a. compensatoare automate

4. Traductoare

4.1. Noţiuni generale

A măsura o mărime fizică, înseamnă a stabili pe cale experimentală valoarea (numerică) acesteia, prin comparare cu o mărime de aceeaşi natură, aleasă în mod convenţional ca unitate.

De obicei, măsurările sunt efectuate cu participarea unui operator uman, care se reflectă în mod direct în obţinerea rezultatelor. Ţinând cont de acest aspect, operaţia de măsurare, ca o comparaţie direct perceptibilă a mărimii de măsurat cu unitatea, nu este posibilă decât într-un număr restrâns de cazuri în care unităţile pot fi realizate sub o formă care să permită utilizarea lor ca atare. Restricţiile apar, pe de o parte, datorită faptului că există numeroase mărimi fizice care nu sunt accesibile simţurilor umane, iar, pe de altă parte, chiar şi în situaţiile celor care posedă această proprietate, numai, un domeniu limitat de valori poate fi sesizat. Din aceste motive, măsurările se efectuează în marea majoritate a cazurilor cu ajutorul aparatelor de măsurare. Astfel, prin aparat de măsurare se înţelege acel dispozitiv care stabileşte o dependenţă între mărimea de măsurat şi o altă mărime ce poate fi percepută în mod nemijlocit de organele de simţ umane, de o manieră care permite determinarea valorii mărimii necunoscute în raport cu o anumită unitate de măsură.

În cazul sistemelor automate, conducerea proceselor efectuându-se fără intervenţia directă a omului, mijloacele prin care aceasta se realizează se modifică în concordanţă cu noile condiţii. În consecinţă, operaţiile de măsurare în sistemele automate sunt efectuate de traductoare, dispozitive care stabilesc o corespondenţă între mărimea de măsurat şi o mărime cu un domeniu de variaţie calibrat, aptă de a fi recepţionată şi prelucrată de echipamentele de conducere (regulatoare, calculatoare de proces, etc.).

În cele de mai sus, noţiunea de traductor a fost definită în sensul atribuit în automatică. Ea este extinsă adesea şi pentru a denumi elemente cu funcţiuni similare care intră în structura unor lanţuri de măsurare complexă utilizate în scopuri de cercetare, în laboratoare, etc. şi care nu

Măsurări Electrice şi Electronice

sunt incluse într-o buclă de reglare sau într-un sistem de conducere cu calculator.

În cadrul analogiei între conducerea manuală a proceselor şi cea automată, se poate evidenţia asemănarea între funcţiile realizate de traductoare şi de aparatele de măsurare.

Relevând paralelismul funcţional între un traductor şi un aparat de măsurare, este necesar să se observe şi o serie de deosebiri generate de atributul de element component al unui sistem automat pe care îl are traductorul. Aceste deosebiri se manifestă mai ales în ceea ce priveşte caracteristicile statice şi dinamice, dar ele sunt legate şi de unele funcţiuni suplimentare, cu implicaţii asupra ansamblului aparaturii de automatizare.

Din punct de vedere al caracteristicilor statice şi dinamice, principalele cerinţe impuse traductoarelor sunt:

• relaţie liniară de dependenţă între mărimea de intrare şi mărimea de ieşire;

• dinamică proprie care să nu influenţeze în mod esenţial comportarea sistemului de măsurare.

Aceste ipoteze reprezintă restricţii severe în ceea ce priveşte construcţia traductoarelor. Astfel, dacă pentru un aparat de măsurare relaţia de dependenţă între mărimea aplicată şi deviaţia acului indicator este neliniară, aceasta nu constituie un impediment, întrucât se poate grada neliniar scara aparatului, în cazul traductoarelor, dependenţa trebuie să fie strict liniară (eroarea de neliniaritate admisă este foarte redusă), toate calculele de sistem bazându-se pe această proprietate de liniaritate. Relativ la dinamica proprie a traductorului, aceasta trebuie interpretată în sensul necesităţii ca ea să fie foarte rapidă şi, ca urmare, neglijabilă în comparaţie cu dinamica procesului propriu-zis. O astfel de caracteristică este absolut necesară, deoarece informaţiile trebuie furnizate fără întârziere pentru ca intervenţiile de conducere să fie oportune. Se deduce că şi din acest punct de vedere, caracteristicile dinamice ale traductoarelor sunt, în mod frecvent, mult mai pretenţioase decât ale aparatelor de măsurare destinate să indice valori staţionare sau lent variabile, în limitele vitezei de percepţie vizuală.

Traductoarele trebuie să îmbine cerinţele semnalate de liniaritate şi viteză de răspuns ridicată cu performanţe metrologice privind precizia, similare cu cele ale aparatelor de măsurare sau chiar mai ridicate, ţinând cont de posibilităţile superioare de discriminare ale sistemelor de conducere automată faţă de cele ale unui operator.

174

Traductoare

Realizarea funcţiilor menţionate de către traductor, astfel încât semnalul obţinut la ieşirea acestuia să reprezinte valoric mărimea măsurată, implică o serie de operaţii de conversie cu caracter informaţional, însoţite totodată şi de transformări energetice bazate fie pe energia asociată mărimii preluate de la proces, fie pe cea furnizată de surse auxiliare, în acest scop, în componenţa oricărui traductor se pot distinge unele elemente funcţionale tipice, conform structurii generale din figura 4.1, unde x este mărimea aplicată la intrarea traductorului (temperatură, debit, presiune, nivel, viteză, etc), iar y - mărimea furnizată de traductor.

Funcţiile elementelor componente din figura 4.l sunt următoarele:

• Elementul sensibil ES (denumit şi detector, captor sau senzor) este elementul specific pentru detectarea mărimii fizice pe care traductorul trebuie să o măsoare. Sub acţiunea mărimii de intrare, are loc o modificare de stare a elementului sensibil, care, fiind o consecinţă a unor legi fizice cunoscute teoretic sau experimental, conţine informaţia necesară determinării valorii acestei mărimi. Modificarea de stare presupune un consum energetic preluat de la proces, în funcţie de fenomenele fizice pe care se bazează detecţia. Modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la ieşirea ES (de exemplu t.e.m. a unui termocuplu în funcţie de temperatură), în alte situaţii, modificarea de stare are ca efect variaţii ale unor parametri de material a căror evidenţiere printr-un semnal necesită o energie de activare externă. Indiferent cum s-ar manifesta modificarea de stare a ES, de obicei, informaţia furnizată nu poate fi folosită ca atare, necesitând prelucrări ulterioare.

• Adaptorul A are rolul de a adapta informaţia obţinută (simbolic) la ieşirea ES la cerinţele impuse de aparatura de măsurare care o utilizează, respectiv să o convertească sub forma impusă pentru semnalul y.

