Capitolul 3

TRADUCTOARE

Din prezentarea structurii sistemelor automate în cap. 1., s-a văzut că dispozitivul de automatizare cuprinde o serie de elemente specifice ca: traductoare, elemente de execuţie, regulatoare, elemente auxiliare (amplificatoare, circuite de măsură, convertoare, etc.).

Traductoarele, cunoscute frecvent sub numele de elemente de măsură sunt destinate pentru măsurarea mărimilor conduse [20, 21, 55] şi a unor mărimi semnificative pe baza cărora se pune în evidenţă echilibrul proceselor. Prin intermediul lor, vom obţine informaţiile necesare conducerii automate a proceselor în circuit închis, fiind montate de regulă pe bucla de reacţie.

3.1. Generalităţi, performanţe, clasificare

Traductoarele sunt elemente din structura sistemelor automate care au rolul de a măsura valorile parametrului reglat şi de a converti acest parametru (mărime) într-o mărime fizică ce este compatibilă cu mărimea de intrare în elementul următor al sistemului. Traductoarele se compun din elementul sensibil şi elementul traductor , conform figurii 3.1. Elementul sensibil efectuează operaţia de măsurare propriu-zisă, iar elementul traductor asigură transformarea semnalului într-un alt semnal, în general electric sau pneumatic, unificat, semnal ce e pretează pentru transmiterea la distanţă.

Performanţele traductoarelor pot fi apreciate pe baza următoarelor caracteristici:

- Sensibilitatea reprezintă limita raportului dintre variaţia infinit mică a mărimii de ieşire şi cea de intrare, când ultima tinde spre zero, adică:

(3.1)

Este necesar ca această sensibilitate să fie constantă pe tot domeniul de măsură, adică elementul să fie liniar, în caz contrar sensibilitatea putându-se defini în jurul oricărui punct de funcţionare. În mod normal, elementele de măsurat prezintă un anumit prag de sensibilitate, adică o valoare limită i sub care nu mai apare o mărime măsurabilă la ieşire.

- Precizia se defineşte ca valoarea relativă a erorii exprimată în procente:

ES TB i(t) e(t)

M

Fig. 3.1.

(3.2)

obişnuit elementele de măsurat din sistemele automate având clase de precizie de 0,2 1,5 %, fiind necesar să fie cu cel puţin un ordin de mărime superioară preciziei reglajului în ansamblu.

- Liniaritatea se referă la aspectul caracteristicii statice a elementelor şi, această caracteristică nu trebuie să prezinte curburi şi histerezis pe tot domeniul de variaţie al mărimilor de intrare şi ieşire.

-Comportarea dinamică. Această caracteristică se referă la capacitatea elementului de a reproduce cât mai exact şi fără întârziere variaţiile mărimii măsurate. Se apreciază pe baza funcţiei de transfer a elementului, adică pe baza constantelor de timp ce intervin sau, uneori pe baza benzii de trecere

-Reproductibilitate, reprezintă proprietatea elementelor de a-şi menţine neschimbate caracteristicile statice şi dinamice pe o perioadă cât mai lungă de timp, în anumite condiţii de mediu admisibile.

-Timpul de răspuns reprezintă intervalul de timp în care un semnal aplicat la intrare se va resimţi la ieşirea elementului. Acest timp poate fi oricât de mic, dar niciodată nul, putând fi asimilat cu inerţia.

-Gradul de fineţe se caracterizează prin cantitatea de energie absorbită de traductor din mediul de măsură, recomandându-se să fie cât mai mică pentru a nu influenţa desfăşurarea procesului. Alegerea traductorului se va face în funcţie de parametrul reglat, în funcţie de mediul de măsură, în funcţie de tipul semnalului: continuu, electric sau neelectric, discontinuu, ş.a.

Privite sub aspectul tipului de semnale, traductoarele pot fi analogice sau pot fi numerice (cifrice).

Electric

FrecvenţăFazăCurentTensiune

Putere

Traductor

Neelectric Parametric

e

Generator

DeplasareVitezăAcceleraţiePresiuneNivelDebitTemperatură

ş.a.

Rezistiv

e

InducţiePiezoelectricTermoelectricpH-metricEfect Hall

ş.a.

Inductiv Capacitiv

eReostaticTermorezis-tivTermometricTensometricElectroliticeFotoemisiv

De înaltă şi joasăfrecvenţă

cu s, d,

variabil

Fig. 3.2

i e

Clasificarea traductoarelor este o problemă destul de dificilă, deoarece varietatea acestora este multiplă. Una din variantele de clasificare, în funcţie de mărimea de intrare şi cea de ieşire, este prezentată schematic în figura 3.2.

Un alt mod de clasificare, după [23] poate fi făcut în raport de mărimea de natură neelectrică pe cale electrică. În acest caz vom avea:

a. Traductoare pentru mărimi geometrice: rezistive, inductive, capacitive şi numerice de deplasare; cu radiaţii; de proximitate.

b. Traductoare pentru mărimi cinematice : de viteză; de acceleraţie; de şocuri şi vibraţii; giroscopice.

c. Traductoare pentru mărimi mecanice : elastice (tracţiune, compresie, îndoire, cuplu); tensometrice rezistive; cu coardă vibrantă; magnetostrictive; de forţă; de cuplu.

d. Traductoare pentru mărimi tehnologice: presiune, debite, nivel, temperatură.

e. Alte traductoare: integrate, etc.În cadrul lucrării vor fi prezentate doar traductoarele cele mai uzuale, detalii

suplimentare găsindu-se în [2,23], cu referiri la principiul lor de funcţionare, prezentarea schematică a acestora, variante constructive posibil de realizat, fără a insista prea mult asupra aspectului matematic al acestora, problemă ce revine altor lucrări de specialitate.

3.2. Traductoare pentru mărimi geometrice

Traductoarele mecanice de captare pot fi realizate în mai multe variante, adică:palpator, pârghie, consolă, cuplaj indirect; acestea fiind prezentate în figura 3.3. (a, b, c, d).

3.2.1. Traductoare de deplasare

Pentru măsurarea deplasărilor se utilizează o serie de traductoare cum ar fi: traductoarele rezistive (potenţiometrice), inductive, capacitive, selsinele, traductoare piezoelectrice, cu radiaţii, numerice, de proximitate, ş.a.

Fig.3.3.

Traductoare rezistive

După cum se cunoaşte, variaţia rezistenţei e dată de:

(3.3)

unde: – rezistivitatea electrică; l– lungimea conductorului; S – secţiunea conductorului. Modificând lungimea conductorului, practic se va modifica rezistenţa electrică R.

Pentru măsurarea deplasărilor liniare se utilizează cu precădere potenţiometrul liniar, figura 2.4. care se realizează prin bobinarea pe un suport izolant a unui fir rezistiv pe care se deplasează un cursor ce e susţinut de o pistă decontact. Rezistenţa de ieşire a potenţiometrului se modifică proporţional cu deplasarea cursorului.

(2.4.)

unde: R – rezistenţa electrică a potenţiometrului; l – lungimea potenţiometrului, x – deplasarea cursorului.

Deoarece măsurarea rezistenţei este greoaie, se alimentează potenţiometrul cu o tensiune continuă stabilizată U tensiunea de ieşire a acestuia Ux depinzând numai de x, U şi

l fiind constante.Numai în cazul în care tensiunea de alimentare

este stabilizată şi valoarea curentului ce străbate potenţiometrul este redusă, traductorul reproduce corect caracteristicile.Pentru deplasări unghiulare se utilizează un

potenţiometru de formă circulară, obţinut prin bobinarea pe un suport izolant circular a unui fir rezistiv peste care alunecă un cursor, conform figura 3.5.Rezistenţa la ieşirea potenţiometrului şi tensiunea

de ieşire când acesta este alimentat la o tensiune continuă stabilizată, depind numai de unghiul α după relaţia:

şi (3.6)

U

Fig. 3.4.

Ux

U

Fig. 3.5.

Traductoare inductive

Funcţionarea traductoarelor induc-tive are la bază variaţia geometriei circuitului (cuplajului) magnetic în funcţie de măsurând, care se traduce într-o variaţie de inductivitate proprie sau mutualăPentru cazul deplasărilor liniare mici (< 2 mm), uzual se folosesc traductoare inductive cu întrefier variabil (cu armătură mobilă). Una din aceste variante este prezentată în figura 3.6.

Circuitul magnetic se realizează dintr-o oală de permaloy 1 şi armătura mobilă 2. Bobina 4 se fixează în piesa 1, tija 3 fiind fixată în armătura mobilă 2. Prin l1 şi l2 s-au notat lungimile medii ale liniilor de câmp magnetic, iar d este distanţa dintre armătura mobilă 2 şi miezul magnetic 1.

La modificarea distanţei d sub acţiunea unei deplasări, practic se va modifica inductanţa L a bobinei ce depinzde de d. Deoarece, ca şi în cazul traductoarelor rezistive este dificil a se măsura variaţiile de inductanţă, practic se măsoară căderea de tensiune pe rezistenţa R.

În cazul în care secţiunile circuitului magnetic se aleg într-un anumit mod, căderea de tensiune pe rezistenţa R este aproximativ egală cu mărimea de ieşire e şi este dată de relaţia:

(3.7)

unde: U – tensiune de alimentare alternativă stabilizată;RL- rezistenţa electrică a bobinei;, rp – permeabilitatea magnetică absolută şi relativă a permaloyului;

N – număr de spire;S – secţiunea circuitului magnetic.

Pentru cazul deplasărilor mai mari de 2 mm în mod obişnuit se utilizează traductoare inductive diferenţiale cunoscute şi sub denumirea de transformatoare diferenţiale. În cazul unor deplasări de până la 4 mm se utilizează traductorul inductiv diferenţial cu întrefier variabil, iar pentru deplasări de ordinul centimetrilor se utilizează traductoare inductive diferenţiale, cu miez magnetic mobil. Acestea se realizează constructiv prin bobinarea a două înfăşurări primare şi două secundare identice pe cele două carcase izolante ce se montează pe un tub din material nemagnetic ( plastic, textolit, alamă, ş.a.) în interiorul căruia se poate

Fig. 3.6.

i

4

6 1 2

35

2 1 6

Fig. 3.7.

deplasa liber un miez magnetic ce se execută obişnuit din fier moale. Practic reprezintă două transformatoare identice montate pe aceeaşi carcasă ce arată constructiv ca în figura 3.7., unde: 1 - bobine primare; 2 - bobine secundare; 3 - miez magnetic; 4 - tijă; 5 - distanţier; 6 - capace.

Pentru reducerea perturbaţiilor de natură electromagnetică, întreg ansamblul se ecranează.

Funcţionarea traductorului prezentat se bazează pe principiul variaţiei cuplajului magnetic între primarul şi secundarul celor două transformatoare identice la deplasarea miezului magnetic.

Se recomandă ca pentru o bună reproductibilitate tensiunea de alimentare primară să fie alternativă stabilizată, iar tensiunea secundară să fie redresată şi stabilizată.

Înfăşurările primare ale celor două transformatoare se leagă în serie adiţional, iar cele secundare în opoziţie, astfel că, în poziţia centrală a miezului magnetic tensiunea de ieşire este nulă. Schema electrică a legăturilor arată ca în figura 3.8.a. Conform acestei legături, caracteristica statică arată ca în figura 3.8.b. Această

variantă are dezavantajul că indiferent de poziţia miezului magnetic, faţă depoziţiacentrală (la dreapta sau stânga), conform caracteristici statice, valoarea mărimii de ieşire este aceeaşi. De aceea, în practică este convenabil să se realizeze

circuitul de măsură din figura 3.9.a., caracteristica statică în acest caz fiind prezentată în figura 3.9.b.

Comparativ cu traductoarele inductive cu armătură mobilă, din cauza circuitului magnetic redus acestea au un factor de calitate scăzut, de ordinul

U Stab.

e1

e1 e

i i

e

Fig. 3.8.

b. a.

U ~ stab.

e1

e2 e

e

i

i a. b.

Fig. 3.9.

unităţilor. Cu toate acestea, traductoarele inductive cu miez mobil sunt preferate deoarece prezintă o serie de avantaje ca:

- domeniul de măsurare poate fi de ordinul centimetrilor;- prezintă o reproductibilitate şi rezoluţie ridicată;- sunt insensibile la deplasările radiale şi au frecări reduse;- prezintă posibilitatea protecţiei la medii corozive, presiuni şi temperaturi

ridicate, ş.a.Facem menţiunea că în afara traductoarelor inductive prezentate, în practică

se mai pot utiliza traductoare de tip: transformator, inductosin liniar şi circular [23].

Traductoare capacitive

Funcţionează pe principiul modificării capacităţii unui condensator atunci când variază fie distanţa dintre armăturile lui, fie dimensiunile armăturilor, fie constanta dielectrică a mediului dintre ele conform

relaţiei:

(3.8)

Pentru deplasări mici, se utilizează traductoare capacitive la care se modifică distanţa dintre armături (figura 3.10), armătura 1 fiind suspendată elastic şi se poate deplasa paralel cu ea însăşi sub acţiunea forţei F (deplasării). Armătura 2 este fixă şi izolată electric faţă de suport. Între capacitatea traductorului şi deplasarea (x) a armăturii mobile există o relaţie de forma:

(3.9)

unde:εr - permitivitatea relativă a dielectricului dintre armături;Ss – suprafaţa de suprapunere a celor două armături;δ – distanţa dintre armături;x – deplasarea de măsurat.

Sensibilitatea traductoarelor e dată de:

Pentru măsurarea unor unghiuri se utilizează traductorul capacitiv reprezentat schematic în figura 3.11, la care se modifică practic suprafaţa de suprapunere a armăturilor, una fiind fixă - 1 , cealaltă - 2 putându-se roti prin fixarea acesteia pe axul 3.În funcţie de unghiul de rotire α a armăturii mobile se va modifica suprafaţa de suprapunere dintre cele două armături, valoarea capacităţii fiind dată de:

(3.10)

notaţiile fiind cele anterioare, rezultă:

Pentru cazul unor deplasări liniare se utilizează: traductoare cu armături dreptunghiu-lare şi cilindrice. Pentru traductorul cu armături dreptunghiulare (1–

Fig. 2.12.

1

22

F

δ

Fig. 3.10.

Fig. 2.15.Fig. 3.11.

Fig. 2.16.

1

2

b

d l

l1

Fig. 3.12.

fixă, 2 – mobilă) din figura 3.12.,capacitatea este dată de: , iar

(3.11)

Pentru traductorul cu armături cilindrice din figura 3.15 (1 – fixă, 2 – mobilă) capacitatea depinde de deplasarea axială a cilindrului interior, fiind:

, iar (3.12)

unde r1, r2 sunt razele cilindrului interior, respectiv exterior.

Cu menţiunea că există şi variante de traductoare capacitive la care se modifică dielectricul (acesta nu în sensul că se modifică poziţia dielectricului faţă de cele două armături), precizăm că toate traductoarele capacitive funcţionează în curent alternativ la frecvenţa de cel puţin 1 kHz.

Traductoarele capacitive prezintă o foarte bună sensibilitate fiind utilizate frecvent pentru măsurări de deplasări rapide. metoda compensării.

Datorită faptului că în mare măsură capacitatea traductorului depinde de dimensiunile geometrice ale armăturilor care pot varia cu temperatura mediului, ducând la erori importante, pentru înlăturarea acestui inconvenient armăturile se confecţionează dintr-un material special numit invar. De asemenea se utilizează şi prin montarea în punte a două traductoare identice, numai unul dintre aceştia fiind acţionat de mărimea neelectrică măsurată sau controlată.

Traductoare piezoelectrice

Sunt traductoarele generatoare ce funcţionează pe principiul piezoelectric (magnetostrictiv). Acest fenomen constă în apariţia de sarcini electrice pe feţele unui cristal special în momentul în care asupra acestuia se exercită forţe (presiuni) mecanice, fenomen descoperit de fraţii curie la sfârşitul secolului trecut.

