2. Traductoare_generalitati

8/17/2019 2. Traductoare_generalitati

1/8

II. TRADUCTOARE

1. Procesul de măsurareA măsura înseamnă a compara o mărime necunoscută X cu o alta de aceeaşi natură x luată

drept unitate, după relaţia:

(1) X = m · x,

în care m reprezintă valoarea mărimii necunoscute X . Această comparare este efectuată, de regulă,de către un aparat de măsură ce are memorată unitatea de măsură în interior pe scara gradată.

ărimea de măsurat X se mai numeşte şi măsurand .!ndicaţia aparatului de măsură ("aloarea m) este percepută de către un operator (uman sau au#

tomat), iar acest rezultat al măsurării este transmis mai departe pentru a fi utilizat în practică, figura1. $rocesul de măsurare poate fi considerat ca o interfaţă între o%iectul de măsură şi domeniul deutilizare a rezultatului măsurării (control, "erificare e&perimentală a unei teorii etc).

'in cauza imperfecţiunii apara#tului de măsurat A şi a operatorului,

precum şi datorită prezenţei unor fac#

tori pertur%atori p, rezultatul măsură#rii este întotdeauna afectat de o eroa#re, iar ni"elul acesteia defineşte cali#tatea de %ază a unei măsurări: preci-

zia cu ct eroarea este mai mică, cu att precizia este mai %ună. *ezultatul unei măsurări nu prezin#tă nici o importanţă practică dacă nu se cunoaşte şi precizia acestuia.

$entru micşorarea erorilor şi deci creşterea preciziei de măsurare, tre%uie, în primul rnd, eli#minaţi sau menţinuţi la ni"ele constante, controla%ile, toţi factorii pertur%atori p cum sunt factorii declimă (temperatura, umiditatea, presiunea), cmpurile electrice, magnetice şi electromagnetice.

+n afară de acestea mai tre%uie precizate şi condiţiile tehnice de definire a mărimii X . a regu#lă generală se recomandă ca o%iectele să fie măsurate în condiţiile lor normale de lucru, sau ct maiapropiate de acestea.

Aparatul de măsură tre%uie să fie ct mai adec"at scopului urmărit. $rincipalul parametru decalitate al unui aparat de măsură este precizia această precizie tre%uie verificată, de regulă, înainteaoperaţiei de măsurare.

+n figura -(a) este dată scemade principiu a unui lanţ de măsură.

Observaţii:

1. nd măsurandul este o mări#me neelectrică (de e&emplu tempera#tura), între / şi A se interpune un

dispoziti" care să#l con"ertească într#omărime electrică X (de e&emplu o ten#siune) un asemenea dispoziti" (ter#mocuplu în cazul citat) se numeştetraductor.

-. +n cazul mărimilor neelectriceeste necesar adesea nu numai măsu#rarea ci şi reglarea mărimii respecti"e.+n acest caz în scema de măsurareapare regulatorul automat, care este un %loc de decizie şi acţiune.

2. Deosebirile dintre traductor şi aparatul de măsurat

$rin aparat de măsurat se înţelege acel dispoziti" care sta%ileşte o dependenţă între mărimeade măsurat şi o altă mărime ce poate fi percepută nemi0locit cu a0utorul organelor de simţ umane,

1

/ p

igura 1. 2cema %loc a procesului de măsurare

/%iect demăsură&

A p

Aparat demăsurăm

3tilizarerezultat/perator

(a) 4anţ de măsură

(%) 2istem de măsurare5reglareigura -. $rincipii de măsurare

*egulator automat

/

/%iect demăsură

&6

A

Aparat demăsură

m/perator 7raductor

&6

/

/%iect demăsură

&6

A

Aparat demăsură

m /perator 7raductor&


2/8

într#o manieră care permite determinarea "alorii mărimii necunoscute în raport cu o anumită unitatede măsură.

+n cazul sistemelor de reglare automată (2*A) conducerea procesului făcndu#se fără partici# parea directă a operatorului uman, mi0loacele prin care se realizează operaţia de măsurare se nu#mesc traductoare.