175

Fig. 4. 1. Structura generală a unui traductor

ES ELT yA

SAE


Funcţiile realizate de adaptor sunt complexe. Ele determină ceea ce se înţelege în mod curent prin adaptare de nivel sau de putere (impedanţă) cu referire la semnalul de ieşire în raport cu dispozitivele sistemului de măsurare. Totodată, adaptorul este cel care asigură conversia variaţiilor de stare ale ES în semnale calibrate reprezentând valoarea mărimii de intrare. Prin urmare, se poate spune că adaptorul este elementul în cadrul căruia se efectuează operaţia specifică măsurării - comparaţia cu unitatea de măsură adoptată. Comparaţia se poate face în raport cu o mărime etalon care exercită o acţiune permanentă şi simultană cu mărimea de intrare (comparaţie simultană). În cele mai multe cazuri comparaţia este nesimultană, în sensul că mărimea etalon este iniţial aplicată din exterior în cadrul operaţiei de calibrare, anumite elemente constructive memorând efectele sale şi utilizându-le ulterior pentru comparaţia cu mărimea de măsurat, singura care se aplică din exterior în aceste cazuri (comparaţie succesivă).

Potrivit legilor fizice pe care se bazează detecţia efectuată de ES şi măsurarea în cadrul adaptorului, poate să apară necesitatea efectuării unor operaţii de calcul liniar (atenuare, amplificare, sumare, integrare, diferenţiere), şi neliniar (produs, ridicare la putere, logaritmare).

După forma de variaţie a semnalelor de la ieşire, adaptoarele pot fi analogice şi numerice. Semnalele analogice se caracterizează prin variaţii continue al unui parametru caracteristic, similare cu variaţiile mărimii aplicate la intrarea traductorului (mărime în mod natural continuă). Prin calibrare, intervalul de variaţie al semnalului analogic se asociază domeniului necesar al mărimii de intrare în traductor şi în consecinţă, fiecărui nivel de semnal îi corespunde o valoare bine precizată (prin legea de dependenţă liniară) a mărimii măsurate.

O dată cu utilizarea tot mai frecventă a calculatoarelor de proces şi a echipamentelor numerice, o serie de traductoare furnizează la ieşire semnale numerice, fiind prevăzute în acest scop cu adaptoare capabile să efectueze conversia analog-numerică.

Semnalele numerice se caracterizează prin variaţii discrete care permit reprezentarea într-un anumit cod a unui număr finit de valori din domeniul de variaţie continuă al mărimii de intrare.

Orice traductor poate fi redus la structura ES + A. Uneori însă, particularităţi legate de aspecte tehnologice sau economice impun prezenţa şi a unor elemente auxiliare. Sunt situaţii, când apare necesitatea unor elemente de legătură pentru transmiterea stării, sau a semnalului furnizat de elementul sensibil către adaptor (ELT, figura 4.1), de exemplu la măsurarea temperaturilor ridicate când ES nu poate fi plasat în aceeaşi

176

Traductoare

unitate constructivă cu adaptorul. În general, elementele de transmisie, realizează conexiuni electrice, mecanice, optice sau de altă natură. Dacă mărimea generată de ES este neadecvată pentru transmisie, de exemplu în cazul transmisiilor la mare distanţă, ele cuprind şi componente de conversie potrivit cerinţelor impuse de canalele de transmisie.

Tot în categoria elementelor auxiliare se încadrează şi sursele auxiliare de energie (SAE) cuprinse în cadrul traductoarelor.

4.2. Elemente sensibile şi adaptoare

Deşi tipurile realizate sunt foarte numeroase, totuşi se poate face o clasificare a elementelor sensibile (ES) ale traductoarelor electrice după următoarele criterii:

• după principiul de conversie a mărimii fizice aplicate la intrare, ES se împart în parametrice sau modulatoare şi generatoare sau energetice;

• după natura mărimii fizice de măsurat se întâlnesc ES pentru: deplasare, viteză, forţă, temperatură, etc.

Denumirea de elemente sensibile parametrice provine de la faptul că mărimea de intrare (neelectrică) determină variaţia unui parametru electric de circuit - rezistenţă, inductivitate, capacitate sau combinaţii ale acestora. Punerea în evidenţă a variaţiilor unor asemenea parametri implică necesitatea unei surse de energie auxiliară. Această sursă generează, de regulă, o tensiune sau un curent electric constant, a cărui valoare este modulată de variaţia parametrului respectiv, obţinându-se astfel un semnal electric ale cărui variaţii reproduc pe cele ale mărimii de măsurat.

Posibilităţile de conversie ale unor mărimi de natură neelectrică se datorează legilor fizice care exprimă dependenţa parametrilor R, L, C la anumite materiale conductoare, semiconductoare sau dielectrice, în funcţie de acele mărimi.

Astfel: rezistenţa electrică a unui conductor omogen:

(4.1)

inductivitatea proprie a unei bobine (circuit magnetic liniar):

177


(4.2)

capacitatea unui condensator plan cu armături paralele:

(4.3)

Există posibilitatea influenţării valorilor acestor parametri prin modificări geometrice (lungime, secţiune), găsindu-se, astfel, aplicaţii în măsurarea deplasărilor, nivelului, grosimii, controlului dimensional, etc.

Se cunosc o serie de fenomene fizice, potrivit cărora anumite mărimi din relaţiile de definiţie menţionate, cum sunt ρ, sau pot fi făcute dependente de variaţiile unor mărimi externe.

Elementele sensibile de tip generator (energetice) sunt utilizate în cazul mărimilor active, adică a acelor mărimi care au asociată o putere ce poate fi utilizată pentru conversie, fără a afecta valoarea mărimii măsurate. În aceste cazuri, nu mai sunt necesare sursele de energie auxiliare, elementul sensibil fiind de aşa natură, încât sub acţiunea mărimii de intrare, el furnizează la ieşire un curent, o tensiune sau o sarcină electrică, având variaţii dependente de intrare.

Există o mare varietate de fenomene fizice pe care se bazează realizarea de elemente sensibile de tip generator: inducţia electromagnetică, termoelectricitatea, piezoelectricitatea, magnetostric-ţiunea, etc. Elementul sensibil de tip generator, în principiu, prezintă avantajul unei cuplări mai uşoare şi unei structuri mai simple a adaptorului, întrucât nu mai necesită conversia unui parametru de circuit (R, L, C) într-un curent sau tensiune. Dacă această afirmaţie este valabilă pentru elementele sensibile de tip electromagnetic care generează semnale cu nivel de amplitudine şi putere suficient de ridicat şi uşor de prelucrat, celelalte tipuri - îndeosebi cele piezoelectrice, electrochimice, într-o anumită măsură şi cele magnetostrictive şi fotoelectrice - impun cerinţe speciale de altă natură. Acestea pot fi echivalente cu nişte generatoare de t.e.m. cu impedanţa internă foarte mare, ceea ce atrage după sine condiţii foarte severe privind impedanţa etajului de intrare în adaptor şi modul de realizare a conexiunilor electrice (rezistenţa de izolaţie foarte bună, ecranări, etc.).