Iniţial, fenomenul a fost observat la cristalele de cuarţ (SiO2) dar, proprietăţile pizoelectrice mai prezintă şi alte cristale ca: turmalina, oxidul de zinc, niobatul de litiu, titanul de bariu, plumb şi zirconiu, ş.a.

În ultima perioadă se utilizează cu precădere titanatul de bariu care este un material ceramic cu aspectul porţelanului, rezistent la solicitări mecanice şi termice care are un randament ridicat în funcţionare. Traductorul este alcătuit din unul din cristalele amintite, prelucrat în mod special (figura 3.14), pe feţele căruia se depune un strat subţire

de argint coloidal cu scopul de a culege sarcinile electrice formate când elementul piezoelectric se supune unor deformaţii mecanice.

Au avantajul unei inerţii reduse, sunt fiabile, nu necesită surse de alimentare, în schimb necesită amplificatoare deoarece tensiunea generată este foarte mică. Au dezavantajul unui preţ relativ ridicat.

r2r1

x

Fig. 2.17

r2r1

x

Fig. 3.13.

Zonămetalizată

+ + + +

- - - -

F

Zonămetalizată

Fig. 3.14.

3.2.2. Traductoare cu radiaţii

Aceste tipuri de traductoare pot fi folosite la măsurarea distanţelor sau deplasărilor de regulă liniare, bazându-se pe proprietatea de propagare a radiaţiilor în timp şi interacţiunea acestora cu mediile în care se propagă. Aceste radiaţii pot fi: optice, acustice, electromagnetice sau nucleare.Traductoarele cele mai des utilizate sunt

traductoare acustice cu ultrasunete ce funcţionează pe principiul efectului piezoelectric sau magnetostrictiv, cele două variante fiind reversibile, putând fi folosite atât la emisia radiaţiilor acustice-ultrasonore, cât şi la recepţia acestora.Traductorul piezoelectric cu ultrasunete, după

schema principială din figura 3.15. se compune din carcasă metalică 1, în interiorul căreia se montează pastila piezoelectrică 2 (materiale cristaline – cuarţ sau materiale amorfe – titanatul de bariu, titanatul de zirconiu) pe care sunt plasate două armături metalice 3. Placa izolatoare 4 protejează traductorul de mediul de contact, putând avea şi rolul de transformator acustic prin adaptarea impedanţei acustice a traductorului la mediul de propagare. Prin alimentarea traductorului cu o tensiune alternativă între conductorul 5 şi carcasă, sub acţiunea câmpului electric alternativ creat, prin efect piezoelectric, pastila se va deforma.

Pentru obţinerea unui răspuns rapid, în spaţiul 6 din interiorul carcasei se introduce un material cu impedanţă acustică mare (deobicei pulbere de titan în liant solidificat) cu rolul de amortizor mecanic cu precizarea că amortizarea se poate face şi electric, prin montarea unei rezistenţe electrice de valoare mare în paralel cu traductorul.

Cu precizarea că în [23] este descris şi un traductor modern cu unde acustice de suprafaţă (SAW – Surface Acustic Wave) ce permite determinarea poziţiei bidimensionale, în cadrul lucrării pe care ne propunem a o dezvolta ne limităm doar la cele prezentate, revenind în cap. 3. la diverse convertoare, adaptoare, circuite de măsurare, aparate de măsură ş.a.

3.3. Traductoare pentru mărimi cinematice

În cadrul acestui paragraf vom încerca să redăm principiul de funcţionare al unor traductoare frecvent utilizate pentru măsurarea vitezei liniare şi de rotaţie, acceleraţiilor, precum şi a traductoarelor de tip selsin, acestea din urmă putând fi utilizate atât pentru măsurarea şi transmiterea la distanţă a unor poziţii unghiulare, cât şi pentru funcţionarea în regim de urmărire a rotirii unui organ greu accesibil.

3.3.1. Traductoare de viteză

Pentru măsurarea vitezelor liniare în general se aplică metoda directă prin determinarea distanţei într-un anumit interval de timp sau, cronometrarea timpului de parcurgere a unei anumite distanţe.

Totuşi, în [23] este indicat pentru măsurarea vitezelor liniare traductorul de tip motor liniar prezentat schematic în figura 3.16. Constructiv, este asemănător cu traductorul inductiv diferenţial cu miez mobil dar, miezul se înlocuieşte cu un magnet

1

2

3Fig. 3.15.

Fig. 3.15.

4

5

6

3

2

1

permanent 1,iar bornele (înfăşurările) 2 se leagă înseriate, astfel că efectele se vor însuma.

Tensiunea ce se induce într-o înfăşurare e dată de:

(3.13)

unde: N – numărul de spire; Ф – fluxul creat de magnetul care este de forma Ф=Ф0f(x). Va rezulta că:

(3.14)

În principiu, se poate observa că se poate utiliza ca traductor de viteză liniară, orice traductor de deplasare prin derivarea mărimii de ieşire. Această metodă se utilizează destul de rar, pe motivul că derivarea analogică măreşte nivelul perturbaţiilor în cazul frecvenţelor ridicate.

Traductoarele de viteză de tip motor liniar permit o deplasare maximă de 50 mm, cu o sensibilitate de 5 mv/m/s şi liniaritate de 1 %.

În practică se urmăreşte de obicei măsurarea vitezei de rotaţie (cazul acţionărilor electrice), vitezele liniare fiind convertite în viteze unghiulare pe baza relaţiei:

v = ·R (3.15)unde: v – viteza liniară; - viteză unghiulară; R – raza de rotaţie.

Tahogeneratoarele, sunt traductoare de turaţie (generatoare de curent continuu sau alternativ) care generează un semnal de tensiune proporţional cu viteza unghiulară.

Tahogeneratoarele de curent continuu sunt minigeneratoare de curent continuu cu excitaţie constantă, în mod obişnuit fiind realizate dintr-un magnet permanent. Tensiunea generată şi culeasă de la periile acestuia este dată de:

E = ·k·Ф (3.16)unde: – pulsaţia; Ф – fluxul magnetic creat de magneţii permanenţi; k – constantă de etalonare (proporţionalitate). Această caracteristică este de obicei neliniară (figura 3.17.) şi, în zona vitezelor de rotaţie reduse comportarea lor devine necorespunzătoare, datorită unui număr limitat de lamele la colector. Totodată, prezintă dezavantajul prezenţei zgomotelor produse de perii, fiind necesară o filtrare ulterioară.

În cazul tahogeneratoarelor de curent continuu, tensiunea generată de acestea este de ordinul 2 ÷ 10 V/ 1000 rot/min, având o aplicabilitate restrânsă.

1 U 2

Fig. 3.16.

x

Tahogeneratoarele de curent alternativ, sunt minigeneratoare sincrone monofazate, rotorul acestora fiind în mod obişnuit un magnet permanent. Tensiunea generată de acestea este redresată şi filtrată, de obicei cu blocuri de cuadripoli de care va trebui să ţinem cont la exprimarea funcţiilor de transfer, filtrele fiind în general cuadripoli de tipul trece jos.

Pentru cazul în care puterea (cuplul) transmisă este redusă se poate utiliza şi traductorul realizat pe principiul motorului bifazat, reprezentat schematic în figura 3.18. La acest traductor, una din înfăşurările statorice se alimentează în curent alternativ, axul rotorului fiind antrenat de dispozitivul a cărui viteză se măsoară. Tensiunea generată în a doua înfăşurare e va fi proporţională cu , iar pentru o inerţie mică se realizează constructiv cu rotor sub formă de pahar. Prezintă o sensibilitate de circa 1 mV/rot/min, caracteristica statică este liniară pe un domeniu de turaţii larg (0 ÷ 18.500 rot/min) iar, folosind construcţii speciale se pot măsura turaţii până la 30.000 rot/min [15], fiind realizate la frecvenţe de 50 Hz sau 500 Hz.

Pentru cazul măsurării vitezelor, funcţiile de transfer ale tahogeneratoarelor se reduc la valoarea constantei de proporţionalitate, adică în raport cu poziţia unghiulară, acestea sunt de forma:

Y(s)= K·s (3.17)rezultând un element pur derivativ. Această proprietate, de element pur derivativ, îşi găseşte aplicaţii în mod deosebit la sistemele de reglare a poziţiei prin realizarea unor reacţii suplimentare [5].

Actual, un număr mare de traductoare de turaţie se realizează prin impulsuri, funcţionând pe principiul reluctanţei variabile, cu curenţi Foucault sau pe pincipii optice (cazul efectului stroboscopic sau cazul reflexiei unui fascicol luminos).

Principial, după [23] în figura 3.19.a. se prezintă un traductor de turaţie cu senzorul magnetic βSM 230, iar în figura 3.19.b. un traductor realizat cu senzorul de proximitate TCA 105N., pentru turaţii cuprinse între 100 ÷ 30.000 rot/min. Precizăm

ω

ω

e

e

≈

Fig. 3.17. Fig. 3.18.

faptul că traductoarele optoelectronice pot fi utilizate la turaţii foarte mari, atingând

chiar 107 rot/min.Cu precizarea că, circuitele de măsurare pentru traductoarelor cu impulsuri

sunt frecvenţmetre, turaţia este multiplicată cu un număr egal cu numărul fantelor sau dinţilor (repere de marcare), putându-se măsura cu precizie bună chiar şi turaţiile mici.

O soluţie intere-santă pentru măsura-rea vitezelor de rotaţie o prezintă puntea tahometrică, cu preci-zarea că aceasta se poate utiliza, cu anumite rezerve, la măsurarea vitezei de rotaţie a motoarelor de curent continuu. Sche-ma de principiu a ,,punţii tahometrice’’ este redată principial în figura 3.20.a.b., tensiunea de reacţie (rotorică) ur putând semnifica măsurarea vitezei unghiulare .

Comportarea punţii tahometrice în regim staţionar [54] constant ne duce la concluzia că rămân valabile relaţiile:

ua= eM+(R1+Ra)·ia; eM=Ke· uR2= ia·R1+uu; uR2=R2·ua/(R2+R3) (3.18)Rezultă că:

(3.19)

cu precizarea că Ra este rezistenţa rotorică, iar eM este tensiunea electromotoare generată.

Dacă vom lua în considerare că R1/Ra=R2/R3 se obţine:

(3.20)

Fig. 3.19.

ωω

ω UuUu

UR1

UR2UR2

R1

Uu

R2

R3ω

a..

Yω

Fig. 3.20. 2.26.

b.

Luând în considerare relaţiile (2.18), comportarea în regim dinamic a punţii tahometrice va fi dată de:

(3.21)

sau se poate scrie:

(3.22)

unde: T’a=La/(Ra+Ra), La – inductanţa rotorică; Ra – rezistenţa rotorică.Prin alegerea adecvată a rezistenţei R1 şi prin filtrarea semnalului de reacţie

cu o constantă de timp mult mai mare decât T’a, se poate considera că:

(3.23)

3.3.2. Traductoare de acceleraţie

În tehnica de măsurare a acceleraţiilor se pot utiliza accelerometre: piezoelectrice (de compresie, de forfecare, de forfecare, cu lamă în consolă); piezorezistive (cu amplificator mecanic, cu timbre tensometrice, cu fibre optice) şi cu reacţie, acestea urmând a fi prezentate foarte sumar în cele ce urmează [23].

Accelerometre piezoelectrice

Sensibilitatea acestor traductoare poate fi exprimată prin:- sensibilitatea de sarcină:

[pC/m·s2]

(3.24)

- sensibilitatea de tensiune:

[mV/m·s2] sau [mV/g] (3.25)(g – acceleraţie gravitaţională)

Accelerometre piezoelectrice de compresie, figura 3.21. se realizează constructiv dintr-o piesă a cărei vibraţie se măsoară şi o placă de bază 1 care reprezintă suportul a două pastile

piezoelectrice 2 pe care se plasează masa seismică ms. Pretensionarea sistemului este realizată cu ajutorul resortului 3, întreg ansamblu fiind introdus în carcasa 4 şi prevăzut cu mufa de conectare 5.

Traductoarele piezoelectrice sunt robuste, preiau undele longitudinale, au o frecvenţă de rezonanţă ridicată, dar, prezintă şi o sensibilitate transversală ceea ce face ca sensibilitatea totală să varieze în funcţie de unghiul de orientare între o valoare maximă şi minimă. Pentru reducerea influenţei sensibilităţii transversale, pe traductor se marchează direcţia pe care aceasta este minimă, fiind necesară respectarea acesteia la montare.

Fig. 3.21.

Accelerometre piezoelectrice de forfecare sunt realizate constructiv sub formă cilindrică curent alternativ în figura 3.22. sau sub formă prismatică triunghiulară. Sunt prevăzute cu o placă de bază 1, pastila piezo de formă cilindrică 2 care se fixează cu adezivul conductor 3, masa seismică ms 4 şi carcasa 5.

La aceste traductoare, vibraţiile produc unde de forfecare în pastila piezoelectrică. Comparativ cu accelerometrele de compresie, sensibilitatea acestor traductoare este redusă la variaţii de temperatură şi tensiuni mecanice din piesa de bază, prezentând o anumită fragilitate.

Accelerometre piezorezistive

Funcţionează pe principiul modificării rezistenţei sub acţiunea unei deformaţii a unor timbre tensometrice. Principial, un astfel de accelerometru se realizează (figura 3.23.) din masa seismică 1, suspendată de lama elastică 2 încastrată în suportul 3, deformaţia acesteia fiind măsurată cu timbrele tensometrice 4.Deoarece banda de frecvenţe începe de la zero, la măsurare pot să apară derive termice, modulului de elasticitate şi amortizării.iar modificarea temperaturii duce la variaţia modulului de elastcitate şi a amortizării.

Aceste accelerometre se utilizează ca traductoare de joasă frecvenţă precum şi la măsurarea acceleraţiilor constante (în cazul vehiculelor), la frecvenţe în banda 0 ÷ 1000 Hz cu domeniul de măsurare (1 – 500)·g.

Faţă de accelerometrele piezoelectrice, cele piezorezistive prezintă avantajul unei impedanţe echivalente redusă, sunt mai puţin sensibile la influenţele exterioare, banda de frecvenţe începe de la zero, dar sunt mai puţin sensibile deoarece în circuitele de măsurare s-ar putea să apară derivă de zero de natură termică sau mecanică.

Precizăm că există şi alte variante îmbunătăţite, iar circuitele de măsurare sunt cele utilizate la timbrele tensometrice.

Traductoare cu fibre optice, figura 3.24, au în componenţă placa de bază 1, masa seismică 2, lama elastică 3. Pe partea mobilă (2,3) sunt plasate fibre optice multimod (receptor 4, emiţător 5) ultimul preluând fluxul luminos de la sursa 6. De masa seismică este legată rigid bara 7.Fluxul de lumină recepţionat va depinde de poziţia relativă dintre cele două fibre optice, având o caracteristică de transfer Gaussian [46] şi se constată posibilitatea obţinerii unei variante diferenţiale a traductorului, obţinând sensibilităţi foarte mari.

5

2

4

3

1

Fig. 3.22.

42

1

Fig. 3.23.

3

2 145

6

7

Fig. 3.24.

3

Accelerometre cu reacţie

Un accelerometru cu reacţie este reprezentat principial în figura 3.25., acesta fiind realizat dintr-un magnet permanent 1 care creează un câmp magnetic intens în

care se plasează un cadru mobil bobinat 2 (cazul dispozitivelor magneto-electrice). De acest cadru se leagă solidar, printr-o tijă, masa seismică 3. Datorită vibraţiilor, a căror direcţie este perpendiculară pe axul cadrului mobil, se produce o deplasare a masei seismice care

roteşte cadrul, rotire ce va fi sesizată de traductorul de unghi – α. După o eventuală prelucrare, acest semnal este amplificat prin A şi readus în cadru sub forma unui curent de reacţie ce va da naştere la un cuplu activ care aduce cadrul mobil la poziţia iniţială.

Aceste accelerometre lucrează în bandă de frecvenţe reduse, uzual 0 ÷ 100 Hz, într-un domeniu de ordinul 10·g, dar, prezintă o rezoluţie ce atinge 10-6·g.

Se utilizează destul de puţin, deoarece sunt foarte fragile şi au un preţ de cost ridicat.

