167864961 Senzori Si Traductoare

5/24/2018 167864961 Senzori Si Traductoare

1/97

1

SENZORI I TRADUCTOARE NOTE DE CURS

Pentru consultarea i aprofundarea materiei recomand consultareaBIBLIOGRAFIEI de la sfritul acestui document.

Mrimi neelectrice i clasificarea traductoarelor

Natura foarte diferita a mrimilor de msurat (care pot fi termice,mecanice, radiaii s.a.) a impus unificarea semnalelor purttoare deinformaii si alegerea mrimilor electrice pentru acest scop, deoareceelectronica si tehnica de calcul ofer cele rnai mari posibiliti devalorificare a informaiilor primite sub forma electrica (precizie,sensibilitate, consum mic de putere, viteza mare de rspuns, prelucrareoperaionala a mai multor semnale, stocare etc).

Elementele care realizeaz convertirea unei mrimi de intrare neelectricantr-o mrime de ieire de natura electrica (tensiune, curent, sarcinaelectrica, rezistenta) se numesc

traductoare.

Tipurile existente de traductoare sunt extrem de numeroase, clasificarea lorputndu-se face dupurmtoarele criterii:1.Dup forma semnalului electric obinut, traductoarele se pot grupa n: traductoare analogice, la care semnalul produs depinde continuu de

mrimea de intrare: traductoare numerice, la care semnalul de ieire variaz discontinuu,

dupun anumit cod (operaie de codificare).2. Dup modul de transformri efectuate si modul de interconectare,

traductoarele se mpart n: traductoare directe care realizeazo singura transformare;

traductoare complexe care nglobeaz mai multe tipuri de traductoaredirecte si uneori chiar elemente de aparte.3. Dup domeniul de utilizare, traductoarele avnd denumirea mrimii

msurate pot fi: pe presiune, de debit, de temperatura, de umiditate, dedeplasare etc.

4. Dup natura mrimii de ieire, traductoarele electrice directe se mpart: traductoare pasive, la care ca mrime de ieire este rezistenta,

inductanta sau capacitatea si care necesita o sursa de energieauxiliara;

CARACTERISTICILE SI PERFORMANELE TRADUCTOARELORCaracteristici i performane n regim staionar

Caracteristicile funcionale ale traductoarelor reflect(n esen) modul n

care se realizeazrelaia de dependenintrare-ieire (I-E).

Performanele traductoarelor sunt indicatori care permit s se aprecieze


2/97

2

msura n care caracteristicile reale corespund cu cele ideale i ce condiii sunt

necesare pentru o bunconcordanntre acestea.

Caracteristicile i performanele de regim staionar se refer la situaia n

care mrimile de intrare i de ieire din traductor nu variaz, adic parametrii

purttori de informaie specifici celor doumrimi sunt invariani.

Caracteristica statica traductorului este reprezentatprin relaia intrare

ieire (I-E):

y = f(x) (1.1)

n care y i x ndeplinesc cerinele unei msurri statice.

Relaia (1.1) poate fi exprimat analitic sau poate fi dat grafic printr-ocurbtrasatcu perechile de valori (x , y).

Caracteristica y = f(x) red dependena I-E sub forma idealdeoarece, n

realitate, n timpul funcionrii traductorului, simultan cu mrimea de msurat x,

se exercitatt efectele mrimilor perturbatoare externe n321 ...,,,, ct

i a celor interne r321 ...,,,, care determin modificri nedorite ale

caracteristicii statice ideale.

n afara acestor perturbaii (nedorite), asupra traductorului intervin imrimile de reglaj, notate prin q321 C...,,C,C,C . Aceste reglaje servesc la

obinerea unor caracteristici adecvate domeniului de variaie al mrimii de

msurat n condiii reale de funcionare a traductorului. innd seama de toate

mrimile care pot condiiona funcionarea traductorului, acesta se poate reprezenta

printr-o schemfuncionalrestrns, ilustratn figura 1.1.

Reglajele q321 C...,,C,C,C nu provoacprovoacmodificri nedorite

ale caracteristicii statice ideale i sunt necesare pentru:

- alegerea domeniului de msurare;- prescrierea sensibilitii traductorului,- calibrarea interni reglarea zeroului.


3/97

3

Fig. 1.1

Mrimile perturbatoare externe1 , 2 , 3 , , ncele mai importante

sunt de natura unor factori de mediu: presiunea, umiditatea, temperatura , cmpuri

electrice sau magnetice etc. Aceste perturbaii (nedorite) pot aciona att asupramrimii de msurat, ct i asupra elementelor constructive ale traductorului.

Mrimile perturbatoare internese datoreaz zgomotelor generate de

rezistoare, de semiconductoare, frecri n lagre, mbtrnirea materialelor care-i

schimbproprietile, variaii ale parametrilor surselor de alimentare etc. Datorit

mrimilor perturbatoare, traductorul va funciona dupo relaie de dependen(I-

E) real, descrisde funcia:

)...,,,,,...,,,,,x(fy r321n321 = ;

(1.2)

Este important de observat cerorile sunt generate de variaiile mrimilor

perturbatoare i nu de valorile lor absolute, care dacar rmne constante ar putea

fi luate n considerare ca atare n expresia caracteristicii.

Modul n care mrimile perturbatoare influeneaz ieirea , admind cvariaiile lor sunt mici, se pune n eviden prin dezvoltarea n serie Taylor a

funciei (2.1) cu neglijarea termenilor corespunztori derivatelor de ordin superior.

Se obine:


4/97

4

rr

11

nn

11

f...

ff...

fx

x

fy

++

+

++

+=

(1.3)

Derivatele de ordinul I au semnificaia unor sensibiliti:

x

f

- este sensibilitatea utila traductorului

i

f

ii

f

sunt sensibiliti parazite

Cu ct sensibilitatea utilva fi mai mare, iar sensibilitile parazite vor fi

mai mici, cu att caracteristica real a traductorului va fi mai apropiat de ceaideal(1.1)

Dacsensibilitile parazite au valori ridicate se impune introducerea unor

dispozitive de compensare automat.

Prin concepie (proiectare) i construcie, traductoarele se realizeaz astfel

nct mrimile de influen(perturbatoare) sdetermine efecte minime si deci , s

se poat considera valabilcaracteristic static idealy = f(x) n limitele unei

erori tolerate.

n ipoteza de liniaritate i admind cinfluenele mrimilor perturbatoare

nu depesc eroarea tolerat , forma uzual pentru caracteristica static a

traductoarelor analogice este:

00 y)xx(ky += ; (1.4)

n care x0i y0pot lua diverse valori pozitive sau negative, inclusiv zero.

Caracteristicile statice liniare sunt tipice pentru traductoare, dar pot aprea,

n anumite cazuri particulare, (cerute de un S.R.A.-sistem de reglare automat),

caracteristici neliniare. n cele ce urmeaz se prezint cteva exemple de

caracteristici statice pentru traductoare:

a) liniarunidirecional (figura 1.2), defintprin funcia:


5/97

5

00 y)xx(ky += ;

x x0

k = tg (panta caracteristicii)

Fig. 1.2 Fig. 1.3

b) proporionalliniarbidirecional (figura 1.3), definitprin funcia:

xky = ;k= tg

liniarpe poriuni cu zonde insensibilitate i saturaie (figura 1.4)

liniarpe poriuni cu zon de insensibilitate,

saturaie i histerezis (figura 1.5),

Fig. 1.4 Fig. 1.5

Pentru traductoarele cu ieiri numerice caracteristica static este


6/97

6

cvasiliniaravnd forma din figura 1.6.

Reprezentarea este pur convenional, graficul corespunznd echivalentului

n sistemul de numeraie zecimal al codului redat de semnalul YNde la ieirea

traductorului, pentru diverse valori ale mrimii de intrare, considernd un interval

de cuantificarex.

Prin unirea punctelor corespunztoare valorilor medii ale nivelelor de

cuantificare se obine o dreapt (reprezentat printr-o linie discontinu) ce

reprezintcaracteristica statica traductorului numeric.

Exceptnd discontinuitile datorate operaiei de cuantificare, aceast

caracteristic se consider liniar. Estimarea mrimii de ieire a traductorului

(YN) este cu att mai precis, cu ct intervalul de cuantificare x este mai mic.

Fig. 1.6 Fig. 1.7


7/97

7

Erorile de neliniaritate i histerezis

Caracteristicile statice sunt determinate de legile fizice pe care se bazeaz

funcionarea elementelor componente din structura traductorului. Acestecaracteristici se deduc prin calcul sau experimental. Raportate la un domeniu largde variaie a mrimii de intrare, caracteristicile statice se obin neliniare.

Datoritavantajelor pe care le au caracteristicile liniare se procedeazfie lalimitarea funcionrii traductorului pe anumite zone ale caracteristicii (undeneliniaritatea este redus), fie se liniarizeazpe poriuni caracteristica cu ajutorulunor dispozitive special introduse n structura traductorului. Astfel, caracteristicilestatice liniare constituie o aproximare a caracteristicilor reale neliniare,aproximare acceptabilpentru condiiile de utilizare a traductorului.

O msura aproximrii o reprezintabaterea de la liniaritate sau eroareade neliniaritate, ilustratn figura 1.7.

n domeniul (xmin , xmax), n care ne intereseaz determinarea erori deneliniarizare se traseaz dreapta AB (linie continu), care aproximeaz ct maibine caracteristica real. Paralel cu AB se traseazdreptele AB i AB care s

ncadreze ntre ele, caracteristica real. Cea mai mare dintre diferenele y i yreprezintabaterea absolutde la liniaritate, notatprin ymax.

Abaterea relativde la liniaritate se definete prin relaia:

[ ]%100yy

y

minmax

maxr

= ;

unde: ymaxeste abaterea absolutde la liniaritate, definitprin relaia:

ymax= y-y;

Alt tip de eroare, care poate fi estimatpe caracteristicile statice este eroarea dehisterezis. Din figura 1.5 se observcfenomenul de histerezis se manifestprinaceea cse obin dounivele diferite ale semnalului de ieire (y) pentru aceeaivaloare a mrimii de intrare, n raport cu sensul cresctor ( ) sau descresctor ( ) de variaie prin care acesta atinge valoarea respectiv.

Eroarea de histerezis este dat de diferena dintre cele dou nivele ale

semnalului de ieire (y). Pentru a asigura univocitatea valorii msurate, eroarea dehisterezis trebuie sse ncadreze, ca i cea de neliniaritate, sub o limitadmisibil.

Domeniul de msurare se situeazpe caracteristica static n zona ncare aceasta este liniar. Domeniul de msurare se exprim prin intervalul[xminxmax] n cadrul cruia traductorul permite efectuarea corecta msurrii.Valorile limitminime att pentru intrarea xmin , ct i pentru ieirea yminpot fizero sau diferite de zero , de aceeai polaritate sau de polaritate opus limiteimaxime.Pentru traductoarele cu semnal unificat se ntlnesc cazuri n care ymin0


8/97

8

pentru xmin=0, precum i invers: ymin=0 cnd xmin0. Motivaia care justific

existena acestor situaii se va explica ulterior. De reguldomeniul de msurare sedefinete pentru intervalul n care eroarea rmne n limitele admisibile.

Observaie. La traductoarele cu semnal unificat, limitele semnalelor de

ieire ymini ymaxrmn constante indiferent de limitele xmini xmaxale semnalelorde intrare.