4.2.1. Adaptoare electronice

178

Traductoare

Rolul adaptorului este acela de a converti mărimea generată de elementul sensibil (ES) în semnalul electric de ieşire al traductorului. Deoarece în acest caz, conversia şi adaptarea semnalului de ieşire la cerinţele impuse de elementele lanţului de măsurare implică circuite şi blocuri electronice, se utilizează frecvent denumirea de adaptoare electronice.

Adaptoarele furnizează la ieşire, de regulă, tensiuni şi curenţi electrici variind în limite specificate, indiferent de natura şi domeniul de variaţie al mărimii aplicate la intrarea traductorului. De asemenea, aceste semnale au asociată o putere corelată cu caracteristicile energetice ale circuitelor de intrare din ultimul element al lanţului de măsurare (rezistenţa de sarcină).

Diferenţierile cele mai importante la adaptoare apar pe partea de intrare, care recepţionează mărimile diversificate atât ca natură fizică, precum şi gama de variaţie, furnizate de elementul sensibil. Circuitele de intrare ale adaptoarelor capătă astfel caracteristici particulare în raport cu tipurile elementelor sensibile şi în acest sens vor fi tratate în continuare.

4.2.1.1. Adaptoare pentru elemente sensibile de tip parametricAdaptoarele pentru elemente sensibile de tip parametric se

caracterizează prin aceea că sunt prevăzute la intrare cu scheme specifice parametrilor elementelor de circuit: R, L, C.

Fig. 4.2. Schema bloc a unui adaptor pentru element sensibil rezistiv

Schema bloc a unui adaptor pentru element sensibil rezistiv conţine următoarele elemente (figura 4.2 - în afara elementelor din figură se prevăd şi surse de alimentare):

• SM - schemă de măsurare în punte Wheatstone de curent continuu funcţionând în regim neechilibrat. Pentru alimentarea punţii este necesară o sursă de tensiune stabilizată, deoarece tensiunea de dezechilibru este direct influenţată de variaţiile tensiunii de alimentare. Schemele în punte sunt, de obicei, preferate unor montaje mai simple de

179

BL CTC cIA

BR

BCSMU

rU

R


tipul divizor de tensiune, întrucât ele permit compensarea influenţei unor factori externi şi, deci, asigură o precizie mai ridicată;

• BC - bloc de comparaţie prin diferenţă, care compară tensiunea de dezechilibru U provocată de variaţia R a rezistenţei elementului sensibil, cu tensiunea de reacţie Ur ;

• A - amplificator de tensiune continuă care poate fi de tipul cu cuplare directă sau cu modulare - demodulare. Există o gamă largă de amplificatoare integrate de măsurare, de la tipurile mai simple din categoria AO, până la cele mai evoluate, cu separare galvanică, instrumentale, etc.;

• BL - bloc de liniarizare introdus atunci când este necesar să compenseze neliniarităţile determinate de elementul sensibil sau de schema de măsurare. BL este un generator de funcţii realizat cu diode, diode Zener, tranzistoare, care introduce, în mod intenţionat, neliniarităţi de sens opus celor determinate de elementul sensibil sau de schema de măsurare, astfel ca pe ansamblu, relaţia intrare - ieşire a traductorului, pe domeniul considerat, să fie liniară;

• CTC - convertor tensiune - curent care asigură semnalul unificat de ieşire în curent (de exemplu: 4 ... 20 mA c.c.). De regulă, este realizat cu tranzistoare de putere medie, deoarece amplificatoarele, în special cele integrate, nu pot asigura la ieşire puterea necesară, (de exemplu 20 mA pe o rezistenţă de sarcină în valoare de 600 ). Montajele de tip Darlington sunt cele mai frecvente;

• BR - bloc de reacţie negativă care furnizează tensiunea Ur

proporţională cu Ic; în unele cazuri se prevede un bloc de reacţie şi liniarizare (BRL). Reacţia negativă se introduce în scopul eliminării influenţei perturbaţiilor, astfel încât să cuprindă în bucla respectivă cât mai multe din blocurile componente. Blocul de reacţie, de cele mai multe ori, este un divizor rezistiv de tensiune sau de curent.

Pentru elementele sensibile inductive şi capacitive, structura adaptorului este similară. Deosebirile apar în modul de realizare a elementelor componente. Astfel, schemele de măsurare sunt punţi de c.a. funcţionând în regim neechilibrat, iar amplificatoarele de c.a. sunt de tipul selectiv, acordate pe frecvenţa de alimentare a schemelor de măsurare. Separarea galvanică prin cuplare cu transformator apare în acest caz mai simplă, în schimb cuprinderea cât mai multor elemente în buclă şi liniarizarea devin mai complicate.

4.2.1.2. Adaptoare pentru elemente sensibile de tip generator

180

Traductoare

Elementele sensibile de tip generator furnizează la ieşire un semnal de natura unei tensiuni electrice continue sau alternative (termocuplurile, tahogeneratoarele, etc). În această situaţie, structura adaptorului este în principiu aceeaşi ca în figura 4.2, din care lipseşte însă schema de măsurare (tensiunea dată de termocuplu fiind similară cu tensiunea de dezechilibru a punţii de c.c). În acest caz, se impun o serie de cerinţe specifice amplificatoarelor folosite în cadrul acestor adaptoare. Aceste cerinţe sunt strâns legate de caracteristicile semnalului generat de elementul sensibil, cazurile cel mai frecvent întâlnite, fiind următoarele:

• Tensiuni continue de nivel foarte redus; adaptorul pentru traductorul de temperatură cu termocuplu reprezintă un exemplu tipic în acest sens. Măsurarea tensiunii unor surse de semnal de nivel foarte scăzut, de ordinul mV, cum este cazul termocuplurilor, este afectată în primul rând de deriva tensiunii de decalare. Astfel, dacă se măsoară temperatura cu un termocuplu Pt-Rh-Pt cu o sensibilitate de 10 V/°C şi se utilizează un amplificator cu o derivă de tensiune de 15 V/°C, rezultă că la o variaţie a temperaturii mediului de numai 10°C, deriva va fi de 150V, ceea ce corespunde unei erori de temperatură de 15°C, evident neacceptabilă.

