SENZORUL REZISTIV
SENZORUL REZISTIV
Rezistena unui element de circuit este dat de relaia: i atunci
teoretic s-ar putea imagina senzorii rezistivi imprii n trei
categorii dup cum mrimile neelectrice ar modifica rezistivitatea ,
lungimea elementului rezistiv l sau seciunea acestuia S. Practic
acest lucru este imposibil de realizat ntruct modificarea lui , l,
S nu sunt independente adic o mrime de proces cum este de exemplu
temperatura modific rezistivitatea dar concomitent i lungimea i
seciunea ( datorit dilatrii mecanice), etc. i atunci senzorii
rezistivi i clasificm n special dup mrimi neelectrice care se msoar
prin intermediul acestora i din acest punct de vedere avem:
senzorul reostatic pentru msurarea deplasrii, dimensiunii, etc;
senzorul tensorezistiv pentru msurarea eforturilor mecanice,
forelor, etc; termorezistene pentru msurarea temperaturii; senzorul
cu fir cald pentru realizarea analizoarelor de gaze, etc.
SENZORUL REOSTATIC
Este asemntor din punct de vedere constructiv cu un reostat adic
reprezint o rezisten variabil cu contact mobil. Pe o carcas (
inelar sau cilindric axial ) se nfoar strict uniform conductorul
metalic rezistiv din aliaje precum constantan, manganin, etc. Pe
calea de rulare a contactului mobil, conductorul se dezizoleaz.
Pentru contact se folosesc aliaje cu proprieti bune de contact
electric i anume Pt + Ir, aliaje pe baz de Ag, etc. Notm cu R
rezistena ntre o extremitate i contactul mobil i cu Rt rezistena
total a infurrii. Dac la un moment dat poziia contactului mobil
este definit de unghiul i nfurarea este strict uniform, atunci R =
c , unde c este o constant. La extremitatea cealalt Rt = c max
=> c = Rt / max => R = Rt / max ; / max =a => R = a Rt ,
unde a este adimensional.
Mrimea de msurat deplaseaz contactul mobil i atunci rezulta
proporionalitate a dependenei rezistenei, deci deplasare unghiular.
Acelai lucru se ntmpl cnd suportul nfurrii are form cilindrico
axial i cnd rezult proporionalitate ntre rezistena senzorului i
deplasarea liniar a contactului mobil. n unele aplicaii intereseaz
raportul rezistenelor de o parte i de alta a contactului mobil ns
cnd se conecteaz n circuit senzorul reostatic se adaog rezistena
suplimentar datorit contactului propriuzis, datorit conductoarelor,
sau chiar unor rezistene introduse artificial. Considerm c
rezistena suplimentar cumulat pentru senzorul reostatic este
uniform distribuit la cele dou extremiti, deci ea are n total
valoarea RK , deci la extremiti se va aduga cte 0,5RK . n aceste
condiii putem scrie:
n figura de mai sus s-a reprezentat dependena = f(a), parametrii
familiei de caracteristici fiind raportul . Se observ c dac
senzorul nu posed rezisten suplimentar auxiliar RK = 0 sau = 0,
domeniul de variaie al rezistenei senzorului la deplasarea
cursorului se ngusteaz , n schimb dependena R = f(a) se
liniarizeaz. Aceste constatri sunt utile pentru diverse aplicaii.
Datorit palprii din spir n spir a nfurrii de ctre contactul mobil,
rezistena senzorului are o variaie n trepte, nu continu, deci R =
f(a) este o dependen neliniar. La un moment dat, contactul mobil
calc pe o singur spir sau face contact simultan cu dou spire i
atunci rezistena senzorului la un moment dat se poate scrie: R =
a+Rt Rt/2n, unde n este numrul de spire al nfurrii senzorului, deci
apare o incertitudine n exprimarea lui R care ar reprezenta R=Rt/2n
adic rezistena electric a unei jumti de spir sau n valori
relative
La captul cursei contactului mobil a=1 i aceast eroare relativ o
denumim factor de treapt al senzorului reostatic. Evident, cu ct
lungimea unei spire este mai mic i conductorul mai subire, cu att
factorul de treapt are valori mai mici. De exemplu pentru un senzor
reostatic cu carcas inelar pe care sunt nfurate 3600 spire se obine
un factor de treapt de 0,014%; factorii de treapt i mai mici se
obin n cazul senzorului reostatic multitur.
