adică valoarea presiunii de alimentare ( P2 = P1 ), iar dacă x este 33
suficient de mare, presiunea P2 scade la valoare presiunii atmosferice ( P2 Patm ). În urmatoare figura sunt date modalităţile de apropiere ale obiectului faţă de duză. Aproprierea obiectului, fie printr-o deplasare axială (frontală), fie printr-o deplasare laterală produce variaţia presiunii de ieşire ( Pe ≡ P2 ), astfel că depăşirea unui prag impus pentru variaţia presiunii de ieşire - arată faptul că obiectul este "sesizat ". ≡
- Modalităţi de apropiere a obiectului faţă de duză: a) – deplasare axială; b)- deplasare laterală
O calibrare corespunzătoare a curbelor Pe = f ( x ) sau Pe = f ( y) | x =ct. va indica cu o precizie de maximum 1 [mm] “cât de aproape ” este obiectul sesizat. b) Senzorul de proximitate cu " jet liber " (cu turbulenţă) Acesta este format din două duze coaxiale : duza emiţătoare 1, alimentată de la o sursă de presiune constantă şi duza receptoare 2, figura 1.1. Dacă obiectul ce trebuie detectat, nu se află în spaţiul dintre cele două duze, jetul emis de duza 1 este captat de duza 2 şi ca urmare în duza receptoare (2) se obţine un nivel de presiune mare ce corespunde semnalului logic S=”1”(obiectul nu este detectat). Prezenţa obiectului între cele două duze poate întrerupe parţial sau total jetul emis de duza 1.
Fig. 1.1 – Senzor de proximitate cu “jet liber”
O scădere a presiunii în duza receptor 2, sub o anumită limită, determină semnalul logic S =”0 “, deci obiectul este ”detectat”. 34
Principalul dezavantaj al acestui tip de detector constă în sensibilitatea mare la impurităţile din mediu, care sunt antrenate prin jetul de aer şi obturează duza receptor 2. Acest tip de traductor se utilizează pentru interstiţii care nu depăşesc 20 mm.
- Senzorul magnetic integrat de proximitate Termenul "magnetic" derivă de la faptul că acest senzor utilizează un detector de tip element Hall , care sesizează prezenţa câmpurilor magnetice de intensităţi relativ mici (aproximativ 50 mT) şi produce semnale de tensiune de ordinul (1...10) mV. Acest senzor utilizează circuite integrate specializate de fabricaţie românească din seria βSM 23X (X = 1, 2, 3, 4) sau βSM 24X (X = 1, 2) . Aceste circuite integrate, conţin în acelaşi cristal de siliciu atât senzorul Hall , cât şi blocurile de prelucrare a semnalelor oferite de acesta. Denumirea comercială a acestor circuite este “senzori magnetici comutatori”. Schema bloc a unui senzor magnetic de tip βSM 23X; (24X) este prezentată în figura 5.16. Parametri de catalog pentru cele două serii de circuite integrate (βSM 23X şi βSM 24X) sunt daţi în [17]. Din punct de vedere calitativ circuitul βSM 24X este superior circuitului βSM 23X prin doi parametri electrici: a) curentul de alimentare (la o inducţie de 50 mT) este de 2 mA în cazul circuitului βSM 24X, faţă de 4,3 mA (7mA) – în cazul circuitului βSM 23X.
b) tensiunea de alimentare: 7V – la βSM 24X, faţă de 10V (25V) – la βSM 23X.
– Schema bloc a senzorului magnetic comutator de tip βSM 23X.
IV.
Traductor de temperatura
35
Conform schemei , un traductor de temperatura cu termocuplu este alcatuit principial din : • elementul sensibil de tip termocuplu, care face conversia din temperatura in tensiune termoelectromotoare; • cablurile de prelungire, prin intermediul carora jonctiunea de referinta este adusa la locul masurarii intr-o zona unde este posibila mentinerea constanta a temperaturii; • adaptorul care obtine semnalul unificat de iesire Ie ; Iesirea analogica a traductorului este convertita in semnal numeric prin intermediul unui convertor analog-numeric (CAN), conectat la iesirea adaptorului. Interfata de comunicatie, IC va avea ca sursa de iesire codul numeric y’. SAE reprezinta sursa de alimentare auxiliara ce alimenteaza elementul de legatura si transport precum si adaptorul. Elementul sensibil de tip termocuplu este de tip activ (generator), deci nu necesita alimetare auxiliara, energia necesara efectuarii masurarii fiind preluata de la masurand. - Jonctiunea de referinta Valoarea tensiunii termoelectomotoare data de termocuplu, cu jonctiunea de masurare imersata intr-un mediu cu temperatura θ, este in conformitate cu caracteristica statica daca jonctiunea de referinta θo este mentinuta la temperatura de 0º C. Cum capetele libere ale celor doi termoelectrozi sunt aduse la cutia de borne, aflata in mediul ambiant din imediata apropiere a procesului in care se face masurarea, nu este posibil de mentinut temperatura acestuia la 0º C, de aceea se procedeaza la folosirea unor cabluri de prelungire, ce deplaseaza jonctiunea de referinta de la cutia de borne la un loc din apropierea adaptorului. Cablurile de prelungire sunt doua conductoare, izolate electric, realizate din materiale diferite de termoelectrozii termocuplului, intrucat termoelectrozii sunt alcatuiti din metale nobile. Datorita termoelectrozilor folositi si proprietatilor mediului de tip oxidant, cablurile de prelungire sunt de tip: conductorul pozitiv din Cromel, iar cel negativ constituit dintr-un aliaj de Copel cu temperaturile de utilizare intre 0 – 200º C. Conductorul pozitiv al cablului de prelungire va fi codificat prin culoarea albastra, iar cel negativ prin culoarea rosie astfel incat la montare sa fie mai usoara conectarea conductoarelor la termoelectrodul aferent (+ la + si – la - ).
