93Traductoare pentru mrimi geometrice

Traductoare pentru mrimi geometrice

Noiuni fundamentale:Deplasarea este o mrime ce caracterizeaz schimbrile de poziie ale unui corp sau ale unui punct caracteristic fa de un sistem de referin.

Distana reprezint separarea spaial (sau planar) dintre dou puncte.Poziia reprezint localizarea spaial a unui punct sau a unui corp n raport cu sistemul de referin.

Proximitatea reprezint situarea la o mic distan a unui corp (punct) fa de un reper fix.

Traiectoria reprezint deplasarea simultan (liniar sau circular) a unui punct pe diferite axe n raport cu un sistem de coordonate. Traiectoriile pot fi plane sau spaiale.

Unitatea de msur pentru deplasrile liniare este metru [m] cu submultiplii: milimetru [mm] sau micronul [(]. Pentru deplasri unghiulare se folosete gradul sexazecimal [o], cu submultiplii: minutul i secunda. Uneori, se folosete radianul [rad]. Deplasrile liniare sau unghiulare permit msurarea indirect a altor mrimi a cror variaii se materializeaz prin modificarea poziiei unui punct (corp sau suprafa) n raport cu un sistem de referin.De exemplu, deplasrile mici permit msurarea presiunilor, forelor, nivelelor, temperaturi etc, deoarece aceste mrimi sunt caracterizate prin deplasri mici.

Observaie:

Pentru utilizator este foarte important alegerea, sau conceperea celor mai bune soluii de cuplare a traductorului la mrimea de msurat astfel nct s se asigure precizia de msurare dorit, dar i o fiabilitate ridicat. Din acest punct de vedere exist urmtoarele variante de msurare:a) msurarea direct: - deplasare liniar prin translaie i deplasare unghiular prin rotaie.b) msurarea indirect: cnd deplasarea unghiular este folosit pentru caracterizarea unei deplasri liniare.4.1. Traductoare pentru deplasri liniare mici

Acestea sunt destinate conversiei intermediare a unor mrimi, a cror variaii se traduc (prin sisteme mecanice) n deplasri liniare mici.Aceste traductoare acoper un domeniu de msurare de ordinul (10-2 10+2) mm, i au elemente sensibile de tip parametric: inductive, capacitive sau rezistive.

4.1.1. Elemente sensibile inductive cu miez mobil

Din punct de vedere constructiv, elementele sensibile ale acestor traductoare sunt de dou tipuri:

a) cu modificarea inductanelor proprii sau mutuale (prin deplasarea unui miez mobil) figura 4.1 - a.b) cu modificarea ntrefierului. n figura 4.1-a este prezentat forma constructiv (varianta de baz) a unui element sensibil cu modificarea inductivitii proprii, iar n figura 4.1 b este dat variaia acestei inductivitii n raport cu deplasarea miezului feromagnetic M, n interiorul cascasei unei bobine B.

Fig. 4.1.Semnificaia notaiilor este: M - miez feromagnetic ; B - bobina de lungime ; x - mrimea de msurat (deplasarea).Deplasarea lui M provoac modificarea inductanei proprii L a bobinei B. Caracteristica static este pronunat neliniar, datorit cmpului magnetic neomogen creat n bobin.

De asemenea, apar fore parazite de atracie dintre miez i bobin. Aceste dezavantaje se elimin prin utilizarea a dou bobine (B1 i B2) legate diferenial (figura 4.2 - a) care asigur o caracteristic mult mai liniar, prezentat n figura 4.2 b, iar sensibilitatea traductorului crete. n poziia de referin (x = 0), miezul feromagnetic este echidistant fa de capetele interioare ale bobinelor B1 i B2.

Fig. 4.2

Principiul de funcionare al elementelor sensibile inductive se bazeaz pe modificarea reluctanelor circuitelor de nchidere a fluxurilor, ct i pe modificarea inductivitilor proprii ale celor dou bobine, exprimate prin relaiile:

(4.1)

Aproximarea () se refer la neliniaritatea reluctanelor G1 i G2 cu deplasarea x.

Cnd cele dou bobine sunt alimentate de la o surs de tensiune sinusoidal, iar relaiile (4.1) permit exprimarea deplasrii x printr-o diferen de impedane:

(4.2)

Variaia se pune n evident conectnd cele dou bobine (de impedan i respectiv ) n brae adiacente ale unei puni de impedane (figura 4.3 -a) alimentat cu tensiunea alternativ (Ua), a crei valoare efectiv (Uef) i pulsaie (() se consider cunoscute i constante.