Sensibilitatea (S)

Sensibilitatea traductorului se definete n raport cu mrimea de intrare,neglijnd sensibilitile parazite introduse de mrimile perturbatoare. Pentruvariaii mici x i y sensibilitatea se definete prin raportul dintre variaia ieiriii variaia intrrii. n cazul unei caracteristici statice liniare sensibilitatea estereprezentatde coeficientul unghiular al dreptei.

S = dy/dx y/x = k = tg (1.10)

O altexprimare a sensibilitii, ce ine seama de domeniul de msurare,este datde relaia:

minmax

minmax

xx

yyS

=

(1.11)

Din relaia (1.11) rezultcsensibilitatea este constantpentru ntregul domeniude msurare. n cazul unor caracteristici statice neliniare se pot defini numai valorilocale ale sensibilitii sub forma:

iii xxxyxxdxdyS === ;

(1.12)

unde x i y sunt variaii mici n jurul punctului de coordonate (xi, yi).

Sensibilitatea Si se numete i sensibilitate diferenial. Din relaiile (1.10) i(1.11) se observcsensibilitatea este o mrime ale crei dimensiuni depind dedimensiunile mrimilor de intrare i de ieire, iar valoarea sa depinde de unitilede msurutilizate pentru mrimile respective.

n cazurile caracteristicilor liniare, la care natura mrimilor x i y este

aceeai, sensibilitatea (S) se va numi factor de amplificare, dac estesupraunitar(S > 1), iar dacS < 1 sensibilitatea se va numi factor de atenuare.

Aceti factori sunt adimensionali i sunt frecvent utilizai pentrucaracterizarea traductoarelor.

Cnd domeniul mrimii de intrare este foarte extins, amplificarea sauatenuarea se exprimn decibeli [db] prin relaia:

A=20 log (y/x); [db] (1.13)


9/97

9

Uneori se utilizeaz noiunea de sensibilitate relativexprimatprin:

x/x

y/ySr

= (1.14)

undey/y este variaia relativa ieirii, iar x/x este variaia relativa intrrii.

Sensibilitatea relativ (Sr) se exprim printr-un numr adimensional, iarvaloarea sa nu depinde de sistemul de uniti i ca urmare Sr este util lacompararea traductoarelor atunci cnd acestea au domenii de msurare diferite.

Rezoluia

Sunt traductoare care au caracteristici statice ce nu sunt perfect netede. Caurmare, la variaii continue ale mrimii de intrare (x) n domeniul de msurare,semnalul de ieire (y) se modific prin salturi avnd valori bine precizate(deoarece are variaii discrete).

Intervalul maxim de variaie al mrimii de intrare necesar pentru a

determina apariia unui salt la semnalul de ieire, se numeterezoluie.

Rezoluia este utilizat, mai ales, la traductoare cu semnale de ieirenumerice, a cror caracteristic static este dat printr-o succesiune de trepte(figura 1.6). n acest caz rezoluia este dat de intervalul de cuantificare x almrimii de intrare, iar pentru un domeniu de msurare fixat prin x se stabiletenumrul de nivele analogice ce pot fi reprezentate de ctre semnalul de ieire.

Rezoluia reprezint un indicator de performan i n cazul unortraductoare considerate (de obicei) analogice, cum sunt traductoarele pentrudeplasri liniare sau unghiulare bobinate, la care variaiile de rezisten (sau de

tensiune - la montajele poteniometrice) prezintun salt la trecerea cursorului depe o spirpe alta.

Pragul de sensibilitate

Cea mai mic variaie a mrimii de intrare care poate determina o variaie

sesizabil (msurabil) a semnalului de ieire, se numete prag de

sensibilitate.

Pragul de sensibilitate este important, ntruct condiioneaz variaiileminime la intrare care pot fi msurate prin intermediul semnalului de ieire.

Factorii care determin pragul de sensibilitate sunt fluctuaiile datorate

perturbaiilor interne i externe: zgomotul n circuitele electrice, frecrile statice ijocurile n angrenaje pentru dispozitive mecanice.Calitatea traductoarelor este cuatt mai bun cu ct sensibilitatea S este mai mare, iar rezoluia i pragul desensibilitate sunt mai reduse.

Precizia (eroare de msurare)

Scopul fundamental al oricrei msurri, acela de a determinarea i exprimanumeric valoarea mrimii de msurat, poate fi realizat numai cu un anumit grad


10/97

10

de incertitudine.Orict de perfecionate ar fi metodele i aparatele utilizate i orictde atent ar fi controlat procesul de msurare, rezultatul msurrii va fi ntotdeaunadiferit de valoarea real sau adevrat a msurandului.

Eroarea de msurare reprezint diferena dintre rezultatul msurrii ivaloarea real. Este evident c, din punct de vedere calitativ msurrile sunt cu

att mai bune cu ct erorile respective sunt mai mici. Problematica erorilor demsurare este complexi pentru detalii se recomandlucrruile [1] i [4]. n celece urmeazse prezintsuccint noiunile necesare pentru nelegerea semnificaieipreciziei traductoarelor. Cauzele erorilor de msurare sunt multiple i se potevidenia printr-o analizatenta operaoiei de msurare. Acestea sunt:

- Eroarea de interaciuneeste provocatde faptul cES al traductorului exercito aciune asupra valorii reale a mrimii de msurat, astfel nct valoarea efectivconvertitdiferde cea real. Erorile de interaciune pot aprea i ntre diverselecomponente din structura traductorului.

- Eroarea de model este determinatde faptul cse idealizeazcaracteristicile

statice, ignorndu-se anumii factori care le pot influena. Determinareaexperimental a caracteristicilor statice prin utilizarea unor etaloane cu precizielimitat, genereazeroarea de model.

- Erori de influencare apar atunci cnd mrimile perturbatoare auvariaii mari i nu pot fi compensate (prin mijloace tehnice).

n raport cu proprietile lor generale s-au stabilit urmtoarele criterii declasificare a erorilor :

a) Caracterul variaiilori valorilor pe care le pot lua: erori sistematice; erori aleatoare; erori grosiere.

Erorile sistematicese produc n acelai sens n condiii neschimbate derepetare a msurrii i au valori constante sau variabile, dupo lege determinatnraport cu sursele care le genereaz.

Erorile aleatoare(ntmpltoare sau accidentale) variazimprevizibil larepetarea msurtorii, putnd lua valori diferite att ca sens ct i ca valoare.

Erorile grosiere (inadmisibile) afecteaz prea grav rezultatelemsurtorii, nct rezultatele nu pot fi luate n considerare. Aceste erori au doucauze:

funcionarea incorecta aparatelor;

utilizarea unei metode incorecte de msurare.

b) Modul de exprimare valoricprin care se face deosebirea ntre erorileabsolute i erorile relative.

Erorile absolutesunt: xi, vipozitive (sau negative) exprimate n aceleaiuniti de msurcu vi.


11/97

11

Eroarea relativ(realsau convenional) a unei msurri individuale sedefinete prin relaiile:

;v

vv

v

vv;

x

xv

x

xx iiir

iiir

=

=

=

=

(1.19)

Erorile relative sunt exprimate prin numere frdimensiune. Acestea pot estimaprecizia de msurare, deoarece nglobeaz i informaia cu privire la valoareamrimii msurate.

c) Mrimea de referinn funcie de care se deosebesc erorile reale fa

de erorile convenionale.

Eroarea real (a unei msurri individuale) este notatxi i exprimdiferena dintre valoarea msuratvii valoarea real(adevrat) x:

xi = vi-x; (1.20)

Eroarea convenional(a unei msuri individuale) este diferena

vi = vi-v; (1.21)

unde: v valoarea de referin(admis); vi valoarea msurat.

Eroarea admisibil(sau tolerat) reprezintvaloarea limita erorii ce nupoate fi depitn condiii corecte de utilizare a aparatului. Cunoscnd valoareaadmisibilabsolutxad, intervalul n care se aflvaloarea real(x) a mrimii demsurat este determinat cu probabilitatea 1, conform relaiei:

x[vi -xad , vi+xad];care poate fi exprimat i n formele:

vi -xadxvi +xad; (1.23)

sau:

x = vixad;

(1.24)

n cazul traductoarelor, n general, se prevd dispozitive pentru compensareaautomat a erorilor suplimentare, astfel nct precizia msurrilor s fiedeterminat numai de eroarea intrinsec, chiar la variaii mari ale factorilor demediu.

n final eroarea toleratde aparat, sub form absolut, prin care se poateexprima corect precizia msurrii efectuate n condiii reale de funcionare, este


12/97

12

datde relaia:

xtot= xbxs; (1.25)

unde: xb este eroarea tolerat intrinsec(de baz) determinatn primul rndde clasa de precizie ;

xs este eroarea tolerat suplimentar, calculat corespunztorintervalelor n care se aflmrimile de influen.

Observaie: cele menionate cu privire la precizie i indicatoriicorespunztori sunt specifice traductoarelor analogice, dar innd seama departicularitile conversiei analog-numerice aceste noiuni se pot extinde i latraductoarele cu ieiri numerice.

La traductoarele cu ieiri numerice, datoritfaptului cadaptorul conineun convertor analog-numeric (CAN), apare o eroare inerentde metod, numiteroare de cuantificare, egalcu 1/2 din intervalul de cuantificare x, adic1/2 dinbitul cel mai puin semnificativ (LSB).Reducerea acestor erori la valoriacceptabile se face prin micorarea luix.

Erorii de cuantificare i se poate aduga eroarea de zero, ilustratn figura1.11-a, i/sau eroarea de domeniu prezentatn figura 1.11-b.

a) Eroare de zero b) Eroare de domeniu Fig. 1.11

1.2 Caracteristici i performane n regim dinamic

Regimul dinamic al unui traductor corespunde funcionrii acestuia nsituaia n care mrimea de msurat (x) i implicit semnalul de ieire (y) variazntimp. Variaiile mrimii de intrare nu pot fi urmrite instantaneu la ieire , datoritineriilor care pot fi de natur: mecanic, electromagnetic, termicetc.

Funcionarea traductorului n regim dinamic este descris de o ecuaiediferenialde tipul:


13/97

13

( ) ( )=

=

=m

qt

qxqb

n

kt

ky

ka

0

)(

0

)(

unde )q(x , )k(y sunt derivatele n raport cu timpul de ordinul q i k ale intrrii

x(t) i respectiv ieirii y(t); ka i qb sunt coeficieni (de regulinvariani).

Ecuaia caracterizeaz complet regimul dinamic al traductorului dacsunt prevzute: condiiile iniiale, valorile mrimilor x(t), y(t) i valorilederivatelor la momentul iniial t0.

Pentru ca traductorul (ca element fizic) s poat fi realizat practic estenecesar condiia: n > m, deci se impune ordinul ecuaiei difereniale. Pentrudeterminarea soluiei ecuaiei (1.26) se utilizeaz tehnicile uzuale de rezolvare aecuaiilor difereniale liniare cu coeficieni constani.

Duprezolvarea ecuaiei difereniale (1.26) se obine soluia ecuaiei pentrucondiii iniiale date i mrimea de intrare cunoscut sub forma unei anumitefuncii de timp:

y(t) = ytl(t) + ytf(t) + ysf(t) (1.27)

Cei trei termeni ai soluiei (1.27) au semnificaiile:

- ytl (t) componenta tranzitorie liber, care nu depinde de intrare, dardepinde de dinamica traductorului, ct i de condiiile iniiale nenule de la ieire ;

- ytf (t) componenta tranzitorie forat, care depinde att de dinamicatraductorului ct i de intrare (x) ;

- ysf

(t)

componenta forat n regim stabilizat (sau permanent), n care,

datoritneliniaritii, se regsete forma de variaie a intrrii.