7raductorul (definit în sensul atri%uit de automatică) este un dispoziti" de automatizare care

sta%ileşte o corespondenţă între mărimea de măsurat (ce poate fi de orice natură sau domeniu de "a#riaţie) şi o mărime de natură dată, a"nd un domeniu de "ariaţie cali%rat, mărime ce este recepţiona#tă şi prelucrată de către ecipamentele de conducere (regulatoare şi calculatoare de proces).

8oţiunea de traductor se poate e&tinde pentru definirea unor elemente cu funcţiuni similarecare intră în structura unor lanţuri de măsurare comple&e, utilizate în scopuri de cercetare, sau la%o#ratoare metrologice.

'eose%irile dintre traductor şi aparatul de măsurat rezidă mai ales în natura caracteristicilor statice şi dinamice. 'in punct de "edere al caracteristicilor, traductoarelor li se impun următoarelecerinţe:

a) *elaţie de dependenţă liniară între intrare şi ieşire (!59). %) 'inamică proprie care să nu influenţeze în mod esenţial comportarea 2*A.

. Po!i"ia traductoarelor #n cadrul unui sistem de re$lare automată

2e consideră scema structurală a unui sistem mono"aria%il de reglare automat prezentată înfigura .

Traductorul este plasat pe ca#lea de reacţie, a"nd la intrare mări#mea reglată xe, pe care o con"erteşte(traduce) în mărime de reacţie xe.r sau mărimea măsurată xe.m. ări#mea de reacţie însumată cu referinţa

xi (sau xe.ref ), determină eroarea dereglare ε :

(-) )()()( . t xt xt r ei −=ε .

+n cazul unui sistem multi"aria%il de reglare şi;sau conducere automată scema de principiueste de tipul celei din figura


3/8

a0oritatea ecipamentelor de automatizare sunt electrice sau electronice, şi numai în cazurispeciale sunt pneumatice (medii cu pericole de e&plozii sau incendii). a urmare, semnalele de ieşi#re ale traductoarelor sunt de natură electrică (tensiune, curenţi) sau pneumatică (aer instrumental).

2emnalele de ieşire ale traductoarelor, indiferent de natura lor 5 electrică sau pneumatică, audomenii de "ariaţie fi&ate. +n acest mod se crează posi%ilitatea utilizării de ecipamente tipizate,realizndu#se aşa#numitele sisteme unificate de aparate pentru automatizare.

$rin sistem unificat de ecipamente pentru automatizare se înţelege ansam%lul aparatelor şidispoziti"elor realizate după un principiu constructi" unic, ce utilizează un semnal unificat .

%. &tructura $enerală a unui traductor

*ealizarea funcţiilor (menţionate) de către traductor astfel înct semnalul o%ţinut la ieşi#reaacestuia să reprezinte "aloric mărimea măsurată, su% formă accesi%ilă dispoziti"elor de auto#matizare, implică o serie de operaţii de con"ersie însoţite totodată şi de transformări energetice

%azate fie pe energia asociată mărimii preluate din proces, fie pe cea furnizată de sursele au&ili#are.2cema structurală a unui traductor este prezentată în figura @.

ărimea de măsurat x este aplicată la in#trarea traductorului, reprezentnd parametrulreglat (temperatură, de%it, presiune, turaţie, ni#"el, "iteză, forţă etc).

ărimea de ieşire y reprezintă "aloareamărimii măsurate, e&primată su% formă desemnal analogic (curent, tensiune sau presiune).

a) 'etectorul ', numit şi element sensi%il92, senzor sau captor, este elementul specific

pentru detectarea mărimii fizice pe care traduc#torul tre%uie să o măsoare.

+n mediul în care tre%uie să func ionezeț

traductorul, în afara mărimii x, e&istă şi alte mărimii fizice. 'etectorul tre%uie să ai%ă calitatea de asesiza numai "ariaţiile mărimii x, fără ca informaţiile pe care acesta le furnizează să fie afectate decelelalte mărimi din mediul respecti" (din proces).

+n urma interacţiunii dintre mărimea de măsurat şi detector are loc o modificare de stare aacestuia, care, fiind o consecinţă a unor legi fizice cunoscute teoretic sau e&perimental, conţine in#formaţia necesară determinării "alorii mărimii de măsurat.

odificarea de stare presupune un consum energetic preluat de la proces. +n funcţie de feno#menele fizice pe care se %azează detecţia şi de puterea asociată mărimii de intrare, modificarea destare se poate manifesta su% forma unui semnal la ieşirea elementului sensi%il, de e&emplu tensiu#nea electromotoare generată la %ornele unui termocuplu în funcţie de temperatură.