Dac la senzorul reostatic obinuit carcasa sau suportul nfurrii
este realizat din material electroizolant i bun conductor termic,
la senzorul multitur, ca suport a nfurrii elicoidale din conductor
de cupru gros. Pe aceast nfurare calc n orice moment contactul
mobil care este fixat prin tija pe piulia aflat pe axul filetului.
Mrimea neelectric acioneaz asupra butonului, care, cnd este rotit,
rotete cilindrul metalic care este prevzut cu canalul pe generator.
Axul prevzut cu filet rmne n permanen n repaos i prin prelungirea
sa este fixat cu ajutorul flanei. Ca urmare, dac pasul filetului pe
ax este identic cu pasul nfurrii elicoidale din cupru gros ( pe
care se dispune conductorul rezistiv) atunci prin rotaia
cilindrului sunt palpate toate spirele nfurrii rezistive realiznd
40 de spire (rotaii complete) de cupru gros i un factor de treapt
0,007%.
SENZORUL REOSTATIC CU MERCUR
Constructie: In interiorul unui tub inelar de sticl este fixat
in pozitie central un filament de platin. Extremittile filamentului
sunt 1 i 3 iar legtura median este 2. Jumtatea din tubul inelar
este umplut cu Hg.
Utilizri: Ca senzor pentru poziie vertical respectiv orizontal n
diverse mijloace mobile (n tancuri) sau senzori de poziie orizontal
pentru diverse instalaii gabaritice mari.
Avantaje: contact electric foarte bun prin intermediul Hg.
Dezavantaje: sensibilitatea la vibraii, nu suport ocuri
mecanice.
O utilizare pentru SR o reprezint msurarea nivelului la fluide,
contactul mobil acionat de ctre un plutitor aflat n fluid.
De obicei senzorul se conecteaz n montaj poteniometric.
Poteniometrul se afl la tensiunea constant U iar ntre cursor i una
dintre extremiti, funcie de poziia cursorului se obine tensiunea
U1. Cursorul este ns acionat de plutitorul aflat n rezervorul cu
lichid i atunci, dac rezistena instrumentului de ieire (voltmetru
care indic U1) este foarte mare atunci, cum nfurarea senzorului
este strict uniform vom avea: , adic cum U i I sunt constante,
scara voltmetrului de ieire pentru U1 se poate grada direct n
unitatea de nivel. Dac ns rezistena instrumental de ieire a
voltmetrului nu este foarte mare, atunci mai exist proporionalitate
strict ntre tensiune i deplasare, i scara acestuia nu mai este
liniar. n fig. ( C ) s-a trasat dependena U1/ U funcie de l1/ l
pentru diverse valori ale factorilor K= Rv/ R este raportul dintre
rezistena voltmetrului de ieire Rv i rezistena total a RS care este
R.
Este de msurat nivelul H n rezervorul 1 n care se afl plutitorul
2. Poziia acestuia este echilibrat prin intermediul lanului 3 i a
roii de lan 5 de ctre contragreutatea 4. Roata de lan 5 transmite
micarea prin reductorul mecanic 6 axului 7. Aceasta deplaseaz
contactul mobil al unui senzor reostatic cu carcas inelar. Fie la
un moment dat R1 i R2 resistenele senzorului reostatic de o parte i
de alta a contactului mobil. Extremitile SR sunt conectate cu
nfurarea unui logometru LG magnetoelectronic. E este tensiunea
sursei de alimentare continu. Dup cum se tie, indicaia unui astfel
de instrument este ntotdeauna dependent de raportul curentilor I1 i
I2 prin cele dou nfurri. Dar raportul curentului este dependent de
raportul rezistentelor R1/ R2 i aceasta la rndul su depinde de
poziia contactului mobil adic de nlimea H a fluidului n rezervorul
1. n consecin, scara logometric se poate grada direct n valoarea
nivelului H de msurare.