În amplificatoarele de c.c. realizate cu componente discrete, reducerea derivelor se face prin sortări şi ajustări de piese componente, precum şi prin adoptarea unor scheme adecvate de amplificatoare (cu modulare-demodulare, diferenţiale cu compensare statică a derivei etc). Pentru satisfacerea acestor cerinţe, au fost dezvoltate numeroase tipuri de amplificatoare integrate de măsurare cu performanţe ridicate, cum sunt cele cu cuplaj direct şi compensare statică a derivei cu temperatura care asigură derive de 0,25 V/°C şi chiar 0,lV/°C comparabile cu cele ale amplificatoarelor cu modulare-demodulare, dar mai simple şi mai ieftine decât acestea;

• Tensiuni alternative de frecvenţă variabilă în limite largi. Amplificatoarele de tensiune de bandă largă 1Hz...l06Hz sunt necesare, fie în cazul unor traductoare electromagnetice cum sunt tahogeneratoarele, traductoarele de debit cu turbină, fie pentru traductoare destinate măsurării unor mărimi variabile în timp, de exemplu cele piezoelectrice, magnetostrictive. Asemenea amplificatoare se realizează cu cuplaje RC între etaje şi includ o puternică reacţie negativă, necesară pentru asigurarea liniarităţii şi constantei amplificării pe întreaga bandă. În prezent se construiesc amplificatoare integrate de bandă largă, care au amplificări până la 60 dB pe bandă până la l,5MHz;

181


• Tensiuni continue sau alternative obţinute de la surse cu impedanţă proprie de valoare foarte mare. Problemele cele mai dificile le pun amplificatoarele pentru acele elemente sensibile la care sursa de semnal se caracterizează prin rezistenţă sau impedanţă internă foarte mare, de ordinul 108...109 (traductoare de pH, traductoare de debit electromagnetic, traductoare piezoelectrice, etc). Rezultă că în asemenea cazuri, măsurarea trebuie să se facă fără consum de putere de la sursa de semnal. Aceasta înseamnă că amplificatoarele necesare pentru aceste aplicaţii - denumite şi amplificatoare electrometrice - trebuie să realizeze rezistenţe de intrare de 1012...1014 . În tehnica actuală s-au dezvoltat, în principal, două direcţii de elaborare a acestor amplificatoare:

• amplificator cu modulator cu diode varicap;• amplificatoare cu tranzistoare cu efect de câmp.

Celelalte blocuri componente sunt aceleaşi cu cele descrise la adaptoarele pentru elemente sensibile pasive.

4.2.1.3. Adaptoare utilizând scheme de măsurare cu echilibrare automată

Pentru măsurarea precisă a tensiunilor sau curenţilor de nivel scăzut daţi de elementele sensibile generatoare, este necesar să se utilizeze scheme de măsurare de tip compensator care realizează compararea tensiunii sau curentului respectiv cu mărimi similare, a căror valoare poate fi variată automat şi cunoscută cu precizie. Măsurarea se face practic fără consum de putere de la elementul sensibil, ceea ce permite eliminarea erorilor sistematice de metodă.

În cazul elementelor sensibile parametrice, condiţii superioare de precizie se pot obţine, de asemenea, dacă schemele de măsurare în punte sunt făcute să funcţioneze în regim echilibrat prin variaţia corespunzătoare a unei rezistenţe de comparaţie.

Întrucât mărimile furnizate de elementele sensibile variază în timp, rezultă că atât compensarea, cât şi echilibrarea punţilor trebuie să se efectueze automat. Astfel, pentru o serie de traductoare de la care se cer performanţe superioare, adaptoarele se realizează sub forma unor compensatoare automate sau punţi cu echilibrare automată. Asemenea soluţii se adoptă mai ales în acele cazuri în care, simultan cu semnalul de ieşire al traductorului necesar pentru scopuri de reglare, apare şi necesitatea indicării sau înregistrării mărimii măsurate de traductor.

Adaptoarele de acest tip sunt mai complexe decât cele menţionate în paragrafele anterioare, ele conţinând pe lângă circuitele electrice

182

Traductoare

(statice), elemente electromecanice (mobile). Datorită prezenţei pieselor în mişcare, performanţele în regim dinamic sunt mai reduse, ele fiind aplicate numai mărimilor caracteristice proceselor lente (mărimi lent variabile în timp, cu banda de frecvenţă f l Hz).

a. Compensatoare automateCompensatoarele automate pot fi de tip integral şi de tip

proporţional.a1. Compensator automat de tip integralÎn figura 4.3 este prezentată schema de principiu a unui

compensator automat de tip integral. La intrarea amplificatorului A se aplică tensiunea de dezechilibru U, reprezentând diferenţa dintre tensiunea necunoscută Ux şi tensiunea de compensare Uc:

U = Ux -Uc . (4.4)

Fig. 4.3. Compensator automat de tip integral

Această tensiune de dezechilibru, amplificată, se aplică înfăşu-rării de comandă a servomotorului SM, care se pune în mişcare, şi prin intermediul mecanismului M (care transformă mişcarea de rotaţie într-o mişcare de translaţie), deplasează cursorul potenţiometrului R până la anularea tensiunii de dezechilibru U; simultan are loc şi deplasarea acului indicator I în faţa unei scări gradate S. Sensul de rotaţie al servomotorului depinde de polaritatea tensiunii de dezechilibru şi astfel deplasarea cursorului are loc întotdeauna în sensul convenabil echilibrării. În momentul în care U=0, servomotorul se opreşte şi cursorul rămâne în poziţia corespunzătoare condiţiei de compensare până când tensiunea de măsurat îşi modifică din nou valoarea. Procesul de echilibrare se repetă şi cursorul se deplasează într-o nouă poziţie, corespunzătoare noii condiţii de compensare.

183


Particularitatea acestui tip de compensator o constituie existenţa în bucla de reglaj a elementului integrator, reprezentat de servomotor.

Dacă la bornele înfăşurării de comandă a servomotorului se aplică tensiunea:

Um=kaU. (4.5)ka fiind amplificarea amplificatorului A, rotorul se va roti cu viteza unghiulară:

= kmUm = kakmU . (4.6)Viteza liniară de deplasare a cursorului potenţiometrului R fiind

proporţională cu viteza unghiulară a axului

(4.7)

deplasarea l a cursorului va fi: (4.8)

Tensiunea de compensare Uc care se stabileşte la echilibru, este deci, proporţională cu integrala tensiunii de dezechilibru:

(4.9)Eroarea statică fundamentală a compensatorului, determinată de

existenţa pragului de sensibilitate al servomotorului (tensiunea minimă pentru care bucla de reglaj automat intră în funcţiune), este, de obicei, foarte mică, de ordinul 0,l ... 0,2 %.

a2. Compensator automat de tip proporţionalSchema de principiu a unui compensator automat de tip

proporţional este prezentată în figura 4.4. Tensiunea de măsurat Ux este comparată cu căderea de tensiune UN de la bornele rezistenţei etalon RN, cădere de tensiune produsă de curentul de ieşire I al amplificatorului de c.c. (A). Montajul tinde să aducă la zero tensiunea U, adică:

U = UX-UN=UX-RNI = 0. (4.10)de unde rezultă:

. (4.11)

Prin urmare, valoarea curentului I este o măsură pentru tensiunea Ux, deci tensiunea de măsurat a fost transformată în cadrul schemei într-un curent proporţional cu aceasta, curent care poate fi măsurat cu ajutorul unui miliampermetru magnetoelectric gradat direct în unităţi de tensiune.