+n alte situaţii modificarea de stare are ca efect modificarea unor parametrii de material a căror

e"idenţiere se face utiliznd o energie de acti"are de la o sursă au&iliară 29A.!ndiferent cum se face modificarea de stare a detectorului ', informaţia furnizată de acesta nu poate fi folosită ca atare, necesitnd prelucrări ulterioare prin elementul de transmitere 97 şi adap#torul A.

%) Adaptorul A are rolul de a modifica (adapta) informaţia o%ţinută la ieşirea detectorului ' lacerinţele impuse de aparatura de automatizare, care o utilizează, adică să o con"ertească su% formaimpusă pentru semnalul de ieşire y.

$articularităţile semnificati"e ale adaptorului La partea de intrare, adaptorul se caracterizează printr#o mare di"ersificare constructi"ă pen#

tru a putea prelua "ariatele forme su% care pot să apară modificările de stare ale diferitelor elementesensi%ile 92.

e parte de ie!ire, adaptoarele cuprind de regulă (la ecipamentele standardizate) elementecomune necesare generării semnalelor unificate, care nu depind de tipul sau domeniul de "ariaţie almărimii de intrare.

97

igura @. 2tructura generală a unui traductor

' (92): element sensi%il sau detector 97: elementde transmitere (de transfer) A (A'): adaptor 29A:sursa de energie au&iliară

'

29A

(92)& A

(A')


4/8

uncţiile realizate de adaptor sunt comple&e, ele incluznd şi adaptarea de ni"el, putere;impe#danţă) cu referire la semnalul de ieşire, în raport cu dispoziti"ele de automatizare.

+n funcţie de elementele constructi"e, impuse de natura semnalelor de ieşire, adaptoarele suntelectrice (electronice) sau pneumatice.

+n raport cu forma de "ariaţie a semnalelor de ieşire, adaptoarele pot fi: analogice sau numeri#ce (digitale).

2emnalele analogice se caracterizează prin "ariaţii continue ale unui parametru specific şisunt, de regulă, semnale unificate.$rin semnal unificat se înţelege adoptarea ca semnal a aceleiaşi mărimi fizice, cu acelaşi do#

meniu de "ariaţie, indiferent de locul unde este plasat elementul de automatizare într#un 2*A.rec"ent utilizate sunt următoarele semnale unificate:1. "urentul continuu (în cazul sistemelor de reglare a proceselor lent "aria%ile) cu domeniul

de "ariaţie: # cc∈B - C 1DE mA sau # cc ∈B< C -DE mA.-. Tensiunea continuă (în cazul sistemelor de reglare a proceselor rapide), cu domeniul de "a#

riaţie: $ cc∈BD C 1DE F sau $ cc∈B51D C 1DE F.. resiunea aerului instrumental (aer fără impurităţi şi cu umiditate minimă 5 standardizată)

produs în instalaţii speciale: p ∈BD,- C 1E da8;cm- sau: p∈ BD,- C1E %ar.2emnalele numerice, generate la ieşirea traductoarelor numerice şi utilizate în sistemele nume#

rice de reglare automată, se caracterizează prin "ariaţii discrete care permit reprezentarea într#unanumit cod a unui număr de "alori din domeniul de "ariaţie a semnalului analogic de la intrarea tra#ductorului. ele mai utilizate coduri (cu ni"ele compati%ile TTL) sunt: %inar natural, cu G, 1D, 1-,1H, - %iţi (uneori H< %iţi) i zecimal codificat %inar cu -, sau < decade.ș

c) 9lementul de transmisie 97 realizează legături electrice, mecanice, optice etc între 92 şi A.d) 2ursele de energie au&iliară 29A a0ută la con"ersia semnalelor din 92 şi A, atunci cnd

aceste con"ersii nu se pot o%ţine utiliznd puterea asociată mărimii de măsurat, sau cnd aceste con#"ersii (cu energie proprie luată de la semnalul de măsurat) introduc dificultăţi în realizarea perfor#manţelor cerute semnalului de ieşire din traductor.