3.4. Selsine

Denumirea acestora este o prescurtare a expresiei ,,self synchronous mashine’’ şi servesc atât pentru transmiterea la distanţă a unor poziţii unghiulare cât şi pentru ,,telecomanda’’ rotaţiei unui organ greu accesibil ce execută o viteză de rotaţie [21,55, 56].

Din punct de vedere constructiv, selsinul este practic un generator sincron, adică dispune de trei înfăşurări statorice decalate la 1200 şi o înfăşurare rotorică monofazată. Comparativ cu generatoarele sincrone, rotorul selsinelor este alimentat în general cu tensiune alternativă de frecvenţă industrială (50 Hz), iar, în cazul unor construcţii speciale, la frecvenţa de 500 Hz.

12

3

Fig. 3.25.

Datorită fluxului creat de înfăşurarea rotorică (figura 3.26.) se vor induce tensiuni electromotoare în fiecare din înfăşurările statorice, amplitudinea acestora depinzând de poziţia relativă ocupată de înfăşurarea rotorică în raport cu poziţia

înfăşurării statorice.Considerând că Er este amplitudinea tensiunii rotorice şi α reprezintă unghiul

între câmpul rotoric creat de aceasta cu axa înfăşurării 1, amplitudinea tensiunilor induse în cele trei înfăşurări vor fi: E1=Er·cosα; E2= Er·cos(α+2/3); E3= Er·cos(α-2/3), (3.26)cu menţiunea că aceste tensiuni vor fi alternative şi de aceeaşi frecvenţă cu a tensiunii rotorice.

Pentru transmiterea la distanţă a unei poziţii unghiulare α a rotorului cuplat la dispozitivul a cărui poziţii se măsoară se va utiliza schema de legături indicată în figura 3.27., utilizând două selsine. În cazul în care între poziţia rotorului αg a selsinului generator şi αm a selsinului motor va exista o diferenţă, datorită curenţilor de circulaţie ce apar, rezultă un cuplu motor a cărui valoare e dată aproximativ de:

(3.27)cuplu ce se anulează numai în cazul în care αg=αm. Rezultă că αm va reproduce poziţia dispozitivului condus αg.

Cu precizarea că utilizând această schemă, se poate realiza şi regimul de urmărire a rotaţiei unui element la care accesul vizual nu este posibil.

Selsinele au o comportare dinamică ideală la măsurarea poziţiei unghiulare dar, trebuie ţinut cont şi de posibilitatea unor întârzieri ce apar datorită mecanismului de antrenare al rotorului, inerţia acestuia fiind practic neglijabilă.

3.5. Traductoare de şocuri şi vibraţii

Vibraţiile reprezintă mişcări oscilatorii în jurul unui punct caracterizat prin amplitudine, viteză, acceleraţie, frecvenţă iar, şocurile reprezintă mişcări în formă de impulsuri singulare cu durată scurtă fiind descrise de anumite legi de variaţie în timp sau mai simplu, prin valori cinematice maxime.

Vibraţiile sunt de joasă sau înaltă frecvenţă, libere sau întreţinute, amortizate sau neamortizate, deterministice sau aleatoare, de translaţie, torsiune, încovoiere, etc.

În principiu, vibraţiile se măsoară prin cei trei parametri ai acestora, adică: amplitudine, viteză sau acceleraţie, prin cunoaşterea cărora se pot determina şi ceilalţi parametri (prin derivare sau integrare). În practică se preferă soluţia de integrare (derivarea duce de obicei la intensificarea perturbaţiilor de înaltă frecvenţă), prin măsurarea acceleraţiei care prezintă şi avantajul că nu este necesar un anumit sistem de referinţă.

1 e1

3 e3 2 e2

α

e1

e3 e2

α

e1

e3 e2

αg

er

Fig. 3.26 Fig. 3.27

er

er

αm

I1

I2

I3

În practică, măsurarea vibraţiilor se face prin forţa ce acţionează asupra unei mase seismice din componenţa unor traductoare seismice.

Principial, după figura 3.28. traductoarele seismice sunt traductoare mecanice de tip inerţial compuse din: carcasă 1; placa de bază 2; resortul 3 cu constanta elastică k; masa seismică m 4; dispozitivul de amortizare 5 cu factorul de amortizare c, traductorul în ansamblu fiind un sistem mecanic de ordinul II, i – mărimea de intrare, e – mărimea de ieşire.

Ecuaţia de mişcare a masei seismice în domeniul timp este:

(3.28)

Cu precizarea că membrul drept al acestei relaţii reprezintă forţa inerţială, în funcţie de relaţiile existente între coeficienţii m, c, k în [10] sunt tratate cazurile: masaseismică mare, resoarte slabe (vibrometre); resort rigid, masă şi coeficient de amor-tizare neglijabile (accelerometre); coeficient de amortizare mare, masă şi constantă elastică neglijabile.

Traductorul seismic poate fi descris funcţional şi în domeniul frecvenţă, prin aplicarea transformatei Laplace relaţiei (3.28) şi determinând funcţia de transfer care este de forma:

(3.29)

unde: – pulsaţia proprie de rezonanţă mecanică; – factor de amortizare.

Dacă >> 0, atunci e >> i, traductorul se poate utiliza ca vibrometru, fiind realizat constructiv cu masă mare şi suspensie moale.

Dacă << 0, relaţia (3.29) devine:

(3.30)

ceea ce ne arată că mărimea de ieşire este proporţională cu acceleraţia, traductorulceea ce ne arată că mărimea de ieşire este proporţională cu acceleraţia, traductorul funcţionând ca accelerometru seismic, construcţie ce presupune o masă seismică redusă şi o suspensie tare.

Funcţionarea traductorului seismic ca vibrometru impune utilizarea unui filtru trece-sus, constructiv putând reduce amortizarea sau creşte masa seismică prin aceasta scăzând sensibilitatea.

În cazul accelerometrelor e necesar să utilizăm un filtru trece-jos, iar creşterea frecvenţei maxime de funcţionare devine posibilă prin micşorarea masei sau creşterea amortizării. Această soluţie are avantajul reducerii gabaritului, dar, trebuie ţinut cont de faptul că sensibilitatea scade cu pătratul frecvenţei. Totodată creşterea amortizării are ca efect lărgire benzii de frecvenţă, prezentând dezavantajul unui defazaj suplimentar ce face dificilă analiza nodurilor de vibrare şi a şocurilor.

În mod obişnuit, ca unitate de măsură pentru acceleraţii se foloseşte m/s2 sau acceleraţie gravitaţională g=9,81 m/s2, iar punerea în evidenţă a deplasării masei seismice se face cu traductoare adecvate de deplasare, viteză sau presiune (forţă).

C

m

k

e

x

5

4

32

1

Fig. 3.28.

3.6. Traductoare pentru mărimi mecanice

Principalele mărimi mecanice măsurate în tehnică sunt cele specifice construcţiilor mecanice din care derivă şi alte mărimi specifice: masa, duritatea, tensiunea mecanică, alungirea relativă, modulul de elasticitate, presiunea ş.a. La măsurarea mărimilor mecanice pot fi utilizate traductoarele specifice, dar şi traductoarele de deplasare care au în componenţă un element elastic ce captează forţa sau momentul şi le transformă într-o deplasare.

Totodată este necesar să se acorde o atenţie deosebită pentru reducerea la minim a riscurilor unor deformări accidentale, cum ar fi flambajul, adică îndoirea structurii la o compresie axială, precum şi alegerea unor variante de măsurare diferenţiale.

În cele ce urmează, vom prezenta foarte succint traductoarele pentru mărimi mecanice de tipul: elastice (de tracţiune – compresie; de îndoire; de tăiere; cu săgeată mare; de cuplu); tensometrice rezistive; magnetostrictive; de forţă cu măsurarea deplasării de cuplu, fără a insista asupra circuitelor de măsurare, conversie sau adaptare, acestea prezentându-se separat.

Traductoare elastice de cuplu funcţionează în general pe principiul măsurării deformaţiei produse de cuplu asupra unor traductoare mecanice. Aceste traductoare pot avea forma de cilindru plin, tub sau bară pătrată, reprezentate schematic în figura 3.29. a), b), c).

Notând cu M – cuplul transmis axial, G – modulul de rigiditate, unghiul de

torsiune θ şi tensiunea maximă, cu notaţiile din figură sunt date de relaţiile:

- cilindru plin: (3.31)

- tub: (3.32)

- bară pătrată: (3.33)

Precizăm că, tensiunea mecanică maximă nu trebuie să depăşească 2/3 din tensiunea mecanică limită de forfecare iar în cazul în care pe lângă forfecare mai apare şi fenomenul de îndoire a axului, ceea ce duce la erori suplimentare, lungimea axului trebuie redusă, ceea ce în final duce la scăderea sensibilităţii.

Traductoare tensometrice rezistive

Aceste traductoare [10, 20, ş. a.] funcţionează pe efectul tensorezistiv descoperit de lordul Kelvin în 1856, efect ce constă în modificarea rezistenţei electrice în funcţie de tensiunea mecanică, prin modificarea lungimii, secţiunii şi

R

L L

R

r

L

aa

a

a) b) c)

Fig. 3.29.

rezistivităţii electrice . Aplicaţiile industriale ale efectului tensometric îşi fac apariţia mult mai târziu, abia prin anul 1920.

pot fi realizate în două variante: cu filament semiconductor (figura 3.30.a.) şi difuzate (figura 3.30.b.). În primul caz, filamentul semiconductor , care este decupat chimic sau mecanic dintr-un monocristal semiconductor cu lungimi până la un milimetru şi grosimi de ordinul 10-2 mm, este conectat la două conductoare şi montat pe suport .

În cazul traductoarelor difuzate (obţinute prin difuzia unor impurităţi într-o zonă a unui substrat de silicon mono-cristalin) se poate observa că apare şi o diodă semiconductoare care trebuie polarizată invers în circuit. Acest lucru permite realizarea unei configuraţii de 4 traductoare montate în punte cu aplicabilitate simplă în tehnica circuitelor integrate, cu menţiunea că rezistivitatea, în cazul cristalelor de siliciu, creşte până la temperaturi de aproximativ 120 0C, după care aceasta se reduce.

Datorită deformării suportului, rezistenţa R a timbrelor tensometrice se va modifica atât din cauza lungimii l cât şi a secţiunii s, respectiv a rezistivităţii electrice . Prin aplicarea diferenţialei totale a logaritmului rezistenţei [23, 30], prin trecerea concomitentă la diferenţe finite, sensibilitatea acestor traductoare este dată de:

(3.34)

Luând în considerare un conductor rotund cu diametrul d, secţiunea acestuia variază prin intermediul diametrului, care, la rândul său depinde de variaţia lungimii după relaţia:

(3.35)

fiind coeficientul lui Poisson cu valori cuprinse între 0,2 ÷ 0,4. Fenomenul piezorezistiv este pus în evidenţă prin termenul / care este proporţional cu variaţia volumului V, adică:

(3.36)

c fiind constanta lui Bridgman, cu valori aproape unitare pentru metale, +100 pentru semiconductoare "p" şi -100 pentru semiconductoare "n". ţinând cont că V=·d2·l/4, relaţia (3.35) devine:

(3.37)

k reprezintă sensibilitatea relativă, care pentru c şi date are valoarea k ≈ 2 la traductoare metalice, k ≈ ± 100 la traductoarele semiconductoare în funcţie de tipul semiconductorului "p" sau "n".

Trebuie reţinut faptul că, pe lângă sensibilitatea longitudinală manifestată în lungimea firului, apare şi o sensibilitate transversală kt:

(3.38)

unde Rl este rezistenţa firului pe porţiunea longitudinală, iar Rt pe porţiunea transversală. Sensibilitatea transversală este cu atât mai mică cu cât R t<<Rl, nedepăşind 2% din cea transversală. Din acest motiv, la traductoarele cu folie, porţiunile transversale sunt mari.

Referitor la influenţa temperaturii, se produc concomitent trei fenomene: dilatarea piesei, dilatarea firului traductorului şi modificarea rezistenţei acestuia. Alegând convenabil materialele, devine posibilă compensarea acestor efecte (realizare dificilă în practică) prin compensarea erorilor cu temperatura utilizând montaje diferenţiale sau montaje compensate termic.

Traductoare magnetostrictive

Sub acţiunea unui câmp magnetic, substanţele magnetice îşi modifică geometria (dimensiunile) precum şi unele mărimi de natură mecanică, mai precis, modulul de elasticitate. Acest fenomen este reversibil, ceea ce ne arată că se produce o modificarea a curbei de magnetizare, implicit a permeabilităţii magnetice sau inducţiei remanente, sub acţiunea unor tensiuni mecanice. Această interac-ţiune dintre momentele magnetice elementare şi reţeaua cristalină, reprezintă proprietate de magnetostric-ţiune a substanţelor magnetice.

Pe baza acestei proprietăţi s-au realizat traductoare de forţă la care variază fie permeabilitatea magnetică, fie inducţia remanentă.

Având la bază principiul variaţiei permeabilităţii magnetice, în figura 3.33. se prezintă două traductoare magnetostrictive (a - de inductivitate proprie; b - de

inductivitate mutuală; c - aspectul liniilor de câmp).

Traductorul din figura 3.31.a. se realizează sub forma unei inductivităţi cu circuit închis. Proporţional cu tensiunea mecanică (efortul ), apare o variaţie relativă a permeabilităţii magnetice care se transformă într-o variaţie relativă a reluctanţei magnetice. În final apare o variaţie relativă a inductivităţii dată de:

L/L = k· (3.39)Ca dezavantaje ale

acestor traductoare putem menţiona:- reproductibilitate redusă, fiind necesară reetalonarea periodică;- sensibilitatea scade cu creşterea frecvenţei, depinzând de amplitudinea

curentului de excitaţie fiind necesar a stabili regimul optim de funcţionare pentru fiecare traductor în parte;

- sensibilitatea caracteristicii scade cu creşterea temperaturii cu circa 0,1%/ 0C şi prezintă histerezis;

- întrefierul reduce sensibilitatea traductorului putând chiar să o anuleze.În cazul traductoarelor cele mai utilizate, realizate din aliaje de feronichel,

domeniile de măsurare sunt de ordinul 50·106 N/m2, cu o sensibilitate de ordinul 2·10-

9 m2/N.Traductoarele de inductivitate mutuală (figura 3.31.b.) sau de tip transformator

sunt realizate dintr-un material magnetic omogen, practicându-se patru orificii în vârful unui pătrat, pe suprafaţa compactă a acestuia, orificii în care se realizează

Fig. 3.31.

două bobinaje cu axele perpendiculare. Dacă una din înfăşurări se alimentează cu Up

(tensiune primară), în lipsa unei deformaţii (tensiuni) mecanice, materialul magnetic fiind izotrop, în cea de-a doua înfăşurare nu va apărea tensiune electrică U r datorită simetriei liniilor de câmp (figura 3.31.c.). În cazul că traductorul este tensionat, materialul nu mai este izotrop, se produce modificarea structurii liniilor de câmp şi o parte din acestea se închid şi prin înfăşurarea secundară, producând o tensiune electrică Us. La sarcini de circa 50·106 N/m2, sensibilitatea traductorului poate atinge valorile de 100 mV/V.

Traductoarele magnetostrictive ce funcţionează pe principiul variaţiei inducţiei remanente, prezentate principial în figura. 3.32., îşi modifică inducţia magnetului permanent la solicitări mecanice după relaţia:

(3.40)

k fiind o constantă ce depinde de natura magnetului (10-9 T/N·m-2), rezultând că traductorul se poate utiliza doar pentru măsurarea unor forţe dinamice, obţinând la borne tensiunea:

(3.41)

Prin integrarea acestei relaţii, se vor obţine informaţii asupra tensiunii mecanice .

Traductorul prezentat are dezavantajul unei robusteţe mecanice ridicate, are o impedanţă electrică mică, este sensibil la variaţii de temperatură. Totodată se impune limitarea frecvenţei maxime a mărimii de măsurat, aceasta trebuind să fie mai mică decât frecvenţa de rezonanţă mecanică.

