Bazele Cercetarii Experimentale

BCE curs 1

8.10.2009Bibliografie:

Bazele cercetarii experimentale: Cretu Gheorghe;

Metode de cercetare experimentale in constructia de masini: Cretu Gheorghe;

Bazele cercetarii experimentale: Albu, Rotaprint, Cluj;

Bazele cercetarii experimentale in constructia de masini : Constantinescu, Rotaprint, Brasov;

Bazele cercetarii experimentale in tehnologia constructiilor de masini, Teodorescu;

Metode de cercetare in tehnologia constructiilor de masini, Constantinescu.Cercetarea stiintifica in constructia de masini

Cercetarea stiintifica este principalul mijloc de investigare stiintifica din lumea contemporana. Ea cuprinde 2 laturi fundamentale;

cercetarea teoretica - ce urmareste studierea legaturilor dintre diferiti factori ai unui sistem fizic pe baza legitatilor oferite de stiintele fundamentale (matematica, fizica, chimie, biologie);

cercetarea experimentala careia ii este specific organizarea unui experiment in conditii cunoscute pentru ca prin observarea acestuia sa se deduca mecanismele si legaturile dintre factori.

La cercetarea teoretica, in cele mai multe cazuri pentru abordarea unor sisteme

complexe, este necesara realizarea unor ipoteze simplificatoare, care sa permita studiul teoretic al acestor procese. La cercetarea experimentala, se renunta deliberat la studiul fenomenelor care au loc in sistem, urmarindu-se in special stabilirea unor relatii de legatura intre functiile obiectiv (de iesire) si parametrii de intrare in sistem.

In prezent se dezvolta si o ramura care cuprinde ambele tipuri de cercetare numita cercetare mixta, care plecand de la modele matematice prestabilite, urmareste determinarea pe baze experimentale a coeficientilor din aceste modele. In prezent se abordeaza stiintific sisteme complexe, care depind de un numar foarte mare de factori care nu pot fi abordati pe baze teoretice. Astfel de cercetari pot dura perioade de ordinul anilor si antrena zeci, sute, sau chiar mii de cercetatori. In prezent, se considera ca cercetarea stiintifica este motorul dezvoltarii economiei in ansamblu si baza progresului stiintific.

Studiul sistemelor complexe urmareste stabilirea legaturilor dintre parametrii ce intervin in sistem. Exista 2 aspecte esentiale:

imposibilitatea studierii fenomenului in totalitate cu toti factorii si interactiunile ce intervin;

existenta unei variabilitati naturale a proceselor ca o caracteristica fundamentala a lumii reale.

Avand in vedere aceste consideratii, la studierea unui fenomen inevitabil trebuie sa ignoram unele efecte. Experimentul implica deci o fragmentare a realitatii, o limitare a acestuia in spatiu si timp. Daca ne referim la cercetarea din domeniul constructiei de masini, atunci studierea unui proces tehnologic implica: stabilirea modului de desfasurare a procesului;

realizarea experimentarilor dupa planul realizat anterior;

deducerea modelului matematic al procesului;

verificarea (validarea) modelului matematic gasit.

Realizarea modelului matematic se obtine facand apel la statistica matematica.

.

Numim in general, parametrii ca functii de iesire din sistem, iar parametrii parametrii de intrare sau variabilele sistemului.

Intr-un experiment alegerea parametrilor variabili de intrare este esentiala. De alegerea corecta a acestora, depinde gradul de veridigitate al rezultatelor experimentarii.

In cercetarea experimentala se tine seama si de experienta anterioara. Intr-o prima faza a experimentarii se au in vedere un numar cat mai mare de factori urmandu-se a se elimina apoi cei cu influenta nesemnificativa asupra desfasurarii fenomenului studiat. BCE curs 2

14.10.2009Notiuni generale privind masurarea si instalatiile de masurare

Prin marime masurabila se intelege acea proprietate a unei marimi de a putea fi exprimata numeric pentru care s-a elaborat o metoda de determinare a valorii numerice. Operatia de masurare consta in compararea a 2 marimi de acelasi fel in care una este aleasa unitatea de masura. Formula generala a masurarii:

X = ;

X marime masurata;

valoarea numerica a marimii masurate;

unitatea de masura;

Obs - masura reprezinta mijlocul tehnic ce materializeaza unitatea de masura cu o precizie determinata.

Metoda de masurare reprezinta totalitatea operatiilor care se executa cu anumite mijloace tehnice in anumite conditii tehnico-organizatorice.

Lantul de masurare reprezinta succesiunea determinata operatiilor si fazelor, respective a mijloacelor tehnice prin care se realizeaza un proces de masurare. Aparatele de masura transmit informatia privind marimea fizica masurand prin intermediul unui dispozitiv, indicator sau inregistrator.

Semnalul constituit in aparat se numeste semnal metrologic si transmiterea acestuia implica un consum de energie. Prin urmare masurarea unei marimi dintr-un sistem fizic implica preluarea unor energii din acel sistem. Sistemul se comporta diferit in prezenta sau absenta aparatului de masura.

Conditia fundamentala a unui aparat de masura este ca energia preluata in vederea formarii semnalului metrologic sa fie cat mai mica, neglijabila in raport cu energia sistemului. Marimile masurate se clasifica dupa:

dupa modul de obtinere a semnalului metrologic (active si pasive). Cele active asigura prin natura lor energia necesara formarii semnalului metrologic. Ex: forta, temperatura. Cele pasive necesita o energie suplimentara pentru ca ele nu se manifesta decat in prezenta unor marimi active. Ex: masa unui corp se manifesta in existenta unui camp gravitational.

din punct de vedere al variatiei in timp avem: marimi constante si variabile. Cele variabile pot fi stationare si nestationare. Cele stationare sunt periodice si neperiodice.

Metode de masurare utilizate in cercetarea experimentala

dupa modul de obtinere a semnalului metrologic: metode directe, indirecte si combinate;

dupa forma de exprimare a marimii masurate: metode analogice si numerice;

dupa tehnica de masura: metode prin deviatii ,prin comparatii, si prin numarare.

dupa originea sistemului de referinta: metode absolute si relative;

Metodele directe se caracterizeaza prin aceea ca valoarea marimii masurate se exprima nemijlocit ca rezultat al comparatiei marimii cu unitatea de masura fara a recurge la relatii si functii matematice suplimentare.

Metodele indirecte - se aplica acelor marimi la care nu exista metode directe sau daca exista acestea sunt neeconomice. In acest caz daca se urmareste masurarea unei marimi X atunci se cauta o functie Y=f(X), unde Y poate fi masurata cu mijloace economice. Cunoscand marimea Y si functia de legatura, se determina prin calcule valoarea X, X=f(Y).

Metodele combinate - au in vedere latura economica a metodelor directa si indirecta. Masurarile de tip analogic - presupun existenta unor functii de legatura continue dintre marimea de intrare si cea de iesire. Relatia de legatura implica o etalonare suplimentara prin care sa putem obtine si valoarea numerica a marimii masurate. Un exemplu tipic este deviatia unui ac indicator in fata unei scari gradate. Acest tip de masurari este cel mai folosit in cercetarile experimentale. Analogia poate fi directa sau una matematica.

Masurarea de tip numeric reprezinta situatia opusa celei analogice in care semnalul metrologic transmis are o variatia discreta in limitele masurarii. Ex: contorul electric care are o variatie de tip discreta. In prezent masurarile de tip numeric au capatat o dezvoltare a capacitatii foarte mari odata cu posibilitatea inregistrarii pe calculator a valorii marimii masurate.

Masurarea prin deviatie pretinde deplasarea unui sistem al aparatului de masura dintr-o pozitie de echilibru proprie absentei marimii masurate intr-o alta pozitie de echilibru proprie marimii masurate. Aceasta noua pozitie de echilibru se atinge prin efectul antagonist creat in aparatul de masura.

Diferenta intre cele 2 pozitii de echilibru ne da direct sau indirect valoarea marimii masurate.

Masurarea prin comparatie se bazeaza pe crearea unui aparat de masura a unui efect antagonist egal cu cel produs de marimea de masurat astfel ca deviatia totala este 0. In acest caz precizia de masurare poate fi foarte mare pentru ca aparatul indicator lucrand in jurul pozitiei de 0 poate fi realizat cu precizie ridicata.

Masurarea prin numarare consta in stabilirea marimii prin numararea ei.

Schema functionala generala a aparatelor si sistemelor de masurare

De la fenomenul fizic studiat la simturile noastre, semnalul metrologic sufera o serie de transformari succesive care sa-l faca accesibil simturilor umane. Elementul central in lantul de masurare este captorul care trebuie sa fie sensibil la marimea fizica masurata. In cazul in care semnalul rezultat este foarte slab pentru prelucrarea ulterioara a acestuia este necesara o unda purtatoare de energie mai mare. Generatorul este obligatoriu in cazul masurarii marimilor pasive. Cele mai folosite generatoare emit semnale :

de nivel constant unde sunt sinusoidale sau tunuri de impulsuri.

Marimea fizica actioneaza asupra acestui semnal astfel: - modifica nivelul semnalului in cazul semnalului de nivel constant.

- modifica amplitudinea, frecventa sau diferenta de faza in cazul semnalului sinusoidal;

- modifica amplitudinea, frecventa sau pozitia in cazul semnalului sub forma de trenuri de impulsuri.

Elementele de tratare a semnalului urmaresc aducerea acestuia la o forma care sa permita introducerea acesteia in instrumentul indicator. Aici are loc amplificarea, deparazitarea, sumarea, multiplicarea, integrarea, diferentierea semnalului emis de captor. Elementele de transmitere a semnalului au scopul de a transmite semnalul in zone accesibile observatorului. Elementele de prezentare pot fi: un ac indicator, un numar. Elementele inregistratoare sunt elemente auxiliare. Ele sunt utile in cazul semnalelor de tip variabil.

Obs - in schema generala unele elemente pot lipsi.

- structura nodulara prezentata nu este aceeeasi cu structura fizica prezentata.

BCE curs 3

15.10.2009Performantele generale ale instalatiilor de masurare

Performantele unui aparat de masura se impart in 2 categorii:

Statice sunt evaluate atunci cand in aparatul de masura s-a atins echilibrul static.

Ele corespund masurarii marimilor constante sau a celor care variaza foarte lent (cvasistatice);

Dinamice sunt definite ca performante suplimentare specifice cazurilor cand

marimea de masurat are o variatie rapida. Se are in vedere inertia (termica, mecanica, electrica) ca si fenomenele de disipare a energiei.

Performantele statice impreuna cu cele dinamice pot da o imagine completa asupra comportarii unui aparat la executarea unor masuratori.

Etalonarea statica urmareste stabilirea unei relatii de legatura intre marimea de intrare si cea de iesire din aparat. In vederea stabilirii acestei relatii, marimea de intrare ia succesiv diferite valori din domeniul de masurare, urmarindu-se valorile corespunzatoare ale marimii de iesire. Toate celelalte marimi ce intervin in sistemul masurat trebuie mentinute la valori constante specificate de producator.