'. Clasi(icarea traductoarelor

7raductoarele se pot clasifica în raport cu: principiul de funcţionare a elementului sensi%il, na#tura mărimilor fizice măsurate şi forma mărimii de la ieşire.

'.1. Principiul de (unc"ionare a elementului sensibil

+n raport cu principiul de func ionare a elementului sensi%il e&istă traductoare cu elementețsensi%ile parametrice i traductoare cu elemente sensi%ile generatoare.ș

$rincipiul de func ionareț arată modul de con"ersie a mărimii fizice măsurate aplicate la intra#re într#un anumit tip de mărime electrică i e"idenţiază fenomenele fizice care stau la %aza acesteișcon"ersii.

'.1.1. Traductoare cu elemente sensibile parametrice

9lementele sensi%ile 92 parametrice (sau modulatoare) se utilizează atunci cnd mărimea demăsurat este pasi"ă, adică nu are asociată o putere suficientă, sau fenomenul fizic pe care se %azea#ză con"ersia nu permite o%ţinerea directă a unui semnal electric. 2e numesc elemente sensi%ile pa#rametrice deoarece mărimea de intrare (neelectrică) determină "ariaţia proprietăţilor de materialcare sunt de natura unui parametru electric de circuit (rezistenţa electrică, inducti"itate, capacitatesau com%inaţii ale acestora).

$entru a pune în e"idenţă aceste "ariaţii este ne"oie de o sursă de energie au&iliară care gene#

rează tensiune sau curent constant, a cărei "aloare este modulată de "ariaţia parametrului respecti",o%ţinndu#se astfel un semnal electric ale cărei "ariaţii reproduc pe cele ale mărimii de măsurat.


5/8

ărimile fizice de natură neelectrică din cele mai di"erse domenii (mecanică, cimie, termo#tenică, radiaţii) pot fi con"ertite în mărimi de natură electrică datorată legilor fizice care e&primădependenţa parametrilor (*, 4, ) menţionaţi la anumite materiale (conductoare, semiconductoaresau dielectrice) în raport cu aceste mărimi.

*elaţiile fundamentale care stau la %aza funcţionării elementelor sensi%ile parametricea) *ezistenţa electrică a unui conductor omogen:

()%

l & ⋅= ρ ,

unde l este lungimea conductorului, % secţiunea conductorului şi ' rezisti"itatea materialului. %) !nducti"itatea proprie a unei %o%ine (considernd circuitul magnetic liniar):

(


6/8

9lementele sensi%ile parametrice sunt foarte răspndite datorită faptului că pot fi utilizate pentru con"ersia unei game foarte largi de mărimi cu domenii de "ariaţie diferită.

'.1.2. Traductoare cu elemente sensibile $eneratoare

9lementele sensi%ile de tip generator (sau energetice) sunt utilizate în cazul mărimilor acti#"e, adică a acelor mărimi care asociază o putere ce poate fi utilizată pentru con"ersie fără a afecta"aloarea mărimii măsurate. Aceste elementele sensi%ile furnizează la ieşire un curent, o tensiune sauo sarcină electrică a"nd "ariaţii dependente de intrarea x.

$entru a influenţa ct mai puţin mărimea de măsurat, puterea luată de la aceasta tre%uie să

fie ct mai mică. +n practică se utilizează surse au&iliare de energie pentru asigurarea unor perfor#manţe ridicate şi pentru a permite a %ună adaptare de impedanţă cu circuitele receptoare din 2*A.

+n ta%elul - sunt date principalele tipuri de elemente sensi%ile generatoare, fenomenele fizice pe care se %azează con"ersia şi aplicaţiile posi%ile.

9lementele sensi%ile de tip generator prezintă a"anta0ul unei cuplări mai uşoare cu adapto#rul, ct şi structuri mai simple ale adaptorului, întruct nu mai necesită con"ersia unui parametru decircuit ( &, L, ) într#un curent sau tensiune 5 este "or%a de elemente sensi%ile electromagnetice.

9lementele sensi%ile electrocimice şi piezoelectrice (şi ciar fotoelectrice) impun cerinţespeciale, deoarece ele sunt considerate generatoare de tensiuni electromotoare cu impedanţă internăfoarte mare, ceea ce atrage după sine condiţii se"ere pentru impedanţa eta0ului de intrare în adaptor ct şi modul de realizare a cone&iunilor electrice (rezistenţa de izolaţie foarte %ună, ecranare etc.).