Observaie: Aceast instalaie este practic depit dar are
fiabilitate i este sigur.SENZORUL TENSOR REZISTIV (marc
tensometric)
Fie un element rezistiv metalic de seciune constant S i lungime
l; rezistena elementului este . Supunem elementul rezistiv la
ntindere sau compresiune n domeniul elastic al deformrii i-n urma
efecturii se vor modifica parametrii , l, i S. Modificrile relative
ale acesteia fiind foarte mici, putem folosi calcule cu diferene
finite (similar cu determinarea erorii), adic logaritmizarea
relaiei anterioar
Dar pe baza celor cunoscute n rezisten pentru deformarea n
domeniul elastic ntre exist relaia :; este coificientul lui
Poisson
Definim ca sensibilitate respectiv factor de conversie al
elementului rezistiv raportul adic raportul dintre variaia
rezistenei elementului supus la efort i alungirea acestuia i
gsim
n tabelul de mai jos se dau valori experimentale pentru K
determinate n cazul diverselor materiale:
Nr.crt.MaterialK
1.Platin6,10
2.Isoelastic3,63
3.Crom-nichel2,6
4.Constantan2,15
5.Manganin0,5
6.Nichel-12,2
7.Siliciu150 175
Pentru majoritatea metalelor sau aliajelor valorile
coeficienilor lui Poisson este 0,3 la deformarea n domeniul elastic
i 0,5 la deformarea n domeniul plastic. Dac elementul rezistiv
supus efectelor mecanice nu i-ar modifica i rezistivitatea atunci
factorul de conversie, n toate cazurile, la metale i aliaje ar
trebui s fie : K=1+20,3 = 1,6 n domeniul elastic i K = 1+ 20,5 =2,0
n domeniul plastic. n realitate, din tabelul anterior se observ c
pentru majoritatea materialelor factorii de conversie posed alte
valori i atunci cu siguran c efectul mecanic modific i
rezistivitatea material. n prezent este acceptat proporionalitatea
dintre variaia relativ a rezistivitii i variaia relativ a valorilor
elementului supus la efect, adic este acceptat relaia: . Dar V=lS ;
i atunci factorii de conversie K=1+2+m(1-2). Se observ c pentru m
=1 => K2 i din expresia lui K dispare coeficientul lui Poisson
rezult elementul are acelai factor de 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 conversie
apropiate de 2, dintre care cel mai indicat fiind constantarul K =
2,15. Acesta este n prezent materialul de baz pentru construcia
senzorilor tensorezistivi. Singura problem a constantanului o
constituie t.e.m. de contact ridicat fa de cupru. Aceasta ar avea
importan numai dac se lucreaz n curent continuu. n plus, la
constantan dependenanu are histerezis. n afara constantantului,
multe aliaje au valori mai mari pentru K deci conduc i la
sensibiliti mai ridicate de msurare (platin, nichel etc.). ns
utilizarea acestora este limitat datorit necesitii compensrii
efectului termic al elementului tensorezistiv (compensarea
dependenei rezistenei elementului de temperatur). Valori mult mai
mari pentru K le au elementele tensorezistive realizate din
semiconductori ( Si i Ge etc.). n general, dac notm , reprezint
comprimarea relativ a elementului, variaia relativ a rezistenei
unui asemenea element supus la efort este dat de o relaie de forma,
unde C1, C2, C3 constante; T este temperatura absorbit n K a
senzorului; este deformarea relativ.
Pentru un siliciu slab dotat i la temperatura camerei 300K,
expresia lui depinde de tipul de conductibilitate p sau n i de
direcia efectuat de principalele direcii cristolografice i astfel
pentru Si cu conductibilitate de tip p supus la efort pe direcia
[100], sau pentru acelai Si cu conductibilitate de tip n i direcia
efortului [111], .
Observaie: Plecnd de la legea cunoscut a lui Hooke ; = efort
mecanic unitar n material i E = modulul de elasticitate, cunoscnd
pentru un material dat supus la efort valoarea lui , supunnd
elementul rezistiv la efort mecanic, printr-o msur de rezisten ( fr
i cu efort ) se deduce raportul:. Se cunoate K=> , iar din
relaia se deduce, deci se msoar efortul mecanic sau cu , F este
fora care acioneaz asupra elementului supus la effort; S este
seciunea.
Cu ajutorul unui astfel de element pot fi determinate mrimea
mecanic F 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 marc tensometric.