In realitate, ca în orice sistem de reglare automată de tip proporţional nu se poate obţine o compensare exactă, încât:

184

Traductoare

(4.12)

unde εp reprezintă eroarea de proporţionalitate. Aplicând teorema a doua a lui Kirchhoff (figura 4.4) se obţine:

Ux = RiIi+RN (I + Ii). (4.13)

Fig. 4.4. Compensator automat de tip proporţional bazat peprincipiul compensării tensiunii continue

de unde rezultă:

. (4.14)

Din egalitatea relaţiilor (4.12) şi (4.14) se obţine eroarea de proporţionalitate:

. (4.15)

Deoarece Ri >> RN, relaţia (4.15) devine:

. (4.16)

Din relaţia (4.16) se observă că eroarea de proporţionalitate este cu atât mai mică cu cât tensiunea de intrare ΔU, necesară pentru producerea curentului I, este mai mică, adică cu cât este mai mare factorul de amplificare al amplificatorului A.

Montajul poate fi considerat un generator de curent.Aceste compensatoare sunt folosite frecvent pentru măsurarea

tensiunii furnizate de elementele sensibile termoelectrice.Schema de principiu a unui compensator automat care se bazează

pe principiul compensării curentului continuu este prezentată în figura 4.5. Schema funcţionează ca un sistem de reglare automată a curentului I,

185

xU

NU

iI

UiR

A

iI

I NR

NU

mA


în aşa fel încât căderile de tensiune, în opoziţie, de pe rezistenţele etalon RN1 şi RN2 să se compenseze. În momentul compensării, U = 0 şi, deci, rezultă:

RN2IX=RN1 (I-IX). (4.17)sau:

(4.18)

prin urmare, curentul I indicat de miliampermetrul magnetoelectric este proporţional cu curentul de măsurat Ix.

Fig. 4.5. Compensator automat de tip proporţional bazat pe principiul compensării curentului continuu

La amplificatoarele reale, compensarea completă a curentului nu este posibilă, fiind necesară o tensiune U pentru comanda amplificatorului. Prin urmare, curentul de ieşire al amplificatorului este:

. (4.19)

Conform schemei din figura 4.5 rezultă:RN2 (Ix-Ii)-RN1 (I-Ix + Ii)-RiIi=0. (4.20)

de unde se obţine:

(4.21)

Din egalitatea relaţiilor (4.19) şi (4.21) rezultă eroarea de proporţionalitate:

(4.22)

Deci eroarea de proporţionalitate este cu atât mai mică cu cât factorul de amplificare al amplificatorului este mai mare.

186

xI

ix II

iI

U iRA

2NR

I 1NR

ix III

mAxI

Traductoare

Acest montaj se comportă ca un generator de curent şi se foloseşte pentru măsurarea curentului produs de elementele sensibile fotoelectrice.

b. Punţi cu echilibrare automatăPunţile de c.c. cu echilibrare automată se folosesc, de regulă, în

instalaţiile industriale pentru măsurarea electrică a mărimilor neelectrice şi a variaţiilor acestora, convertibile în rezistenţă. Într-unul din braţele punţii se conectează un element sensibil rezistiv.

Ca şi compensatoarele automate, punţile automate pot fi de tip integral şi de tip proporţional.

b1. Puntea automată de tip integralÎntr-o latură a punţii (figura 4.6) se conectează un element sensibil

rezistiv. Puntea este în echilibru (U=0) pentru valoarea nominală R a rezistenţei elementului sensibil. Sub influenţa mărimii neelectrice de măsurat, rezistenţa elementului sensibil variază cu R, deci apare o tensiune de dezechilibru U0; această tensiune, amplificată, se aplică înfăşurării de comandă a SM, care se pune în mişcare şi prin intermediul mecanismului M (care transformă mişcarea de rotaţie într-o mişcare de translaţie) deplasează cursorul potenţiometrului Rv până la anularea tensiunii U. Simultan are loc şi deplasarea acului indicator I în faţa unei scări S gradate în unităţi ale mărimii neelectrice de măsurat. Particularitatea acestui tip de punte o constituie existenţa, în bucla de reglaj, a elementului integrator, reprezentat de servomotor. Pentru puntea din figura 4.6 sunt valabile relaţiile stabilite pentru compensatorul automat de tip integrator.

b2. Puntea automată de tip proporţional Principiul punţii cu echilibrare automată de tip proporţional este

prezentat în figura 4.7. La variaţia rezistenţei elementului sensibil cu R, apare o tensiune de dezechilibru U0, care se aplică amplificatorului

187

Fig. 4.6. Punte automată de tip integral


A. Curentul I2 de la ieşirea amplificatorului produce o cădere de tensiune la bornele rezistenţei etalon R0, care tinde să reechilibreze puntea:

RI = R0I2 .(4.23)

Rezistenţele punţii sunt astfel alese încât:R3 >> R şi R2 >> R1 + R0, (4.24)

adică se poate considera că nu are loc modificarea curentului I la variaţia rezistenţei elementului sensibil cu R.

Fig. 4.7. Punte automată de tip proporţional

În realitate echilibrarea punţii nu se poate face exact, ca în orice sistem de echilibrare automată de tip proporţional, ci numai aproximativ, încât la ieşirea punţii există o tensiune de dezechilibru:

U = RI - R0I2 = RI - R0Y21U (4.25)unde Y21 este admitanţa de transfer a amplificatorului A. Din relaţia (4.25) se obţine:

(4.26)

Tensiunea de dezechilibru corespunde unei erori absolute de măsurare a variaţiei rezistenţei (respectiv a mărimii neelectrice):

(4.27)

şi unei erori relative:

(4.28)

188

A

mA2I

U0R1R2R

3R

RR

I

E

Traductoare

Eroarea punţii cu echilibrare automată de tip proporţional este cu atât mai mică cu cât admitanţa de transfer Y21 este mai mare, deci cu cât amplificarea amplificatorului este mai mare.

Pentru orice valoare a rezistenţei elementului sensibil există o valoare corespunzătoare pe care trebuie să o aibă curentul de reacţie I2=Y21·U pentru a reechilibra puntea. Deci miliampermetrul magnetoelectric conectat în circuitul de ieşire al amplificatorului şi care măsoară curentul de echilibrare I2, poate fi etalonat direct în unitatea mărimii neelectrice sesizată de elementul sensibil. Datorită faptului că indicaţia miliampermetrului:

(4.29)

este proporţională cu tensiunea de dezechilibru, puntea se numeşte de tip proporţional.

4.3. Convertoare pentru traductoare numerice

Pe măsura introducerii tot mai largi a calculatoarelor de proces sau a echipamentelor numerice specializate, de conducere automată, apare tot mai frecvent necesitatea ca traductoarele să fie prevăzute cu ieşiri numerice. Ieşirile traductoarelor numerice uzuale sunt semnale compatibile TTL care reprezintă valoarea măsurată în cod binar sau binar codificat zecimal.