'.2. )atura mărimilor (i!ice detectate

H

7a%elul 1(c). 9lemente sensi%ile capaciti"e

,enomenul fizic plicaţii (mărimi măsurate)# "ariaţia d sau % prin deplasare deplasări liniare sau ungiulare presiune# "ariaţia d sau % asociind cu un element elastic altitudine# "ariaţia permiti"ităţii + dielectricului ni"el grosime umiditate (solide)

7a%elul -. 9lemente sensi%ile generatoare

Tipul elementului

sensibil

,enomenul fizic ce stă la baza conversiei plicaţii (mărimimăsurate)

a) 9lectromagnetic(de inducţie)

# generarea prin inducţie a tensiunii electromo#toare su% acţiunea mărimii de măsurat.

"iteza de rotaţie (taoge#nerator) de%ite de fluide"i%raţii.

%) 7ermoelectric # generarea tensiunii termoelectromotoare prinefect termoelectric (2ee%ecI) de contact întredouă metale diferite.

temperatură

c) $iezoelectric # polarizarea electrică a unui cristal su% ac iuneațunei forţe sau presiuni. forţe (dinamice) presiuni(dinamice).d) agnetostricti" # generarea tensiunii electromotoare prin "aria#

ţia inducţiei remanente su% acţiunea unei forţeasupra materialelor magnetice.

forţe (dinamice) presiuni(dinamice).

e) 9lectrocimic # generarea tensiunii electromotoare între doielectrozi aflaţi la o distanţă, în soluţii cu con#centraţii de ioni diferite

concentraţia ionilor de i#drogen (pJ).

f) otoelectric(foto"oltaic)

# generarea unui curent electric pe %aza fenome#nului fotoelectric e&tern su% ac iunea unei radia#țţii luminoase.

deplasări liniare şiungiulare dimensiuni

piese "iteză de rotaţie.


7/8

+n ta%elul este redată o succintă clasificare a elementelor sensi%ile ale traductoarelor dupămărimile fizice detectate.

Observaţii:

1. Acelaşi tip de element sensi%il poate fi utilizat pentru detectarea unor mărimi fizice foartediferite. 9&plicaţia constă în aceea că urmărindu#se con"ersia într#o mărime electrică, este firesc ca

elementele sensi%ile pasi"e să fie tot de tipul &, L, " , iar cele generatoare să furnizeze o tensiune,un curent sau o sarcină electrică. Al doilea argument constă în faptul că "ariaţiile parametrilor &, L," sau tensiunile şi curenţii generaţi depind, la rndul lor, de o multitudine de factori care, în cadrulunor fenomene fizice con"ena%il e&plorate (uneori cu elemente de cuplare adec"ate) pot fi influen#ţate de di"erse mărimi.

-. $entru aceeaşi mărime fizică con"ertită pot fi utilizate mai multe tipuri de elemente sensi%i#le. Alegerea celor mai potri"ite elemente sensi%ile de face în funcţie de: gama de "ariaţie a mărimiimăsurate, posi%ilitatea de cuplare la proces, factorii de mediu, performanţele impuse, factorii econo#mici.

+n acela i conte&t, o altă clasificare ar fi înș traductoare pentru mărimi electrice (tensiune, cu#rent, frec"enţă, putere etc.) şi traductoare pentru mărimi neelectrice (traductoare de poziţie şi de#

plasare, traductoare pentru măsurarea forţelor şi cuplurilor, a "itezelor şi acceleraţiilor, traductoare pentru măsurarea temperaturii, presiunii, ni"elului etc.).

'.. *orma mărimii de la ieşire

'upă forma mărimii de ie ire e&istă traductoare analogice, cu impulsuri şi numerice.șTraductoarele analogice realizează dependenţa dintre mărimea fizică măsurată x şi mărimea

rezultată la ieşire y, astfel înct y este o funcţie continuă (liniară sau neliniară).4a traductoarele cu impulsuri mărimea de ieşire y este o succesiune de impulsuri modulate în

amplitudine, durată sau frec"enţă, în funcţie de mărimea de intrare.Traductoarele numerice prezintă rezultatul măsurării su% formă numerică, o%ţinut în general

prin măsurarea unei succesiuni de impulsuri codificate.+. Caracteristici $enerale ale traductoarelor

K

7a%elul . lasificarea elementelor sensi%ile după mărimile fizice detectate

.ărimi fizice

de bază .ărimi fizice derivate /lemente sensibile tipice

'eplasare

deplasare liniară deplasare ungiulară lungi#me (lăţime) grosime strat de acoperire ni"eldeformaţie (indirect presiune, forţă, cuplu)altitudine

rezisti"e inducti"e fotoelectriceelectrodinamice (selsine, induc#tosine).