Traductoare de forţă cu măsurarea deplasării

Aceste tipuri de traductoare prezintă o complexitate ridicată, funcţionând pe principiul transformări succesive a mărimilor, prin transformarea forţei F într-o deplasare l cu ajutorul unui traductor elastic, deplasarea care la rândul său este măsurată cu un traductor electric.

Notând u - tensiunea la ieşirea circuitului de măsurare avem:

(3.42)

unde u/l reprezintă funcţia de transfer a traductorului electric cu circuitul său de măsurare.

După cum s-a arătat, traductoarele electrice de deplasare pot fi rezistive, capacitive sau inductive, ultimele având o utilizare mai frecventă .

Principial, în figura 3.33. se prezintă un traductor inductiv diferenţial de tip transformator: 1 - tijă; 2 - arcuri spirale; 3 - înfăşurări; 4 - distanţier; 5 - miez magnetic.

Traductoarele de elastice utilizate (arcuri spirale, inele dinamometrice, console)

Magnetperman

Fig. 3.32.

123

4

532

Fig. 3.33.

2

4

31

Fig. 3.34.

Discuri cu fante Fig. 3.35.

prezintă deformaţii mari pentru sarcini mici şi sunt prevăzute cu opritoare (limitatoare) de deplasare mecanică pentru a nu deteriora la suprasarcini accidentale.

Miezul magnetic plasat pe axa tijei mobile asupra căreia acţionează forţa F, se poziţionează în raport cu înfăşurările traductorului cu ajutorul celor două arcuri cu sensul de înfăşurare opus, în scopul compensării erorilor de temperatură.

Tensiunea de ieşire nominală poate fi de ordinul 1V la tensiuni de alimentare de câţiva volţi, frecvenţa de lucru atinge ordinul kilohertzilor, iar domeniul de măsurare al acestor traductoare este de circa ±1 daN pentru deplasări de ±0,5 mm.

În cazul traductorului de cuplu asociat cu traductorul inductiv diferenţial, prezentat în figura 3.34., pe arborele - 1 cu diametrele diferite D şi d, sunt plasate la o distanţă l faţă de suprafaţa de separare a secţiunilor, bobinele - 2 şi circuitul magnetic - 3.Solidar cu secţiunea de diametru mai mare a arborelui se fixează o armătură mobilă - 4, a cărui poziţie este perfect simetrică în raport cu bobinele dacă nu apare un cuplu.

Când arborele este supus unui cuplu va avea loc o deplasare a armăturii mobile datorită deformării acestuia, modificându-se cele două inductivităţi ale bobinelor. Trebuie precizat faptul că dacă apare şi un cuplu de încovoiere, acesta nu influenţează măsurătorile.Traductoarele optoelectronice de cuplu funcţionează pe principiul schemei prezentate în figura 3.35., pe arbore fiind plasate la o anumită distanţă d, două discuri perforate cu fante transparente şi opace. În practică există două posibilităţi de măsurare:- Cu modulaţie de amplitudine, caz în care sursa de lumină S şi fotodetectorul FD sunt plasate în afara sistemului şi, deoarece zonele transparente aferente celor două

discuri sunt plasate decalat cu 1/4 din perioada geometrică, va rezulta, în absenţa cuplului dacă arborele se roteşte, o succesiune de impulsuri cu durata de 1/4 din perioadă. La apariţia unui cuplu, datorită răsucirii arborelui, se produce o modificare a poziţiei relative a planelor celor două discuri şi implicit a lăţimii impulsurilor, mărimea măsurată fiind dată

ca o valoare medie a semnalului de la ieşirea fotodetectorului FD. Datorită faptului că fluxul luminos al sursei nu este constant (la becuri cu incandescenţă fiind proporţional cu puterea a cincea a tensiunii de alimentare) este necesară calibrarea în amplitudine a impulsurilor la fotodetector.- Cu modulaţie de fază, caz în care sursa S se plasează între cele două fotodetectoare FD1 şi FD2 aşezate de o parte şi de alta a discurilor. În cazul rotirii

arborelui şi transmiterii cuplului prin acesta, datorită modificării poziţiei relative a celor două discuri, va apărea un defazaj suplimentar între semnalele produse de cele două fotodetectoare, defazaj care este proporţional cu cuplul transmis.Este necesar să precizăm că traductoarele bazate pe metode optice se pot utiliza numai în regim dinamic (arborele este în rotaţie) şi, spre deosebire de metodele prezentate anterior nu necesită contact între arbore şi partea de măsurare.În cazul traductoarelor de cuplu cu timbre tensometrice sau traductoare inductive, la rotirea arborelui, este necesară realizarea unor legături electrice între circuitele de măsurare şi traductoare, care în principiu pot fi cu contact sau fără contact.

Pentru realizarea legăturilor electrice cu contact este necesară utilizarea unor inele şi perii colectoare sau contacte în baie de mercur. Rezistenţa de contact a acestora este variabilă şi depinde de oscilaţiile vitezei, asperitatea suprafeţei de contact şi a vibraţiilor, variaţie cu valori de 5 ÷ 50 m pentru inele , perii şi de 0,25 m pentru contacte în baie de mercur [23]. În cazul unor materiale de natură diferită ce intră în contact pot să apară şi tensiuni termoelectromotoare din cauza creşterii temperaturii locale şi a frecării, aceste fenomene ducând în acelaşi timp la reducerea timpului de viaţă şi limitării vitezei maxime de rotaţie. Se consideră că viteza liniară maximă la nivel de contact este de circa 25 m/s, la viteze mai mari fiind necesare dispozitive suplimentare pentru răcire.

Varianta actuală de legătură fără contact cea mai utilizată este cea prin care se face uz de transformatoare rotitoare, metodă prezentată principial în figura 3.36.

Pe arborele magnetic - 1 se plasează două inele magnetice - 2 cu ajutorul cărora se închide circuitul magnetic al armăturii fixe prin intermediul celor două întrefieruri δ. Pe armătura fixă, respectiv pe cea mobilă (arbore) sunt plasate înfăşurările - 3, 4 ale transformatorului.

Datorită dependenţei induc-tivităţii de cuplaj cu mărimea întrefierului, acesta trebuie menţi-nut constant, condiţie dificil de realizat tehnologic. Dacă traduc-toarele se montează pe arbore, este necesar să existe două căi de transmitere a informaţiei, una prin care se transmite semnalul de alimentare, alta prin care se va culege informaţia de măsurare.

În cazul în care, pentru cele două căi se folosesc semnale cu frecvenţe diferite, se poate face uz de un singur transformator rotitor, caz în care se elimină şi defazajul generat de modificarea întrefierului.

3.7. Traductoare de presiune

În funcţie de domeniul presiunilor de măsurat, elementele sensibile ale acestor traductoare diferă. Trebuie precizat faptul că presiunea poate fi absolută, atunci când se măsoară în raport cu vidul absolut, relativă sau efectivă, dacă măsurarea se face ca o diferenţă faţă de presiunea atmosferică şi diferenţială, atunci când măsurarea se face în raport cu o presiune considerată ca referinţă.

1 2 3

5

4

Fig. 3.36.

Unitatea de măsură a presiunii este pascalul (1 Pa = 1 N/m2), în tehnică preferându-se barul ( 1 bar = 10 3 Pa) dar, se folosesc şi alte unităţi derivate ca: atmosfera fizică (1 atm reprezintă presiunea hidrostatică echivalentă a unei coloane de mercur cu densitatea de 13,595 g/cm3, cu înălţimea de 760 mm, la acceleraţia gravitaţională g = 980,666 cm/s2); milimetrii coloană de mercur ( 1 mm Hg = 1 torr – presiunea hidrostatică a unei coloane de mercur cu înălţimea de 1 mm , în condiţiile anterioare; mm coloană apă (1 mm H2O reprezintă presiunea hidrostatică echivalentă unei coloane de apă cu înălţimea de 1 mm).

Precizăm că, presiunea normală , luată ca referinţă în tehnică – presiunea exercitată de o coloană de mercur cu înălţimea de 735,56 mm (echivalentul unei atmosfere tehnice) - , diferă de presiunea atmosferică normală , care corespunde presiunii hidrostatice echivalente unei coloane de mercur cu înălţimea de 760 mm la 00 C şi g = 980,666 cm/s2.

Domeniul presiuilor din tehnică este deosebit de vast, metodele de măsurare [20, 51] fiind specifice doar pentru anumite intervale ilustrate în figura 3.39.

Principiul de funcţionare al traductoarelor de presiune (elementele sensibile ale acestora) constă în general, în convertirea unei presiuni într-o deplasare liniară care, la rândul său este convertită într-o variaţie de tensiune cu ajutorul unui montaj potenţiometric. Dacă vom nota tensiunile ca în figura 3.40., tensiunea de ieşire din traductorul de presiune (mărimea de execuţie va fi dată de relaţia cunoscută:

(3.44)

3.7.1. Elemente elastice

Ca elemente sensibile, în tehnică, pentru măsurarea presiunilor se utilizează: burdufurile metalice ondulate (gofrate), camerele cu membrană şi tuburile Bourdon.

Burdufurile metalice ondulate (silfoane), realizate dintr-un material elastic cunoscut tehnic sub denumirea de tombac sau din oţel obişnuit, au proprietatea de a-şi modifica dimensiunile sub acţiunea unei presiuni, fiind reprezentate în două variante posibile de figura 3.38. In cazul în care e necesară măsurarea unei presiuni absolute sau diferenţiale, se utilizează folosirea unor baterii de burdufuri montate în

opoziţie [21].

U1

U2

R

R1

R2

Fig. 3.37.

p c

c p

a. b.

Fig. 3.38.

pc

Fig. 3.39. Fig. 3.40.

p

a.

b.

c.

Camerele cu membrană , cunoscute şi sub denumirea de membrane gofrate, se execută în general dintr-un aliaj de bronz şi beriliu sau din oţeluri inoxidabile. Funcţionarea membranei (figura 3.39.) este similaru a burdufului ondulat, adică sub acţiunea unei presiuni se va produce deformarea acesteia, ceea ce duce la convertirea unei presiuni într-o variaţie de deplasare liniară.

Tuburile Bourdon se execută în general din alamă arcuită, cunoscută sub numele de “tombac” , sub forma unui tub cu secţiune ovală, eliptică sau semisferă (figura 3.40.a.b.c.), cu un capăt rigid la care se aplică presiunea de măsurat. Celălalt capăt (liber) se va deforma sub acţiunea presiunii, realizând fie o deplasare liniară, fie una unghiulară (cazul manometrelor), putând fi prevăzute cu contacte electrice de minim şi maxim (cazul presostatelor). Sensibilitatea maximă a tuburilor Bourdon se obţine pentru cele cu secţiunea semisferică, pentru precizări suplimentare şi calcule recomand [51].

Traductoarele de presiune prezentate au o sensibilitate relativ redusă, precizia lor fiind influenţată de vibraţii şi şocuri, temperatură, umiditate existenţa derivei de zero, etc. Durata de viaţă a acestor traductoare este influenţată de ciclurile de funcţionare şi suprasarcinile la care sunt supuse [21], fiind totuşi traductoarele de presiune cele mai utilizate.

Comportarea dinamică a acestor traductoare este în concordanţă cu a elementelor de tip P1, constanta de timp fiind până la ordinul a 5 secunde.

Pentru cazul presiunilor foarte mari (sute sau mii de daN/cm2) se folosesc traductoare de presiune speciale, una din variante fiind reprezentată principial în figura 3.41. Elementul sensibil este executat de obicei din oţel inoxidabil care, sub acţiunea unei presiuni este supus unei dilatări. Acest lucru va duce la variaţia lungimii unui fir rezistiv bobinat, adică la variaţia rezistenţei electrice a acestuia.

Cu ajutorul unui montaj potenţiometric sau cu o punte de măsură, variaţiile de presiune sunt preluate sub forma unor semnale de tensiune electrică.

3.7.2. Traductoare electrice asociate

Traductoarele electrice asociate pentru măsurarea presiunilor [23] ce folosesc elemente sensibile elastice pot fi: tensometrice; inductive; capacitive ; electrooptice; piezoelectrice; cu cuarţ, ş.a. Pentru detalii suplimentare recomand şi lucrarea [51].

Traductoarele tensometrice rezistive se utilizează prin lipirea acestora direct pe membranele plane sau pe un subansamblu tijă-lamă, deformabile sub acţiunea unui element elastic sensibil .

Luând în considerare o diafragmă circulară încastrată perfect, membrana şi blocul de încastarare provenind din acelaşi material prin prelucrare tehnologică adecvată, cu grosimea g şi raza R, ca în figura 3.42., sub acţiunea presiunilor diferenţiale p1 şi p2. In [23, 51] se arată că expresiile tensiunii mecanice radiale σr şi tangenţiale σt sunt date de relaţiile:

Firrezistiv

Oţelinoxidabil

Presiune

Fig. 3.41.

P2

P1

g

2R

Fig. 3.42.

(3.45)

(3.46)

Dacă se reprezintă grafic cele două relaţii, μ fiind coeficientul lui Poisson, se va constata că distribuţiile celor două tensiuni mecanice au semne contrare la marginea membranei în raport cu zona centrală. Cu această constatare rezultă că pot fi utilizate patru timbre tensometrice, metodele de măsurare fiind aceleaşi ca la măsurarea deformaţiilor. Poziţionarea timbrelor tensometricese face, de obicei, după direcţia radială, pe motivul că deformaţiile pe această direcţie sunt mai importante.

Utilizarea traductoarelor inductive devine avantajoasă pentru cazul măsurării unor presiuni mari care, la rândul lor produc deplasări liniare mari.

In figura 3.43. se prezintă un schematic un traductor de presiune având asociat un traductor inductiv diferenţial, pentru măsurarea fără contact a unei

presiuni diferenţiale, care se compune din: miezul magnetic – 1; corpul – 2; bobinele – 3 şi memebrana – 4. La această variantă constructivă, membrana poate fi şi gofrată dar, e recomandabil ca porţiunea de mijloc să fie plană. De asemenea, pentru această

construcţie se pot întâlni două situaţii: membrana (uneori şi corpul traductorului) este magnetică, traductorul fiind

inductiv diferenţial cu armătură mobilă; membrana este nemagnetică, traductorul inductiv diferenţial funcţionând pe baza

modificării curenţilor Foucault (cazul traductoarelor de proximitate) [23].Principiul traductoarelor de presiune capacitive, după figura 3.44. au la bază

următoarele elemente componente: membrana – 1; inelul izolator – 2; corpul conductor – 3 şi în interior se creează vacuum.

In acest caz, una din armăturile conden-satorului este chiar membrana traductorului.Se arată că în funcţie de valoarea presiunii,

capacitatea condensatorului variază după o relaţie de forma:

(3.47)

C0 fiind capacitatea nominală ε0.S/d, pmax.

fiind presiunea maximă de lucru.Traductoarele electrooptice au o utilizare mai restrânsă faţă de cele anterioare, cu toate că permit eliminarea contactului cu elementul sensibil elastic. In acelaşi timp, gabaritul lor este redus (de ordinul milimetrilor), principial fiind reprezentate în figura 3.45., unde membrana reflectă lumina

1

2

3

Fig. 3.44.

2Vacuum

1 p1 2 3 4 p2

L1 L2

Fig. 3.43.

Fig. 3.45.

Membrană Corp Fibre optice Sursă lumină

p

FD

transmisă printr-o fibră optică de la sursa de lumină, caree e preluată de o altă fibră optică şi transmisă fotodetectorului FD. Prin deformarea membranei sub acţiunea unei presiuni p are loc o dispersare a fluxului de lumină, ceea ce duce la scăderea fluxului luminos transmis de FD. Acest tip prezintă avantajul amplasării părţii electrice la distanţă mare de traductor, reducând perturbaţiile dar, are dezavantajul că factorul de reflexie se modifică în timp precum şi faptul că variaţiile temperaturii modifică sensibil caracteristicile sale.