Traductorul ideal, din punct de vedere al comportrii dinamice, ar fi acela lacare sexiste numai ultima componentn (1.27), frcomponente tranzitorii.

Analiza comportrii dinamice a traductoarelor utiliznd rezolvri aleecuaiei (1.26) reprezintoperaii complicate (dei posibile). Din acest motiv seutilizeazmetode mai simple care s asigure suficientprecizie, dar aprecieri icomparaii mai rapide referitor la performanele dinamice ale traductoarelor.

Adoptnd ipotezele simplificatoare: condiii iniiale nule, intrri (x) standard (impuls sau treapt) se poate aplica transformarea direct Laplace

ecuaiei difereniale i rezultfuncia de transfer a traductorului:

( ) ( )

( ) =

=

== n

0i

isia

m

0jsjb

sX

sYsH ; (1.28)

Funcia de transfer permite (f.d.t.) determinarea rspunsului (traductorului) n


14/97

14

formexplicitpentru orice tip de variaie a intrrii (x). De asemenea, funcia detransfer permite o corelare ntre analiza teoretic a regimului dinamic ideterminrile experimentale.

Analiza performanelor n regim dinamic (pentru traductoare) utiliznd H(s)se poate face astfel:

1) n domeniul timpului utiliznd funcia indicial (rspuns latreapt) sau funcia pondere (rspunsul la impuls);2) n domeniul frecvenei, pe baza rspunsului permanent armonic la

variaia sinusoidala intrrii (x).

Analiza n regim dinamic este similarcu cea de la circuitele electronice(sau din teoria SRA) cu precizarea cvaloarea benzii de stabilizare nu trebuie sdepeascvaloarea de 2% din semnalul de la ieire n regim staionar (stabilizat)ys.

Fig.1.12 Funcia indiciala unui traductor analogic echivalent

cu un element de ordinul II (oscilant - amortizat).

Principalii indicatori de regim dinamic pentru traductoarele analogice sunt :

a) M abaterea dinamicmaxim(influenatde factorul de amortizareal traductorului);

b) Suprareglarea (supracreterea) definitprin relaia:

[ ] 100% =sy

M

(1.29)


15/97

15

c) Abaterea (eroarea) dinamiccurentdefinitprin relaia

D= y(t)-ys; (1.30)

d) Timpul tranzitoriu (timp de rspuns) tt . Criteriul de delimitare atimpului tranzitoriu (tt) este stabilit prin relaia:

tsD ttpentru,B)t( (1.31)

Msurarea turaiei i deplasrilor

Marimi neelectrice si clasificarea traductoarelor

Natura foarte diferita a marimilor de masurat (care pot fi termice, mecanice,radiatii s.a.) a impus unificarea semnalelor purtatoare de informatii si alegereamarimilor electrice pentru acest scop, deoarece electronica si tehnica de calculofera cele mai mari posibilitati de valorificare a informatiilor primite sub formaelectrica (precizie, sensibilitate, consum mic de putere, viteza mare de raspuns,prelucrare operationala a mai multor semnale, stocare etc).Elementele carerealizeaza convertirea unei marimi de intrare neelectrica ntr-o marime de iesire denatura electrica (tensiune, curent, sarcina electrica, rezistenta) se numesctraductoare.Tipurile existente de traductoare sunt extrem de numeroase,clasificarea lor putndu-se face dupa urmatoarele criterii:

1.Dupa forma semnalului electric obtinut, traductoarele se pot grupa n: traductoare analogice, la care semnalul produs depinde continuu de

marimea de intrare; traductoare numerice, la care semnalul de iesire variaza discontinuu,

dupa un anumit cod (operatie de codificare).2.Dupa modul de transformari efectuate si modul de interconectare,

traductoarele se mpart n: traductoare directe care realizeaza o singura transformare; traductoare complexe care nglobeaza mai multe tipuri de traductoare

directe si uneori chiar elemente de aparte.3.Dupa domeniul de utilizare, traductoarele avnd denumirea marimii

masurate pot fi: pe presiune, de debit, de temperatura, de umiditate, dedeplasare etc.

4.Dupa natura marimii de iesire, traductoarele electrice directe se mpart: traductoare pasive, la care ca marime de iesire este rezistenta,

inductanta sau capacitatea si care necesita o sursa de energieauxiliara;

traductoare generatoare la care ca marime de iesire este o t.e.m.termoelectrica, piezoelectrica, fotoelectrica, electrochimica sau deinductie.


16/97

16

Senzori i traductoare pentru mrimi mecanice

Masurarea turaiei

Traductoare de vitezi turaie

Noiuni fundamentale:Viteza, prin definiie, este o mrime vectorial. Dacdirecia (suportul) de deplasare acorpului n micare este dat, atunci traductoarele de vitezfurnizeazun semnal carereprezintmodulul vitezei i uneori sensul acesteia.

Viteza liniar a unui punct material n micare pe o dreaptla momentul teste datde relaia :

]s/m[;dt

)t(dx)t(v =

(7.1)Pentru un interval de timp t, suficient de mic (astfel nct viteza s poat ficonsideratconstant) viteza liniarse poate exprima prin :

;t

xv=

(7.2)unde : x este distana parcurspe dreaptde punctul material n intervalul de timpt , considernd micarea uniform.n cazul unui punct material n micare circular, viteza unghiularla momentul t va fi:

[ ]s/rad;dt

)t(d)t( =

(7.3)

unde : )t( este poziia unghiular a punctului material la momentul t fade origine.Pentru intervalul de timp t suficient de mic, astfel nct viteza unghiularspoatficonsidaratconstant, aceasta se exprimprin relaia :

;t

=

(7.4)- msura unghiului parcurs (" mturat ") de raza vectoare n timpult.

Observaie:De obicei, n loc de viteza unghiularse folosete mrimea denumitturaie

sau vitezde rotaie, exprimatn [rot/min] sau [rot/s].

7.1 Principii i metode utilizate nmsurarea vitezei

Principiile de msurare a vitezei derivdin relaiile (7.2) i (7.4). Uneoriprincipiile i metodele de msurare pot fi consecine ale unor legi fizice ca deexemplu: legea induciei electromagnetice, efectul Doppler etc.a)Msurarea vitezei (liniare sau unghiulare) prin intermediul distanei parcurse

ntr-un interval de timp dat.- Se marcheazpe traiectoria mobilului, repere situate la o distanconstant


17/97

17

i relativ micntre ele, notate cu x respectiv.Considernd un interval de timp 0T cunoscut, suficient de mare, astfel

nct mobilul s treacprin dreptul mai multor repere ( i ) - distana parcursdemobil n acest timp va fi :

xix = ,(7.5)respectiv, unghiul parcurs n cazul micrii circulare va fi :

= i ;(7.6)Viteza liniara mobilului se exprimprin:

iKT

xiv x

0=

=

(7.7)

unde constant,T

XK

0x == iar i este numrul de repere.

Viteza unghiularse exprimprin :iK

T

i

0=

=

(7.8)

unde .ctT

K0=

=

Rezultcoperaia de msurare a vitezei constn determinara numrului i.n subcapitolul 7.2 se prezint un exemplu de traductor pentru msurareavitezei liniare, care utilizeazprincipiul menionat mai nainte.b)Cronometrarea timpului de parcurgere a unei distane date.

Considernd pe dreapta ( pe suportul) pe care se deplaseazmobilul, doureperefixe situate la distana L0 (cunoscut), viteza mobilului se poate determina prinmsurarea intervalului de timp t n care mobilul parcurge distana L0 dintre cele

dourepere. Se obine : ;t

Lv 0

=

(7.9)Analog se detrminviteza unghiular, considernd cele dourepere pe circumferina

pe care se deplaseazun punct material solidar cu mobilul aflat n micare de rotaie:

t

10 = ;

(7.10)

unde 0 -este unghiul la centru determinat de cele dourepere, iart - timpul ncare mobilul parcurge arcul dintre cele dourepere.

Un exemplu de traductor pentru msurarea vitezei liniare, bazat peprincipiul menionat anterior, este prezentat n cele ce urmeaz.

c)Legea induciei electromagnetice.Tensiunea electromotoare indus pe o curb nchis (C) nedeformabil,

din material conductor, este egali de semn contrar cu viteza de variaie n timp a


18/97

18

fluxului magnetic c printr-o suprafa oarecare, Sc , care se sprijinpe curba c :

;AdBdt

d

dt

)t(d)t(e

cS

cc =

=

(7.11)

unde: B este inducia magnetic, iar Ad - elementul de arie.n cazul unei bobine cu N spire, fluxul total prin bobinva fi de N ori maimare dect fluxul printr-o spir:

cN = ,(7.12)

iar tensiunea electromotoare indusn bobinva fi:

;dt

d-N)t(e c

=

(7.13)n aplicaiile industriale, micarea de translaie se obine dintr-o micare

de rotaie. Cunoscnd viteza unghiular, a unui disc de razr, viteza liniar(pedirecia tangentei) la periferia discului va fi :

rv = (7.14) Aceasta relaie aratproporionalitatea vitezei liniare cu cea unghiular.

ntruct traductoarele de turaie sunt mai uor de realizat dect traductoarele devitez liniar, n aplicaiile industriale, cele mai utilizate sunt traductoarele deturaie. Excepie fac cazurile n care msurrile de vitezliniarsunt obligatorii (ncazul benzi transportoare, laminoare etc).

Traductoare de vitez liniar

Traductor de vitezliniarbazat pe msurarea distanei parcurse ntr-

un interval de timp dat.Mobilul se micsolidar cu rigla gradat(R). Reperele sunt fante echidistante

cux. Rigla se aflntre sursa de lumin(SL) i elementul sensibil fotoelectric (ES).Schema de principiu a traductorului de vitez liniar utilizeaz principiul

traductorului de deplasare incremental i este prezentatn figura 7.1

Fig. 7.1 Traductor numeric de vitezliniar

Impulsul de durat T este obinut de la un generator de tact (GT) prinintermediul generatorului monoimpuls (GMI) la comanda Start. Poarta logicP


19/97

19

(care reprezintun circuit I) este deschispe durata T, iar impulsurile generate deelementul sensibil i formate prin circuitul formator de semnal (FS) sunt numrate denumrtorul N. n acest numrtor (pe durata T) se nscrie numrul :

n = fT.

(7.15)

unde : f este frecvena impulsurilor date de elementul sensibil ES.

Dacpe durata T mobilul parcurge distana X, atunci :

;Tx

Xf

=

(7.16)

Deci ;x

T

T

xn

=

(7.17)

ntruct Kx

T=

= constant, rezult: .vkn =

(7.18)

Deci numrul de impulsuri (n) nscris n numrtorul N, este directproporional cu viteza liniar(v).

7.2.2. Traductor de vitezliniarbazat pe cronometrarea timpului deparcurgere a unei distane cunoscute.

Se monteaz, paralel cu traiectoria mobilului (M) dou sonde fotoelectrice

1SF i 2SF (formate din emitor i receptor de flux luminos) n dreptul punctelor fixex1i x2situate pe traiectoria mobilului. Distana dintre punctele (fixe) x1i x2este L0. Pemobilul M ,ce se deplaseaz,se aplico band reflectorizant(BR) , figura 7.2.