Fig. 4.3 Punte de impedane: a schema electric de principiu; b schema echivalent

Pentru determinarea tensiunii de dezechilibru (Ud) n funcie de valoarea deplasrii x, se utilizeaz schema echilavent a punii din figura 4.3 a, prezentat n figura 4.3 b, unde notaiile au urmtoarele semnificaii:

impedana liniei de alimentare a punii.

RP - rezistenele pe laturile pasive ale punii (cunoscute);

este impedana de cuplaj ntre bobinele B1 i B2.

Tensiunea de dezechilibru a punii se poate exprima conform [13] prin relaia:

(4.4)

n care:

R=R1=R2 reprezint rezistenele ohmice ale bobinelor B1 i B2.

- inductivitatea mutual de cuplaj corespunztoare bobinelor B1 i B2.

;

R - rezistena ohmic a bobinelor (R= R1=R2)

- inductivitatea mutual de cuplaj.Din (4.4) rezult c tensiune de dezechilibru () este o mrime complex caracterizat prin faz i modul, faza indicnd sensul de deplasare al miezului mobil, iar modulul indic mrimea absolut a deplasrii.Dac se aplic unui redresor sensibil la faz, se obine forma redresat a tensiunii de dezechilibru () a crei variaie este dat n figura 4.4.- Domeniul maxim (uzual) de msurare a deplasrii liniare pentru acest tip de traductor este (100 mm.

n funcie de caracteristicile magnetice ale miezului feromagnetic mobil, frecvena tensiunii de alimentare () se alege n domeniul: [ sute Hz 5 KHz ].

Fig. 4.4 Caracteristica de transfer a redresorului sensibil la faz

O variant mbuntit a elementului sensibil inductiv o reprezint elementul sensibil de tip - transformator diferenial liniar variabil (TDLV) format dintr-o bobin primar i dou bobine secundare situate simetric fa de cea primar i plasate ntr-o carcas cilindric comun. n interiorul carcasei bobinelor se deplaseaz un miez feromagnetic mobil - pe distana x, care asigur nchiderea fluxului magnetic, figura 4.5 -a. Bobinele secundare sunt legate diferenial, (figura 4.5-b) astfel nct tensiunea la ieire este dat de diferena dintre tensiunile electromotoare induse n cele dou nfurri secundare. Din teorema a-II-a a lui Kirchhoff rezult:

(4.4)

Fig. 4.5- Element sensibil de tip TDLV: a schema constructiv; b schema de conexiuni

Traductoarele cu elemente sensibile de tip TDLV folosesc ca adaptor un redresor sensibil la faz, eventual precedat de un amplificator de curent alternativ. Ieirea din redresorul sensibil la faz se aplic unui amplificator de curent continuu cu impedan de ieire mic, care este prevzut i cu un circuit de filtrare (trece-jos) pentru eliminarea armonicelor parazite. n figura 4.6 se prezint adaptorul pentru un element sensibil de tip TDLV.

Fig. 4.6 Adaptor pentru un element sensibil de tip TDLV

Performanele acestui tip de traductor sunt:

- lipsa frecrilor la deplasarea miezului i ca urmare se obine o robustee i o fiabilitate ridicat;

- rezoluie i reproductibilitate foarte bune ;- insensibilitate la deplasri radiale ale miezului ; posibilitatea proteciei bobinei de medii corozive cu temperaturi i presiuni ridicate ;- asigurarea separrii galvanice (ntre intrare i ieire);

- posibilitatea optimizrii factorului de calitate al bobinelor care formeaz elementul sensibil.4.1.2 Elemente sensibile inductive cu ntrefier variabil

Varianta constructiv simpl a unui element sensibil cu ntrefier variabil este prezentat n figura 4.7.

Armtura mobil se deplaseaz n raport cu un miez feromagnetic. Corpul, a crui deplasare se msoar, va fi solidar cu armtura mobil, figura 4.7.

Fig. 4.7- Element sensibil inductiv cu ntrefier variabil

Pe miezul feromagnetic (realizat din tole) se afl plasat o bobin alimentat cu o tensiune alternativ, Ua. Modificnd ntrefierul , prin deplasarea x (a armturii mobile) se va modifica reluctana circuitului magnetic i implicit inductana L (a bobinei), conform relaiei:

; (4.5)

unde:

N este numrul de spire al bobinei; - lungimea circuitelor magnetice (aer fier) ; - suprafaele de nchidere a fluxurilor magnetice ; - permeabilitile magnetice (ale circuitelor de nchidere a fluxurilor).