3.7.3. Traductoare de presiune cu balanţă de forţe

Traductorul de presiune cu balanţă de forţe, prezintă avantajul [23] că este un montaj cu reacţie, schema sa principială fiind prezentată în figura 3.46. Presiunea măsurată p va acţina şi deforma membrana elastică, ceea ce va duce la o deplasare a sistemului de pârghii 1-2-3-4-5 care va acţiona asupra unui traductor inductiv liniarde tip transformator TI ce intră în componenţa oscilatorului O. Prin modificarea întrefierului lui TI, se va modifica amplitudinea semnalului la ieşirea oscilatorului ceea

ce va duce la modificarea tensiunii de ieşire din detectorul D , tensiune ce va da un semnal de comandă convertorului tensiune – curent CTC. Tensiunea de comandă a acestuia va duce la modificarea curentului său de ieşire, ceea ce va modifica forţa de acţionare a electromagnetului EM cu magnetul permanent MP prin intermediul căruia acţionează asupra pârghiei 4. Aceleşi curent de comandă se regăseşte la miliamper-metrul mA, fiind debitat prin sursa de alimentare SA. In cazul în care se lucrează cu semnal unificat (4 – 20 mA), pentru alimentarea blocurilor componente, inclusiv a electromagnetului se va face uz de o sursă auxiliară de energie Saux.

Forţele ce acţionează asupra întregului sistem mecanic sunt: forţa activă datorată presiunii p, forţa de reacţie produsă de electromagnet, forţa de tensionare a resortului RO şi greutatea pârghiei 2 – G ce culisează prin punctul de sprijin RD. Echilibrul se va stabili atunci când suma momentelor introduse de forţele indicate este nulă.

Datorită faptului că în regim de funcţionare doar forţele datorate presiunii şi electromagnetului sunt variabile, la echilibru este valabilă relaţia:

(3.48)

Fig. 3.46.

unde: p – presiunea măsurată; S – suprafaţa membranei; N – numărul de spire ; l – lungimea unei spire; B – inducţia magnetului permanent; I – curentul prin bobina electromagnetului şi k1,k2 – constante constructive.

Aceste tipuri de traductoare au ca dezavantaje construcţia dificilă şi gabarite mari, precum şi faptul că sunt sensibile la şocuri şi vibraţii.

3.7.4. Traductoare de presiune piezoelectrice

O parte din caracteristicile traductoarelor piezoelectrice au fost prezentate iar, pentru măsurarea presiunilor în practică se pot utiliza variantele:

folosirea în mod direct a efectului piezoelectric;dependenţa frecvenţei proprii de rezonanţă a cristalului în raport cu

presiunea exercitată asupra acestuia.Traductoarele bazate pe efectul piezoelectric direct se confecţionează din

materiale pieezoelectrice sau piezoceramice în formă plată sau cilindrică, presiunea maximă ce poate fi aplicată în cazul pastilelor de cuarţ fiind de 9500 barri iar pentru cele piezoceramice de circa 8000 barri. Valorile prezentate trebuie luate la limite maxime, valorile reale fiinde de 1/10 până la 1/20 din valorile indicate, aceasta în funcţie de interfaţa dintre electrod şi pastilă. Exxistenţa unor neregularităţi între cele două suprafeţe conduce la tensiuni mecanice mari sau chiar distrugerea pastilelor, pentru un contact bun fiind nesară realizarea unui paralelism între suprafeţe sub 10 μm, cu o abatere a planeităţii sub 1 μm, condiţii realizabile printr-o polarizare fină.

Deoarece între pastilele piezoelectrice (cazul celor de formă în rondele) pot să apară goluri de aer, acestea se vor elimina prin pretensionarea ansamblului cu resoarte, efect ce permite o îmbunătăţire a liniarităţii precum şi posibilitatea măsrării

unor presiuni mai mici decât cea atmosferică.Pentru creşterea sensibilităţii se pot utiliza mai

multe rondele ca în figura 3.47. (1 – diafragmă; 2 – pastilă piezo; 3 – resort pretensionare), iar pentru reducerea vibraţiilor conectarea acestora se face în aşa fel încât să aibă loc o însumare a presiunii şi efectul acestora să se anuleze, ceea ce e posibil doar dacă în interfaţă există doi electrozi separaţi galvanic între ei.

Pentru creşterea sarcinii şi simplificarea modului de conectare, este avantajos să se utilizeze traductoarele cu element piezoelectric de formă tubulară, reprezentat schematic în figura 3.48., care se metalizează pe interior

şi exterior ( 1 – tub piezoelectric; 2 – rondele). De obicei, acestea sunt pretensionate şi se confecţi-onează din materiale ceramice (PZT, titanat de bariu ş.a.), iar sarcina electrică produsă sub acţiunea unei forţe F e dată de:

(3.48)

unde k este modul piezoelectric.Structura prezentată permite şi realizarea răcirii

traductorului cu ajutorul unui jet de apă trimis în interior, permite măsurarea unor presiuni de la 1 mbar la 100 bari,

sensibilitatea este cuprinsă între 0,05 pC şi 1 pC/bar prezenţând o bună liniaritate. Au dezavantajul că nu pot fi utilizate decât în regim dinamic, cu rezerve în cel cvasistatic.

1

2Dd

L

Fig. 3.48.

1

23

Fig. 3.47.p

Fig. 3.49.

Traductoarele prezentate permit măsurări de presiuni de 0 – 1 bar, cu frecvenţe de lucru de ordinul 10 100 MHz, prezintă o eroare de liniaritate, histerezis şi repetabilitate sub 250 ppm din domeniul de măsurare cu derivă de zero şi variaţia sensibilităţii sub 100 ppm pentru 10C.

In [23] sunt prezentate şi alte traductoare de presiune ce funcţionează pe principiul prezentat ca cele de presiune absolută cu oscilator cu cuarţ şi cele ce se bazează pe utilizarea unor dispozitive cu unde acustice de suprafaţă (SAW).

3.7.5. Traductoare tactile

Aceste tipuri de traductoare sunt utilizate cu precădere pentru determinarea formei suprafeţei unui obiect sau existenţa unui obiect într-un dispozitiv de prindere dar, permit şi controlul forţei (presiunii) cu care se realizează prinderea obiectului. Realizarea acestor traductoare are la bază modelul uman dar, trebuie precizat (cazul roboţilor) că la operatorul uman informaţia tactilă are ca bază de referinţă: presiune, temperatură, structura suprafeţei (duritate, rugozitate, grad de lubrifiere), vibraţii, umiditate, ş.a. Senzorii tactili sunt utilzaţi actual la roboţi, făcând uz de: - metode de inducţie (au un nivel şi interval redus de măsurare);- metode capacitive (impun folosires de dielectrici cu proprietăţi elastice şi izolatoare bune);- metode ultrasonore (fac uz de proprietăţile de propagare a undelor acustice de suprafaţă).

La nivelul actual, traductoarele tactile cele mai utilizate sunt cele rezistive, realizate în formă matricială, un element al matricei fiind format din doi electrozi între care se intercalează cauciuc moale (polibutadien) care are în compoziţie elemente conductoare. Prin deformarea cauciucului sub acţiunea unei presiuni se va modifica rezistenţa echivalentă a celulei.

Schema principială a unui astfel de traductor este prezentată în figura 3.49. Fiecare element al matricei se conectează la o matrice de decodare prin multiplexare (MUX) ce sesizează modificarea curenţilor din matrice în raport cu zona solicitată, stabilind în acelaşi timp şi coordonatele excitaţiei, CAN reprezentând un convertor analogic numeric.

3.7.6. Traductoare pentru subpresiuni

Pentru măsurarea subpresiunilor se utilizează vacuumetrele Pirani, traductoarele de vacuum cu ionizare cu catod cald sau rece (Penning), traductoarele cu ionizare prin radiaţii (alfatron) şi traductoarele de tip magnetron.

Vacuumetrele Pirani sau cu fir cald funcţionează pe principiul dependenţei conductivităţii termice a gazelor în raport cu presiunea, fiind relizate principial ca în figura 3.50. Astfel, în corpul – 1 se creează subpresiunea de măsurat, în acesta fiind plasat firul rezistiv – 3 care se încălzeşte la aproximativ 2000C de la o sursă de alimentare prin electrozii – 2. Temperatura firului reyistiv depinde practic de

Fig. 3.51.E1 E2

I+ I- G

C

A

p

K

conductibilitatea termică a gazului care, pentru presiuni sub 103 Pa, este direct proporţională cu presiunea gazului. Reultă că valoarea temperaturii firului poate fi determinată chiar prin valoarea rezistenţei electrice a acestuia (se pot utiliza şi alte tipuri de traductoare).Vacuumetrele Pirani introduc erori de măsurare de ordinul 2 –

10% care cresc cu scăderea presiunii, domniul lor de aplicare limitându-se la 10-1 Pa.In cazul unor presiuni din domeniul de vacuum tehnic şi vacuum

extrem se face uz de traductoarele de vacuum cu ionizare cu catod cald sau rece şi cu radiaţii.

Principial, în figura 3.51., se prezintă un traductor de vacuum cu ionizare cu catod cald. Acesta este realizat din incinta A în care se introduce presiunea de

măsurat, catodul K încălzit de un filament şi înconjurat de grila G ce este alimentată la un potenţial pozitiv faţă de catod şi cilindrul colector C care este alimentat la un potenţial negativ în raport cu catodul.

Câmpul electric creat de grilă antrenează electronii emişi de catod care, ciocnind moleculele de gaz le transformă în ioni pozitivi şi sunt captaţi de electrodul colector. Prin măsurarea curentului produs de electroni I- din circuitul grilei şi curentul ionic I+ din circuitul electrodului colector, se determină valoarea presiunii cu relaţia:

(3.49)

k fiind o constantă dependentă de geometria electrozilor. De obicei, la măsurare se menţine constant curentul I- existând astfel posibilitatea etalonării directe a aparatului de măsură pentru curentul ionic I+ în valori de presiune.

Domeniul de măsură al acestor traductoare este de 10-2 – 10-8 torri, unele construcţii speciale atingând 10-10 torri, valoarea inferioară fiind impusă de prezenţa razelor X.

La traductoarele de ionizare cu catod rece (Penning) electronii se generează sub acţiunea unui câmp electric puternic. Pentru a creşte probabilitatea de ionizare a moleculelor, ceea ce necesită creşterea drumului parcurs de electroni, peste câmpul electric se suprapune un câmp magnetic care imprimă o traiectorie elicoidală a acestora. Această variantă duce la sensibilităţi mai mari decât în cazul traductoarelor cu catod cald, reducând în acelaşi timp şi limita inferioară de măsurare.

Traductoarele de vacuum cu ionizare prin radiaţii funcţionează pe principiul “bombardării” moleculelor de gaz cu radiaţii α (se mai numesc şi alfatron), sensibilitatea lor fiind mult mai redusă ca la cele anterioare.

va modifica valoarea curentului prin electromagnetul EM în scopul restabilirii echilibrului, adică momentele celor două forţe sunt egale:

(3.62)unde F1 e forţa dată de membrană:

(3.53)iar F2 este forţa produsă de electromagnet:

(3.54)cu k1, k1’, k2 – constante; Q – debit; I – curentul prin electromagnet.

In final se obţine orelaţie de forma:(3.55)

ceea ce ne arată o proporţionalitate directă între curent şi debit.In ansamblu, traductorul prezentat este un sistem cu reacţie negativă

prezentând toate avantajele acestor sisteme, erorile de măsurare încadrându-se în limitele ± 0,5%.

3.8.2. Debitmetre cu secţiune variabilă (rotametre)

Schema de principiu a unui rotametru este prezentată în figura 3.55.,funcţionarea sa bazându-se pe echilibrul plutitorului – 1 acţionat de forţa gravitaţională în raport cu debitul de fluid şi secţiunea varabilă a tubului conic– 2.

Deplasarea liniară a plutitorului este convertită într+un semnal electric prin inter-mediul unui traductor inductiv diferenţial de deplasare - 3. Rotametrele pot fi utilizate atât pentru gaze cât şi pentru lichide, cu o precizie de 1 – 2%, pe un domeniu de variaţie al debitului relativ restrâns.

3

Dd Fas

Fa

2

1G

v

h

Fig. 3.55.

Fig. 3.54.

l1

l2

D

M

v

p1 p2 F1

TI

T

CE

F2

mA

Asupra plutitorului, pe lângă greutatea G şi forţa arhimedică Fa, acţionează o forţă dinamică ascensională Fas care este proporţională cu pătratul vitezei.

Luând în considerare o curgere staţionară, notând cu ρ, V, densitatea, respectiv volumul plutitorului şi cu ρ0 densitatea lichidului, la echilibru se poate scrie:

(3.56)

unde S e suprafaţa plutitorului de diametru d, iar k e coeficient de curgere.Plutitorul se va deplasa într-o zonă de diametru D, care în funcţie de h şi un

factor de proporţionalitate k’ e dat de:D = d + k’.h (3.57)

In aceste condiţii, debitul masic Q se poate exprima cu relaţia:

(3.58)

rezultând că acesta este direct proporţional cu cu înălţimea la care se găseşte plutitorul.

Rotametrele măsoară debite de ordinul 10-4 – 200 m3/oră, în limitele Qmax/Qmin=10 , cu precizii de ordinul procentelor şi, trebuie precizat faptul că introduc rezistenţe în curgerea fluidului, rezistenţe ce pot fi importante în unele aplicaţii industriale.

In exploatare, se mai pot utiliza şi debitmetre cu ştrangulare la care forţa dinamică roteşte paletele unei turbine, viteza de rotaţie a acesteia fiin o măsură a debitului. Au dezavantajul unei comportări neliniare şi introduc rezistenţe importante în curgerea fluidului.

3.8.3. Debitmetre electromagnetice

Aceste debitmetre sunt utilizate prin măsurarea vitezei de deplasare a fluidelor

bune cnducăoare de electricitate, principiul lor de funcţonare bazându-se pe legea

inducţiei electromagnetice.

In varianta simplificată prezentată în figura 3.56., pe un tub nemagnetic (izolator) prin care curge fluidul cu viteza v se execută o bobină în aer (există variante constructive la care aceasta se execută pe un miez magnetic) şi se prevăd doi electrozi E1 şi E2. Intre cei doi electrozi se culege o tensiune electromotoare e = k.H.v.D unde H e intensitatea câmpului magnetic creat de bobină, D este diametrul tubului şi k e o constantă. Măsurătorile nu sunt influenţate de vâscoyitatea fluidului, densitatea sau conductibilitatea acestuia şi nici de modul de curgere laminar sau turbulent.

Precizia de măsurare este de ± 1% la lichide cu o conductibilitate minimă de 100 μS/cm şi viteze între 0

– 1 m/s până la 10 m/s.

E1 E2

e

U ~

D

v

H

Fig. 3.56.

1

2

Fig. 3.58.

y

3.9. Traductoare de nivel

Măsurarea nivelului în tehnică este o problemă deosebit de importantă [62] pentru o serie de procese tehnologice precum şi pentru evaluarea stocurilor existente, realizându-se pentru granule, pulberi, suspensii, lichide, etc.

Metodele de măsurare ale nivelului pot fi continue ând se urmăreşte în permanenţă măsurarea nivelului prin intermediul lungimii coloanei de substanţă şi discontinue când se urmăreşte măsurarea nivelului între anumite limite, de obicei minime şi maxîme.

Metodele de măsurare ale nivelului pot fi directe, caz în care se măsoară lungimea (înălţimea) efectivă a coloanei de substanţă şi indirecte dacă nivelul se determină cu ajutorul unor mărimi intermediaare (presiune, masă, parametri ai circuitelor electrice, atenuarea unei radiaţii, etc.).

Din cele prezentate rezultă că pentru măsurarea nivelului se pot utiliza metode care au la bază măsurarea altor mărimi, în continuare încercând să prezentăm doar metodele bazate pe proprietăţile electrice de material. Vom aminti că cele mai simple nivelmetre utilizate sunt cele cu sticle cilindrice sau prismatice ce se montează pe conductă în paralel cu rezervorul (recipientul) al cărui nivel îl măsurăm , sau nivelmetrele cu plutitor magnetic.