Orice variatie a unei marimi ce trebuie mentinuta constanta poate modifica substantial precizia etalonarii si implicit precizia masurarii.

Etalonarea ca operatie se realizeaza in functie de precizia ceruta astfel:

aparatele de inalta precizie se etaloneaza cu ajutorul etaloanelor secundare sau facand apel la o lege fizica;

aparatele de precizie mai scazuta se etaloneaza cu ajutorul aparatelor de inalta precizie;

in cazul productiei de serie aparatele se etaloneaza pe baze statistice.

Domeniul de masurare este una din caracteristicile de baza de care se tine seama

la alegerea unui aparat. Aparatele sunt concepute sa lucreze intr-un domeniu limitat de valori pentru marimea fizica de intrare. In acest interval masurarea se face in conditii normale. Depasirea limitei maxime pentru marimea masurata are ca efect scaderea drastica a preciziei sau chiar distrugerea aparatului. In cazul in care nu cunoastem cu exactitate valorile marimii masurate se alege un aparat cu domeniu de lucru acoperitor; realizeaza posibilitatea selectarii gamei de valori masurate.

Sensibilitatea se evidentiaza prin aceea ca o aceeasi marime poate sa produca variatii diferite la marimea de iesire. Acest lucru se poate exprima matematic evaluand raportul dintre variatia marimii de iesire raportat la variatia marimii de intrare. ;

Daca aceasta variatie are o caracteristica liniara, sensibilitatea s este constanta pe tot domeniul. In cazul in care caracteristica este neliniara trebuie definita sensibilitatea in fiecare punct.

Din aceasta cauza constructorii apeleaza in general doar la captoare care au o caracteristica intrare-iesire de tip liniar.

Obs - tendinta generala in constructia aparatelor de masura este de a construi aparate cu sensibilitate cat mai ridicata. Odata cu cresterea sensibilitatii la marimea de masurat creste sensibilitatea si la influenta factorilor perturbatori. Ex : radio.

Liniaritatea se refera la forma relatiei de legatura dintre marimea de iesire si cea de intrare. Tendinta generala in constructia aparatelor de masura este de a construi aparate cu caracteristica liniara. Caracteristica liniara are avantajul posibilitatii interpolarii liniare intre 2 diviziuni ale aparatului de masura. Abaterea de la neliniaritate trebuie specificata in caracteristicile aparatului de masura. Exista 2 modalitati de definire a abaterii de la neliniaritate:

ca raport intre abaterea maxima si domeniul de referinta considerate pe aceeasi axa de coordinate;

ca valoare maxima a raportului dintre abatere si valoarea corespunzatoare marimii masurate.

a) ;

b).

Rezolutia si pragul de mobilitate sunt 2 caracteristici care se evidentiaza la variatia lenta a marimii de masurat. La cresterea foarte lenta a valorii marimii de masurat se observa ca numai dupa depasirea unei anumite valori are loc si o deviatie a aparatului indicator.

Rezolutia se defineste ca variatia minima a marimii de intrare care produce o variatie ce poate fi detectata la aparatul indicator.

Pragul de mobilitate se considera ca fiind valoarea minima a marimii de intrare ce poate fi masurata. Ambele se raporteaza in general la domeniul de masurare. Aceste erori apar datorita jocurilor intre elementele mobile si a fenomenului de frecare uscata.

Fidelitatea se evidentiaza prin determinarea valorii unei marimi la intervale apreciabile de timp in aceleasi conditii. Cu cat dispersia rezultatelor este mai mica cu atat aparatul are o fidelitate mai inalta. La baza erorilor de fidelitate stau fenomenele de histerezis, eroarea de paralaxa, eroarea de interpolare etc.

Justetea reflecta apropierea unui grup de masuratori de adevarata valoare a marimii masurate. Eroarea de justete se defineste ca diferenta intre valoarea adevarata si media aritmetica a grupului de masuratori efectuat.

Totalitatea abaterilor unui aparat de masura se evidentiaza printr-o caracteristica generala numita precizia aparatului care sintetizeaza toate erorile evidentiate anterior. Rezultatul global al tuturor erorilor formeaza eroarea de masurare. Pentru clasificarea aparatelor dupa erorile de masurare se defineste clasa de precizie a unui aparat. Clasele de precizie sunt standardizate.

Performante dinamice se pot evidentia teoretic pe baza modelarii matematice a relatiei de legatura dintre semnalul de iesire si cel variabil de intrare. Modelul matematic folosit trebuie sa evidentieze cele mai importante efecte fizice care se produc in aparatul de masura. In forma sa generala, modelul se bazeaza pe constatarea ca cele mai variate componente ale aparatelor si sistemelor de masurare produc efecte datorate:

elementelor acumulatoare de energie in sistemele mecanice, elementele elastice care sunt acumulatoare de energie potentiala si elemente inertiale care sunt acumulatoare de energie cinetica, corespunzator in electricitate avem condesatoarele ca acumulatoare de energie a campului electric si bobinele ca acumulatoare de energie a campului magnetic;

elementelor disipatoare de energie aici avem in mecanica rezistentele mecanice, hidraulice, penumatice, iar in electricitate rezistentele electrice. Aceste elemente sunt date de frecarile intre elementele mecanice in domeniul mecanic.

Actiunea fiecarui element din aceste categorii poate fi caracterizata printr-o relatie

intre 2 marimi fizice din care una principala notata cu X si o alta secundara notata cu Y in conditii dinamice cand aceste marimi depind de variabila timp, relatiile pot fi de forma:

;

;

;

;

;In domeniul mecanic:

X(F

;

X(F

;

Y(x

;

Y(w

;

;

;

In domeniul electric:

X(U

;

Y(q

;

;

;

.

Fiecare componenta a lantului de masurare poate cuprinde unul sau mai multe elemente din categoriile mentionate anterior care se pot reduce insa la cate un element echivalent corespunzator fiecarei categorii. In consecinta comportarea dinamica poate fi definita printr-o singura ecuatie de legatura intre semnalul de intrare exprimat prin marimea principala si semnalul de iesire exprimat prin marimea secundara.

Legaturile dintre marimile lantului elementelor componente se realizeaza facand apel la legile fundamentale corespunzatoare fiecarui domeniu. (legea echilibrului dinamic in mecanica, legile lui Kirchhoff ). In functie de modul de exprimare al relatiilor de legatura dintre X si Y rezulta o ecuatie de tip integral, integral-diferential, sau diferential. Se prefera scrierea sub forma diferentiala pentru care exista dezvoltata teoria matematica de rezolvare a relatiilor.

;

I termen evidentiaza capacitatea sistemului de acumulare a energiei cinetice;

Al II-lea - capacitatea sistemului de disipare al energiei;

Al III-lea capacitatea sistemului de acumulare a energiei potentiale;

Parametrii , , se numesc parametrii echivalenti caracteristici.

Daca un aparat sau o parte a acestuia au un comportament descris de o ecuatie diferentiala de ordinul II, sistemul de masurare este de ordinul II. Daca parametru poate fi neglijat, sistemul este descris de o ecuatie diferentiala de ordinul I si sistemul se numeste de ordin I. Daca si pot fi neglijate sistemul are un comportament ideal (de ordin 0), marimea de iesire Y urmarind la scara variatia marimii de intrare.

BCE curs 4

21.10.2009

;

, , parametrii caracterisitici;

Marimea de iesire inregistreaza in general variatii complicate adesea variatoare. Din acest motiv pentru analiza comportarii dinamice se studiaza cateva legi simple standard ale variatiei marimii de intrare.

a) variatia in treapta;

b) variatia in rampa;

c) variatia sinusoidala; (3 grafice)

Variatia de tip sinusoidal corespunde situatiei cand marimea de intrare are o

variatie periodica.

;

Solutia generala a unei ecuatii diferentiale este formata din 2 termeni .

- componenta statica este o solutie particulara a ecuatiei diferentiale;

- corespunde solutiei generale a ecuatiei omogene atasate.

In cazul in care se studiaza variatia sinusoidala a marimii de intrare, este tranzitorie componenta statica dupa stingerea celei tranzitorii ().

Sisteme de oridinul IEle se comporta dupa o ecuatie .

- constanta de timp;

- sensibilitate statica. =>.

;

;

.

;

c = k.

Sistemele de ordin I raspund la variatia in treapta.

;

=>ecuatia omogena atasata sistemului de ordin I.

;

;

- forma generala;

{t = 0

0=;

Constanta c se determina din conditiile initiale. {y = 0

e = -

- reprezentare grafica.

Un sistem de ordinul I reproduce comportarea marimii de intrare cu atat mai fidel cu cat constanta de timp este mai mica.

Revenind la exemplele din mecanica si electricitate avem :

M. comportarea este cu atat mai fidela cu cat caracteristica de frecare este mai mica si constanta arcului este mai mare.

E. cu cat rezistenta si capacitatea sunt mai mici cu atat comportamentul sistemului se apropie de comportamentul ideal.

Sisteme de ordin I la variatia in rampa.

;

;

;

;

;

;

;

Pentru a afla componenta tranzitorie se tine seama ca ecuatia caracteristica a sistemului de ecuatii omogene atasat este aceeasi ca la punctul precedent.

;

;

t = 0

0 = =>c = ;

y = 0

y =

EMBED Equation.DSMT4

EMBED Equation.DSMT4 .

La variatia in rampa a marimii de intrare, marimea de iesire are o ramanere in urma care tinde sa ajunga la o valoare constanta. Aceasta ramanere este constanta cu constanta de timp a sistemului.

Sisteme de ordin I la variatia sinusoidala.

Pentru efectuarea comoda a calculelor este avantajoasa scrierea marimilor de intrare cu ajutorul numerelor complexe.

;

- caracteristica numita pulsatie proprie, in consecinta forma generala:

;

;

;

- amplitudinea marimii de intrare;

1 - =;

;

;

- componenta statica a sistemului.

Odata cu cresterea a sistemului, amplitudinea marimii de iesire se apropie foarte rapid de 0.

Sisteme de oridinul II

;

- pulsatia proprie;

- constanta de timp;

- sensibilitate statica.

Astfel ecuatia generala devine:

;

;

;

;

;

;

;

;

c = k.BCE curs 5

22.10.2009

;

- ecuatia caracteristica ecuatiei omogene atasate.

.

.

a) sistem subamortizat;

;

b) sistem cu amortizare critica;

;

c)sistem supraamortizat;

;

a) ;

b);

c);

Constantele se determina impunand conditiile initiale:

La t = 0y = 0

= 0;

Metodologia de lucru este identica ca in cazul precedent.

Traductoare

Sunt elemente ale lantului de masurare care au rolul de a converti o marime (de intrare sau de masurat) intr-o marime de iesire, de alta natura care sa fie usor masurabila.

Convertirea are loc pe baza unei legi fizice.