Modalitatea cea mai simplă de obţinere a unei astfel de ieşiri numerice constă în conversia analog - numerică (A/N) a semnalului de

Fig. 4.8. Traductor cu ieşire numerică

ieşire obţinut la ieşirea unuia din adaptoarele prezentate în paragrafele anterioare, conform schemei din figura 4.8.

189

UElement sensibil Adaptor Convertor analogic-numeric

Inyx


4.4. Traductoare integrate

Traductoarele integrate înglobează într-o unitate constructivă de mici dimensiuni, similară circuitelor integrate, atât elementul sensibil, cât şi adaptorul. Elementul sensibil şi adaptorul sunt atât de intim cuplate, încât elementele de legătură şi transmisie, semnificative la traductoarele uzuale, practic au dispărut. În prezent, se fabrică în mod curent traductoare integrate de presiune (forţă, acceleraţie), de temperatură, cu performanţe ridicate şi la dimensiuni reduse considerabil faţă de traductoarele clasice.

4.5. Elemente sensibile parametrice

4.5.1. Elemente sensibile rezistive

Deşi constructiv, traductoarele cu elemente sensibile rezistive sunt cele mai simple, utilizarea lor este relativ redusă datorită erorilor şi a rezoluţiei mai scăzute.

Elementele sensibile rezistive fac parte din grupa elementelor sensibile parametrice şi se bazează pe faptul că mărimea de măsurat produce o variaţie a rezistenţei electrice a elementului sensibil. Variaţia rezistenţei electrice R poate fi produsă prin variaţia unuia din parametrii care intervin în relaţia (4.1) şi de aceea elementele sensibile rezistive sunt utilizate pentru măsurarea mărimilor neelectrice care produc variaţia unuia dintre cei trei parametri şi anume:

• elemente sensibile rezistive la care variaţia rezistenţei se produce prin variaţia lungimii conductorului;

• elemente sensibile rezistive la care variaţia rezistenţei se produce prin variaţia rezistivităţii;

• elemente sensibile rezistive la care variaţia rezistenţei se produce prin variaţia secţiunii unui conductor sau semiconductor.

4.5.1.1. Elemente sensibile potenţiometriceElementele sensibile potenţiometrice sunt constituite dintr-un

potenţiometru al cărui cursor se deplasează sub acţiunea mărimii neelectrice de măsurat, deplasarea cursorului putând fi liniară (figura 4.9) sau circulară.

190

Traductoare

Prin deplasarea cursorului are loc modificarea lungimii l din potenţiometru care este inclusă în circuitul de măsurare, ceea ce conduce la relaţia:

R=f(x), (4.30)unde R este rezistenţa elementului sensibil, iar x - mărimea neelectrică de măsurat care produce deplasarea cursorului.

Caracteristica de conversie a elementului sensibil potenţiometric liniar este dată de relaţia:

(4.31)

unde: Rt este rezistenţa totală a potenţiometrului; R - rezistenţa între cursor şi un capăt; lt - lungimea totală; l - lungimea corespunzătoare deplasării cursorului; a = l/lt – deplasarea relativă.

Pentru potenţiometrul circular se poate scrie în mod similar:

(4.32)

unde: t este unghiul

maxim de rotaţie a cursorului; - unghiul de rotaţie a cursorului faţă de un capăt; a1 = /t.

Deoarece elementele sensibile potenţiometrice se execută prin bobinarea unui fir rezistiv pe un suport izolant, rezultă că variaţia rezistenţei nu se produce în mod continuu ci în trepte care corespund trecerii cursorului de pe o spiră pe alta. Rezultă că valoarea rezistenţei R este afectată de o eroare de discontinuitate:

(4.33)

unde n reprezintă numărul total de spire, iar este eroarea de

discontinuitate. Eroarea relativă de discontinuitate va fi:

191

Fig. 4.9. Element sensibil potenţiometric liniar


(4.34)

unde se numeşte factor de treaptă.

Eroarea de discontinuitate este cu atât mai mică cu cât factorul de treaptă este mai mic. Pentru a micşora factorul de treaptă se construiesc potenţiometre elicoidale cu pas multiplu.

Întrucât principalele surse de erori sunt variaţia temperaturii mediului şi erorile de contact, se impune utilizarea, pentru firul conductor, a unui material cu coeficient de variaţie a rezistivităţii cu temperatura foarte mic (constantan sau manganină); pentru cursor - lamele sau perii din fire de argint cu grafit; pentru carcasă - materiale ceramice cu bună izolaţie şi bună stabilitate cu temperatura.

Elementele sensibile potenţiometrice se utilizează pentru măsurarea deplasărilor liniare pentru lungimi până la 2 m sau pentru deplasări unghiulare. De asemenea, se utilizează în structura traductoarelor complexe pentru măsurarea nivelelor, presiunilor, forţelor, etc.

4.5.1.2. Elemente sensibile rezistive cu contacteAcestea sunt elemente

sensibile rezistive la care variaţia lungimii firului rezistiv se face în trepte prin închiderea sau deschiderea unor contacte. În acest scop rezistenţa elementului sensibil este divizată în mai multe porţiuni şi prezintă posibilitatea închiderii sau deschiderii unor contacte de către mărimea mecanică de măsurat (figura 4.10). Sensibilitatea elementului sensibil rezistiv cu contacte se poate mări cu

ajutorul unor transmisii cu pârghii. Limita sensibilităţii este determinată, mai ales, de distanţa minimă

dintre contacte, care este limitată de pericolul de străpungere şi depinde de tensiunea aplicată contactelor. Tensiunea aplicată contactelor trebuie să fie mai mică decât valoarea la care începe străpungerea şi ea depinde de distanţa dintre contacte, de forma şi materialul contactelor şi de

192

Fig. 4.10. Element sensibil rezistiv cu contacte

Traductoare

presiunea pe contact. Contactele se pot confecţiona din platină, platină cu iridiu, wolfram, molibden, în funcţie de condiţiile de utilizare.

Elementele sensibile rezistive cu contacte sunt utilizate în operaţiile de control dimensional sau de sortare a pieselor pe intervale de valori.

4.5.1.3. Elemente sensibile tensometrice rezistiveElementele sensibile tensometrice rezistive reprezintă elemente

sensibile rezistive la care variaţia rezistenţei electrice se produce prin variaţia lungimii conductorului, ca efect al alungirii sau contracţiei. Dacă elementul sensibil tensometric este fixat pe o porţiune dintr-o piesă care se deformează din cauza unei solicitări, el se va deforma la fel cu piesa.

Măsurând prin metode electrice variaţia de rezistenţă a elementului sensibil tensometric, care este proporţională cu alungirea sa, se poate determina, pe baza unei etalonări prealabile, deformaţia în porţiunea de piesă studiată şi în final mărimea neelectrică care a produs această deformaţie.