Construcia senzorilor tensorezistivi
n figura (1) firul metalic rezistiv este lipit pe un suport
electroizolat, la capete se prevd contacte pentru legturi cu
exteriorul. Suportul este realizat dintr-o hrtie special ( hrtie
kraft ), folie sintetic subire. Senzorul cu un singur fir (fig.1)
se lipete pe structura mecanic supus la efort astfel nct direcia
firului rezistiv s coincid cu direcia efortului principal. n figura
(2), firul metalic cu seciunea de 30 - 50 este lipit tot pe o folie
sintetic ns poziionat sub form de grtar i n acest fel, cea mai mare
parte din lungimea total a firului rezistiv este orientat pe o
singur direcie cea a efortului mecanic de msurat. Tot pe suprafaa
foliei se prevd contacte pentru legturile cu exteriorul. Sunt
cazuri cnd efortul de msurat nu are o direcie strict cunoscut i
atunci pentru msurare se folosesc rozete tensorezistive adic figura
(3): pe acelai suport se fixeaz, evident izolat electric tot prin
lipire, dou mrci tensometrice n form de grtar orientate ns pe
direcia 1. Senzorul se lipete pe structura supus la efort. Se fac
msurtori de rezisten i se deduc valori efortului n material pe cele
dou direcii perpendiculare, apoi prin compunere vectorial a
efortului se gsete direcia efortului principal. Rozetele se pot
realiza i cu 3 mrci identice orientate la 120, i cu 4, etc. n
figura (4) se d o seciune printr-o marc tensometric cu fir metalic
lipit pe o structur n care: 5= pies mecanic supus efortului; 4=
strat de adeziv; 3= folie sintetic suport fixat pe structura cu
adeziv; 2= conductoarele n seciune care formeaz marca tensometric;
1=folie sintetic fixat prin lipire cu adeziv i care protejeaz
conductoarele 2 de aciunile exterioare.
Observaie: Aceast tehnologie cu fir lipit este cea mai veche dar
se conteaz pe 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 rezistenei poriunilor orientate n paralel
n grtar pe direcia efortului i aceasta constituie o transmisie cu
greutate a cldurii spre piesa supus la efort.
Tehnologia cu strat mecanic 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 alt folie sintetic de protecie i se obine
astfel o marc tensometric.
Avantaje: Procedeul de fabricare se preteaz perfect pentru
automatizare i majoritatea mrcilor tensometrice actuale sunt
realizate cu aceast tehnologie. Contactul fizico-mecanic cu
structur de ncercat prin lipire se realizeaz mult mai bine deci se
poate transfera mai mult cldur de la marca tensometric la structur
deci marca poate fi ncrcat electric mai mult dect poriunile
orientate pe direcie n forturi. Variaia de rezisten determinat de
deformarea acestor poriuni sunt nesemnificative, nu eroneaz
rezultatul.
Tehnologia cu senzori semiconductori
Un filament semiconductor obinut prin tiere dintr-un cristal
este lipit pe un suport izolant. El se orienteaz pe direcia
efortului i la extremiti se prevd contacte pentru exterior. O alt
variant utilizeaz direct o plcu de siliciu cu o grosime de circa 25
care se lipete pe structura de ncercat. La suprafaa foiei de
siliciu care este iniial pur, se pot introduce impuriti sau
elemente impurificatoare. La capete se prevd contacte i s-a obinut
astfel o marc tensometric semiconductoare.
Rezistene normalizate pentru ST
n prezent rezistenele elementelor tensorezistive sunt
normalizate i anume pot avea 120 , 300 sau 600. Ele se conecteaz de
obicei ntr-o punte i de exemplu, pentru mrci tensometrice de 120
puntea se alimenteaz la 5V i atunci curenii nominali prin mrcile
tensometrice de 120 se reduc pe baza relaiei I=5/(120+120) 20mA
(deoarece n punte sursa este conectat la capetele a dou
tensorezistene. Pentru mrcile de 300 i 600 se poate lucra cu
tensiuni de alimentare mai mari pentru punte.
Compensarea efectului termic la mrcile tensometrice
Considernd o marc tensometric lipit pe o structur supus la
efort. Temperatura mediului variaz cu cantitatea . Se ntmpl
urmtoarele fenomene: se modific rezistivitatea mrcii tensometrice
sau a ST, se dilat sau se comprim marca tensometric i se dilat sau
se comprim structura supus la efort. Fie R coeficientul de
temperatur al rezistivitii mrcii tensometrice. La variaia
temperaturii cu , variaia relativ a rezistenei mrcii tensometrice
va fi :. Apoi fie T coeficientul de dilatare termic a mrcii
tensometrice i S coeficientul de dilatare termic a structurii, deci
dac are loc variaia temperaturii cu , variaia relativ a lungirii
prin dilatare pentru marca tensometric liber va fi sau dac marca
este lipit pe structur . Fie K factorul de conversie sau
sensibilitatea mrcii tensometrice i avem relaia deci la variaia
relativ a lungimii, variaia corespunztoare a rezistenei mrcii va
fi: i atunci variaia cumulat a rezistenei datorit celor dou
fenomene, modificarea rezistivitii i dilatarea termic va fi:
La variaia temperaturii se modific suplimentar rezistena mrcii
tensometrice. Prin intermediul rezistenei msurm efortul mecanic i
atunci variaia suplimentar de rezisten este perceput ca o deformare
suplimentar care nu apare n realitate deci reprezint o surs de
erori sistematice, erori care trebuie diminuate sau nlturate. n
prezent pentru compensarea efectului termic al mrcilor tensometrice
sunt practicate trei procedee:
se folosesc mrci compensate individual;
se folosesc mrci autocompensate; se realizeaz compensarea
efectului termic prin conectarea corespunztoare ntr-o punte a dou
sau patru mrci tensometrice.1. Mrcile compensate individual
n serie sau n paralel cu marca tensometric de rezisten R i
coeficient global de temperatur se conecteaz un element de circuit
cu un coeficient de temperatur astfel ales nct rezistena
ansamblului marc tensometric element de compensare s rmn neschimbat
la variaia temperaturii.