Traductoarele sunt principalele elemente ale captoarelor. Un captor poate contine unul sau mai multe traductoare. In prezent in cercetarea experimentala se utilizeaza aproape in totalitate traductoare care convertesc marimea de intrare intr-o marime de natura electrica. Astfel de traductoare sunt numite traductoare electrice, doarece pe parcursul cursului vom face referire exclusiv la ele, le vom numi pe scurt traductoare.

Clasificare. Exista mai multe criterii de clasificare:

dupa natura marimii de iesire: - traductoare electrice;

- traductoare neelectrice;

dupa principiul de functionare : - traductoare generatoare care isi bazeaza functionarea, transformarea unei parti din energie semnalului de intrare intr-o energie de natura electrica (ex: traductoare fotoelectrice);

- traductoare parametrice care isi bazeaza functionarea pe modificarea sub actiunea marimii de masurat a unui parametru dintr-un circuit electric (ex: traductive, rezistive, capacitive); Aceasta categorie necesita o sursa auxiliara de energie.

dupa modul in care are loc transformarea marimii de masurat : - traductoare directe cand variatia marimii de masurat determina nemijlocit variatia marimii de iesire;

- traductoare complexe care elimina treptat influentele marimilor care nu sunt supuse masurarii si care determina transformarea succesiva in mai multe etape a marimii de intrare in semnal de iesire.

dupa forma semnalului de iesire: - traductoare analogice;

- traductoare digitale;

Traductoarele rezistive fac parte din grupa traductoarelor parametrice la care variatia marimii de intrare produce o variatie a rezistentei traductorului.

Cum rezistenta R = , corespunzator variatiei de rezistenta poate insemna variatia uneia dintre cei 3 factori.

=> Traductor potentiometric

Acest traductor se construieste sub forma unei rezistente pe care pulseaza un cursor preluand doar o parte din rezistenta potentiometrului R. Potentiometrul poate fi si circular.

Variatia tensiunii este proportionala cu deplasarea.

In cazul rezistentei bobinate, variatia de tensiune nu este continua cu deplasarea, ci in trepte. Marimea unei trepte este data de rezistenta unei spire.

Dezavantaj: apar scantei la trecerea de la o spira la alta. Aceasta este inlaturata de rezistentele chimice.

Traductoarele tensiometrice rezistive se mai numesc si traductoare tensio-rezistive, se utilizeaza pentru analiza explicita a tensiunilor pentru masurarea presiunilor, fortelor etc. Se bazeaza pe principiul variatiei rezistive a unui conductor atunci cand este supus unor eforturi de deformare longitudinala. Datorita faptului ca pentru a avea o sensibilitate cat mai mare, rezistenta acesteia trebuie sa fie cat mai mare. Firul trebuie sa fie de o lungime cat mai mare, cu o sectiune cat mai mica. Datorita faptului ca zona cercetata este mult mai mica in comparatie cu lungimea necesara firului traductorului, se construiesc sub forma de grila, montate pe un suport izolator pe care se monteaza un colector de legatura. Suportul poate fi din hartie sau textil imbibat cu rasine sau alte materiale sintetice izolante.

Constructia este sensibila la eforturi.

Sensibilitatea pe directie perpendiculara este sub 1-2% din sensibilitatea pe directia de masurare. In vederea micsorarii sensibilitatii pe directie transversala s-au dezvoltat traductoare cu folie in care zona sensibila este realizata pe cale chimica. Latimea zonei active este de ordinul zecilor de mm. Exista constructii capabile sa masoare eforturile dupa 2 sau 3 directii de masurare.

Schema are avantajul posibilitatii unei sensibilitati mai ridicate dar si posibilitati limitate de evacuare a caldurii.

Relatia de legatura intre alungirea de legatura si variatia de rezistenta este de forma.: , unde - este coeficient de sensibilitate al elementului sensibil care difera de constanta k, datorita zonelor de intoarcere ale firului.

Rezistenta este in general de ordinul sutelor de ohm si curentii care pot fi folositi sunt de ordinul mA, iar tensiunile de la 1-7 V.

Traductoare rezistive cu semiconductoare au acelasi principiu de functionare cu a traductoarelor tensiometrice rezistive. Sunt mult mai sensibile si au ca element principal un semiconductor.

;

Un astfel de traductor are o sensibilitate de aproximativ acelasi ordin de marime cu temperatura. Din acest motiv se construieste cel mai des in montaj diferential.

Traductoare fotorezistive isi bazeaza functionarea pe efectul fotoelectric intern.

Traductoare inductive fac parte din categoria traductoarelor parametrice, variatia marimii de masurat producand o variatie a inductantei traductorului. Se clasifica in traductoare simple si diferentiale. Astfel de traductoare sunt sensibile la variatia temperaturii. O imbunatatire considerabila a comportarii la variatia temperaturii se realizeaza prin montaje diferentiale.

Clasificare:

cu inductanta variabila - cu miez mobil;

- cu bobina mobila;

cu reductanta variabila - cu armatura mobila;

- cu bobina mobila;

cu inductanta mutuala variabila;

cu pierdere variabila de fier.

BCE curs 6

28.10.2009Traductoare inductive cu inductanta variabila - sunt printre cele mai raspandite traductoare inductive. Sunt construite sub forma uneia sau a 2 bobine dispuse pe un suport cilindric prin care se deplaseaza un miez mobil din material fero-magnetic.

Variatia inductantei cu deplasarea este puternic neliniara si din acest motiv o astfel de constructie se utilizeaza foarte rar.(pentru deplasari foarte mici, interval in care variatia poate fi considerate liniara).

O constructie cu 2 bobine in montaj diferential imbunatateste substantial liniaritatea legaturilor dintre variatia inductantei si deplasarii.

Liniaritatea in acest caz se imbunatateste foarte mult (pe un domeniu de deplasare mult mai mare) si se anuleaza efectul datorat variatiei de temperatura, ambele bobine lucrand la aceeasi temperatura.

Aceste traductoare sunt cele mai fiabile si se construiesc intr-o gama foarte larga de tipo-dimensiuni, de la ordinul mm pana la sutelor de cm.

Traductoare inductive cu reductanta variabila se mai numesc si traductoare cu armatura mobila. Acestea folosesc elemente sensibile cu intrefier, respectiv modificarea grosimii acestuia odata cu deplasarea piesei a carei deplasare se masoara. Aceste traductoare folosesc de fapt proprietarea miezurilor (armaturilor), bobinelor mult mai mare in comparatie cu cea a aerului.

;

- reductanta magnetica;

;

- permeabilitatea magnetica a materialului fero-magnetic;

- aria sectiunii in miezul de fier;

- marimea intrefierului;

- permeabilitatea magnetica a aerului;

- lungimea circuitului magnetic in zona armaturii;

- aria sectiunii intrefierului.

Deoarece

EMBED Equation.DSMT4

EMBED Equation.DSMT4 ;

;

.

Si in acest caz dependenta este de asemenea neliniara. Spre deosebire de cazul anterior, aceasta constructie este folosita mai des pe intervale pe care se poate considera variatie liniara.

Din aceleasi considerente de imbunatatire a liniaritatii se utilizeaza un montaj diferential.

Graficul este caracteristic deplasarilor mici. In foarte multe aplicatii armatura mobila este chiar piesa a carei deplasare se masoara. Exista o varietate de constructii de armaturi pe care se aseaza bobinele pentru a le putea face cat mai adecvate anumitor aplicatii.

Traductoare reductive cu inductanta mutuala variabila se mai numesc si traductoare cu transformator diferential. Se construiesc sub forma unor transformatoare cu miez mobil care modifica factorul de cuplaj intre primar si secundar.

Intervalul de variatie este limitat de aparitia zonelor de saturatie ale tensiunilor.

Tensiunea de iesire = tensiunea de intrare.

Amplitudinea este proportionala cu deplasarea miezului.

Traductoare inductive cu pierderi variabile in fier se construiesc sub forma unor bobine cu miez mobil care sunt introduse intr-un circuit oscilant. Cu cat miezul din materialul fero-magnetic patrunde mai adanc in interiorul bobinei, pierderile in fier cresc si amplitudinea oscilatiilor circuitelor scade.

Filtrand in mod corespunzator tensiunea de iesire obtinem un semnal proportional cu deplarea miezului. Liniaritatea este relativ scazuta, motiv pentru care acest tip de traductor se foloseste pentru deplasari mici.

Traductoare capacitive (categorii parametrice) convertesc variatia marimii de masurat in variatia capacitatii unui condensator aflat intr-un circuit. Condensatoarele pot fi plane si cilindrice.

Desi au o constructie simpla, ponderea acestora este limitata datorita complexitatii circuitelor electrice necesare. Reactanta capacitiva a unui astfel de circuit este foarte mare in comparatie cu celelalte traductoare parametrice. Deasemenea masurile de securitate necesare cazului cand accidental armaturile vin in contact, complica deasemenea constructia circuitului electric.

Traductoare (generatoare) piezo-electrice constructia lor se bazeaza pe proprietatea pe care o au anumite materiale denumite piezoelectrice, de a genera o sarcina electrica atunci cand sunt supuse unor solicitari mecanice. Cel mai adesea astfel de materiale sunt supuse unor solicitari de compresiune generandu-se sarcini electrice la suprafata materialelor. Introducand cele 2 suprafete ale materialului intr-un circuit electric se genereaza o tensiune proportionala cu forta de compresiune.

Dintre materialele piezoelectrice: cuart, materiale cristaline sintetice, piezo-ceramice (titanat de bariu).

Dintre traductoarele generatoare, traductoarele piezoelectrice au sensibilitatea cea mai ridicata si nu mai e necesara amplificarea semnalului.

Dezavantaje:

in vederea asigurarii preciziei masurarii este necesara o precomprimare initiala.

Traductoare fotoelectrice

Cele mai utilizate sunt celulele electrice cu vid si fotomultiplicatoare. Celulele

fotoelectrice cu vid se construiesc sub forma unui anod si a unui catod ce sunt inglobate intr-o incinta vidata transparenta.

Cand se trimite un fascicul luminos asupra catodului, acesta emite electroni ce sunt captati de anod. Introducand anodul si catodul intr-un circuit electric rezulta un curent proportional cu intensitatea fluxului luminos. Catodul se executa din compusi de argint cesiu. Anodul se construieste sub forma unei vergele sau inel amplasat central in tub.

Pentru cresterea sensibilitatii se intalnesc constructii compacte de mai multe fotocelulce pentru acelasi flux luminos.

Traductoare integrate (Nu se da la colocviu ! ! !)

Avantaje:

productia acestora se poate dezvolta usor in serie mare sau masa, ceea ce permite realizarea cost/bucata foarte mica;

tehnologiile de microelectronica permit realizarea de traductoare de complexitate foarte ridicata si care pot ingloba si circuite de conditionare, de conversie, microprocesoare;

deoarece conexiunile intre diferite module lipsesc, creste imunitatea la perturbatiile exterioare;

flexibilitatea este foarte ridicata, consumul de putere foarte redus. Posibilitatea cuplarii mai multor unitati in acelasi circuit pentru imbunatatirea sensibilitatii si liniaritatii.