Cnd mobilul ajunge cu BR n dreptul reperului 1x sonda 1SF d unimpuls care pune bistabilul B n starea " 1" logic (iniial B se afln starea " 0 "logic), iar cnd ajunge cu BR n dreptul reperului 2x , sonda 2SF dun impulscare determintrecerea bistabilului n starea " 0 " logic.


20/97

20

Fig. 7.2 Schema de principiu a unui traductor numeric de vitezliniar, bazat pe msurarea timpului de parcurge a unei distane cunoscute

Notnd cu t durata impulsului dat de bistabil (timp ce reprezintdurata ncare mobilul parcurge distana L) i raportnd distana L la timpul t rezult

viteza liniar:

v= L/t ;(7.19)

Observaie: raportul tL se calculeazcu ajutorul unei scheme utilizatla

adaptorul numeric de turaie cu inversarea perioadei, prezentat nsubcapitolul 7.4.

7.3. Traductoarele de turaie

Aceste traductoare convertesc turaia ntr-un semnal electric calibrat,utiliznd principiile de msurare menionate.

O primclasificare a traductoarelor de turaie trebuie fcutdupdestinaiaacestora n sistemele de reglare a turaiei. Astfel, traductoarele de turaie pot fi:a) Traductoare analogicede turaie, cnd acestea au semnalul de ieire unificat(curent continuu sau tensiune continu) fiind utilizate n cadrul sistemelor de reglareanalogica turaiei.b) Traductoare numericede turaie, cnd acestea genereazla ieire semnalenumerice (ntr-un anumit cod) fiind utilizate n cadrul sistemelor de reglarenumerica turaiei.

O alt clasificare a traductoarelor de turaie se poate face dup tipul(natura) elementelor sensibile. Din acest punct de vedere, traductoarele de turaiesunt:

a)

Traductoare cu elemente sensibile generatoare, la care semnalul de ieireeste o tensiune electricdependentde turaie, obinutpe baza legii inducieielectromagnetice. Din aceastcategorie, cele mai utilizate sunt tahogeneratoarelede curent continuu sau de curent alternativ i elemente sensibile cu reluctanvariabil.b) Traductoare cu elemente sensibile parametrice, la care variaia turaieimodificun parametru de circuit electric (R, L, C ), care moduleazo tensiunesau un curent generat de o sursauxiliar. Cele mai utilizate elemente sensibile

n construcia traductoarelor de turaie sunt cele fotoelectrice sau de tip senzoriintegrai de proximitate, descrii n capitolul 5.

7.3.1. Tahogeneratoare de curent continuu

Acestea sunt micromaini electrice (microgeneratoare) de c.c. carefurnizeazla borne o tensiune continuproporionalcu turaia avnd nivele i puterisuficient de mari, nct pot fi folosite direct n SRA. Excitaia poate fi separatsau cumagnei permaneni (cea mai rspndit).Rotorul poate fi de tip cilindric, de tip disc sau de tip pahar.-Rotorul cilindriceste realizat din tole de oel electrotehnic, iar nfurarea esteplasatn crestturi nclinate n raport cu generatoarea.Constantele de timp ale tahogeneratoarelor de c.c. sunt sub 10 ms ( ms10TTg ).


21/97

21

Pentru constante de timp mai mici se cer utilizate tahogeneratoare cu rotor disc saupahar.- Rotorul disceste realizat din fibre de sticlsau rinepoxidic, pe care suntlipite nfurrile (utiliznd tehnica circuitelor imprimate) i care se rotete n faamagneilor permaneni - plasai paralel cu axa.- Rotorul paharare nfurrile lipite pe un pahar realizat din fibre de sticlsau

rinepoxidic, iar magneii permaneni sunt plasai la fel ca la tahogeneratorul curotor cilindric. Prin aceste soluii constructive ultimele dou tipuri de rotoare oferconstante de timp mult mai mici.Astfel, constantele de timp mecanice se reduc sub omilisecund, iar constantele de timp electrice sunt mai mici dect 0,05 ms.Schema de principiu unui tahogenerator de curent continuu cu magnei permaneni irotor cilindric este dat n figura 7.3.

Fig. 7.3 - Schema constructiv a unuitahogenerator de curent continuu

F

ig

.

7

.

4

F

o

r

m


22/97

22

a

t

e

ns

i

u

n

i

i

d

e

l

a

i

e

i

r

e

a

t

a

h

o

g

e

n


23/97

23

e

r

a

t

or

u

l

u

i

d

e

c

u

r

e

n

t

c

o

n

t

i

n

u

u

Semnificaia notaiilor din figura 7.3 este: MP - magnei permaneni; SM - untmagnetic; P - perii ; R - rotor ; C - colector ; K- carcas;ALNICO - aliaj careasigur stabilitate n timpi cu temperatura.

Magneii permaneni (MP) sunt realizai din aliaje de tip ALNICO,


24/97

24

care au o bunstabilitate n timp cu temperatura. Tot pentru stabilitate cutemperatura se prevd unturile magnetice de compensare (SM). Colectorul(C) are lamelele din cupru, iar periile sunt realizate din grafit. n cazultensiunilor mici (sub 1V), corespunztoare turaiilor mici, colectorul serealizeaz din aliaje metalice ce conin argint, iar periile sunt din argintgrafitat. Ansamblul colector perii fiind un redresor mecanic, tensiunea

)t(ue de la ieirea tahogeneratorului nu este strict continu, ci prezintondulaii (figura 7.4.), datorit fenomenului de comutaie ntre lamelelecolectoare i perii. Aceste ondulaii devin mai mici, dacnumrul lamelelorcolectoare este mare. Se caut o soluie de compromis deoarece cretereanumrului de lamele duce la creterea inacceptabila gabaritului.

n acelai scop de reducere a ondulaiilor se pot folosi filtre trece jos la ieirea tahogeneratorului, care nsconduc la creterea timpului derspuns (crete constanta de timp a tahogeneratorului).Tahogeneratoarele dec.c au sensibilitate redus datorit legii induciei electromagnetice i nu potfunciona corect la turaii mici (cresc erorile de neliniaritatei de ondulaie). De regul,gama de turaii acoperitde tahogeneratoarele de curent continuu este de 50 rot/min

5000 rot/min .Observaie:Tahogeneratoarele de curent continuu pot fi utilizate i n acionrile reversibile.

Funcionarea tahogeneratorului se analizeazn douregimuri:a) la funcionarea n gol- caracteristica staticeste liniar, exprimatprin relaia :

;nKE Tg0 = (7.20)

unde: 0E este tensiune electromotoare, n - turaia [ minrot ], iar

gTK -

sensibilitatea tahogeneratorului, numiti constanta tahogeneratorului caredepinde de : numrul perechilor de poli (p); numrul cilor de curent dinrotor (2a); numrul de conductoare (N); fluxul dat de magneii permaneni( 0 ).

60a

NpK 0Tg

=

(7.21)

Uzual sensibilitatea (gTK ) are valori cuprinse ntre 1 i 10 .

minrot

mV

b)la funcionarea n sarcin- tensiunea la borne este exprimatprin relaia :pAi0e UIRInKEU =

(7.22)unde: InK i este cderea de tensiune ce reprezint reacia indusului, fiindproporionalcu turaia (n) i curentul rotoric ( I ); RAI - cderea de tensiune pecircuitul rotoric, iarUP- cderea de tensiune la perii.


25/97

25

Eroarea relativ ( r ) de conversie a turaiei n tensiune la mersul n sarcin estedatde relaia:

1nKR

R

1

nKRR

nKR

iASiAS

iAr

++

=++

+=

(7.23)

Din ultima relaie se observ c pentru a reduce eroarea ( r ) trebuiesc ndeplinitecondiiile SR s fie mare, AR s fie mici reacia indusului ( nKi ) sfie mic.Principalele caracteristici tehnico funcionale ale tahogeneratorului de c.c.

sunt:

a) Tensiunea electromotoare la 1000 rot / min ( KE ) care este dat

n

minrot1000V

i reflectsensibilitatea tahogeneratorului;

b) Rezistena electric (intern) la borne AR (necesar pentrudimensionarea rezistenei de sarcin); se adopt: AS RR >> c) Turaia maxim maxn .d) Curentul nominal IN(necesarpentru dimensionarea rezistenei de sarcin).e) Eroarea maxim de neliniaritate definitprin relaia:

[%]100E

EE

maxC

CM

n

= (7.24)unde EM este tensiunea electromotoare msurat la diferite turaii (n), iar:

]V[1000

nKE EC= .

f) eroarea de reversibilitate la 1000 minrot , definitprin relaia:

( )[%]100

K,Kmin

K-K

Est.Edr

Est.Edrrev = ;

(7.25)unde EdrK i EstK reprezint valoarea KE la rotirea spre dreapta,

respectiv spre stnga, cu n= 1000 minrot ;

g) - ondulaia maxim (pe diferite domenii de turaie) exprimat prinraportul:

[%]100U

UB

maxe

maxR

= ;


26/97

26

(7.26)unde: maxRU - este valoarea maxima tensiunii de ondulaie iar eU estevaloarea medie a tensiunii de ieire.Observaie: Tahogeneratoarele de curent continuu se construiesc astfel

nct B snu depeasc3%.

7.3.2. Tahogeneratoare de curent alternativ

Aceste tahogeneratoare pot fi de tip sincron sau asincron. Cele mai utilizatesunt tahogeneratoarele sincrone (datoritsimplitii constructive) i se prezint n celece urmeaz.

Tahogeneratoarele sincrone de curent alternativ genereazo tensiune sinusoidalmonofazat a crei, valoare efectiv i frecven sunt dependente de turaie.Constructiv, acest tahogenerator, este format din : stator realizat din tole de oelelectrotehnic pe care se aflbobine, iar rotorul este construit din magnei permaneni - ceformeazmai multe perechi de poli (figura 7.5).

Domeniul turaiilor de lucru este de 100

min

rot 5000

min

rot .

Funcionarea la turaii mici este limitat de faptul c viteza de variaie afluxului magnetic nu este suficientpentru ncadrarea n limitele de eroare.

Fig. 7.5. Schema constructiva tahogeneratorului sincron de curent alternativ

n domeniul de funcionare (precizat anterior) tensiunea electromotoare generateste sinusoidalfiind datde relaia :

= tn60

2sinKW

60

n2)t(e 0w0 ;

(7.27)unde:

n este turaia n [ rot/min ]; W - numrul de spire (pentru un pol);Kw - oconstant ce depinde de tipul nfurrii; 0 -amplitudinea fluxului magnetic(rotoric).Amplitudinea tensiunii din (7.27) poate fi ordinul sutelor de voli. Valoarea efectivatensiunii electromotoare induse este proporionalcu turaia fiind exprimatprin relaia:


27/97

27

nKnKw60

2E 0W0 =

=

(7.28)

Observaie :

Deoarece frecvena tensiunii )t(e0 depinde de turaie, la funcionare peimpedande sarcin( SZ ) finit, liniaritatea poate fi afectatajungndu-sela erori inadmisibile. Ca urmare, n locul valorii tensiunii efective sau a valoriimaxime a tensiunii se utilizeaz (pentru conversia turaiei) frecvena tensiunii

)t(e0 , conform cu relaia (7.27), datde relaia :

60

nf= ;

(7.29)

Principalele caracteristici tehnico funcionale sunt :

- valoarea efectiva tensiunii E0, la 1000 rot/min.- turaia maxim; curentul nominal (la turaia maxim);- rezistena nfurrii statorice;

- frecvena tensiunii electromotoare la 1000 rot/min.