3.9.1. Nivelmetre bazate pe proprietăţile electrice de material

Luând în considerare faptul că materialele al căror nivel se măsoară potsă fie dielectrice sau conductoare, rezulţa că metodele de măsurare a nivelului diferă.

Pentru materialele dielectrice se folosesc în mod uzual traductoare capacitive, prezentate în schema principială din figura 3.57. In vasul metalic – 1, în care se găseşte lichidul – 2 se plasează un electrod metalic - 3 care în unele cazuri este izolat cu teflon - 4.

Dacă vom nota cu h înălţimea vasului şi cu y înălţimea lichidului, între electrodul central şi vas vom avea capacitatea totală dată de[23]:

(3.59)unde C0 reprezintă capacitatea totală a ansamblului, fără lichid.

Această metodă poate fi aplicată în cazul lichidelor sau pulberilor dielectrice dacă εr > 2 [62], variaţia de capacitate fiind de 10 – 100 pF. Sursa principală de erori

în cazul prezentat , o constituie modificarea permitivităţii dielectrice cu temperatura, deficienţă ce poate fi înlăturată prin utilizarea de metode de compensare adecvate.

Pentru cazul materialelor conductoare , cu o conductibilitate σ > 10-2 S/m, se pot folosi nivelmetre rezistive, principiul

1

2

3

4C1

C2

h

y

Fig. 3.57.

1

A

3

4

5

6 7

8

2

Detaliu “A”

Spre rezervor Spre aparatulmăsură

2

Fig. 3.60.

funcţional al acestora fiind prezentat în figura 3.58. Astfel, în vasul – 1 ce conţine lichidul – 2, se plasează rezistorul R .

Lichidul conductor va şunta o porţiune a rezistorului R astfel că rezistenţa totală din circuit va fi:

(3.60)

r(y) reprezentând rezistenţa ehivalentă a lichidului.Principalul dezavantaj al acestor dispozitive derivă din faptul că temperatura şi

natura lichidului influenţează conductibiliatea σ, fenomen ce poate fi ameliorat utilizând un rezistor cu bandă elastică, realizând un nivelmetru după schema de principiu din figura 3.59. Rezistenţa bobinată - 1 se introduce într-o bandă elastică bună conductoare – 2 ce se va deforma sub acţiunea presiunii lichidului – 3.

Metodele descrise pot măsura nivele până la 1-2m, cu precizii relativ bune.

Industrial se utilizează teleindicatorul de nivel cu traductor rezistiv tip TNTR – 2, produd de IAMC Otopeni, care este un dispozitiv ce permite transmiterea la distanţă a nivelului lichidelor corosive şi necorosive, neinflamabile, bune conducătoare de electricitate, depozitate în rezervoare.

Ansamblul dispozitivului este prezentat în figura 3.60., unde: 1– scripete; 2 – detaliu de fixare; 3 – cablu de susţinere; 4 – rezistenţe; 5 – lanţ de rezistenţe (traductor rezistiv); 6 – greutate; 7 – tijă pământare; 8 – teleindicator.

Domeniul de măsurare al dispozitivului este de 1,5 – 10 m, în trepte normali-zate de 0,5 m, iar numărul de nivele intermediare total, indiferent de lungimea traductorului este de 40, scala fiind gradată în 4o de diviziuni de la 0% la 100%.

Când nivelul de lichid este sub minim, rezistenţa dintre lanţul traductor şi elementul de referinţă este infinită. Astfel, în circuitul traductorului intervine doar rezistenţa ce realizează pasul de zero, circuitul de măsurare având un curent de 2 mA ce se reglează cu un potenţiometru de pe aparat.

Scala aparatului este etalonată astfel ca la indicaţia 0% să corespundă 2 mA, iar la 100% să corespundă 10 mA. Distanţa dintre traductor şi aparatul indicator nu poate depăşi 10 m, deoarece în circuitul traductorului , curentul alternativ foarte mic (16 mA) este influenţat de perturbaţiile externe. Pentru a nu influenţa măsurătorile, conductorul de legătură traductor – aparat trebuie să aibă o rezistenţă electrică sub 30 ohmi.

1 2

32

Fig. 3.59.

In serie cu teleindicatorul se poate monta un aparat auxiliar (mA) dacă e necesară o teleindicare mai mare de 10 m. Deoarece în circuitul de indicare se lucrează cu curent continuu, influenţa perturbaţiilor fiind mai mică, distanţa de teleindicare este impusă de rezistenţa maximă a liniei de transmisie ce nu trebuie să depăşească 500 ohmi.

3.9.2. Nivelmetre bazate pe foţa arhimedică

Funcţionarea acestor traductoare fiind bazată pe forţa arhimedică, pot fi utilizate numai pentru lichide şi se construiesc în variantele cu plutitor şi cu imersor.

Nivelmetrele cu plutitor realizate după schema principială din figura 3.65. se compune din plutitorul – 1, care se află în permanenţă la suprafaţa lichidului,

tamburul – 2 şi greutatea suspendată – 3 prin firul – 4. Se poate observa că tamburul antrenează un sistem indicator.

Acest tip de traductor poate fi utilizat şi la măsurarea nivelului unor pulberi sau granule, urmărindu-se tensiunea din firul de suspendare şi prin dispozitive speciale, mentinând constantă această tensiune. Nivelmetrele ce funcţionează strict pe baza forţei arhimedice sunt cele cu imersor, reprezentate schematic în figura 3.66., imersorul fiind parţial introdus în lichid şi suspendat cu ajutorul unui resort de constantă elestică k. Notând: G – greutatea imersorului, Fa – forţa arhimedică şi Fe – forţa elastică a resortului, la echilibru se poate scrie:

(3.61)

Prin explicitare se obţine succesiv:

(3.62)

unde: y – deformarea resortului faţă de poziţia de echilibru, m – masa imersorului, g – acceleraţia gravitaţională, y – nivelul de lichid, h înălţimea recipientului, ρ l, ρ –densitatea lichidului, respectiv a imersorului.

Din cele prezentate anterior rezultă că se pot adapta foarte uşor un traductor asociat de tipul balanţă de forţe, metoda fiind aplicabilă dacă se cunoaşte densitatea lichidului, principalele erori fiind date de dependenţa de temperatură a densităţii, aceste erori putând fi compensate.

3.9.3. Nivelmetre cu radiaţii

y

Fig. 3.61. Fig. 3.62.

y h

1

2

4

3

resort

imersor

h

G G

Fa

Fe

AP SMP

DP A R E OAer

Lichid

Fig. 3.64.

Metodele de măsurare a nivelului cu ajutorul radiaţiilor sunt foarte avantajoase pe motivul că nu există un contact între material şi dispozitivul de măsurare. Aceste metode se pot folosi la măsurarea nivelului în în buncărele de alimentare din metalurgie, în condiţii speciale ca: recipiente sub presiune la temperaturi ridicate, medii deosebit de corosive sau toxice, medii inflamabile, etc.

In funcţie de natura radiaţiilor, nivelmetrele pot fi cu ultrasunete, cu microunde şi cu radiaţii nucleare.

Nivelmetrele cu ultrasunete sunt asemănătoare cu traductoarele cu radiaţii prezentate anterior, putând fi realizate în variantele cu undă continuă (dacă traductorul cu ultrasunete funţionează continuu) şi în impuls. Ambele variante pot folosi metoda prin transmisie, când în mod obligatoriu se folosesc două traductoare, sau metoda prin reflexie, caz în care acelaşi traductor Indeplineşte atât rolul de emiţător ât şi de receptor.

In practică, deoarece determinarea nivelului se face cu ajutorul vitezei de propagare a ultrasunetelor ce depinde de temperatură, e necesar să se prevadă circuite de corecţie a acesteia [23] în funcţie de temperatură cu ajutorul unor convertoare tensiune – frecvenţă.

Domeniul de măsurare al acestor traductoare este între 10 – 30 m, la frecvenţe de lucru între 20 – 40 mHz, cu erori de măsurare sub 1%.

Nivelmetrele cu microunde funcţionează pe principiul reflexiei microundelor de către materialele conductoare şi atenuării acestora de către materialele dielectrice.

In cazul materialelor conductoare, figura 3.63., emiţătorul de microunde E va transmite cu ajutorul antenei de emisie AE un fascicul de microunde spre lichidul conductor din recipient. Prin reflexie, acesta este captat de antena de recepţie AR şi transmis receptorului R, timpul de tranzit al impulsului fiind o măsură a distanţei până la suprafaţa de separare. Tinând cont că viteza de propagare este foarte mare (viteza luminii), intervalul de timp măsurat este mic, ceea ce face ca erorile de măsură să nu poată fi reduse sub 1 – 2%.

Nivelmetre cu radiaţii nucleare. Funcţional, se bayeayă pe principiul de atenuare a radiaţiilor nucleare de către pulberi sau lichide, utiliyând de obicei ca substanţe radioactive pe cele generatoare de radiaţii γ ca: 60Co, cu perioada de înjumătăţire de 5,3 ani şi 137Ca, cu perioada de înjumătăţire de 33 ani.

Ca şi traductoarele cu ultrasunete, traductoarele cu radiaţii nucleare pot fi realizate şi în variante de urmărire automată a nivelului, una din schemele principiale putându-se realiza după figura 3.64.

Pe recipientul cu lichid se plasează traductorul emiţător E şi traductorul receptor R, primul fiind comandat de oscilatorul O şi transmiţând un fascicul de ultrasunete prin lichid (cu atenuare mică) sau prin aer ( cu atenuare mare).

AE

E

hy

AR

R

Fig. 3.63.

Lichid.

Semnalul recepţionat de R este amplificat prin A şi se aplică detectorului de prag DP. Cu ajutorul unui amplificator de putere AP şi servomotorului SM se dă comandă de deplasare simultană a celor două traductoare în aşa fel încât acestea să rămână în zona de separare aer – lichid.

Cu precizarea că metoda este avantajoasă în cazul unor recipiente cu acces numai din exterior, dificultăţile constructive fiind legate de realizarea părţii mecanice, trebuie reţinut că ultrasunetele se pot folosi numai în cazul lichidelor, iar radiaţiile nucleare se pot utiliza pentru orice fel de substanţe, în acest caz receptorul fiind un contor de radiaţii , emiţătorul fiind sursa radioactivă.

Din multitudinea traductoarelor de nivel existente, în încheierea acestui pragraf indicăm doar două : traductorul submersibil şi traductorul cu radar.

Traductorul de nivel submersibil tip MPU executat de firma RITTMEYER pentru apa din rezervoare, lacuri , râuri, reprezintă o serie de traductoare alimentate din bucla de semnal unificat 4 – 20 mA. Nivelul este determinat pe baza presiunii măsurate cu un senzor realizat dintr-un cristal de siliciu care asigură o liniaritate şi stabilitate în timp foarte bune.

Această serie de traductoare este proiectată special pentru măsurarea nivelului în lacuri, bazine, puţuri, fiind destinată hidroenergeticii, instalaţiilor de tratare a apei reziduale, etc., cu domeniul de măsură de până la 20 m coloană apă, existând modele asemănătoare pâna la 200 m cu o precizie de măsură de până la 0,015%.

Tructorul de nivel tip RADAR , varianta ECLIPSE, cu ghid de undă (GWR), ali-mentat din buclă este produs de firma MAGNETROL.

Spre deosebire de traductoarele de nivel cu radar convenţionale, care transmit semnalul electromagnetic în aer liber, traductorul ELIPSE utilizează pentru semnal un ghid de undă introdus în fluidul de măsurat, reducându-se în acest fel fenomenul de absorbţie, respectiv distorsiunile determinate de natura fluidului şi condiţiile tehnologice (spumă, turbulenţă, vapori, densitate, etc.)

Cracteristicile tehnice principale sunt: gama de măsură 610 …6100 mm (cu sondă rigidă) sau 1…15 m (cu sondă flexibilă), precizia 0,1%, respectiv 0,5% din lungimea sondei, rezoluţia ±2,5 mm, presiunea de lucru maxim 345 bari, temperatura de operare maxim 2000C.

Se utilizează pentru măsurarea nivelului lichidelor omogene sau neomogene cu o vâscozitate până la 1500 cp.

3.10. Traductoare de temperatură

Traductoarele de temperatură sunt dispozitive care funcţionează fie pe principiul generării unei tensiuni electromotoare, fie pe principiul convertirii temperaturii într-o variaţie a unui parametru al circuitelor electrice (de obicei rezistenţă) sau, cele mai simple convertesc temperatura într-o deplasare sau dilatare (gaz sau metal).

Fără a intra în prea multe amănunte amintim că cele mai simple traductoare de temperatură sunt temometrele cu sau fără contact (reglabil sau nereglabil), ambele tipuri fiind cu mercur, cele cu contact reglabil (Beckmann) având posibilitatea de modificare a temperaturii reglate cu o precizie mai mare. Contactul se realizeazîntre coloana de mercur ce se dilată într-un tub capilar şi un electrod prevăzut cu un şurub de reglare la partea superioară. Curentul maxim din circuit nu poate depăşi 1 A , pentru curenţi mai mari fiind prevăzute dispozitive de amplificare (relee), iar domeniul temperaturilor este de 0 – 3000C cu o precizie de ±2%.

3.10.1. Traductoare termoelectrice (termocuple)

Termocuplele tehnice, constructiv se realizează din două conductoare metalice sau aliaje diferite (termoelectrozi) sudate împreună la unul din capete; prin încălzirea locală a sudurii (joncţiunea de măsurare – capăt cald), prin efectul termoe-lectric direct (efectul Seebeck) se va genera o tensiune termoelectromotoare la capetele libere ale conductoarelor (joncţiunea de referinţă – capăt rece). Valoarea acestei tensiuni poate fiexprimată prin aproximarea polinomială de forma:

e = a(T1 – T2) + b(T1 – T2)2 + c(T1 – T2)3 + … (3.63) T1 ,T2 fiind temperaturile celor două capete.

Materialele utilizate la realizarea termocuplelor pot fi conductoare sau semiconductoare, trebuind să asigure o sensibilitate ridicată şi stabilitate în timp la acţiunea agenţilor atmosferici.

In figura 3.65. se prezintă schematic un termocuplu a. şi schema de legare a acestuia -b., prezentându-se şi un al treilea electrod M3, care se poate utiliza la prinderea, lipirea, răsucirea sau sudarea capătului cald.

La denumirea unui termocuplu, primul material indică electrodul pozitiv pentru o diferenţă de tempera tură pozitivă.

Prin menţinerea constantă a temperaturii joncţiunii de referinţă (capăt rece), de preferinţă la o valoare standardizată (0, 20, 500C) numită temperatură de referinţă, tensiunea termoelectromotoare ce se va produce depinde, la acelaşi termocuplu, numai de temperatura sudurii (capătul cald).

Menţinerea temperaturii la valoarea constantă este greu realizabilă, deoarece instalaţiile şi agregatele tehnologice la care se măsoară aceasta degajă cantităţi importante de căldură prin radiaţie. De asemenea, însăşi conductibilitatea termică a termocuplelor duce la încălzirea capetelor reci, uneori temperatura acestora atingând valori apreciabile de până la 100 – 2000C.

Reducerea erorilor de măsurare ce provin din faptul că temperatura capetelor

e

mV

M1

M1

M3M2

Termocuplu Fire de Circuit Extensie măsură

a. b.Fig. 3.65.

12345

Fig. 3.66.

Siliciu “n”

Siliciu “p”

231

Fig. 3.67.

reci (cutia de borne sau sudura rece) este diferită de cea de referinţă, se face pe cale electrică prin introducerea unor cabluri de compensare sau a cutiilor (dozelor) de compensaţie ce au o comportare dinamică în concordanţă cu traductorul.