Dezavantaje:

domeniu de lucru limitat intre -2-+100 sau -100-+200;

in general un anumit tip de traductor integrat functioneaza intr-un domeniu mult mai restrans;

sunt mai sensibili la actiunea unor factori exteriori energici.

Circuite electrice pentru conectarea

Aparatele folosite pentru masurarea parametrilor necesita un semnal de intrare mult mai mare decat cel primit de la un traductor. Din acest motiv la conectarea in circuitul de masurare folosim diverse montaje care sa mareasca sensibilitatea captorului si precizia masurarii. Circuitele folosite curent la montarea traductoarelor sunt:

circuitul simplu sensibil la curent;

circuitul divizor de tensiune;

circuitul in punte Whatstone (cel mai folosit). Confera urmatoarele avantaje:

(o mai mare varietate de posibilitati de aranjare a circuitelor;

(eliminarea influentei variatiilor datorate temperaturii;

(posibilitatea separarii componentelor statice de cele dinamice;

(eliminarea completa a influentei datorate conductorilor de legatura. BCE curs 7

29.10.2009(continuare)

Puntea Whatstone poate fi alimentata in curent continuu sau alternativ. Fiecare din variante prezinta avantaje si dezavantaje.

Alimentarea cu curent continuu.

Avantaje:

permite o echilibrare simpla, usoara, doar de tip rezistiv;

permite masurarea marimilor dinamice cu frecvente oricat de mari.

Dezavantaje:

influenta curentilor din lipiturile cablurilor de legatura;

costul ridicat a unui generator de curent continuu cu tensiune stabila;

Alimentarea cu tensiune alternativa.Dezavantaje:

echilibrarea trebuie facuta atat rezistiv cat si capacitiv;

frecventa semnalului masurat este limitata la 20% din frecventa tensiunii de alimentare;

Avantaje:

constructia este mai ieftina;

se elimina influentele curentilor din lipiturile conectorilor de legatura.

In CM se utilizeaza frecvent tensiometre cu frecventa de alimentare pentru punte

de 5 kHz, ceea ce permite masurarea marimilor dinamice cu frecvente de pana la 1000 Hz. Se utilizeaza si frecvente de alimentare mult mai mari.

Puntea Whatstone

Rezistentele active se monteaza pe laturile unui patrulater, pe o diagonala se alimenteaza cu o tensiune I, pe cealalta diagonala se introduce un aparat de masura. Cunoscand , ,,, tensiunea U si curentul I, aplicand legile lui Kirchhoff, se determina curentul

din diagonala de masurare: .

Observatie: la echilibru curentul = 0 implica .

Pentru realizarea echilibrului se modifica controlat una din cele 4 rezistente sau se introduce intr-un nod un reostat cu rezistenta variabila. Orice modificare suferita de una din cele 4 rezistente va afecta starea de echilibru, astfel ca va aparea un curent in diagonala de masurare. Situatia este similara in cazul impedantelor. Calculele urmeaza acelasi traseu inlocuind rezistentele cu impedantele: Z=R+jL.

. (produsul rezistentelor de pe laturile opuse sunt egale).

Metodele de masurare cu ajutorul acestei punti sunt:

1) Metoda puntii echilibrate. Initial puntea este echilibrata, ceea ce inseamna ca

= 0, respectiv . Daca o rezistenta isi modifica valoarea, atunci in bratul opus acesteia se poate modifica rezistenta in mod controlat pana cand se ajunge din nou la echilibru. Echilibrarea ulterioara a puntii se poate realiza prin 2 metode:

folosind o rezistenta aditionala montata in paralel cu rezistenta . Aceasta metoda se aplica mai rar, doar la etalonari de rezistente sau la determinarea constantelor traductoarelor;

introducerea unui potentiometru intr-un nod, astfel incat sa putem masura pozitia cursorului potentiometrului la echilibru. Se aplica mai des.

Pentru simplificarea calculelor putem presupune ca la echilibrul initial cursorul se gaseste in punctul a.

Conditia I - ;

;(1) (se modifica pozitia cursorului pana cand vom avea

din nou echilibru).

Conditia II - ;

; (2)

=>

=>.

Pozitia cursorului poate fi determinata direct in unitati ale marimii de masurat dupa operatia de etalonare. Se demonstreaza ca acelasi efect este si pentru cazul variatiei celorlalte rezistente din punte.

2) Metoda puntii dezechilibrate. Si in acest caz este necesara echilibrarea initiala a

puntii. Ca urmare a influentei variatiei marimii de masurat (ceea ce implica o variatie a unei rezistente din punte), puntea se va dezechilibra aparand un curent . Daca pe diagonala de masurare se introduce un aparat de masura cu impedanta mica, se masoara intensitatea curentului . Constructiile moderne de punti tensiometrice implica sau realizeaza aparate de masura cu impedanta foarte mare astfel ca este de preferat masurarea variatiei de tensiune de pe diagonala de masurare. Curentul care trece prin diagonala de masurare este neglijabil.

;

;

;

;

;

;

=>

==>

;

.Variatia tensiunii masurate este proportionala cu variatia rezistentei . Variatia tensiunii masurate depinde de tensiunea de alimentare. Putem etalona aparatul de masura direct in unitati ale marimii de masurat.

3) Metoda puntii de referinta. Este o metoda de 0, la care echilibrarea puntii de masura nu se realizeaza printr-o rezistenta variabila, ci prin introducerea unui semnal egal si de sens opus cu cel realizat de marimea de masurat.

Rezistentele si de tip potentiometric, au rolul de a asigura egalitatea precisa a tensiunilor de alimentare a celor 2 punti. Potentiometrul din nodul a puntii I are rolul de a echilibra initial puntea. Daca marimea de masurat actioneaza asupra rezistentei din prima punte, pentru echilibrare, rezistenta se modifica controlat pana cand prin diagonala de masurare nu mai circula curent. Cunoscand valoarea marimii care a produs variatia lui se determina valoarea marimii care a produs deformatia sau variatia rezistentei .

Conectarea traductoarelor in punte.

Din analiza comportarii variatiei rezistentelor , ,,, ale puntii se deduc 2 concluzii importante:

variatia rezistentelor in 2 brate opuse se aduna;

variatia rezistentelor in 2 brate adiacente se scade.

Pentru cresterea sensibilitatii circuitului de masura, 2 variatii de acelasi fel ale

marimii de masurat se pozitioneaza in 2 brate opuse, dublandu-se sensibilitatea puntii.

Daca aceeasi marime produce efecte egale si de semne contrare in 2 traductoare, acestea se monteaza in 2 brate adiacente dublandu-se sensibilitatea.

Montajele pot fi in sfert de punte (cu un singur element activ), in semipunte (cu 2 elemente active) si in punte completa (cu 4 elemente active).

Tensiometrul care realizeaza alimentarea si masurarea, completeaza dupa caz puntea.

.

In acest caz variatia tensiunii masurate este un sfert din variatia rezistentei.

.

si au variatii de semne contrare. In cazul in care variatiile de rezistenta sunt de acelasi semn rezistorii se monteaza in 2 brate opuse.

.

BCE curs 8

04.11.2009Compensarea efectului variatiei de temperatura asupra rezistentei traductorului

Variatia rezistentei unui traductor cu temperatura, provoaca o variatie a semnalului ce insoteste semnalul corespunzator marimii de masurat. Cand exista posibilitatea compensarii acestei influente (cazul montajului in sfert de punte) este necesar sa inlaturam acest efect prin alte metode. Cele mai folosite metode sunt:

cu traductor de compensare folosirea traductoarelor de compensare implica

utilizarea unui traductor identic cu cel activ montat intr-o zona in care sa avem aceeasi temperatura cu cea din zona traductorului activ.

cu traductor autocompensat traductorul autocompensat implica folosirea unui

traductor construit din materiale speciale care sunt insensibile de variatiile rezistentei cu temperatura. Ca dezavantaj: costul ridicat al unor asemenea traductoare.

Aparate pentru masurarea, vizualizarea si inregistrarea variatiei in timp a marimilor electrice

In functie de mai multe situatii este necesar sa vizualizam variatia de temperatura a unei marimi pentru a ne putea forma o idee asupra dinamicii acesteia. In situatia in care variatia in temperatura este foarte mare, este necesara inregistrarea acestei variatii si studierea ei ulterioara folosind o baza de timp mult mai mare.

De-a lungul timpului, functie de progresul tehnic s-au dezvoltat foarte multe tipuri de operatii de vizualizare si inregistrare.

Dupa principiul de functionare:

inregistratoare electro-magnetice;

inregistratoare magnetice.

Osciloscoape electro-magnetice se folosesc la inscrierea grafica automata pe un suport fizic al variatiei unor procese lente.

Inregistratoare grafice: - cu actiune directa (Y=Y(t));

- compensare automata (Y=f(x)).

Banda de frecventa este sub 10 Hz.

Inregistratoarele magnetice sunt:

cu inregistrare directa care mergeau pana la 50 000 Hz;

modulatii de frecventa care mergeau pana la 40 000 Hz.

Osciloscoape:

de uz general pana la 1 MHz;

cu esantionare pana la 20 MHz;

cu memorie care mergeau pana la Hz.

Modalitatea de inscriptionare este foarte diversa:

cu inregistrator cu cerneala pe suport hartie;

inscriere prin imprimare cu suport detasabil (gen indigo);

inscriere prin zgariere prin hartie cerata;

inscriere prin topire a unui strat de adaos;

inscrierea prin scantei;

prin volatizarea unui strat de adaos;

inscriere prin impresionare fotografica folosind ca suport un film fotosensibil care era impresionat de un fond luminos.

Aparate inregistratoare magnetice (magnetofoane industriale)

=A sin t;

U=-k=-k A cos t.

Magnetofoanele industriale nu favorizeaza nici o frecventa din domeniul de lucru si isi limiteaza amplificarea la 30-40 decibeli. Constructiile moderne de magnetofoane industriale permit inregistrare simultana a 4 pana la 14 semnale si redarea lor cu viteze diferite. Se lucreaza cu frecvente de pana la 40 KHz.

Osciloscoape catodice

Osciloscopul este un instrument de masura care converteste tensiunea electrica intr-un semnal optic inscriptibil pe ecranul unui tub catodic.

Tensiunea electrica variabila realizeaza deviatia unui fascicul de electroni pe ecranul tubului.

Ca tensiune de baza se foloseste o variatie liniara periodica de tip dinti de fierastrau, ce permite deplasarea pozitiei spatiului pe orizontala dand impresia astfel a unei linii continue pe ecran.

In cazul semnalelor periodice datorita posibilitatii variatiei tensiunii elementare de baza se poate ajunge ca spotul sa parcurga acelasi drum la fiecare perioada rezultand o curba de variatie a marimii masurate in interval de o perioada.

Permite masurarea cu o precizie relativ scazuta a marimii amplitudinii semnalului, in schimb, darorita absentei inertiei se pot masura semnale periodice cu frecventa foarte ridicata.