Observatii: n acelai timp ansamblul marc tensometric element de
compensare trebuie s aib o rezisten apropiat de rezistena iniial a
marcii tensometrice. Din acest motiv rezistena suplimentar a
elementelor de compensare, de exemplu la serie trebuie s aib o
valoare redus in schimb coeficientul de temperatur a acestei
rezistene trebuie s aib o valoare ridicat i atunci, pentru
compensare se folosesc termistori care au coeficientul de
temperatur cu cel puin un ordin de mrime superior mrcilor
tensometrice obinuite.
2. Mrci autocompensatePlecnd de la expresia coeficientului
global de temperatur =R +K(S T), se realizeaz condiiile pentru ca
acesta s devin nul. Deci pentru un senzor dat, se lucreaz numai cu
anumite structuri astfel nct s devin posibil compensarea lui .
Evident aceste mrci tensometrice au un domeniu ngust de
aplicabilitate.
3. Compensarea efectului termic prin conectarea corespunztoare
ntr-o punte a dou sau patru mrci tensometriceDe exemplu n figura A
ntr-o punte sunt conectate dou mrci identice R1 i R2 i dou
rezistene. Puntea funcioneaz dezechilibrat, adic, dac tensiunea de
alimentare a punii este stabilizat, nivelul tensiunii la ieire din
punte constituind n final o msur a efectului mecanic de cercetat.
Dar ntre Uin Uies exist relaia: Uies = Uin (R1 R3 R2
R4)/(R1+R2)(R3+R4) i atunci cele dou mrci R1 i R2 aflate n brae
alturate au coeficient de temperatur cu valori identice. Deci
variaia rezistenei lor (R1 i R2) datorit modificrii temperaturii
vor fi egale dar n relaia final, datorit diferenei de la numrtor
ele se scad i atunci efectul termic se compenseaz. Nu afecteaz
nivelul tensiunii de ieire.
Variaiile de rezisten datorit eforturilor la care este supus i
marca tensometric sunt n general mici, nu depesc n uniti relative 5
10 i atunci variaiile de rezisten se msoar de obicei folosind
puntea Wheatstone.Domeniul temperaturilor de lucru pentru mrcile
tensometrice. Post-efectul
Dup lipirea mrcii tensometrice pe structura de ncercat se
conteaz peproprietile elastice ideale ale adezivului. Aceasta
nseamn c deformarea corpului supus la efort se transmite n
totalitate mrcii tensometrice. n practic ns nu se ntmpl aa i anume
dup o durat relativ scurt de timp, adezivul revine lent la starea
iniial, netensionat. Acesta se numete post-efect i din cauza lui,
msurrile cu mrci tensometrice lipite pe structuri nu sunt
reproductibile ntr-un timp ndelungat. Totui s-au imaginat procedee
cu ajutorul crora s se poat face msurtori tensometrice i
reproductibile chiar i ntr-o perioad de timp de ordinul anilor dar
n locul mrcilor lipite cu adezivi, tensorezistenele s-au realizat
din conductor metalic rezistiv ntins ntre supori
electroizolani.
Simularea n laborator a deformrii
Odat lipite pe structur mrcile nu mai pot fi refolosite ntru-ct
prin dezlipire se distrug. Din acest motiv firmele productoare
ncearc cteva exemplare de mrci dintr-un lot de fabricaie i valoarea
medie a factorului de conversie K este atribuit ntregului lot. Dar,
supus la efort mecanic, marca i modific rezistena proprie.
Variaiile mici de rezisten care ar fi produse de efortul mecanic
pot fi simulate n laborator conectnd n paralel cu marca tensometric
o rezisten fix mult mai mare ca aceasta. De exemplu, n figur, n
paralel cu marca de rezisten R0 este conectat rezistena Rp.