Adaptoarele pentru tahogeneratoarele de c.a. sunt simple, fiind formate dintr-un redresor i un filtru dacpentru msurarea turaiei este folosit amplitudineatensiunii )t(e0 .Daceste folositfrecvena (f) pentru msurarea turaiei, tahogeneratorul se conecteazlaun adaptor numeric, similar cu cele prezentate n subcapitolul 7.4.

7.3.3. Traductoare de turaie cu reluctanvariabil

Elementul sensibil la aceste traductoare este compus dintr-un magnetpermanent - prelungit cu un miez de fier (pe care este nfurato bobin) aflat lamicdistande periferia unui disc din material feromagnetic figura 7.6. Disculpoate fi danturat sau prevzut cu fante echidistante. Acesta este montat pe axul a cruituraie se msoar

a) Element sensibil care genereazmaimulte impulsuri la o rotaie

b) Element sensibil care genereazunsingur implus la o rotaie


28/97

28

a) Forma tensiunii Ue(t) b) Forma tensiunii Ue(t)

Fig. 7.6. Modaliti de realizare a elementului sensibil cu reluctanvariabiliforma tensiunii Ue(t)

Magnetul, miezul de fier i discul formeaz un circuit magnetic a cruireluctan variaz n funcie de poziia dinilor discului fa de miezulmagnetic. Cnd un dinte al discului se afl n prelungirea miezului,reluctana este minim, iar cnd n prelungirea miezului se afl un spaiuliber al discului, reluctana este maxim. Variaia de reluctan duce la

variaia de flux magnetic prin bobin, ceea ce va induce o tensiune )t(ue n bobinconform legii induciei electromagnetice:

dt

d)t(ue

= ;

(7.30)La o rotirea discului (cu o vitezsuficient de mare nct derivata fluxului spoatcrea otensiune electromotoare sesizabil) se obine un numr de impulsuri egal cu numrul dedini (z) de pe circumferina discului, figura 7.6.

Frecvena (f) a tensiunii electromotoare induser n bobineste :Znf =

(7.31)

unde : Z este numrul de dini (fante), iar n turaia n rot/ s.Elementele sensibile cu reluctana variabilnu se pot utiliza la turaii joase

i foarte joase, deoarece n aceste cazuri amplitudinea implusurilor fiinddependent de turaie, poate s scad sub pragul de sensibilitate al adaptorului.Creterea sensibilitii la turaii mici este posibilprin utilizarea unor discuri cu unnumr mare de dini.

Pentru obinerea unui semnal unificat la ieirea traductorului, proporionalcu turaia, elementul sensibil trebiue conectat la un adaptor analogic.

Schema bloc a traductorului analogic de turaie (ES+ADAPTOR) cureluctanvariabil este prezentatn figura 7.7.


29/97

29

Fig. 7.7 - Schema bloc a traductorului analogic de turaie cu reluctan

variabil

Semnificaia notaiilor este: ES- element sensibil; A + R - amplificator +redresor; F.S. - formator de semnal; M monostabil; DM - dispozitiv de

mediere; EE - etaj de ieire.

Funcionarea traductorului se expliccu ajutorul diagramei de semnale datn figura 7.8. Semnalul UES, avnd perioada T, furnizat de elementulsensibil (ES) este amplificat i redresat monoalternan de ctre bloculamplifcator redresor (A+R). Dup ce este format de ctre blocul FS,semnalul purttor de informaie referitor la turaie este aplicatmonostabilului M care genereazimpulsuri dreptunghiulare de amplitudineconstant (U0) i durat fixat ( 0t ), avnd aceeai perioadT. TensiuneaUM de la ieirea monostabilului este mediatprin dispozitivul de mediereDM pe o durat TT0>> , rezultnd o tensiune continu UDM

proporionalcu turaia:

nK60

ntU

T

1Ut

UtTi

idt)t(U

Ti

1dt)t(U

T

1U

0000

Ti

000M

T

0M

0DM

0

==

=

=

=

(7.32)

n condiia: T)1i(TTi 0 +


30/97

30

Fig. 7.8 Diagrama de semnale pentru traductorul analogic de tura iecu reluctanvariabilEtajul de ieire (EE) furnizeazun semnal unificat de tensiune (UE) sau decurent (IE) proporional cu turaia (n). Acest traductor poate fi utilizat lamsurarea turaiilor ntr-un domeniu larg (100 rot/min300.000 rot/min).

Observaie: Elementul sensibil cu reluctan variabilpoate fi conectat la

un adaptor numeric, crescnd astfel preciziai timpul de rspuns.

7.3.4. Traductoare de turaie cu elemente fotoelectrice

Aceste traductoare utilizeaz elemente sensibile de tip fotoelectric care detecteazvariaiile unui flux luminos, dependente de viteza de rotaie, folosind n acest scop undispozitiv modulator acionat de axul a crui turaie se msoar(figura 7.9).

Dupmodul n care se obin variaiile fluxului luminos, dispozitivelemodulatoare sunt de doutipuri:

a cu ntreruperea fluxului luminos

b cu reflexia fluxului luminos.n cazul ntreruperii fluxului luminos, elementul sensibil este deforma celui din figura 7.9-a fiind alctuit dintr-o sursde radiaii luminoase(SL) n spectrul vizibil sau infrarou i un element fotoelectric (EF), ntrecare se aflun disc opac (D) prevzut cu orificii (fante) echidistante aezatepe un cerc concentric discului. Uneori discul D este transparent i fantelesunt opace.

Elementul fotoelectric (fotodiod sau fototranzistor) i sursa deradiaii luminoase (SL) sunt aliniate pe o dreaptparalelcu axul discului icare intersecteazcercul cu orificii de pe disc. Cnd un orificiu se gsetepe dreapta ce unete SL cu EF, radiaia luminoas produce deblocareaelementului fotoelectric, iar cnd ntre EF i SL se gsete partea opac a

discului, elementul fotoelectric este blocat. Att SL ct i EF sunt prevzutecu lentile de focalizare (L1i L2). Cnd discul se rotete, orificiile sale trecsuccesiv prin calea de lumin dintre SL i EF, obinndu-se impulsuriluminoase, care, ajungnd pe EF, sunt convertite cu ajutorul unor circuiteelectronice, n impulsuri dreptunghiulare de tensiune compatibile(compatibile TTL). Frecvena acestor impulsuri este egal cu viteza derotaie a discului (n rot/s) multiplicat cu numrul de orificii de pe disc.Rezulto relaie de dependende tipul (7.31), n care z reprezintnumrulde orificii: f=n.z.


31/97

31

a) - Element sensibil fotoelectric cuntreruperea fluxului luminos

b)- Element sensibil fotoelectric cu reflexiafluxului luminos

Fig. 7.9 Principii de funcionare ale elementelor sensibile fotoelectrice

Observatii:-Constructiv, sursa SL, lentilele L1i L2ct i elementul fotoelectric

(FF) sunt ncapsulate ntr-o sondsau cap de citire.-Creterea sensibilitii elementului sensibil presupune utilizarea

unui fototranzistor ca element fotoelectric (EF).-Pentru eliminarea erorilor de msurare, cauzate de lumina natural

se utilizeazoptocuploare cu funcionare n domeniul infrarou. Astfel, SLeste nlocuitde un LED cu emisie n infrarou, iar EF este un fototranzistorpentru domeniul de infrarou.

n figura 7.10-a este prezentat schema circuitului de formare aimpulsurilor pentru un element sensibil cu fotodiod, iar n figura 7.10-b seprezintforma tensiunii de ieire, furnizatde circuitul de formare. ValorileUH (nivel nalt) i UL (nivel sczut) corespund nivelelor de tensiunispecifice circuitelor integrate TTL.

Varianta realizrii elementului sensibil fotoelectric prin reflexiafluxului luminos este prezentat n figura 7.9-b. n acest caz turaia unuidisc sau a unei piese aflate n micare de rotaie este convertitntr-un trende impulsuri fra necesita un disc auxiliar montat pe ax. Pe axul sau piesacare se rotete se marcheaz un reper (sau mai multe repere echidistante)sub forma unui dreptunghi, cu vopsea reflectorizantsau se lipete o bandreflectorizant(figura 7.9-b).

Reperele reflectorizante trebuie s alterneze cu zone nnegrite careabsorb radiaia luminoas. Sursa SL i elementul fotoelectric EF se dispun

n aa fel nct, radiaia luminoas emis de SL i reflectat de reperulreflectorizant s cad pe EF, care devenind activ s emit un impuls detensiune. Formatorul de impulsuri poate fi de acelai tip cu cel prezentat nfigura 7.10-a, iar frecvena impulsurilor este datde aceeai relaie (7.31), ncare z reprezintnumrul de repere reflectorizante de pe ax sau de pe piesa

n micare de rotaie.


32/97

32

Fig. 7.10 a) circuit electronic de formare a impulsurilor; b) formatensiunii de ieire

Domeniul de utilizare al elementelor sensibile fotoelectrice este cuprinsntre 1 rot/m in i 107rot/min, dacdiscul sau axul n rotaie este prevzut

cu un singur reper, dar limita superioar poate fi micorat la turaii maimici, folosind mai multe repere pe disc (sau ax).

Traductoarele de turaie cu elemente fotoelectrice sunt foarte rspnditedatoriturmtoarelor avantaje: gam largde turaii (inclusiv turaii foarte

joase); construcie simpl; ncrcare a axului cu un cuplu neglijabil sau nul(n cazul ES cu reflexie) i lipsa uzurii mecanice. Dezavantajul esenial lreprezint apariia erorilor de msurare n medii cu praf, fum sau luminiexterioare puternice.

Schemele adaptoarelor numerice pentru elemente sensibile de tipfotoelectric sunt date n 7.4

Elementele sensibile magnetic pentrutraductoarele de turaie

Frecvent utilizat ca element sensibil magnetic n construciatraductoarelor de turaie este senzorul magnetic comutator, integrat, bazat peefectul Hall, care a fost prezentat n cap.5 (seriile SM 230 i SM 240). nfigura 7.12-a s-a prezentat un detector de turaie cu senzor magneticcomutator (SMC) cu ecranarea cmpului magnetic, iar n figura 7.12-b esteprezentat detectorul de turaie cu senzor magnetic comutator cefuncioneazprin concentrarea cmpului magnetic.

a) Detector de turaie cu senzor magneticcomutator prin ecranarea cmpului magnetic

b) Detector de turaie cu senzor magneticomutator prin concentrarea cmpului


33/97

33

magnetic

Fig. 7.11 Principii de realizarea a detectorului de turaie cu senzor magnetic

Se observ c n figura 7.11-a, ecranarea cmpului magnetic seobine aeznd senzorul (SMC) i magnetul M de o parte i de alta a

discului feromagnetic D, fixat pe axul a crui turaie se determin. Discul Deste prevzut cu o decupare mai mare dect suprafaa activa senzorului, iarSMC i magnetul M sunt situai pe o ax comun paralel cu axul A.Distana dintre SMC i M se alege astfel nct atunci cnd centrul decupriise aflpe axa comuna celor douelemente (SMC i M) sfie atins pragulde deschidere (activare) a senzorului, iar cnd senzorul este ecranat dediscul D, senzorul sse blocheze.