Osciloscopul este un aparat foarte raspandit la cercetarea marimilor dinamice datorita unor proprietati cum ar fi:

sensibilitatea foarte ridicata (osciloscopul este unul dintre cele mai sensibile aparate);

banda de frecventa foarte larga;

impedanta de intrare foarte mare;

posibilitatea sincronizarii bazei de timp cu fenomenul studiat;

posibilitatea masurarii unor valori instantanee;

posibilitatea memorarii sau fotografierii;

posibilitatea studierii simultane a 2 sau mai multe semnale;

comoditatea lucrului.

Aplicatiile osciloscopului catodic derivate din constructia lui

Poate fi folosit ca: ampermetru, voltmetru, pentru masurarea defazajului, pentru masurarea caracteristicilor impulsurilor. Este unul dintre cele mai utilizate si mai scumpe aparate.

In prezent se dezvolta puternic achizitia de date dintr-un experiment cu ajutorul placilor de achizitie de date. Aceste placi permit transmiterea informatiilor obtinute unor calculatoare ceea ce implicit asigura posibilitati multiple de stocare si prelucrare a informatiei.

Metode de masurare folosite in constructia de masini

Metode si mijloace de masurare a deplasarilor.

Miscarile pe care le poate efectua un mecanism sunt de o mare diversitate de la miscari de translatie si rotatie la miscari complexe care contin mai multe rotatii si mai multe translatii simultan.

Pentru ca miscarile de masurat sa nu fie influentate de aparate de masura, este necesar ca masa partii mobile a traductoarelor sa fie cat mai mica in raport cu masa pieselor in miscarea studiata.

Fortele de interactiune implicate de aparatele de masura trebuie sa fie cat mai mici.

In cazul miscarilor complexe singura metoda variabila este cinemetografierea evolutiei sistemului si redarea acestuia cu viteza mult mai mica.

Pentru masurarea marimilor cu dinamicitate ridicata se folosesc cu precadere mijloace electrice si electronice de masurare, fara legatura directa cu piesa a caror mijloace se masoara. Acest mod de lucru permite si transmiterea comoda la distanta a semnalului metrologic. BCE curs 9

05.11.2009Masurarea deplasarilor cu traductoare potentiometrice

Se construiesc sub forma unor bobine infasurate pe un suport rectiliniu sau circular dupa caz. Pe infasurarea bobinei se deplaseaza un cursor. Tensiunea la cursor este proportionala cu deplasarea x, respectiv rotatia .

In realitate variatia tensiunii masurate are aceasta forma:

, unde corespunde caderii de tensiune pe o spira.

Pentru masurari precise este necesar ca firul din care este confectionata bobina sa aiba o variatie a rezistentei cu temperatura cat mai mica.

Precizia unor astfel de traductoare este destul de redusa si mai prezinta si alte dezavantaje cum ar fi:

colectorul poate provoca curenti paraziti, datorita scanteielor care apar la trecerea de la o spira la alta, iar fiabilitatea acestora este scazuta;

se folosesc putin in cercetarea experimentala.

Masurarea deplasarilor cu traductoare rezistive.

Se utilizeaza in special la masurarea deplasarilor mici si la controlul dimensional.

Suportul traductoarelor este o lamela elastica incastrata. Deplasarea pe o directie anume produce efecte diferite.

Cu astfel de traductoare se poate realiza si masurarea vitezei unghiulare (sau a

unghiului de rotatie).

De capatul unei tije elastice incastrate, se ataseaza un fir inextensibil care se roteste partial in jurul piesei, a carui rotatie se masoara.

Puterea de rezolutie ajunge la 0,2 %.

Masurarea deplasarilor cu traductoare inductive.

Cele mai folosite sunt traductoarele diferentiale cu inductanta variabila si cele cu reductanta variabila diferentiala.

Precizia unui astfel de traductor este in directa legatura cu eroarea de la coaxialitate dintre axa bobinei si axa miezului. Cu astfel de traductoare se pot masura deplasari de ordinul zecimilor de mm pana la deplasari de ordinul sutelor de cm. Sunt printre cele mai fiabile traductoare. Eroarea de liniaritate este de sub 1%. Pentru masurari precise se poate limita cursa astfel incat eroarea de liniaritate sa fie practic neglijabila.

Masoara dimensiuni cu precizie de 0,5 . Se mai numeste si micrometru inductiv. Constructia este simpla si fiabila.

Masurarea deplasarilor cu traductoare capacitive.

Elementul activ poate fi un condensator cilindric sau unul plan. Deplasarea armaturii din interiorul condensatorului cilindric trebuie sa fie riguros pozitionata dupa axa armaturii exterioare. Atingerea accidentala a celor 2 armaturi poate provoca distrugerea aparatului de masura.

La condensatoarele de tip plan exista 3 posibilitati de masurare a deplasarii:

;

;

;

.

Aceste condensatoare necesita un circuit de intrare complex in aparatul de masura. Se foloseste pentru masurarea deplasarilor de ordinul mm pana la zecilor de mm. Aplicatiile practice ale condensatoarelor care implica variatia distantei dintre armaturi, folosesc constructii diferentiale pentru imbunatatirea liniaritatii.

Montaje diferentiale.

Condensatorul este format din armatura 1 fixa si armatura 2 mobila, iar este format din armatura 2 fixa si armatura 3 mobila.

Condensatoarele si completeaza puntea Sauty.

Condensatorul are rolul de a realiza echilibrarea initiala.

Precizia unui astfel de manometru ajunge la 0,1.Masurarea deplasarilor cu traductoare electro-optice ele functioneaza pe principiul deflectiei prin care se deviaza traiectoria unui fascicul de electroni intr-un tub catodic, folosind un camp magnetic.

Tubul catodic emite un fascicul de electroni transformat in fascicul luminos concentrat prin intermediul sistemelor de lentile la nivelul muchiei piesei aflate in miscare. In cazul in care piesa de exemplu se deplaseaza in sus, spotul luminos ajunge pe partea verticala a muchiei si este reflectat la un tub fotocatodic, acesta emitant o tensiune . Aceasta tensiune este amplificata la valoarea si se suprapune peste tensiunea de alimentare a bobinelor de deflexie pe verticala determinand deplasarea spotului in sus micsorandu-se astfel . Putem spune ca spotul urmareste muchia piesei, iar tensiunea este proportionala cu deplasarea piesei.

Masurarea deplasarilor cu traductoare pneumatice se folosesc pentru masurarea deplasarilor mici si foarte mici. Au o precizie ridicata si sunt relativ ieftine. Necesita o sursa de presiune constanta.

Fluidul aflat la presiunea p=ct trece prin jicloarele si . In fata primului jiclor sta o clapeta care se deplaseaza proportional cu marimea care se deplaseaza (variaza). Presiunea in cilindrul intermediar este in directa legatura cu pozitia clapetei, iar in limite mici, proportionala cu deplasarea clapetei. Precizia de masurare este de ordinul mm.

BCE curs 10

11.11.2009Metode si mijloace de masurare a vitezelor si turatiilor

Vitezele se pot masura prin mijloace directe cu captori formati din traductori de viteze sau prin derivarea relatiilor de dependenta a deplasarii cu timpul. Se pot masura atat viteze corespunzatoare deplasarilor rectilinii cat si viteze unghiulare corespunzatoare vitezei de rotatie. Viteza poate fi masurata ca viteza instantanee sau se pot masura viteze medii corespunzatoare deplasarilor intr-un interval de timp cunoscut.

;

;

Masurarea vitezei de translatie.Cele mai folosite metode utilizeaza traductoare bazate pe fenomenul inductiei magnetice. Un conductor care se deplaseaza in interiorul unui flux magnetic variabil induce in el o tensiune U =,

N numarul de spire din interiorul unei bobine.

Fluxul , atunci U=.

Pentru cresterea sensibilitatii o solutie este cresterea numarului de spire, rezulta ca traductorii se construiesc sub forma unor bobine. Numarul de spire este limitat de cresterea corespunzatoare a rezistentei bobinei. Din aceasta cauza se prefera o constructie cu 2 bobine montate pe aceeasi carcasa cu sensuri diferite, in montaj diferential.

Rezistentele sunt cuprinse intre 0.5-30 k. Fluxul magnetic este generat cu ajutorul unor magneti permanenti. Se masoara viteza corespunzatoare unor deplasari cuprinse intre 2-200 mm. Pentru masurarea vitezelor de translatii medii se masoara timpul in care are loc o deplasare de marime cunoscuta.

De piesa a carei deplasare se masoara se solidarizeaza o tija care are dispuse la intervale egale materiale feromagentice. La trecerea acestora prin dreptul unei bobine se produce o variatie importanta a inductiei acesteia. Daca se masoara pe un oscilograf variatia inductantei, se poate determina intervalul de timp intre 2 impulsuri succesive.

In cazul b) impulsul este generat de un fascicul de lumina care actioneaza asupra unei celule fotoelectrice.

In locul gaurilor pe tija se poate monta si oglinzi reflectorizante.

Masurarea vitezei in miscarea de rotatie.

Este una din cele mai utilizate masurari in constructia de masini. Rezultatul se exprima in rot/min, atunci cand se masoara turatia.

Traductoarele care masoara viteza de turatie se numesc tahometre. Cele mai intalnite sunt:

tahometrele generatoare;

tahometrele de impulsuri;

tahometrele de inductie;

tahometrele mecanice;

tahometrele stroboscopice;

Tahometrele generatoare de curent continuu este construit sub forma unui

microgenerator de curent continuu cu magneti permanenti. Functionarea se bazeaza pe principiul electromagnetic, astfel ca semnalul generat este proportional cu viteza unghiulara a piesei. Semnalul rezultat este liniar pe toata gama de turatii. Se permite masurarea sensului de rotatie.

Tahometre generatoare de curent alternativ - isi bazeaza constructia tot pe

fenomenul inductiei electromagnetice; din punct de vedere structural tahometrul este o masina electrica de curent bifazic si rotor in scurtcircuit. Una din faze este alimentata cu curent alternativ, iar la bornele celelalte se obtine o tensiune electromotoare indusa cu aceeasi frecventa cu tensiunea de alimentare, dar a carei amplitudine este proportionala cu viteza de rotatie a arborelui. Domeniul maxim de utilizare este limitat de rezistenta tensiunii de alimentare.

Tahometru cu curenti turbionari are rotorul construit dintr-un magnet permanent

care se misca in interiorul unei carcase masive, inducand in aceasta curenti turbionari. Acesti curenti interactioneaza cu campul magnetic producand un cuplu de rotatie proportional cu viteza relativa camp-carcasa. Acest tahometru are avantajul ca nu necesita sursa de energie auxiliara. Se utilizeaza frecvent pentru masurarea turatiei la autovehicule.

Miscarea de rotatie care trebuie masurata este transmisa unui ax, care are dispusi

magnetii 1 in interiorul unui clopot 2 solidar cu axul 5 si acul indicator 6. Campul magnetic creat de magnetii 1, induce curenti turbionari in clopotul 2. Acesti curenti interactioneaza cu campul magnetic reflectat de inelul 3, conducand un cuplu de forte proportional cu turatia arborelui. Corpul fix 4 are la partea superioara o scara gradata 7 in fata careia se deplaseaza acul indicator 6. Scara este gradata direct in unitati de masura ale turatiei. Precizia este de 1-2%.