Principalele părţi constructive ale termocuplelor sunt redate în figura 3.66., cu următoarele elemente: 1 – unul sau două termoelemente realizate din electrozi diferiţiizolaţi cu tuburi sau mărgele ceramice; 2 – teacă de protecţie cu sau fără dispozitiv de montare,confecţionată din: oţel carbon (OLT 45), oţel inoxidabil (ST 3), oţel refrac-tar (P-4S), ceramică (PENTRU-1, KER 610, KER 710); 3 – dispozitiv de montare: flanşă mobilă F, flanşă sudată Fw, niplu filetat (G ¾’’ sau 1’’); 4 – cutie de borne cu capac; 5 – placă de borne. Seria standardizată a lungimii nominale LN este: 250, 500, 750, 1000, 1250, 1500 şi 1750 mm, iar lungimea de imersie LI trebuie să fie cu cel puţin 100 mm mai mică decât cea nominală.

Deoarece, în ţară, tensiunile electromotoare sunt standardizate, termocuplele de orice tip pot fi conectate cu milivoltmetre etalonate în conformitate cu aceste standarde, fabricate la IAEM Timişoara.

Caracteristicile principale ale termocuplelor utilizate în practică, sunt redate sintetic în tabelul 3.2., cu precizarea că momentan în ţară se execută doar cele cu codurile J, K, R şi S, iar dependenţa tensiunii electromotoare cu temperatura este prezentată în Anexa 8.

Tabelul 3.2.TERMOCUPLU Cod DOMENIU DE

TEMPERATURĂ[0C]SENSIBILITATEA μV/0C

Chromel / Constantan E - 270… 870 70 valoare medieFier / Constantan J - 210… 800 52,9 la 00C; 63,8 la 7000C Cupru / Constantan T - 270…370 15 la –2000C; 60 la 3500CChromel / Alumel K - 270…1250 40 valoare mediePlatină- rodiu(13%) / Platină R - 50….1500 10 valoare mediePlatină- rodiu(10%) / Platină S - 50….1500 6,4 la 00C; 11,5 la 10000CPlatină- rodiu(30%) / Platină-rodiu(6%)

B 0………1700 6 valore medie

Wolfram-reniu(5%) / Wolfram-reniu(26%)

0…2760 100 aplicaţii speciale

Horning[(Bi 95%;Sn 5%) / (Bi 97%; Sb 3%)]

- < 100 13 valore medie

Schwartz[(Te 33%, Ag 32%, Cu 27%, Se 7%, S 1%) / Ag2S 50%, Ag2Se 50%)]

- < 100 > 1000 aplicaţii speciale

Siliciu “p” / Aluminiu - - 50….-150 44 Cupru / Paladiu - < 100 - aplicaţii speciale

Termocuplele din materiale semiconductoare nu se folosesc în mod direct la măsurarea temperaturii deoarece siliciul prezintă o rezistenţă termică redusă dar, pot măsura alte mărimi ce au la bază măsurarea temperaturii diferenţiale, prezentând avantajul că pot fi realizate în tehnica circuitelor integrate.

In figura 3.67. se prezintă forma tehnologică a unui termocuplu cu siliciu de tip “p” / aluminiu, realizat din zone de silicIu “p” – 1 şi benzi de aluminiu – 2 şi SiO2 –3, structură ce permite şi

interconectarea la folosirea unor baterii de traductoare. Sensibilitatea acestor traductoare depinde de proprietăţile electrice ale semiconductoarelor şi de temperatură, fiind cuprinsă între 0,4 – 1mV/K pentru cazul folosirii unor baterii de traductoare.

Principalele deyavantaje ale acestor traductoare constau în existenţa conexiunii termice realizată prin siliciu între joncţiunea caldă şi cea rece şi rezistenţa interioară mult mai mare decât la termocuplele metalice (de ordinul zecilor de kΩ).

Incazul în care variaţiile de temperatură ale mediului ambiant sunt reduse, se poate utiliza un circuit de corecţie ca cel prezentat în figura 3.68., care foloseşte un termistor RT ce se conectează într-o punte alimentată de la sursa de tensiune E.

La temperatura de referinţă impusă T0 puntea este în echilibru şi tensiunea U în braţele opuse lui E este nulă Dacă temperatura mediului ambiant Ta se modifică faţă de cea de referinţă puntea nu mai e în echilibru şi tensiunea va fi dată de:

(3.64)

Dacă vom alege convenabil elementele punţii şi traductorul, variaţia tensiunii termoelectromotoare poate fi compensată datorită modificării temperaturii Ta, adică:

ΔU = S.(T0 – Ta) (3.65) unde S este sensibilitatea traductorului care, în cazul unui traductor platină-rodiu(10%) / platină la 15000C, cu temperatura de referinţă de 250C şi variaţii ale lui Ta de ±15%, ne dă o tensiune de compensare de ±140 μV, eroarea de compensare fiind mai mică de 1%. Cu toate că sensibilitatea termocuplelor este mai redusă decât a termorezistenţelor, ele sunt caracterizate de o serie de avantaje din care amintim:generează tensiuni electromotoare fără componenta de offset şi nu produc semnal de ieşire dacă nu există o diferenţă de temperatură; nu interferează cu alte mărimi de influenţă, cu excepţia luminii şi a unor radiaţii nucleare ce pot produce transmutaţii (fierul şi nichelul sunt stabile la aceste fenomene; nu necesită polarizări iniţiale.

Principalele dezavantaje ale temocuplelor constau în: scăderea accentuată a sensibilităţii la temperaturi scăzute; apariţia fenomenelor de evaporare, contaminare chimică sau chiar topirea la temperaturi ridicate; limitarea pragului de sensibilitate datorită zgomotului termic propriu.

3.10.2. Traductoare termorezistive

Intr-o primă restrângere, din această categorie fac parte cele metalice (termo-rezistenţele) şi cele semiconductoare (termistoarele).

La termorezistenţe, odată cu modificarea temperaturii (datorită variaţiei energiei interne proprii) materialele din care se confecţionează suferă o serie de schimbări ce se referă la structura cristalină, agitaţia termică ş.a., schimbări ce duc la modificarea rezistenţei electrice în raport cu temperatura. Această dependenţă poate fi exprimată cel mai simplu prin relaţia:

R = R0.(1 + α.ΔT) (3.66)unde R0 e rezistenţa electrică la 00C, α e coeficientul de temperatură iar ΔT este variaţia de temperatură.

mV

Termocuplu Fire de Extensie

Fig. 3.68.

Circuit compensare

RT R3

R2R1

E

Elementul sensibil al termorezistenţei este realizat dintr-o înfăşurare plată sau cilindrică peste un suport izolant din mică, izoplac, ceramică, textolit, ş.a., cu un fir bobinat neinductiv pe suport şi fixat de acesta prin impregnare sau presare mecanică.

Aspectul exterior al termorezistenţelor tehnice este similar cu cel al termocuplelor şi prezentat în figura 3.70., realizându-se în varianta cu unul sau cu două elemente sensibile.

Dependenţa cu temperatura a rezistenţei electrice se exprimă prin coeficientul de temperatură α al conductorului din care se execută înfăşurarea elementului sensibilşi definit ca mărime a variaţiei rezistenţei de 1 Ω la o variaţie de 10C a temperaturii. Deoarece acest coeficient nu este dependent numai de natura materialului folosit, ci şi de valoarea temperaturii, se obişnuieşte a se lua în calcule o valoare medie stabilită pentru intervalul 0…1000C pe baza relaţiei:

(3.67)

R100 fiind rezistenţa electrică în ohmi la 1000C.La alegerea materialelor din care se execută termorezistoarele se va ţine cont

de următoarele criterii: rezistivitate mare pentru reducerea gabaritelor; coeficient de variaţie a rezistivităţii cu temperatura ridicat , ceea ce permite şi sensibilităţi ridicate;caracteristica de transfer să prezinte o bună liniaritate pentru a nu utiliza circuite suplimentare de liniarizare; o bună stabilitate în timp şi la acţiunea agenţilor chimici;puritate ridicată pentru o bună reproductibilitate; preţ de cost redus.

Toate aceste cerinţe nu pot fi îndeplinite simultan, în realizarea termorezistenţelor folosindu-ce materiale ca: platina (-180 ÷+6000C şi mai rar –200 ÷ +10000C), nichelul (-100÷+2500C), cupru, wolfram, fier. Cele mai utilizate sunt termorezistenţele din platină, care se folosesc şi ca etaloane de temperatură în intervalul 0÷6000C.

Cu toate că nichelul are o sensibilitate mai mare decât platina, acesta are o aplicabilitate mai redusă deoarece se oxidează la temperaturi ridicate şi prezintă fenomenul de tranziţie la temperatura de 3500C ceea ce modifică accentuat rezistivitatea. In acelaşi timp, nichelul prezintă neliniarităţi importante.

O foarte bună liniaritate şi sensibilitate o prezintă cuprul, dar domeniul de măsură este redus prezentând şi dezavantajul unei acţiuni chimice pronunţate, struc-tura sa cristalină modificându-se în timp.

Rezistenţa nominală a dispozitivelor este de 25, 50, 100, 500 sau 1000Ω la 00C, ultimele variante fiind recomandate pentru temperaturi scăzute. Termorezisten-ţele executate în ţară se confecţionează din platină, cu rezistenţe nominale de 50 şi 100 Ω, de tipul PT 50 şi PT 100, fiind confecţionate din fire cu diametre între 0,05 ÷0,2 mm, cu lungimi de ordinul 5 ÷ 20 cm, firele de legătură la blocul de borne fiind de nichel, cu diametru mult mai mare, în scopul neglijării variaţiei rezistenţei acestora cutemperatura. Constructiv, termorezistenţele trebuie să asigure protecţia la acţiunea agenţilor externi, să preia rapid temperatura mediului de măsură, să permită măsurarea atât în curent continuu cât şi alternativ, să nu fie influenţate de fenomenul dilatării.

Timpul de răspuns al acestor traductoare este de ordinul secundelor în apă şi de ordinul zecilor de secunde în aer, iar pentru reducerea influenţei conductoarelor de legătură se construiesc în variante cu 2, 3 sau uneori 4 borne de conectare.

A

A

1A 2A

2A1A

B

B

1B 2B

2B1Bb 1b 2ba. b.

c. d.Fig. 3.69.

In figura 3.69. se arată marcarea bornelor la termorezistenţele indigene (a., b., cu un element sensibil, respectiv cu două în cazul a două fire de ieşire; c., d, cu un element sensibil, respectiv două în cazul a trei fire de ieşire).

Lungimea nominală LN (cu referire la figura 3.70.) este maxim 2000 mm,

dimensiunile minime fiind de 250 şi 500 mm, iar lungimea de imersie minimă este LI = 150, 220, 250 mm.

Cel mai simplu circuit de măsurare cu termorezistenţe este cel cu logometru magnetoelectric dar, se utilizează frecvent şi punţile de rezistenţe (Weathsone).

Termistoarele sunt traductoare de temperatură realizate din material semiconductor, fenomenele de conducţie în acest caz fiind mult mai complexe.

In faza iniţială au fost utilizate pentru temperaturi scăzute, între 1 ÷35 K (ger-maniu) şi <20 K (carbon), dar datorită perfecţionării tehnologiei siliciului, în ultima perioadă (în special In tehnica circuitelor integrate) acesta se foloseşte dopat cu impurităţi de tip “n”. Dependenţa de temperatură a rezistenţei pentru siliciu este [2]:

(3.68)unde: T – temperatura în 0C; R25 – valoarea rezistenţei la 250C; α = 7,8.10-3 K-1; β = 18,4.10-6 K-2.

Termistoarele de siliciu au o bună stabilitate pentru temperaturi între –50 ÷+1200C. Până la 1200C, în mecanismul de cnducţie intervine dopajul ce reduce mobilitatea purtătorilor de sarcină, pentru temperaturi mai mari, datorită ionizărilor termice, rezistenţa scade cu temperatura.

In tehnică se utilizează temistoare a căror sensibilitate este superioară cu cel puţin un ordin de mărime faţă de termorezistenţe. Se execută din oxizi cu proprietăţi semiconductoare ca oxizii de mangan, nichel, cobalt, cupru, magneziu, zinc, aluminiu, fier, care sunt măcinaţi şi apoi presaţi prin sinterizare la o temperatură ridicată, la extremităţi aplicându-se prin metalizare electrozi de legătură. Se realizează în forme miniaturizate de discuri, plachete, perle, cilindri şi permit măsurarea cvasipunctuală a temperaturii cu o viteză de răspuns ridicate. Domeniul de măsură poate acoperi plaja –200÷+4000C, uzual fiind până la 2000C şi se poate demonstra că rezistenţa lor variază cu temperatura după relaţia:

(3.69)

unde: T – temperatura absolută; A – constantă dependentă de dimensiuni şi forma constructivă (T→∞ => R = A, rezistenţa convenţională a termistorului); B – constantă caracteristică a materialului din care e confecţionate termisorul, cu valori între 2500 ÷ 5000 pentru temperaturî până la 2000C.

Pentru cazul puterii disipate nule, caracteristica termistorului este o exponenţială ce se poate obţine în practică doar prin extrapolare.

In mod frecvent, dependenţa rezistenţei de temperatură se exprimă în funcţie de valoarea acesteia la temperatura de referinţă T0, adică:

(3.71)

ca temperatură de referinţă fiind cosiderate 250C.Aceste traductoare prezintă o serie de avantaje ca sensibilitate foarte ridicată,

putând atinge rezoluţii până la 0,010C, fiind indicate în măsurările de presiuni diferenţiale dar, prezintă marele dezavantaj de interşanjabilitate (nu pot fi “împerecheate”). Este foarte dificil ca dintr-un lot destul de mare să alegem două termistoare cu rezistenţă identică la temperatura de referinţă, înlăturarea acestui neajuns făcându-se prin înseriere unei rezistenţe fixe în circuitul de măsurare.

3.10.3. Alte traductoare de temperaturăDin multitudinea traductoarelor de temperatură, se vor prezenta succint

traductoarele bimetalice, dilatometrice, manometrice şi pirometrice. Traductoarele bimetalice sunt materiale metalice fabricate din table sau benzi

din componente diferite, unite intim între ele şi caracterizate de coeficienţi de dilatare

termică liniară diferiţi. Bimetalul funcţionează pe principiul deformării la modificări de temperatură sau la orice alte modificări de stări şi de procese ce au la bază variaţii de temperatură.

Schematic, în figura 3.70.a. se reprezintă un bimetal încastrat la unul din capete,iar în figura 3.70.b se prezintă caracteristicile de temperatură d = f(T) pentru bimetale cu lungimea de 100 mm şi grosimea lamelei d = 1 mm pentru bimetalele confecţionate din materialele indicate în tabelul 3.3.

Tabelul 3.3.Nr.crt.

Componentele bimetalului [%] Incovoiere specifică k Temperatura maximă [0C]

Rezistivitatea[Ω mm2/m]active pasive 0÷2000C 300÷4000 C

1 MnNi-Fe 36Ni-64Fe 0,195 Foartemică

250 1,082 20Ni-6Mn74Fe 36Ni-64Fe 0,155 250÷300 0,763 20Ni-6Mn74Fe 42Ni-58Fe 0,115 0,120 350÷400 0,684 20Ni-6Mn74Fe 46Ni-54Fe 0,095 0,095 400÷450 0,65 Ni 36Ni-64Fe 0,096 F.mică 250 0,166 20Ni-6Mn74Fe Fe 0,06 0,06 600 0,26

In aplicaţiile industriale traductoarele bimetalice sunt elemente esenţiale în cazul protecţiei la suprasarcini a masinilor, transformatoarelor, conductelor electrice, iar în scopuri mai puţin “industriale” sunt utilizate la aparatele şi dispozitivele electrocasice (calorifere, perne, plite, uscătoare, fiare de călcat,etc.) [1].

x

d

L

a.0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

12

34

65

b.Fig. 3.70.

Considerând că valoarea coeficienţilor de dilatare temică liniară a celor două lamele este α1 şi α2, cu α1>α2 , sub acţiunea unei temperaturi, lamela se va încovoia spre partea cu coeficient de dilatare mai mic, valoarea deplasării d puând fi evaluată teoretic prin relaţia:

(3.72)

unde ΔT – variaţia de temperatură, k – connstantă dependentă de diferenţa între α1

şi α2 şi raportul modulelor de elestice al lamelelor, x – grosimea bimetalului şi L – lun-gimea lamelei.