Pentru a stabili relaţia care există între deformaţia firului rezistiv şi variaţia rezistenţei sale electrice, se consideră un conductor rectiliniu de lungime l şi de secţiune transversală S, confecţionat dintr-un material având rezistivitatea ρ.

Rezistenţa iniţială a firului este:

(4.35)

Logaritmând relaţia (4.35) şi diferenţiind-o, se obţine: lnR = ln + lnl-lnS, (4.36)

. (4.37)

Deoarece

. (4.38)

unde este coeficientul Poisson (raportul dintre deformaţia transversală şi cea longitudinală), rezultă:

. (4.39)

Experimental s-a stabilit că între variaţia de volum şi cea a rezistivităţii unui corp există relaţia:

. (4.40)

193


unde C este o constantă a materialului folosit.Înlocuind (4.40) în relaţia (4.39), se obţine:

. (4.41)

Sensibilitatea elementului sensibil tensometric St, este raportul

dintre variaţia relativă a rezistenţei sale, şi variaţia relativă a lungimii

sale (alungirea specifică) :

. (4.42)

Rezultă că între variaţia de rezistenţă a firului şi alungirea sa

specifică ε = există relaţia liniară:

(4.43)

După modul de realizare şi de montare a elementului sensibil tensometric se disting următoarele tipuri:

• Elemente sensibile tensometrice simple. În acest caz, elementul sensibil rezistiv (firul rezistiv) se montează direct pe piesă şi el urmăreşte deformaţiile piesei. Deoarece firul rezistiv are grosimea de ordinul sutimilor de milimetru, montarea acestor elemente sensibile este o operaţie dificilă şi de aceea ele se utilizează numai pentru măsurarea deformaţiilor pieselor ce funcţionează la temperaturi ridicate;

• Elemente sensibile tensometrice cu suport de hârtie. Pentru a se elimina dificultăţile montării directe a firului rezistiv pe piesă, acesta este lipit, în prealabil, cu un adeziv pe un suport de hârtie. Deoarece rezistenţa electrică a firului trebuie să fie destul de mare, pentru ca elementul sensibil să aibă o sensibilitate corespunzătoare, lungimea totală a firului este de ordinul a 10 cm. Pentru a se reduce suprafaţa de aşezare a elementului sensibil, firul este dispus sub forma unui grilaj, figura 4.11,a. Pentru utilizare, suportul elementului sensibil se lipeşte pe piesa de studiat. Acest tip de element sensibil tensometric este cel mai răspândit.

194

Traductoare

• Elemente sensibile tensometrice rezistive cu folie. Aceste elemente sensibile sunt în principiu identice cu cele precedente, deosebirea constând în faptul că elementul sensibil nu mai este un fir subţire, ci o folie din material rezistiv, de grosime 2...20 m, aplicată în prealabil pe suport şi decupată prin mijloace foto - chimice. Elementul sensibil cu folie are avantajul unui contact mecanic şi termic mai bun cu piesa de studiat, ceea ce permite funcţionarea cu un curent de măsurare mai mare. Totodată se pot obţine dimensiuni mai mici.

• Elemente sensibile tensometrice rezistive cu semiconductor. În acest caz elementul sensibil este un semiconductor (siliciu sau germaniu). Avantajul principal, faţă de tipurile de elementele sensibile menţionate anterior este marea lor sensibilitate la deformaţii (de 50...60 ori mai sensibile decât elementele sensibile cu fir sau folie).

Pentru măsurarea deformaţiilor care au loc în lungul unei direcţii cunoscute de exercitare a efortului, este suficientă folosirea unui singur element sensibil. Când direcţia efortului nu este cunoscută, se foloseşte o reţea multiplă de elemente sensibile (o rozetă) care permite calculul ulterior al direcţiilor şi valorilor deformaţiilor. Rozetele tensometrice sunt realizate din 3 - 4 elemente sensibile, situate la 45° sau 60° între ele (figura 4.11,b şi c).

Elementele sensibile tensometrice rezistive sunt utilizate la măsurarea a numeroase mărimi mecanice: forţe, presiuni, acceleraţii, vibraţii, momente de torsiune, etc.

4.5.1.4. Elemente sensibile termorezistiveElementele sensibile termorezistive se bazează pe proprietăţile

materialelor conductoare şi semiconductoare de a-şi modifica rezistivitatea electrică la variaţia temperaturii. În general, rezistivitatea metalelor creşte cu creşterea temperaturii, adică prezintă un coeficient de

195

Fig. 4.11. Element sensibil tensometric rezistiv: a) - cu suport de hârtie; b) şi c) - rozete.

a) b) c)


temperatură pozitiv, iar rezistivitatea electroliţilor, semiconductoarelor şi materialelor izolante scade cu creşterea temperaturii.

Elementele sensibile termorezistive sunt de două tipuri: termorezistenţe şi termistoare.

Termorezistenţele sunt elemente sensibile parametrice care îşi modifică rezistenţa cu temperatura după o relaţie de forma:

R = R0 [1+ ( -0)+( -0)2+..],(4.44)

iar dacă 0=0, se obţine:R = R0 (l + + 2 +...) ,(4.45)

unde , , ... au valori constante pentru anumite intervale de temperatură, iar R0 este rezistenţa la temperatura = 0° C.

Pentru un interval restrâns de temperatură se consideră doar primul termen din dezvoltare

R = R0(l + ), (4.46)astfel că dependenţa rezistenţei de temperatură este liniară.

O măsurare precisă se face luând doi sau trei termeni din dezvoltarea (4.45), deoarece caracteristica termorezistenţei este totuşi neliniară.

Termorezistenţele se realizează prin bobinarea bifilară a firului rezistiv pe un suport izolant şi introducerea lui într-un tub de protecţie.

Termorezistenţele se utilizează pentru măsurarea temperaturii şi în construcţii speciale pentru măsurarea vitezei gazelor, a debitului volumetric, a concentraţiei gazelor şi a presiunilor scăzute.

Termistorul este un dispozitiv realizat dintr-un material semiconductor special (oxizi de metale grele aglomerate prin presare) care îşi modifică puternic rezistenţa cu temperatura. Dacă la metale creşterea temperaturii determină creşterea rezistenţei, în cazul termistoarelor aceasta scade în aceleaşi condiţii. Ca la toate semiconductoarele, rezistenţa termistorului este dată de:

(4.47)

unde a şi b sunt constante, iar T este temperatura în °K.Aceeaşi relaţie se poate scrie şi sub forma:

(4.48)

196

Traductoare

unde R0 este rezistenţa la temperatura T0 în °K.Sensibilitatea unui termistor este:

(4.49)

adică scade cu pătratul temperaturii. Din această relaţie rezultă că intervalul de utilizare (de sensibilitate ridicată) este cel al temperaturilor relativ mici.