Tahometre cu impulsuri. se bazeaza pe principiul numararii impulsurilor.

Numararea se realizeaza cu traductoare de proximitate. Astfel de tahohometru este construit dintr-un disc solidar a carei turatii se masoara. Frecvent acest disc poate fi o roata dintata sau o alta piesa cu o utilitate practica montata solidar cu arborele. La fiecare trecere a unui reper pe acel disc se furnizeaza un impuls detectorului de proximitate. Frecventa acesor impulsuri este data de relatia: ,

n numarul de turatii;

z - numarul de repere.

Tahometru mecanic isi bazeaza constructia pe o legatura dintre forta de inertie

la miscarea circulara si viteza.

Corpul 1 este solidar cu miscarea de turatie a carei turatie se masoara. De acest

corp se ataseaza masele 2 prin intermediul parghiilor 3. Cresterea fortei centrifuge implica comprimarea arcului si deplasarea tijei 9 in sus. De tija este atasat acul indicator 7 care se deplaseaza in fata unei scari gradate 8. Amortizorul 6 are rol de a atenua miscarile de deplasare ale tijei 9. Pentru ca aceasta caracteristica a acestui aparat sa fie liniara este necesar ca sa folosim un arc 4 cu caracteristica similiara (paraconica) cu o variatie a fortei centrifuge.

Tahometre stroboscopice isi bazeaza functionarea pe fenomenul stroboscopic care consta in imobilizarea aparenta a miscarii prin iluminarea cu o lampa stroboscopica. Atunci cand frecventa de iluminare corespunzatoare cu frecventa de rotatie a arborelui, rezulta o senzatie de imobilizare a arborelui, deoarece ochiul uman percepe in permanenta aceeasi pozitie a arborelui. Pentru usurinta masurarii, pe arbore se marcheaza o generatoare. Pentru masuratori se utilizeaza o lampa stroboscopica cu frecventa de iluminare variabila si masurabila. Pentru masurare se modifica frecventa lampii pana cand apare senzatia de imobilitate a arborelui. In acest moment n = .

Daca turatia n a arborelui este mare si necesita o frecventa de iluminare a lampii mare, ochiul percepe o imagine continua, si in acest caz este posibila masurarea. Mentine frecventa de iluminare sub zona de aparitie a miscarii si o reglam pana apare senzatia de imobilitate. In acest timp arborele a facut N rotatii.

Turatia se masoara cu relatia: .

Cu ajutorul lampii se poate masura doar turatia constanta.BCE curs 11

12.11.2009Metode si mijloace de masurare a fortelor si momentelor

Captoarele pentru masurarea fortelor se numesc manometre. Exista o gama foarte larga de constructii de captoare. Un criteriu de clasificare se refera si la tipul de forta masurata:

pe o singura directie;

pe mai multe directii (cunoscute sau necunoscute).

Clasificarea dinamometrelor:

a) Dupa tipul semnalului rezultat sunt:

dinamometre electrice - (dinamometre cu traductoare generatoare si traductoare parametrice);

dinamometre neelectrice.

Dinamometre cu traductoare generatoare

Traductoare piezoelectrice isi bazeaza constructia pe fenomenul piezoelectric care consta in aparitia unor sarcini electrice la nivelul materialului piezoelectric cand sunt supuse unor forte de compresiune. Dinamometrele care au la baza acest principiu necesita o precomprimare a materialului piezoelectric.

Instalatia de conectare la circuitul electric implica un condensator montat in serie cu bornele de legatura si o rezistenta echivalenta pierderilor in materialul dielectric al condensatorului. Din punct de vedere constructiv, constructia captorului impune posibilitatea realizarii unei prestrangeri prealabile a pastilelor piezoelectrice.

Dinamometre cu traductoare cu inductie remanenta variabila

Aceste traductoare folosesc proprietatile unor materiale magneto-strictive de a-si schimba proprietatile magnetice sub actiunea unei forte. Daca aceste materiale constituie miezul unei bobine, inductanta ei variaza cu forta. Se folosesc pentru masurarea fortelor mari si foarte mari. Permit masurarea fortelor in regim dinamic, caz in care se folosesc materiale magneto-strictive cu ferida.

Dinamometre cu traductoare tensorezistive

La asemenea dinamometre masurarea fortei implica masurarea deformatiei produsa de aceasta prin intermediul traductoarelor rezistive. Marcile tensometrice se aplica pe orice zona unde deformatiile sunt maxime astfel incat sensibilitatea dinamometrului sa fie cat mai mare.

- sunt solicitate la intindere.

In vederea asigurarii coaxialitatii elementului elastic cu directia fortei dinamometrice se construiesc cu zone de actiune sferice. Sunt protejate elementele sensibile cu carcase de protectie. Firmele constructoare cu astfel de captoare realizeaza dinamometre pentru diferite domenii de lucru. Intre 1.1000 N, pana la dinamometre (N). Fortele se aplica pe butonul de apasare. Exista costructii de captoare care au elemente elastice solicitate atat la intindere cat si la compresiune.

Lamelele elastice 1 sunt incastrate in corpurile rigide 2. O forta de compresiune F produce intindere in si si compresiune in si .

O larga raspandire o au traductoarele care au elementul elastic sub forma de inel.

Dinamometre cu traductoare bazate pe variatia rezistentei de contact

Pastilele conductoare isi modifica rezistenta de contact odata cu modificarea fortei de compresiune. Sunt simple constructiv, histerezis mare (dezavantaj). Acest dezavantaj este inlaturat in constructiile de tip diferential.

Pastilele din grafit 1 sunt comprimate cu ajutorul surubului 2 in interiorul tubului 3 si al capacului 5. Lamela elastica 4 incastrata in dinamometru transmite forta F prin tija 6 celor 2 pachete de pastile. Actiunea fortei are efect diferit in pastilele de grafit. Rezistenta celor 2 pastile este variabila cu forta si se monteaza intr-un montaj de tip semipunte. Dinamometre cu traductoare inductive se bazeaza ca principiu pe masurarea deformatiilor cu un element elastic cu ajutorul traductoarelor inductive.

BCE curs 12

18.11.2009Masurarea fortelor dupa 2 sau 3 directii

Se aplica atunci cand forta are o directie necunoscuta in plan sau in spatiu. Prin compunerea componentelor fortei se determina valoarea efectiva a fortei, directia, si sensul acesteia.

Problema principala in cazul unor astfel de captori este eliminarea influentei celorlalte componente cand se masoara una din ele. De exemplu, in plan, daca folosim captor pentru masurarea componentei , variatia lui nu trebuie sa influenteze valoarea componentei .

Cu un astfel de traductor se poate determina fiecare componenta la rectificare plana stiut fiind ca in acest caz componenta (pe directia de avans) este neglijabila.

Masurarea momentelor de rasucire la arborii de rotatie

Un arbore montat intre un generator si un consumator de energie este supus unui moment de torsiune. Masurarea acestui moment este o problema importanta in constructia de masini pentru a putea dimensiona corect arborii.

Pentru determinarea experimentala a momentelor de rasucire exista din punct de vedere principial 2 metode:

1) Se masoara momentul de rasucire prin masurarea deformatiilor elastice a arborelui produsa de acest moment.

2) Generatorul sau consumatorul se monteaza pe lagare si se masoara forta de reactiune pe un brat de lungime cunoscuta.

Cea de-a 2-a metoda este mai putin folosita in cercetarea experimentala si mai

mult la masurarea puterii motoarelor.

a) Prima metoda are 2 variante:

b) se masoara deformatia unghiulara cu care se rotesc 2 sectiuni ale arborelui aflata la o distanta L cunoscuta;

c) se masoara deformatia locala la exteriorul arborelui sub actiunea momentului de torsiune.

Prima varianta are la baza relatia: .

Prima varianta este mai putin folosita datorita dificultatilor de masurare a

unghiului necesitand aparatura electronica complexa.

Varianta b) este mai simpla si permite montarea marcilor tensiometrice direct pe arborele in rotatie. Ca dezavantaj: necesita utilizarea unor colectoare care sa permita transmiterea semnalului si a tensiunii de alimentare de la arborele aflat in rotatie la aparatura de masura fixa.

Captoare de momente cu traductoare rezistive

Acestea se determina prin aplicarea pe circumferinta arborelui a 4 marci tensiometrice dispuse inclinat la 45, fata de generatoare, si uniform pe circumferinta.

Consideram 2 sectiuni I si II aflate la o distanta L si 2 puncte A si B situate pe cele 2 sectiuni.

Considerand ca sectiunea I este fixa sub actiunea momentului , punctul B se va deplasa in de pe generatoare.

;

- unghiul de rotire [rad];

Notam distanta AB=l;

;

Scriem teorema lui Pitagora generalizata in :

;

Neglijand termenii infinit mici de ordin superior, vom avea:

;

;

;

;

Din ABC => L=l cos;

;

;

;

;

=45, 225;=135, 315;

.

Efectul datorat momentului de incovoiere a arborelui este 0 deoarece se anuleaza prin montajul in punte.

Pentru transmiterea semnalului de la arborele de rotatie la echipamentul de masura se utilizeaza colectoare. Acestea pot fi cu sau fara contacte.

Cele cu contacte:

cu contacte glisante;

cu mercur.

Firmele producatoare de aparatura de masura realizeaza atat captoare de momente

cat si colectoare.

Colectoarele cu contacte glisante realizeaza legatura intre arborele de rotatie si echipamentul de masurare fix cu ajutorul unor inele metalice si a unor perii metalice sau din carbune care se sprijina pe aceste inele.

Pe arborele 1 se fixeaza o bucsa izolatoare 2, prin intermediul unui stift 7. Pe aceasta bucsa se monteaza inelele 3, distantate de inelele distantier 4 care sunt din material izolator. Piulita 5 are rolul de a compacta pachetul format din inelele 3 si 4. Fiecare inel 3 este pus in legatura cu un nod al puntii Whatson. Semnalul este preluat de la inelele 3 cu ajutorul unor perii ce actioneaza pe inele datorita arcurilor 6. Calitatea colectorului este data de calitatea inelelor 3 si forta de apasare a arcurilor 6. Se utilizeaza diferite perechi de materiale:

1) Inel de alama cu perie de cupru grafitat;

2) Inele de argint cu perii de argint grafitat.

Viteza periferica maxima este de 10-20 m/s.

O astfel de constructie nu permite transmiterea semnalelor slabe datorita variatiei rezistentei de contact dintre perii si inele.

Pentru imbunatatirea contactului dintre echipamentul fix si cel mobil se utilizeaza colectoare cu mercur.