Ansamblul R0 Rp are rezistena . Variaia relativ a rezistenei ntruct
factorul de conversie
EMBED Equation.3 . Dar deformaia relativ se mai noteaz cu i apoi
se deduce Rp R0= R0K + RpK => Rp= R0(1/ K 1). Dar are o valoare
foarte mic 4 5 maxim i atunci 1/ K >> 1 => Rp= R0 / K.
Deci, pentru o deformare dat , se gsete imediat rezistena conectat
n paralel care ar simula deformaia datorat efortului mecanic.
Puntea tensometric
Servete msurrii deformaiei i efortului mecanic prin intermediul
mrcilor tensometrice.
Puntea propriuzis este realizat de exemplu cu dou mrci
tensometrice R1 i R2 i cu dou rezistene R3 i R4 care sunt
variabile. Acestea sunt conectate n paralel cu doi condensatori
variabili C3 i C4. Deci dup fixarea mrcilor pe structura de ncercat
se realizeaz echilibrul perfect iniial al punii n absena efortului.
Pentru aceasta se regleaz ca la o punte de curent alternativ
elementele de circuit R3 i R4, respectiv C3 i C4. Capacitile sunt
necesare pentru compensarea capacitii parazite existente n punte,
aparinnd mrcilor tensometrice sau dintre acestea i mas. Dup
finalizarea echilibrului iniial, structura se supune la efort i
deformare este indicat direct de instrumentul de ieire. Acesta
poate fi i numeric.
Dimensionarea mrcilorLungimile mrcilor tensometrice iau valori
ntre 3 i 150 mm, limile ntre 1 i 60 mm; mrcile lungi se folosesc la
ncercarea structurilor neomogene de exemplu a grinzilor de beton,
de lemn, etc. mrcile cu lungimi pn la 20 mm se folosesc pentru
ncercarea structurilor omogene cum sunt metalele. Exist i mrci
miniatur care au lungimea de 1 mm.
Utilizri: au numeroase aplicaii n special n construcii de
maini.De exemplu n fig.B mrcile tensometrice sunt lipite pe braul
de strngere a unei chei mecanice. Funcie de domeniul cuplului de
msur, mrcile identice 1 4 se fixeaz fie n poziia a, fie n b.
n figura C mrcile tensometrice sunt lipite de o parte i de alta
pe o membran metalic elastic. ntr-o parte a membranei acioneaz
presiunea P1 iar n partea opus acioneaz presiunea P2. Membrana se
deformeaz datorit diferenei de presiune P1 P2. Introduse ntr-o
punte tensometric se poate determina n acest fel presiunea
diferenial i presiunea absolut. n membranele elastice, apar att
efecte tangeniale ct i efecte radiale i atunci se construesc mrci
tensometrice (fig.D) pentru msura efectului tangenial care au form
de spiral a lui Arhimede, sau mrci pentru msura efectelor radiale
care au form radial (fig.E).
n fig. 1 burdufurile metalice elastice B1 i B2 sunt acionate cu
presiunea P1 i P2 de msurat. Burdufurile acioneaz asupra captului
liber al unei lamele metalice elastice. Pe lamel se fixeaz mrcile
tensometrice. Evident ncovoierea lamelei se datoreaz diferenei de
presiune i atunci mrcile conectate ntr-o punte tensometric msoar
final diferena presiunii. Se pot msura n acest fel presiuni mai
mari dect la senzorul cu membran i evident, manometrul diferenial
sub aceast form poate deveni manometru absolut dac unul din
orificiile P1 sau P2 este obturat. n fig.2 cu ajutorul mrcilor
tensometrice se pot msura deplasri foarte mici. Este vorba de
msurarea deplasrii pe orizontal a unui ax notat cu 4.