Pentru o ecranare sau concentrare sigur a cmpului magnetic,grosimea discului trebuie sfie mai mare de 1 mm.

n cazul detectorului din figura 7.11-b, pe axul A a crui turaie semsoar, este fixat tamburul T din material feromagnetic a crui grosimetrebuie s asigure prin decupare o fant cu suprafaa mai mare dectsuprafaa activ a senzorului magnetic comutator (SMC). Funcionareaacestui detector se bazeaz pe concentrarea liniilor cmpului magnetic dectre tamburul T, atunci cnd senzorul este plasat ntr-un cmp magneticinsificient de intens pentru a realiza comutarea (deschiderea) lui.

Astfel, cnd tamburul T se afl n dreptul senzorului se depetepragul magnetic de deschidere a senzorului, iar cnd decuparea tamburuluieste n dreptul senzorului are loc blocarea acestuia, datorit dispersieiliniilor de cmp magnetic.

Fig. 7.12 - Forma tensiunii de ieire pentru detectorul de turaie cu senzor magneticcomutator: a) prin ecranarea cmpului (fig. 7.11 - a); b) prin concentrarea cmpului (fig.7.11-

b)Notnd cu Ue tensiunea de ieire a SMC i menionnd c pentru

senzor deschis Ue este de nivel logic 0, iar pentru senzor nchis Ueeste de nivel logic 1, formele de variaie a tensiunii Uepentru detectoarelede turaie din figura 7.11-a i b sunt prezentate n figura 7.12 (a i b).

Modul de conectare a senzorului magnetic cu adaptorul esteprezentat n figura 7.13, unde Rpeste rezistena de polarizare a colectorului

tranzistorului din etajul de ieire al senzorului integrat.

Fig. 7.13 - Conectarea senzorului magneticcomutator (detector de turaie) cu adaptorul


34/97

34

Domeniul de turaii n care poate fi utilizat senzorul magneticcomutator este larg: 1 107rot/min.

Un avantajimportant l constituie structura integrat, miniaturizata SMC.

Dezavantaje: Necesitatea atarii unui disc feromagnetic pe axul

aflat n micare de rotaie. Senzorul magnetic comutator, ca oricare detectorde turaie cu funcionare n impulsuri, poate fi introdus ntr-o schem detraductor analogic pentru turaie, ca cea din figura 7.7.

Masurarea deplasarii liniare sauunghiulare

Traductoarele electrice utilizate pentrumasurarea deplasarii liniare permitmasurarea deplasarii ntr-un intervalcuprins de la ctiva microni pna ladeplasari de ordinul metrilor, iar cele pentru deplasari unghiulare ntr-un interval dela cteva secunde la 360.Pentru conversia deplasarii ntr-o marime electrica traductoarele de

deplasare pot cuprinde senzori rezistivi, capacitivi, inductivi, optici saudigitali.

8.3.1. Utilizarea senzorilor rezistiviTraductoarele rezistive de deplasare sunt constituite dintr-un senzor potentiometrica carui rezistenta se modifica datorita unui cursor ce se deplaseaza sub actiuneamarimii de masurat, deplasarea putnd fi liniara sau circulara.

Prin deplasarea cursorului are loc o modificare a lungimii l din senzor, care esteinclusa n circuitul de masurare, ceea ce conduce la relatia:

R=f (x) (8.4)

unde:R este rezistenta senzorului;x marimea neelectrica ce producedeplasarea cursorului.

Traductoarele potentiometrice se realizeaza sub forma liniara (figura 3, a) saucirculara (figura 3, b).

Caracteristica de conversie a traductorului potentiometric liniar este data derelatia:

ttl

lRR=

n care: Rteste rezistenta totala a senzorului; R rezistenta ntre cursor si un

capat; lt lungimea totala; l lungimea corespunzatoare deplasariicursorului, a=l/lt deplasarea relativa.


35/97

35

Fig. 3. Traductoare potentiometrice:a)traductor potentiometric liniar;b)traductor potentiometric circular;c)schema electrica;d)caracteristica de conversie;e)variatia discontinua a senzorului bobinat.

Pentru traductorul potentiometric circular se poate scrie n modsimilar:

tt

RR=

t este unghiul de rotatie a cursorului; - unghiul de rotatie a

cursorului fata de un capat; a =t

- rotirea relativa.

Pentru ambele tipuri de traductoare potentiometrice caracteristica deconversie este liniara (figura 3, d).

Deoarece senzorul potentiometric se executa prin bobinarea unui firrezistiv pe un suport izolant rezulta ca variatia rezistentei nu se produce nmod continuu ci n trepte care corespund cursorului de pe o spira pe alta(figura 3, e). Rezulta ca valoarea rezistentei R este afectata de o eroare de

discontinuitate si deci:

2n

RaRR tt=

unde n reprezinta numarul total de spire.

Eroarea de discontinuitate este:

e


36/97

36

2n

RR td =

iar eroarea relativa de discontinuitate este:

n2a

1

R

R dd

==

Rezistenta totala a traductorului este de 10-100.000 iareroarea relativa de neliniaritate este cuprinsa ntre 0,025% si 0,5%.Reactanta inductiva si capacitiva a traductoarelor potentiometrice este foartemica putnd fi neglijata pna la frecvente de ordinul zecilor de kHz.

Traductoarele potentiometrice se utilizeaza pentru masurarea deplasarilorliniare pentru lungimi pna la 50 cm sau pentru deplasari unghiulare.Deasemeni senzorii potentiometrici pot fi ntlniti n structura

traductoarelor complexe pentru masurarea nivelelor, presiunilor, fortelor etc.Traductoarele potentiometrice pot fi conectate n orice circuit de masurare arezistentelor electrice. De exemplu n figura 4 se utilizeazo sursde curentcontinuu U0.

n acest caz tensiunea de ieire este:

tO R

RUU=

Daca se masoara aceasta tensiune cu un voltmetru de rezistentainternaRv el va indica o tensiune:

VR

R)tR(R

tR

ROUVU

+

=

si schema de masurare introduce o abatere de la liniaritate care sereduce dacaRv>>Rt.

Fig. 4. Alimentare n curent continuu.

Utilizarea senzorilor capacitivi

Traductoarele capacitive utilizate pentru masurarea electrica a deplasariiliniare sau unghiulare se bazeaza pe modificarea ariei de suprapunere a


37/97

37

electrozilor.

Traductoarele capacitive de deplasare unghiulara sunt construite din doisenzori capacitivi cu un electrod comun. Cei trei electrozi sunt formati dinplaci de forma dreptunghiulara cu laturile de ordinul a 20-30 mm si

grosime de 1-2 mm (figura 5). Electrozii inferiori sunt ficsi si sunt separaticu o mica distanta (1 mm).

U0

Traductor capacitiv de deplasare liniara.

Electrodul superior este electrodul comun si sub actiunea marimii de masuratse poate deplasa paralel cu electrozii ficsi pastrnd o distanta constanta(d=1mm). Prin aceasta se modifica aria comuna dintre electrozii cu:

A = a x .

Cei doi electrozi ficsi sunt alimentati prin intermediul unui transformator cupriza mediana. Cnd electrodul mobil este situat simetric n raport cu cei doielectrozi ficsi tensiunea rezultanta U este nula si capacitatile celor doi senzorisunt egale C1=C2=C.

Pentru o deplasare Dx a electrodului superior cele doua capacitati devin:C1=C + C si C2=C-C

Traductoarele capacitive se utilizeaza pentru masurarea deplasarilor liniarepentru lungimi pna la 20mm (egale cu lungimea electrozilor).

Utilizarea senzorilor inductiviSenzorii inductivi utilizati pentru realizarea traductoarelor de deplasare pot ficlasificate n:senzori inductivi la care este influentata o singura inductivitate;senzori inductivi la care sunt influentate doua inductivitati;senzori inductivi la care sunt influentate inductivitati mutuale.


38/97

38

Senzori inductivi la care este influentata o singura inductivitate.Formele cele mai raspndite de astfel de traductoare de deplasare au senzorulconstruit dintr-o singura bobina a carei inductivitate este modificata prindeplasarea unui miez sau a unei armaturi.

De exemplu, pentru masurarea deplasarilor se utilizeaza traductorul inductiv

cu o singura inductivitate si miez mobil. Traductorul inductiv cu miez mobileste format dintr-o bobina cilindrica lunga, fixa, n interiorul careia se poatedeplasa axial un miez mobil din material feromagnetic, de aceeasi lungime cubobina, solitar cu piesa a carei deplasare se masoar. Inductivitatea bobineivariazn functie de poziia miezului ntre valorileL0siLmaxcorespunzatoaremiezului scos din bobina, respectiv complet introdus n bobin.

Dependena inductivittii L a bobinei n funcie de deplasarea x a miezuluiferomagnetic faa de poziia de inductivitate maxim se poate exprima prinrelaia:

OLl

xk

)eO

Lmax

(LL +

=

Caracteristica de conversie L=f(x) exprimata de ecuaie i reprezentatgrafic n figura b este neliniar. Caracteristica de conversie se poate liniarizape un interval larg, realizndu-se o distributie neuniforma a spirelor pelungimea bobinei.

Traductorul este robust, simplu si se utilizeaza la msurarea deplasrilor mediii mari pentru intervale de la 0-100 mm pna la 0-2000 m.


39/97

39

Din punct de vedere constructiv, aceste traductoare snt prevzute cuelemente sensibile de doutipuri : cu modificarea inductanelor proprii saumutuale prin deplasarea unui miez mobil i cu modificarea ntrefierului.

Elemente sensibile inductive eu miez mobil. n varianta de baz(fig.7.1)-elementul sensibil este constituit dintr-o bobinB de lungime /, ninterioiul creia se deplaseazun miez feromagneticM, sub aciunea

mrimii de msurat x ; aceastdeplasare provoaco variaie a inductaneiproprii a bobineiL, de forma celei din figura 7.2.

Se constatcse obine o caracteristicstaticpronunat neliniar,datoritcmpului magnetic neomogen creat n bobin. In plus, apar fore

Fig. 7.1. Element sensibil inductivcu miez mobil.

Fig. 7.2. Variaia inductanei la unelement sensibil inductiv.

Fig.7.3 Element sensibilinductiv in variant


40/97

40

diferenial.

Fig. 7.4. Caracteristicstaticla ele-mentul sensibil inductiv diferenial.

parazite de atracie ce influeneazasupra miezului n deplasare, care pot fieliminate n varianta diferenial(fig. 7.3). la care se utilizeazdoubobine,

n interiorul crora se deplaseazmiezul mobil (la poziia 0 de referinmiezul fiind introdus n mod egal n cele doubobine). Varianta diferenialpermite ameliorri i n ce privete sensibilitatea, iar caracteristica staticestemult mai liniar (fig. 7.4).

Principiul de funcionare se bazeazpe modificarea reluctanelor circui-telor de nchidere a fluxurilor i respectiv pe modificarea inductanelorproprii ale celor doubobine :

(7.1)

aproximarea datorndu-se faptului creluctana variazneliniar cux.Daccele doubobine sunt alimentate de la o sursde tensiune

sinusoidal, relaiile (7.1) permit sse exprime variaiile impedanelor Z1i Z2. In concluzie, deplasarea miezului mobil fade poziia de echilibruare ca efect final apariia unei diferene de impedane:

Punerea n evidena variaiei Z se poate face prin conectareabobinelor n braele adiacente ale unei puni de impedane (fig. 7.5)

alimentatn ca. de la o sursavnd tensiunea efectivUai pulsaia cunoscute i constante. Celelalte doubrae sunt constituite din dourezistene, de asemeneade valoare fixat

7.2


41/97

41

Fig. 7.5. Adaptor pentru traductor inductiv diferenial.