Prin deformarea lamelei bimetalice se pot închide sau deschide contacte electrice fixe sau reglabile cu temperatura.

Bimetalele sunt traductoare robuste, cu erori de măsurare ce nu depăşesc ±1%, fiind utilizate cu rezultate bune în plaja de temperaturi –50 ÷ +1000C.

Traductoarele dilatometrice funcţioneaze principiul dependenţei dintre variaţiile de temperatură şi dilatarea termică a unei ţevi metalice. Principial, un astfel de traductor e prezentat în figura 3.71. care se compune din ţeava metalică – 1 (confecţionată obişnuit din cupru cu coeficient de dilatare termică liniară mare şi o tijă – 2 confecţionată din invar (coeficien de dilatare redus).Prin intermediul unui dop, tija se sudează cu un capăt la fundul ţevii, iar celălalt capăt acţionează direct sau prin intermediul unui sistem de pârghii , una sau mai multe perechi de contacte – 3 ce se conectează în sistemul de reglare a temperaturii.

Traductoarele manometrice funcţionează pe principiul variaţiei presiunii lichidelor şi gazelor la volum constant în funcţie de temperatură. Constructiv, figura 3.72., sunt realizate din rezervorul – 1 umplut cu un lichid cu punct de fierbere ridicat, vapori sau gaze ce se introduce în mediul de măsură, tubul capilar – 2 şi resortul manometric – 3. Aceste părţi componente formează un sistem ermetic protejat faţă de corpul dispozitivului. Variaţiile de temperatură ale fluidului din rezervor vor produce variaţii de presiune ale vaporilor de fluid şi deformarea proporţională a resortului manometric, care printr-un sistem de transmitere adecvat va acţionad pentru indicare, înregistrare, semnalizare sau reglare.

Domeniul temperaturilor de lucru este cuprins între –50 ÷ +4000C, cu o eroare de măsurare ce nu depăşeşte ±1,5%, fiind utilizate la scară redusă datorită construcţiei dificile şi preţului de cost ridicat.

Traductoare pirometrice. Noţiunea de pirometrie derivă de la cuvântul grecesc “piro” (foc), referindu-se la măsurarea temperaturii pe baza unor metode fără contact, în concordanţă cu legile radiaţiei termice.

Este cunoscut faptul că toate substanţele emit energie radiantă ce depinde de temperatura absolută a corpurilor respective, fenomenele de radiaţie termică fiind descrise de o serie de legi deduse din termodinamică. Aceste legi au fost verificate pentru un corp negru absolut , care este un emiţător sau receptor total al energiei radiante. Dar, nu toate corpurile îndeplinesc această condiţie, fiind necesară

123

Fig. 3.71.

12

3

Fig. 3.72.

introducerea unui coeficient de corecţie (emisivitatea) mai mic decât unitatea, coeficient ce depinde de natura şi starea suprafeţei corpului, precum şi de lungimea de undă a radiaţiei (cu excepţia corpurilor gri).

Pe baza legilor lui Planck, Wien şi Stefan-Boltzmann [23] s-au realizat pirometrele ce permit măsurarea temperaturii prin intermediul energiei radiante în mai multe variante ca: pirometre cu radiaţie totală; pirometre monocromatice (cu bandă îngustă); pirometre cu dispariţie de filament; pirometre bicromatice.

Deoarece, în lanţul de măsură, de la corpul a cărui temperatură se măsoară există o anumită distanţă, se impune ca radiaţia să se propage spre un traductor sau fotodetector. In raport de caracteristica de sensibilitate a fotodetectoarelor, utilizarea pirometrelor este limitată, tabelul 3.4. prezentând limitele inferiare ale intervalului de temperatură pentru o parte redusă de fotodetectoare utilizabile.

Tabelul 3.4.Tipfotodetector

Fotodiode FototranzistoareSi Ge PbS PbSe InSb HgCdTe

Temperatura minimă [0C] 600 200 100 50 0 -50

Pirometrele de radiaţie totală au la baza funcţionării legea Stefan-Boltzmann şi implică utilizarea unui detector de bandă largă, semnalul electric obţinut la ieşirea fotodetectorului fiind proporţional cu puterea a patra a temperaturii, adică e = e0.k.T4, k fiind o constantă iar e0 emisivitatea medie.

Principial, pirometrul cu radiaţie totală se realizează după schema prezentată în figura 3.73. Corpul – 1 cu suprafaţa emisivă – 2 transmite radiaţia termică spre detectorul – 3, cu ajutorul unei diafragme – 4 şi o og;lindă concavă – 5.

Pentru absorbţia totală a radiaţiilor de către detector, care poate fi un termocuplu, acesta va trebui să se înnegrească.

La aceste traductoare, măsurarea temperaturii nu depinde de distanţa dintre suprafaţa emisivă şi pirometru (oglindă), cu excepţia ca suprafaţa vizată de pirometru să fie activă. Existenţa unor reflexii suplimentare, de exemplu corpul este executat din aluminiu, duce la apariţia unor erori de măsurare deoarece corpul poate reflecta şi sursa care îl încălzeşte.

Pirometrele cu bandă îngustă (monocromatice) fac uz de o serie de filtre optice şi detectoare şi prezintă o sensibilitate maximă pe axa filtrului optic doar pentru o anumită fracţiune a spectrului de radiaţie termică.

Pirometrele cu dispariţie de filament funcţionează pe acelaşi principiu cu cele monocromatice, având în componenţa lor şi o lampă etalon cu filament de wolfram. Măsurarea se face prin comparaţie, adică pe imaginea suprafeţei radiante ce emite o radiaţie în spectrul vizibil, se suprapun lampa etalon. Reglând curentul de filament se va modifica temperatura acestuia şi implicit culoarea. Astfel (figura 3.74.), în funcţie

de temperatura filamentului Tf, valoarea curentului prin acesta constituie o măsură a temperaturii urmărite Tm.

Pirometrele obişnuite au domeniile: 7000C (filament roşu închis) şi tempera-

1

24

3

5

Fig. 3.73.

Tm > Tf Tm = Tf Tm < Tf

Fig. 3.74.

tura maximă a filamentului 15000C, dar pot fi extinse până la 30000C prin utilizarea unor atenuatoare optice.

In cazul în care dispariţia filamentului e sesizată cu fotodetectoare, limita inferioară poate ajunge până la 5000C, cu erori de măsurare ce se pot situa sub ± 0,5%.

Pirometrele bicromatice se realizează din două pirometre monocromatice care lucreazîn două regiuni apropiate ale radiaţiei termice, în aşa fel încât emisivitatea să se poată considera constantă. Aceste pirometre pot măsura temperaturi în intervalul 700 ÷ 20000C şi idicaţia lor nu depinde de natura corpului şi starea suprafeţei pentru cazul emisivităţilor cuprinse între 0,3 şi 1.

Pirometrele sunt foarte mult utilizate în siderurgie (metalurgie) pentru măsurarea temperaturii şarjei în cuptoare, furnale etc.

Pe lângă traductoarele de temperatură amintite în acest paragraf se mai pot aminti traductoarele speciale (termometre) cu semiconductoare (cu una sau două diode), termometrele bazate pe măsurarea zgomotului de fond ş.a., assupra cărora nu se va insista.

3.11. Traductoare integrate

Dezvoltarea alertă a tehologiei microelectronicii a permis realizarea unor traductoare integrate miniaturale, cu o fiabilitate ridicată prin reducerea numărului de conexiuni şi lipituri, cu o protecţie ridicată la acţiunea agenţilor externi şi acţiunea perturbaţiilor. Cu toate că preţul de cost al acestor traductoare este relativ ridicat, prin avantajele pe care le oferăşi ţinând cont de interşanjabilitatea lor, la producţia de serie devin net superioare (performanţe şi cost) traductoarelor obişnuite.

Ca material de bază pentru execuţia acestor traductoare se foloseşte siliciul din care se pot produce uşor rezistenţe, condensatoare, diode şi tranzistoare. Folosind metoda de depunere a unor pelicule subţiri, din alte materiale, ce sunt compatibile cu tehnologia siliciului, pot fi obţinute şi alte dispozitive ca: termocuple (Bi – Sn), magnetorezistoare (In, Sb), traductoare higroscopice (cu polimeri), traductoare cu unde acustice de suprafaţă SAW (ZnO), etc., domeniul temperaturilor de lucru fiind de – 50 ÷ +1500C.

Fără a intra în prea multe amănunte vom cita ca traductoare integrate pe cele cu senzori elastici (lamă, membrană) folosite la accelerometre când lama elastică este completată cu o masă seismică. De asemenea, se pot realiza structuri termice pentru măsurarea unei diferenţe de temperatură ce e necesară pentru măsurarea altor mărimi.

Mentionez că, primele traductoare integrate realizate practic au fost cele de temperatură, care deşi nu prezintă un domeniu extins (– 50 ÷ +1500C), îşi găsesc aplicabilitate în tehnică.

La nivelul actual, pentru măsurarea temperaturii se pot utiliza:- traductoare integrate la care curentul de ieşire are o variaţie direct proporţio-

nală cu temperatura absolută;- traductoare integrate la care tensiunea de ieşire variază direct proporţional

cu temperatura absolută.Reprezentativ, pentru prima categorie, este circuitul integrat AD 590 (Analog

Device), a cărui schemă de principiu e dată în figura 3.75., şi care reprezintă o sursă de curent cu două terminale ce furnizează un curent (în μA) numeric egal cu

temperatura absolută (în K), pentru gama de temperaturi – 50 ÷ +1500C, la tensiuni de alimentare între 4 ÷ 30 V.

Cu ajutorul tranzistoarelor T3 şi T4 se realizează aşa numita “oglindă de curent” care împarte curentul I(T) în două părţi egale Ic1 şi Ic2 . Tranzistorul T2 este format din opt tranzistoare identice T1, conectate în paralel şi în [23] se demonstrează că:

(3.73)

unde: q = 1,60218 x 10-19 C – sarcina electronului; k = 1,38066 x 10-23 – constanta lui Boltzmann; T – temperatura absolută.

Dacă se alege valoarea rezistenţei R = 358 Ω va rezulta că:I(T) = T, cu I(T) în μA şi T în K

Acest circuit îşi găseşte aplicaţii la executarea unor termometre digitale dar, se poate utiliza şi în circuitele de compensare a temperaturii sudurii reci sau la măsurarea altor mărimi neelectrice pe baza măsurării temperaturii.

Astfel, în figura 3.76. se prezintă un termometru realizat cu senzorul de temperatură AD 590. Acest senzor injectează curentul I(T) în rezistorul R1 de 1 kΩ

A

B

I(T)

T4

T1(1)T2(8)

T3

t

T

Ic2 Ic1

Fig. 3.75.

R

+ A_

AD 580

AD 590

I(T)

R1

1 kΩ

R2

1 kΩ

R3

9 k09

P 1 kΩ

+Ea

U0

Fig. 3.76.

producând la bornele acestuia o cădere de tensiune, în mV, proporţională cu tempe-ratura absolută. Această tensiune se aplică amplificatorului diferenţial împreună cu tensiunea furnizată de divizorul R2, P, R3, alimentat de la sursa de referinţă AD 580 ce asigură o tensiune de 2,5 V. Dacă tensiunea aplicată bornei neinversoare a amplificatorului este 273,15 mV şi amplificarea este de 10, la ieşirea amplificatorului se obţine o tensiune, în mV, numeric egală cu temperatura, în 0C, multiplicată cu 10.

Din punct de vedere electric, traductoarele din cea de-a doua categorie sunt echivalente cu o diodă zenner la care tensiunea de străpungere este proporţională cu temperatura absolută şi tipic pentru acestea este traductorul integrat LM 135 (National Semiconductor) ce prezintă o sensibilitate de 10 mV/K. Se mai poate utiliza şi un alt circuit integrat, tip STP 35 (Texas Instruments), cu domeniul – 40 ÷ 1250C, cu o eroare maximă absolută de ±40C şi o eroare de neliniaritate de ±0,5%.

Senzorii de temperatură utilizaţi pot fi: diode, tranzistoare, termorezistoare din siliciu sau termocupluri, sau pot fi realizate oscilatoare termice.

Din mărimile ce pot fi măsurate pe baza variţiilor de temperatură pot fi enumerate: valoarea efectivă a curentului electric; debitul; detecţia radiaţiilor în infraroşu; vacuumul; determinări calorimetrice; nivele, etc.

In prezent, multe din traductoarele integrate sunt produse în serie, cu aplicaţii în special în producţia bunurilor de larg consum, în industria automobilelor sau în măsurările din biologie şi ecologie.

Aplicaţiile traductoarelor integrate nu se rezumă numai la realizarea acestora în serie mare ci, prin tehnici moderne de proiecatre ca ASIC (Application Specific Integrated Circuit) se pot realiza traductoare integrate specializate unor procese bine definite.

Cercetările actuale încearcă eliminarea traductoarelor clasice cu cele integrate, procesul de realizare al acestora fiind în continuă perfecţionare viând atât diversificarea gamei, creşterea performanţelor şi a fiabilităţii dar, şi găsirea unor noi metode şi principii de măsurare.

In încheiere se poate aminti că utilizând tehnica circuitelor integrate s-au realizat traductoare integrate ultrasonice în tehnica POSFET (în diferite variante), precum şi traductoare cu unde de încovoiere.

3.12. Traductoare inteligente

Dezvoltarea într-un ritm galopant a ciberneticii şi tehnicii de calcul a permis realizarea simultană în cazul aceluiaşi CIP a traductoarelor integrate şi elementelor de prelucrare, dând în acest fel posibilitatea ca informaţia obţinută la ieşire să poată fi utilizată direct de calculatoare. In acest sens, s-au obţinut traductoare foarte performante pe care le vom numi traductoare inteligente. Prin introducerea unui procesor în componenţa traductorului şi realizarea unei interfeţe de comunicare

bidirecţională cu exteriorul, a devenit posibilă creşterea nivelului procesare în cadrul traductoarelor inteligente care într-o schemă bloc pot fi prezentate ca în figura 3.75.

Elementul de bază este constituit din traductorul principal ce preia informaţiile de la măsurand şi care poate fi identificat printr-un codce este stocat în memoriaa PROM. Mărimile de influenţă acţionează asupra traductoarelor secundare, semnalele provenite de la acesta (este inclus şi traductorul principal) sunt transmise unui sistem de achiziţii de date format dintr-un multiplexor, amplificatorul A, circuitul de eşantionare şi memorare CEM şi convertorul analogic numeric CAN.

Microprocesorul μP îndeplineşte rolul de a gestiona achiziţia datelor, corecţia mărimilor de influenţă, influenţa caracteristicii de transfer şi diagnosticarea traductoarelor. In memoria PROM sunt stocate programul de operare, tabele de corecţii şi liniarizare, etc., pe lângă codul de recunoaştere al traductorului, iar în memoria RAM sunt stocate datele curente de operare sau acelea ce urmează a fi transmise.

Prin interfaţa bilaterală se realizează conectarea traductorului inteligent cu un

calculator central printr-o magistrală externă ce poate fi utilizată şi pentru alte traductoare. Mesajele ce se transmit de la calculator la traductor se referă la configuraţia utilizată, autoetalonare, stabilirea domeniului de măsurare, iar cele transmise de la traductor la calculator, în afara rezultatelor, mai conţin şi date ce se referă la domeniul de măsurare, depăşirea domeniului sau valoarea mărimilor de referinţă.

După cum rezultă din schema bloc prezentată, traductorul inteligent apare simplu dar, prin componentele ce le conţine acesta este foarte complex, implementarea acestuia în aplicaţiile industriale necesitând cunoştiinţe vaste în domeniul ciberneticii, electronicii, tehnicii de calcul şi alte domenii adiacente.

Măsurand

Mărimi dereferinţă

Traductor principal

Mărimi dereferinţă

Traductor secundar

Traductor secundar

Multiplexor

Interfaţă bilaterală

PROM

RAM

μP

A CEM CAN

Magistralăexternă (comunicaţiicu alte tra-ductoare şi calculatorul central

Fig. 3.77.