Aplicnd relaia (4.5) elementului sensibil din figura 4.7 se obine: ; (4.6)unde: este ntrefierul iniial (cnd x=0); x - deplasarea (creterea sau descreterea) fa de ntrefierul iniial, indicii Fe i a se refer la natura circuitului magnetic: fier sau aer.

Din relaia (4.6) se observ c inductivitatea L variaz neliniar cu deplasarea x..Pentru ameliorarea liniaritii i pentru creterea sensibilitii se utilizeaz montajul diferenial din figura 4.8-a pentru care se observ, n figura 4.8-b, variaiile inductivitilor L1 i L2, ct i variaia diferenei inductivitilor (L1-L2) n raport cu ntrefierurile (1 i (2, care, la rndul lor, depind de valoarea deplasrii x.

Fig. 4.8- Element sensibil diferenial cu ntrefier variabil: a- schema electric de montaj; b- caracteristicile statice

Considernd i , din figura 4.8-a se obine tensiunea de dezechilbru a punii:

; (4.7)

n care:

- este tensiunea de dezechilibru ; - valoarea efectiv a tensiunii de alimentare (constant);

( - pulsaia (constant) a tensiunii ;

Din ultima relaie se observ dependena liniar ntre tensiunea de dezechilibru a punii i (L, deci se obine variaia liniar ntre Ud i deplasarea x:

; (4.8)

unde: K= K2(L, iar (L=K(x;

ntruct variaia n modul a impedanei este: ; (4.9)

se impune R ct mai mic pentru ca variaia relativ de inductan s determine o variaie aproximativ egal de impedan.Observaii:

a) Condiiile de liniaritate i sensibilitate nu pot fi satisfcute simultan i ca urmare se adopt o soluie de compromis. Astfel, pentru L / L =(0,10,3), se recomand n [14] o variaie a ntrefierului astfel nct:

. (4.10)

b) Pentru creterea sensibilitii E.S. trebuie ca factorul de calitate Q, (al bobinelor) s fie ct mai bun (mare), [8]. (4.11)

Elementele sensibile cu modificarea ntrefierului se pot construi i ele n variantele de tip transformator. Astfel, n figura 4.9 -a este prezentat montajul pentru varianta simpl, iar n figura 4.9- b este prezentat varianta pentru montajul diferenial.

Fig. 4.9- Elemente sensibile de tip transformator cu modificarea ntrefierului:

a- varianta simpl; b- varianta diferenial

Pentru varianta simpl (figura 4.9-a), tensiunea de ieire, din secundar, va fi de forma:; (4.12)

unde reprezint factorul de cuplaj, variabil neliniar cu deplasarea x.

Pentru montajul din figura 4.9 b tensiunea de ieire poate fi exprimat prin relaia: (4.13)

Din ultima relaie se observ c pentru montajul diferenial tensiunea de la ieirea ES, are o variaie liniar cu deplasarea x. Adaptorul care prelucreaz tensiunea de ieire din ES are n componen un amplificator i un redresor sensibil la faz.

Principala surs de erori n cazul acestor tipuri de traductoare o constituie modificarea caracteristicilor magnetice ale miezului, datorit fenomenului de oboseal i/sau mbtrnire.

4.1. 3 Elemente sensibile capacitive pentru traductoarele de deplasare

Traductoarele capacitive pentru deplasri liniare folosesc ca elemente sensibile, condensatoare plane, la care se pot modifica unul din cei trei parametri ai relaiei ce exprim capacitatea:

; (4.14)

a) Elemente sensibile capacitive cu modificarea distanei dintre armturi ().

n varianta simpl, ES este un condensator plan prevzut cu o armtur fix (AF) i una mobil (AM), figura 4.10-a. Armtura mobil este susinut ntre dou arcuri i poate fi deplasat cu valoarea x, modificnd distana , fa de valoarea de referin . Variia capacitii n funcie de parametrul este ilustrat n figura 4.10 b.