TRADUCTOARE DE PROXIMITATE

n general (n sens larg) proximitatea exprimgradul de apropiere dintre douobiecte, dintre care unul reprezintsistemul de referin.

Se poate realiza controlul poziiei unui obiect care se deplaseaz, frcontactntre acesta i referin.

n categoria msurrilor de proximitate intr:- sesizarea capetelor de curs;- sesizarea interstiiului dintre suprafee ;- sesizarea prezenei unui obiect n cmpul de lucru etc.Traductoarele de proximitate au de regul o caracteristic de tip releu,

mrimea de ieire avnd variaii discrete (" tot sau nimic ") discerne ntre douvalori care reprezint(convenional) prezena sau absena corpului controlat.

Aceast particularitate conduce la realizarea compact a traductorului,elementul sensibil

i adaptorul (ES + AD) fiind plasate n aceea

i unitate

constructiv.Traductoare inductive de proximitateSchema de principiu a acestui traductor este datn figura 1. Detectorul are

rolul de a converti informaia asupra poziiei unui obiect metalic (n raport cu faasensibil) n semnal electric. Blocul adaptor prelucreaz semnalul electric de laieirea detectorului i comandun etaj final cu ieire pe sarcinde tip releu. Bloculde alimentare furnizeaztensiunea necesarcircuitelor electronice.

Fig. 1 - Schema bloc a traductorului inductiv de proximitate.Oscilatorul din blocul-detector ntreine, prin cmpul magnetic alternativ,

oscilaiile n jurul bobinei ce formeaz(mpreuncu miezul de ferit) faa sensibil

a detectorului.Cnd un obiect metalic (cu proprieti feromagnetice) intr n cmpulmagnetic al detectorului, n masa metalului apar cureni Foucaultcare genereaz, larndul lor, un cmp magnetic de sens opus cmpului principal pe care l atenueaz


42/97

42

puternic i ca urmare blocheazoscilaiile.Caracteristicile de funcionare ale traductorului pot fi apreciate n funcie de

valorile cotelor utile, notate n figura 2 prin: e grosimea ecranului metalic(grosimea obiectului detectat); - limea ecranului; L lungimea ecranului; x distana de la marginea ecranului la centrului feei sensibile; y acoperirea feeisensibile de ctre ecranul metalic; z distana de la ecran la faa sensibil; zN

distana nominalde detecie (sesizare).

Fig.2 - Dimensiunile de gabarit ale traductorului inductiv de proximitate.

Principalele caracteristici funcionale:a) Zona de aciune,[2] delimitatde valorile [ 3 40 ] mm, este cuprins

ntre curba de anclanare (oprirea oscilaiilor) i curba de declanare (pornireaoscilaiilor);

b) Distana util de detecie uZ , influenat puternic de natura idimensiunile obiectului (ecranului), ct i de variaia temperaturii, a tensiunii dealimentare i de dispersiile cmpului magnetic (din fabricaie).

c) Fidelitateareprezinttolerana preciziei de reperare a punctelor de oprire

i pornire a oscilaiilor, cnd se menin constani urmtorii parametri : distana,sensul i viteza de deplasare, temperatura i tensiunea de alimentare.d) Histerezisul reprezint cursa (distana) dintre punctele de oprire i de

pornire a oscilaiilor n aceleai condiii(figura 3).e) Durata impulsului de ieire, determinat de viteza deplasrii ecranului

(obiectului) i dimensiunile acestuia.Constructiv traductoarele inductive de proximitate se realizeazn douvariante:1) cu faa sensibil inclusfrontal sau lateral n corpul propriu-zis al traductorului ;

2) cu faa sensibil separat i legat prin cablu flexibil de corpultraductorului.


43/97

43

Fig. 3 Histerezisul unui traductor deproximitate

Fig. 4 Traductor magnetic de proximitate

Traductoare magnetice de proximitate

Aceste traductoare au o construcie simpl

i sunt formate dintr-un contact

ntreruptor (releu de tip Reed) plasat pe un braal unei carcase sub formde " U "i un magnet permanent fixat pe cellalt bra.Trecerea unui obiect metalic printrebraele detectorului (carcasei) modific liniile de for ale magnetului (leecraneaz) i ca urmare contactul releului i schimb starea figura 4. Existvariante constructive la care obiectele magnetice pot aciona direct asupra releului.Observaie: Cnd viteza de deplasare a magnetului mobil depete 10[ m/s ] -distana nominalde acionare se reduce cu un coeficient (0,7... 0,9) n func ie deviteza de lucru.

Elemente sensibile capacitive pentru traductoare de proximitate

n cazul traductoarelor capacitive de proximitate elementul sensibil esteformat dintr-un condensator care face parte dintr-un circuit oscilant. Prezena unuimaterial conductor sau dielectric cu permitivitatea r >1, la o distan uz n raportcu faa sensibil a detectorului, modific capacitatea de cuplaj i amorseazoscilaiile, figura 5.

Funcionarea este diferit n raport cu natura obiectului controlat.a) La detecia materialelor conductoare, obiectul a crui poziie este controlatformeaz cu faa sensibil un condensator a crui capacitate crete odat cumicorarea distanei x dintre obiect i faa sensibil.b) La detecia materialelor izolante, faa sensibil este un condensator a cruicapacitate crete, cu att mai mult, cu ct premitivitatea dielectric ( r ) a

obiectului controlat este mai mare.Principalele surse de erorile reprezintvariaiile de temperatur.Observaie: Pentru evitarea perturbaiilor, n cazul detectrii obiectelor

metalice, acestea se leagla pmnt.


44/97

44

Fig. 5 Element sensibil capacitiv pentru traducoare de proximitate

Elemente sensibile fotoelectrice pentru traductoare de proximitateFuncionarea acestora se bazeazpe modificarea fluxului de radiaii care se

stabilete ntre o surs (emitor) i un receptor, datorit prezenei obiectuluicontrolat. Se disting douvariante constructive :

a) Element sensibil de tip barier, la care emitorul i receptorul sunt de oparte i de alta a obiectului controlat, figura 5.6.

Fig. 6 Element sensibil de tip barier

b) Element sensibil de tip reflector la care fasciculul de radiaii emis desursa (E) este transmis spre receptor, situat de aceeai parte cu emitorul, n raportcu obiectul controlat, prin intermediul unui paravan reflectorizant (reflector).

Prezena obiectului controlat modific intensitatea fluxului luminos receptatdupreflexie.

Dacobiectul controlat are proprieti reflectorizante, atunci el poate juca irolul de paravan reflectorizant, (figura 7).

Sursele emitoare (E) pot fi realizate cu diode electroluminiscente (LED) cufascicul vizibil sau infrarou (cel mai utilizat) dar i cu lmpi speciale care aulentilde focalizare. Receptoarele (R) utilizeaz fotodiode sau fototranzistoare ndomeniul vizibil sau infrarou, dar pot utiliza i celule fotovoltaice n domeniulvizibil. Variaia de semnal electric furnizat de elementul sensibil, datoritmodificrii poziiei obiectului detectat este prelucratde adaptorul traductorului(care conine un formator de impulsuri i un amplificator) apoi transmis


45/97

45

elementului de ieire de tip releu sau contactor static (tiristor sau triac).

Fig. 7 Element sensibil fotoelectric de tip reflector.

Observaie: Se evitmediile umede care pot aburi lentilele ct i obiectelestrlucitoare (oglinzi) din apropierea zonei de lucru traductorului spre a evitaerorile n funcionarea acestor traductoare.

Traductoare integrate de proximitate.Traductoarele de proximitate realizate cu circuite integrate reprezint o

tendin actual i de viitor, datorit avantajelor pe care le ofer: gabarit redus,performane ridicate, prede cost mai mic i fiabilitate mare. Noiunea de traductorintegrat este justificatnumai dac semnalul de la ieirea acestuia este un semnalunificat, n accepiunea definiiei din automatizrile industriale. Cnd aceastcondiie nu este ndeplinitse poate utiliza denumirea de senzor integrat. Pentrufamiliarizarea cu schemele bloc obinuite se vor prezenta douexemple de senzoriintegrai de proximitate realizai n Romnia (la fosta ntreprindere de stat IPRSBneasa ,actualmente desfiinat).

Senzorul inductiv integrat de proximitate

Acesta este realizat cu circuitul integrat TCA - 105N a crui schem deprincipiu (bloc) este dat n figura 13. Acesta este capsulat ntr-o carcas tip MP48 - cu 8 terminale.


46/97

46

Fig. 14 Schema bloc a senzorului integrat TCA 105 N

Bornele 2, 3 i 4 reprezint baza, emitorul , respectiv colectorul unuitranzistor care premite realizarea unui oscilator ce lucreaz pe frecvena de1...5MHz, dacn exterior se monteazun circuit adecvat de tip L, C. Schema maiconine un stabilizator de tensiune care alimenteaz oscilatorul OSC, blocul

comparator cu histerezis, ct i etajul de amplificare (ieire).

Etajul de ieire ofer dou tensiuni n antifaz compatibile TTL (de tiptranzistor avnd colectorul n gol). n funcie de amplitudinea oscilaiilor, unul dintranzistoare este saturat, iar cellalt blocat.

Schema tipicde cuplare a senzorului TCA 105-N la circuitul oscilant L, Ci la o rezistende sarcina ( SR ) este datn figura 14. n funcionarea senzorului,din aceastfigur, se disting dousituaii:

a) Cnd se aproprie un obiect feromagnetic de bobina oscilatorului(simbolizat cu L), ocilaiile se amortizeaz, iar rezistena de sarcin

( SR ) este conectatla mas.b) Dup ndeprtarea obiectului feromagnetic, circuitul de intrare ncepe s

oscileze din nou, iar ieirea decupleazsarcina SR n gol.

Fig. 14 - Conectarea senzoruluiTCA 105 N la circuitul LC

Fig. 15 Senzorul de proximitate cu fant.

Caracteristicile principale ale circuitului integrat TCA 105-N, conformdatelor de catalog, sunt date prin urmtoarele valori limit:- Tensiunea de alimentare = +20V ; curent absorbit la ieire = 75mA ; curent de

alimentare = 5mA ; frecvena maximla oscilator = 5MHz.Schema senzorului inductiv de proximitate cu fant(realizat cu TCA 105-N)

este prezentat n figura 15. Circuitul de intrare are configuraie de oscilator.Oscilaiile sunt ntreinute de cuplajul inductiv dintre cele dou bobine L1 i L2


47/97

47

plasate pe miezuri de ferit i poziionate astfel nct bobinele (avnd axa desimetrie comun) saibntre ele o distan (fant) de 37 [mm].

n funcionarea senzorului se disting dousituaii:a) n lipsa obiectului (feromagnetic) oscilaiile, cu frecvena de aproximativ 1

MHz, din etajul de intrare menin ieirile circuitului n starea " acionat".b) La apariia obiectului metalic n fantcuplajul magnetic dintre bobine se

ntrerupe, oscilaiile se amortizeaziar ieirile trec n starea "blocat ".Observaii:a) Valorile parametrilor constructivi ai circuitului oscilant (dimensiunea

miezurilor de ferit, numrul de spire al bobinelor, valoarea capacitii C etc)sunt date n documentaie i depind de mrimea fantei dintre bobine.