Fitezăliniară ungiulară de%it. electrodinamice (taogenerator)

fotoelectrice termorezisti"e.

orţăefort unitar greutate acceleraţie cuplu "sco#zitate "acuum presiune (relati"ă;a%solută)

rezisti"e inducti"e capaciti"e piezorezisti"e piezoelectricemagnetostricti"e.

7emperaturătemperatură la suprafaţă (solide, fluide)căldură#flu&, energie conducti%ilitate termică.

termorezistenţe termistoaretermocupluri comple&e (dilatare

deplasare)asă de%it de masă densitate. !dem ca la forţă

oncentraţiecomponente în amestecuri de gaze ioni de i#drogen în soluţii umiditate.

termorezisti"e electrocimiceconductometrice.

*adiaţieluminoasă termică nucleară. fotoelectric detectoare în infra#

roşu elemente sensi%ile %azate pe ionizare.


8/8

$rincipalele caracteristici ale traductoarelor (puse în e"idenţă de caracteristicile statice şi dina#mice ale acestora) sunt: liniaritatea, domeniul de măsurare, sensi%ilitatea, pragul de sensi%ilitate,

puterea de rezoluţie, clasa de precizie, "iteza de răspuns.a) 4iniaritatea se referă la caracteristica statică y = f ( x) a traductorului şi presupune propor#

ionalitatea întreț y şi x pe tot domeniul de măsurare. aracteristica statică poate fi liniară sau nelini#ară (uni"ocă sau neuni"ocă). u ct domeniul de liniaritate este mai mare cu att traductorul este

mai %un. ?radul de liniaritate al unui traductor se poate e&prima prin La%aterea (eroarea) de nelinia#ritateM, care se defineşte prin:

(H) l ε BNE = 1DD⋅−

l

l

y

y y(N),

unde: yl reprezintă "aloarea liniarizată (pe domeniul respecti") a ieşirii traductorului, iar y reprezin#tă "aloarea reală.

%) 'omeniul de măsurare se e&primă prin inter"alul:

(K) O x = x . 5 xm,

în cadrul căruia se efectuează corect măsurarea, x . reprezentnd "aloarea ma&imă a mărimii de in#

trare, iar xm "aloarea minimă.c) 2ensi%ilitatea este calitatea de a determina "ariaţii mari ale mărimii de ieşire la apariţiaunor "ariaţii reduse la intrare şi se e&primă ca raportul dintre "ariaţia semnalului de la ieşire O y şi"ariaţia mărimii de intrare O x:

(G) % = x

y

∆

∆,

unde % reprezintă o caracteristică liniară % = 0 = ct1d) $ragul de sensi%ilitate reprezintă "ariaţia minimă a mărimii de măsurat care determină o

"ariaţie a mărimii de ieşire cel puţin egală cu eroarea admisi%ilă a traductorului.'acă se raportează acest prag de sensi%ilitate la domeniul de măsurat se poate o%ţine şi un

prag de sensi%ilitate relati"ă, ce se numeşte rezoluţie sau putere de rezoluţie şi care e&primă propri#etatea traductorului de a distinge două "alori ct mai apropiate una de alta ale mărimii de măsurat.e) lasa de precizie a traductorului este raportul dintre eroarea admisi%ilă O xad care se pro#

duce în regim static de funcţionare şi domeniul de măsurare:

(P) c BNE = 1DD⋅−

∆

m .

ad

x x

x.

Falori uzuale: D,1C-N.f) aracteristicile dinamice se e&primă prin principalele performanţe ataşate răspunsului

tranzitoriu al traductorului pentru semnal treaptă la intrare: durata regimului tranzitoriu, timpul decreştere, supraregla0ul.

G

Documents

2. Traductoare_generalitati