Fig. 4.10 Element sensibil capacitiv cu modificarea distanei dintre armturi: a- soluie constructiv; b caracteristica static

Semnificaia parametrilor din relaia 4.14 este urmtoarea:

- permitivitatea mediului ; S - suprafaa activ a armturilor ; - distana dintre armturi ; Deoarece capacitatea C este dat de (4.14) rezult c variaia ieirii (C) raportat la variaia intrrii (), reprezint sensibilitatea unui element sensibil capacitiv exprimat prin relaia: (4.15)Rezult c valoare sensibilitii elementului sensibil capacitiv (realizat cu un condensator plan) variaz neliniar cu . Se poate exprima sensibilitatea relativ (Sr):

(4.16)

Relaia (4.16) indic o variaie neliniar, cu sensibilitate mrit, la variaii mici (de ordinul micronilor).Creterea liniaritii este posibil dac elementul sensibil este format din dou condensatoare plane n montaj diferenial avnd o armtur mobil comun, ca n figura 4.11.

Alimentate cu tensiune sinusoidal (U~) capacitile i se ncarc cu tensiunile U1 i respectiv U2 (conform teoremei divizorului de tensiune):

i (4.17)

Fig.4.11

Scznd cele dou tensiuni se obine tensiunea diferen (Ud) care variaz liniar cu deplasarea x: (4.18)Realizarea conversiei deplasare (x) - tensiune (Ue) este posibil conectnd capacitile i ntr-o punte Sauty (figura 4.12) care are pe celelalte dou laturi dou capaciti fixe i . Puntea este alimentat cu o tensiune sinusoidal avnd frecvena n domeniul (500 5000) Hz, furnizat de un oscilator (OSC). Tensiunea de dezechilibru (Ud) este preluat de un amplificator A . De la ieirea acestuia tensiunea este aplicat unui redresor sensibil la faz (RSF), care genereaz tensiunea (Ue) variabil n domeniul semnalului unificat (( 10 Vcc) i direct proporional cu deplasarea x. servete la ajustarea sensibilitii traductorului.

Fig. 4.12- Traductor cu element sensibil capacitivb) Elemente sensibile capacitive cu modificarea suprafeei active dintre armturi. Se consider armturile unui condensator plan cu dimensiunile a, b i se noteaz cu x deplasarea relativ a unei armturi fa de cealalt, figura 4.14

La acest element sensibil se obine o dependen aproximativ liniar ntre capacitate i deplasarea x a unei armturi, figura 4.14.

Fig.4.13 Element sensibul capacitiv cu modificarea suprafeei

Sensibilitatea acestui tip de element sensibil se poate exprima prin relaia:

; (4.19)

Se observ c pentru ( i d constani, sensibilitatea (S) va fi cu att mai mare, cu ct suprafaa activ (A) dintre armturi crete, iar distana (d) dintre acestea se micoreaz.

c) Elemente sensibile capacitive cu modificarea dielectricului

n varianta de baz, un astfel de element sensibil este realizat din doi electrozi cilindrici fici 1 i 2 (figura 4.14) ntre care se deplaseaz un manon izolator (cu o constant dielectric diferit de cea a aerului) alunecnd cu frecare minim. Electrodul fix 2 este plasat echidistant fa de pereii electrodului cilindric 1, iar manonul dielectric( de form cilindric) este coaxial electrodului fix 2.

Fig.4.14 Element sensibil capacitiv cu modificarea dielectricului

_1101538004.unknown

_1101547306.unknown

_1101547386.unknown

_1101547402.unknown

_1101547326.unknown

_1101539167.unknown

_1101547262.unknown

_1101547303.unknown

_1101547258.unknown

_1101539602.unknown

_1101539621.unknown

_1101539315.unknown

_1101538554.unknown

_1101539050.unknown

_1101538320.unknown

_1101536091.unknown

_1101537932.unknown

_1101537940.unknown

_1101535988.unknown

_1101536077.unknown

_1101535898.unknown

_1101534996.unknown

_1101535014.unknown

_1101531026.unknown

_1101532373.unknown

_1101533298.unknown

_1101533570.unknown

_1101531544.unknown

_1101530256.unknown

_1098809630.unknown

_1098871975.unknown

_1098913702.unknown

_1098914313.unknown

_1098913578.unknown

_1098913604.unknown

_1098874832.unknown

_1098882391.unknown

_1098874828.unknown

_1098810452.unknown

_1098810626.unknown

_1098817361.unknown

_1098810455.unknown

_1098810447.unknown

_1098810449.unknown

_1098810428.unknown

_1098810436.unknown

_1098807625.unknown

_1098809165.unknown

_1098809629.unknown

_1098808852.unknown

_1098807606.unknown

_1098807623.unknown

_1097182350.unknown

_1098807454.unknown

_1059134639.unknown