Senzorul magnetic integrat de proximitate

Termenul "magnetic" derivde la faptul cacest senzor utilizeazun detectorde tip element Hall, care sesizeaz prezena cmpurilor magnetice de intensitirelativ mici (aproximativ 50 mT) i produce semnale de tensiune de ordinul (1...10)mV.Un exemplu de senzor utilizeaz circuite integrate specializate de fabricaieromneascdin seria SM 23X (X = 1, 2, 3, 4) sau SM 24X (X = 1, 2) ( produsde fosta fabrica IPRS Bneasa).

Aceste circuite integrate, conin n acelai cristal de siliciu att senzorul Hall,ct i blocurile de prelucrare a semnalelor oferite de acesta. Denumirea comerciala acestor circuite este senzori magnetici comutatori. Schema bloc a unui senzormagnetic de tip SM 23X; (24X) este prezentatn figura 16. Din punct de vederecalitativ circuitul SM 24X este superior circuitului SM 23X prin doi parametrielectrici:a) curentul de alimentare (la o inducie de 50 mT) este de 2 mA n cazul

circuitului SM 24X, fade 4,3 mA (7mA) n cazul circuitului SM 23X.b) tensiunea de alimentare: 7V la SM 24X, fade 10V (25V) la SM 23X.


48/97

48

Fig. 16 Schema bloc a senzorului magnetic comutator de tip SM 23X.

Observaie:La circuitul SM 24X nu mai existstabilizatorul tensiunii de alimentare, n

rest schema este aceeai, ca i la SM 23X.n funcionarea acestui senzor se disting dousituaii:

a) Dac este sesizat un cmp magnetic de inducie B, senzorul Hallfurnizeaz o tensiune diferenial, proporional cu B. Aceast tensiune estepreluatde amplificatorul diferenial care o aplicunui comparator cu histerezis, celucreazca un comutator. Daccircuitul este plasat ntr-un cmp magnetic a cruiinducie depete valoarea corespunztoare pragului de deschidere, comparatorulcomand prin intermediul unui amplificator - injecia unui curent n bazatranzistorului de ieire, care este adus n saturaie, deci colectorul su absoarbe uncurent important (curentul prin sarcina conectatla borna 3).

b) Dac inducia B scade sub valoarea pragului de blocare, ieireacomutatorului revine n starea iniial, iar tranzistorul de ieire este blocat. ntrepragul de dechidere i cel de blocare (nchidere) existun histerezis, necesar pentrua asigura imunizarea circuitului fa de zgomote. Principalele ci de basculare asenzorului magnetic comutator, legate direct de aplicaiile industriale, sunt:Deplasarea magnetului permanent, care se poate face frontal sau transversal.Pentru funcionarea corect asenzorului, cursa magnetului trebuie s depeasc(datorithisterezisului) doudistane de prag: una la care are loc deschiderea, iarcealaltla care are loc blocarea. Ecranarea cmpului unui magnet care se poate realiza printr-o folieferomagneticplasatntre sursa de cmp magnetic i senzor. Concentrarea cmpului unui magnet ce se poate face prin apropierea unuimaterial feromagnetic n spatele senzorului, care se afl ntr-un cmp magneticinsuficient de intens pentru a produce bascularea. Astfel induc ia magnetic vacrete la o valoare capabilsbasculeze senzorul.

Observaii:n afarde soluiile menionate, prin care circuitele SM 23X sau SM 24X sunt utilizate ca senzori de proximitate (limitator de cursla maini-unelte, roboiindustriali, periferice de calculatoare etc), exist i aplicaii n construcia unortraductoare:

- traductor de orizontalitate (sau verticalitate), utiliznd un pendul cu magnet;- traductor de nivel avnd magnetul introdus ntr-un flotor ce se poate deplasa

ghidat prin dreptul senzorului magnetic comutator.-traductor numeric rotativ incremental pentru vitezsau poziie unghiular;- traductor de curent (releu de curent pentru protecie), cnd senzorul

magnetic sesizeazdepirea valorii limita curentului printr-o nfurare.Diferite firme produc traductoare de proximitate care dau la ieire o tensiune

continu liniar variabilcu variaia induciei magnetice B n intervalul (-50mT...+50mT).


49/97

49

SENZORUL TENSOR REZISTIV (marctensometric)Fie un element rezistiv metalic de seciune constant S i lungime l;

rezistena elementului esteS

l=R . Supunem elementul rezistiv la ntindere sau

compresiune n domeniul elastic al deformrii i-n urma efecturii se vor modificaparametrii , l, i S. Modificrile relative ale acesteia fiind foarte mici, putemfolosi calcule cu diferene finite (similar cu determinarea erorii), adic

logaritmizarea relaiei anterioarS

S

l

l

Sln-llnlnRln

+

=

+=

R

R

Dar pe baza celor cunoscute n rezisten pentru deformarea n domeniul

elastic ntreS

Si

l

lexistrelaia :

l

l=

2

S

S; este coificientul lui Poisson

( )

21 +

+=

l

l

R

R

Definim ca sensibilitate respectiv factor de conversie al elementului rezistiv

raportull

lRRK= adicraportul dintre variaia rezistenei elementului supus la

efort i alungirea acestuia i gsiml

lK

+=

21

:Pentru majoritatea metalelor sau aliajelor valorile coeficienilor lui Poisson

este 0,3 la deformarea n domeniul elastic i 0,5 la deformarea n domeniulplastic. Dac elementul rezistiv supus efectelor mecanice nu i-ar modifica irezistivitatea atunci factorul de conversie, n toate cazurile, la metale i aliaje artrebui sfie : K=1+20,3 = 1,6 n domeniul elastic i K = 1+ 20,5 =2,0 n domeniulplastic. n realitate, din tabelul anterior se observ c pentru majoritatea

materialelor factorii de conversie posedalte valori i atunci cu sigurancefectulmecanic modific i rezistivitatea material. n prezent este acceptatproporionalitatea dintre variaia relativ a rezistivitii i variaia relativ a

valorilor elementului supus la efect, adiceste acceptatrelaia:V

Vm

=

. Dar

V=lSS

S

l

l

V

V +

=

; ( )

l

lm

S

S

l

l

S

S =

=

=

21

22 i atunci

factorii de conversie K=1+2+m(1-2). Se observcpentru m =1 => K2 i dinexpresia lui K dispare coeficientul lui Poisson rezultelementul are acelai factorde conversie K att n domeniul elastic cnd = 0,3 ct in domeniul plastic cnd= 0,5 i atunci din tabele sunt preferate materialele care au factor de conversieapropiate de 2, dintre care cel mai indicat fiind constantarul K = 2,15. Acesta este

n prezent materialul de bazpentru construcia senzorilor tensorezistivi. Singuraproblem a constantanului o constituie t.e.m. de contact ridicat fa de cupru.


50/97

50

Aceasta ar avea importannumai dacse lucreaz n curent continuu. n plus, la

constantan dependena fR

R=

nu are histerezis. n afara constantantului, multe

aliaje au valori mai mari pentru K deci conduc i la sensibiliti mai ridicate demsurare (platin, nichel etc.). ns utilizarea acestora este limitat datoritnecesitii compensrii efectului termic al elementului tensorezistiv (compensareadependenei rezistenei elementului de temperatur). Valori mult mai mari pentru Kle au elementele tensorezistive realizate din semiconductori ( Si i Ge etc.).

Observaie: Plecnd de la legea cunoscut a lui Hooke

==

=S

F;

S

F

E

1

l

l;

E

; = efort mecanic unitar n material i E = modulul de

elasticitate, cunoscnd pentru un material dat supus la efort valoarea lui

l

lK

R

R

l

l

R

RK

=

= , supunnd elementul rezistiv la efort mecanic, printr-o

msurde rezisten( fri cu efort ) se deduce raportul:R

R. Se cunoate K=>

ll , iar din relaia E

= se deduce EllE == , deci se msoar efortul

mecanic sau cu S == FS

F, F este fora care acioneaz asupra

elementului supus la effort; S este seciunea.

Cu ajutorul unui astfel de element pot fi determinate mrimea mecanicF respectiv

efortul mecanic numai prin msurarea de rezisten. Dar efortul de msurare se aplic

pieselor mecanice, nu elementului rezistiv figurat iniial. Pentru ca elementul rezistiv s

fie supus la acelai efort se lipete cu un adeziv special pe suprafaa piesei mecanice

supus la efort i din aceast cauz elementul tensorezistiv se mai numete i marctensometric.

Construcia senzorilor termorezistivi


51/97

51

n figura de mai sus, firul metalic cu seciunea de 30 50 este lipit pe ofolie sinteticnspoziionat sub formde grtar i n acest fel, cea mai mare partedin lungimea total a firului rezistiv este orientat pe o singur direcie cea aefortului mecanic de msurat. Tot pe suprafaa foliei se prevd contacte pentrulegturile cu exteriorul. Sunt cazuri cnd efortul de msurat nu are o direcie strict

cunoscuti atunci pentru msurare se folosesc rozete tensorezistive adicfigura(3): pe acelai suport se fixeaz, evident izolat electric tot prin lipire, doumrcitensometrice n formde grtar orientate nspe direcia 1. Senzorul se lipete pestructura supusla efort. Se fac msurtori de rezisteni se deduc valori efortului

n material pe cele doudirecii perpendiculare, apoi prin compunere vectorialaefortului se gsete direcia efortului principal. Rozetele se pot realiza i cu 3 mrciidentice orientate la 120, i cu 4, etc.

n figura din dreapta se d o seciune printr-o marc tensometric cu firmetalic lipitpe o structurn care: 5= piesmecanicsupusefortului; 4= strat deadeziv; 3= folie sinteticsuport fixatpe structura cu adeziv; 2= conductoarele nseciune care formeazmarca tensometric; 1=folie sintetic fixat prin lipire cuadeziv i care protejeazconductoarele 2 de aciunile exterioare.

Observaie: Aceast tehnologie cu fir lipit este cea mai veche dar seconteazpe deformarea prii din grtar orientate pe diferite eforturi; concomitent

ns se deformeaz i poriunile transversale de ntoarcere a firului rezistiv.Rezistena acestei poriuni se modific n sens contrar modificrii rezisteneiporiunilor orientate n paralel n grtar pe direcia efortului i aceasta constituie otransmisie cu greutate a cldurii spre piesa supusla efort.

Tehnologia cu strat metalicic subire

Pe un suport electroizolant se depune iniial un strat metalic subire (50)

reprezentnd materialul senzorului rezistiv; apoi prin corodare chimic se realizeaz

structura n grtar. Structura este prevzut cu bobine pentru conectarea electric cu

exteriorul. Deasupra se lipete o altfolie sinteticde protecie i se obine astfel o marc

tensometric.

Avantaje: Procedeul de fabricare se preteazperfect pentru automatizare imajoritatea mrcilor tensometrice actuale sunt realizate cu aceast tehnologie.Contactul fizico-mecanic cu structurde ncercat prin lipire se realizeazmult maibine deci se poate transfera mai multcldurde la marca tensometricla structurdeci marca poate fi ncrcatelectric mai mult dect poriunile orientate pe direcie

n

Documents

167864961 Senzori Si Traductoare