Modalitatea de compensare a temperaturii jonctiunii de referinta se va realiza prin :
36
- introducerea in circuitul termocuplu a unei tensiuni de compensare egala si de sens contrar celei produse de variatiile de temperatura asupra jonctiunii de referinta.
In serie cu termocuplul TC se conecteaza tensiunea de dezechilibru U CD a unei punti rezistive Wheastone, alimentata in diagonala AB cu curentul constant I, care cuprinde in structura sa o rezistenta R T din nichel, celelalte rezistente fiind realizate din constantan. In ipoteza simplificatoare ca atat termocuplul cat si rezistenta R T au caracteristici statice liniare pe domeniul maxim de variatie a temperaturii jonctiunii de referinta, R Tmax = R T0 =(1+αRT · θo max) ΔUBDmax=( R Tmax- R T0) · I1= R T0 αRT · θo max · I1, unde: • R Tmax este coeficientul de variatie al rezistentei RT cu temperatura. • R T0= valoarea lui R T la Oº C • R Tmax = valoarea lui R T la θmax. • ΔUBDmax=variatia de tensiune maxima pe rezistenta corespunzatoarevariatiei maxime de temperatura. Cum ETC (θ0 max)= ΔUBDmax, va rezulta imediat valoarea rezistentei R T0= ETC (θ0 max) / αRT · θo max · I1, Deoarece caracteristica statica a termocuplului este neliniara se poate proceda printr-o metoda grafo-analitica constand in determinarea grafica a erorii maxime de neliniaritate a termocuplului pe domeniul Δθ0 max.
Pentru termocuplul pe care l-am folosit ( Cromel-Copel) a carui jonctiune de referinta trebuie compensata pe domeniul 0 - 40º C: pentru rezistenta R T se utilizeaza sarma de cupru iar pentru celelalte rezistente din punte vom utiliza manganina. 37
) v m ( e n u i s n e t
7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110
temperatura (celsius)
Caracteristica statica a traductorului de temperatura avand ca termoelectrozi Cromel respectiv Copel, dedusa din tabelul de valori succesive ale tensiunii termoelectromotoare la temperaturi din 10 in 10 º C, este prezentata in graficul de mai sus. Pe baza valorilor am determinat eroarea de neliniaritate maxima ξn=7.05% sau exprimata in mV este 0.49; ΔUBDmax =Ecromel-copel(40ºC )-0.5 ξn=2.66-0.24=2.42 mV; Impunand I1=I2=2,5 mA stiind ca αcu=0.426· 10-2 K -1 si daca se impune U=8V si Uab=6V rezulta: R T0 = 5.68Ω;
38
Bibliografie 1. Damachi E. Tunsoia – Electronică . EDP-BUC. 1979 2. Gray P.E. – “Bazele electronici moderne”- vol. I-II, ETH, BUC. 1979 3. Văcărescu A. –“Dispozitive semiconductoare-Manual de utilizare” ETH. BUC – 1975 4. Ceangă E. Tusac I. , Miholca C.-“Electronică industrială şi automatizări”- EHT. BUC. 1979 5.
Constantin
P.
Bârca-Gălăreanu
}.a.
–“Electronică
Industrială”- EDH –BUC.-1976 6. Maican S. –“Sisteme numerice cu circuite integrate” ETHBUC. 1980 7. Dancia I. –“ Micro-procesoare arhitectur ă internă”, E. DaciaCluj-Napoca – 1979 8. Săvescu M. , şi . a. –“Circuite Electronice”vol. I,II,III, ETH, BUC.-1987-1989 9. Cărtureanu V.Iancu O. şi.a. –“Materiale şi componnte 39