Arborele 1 se roteste impreuna cu inelele 2 care sunt conectate la punte. Distantierele 3 si bucsa 4 sunt fixe si preiau semnalul la iesirile a, b, c, d prin intermediul mercurului 5. Principala problema este securizarea la scurgerile accidentale de mercur. O constructie similara foloseste contactul mercur - arbore in rotatie datorita fortei centrifuge.BCE curs 13

19.11.2009Captor de momente cu traductoare inductive colectoare fara contact

Deformatia produsa de momentul de torsiune este preluata in acest caz de un sistem de 4 bobine montate cate 2 in sistem diferential. Fiecare din pachetul de bobine din sistem diferential este strabatuta de un miez mobil solidar cu o sectiune a arborelui.

Miezurile 1 sustinute de tijele 2 sunt solidare cu o sectiune a arborelui, iar bobinele - sunt solidare cu alta sectiune a arborelui intre care exista o zona elasticizata de diametru mai mic. Deformatiile unghiulare relative dintre cele 2 sectiuni modifica pozitia miezurilor 1 in interiorul bobinelor; modificand inductanta acestora. Deformatia are efecte contrare in bobinele si , respectiv si . In consecinta variatia inductantei bobinelor este proportionala cu variatia momentului de torsiune masurat.

Transmiterea tensiunii de alimentare si a semnalului de iesire la zona fixa se realizeaza prin intermediul transformatoarelor 1 si 2, care au o bobina fixa si una mobila.

Alimentarea se face cu un curent alternativ produs de un generator de oscilatii, iar semnalul este amplificat si introdus in aparatul de masura.

In prezent se construiesc captoare pentru masurarea momentelor de torsiune cu impulsuri. Impulsurile sunt generate de traductoare rezistive, inductive sau cu efect Hall si sunt prelucrate cu aparatura electronica adecvata.

Constructia practica foloseste 2 generatoare de impulsuri dispuse in fata unor roti dintate montate pe arbore aflate la o distanta L intre ele.

Momentul de torsiune de pe arbore determina variatia defazajului intre impulsuri. Defazajul este proportional cu momentul de torsiune transmis.

Metode si mijloace de masurare a presiunilor

Captoarele pentru masurarea presiunilor se numesc manometre.

Clasificare:

dupa tipul semnalului transmis:

manometre electrice;

cu element elastic;

tub gofrat;

tub bourton.

manometre neelectrice aici avem:

cu coloana de lichid;

cu tub in forma de U;

cu inel basculant.

Manometrele electrice pot fi cu traductoare parametrice si traductoare generatoare de tip piezo-electric si piezo-ceramic.Manometre cu traductoare parametrice.Manometre cu traductoare rezistive. Manometre cu tub circular deschis

Manometru cu tub bourton

Manometru cu element elastic tubular semideschis.

Traductoarele si sunt montate pe zona elasticizata a tubului semideschis, iar si pe zona rigida si au rol de compensare.

Manometre cu element elastic sub forma de membrana au ca element elastic o membrana circulara elastica, care se deformeaza sub actiunea presiunii. Au avantajul ca permit realizarea unei game largi de domenii de masurare prin simpla schimbare a membranelor care au caracteristici specifice fiecarui domeniu de masura.

Membrana elastica 1 este etansata in corpul 5 al manometrului cu ajutorul piulitei 3 si a bucsei 2. Contrapiulita 4 asigura la autodesfacere. Pe membrana se monteaza traductoarele - a caror dispunere tine seama de variatia efortului radial in membrana. Ca dezavantaj intra necesitatea unor membrane de diametre relativ mari pentru a putea monta fizic traductoare.

Manometrul cu membrana si lamele elastice.

Deformatia membranei 1 este transmisa lamelei elastice 2 prin intermediul tijei rigide 3. Pe lamela elastica se monteaza traductoarele si . Acest manometru face parte din categoria traductoarelor cu transformari successive de marimi.

Manometru cu membrana si piston cu element sensibil sub forma de tija.

BCE curs 14

25.11.2009Traductor rezisitv diferential

Lamela elastica pe care se aseaza traductoarele se deformeaza sub actiunea unei presiuni rezultate . Deplasarea corespunzatoare deformatiei este asigurata de tuburile gofrate din interiorul captorului.

Manometre cu traductoare piezo-rezistive.

Efectul piezo-rezistiv care sta la baza constructiei acestor manometre consta in modificarea structurala reversibila produse in corpurile solide de o presiune exterioara care are ca efect modificarea rezistivitatii elastice a materialului.

Astfel de traductoare se folosesc pentru masurarea presiunilor mari si foarte mari. (pana la 30 000 bari). Desi la aceste materiale variatia rezistivitatii cu temperatura este mica, pentru cresterea preciziei se utilizeaza montaj in semipunte sau punte completa, constructiile trebuind sa aiba posibilitatea modificarii sensului de variatie a rezistivitatii.

Exista si materiale piezo-rezistive semiconductoare cu sensibilitate mult mai mare decat a materialelor metalice. In acest caz este obligatorie compensarea efectului datorat variatiei temperaturii.Manometre cu traductoare inductive

La aceste tipuri de manometre, deplasarea produsa de forta pe care o creeaza presiunea este masurata cu ajutorul traductoarelor de tip inductiv.

Manometru cu element sensibil sub forma tubulara in arc de cerc

Variatia presiunii p produce in tubul arcuit sub forma de arc de cerc, o deplasare dupa linia punctata. De acest capat se monteaza solidar o tija din material fieromagnetic care se misca in interiorul a 2 bobine fixe. Variatia presiunii p are efect contrar in cele 2 bobine montate in semipunte.

In corpul 1 se monteaza bobinele 2 prin intermediul discului 3 si a inelului 4 strans cu capacul 5. Presiunea p produce deformatia membranei elastice 6, care este solidara cu tija 7 ce are in zona bobinelor material fieromagnetic 8. Deformatia produsa de variatia presiunii are efecte contrare in cele 2 bobine montate in semipunte.

Pentru masurare presiunilor in regim dinamic se construiesc manometre racite cu un fluid de racire, pentru a micsora influenta variatiei de temperatura.

Manometre cu traductoare capacitive

Sunt construite sub forma unui condensator care are o armatura fixa izolata de restul captorului si o armatura mobila constituita dintr-o membrana elastica. Variatia presiunii modifica distanta dintre cele 2 armaturi si implicit capacitatea condensatorului. Constructia in sine ridica probleme de etansare, de izolatie a armaturii fixe, precum si de montaj in circuitele de masurare.

Se folosesc constructii cu membrane de elasticitati variabile interschimbabile. In acest mod se asigura posibilitatea masurarii pe diverse domenii de variatie a presiunii. Precizia unor astfel de manometre este foarte ridicata, dar sunt relativ scumpe.

Manometre cu traductoare generatoare piezo-electrice

Au ca element activ un pachet de pastile piezo-electrice prestranse cu ajutorul unui capac cu membrana. Variatia presiunii produce o deformare a unei membrane plasate in incinta fluidului sub presiune, iar aceasta membrana deplaseaza o tija care actioneaza asupra pachetului de pastile din material piezo-electric.

In corpul 1 se monteaza echipamentul 2, format din pastilele 4, izolatorii 8 si clopotul 5 cu zona elastica in partea de cap. Clopotul asigura prestrangerea pachetului de pastile piezo-electrice. Membrana 9 aflata in zona fluifului a carei presiune se masoara actioneaza asupra pachetului de pastile prin intermediul tijei 7 care se poate deplasa liber in piesa 6. Reglajul pozitiei clopotului fata de tija se face din rotirea piesei 2 in corpul 1, dupa care se blocheaza cu contra-puiulita 3. Se poate utiliza pentru masurarea presiunilor de la 0-150 atm.

Metode si mijloace de masurare a temperaturii

In constructia de masini cunoasterea temperaturii este importanta in diverse etape ale proceselor de prelucrare. Ex: pentru tratamente termice si pentru optimizarea procesului de aschiere prin cunoasterea temperaturii la varful sculei aschietoare.

Captoarele pentru masurarea temperaturii se numesc termometre.

Metodele de utilizare pentru masurarea temperaturii in cercetarea experimentala au la baza:

producerea unor tensiuni termoelectromotoare;

variatia rezistentei cu temperatura;

variatia radiatiei termice sau luminoase cu temperatura;

variatia presiunii corpului termometric;

dilatarea corpurilor termometrice.

Termometre bazate pe variatia tensiunii termoelectromotoare se mai numesc si

pirometre termoelectrice. Un astfel de pirometru este constituit dintr-un termocuplu capabil sa masoare diferenta de temperatura dintre un mediu de baza si cel a carei temperatura se masoara. Tensiunea termoelectromotoare generata, masurabila cu un mini-voltmetru sau galvanometru este proportionala cu diferenta de temperatura dintre cele 2 medii.

Tensiunea rezultata este data de efectul Volta. se mentine la temperatura constanta, in general 0, prin cufundarea jonctiunii intr-o baie cu gheata.

Materialele utilizate pentru electrozi sunt diferite combinatii (aliaje) de Cu, Fe, Ni, Pl, Mn, Al etc. Cele mai cunoscute sunt (sunt si standardizate) :

alumel aliaj din Ni, Mn, Al, Si;

chromel aliaj din Ni, Cr;

constantan aliaj din Cu si Ni;

nicrosil aliaj din Ni, Cr, Si;

nisil aliaj din Ni, Si, Mn;

Metale nobile: platina, tunxten si aliajele acestora.

Primele 5 curbe (de sus) sunt standardizate si au fiecare din ele domenii specifice de lucru. Jonctiunea se introduce in incinta a carei temperatura se masoara, protejata de un tub cu scopul de a-i mari durata de viata. Conectorii de legatura de la termocuplul propriu-zis la aparatul de masura trebuie sa fie de buna calitate, iar lipiturile acestora sa fie rezistente in timp si cu rezistenta electrica cat mai mica.

BCE curs 15

26.11.2009(continuare)

Cromel-constantan au cea mai mare sensibilitate, (80), au o toleranta de 0,75%, se utilizeaza pentru masurarea temperaturilor intre 200-900 si lucreaza in conditii de mediu oxidant.

Fier-constantan au o sensibilitate de 60 , se utilizeaza pentru temperaturi cuprinse intre -150-1000, toleranta este 1%, si se comporta destul de precar si in mediul oxidant si in mediul reducator.

Cupru-constantan sensibilitate tot de 60, precizie de 0,5%, lucreaza intre -100-300.

Cromel-alumel au o sensibilitate de 45 , 0,75% precizie, se masoara temperaturi intre 700-1200. Se comporta foarte bine in medii oxidante;

Nicrosil-nisil au fost dezvoltate ca varianta imbunatatita a celor precedente. Au o sensibilitate de 45, durata de viata de 3 ori mai mare decat cele anterioare.

Platina+aliaje de platina au o sensibilitate mult mai mica (20), precizie mare (0.2%), si se comporta foarte bine in atmosfera oxidanta si bine in atmosfera reducatoare. EX:Daca grosimea tijei de protectie este de 1 mm, inertia este de 0,15 s, care este satisfacatoare in marea majoritate a aplicatiilor.