1 lamel elastic pe care sunt fixate de o parte i de alta mrcile
tensometrice 5; lamela este prevzut la un capt cu un tift 2
finalizat cu un mic disc de contact care apas n permanen pana 3
fixat pe axul 4. La deplasarea pe orizontal a axului 4 se ncovoaie
mai mult sau mai puin lamela 1, deformaia acesteia fiind sesizat de
mrcile 5 conectate ntr-o punte tensometric. n fig. 3 se realizeaz
un traductor pentru accelerator cu mrci tensometrice. Masa inerial
4 este atrnat de dou lamele elastice n carcasa 1. Pe lamelele 2
sunt fixate mrcile tensometrice 3. Interiorul carcasei este umplut
cu ulei mineral 6 de vscozitate cunoscut. ntreg ansamblul se fixeaz
rigid de exterior cu uruburi 5 pe corpul a crei acceleraie se
msoar. Masa 4 este acionat de o for de forma F = M. aceast for
deformeaz elastic lamelele 2, deformaie sesizat de ctre puntea
tensometric prin mrcile 3. Final se poate determina deformaia
a.Senzori rezistivi cu fir cald Servesc la realizarea analizoarelor
de gaze. La baza funcionrii acestor analizoare stau dou
principii:
principiul separrii componentelor amestecului gazos pe baza
cldurii de reacie ale acestora;
principiul separrii pe baza conductibilitii termice a diverselor
componente di amestecul gazos.
ntr-o incint termoizolant se afl 2 conductoare realizate din
filament de platin i protejate la exterior n tuburi de ceramic.
ntre cele 2 tuburi de ceramic se afl un perete despritor strbtut de
conductorul pentru legtur electric cu exteriorul. Se analizeaz
dintr-un amestec de gaze fierbini coninutul de componente nc
combustibile, adic coninutul de CO i resturile de hidrocarburi
nearse. Tubul de ceramic 1 are depus la exterior praf de platin;
ambele filamente sunt strbtute de acelai curent constant care prin
efect Joule realizeaz o temperatur n regim permanent a filamentului
de circa 450 500 C. gazele de ardere fierbini strbat incinta
termoizolat. n contact cu praful de platin componentele nc
combustibile se vor oxida. Aceasta nseamn c la suprafaa tubului 1
se vor produce arderi catalitice, arderi care vor ridica
temperatura filamentului din interior. Cele dou filamente reprezint
rezistene conectate ntr-o punte. Puntea iniial echilibrat se va
dezechilibra n prezena componentelor cutate n amestec. Deci
instrumentul care msoar semnalul de dezechilibru din punte se poate
echilibradirect n concentraii ale componentelor cutate. Analizorul
poate funciona i pentru gaze reci. n acest caz se folosesc dou
filamente identice protejate n tuburi de ceramic. Ambele tuburi au
dispuse la exterior praf de platin.
Analizoarele de tip B
ntr-un tub termoconductor cilindric este fixat n poziia axial un
filament de platin strbtut de curentul constant I. Tubul este splat
n interior de ctre amestecul gazos de analizat. Fie la un moment
dat f temperatura de regim permanent a filamentului i p temperatura
de regim permanent apereilor reci ai tubului termoconductor.
Filamentul se nclzete prin efect Joule datorit curentului. Se creaz
condiii pentru ca cea mai mare parte a cldurii disipate n filament
s fi transmis pereilor reci ai tubului prin conducie termic a
amestecului gazos.pentru aceasta sunt reduse la minim pierderile
prin convecie i pierderile prin radiaie. (filamentul lucreaz la
circa 100 150 C, iar gazul din interior se deplaseaz cu o vitez
foarte mic). n tabelul de mai jos se dau raporturile ntre
conductibilitatea termic a unui gaz i cea a aerului.
GazG/ aer
Aer1
Oxigen 1,015
Azot 0,998
CO0,96
CO20,68
Cl20,32
SO20,34
H2S0,54
H27,130
Din tabel rezult posibilitatea de utilizare a acestui principiu
(a conductibilitii termice) pentru determinarea componentelor care
au conductibilitatea mult diferit de cea a aerului.
n cazul nostru, concentraia de CO2, SO2, H2S i Cl2. ntr-un
amestec de gaze de exemplu cu 2 componente, conductibilitatea
termic a amestecului se calculeaz ca medie ponderat a
conductibilitii componentelor, adic: n care 1 i 2 reprezint
conductibilitatea termic a componentelor 1 i 2, iar a este
concentraia primei componente n amestecul de gaze.