Firele de legatura au diametre intre 0,4-2mm. Aplicatia cea mai cunoscuta este termopila, formata din 25 de cupluri, montate in serie. Jonctiunea rece se realizeaza cu o baie de gheata.

Termometre bazate pe variatia rezistentei electrice cu temperatura

Se bazeaza pe proprietatea pe care o au metalele de crestere a rezistentei acestora cu cresterea temperaturii.

;

Variatia nu este liniara complet pe domeniul de lucru.

Fiecare din aceste materiale se utilizeaza pe anumite domenii tinand cont si de preciziile obtinute si durata de viata.

In cazul in care se utilizeaza materiale semiconductoare, rezistivitatea acestora scade cu cresterea temperaturii. Scaderea este accentuata dupa o relatie de tip exponential:

;

Captoarele pentru masurarea temperaturii care folosesc materiale metalice se numesc termorezistente, iar cele care folosesc materiale semiconductoare se numesc termistoare.

Termistoarele sunt de dimensiuni foarte mici, masoara temperaturi de pana la 250si necesita curenti foarte mici datorita capacitatii limitate de disipare a caldurii.

Aparate pentru masurarea temperaturii bazate pe radiatia corupurilor. Pirometre de variatie.

Caracteristicile de radiatie ale unui corp sunt guvernate de legea radiatiei monocromatice, legea variatiei integrale, legea de deplasare etc.

Pirometrul optic monocromatic cu radiatie partiala si disparitia filamentului.

Ochiul uman percepe 2 imagini suprapuse: aceea a corpului a carui temperatura se masoara si a filamentului, printr-o lumina monocromatica datorita filtrului rosu. Modificand controlat intensitatea de iluminare a filamentului, putem ajunge in situatia de disparitie a filamentului in fondul radiatiei emise de corp. Disparitia filamentului se poate realiza din punct de vedere constructiv prin 2 modalitati:

prin variatia intensitatii curentului, ampermetrul fiind gradat direct in unitati de temperatura;

prin mentinerea constanta a intensitatii curentului electric, si deci a stralucirii filamentului, si modificarea intensitatii filtrului negru care este de grosime variabila si gradat direct in unitati de temperatura.

Domeniul de temperatura este de la 350-5000-7000.

Constructiile moderne de pirometre optice permit compensarea automata a diferentei de nuanta si deci masurarea temperaturii in timp real.

Termometre bazate pe dilatatia termica.

Aceste termometre se bazeaza pe dilatarea termica a corpurilor solide, lichide sau gazoase. Constructia termometrelor bazate pe dilatarea corpurilor solide are la baza utilizarea lamelelor bimetalice cu coeficienti de dilatare diferiti. Forma lamelelor este foarte diversa:

spirala plana;

spirala elicoidala;

lamela rectilinie etc.

Datorita variatiilor de temperature aceste lamele isi schimba forma. In cercetarea

experimentala cel mai folosit este termometrul cu lamela bimetalica sub forma de arc de cer.

Lamela este un aliaj al fierului cu 24% Ni si 2-4 % Cr. Masoara temperaturi pana la 450 cu precizie de 1 %. Masurarea temperaturii se mai poate face si prin alte metode:

masurarea curentului invers intr-o dioda semiconductoare;

masurarea curentului de zgomot intr-un circuit electric;

masurarea curentului rezidual sau a tensiunii baza-emitor intr-un tranzistor etc.

O constructie moderna se bazeaza pe masurarea electronica a temperaturii cu

ajutorul unei placute de cuart introdusa intr-un circuit oscilant. Modificarea temperaturii produce variatia frecventei circuitului oscilant. Se masoara astfel temperaturi pana la 220cu precizie de pana la

EMBED Equation.DSMT4 .

Metode si mijloace de determinare a pozitiei si prezentei

Controlul pozitiei obiectelor fizice este esential pentru multiple aplicatii cum ar fi:

controlul raspunsului sistemului;

evaluarea unei performante;

controlul traficului;

robotica;

sisteme de siguranta.

Prin pozitie intelegem determinarea coordonatelor obiectelor in raport cu un

sistem de referinta ales. Prin deplasare intelegem schimbarea pozitiei unui obiect cu o anumita distanta si cu un anumit unghi. O distanta critica este masurata de catre senzorii de proximitate. Un senzor de proximitate este o versiune limita a unui sensor de pozitie.

La alegerea captorilor de pozitie sau de miscare trebuie sa se cunoasca urmatoarele:

care este ordinul de marime al deplasarii si tipul ei;

care este rezolutia si precizia care se cer;

din ce material este obiectul studiat;

care este spatiul disponibil pentru montarea detectorului;

care sunt jocurile dintre elementele asamblate;

care sunt conditiile mediului exterior (umiditate, temperatura, vibratii);

care este puterea disponibila la senzor;

care este uzura masinii;

numarul de senzori necesari;

costul ansamblului din care fac parte senzorii.

Captorul de pozitie realizeaza inchiderea si deschiderea unui circuit. Ele pot fi normal inchise si normal deschise.

BCE curs 16

02.12.2009Detectoare de pozitie

Daca studiem forta necesara actiunii unui asemenea captor, distingem diferite valori in functie de cursa elementului mobil: avem o forta de comanda, de cursa totala si o forta de relaxare.

Deplasarea necesara efectului comenzii implica:

o pozitie de repaus;

o pozitie de relaxare;

o pozitie de actiune;

o pozitie de sfarsit de cursa.

Captoare de prezenta (de proximitate)

Spre deosebire de captoarele de pozitie, acestea sunt caracterizate prin absenta unei legaturi mecanice intre captor si obiectul a carei deplasare se masoara. Distanta critica este de la 1 la cativa mm.

Astfel de captoare se utilizeaza frecvent la:-controlul prezentei/absentei sau sfarsitului de cursa;

detectarea trecerii;

pozitia pieselor;

sistemele antifurt etc;

se utilizeaza frecvent cand obiectul detectat are o viteza mare;

in situatii de lucru dificile;

cand piesa sau obiectul detectat este de dimensiuni mici si fragil.

Principiul de functionare este acelasi si implica schimbarea pozitiei unui contactor

care modifica continuitatea unui circuit electric.

Detectoare gravitationale

Masoara un unghi critic dintre o anumita directie si directia spre centrul pamantului.

Detectorul cu mercur:

Electrolitul din interior este partial conducator de electricitate, variatia pozitiei bulei de aer modifica rezistivitatea dintre contactul central si contactele laterale.

Detectoare termice (nu-s pentru examen)

Curentul este necesar sa verificam nivelul de lichid dintr-un rezervor cand lichidul are o temperatura diferita de a mediului.

Ele functioneaza dupa principiul diferentei de conductivitate termica a lichidului si a gazului.

Pe verticala recipientul se monteaza mici senzori de temperatura care transmit semnalul intr-un circuit poarta-multiplexor.

Un convertor analog numeric transforma uniform de la multiplexor intr-un semnal digital care este analizat de un microprocesor.

O alta varianta de senzori de detectare asemanatoare cu aceasta creeaza artificial un flux termic prin incalzirea unei generatoare a peretelui cu o sursa de caldura si masoara transferul acestui flux termic prin peretele rezervorului.

In general cantitatea de energie disipata depinde si de temperatura mediului ambient.

Captori de prezenta capacitivi

Principiul de functionare are la baza variatia capacitatii unui condensator prin modificarea distantei dintre armaturi sau a tipului de dielectric.

Una din armaturi o constituie un cablu ecranat a captorului, iar celalalt o constituie piesa.

O aplicatie cunoscuta a unui asemenea senzor este detectarea metalelor sub pamant pana la o distanta tipica de 30 mm.

Captorul lucreaza la frecvente de 3 MHz si poate detecta si deplasarea rapida a obiectelor. Cu un astfel de captor se pot detecta si nemetalele. De ex: sticla pana la 8-10 mm, polietilena numai pana la 2 mm.

Exista si senzori capacitivi comparativi care compara capacitatea unui condensator format ca la captorul anterior cu o capacitate de referinta.

Captoare de tip inductiv

Folosesc principiile de lucru pe care le-am studiat la captoarele inductive.

Avantaje:

senzorul este un dispozitiv fara contact, fara rezistenta de frecare;

histerezisul magnetic sau mecanic este neglijabil;

impedanta mica;

susceptibiliate mica la zgomot si interferente;

constructii simple si robuste;

rezolutie infinit enzimala.

Senzorul de curent turbionar

Se foloseste pentru a sesiza materiale nemagnetice dar conductoare. Principiul de functionare are la baza efectul curentilor turbionari intr-un senzor dublu bobina.

La trecerea unui material prin dreptul bobinei de sesizare se produc in aceasta curenti turbionari care modifica echilibrul captorului. Pentru a limita influenta deplasarii obiectului din zona senzorului se utilizeaza ecrane de protectie.

Datorita fiabilitatii ridicate astfel de captori se produc intr-o gama foarte larga de dimensiuni si forme. Firmele producatoare pot asigura si forme de captori la comanda.

Captoare magnetice

Unul din cele mai cunoscute sisteme de captoare magnetice il constituie comutatoarele magnetice. Acestea sunt formate din 1 sau mai multi comutatori magnetici si un magnet permanent.

Aplicatia cea mai cunoscuta este cea de sesizare a inchiderii sau deschiderii unei usi cand comutatorul este pe toc si magnetul este pe usa. Lucreaza intre 5 si 10-15mm.

Foarte multe aplicatii au la baza senzorul cu efectul Hall.

Senzorii inductivi combinati cu cei magnetici permit masurarea grosimii unui material precum si a eventualelor imperfectiuni, defecte in material.BCE curs 17

03.12.2009Detector de proximitate cu lumina polarizata

Senzori cu fibra optica se folosesc pentru detectarea nivelului de lichid dintr-un recipient. Se bazeaza pe principiul reflexiei si refractiei luminii intr-o prisma.

Constructia se bazeaza pe existenta unor coeficienti de refractie diferiti in aer si in lichid. Cand prisma se gaseste deasupra nivelului lichidului, fluxul luminos este reflectat de prisma spre cablu de iesire cu fibra optica. Cand prisma se gaseste in interiorul lichidului, refracta unda incidenta astfel ca in fibra optica de iesire dispare fluxul luminos.

Senzori optici liniari (DSP).

Pentru masuratori de pozitie, de precizie, in intervale scurte si lungi, sistemele optice pot fi inca eficiente. Un exemplu este detectorul sensibil la pozitie, produs pentru sesizarea cu precizie a pozitiei unui obiect si mai apoi autofocalizarea in camerele fotografice si video.

Pozitia unui obiect este determinata prin aplicarea principiului triunghiului la masurari. Pentru a evalua distanta de la aparat la un obiect oarecare, aparatul emite un impuls de 0,7 ms, spre obiectul cercetat si masoara raspunsul dat de lumina reflectata. Problema principala in acest caz este ca gradul de absorbtie al obiectului vizat este variabil si inca in limite foarte mari. Acest semnal este prelucrat in interiorul aparatului cu ajutorul u