ntr-o celul de msurat, dac filamentul metalic este strbtut de
curent constant, temperatura acestuia va depinde de cantitatea de
cldur evacuat prin gaz spre pereii reci. n consecin i rezistena
electric a filamentului va depinde de conductibilitatea gazului
deci final de proporia componentei cutate ntr-un amestec. Pentru un
filament ntr-o celul de msurat este valabil ecuaia de bilan termic:
, n care Rf este rezistena filamentului; I este curentul constant
prin filament; C este constant geometric; 12 este conductibilitatea
termic a amestecului de 2 componente; f este temperatura
filamentului; p este temperatura peretelui rece. Au loc urmtoarele
transformri de mrimi: i atunci n final avem:
. Rf se determin ntr-o punte, dar pentru ca n regimul permanent
s nu apar dezechilibru datorit temperaturii proprii a gazului de
analizat sau umiditii msurrile se fac ntr-o punte cu 4 filamente
identice n care 2 sunt strbtute de gazul de analizat i celelalte 2
de un amestec etalon de gaze sau aer. Puntea se alimenteaz la
curent continuu de la Scc, ea funcionnd iniial echilibrat cnd toate
filamentele sunt splate de acelai amestec, iar apoi, n timpul
msurrii funcioneaz dezechilibrat, semnalul fiind prelucrat de un
adaptor i afiat de instrumentul de ieire. IE se poate grada direct
n valori ale lui a. Pentru a se evita erorile sistematice datorit
umiditii i temperaturii proprii celor dou gaze se trec iniial prin
ap i apoi cele patru filamente sunt poziionate ntr-un singur bloc
metalic.
Toate filamentele sunt protejate n tuburi de ceramic pentru a se
evita agresiunea chimic a compuilor sulfului asupra platinei. n
plus toate cele 4 filamente se mbtrnesc artificial nainte de a fi
montate n blocul metalic. Cu asemenea analizoare se cerceteaz n
general gazele reci de eapament, se fac msurri n ecologie, etc.
Anemometrul cu elice
Viteza v a aerului sau a unui jet de gaze se poate msura cu
anemometrul cu elice, adic gazul n micare cu viteza v este
direcionat printr-un tub metalic la captul cruia se afl o elice pus
n micare de presiunea gazului. Elicea antreneaz rotorul unui
tahogenerator, iar t.e.m. generat de acesta este evident dependent
de viteza rotorului deci de viteza jetului de gaze. Avantaje:
construcie relativ simpl. Dezavantaj: domeniul limitat al vitezelor
msurabile, existena pieselor n micare, micorarea fiabilitii.
Anemometrul cu fir cald
Celula de msur este dat n figur, deci ntre dou conductoare
masive din cupru nichelat la exterior, este ntins filamentul de
platin sau de wolfram. Acesta este nclzit prin efect Joule la
curent constant pn la o temperatur de regim permanent de cteva sute
C. filamentul este orientat astfel nct s fie splat pe o suprafa ct
mai mare de jetul de gaz a crui vitez se msoar. Transmisia cldurii
de la filament ctre exterior se face n cea mai mare parte prin
convecia gazului n micare. Este valabil urmtoarea ecuaie de bilan:
Rf I2 = C (v)(f - m) unde C= factor geometric, (v)=coeficient de
transmisie a cldurii prin convecie; m= temperatura mediului. Au loc
urmtoarele transformri de mrimi: Rf =f(f); f = f (); = f(v) =>
Rf = f(v). Rf se msoar ntr-o punte alimentat la curent constant.
AD= adaptor de msur; IE instrument de ieire etalonat direct n
viteza jetului de gaz. Utilizri: meteorologie, marin, construcii
civile, pe macarale, etc. Este static, deci nu se pune problema
uzurii pieselor n micare ca la anemometrul cu elice.
0,5RK
Rt
0,5RK
R
R
Rt
=0
=1
=0,5
=2
0,2
0
1,0
5
a
_1105826555.unknown
_1105827050.unknown
_1105897058.unknown
_1105897104.unknown
_1105897107.unknown
_1105904325.unknown
_1105904609.unknown
_1137493745.unknown
_1137494448.unknown
_1137495321.unknown
_1137495454.unknown
_1137494919.unknown
_1137493757.unknown
_1137493717.unknown
_1137493732.unknown
_1105904722.unknown
_1105904442.unknown
_1105904587.unknown
_1105897125.unknown
_1105897083.unknown
_1105897040.unknown
_1105826775.unknown
_1105826896.unknown
_1105826921.unknown
_1105826959.unknown
_1105827048.unknown
_1105826932.unknown
_1105826912.unknown
_1105826832.unknown
_1105826878.unknown
_1105826815.unknown
_1105826626.unknown
_1105826732.unknown
_1105826598.unknown
_1105826387.unknown
_1105826472.unknown
_1105826499.unknown
_1105826544.unknown
_1105826487.unknown
_1105826450.unknown
_1105826460.unknown
_1105826403.unknown
_1105824845.unknown
_1105826096.unknown
_1105826241.unknown
_1105825231.unknown
_1105820480.unknown
_1105821309.unknown
_1105815420.unknown