Se poate defini un coeficient de variaţie a rezistivităţii, asemănător celui de la metale:

(4.50)

Aceasta arată o neliniaritate foarte accentuată a caracteristicii de conversie pentru termistoare, o variaţie foarte mare a rezistenţei cu temperatura şi anume o scădere a rezistenţei.

Termistoarele au dimensiuni foarte mici (sfere cu diametre sub l mm), sensibilitate mare, rezistenţă iniţială mare şi necesită scheme de liniarizare a caracteristicii de conversie.

Termistoarele sunt indicate atât pentru măsurări statice cât şi, în special, pentru măsurări dinamice ale temperaturilor.

4.5.1.5. Elemente sensibile piezorezistiveEfectul piezorezistiv constă în modificarea rezistivităţii unui

material dacă este supus unei presiuni exterioare crescătoare din toate direcţiile. Variaţia rezistivităţii cu presiunea se datorează deformării reţelei cristaline produsă de presiunea exterioară (figura 4.12).

Pentru majoritatea metalelor şi pentru intervale restrânse de variaţie a presiunii rezistenţa electrică variază liniar cu presiunea:

R = R0(l + bp), (4.51)

197

Fig. 4.12. Element sensibil piezorezistiv

Fig. 4.13. Element sensibil fotorezistiv


unde R0 este rezistenţa la presiunea de l atm, iar b este coeficientul de presiune. Cel mai utilizat material este manganina, deoarece influenţa temperaturii este cea mai mică. Rezistenţa iniţială este R0 = 100 . Aceste elemente sensibile sunt simple, robuste, au un timp de răspuns mic, dar prezintă unele dificultăţi la realizarea legăturilor electrice prin pereţii camerei de presiune. Elementele sensibile piezorezistive sunt utilizate cu precădere pentru măsurarea presiunilor mari şi foarte mari, peste 1000 atm ajungând până la 100 000 atm.

4.5.1.6. Elemente sensibile fotorezistiveAcestea se bazează pe efectul fotoelectric intern, care constă în

faptul că la căderea unui fascicul luminos pe stratul semiconductor (figura 4.13), datorită absorbţiei fotonilor incidenţi, se transmite energie electronilor din banda de valenţă şi unii trec în banda de conducţie micşorându-se rezistenţa electrică a semiconductorului. Elementul sensibil fotorezistiv se realizează (figura 4.13) prin depunerea pe un suport izolant a unui strat subţire P de ordinul a l m grosime de material semiconductor: sulfura de plumb, sulfura de cadmiu, seleniură de cadmiu etc. Pe stratul semiconductor sunt aplicaţi la extremităţi electrozii, fixate conexiunile şi elementul sensibil se protejează prin acoperire cu lac sau capsulare. La cei doi electrozi A şi B este conectată o sursă de tensiune continuă şi un instrument magnetoelectric. În stare neluminată, prin elementul sensibil trece un curent de valoare redusă care se numeşte curent de întuneric, iar când suprafaţa este iluminată, rezistenţa scade aproximativ liniar cu iluminarea. Deci din punct de vedere electric, elementul sensibil fotorezistiv se comportă ca o rezistenţă a cărei valoare este comandată prin lumină.

Elementele sensibile fotorezistive prezintă o sensibilitate ridicată, o sensibilitate spectrală favorabilă aplicaţiilor, şi deşi au o pronunţată dependenţă de temperatură şi o inerţie mare, sunt folosite în realizarea exponometrelor şi în măsurări în care intervin impulsuri de lumină cu frecvenţă joasă.

4.5.2. Elemente sensibile inductive

Elementele sensibile inductive fac parte din grupa elementelor sensibile parametrice şi se bazează pe proprietatea că mărimea de măsurat produce o variaţie a inductivităţii elementului sensibil. Inductivitatea proprie sau mutuală a elementului sensibil este modificată

198

Traductoare

de acele mărimi care influenţează geometria sau permeabilitatea magnetică a circuitului magnetic al elementului sensibil. Elementele sensibile inductive pot fi clasificate în:

• elemente sensibile la care sunt influenţate inductivităţi proprii şi mutuale;

• elemente sensibile la care este influenţată permeabilitatea magnetică.

Elementele sensibile inductive la care sunt influenţate inductivităţi proprii şi mutuale sunt utilizate pentru măsurarea deplasărilor. Din acest punct de vedere, elementele sensibile inductive se pot clasifica în:

• elemente sensibile pentru deplasări liniare mici (10-2...102 mm);• elemente sensibile pentru deplasări unghiulare;• elemente sensibile pentru deplasări liniare mari.

4.5.2.1. Elemente sensibile inductive pentru deplasări liniare mici

Din punct de vedere constructiv aceste elemente sensibile sunt de două tipuri: cu modificarea inductivităţilor proprii sau mutuale prin deplasarea unui miez mobil şi cu modificarea întrefierului.

a. Elemente sensibile inductive cu miez mobilCel mai simplu element sensibil de acest tip este constituit dintr-o

bobină cilindrică în interiorul căreia se deplasează un miez feromagnetic, de aceeaşi lungime cu bobina, sub acţiunea mărimii de măsurat x (figura 4.14,a). Deplasarea miezului provoacă o variaţie a inductivităţii proprii a bobinei între valorile L0 şi Lmax corespunzătoare miezului scos din bobină, respectiv complet introdus în bobină.

Fig. 4.14. Element sensibil inductiv cu miez mobil: a) -circuitul magnetic; b) - caracteristica de conversie

199

a) b)


Dependenţa inductivităţii L a bobinei în funcţie de deplasarea x a miezului feromagnetic faţă de poziţia de inductivitate maximă se poate exprima prin relaţia:

L = (Lmax-L0)e-k(x/l)+ L0 . (4.52)Caracteristica de conversie L = L(x) exprimată de relaţia (4.52)

este neliniară (figura 4.14,b).Dacă bobina este alimentată cu o tensiune alternativă de valoare

efectivă U şi de frecvenţă f, rezultă un curent alternativ a cărui valoare efectivă este:

(4.53)

Măsurând curentul I se obţine o informaţie privind deplasarea miezului.

Varianta diferenţială (figura 4.15) permite ameliorări în ce priveşte sensibilitatea şi caracteristica de conversie. Elementul sensibil inductiv cu bobine diferenţiale este format din două bobine (figura 4.15,a), fiecare de lungime l, în care se poate deplasa axial un miez feromagnetic de aceeaşi lungime l. Prin deplasarea miezului feromagnetic se modifică în sens invers inductivităţile proprii L1 şi L2 ale celor două bobine, precum şi inductivitatea lor mutuală M.

Cele două bobine de impedanţe Z1 şi Z2 împreună cu două rezistenţe de valori egale R sunt conectate într-o punte de c.a. (figura 4.15,a) care este alimentată cu o tensiune alternativă U.

Fig. 4.15. Element sensibil inductiv cu bobine diferenţiale: a) - schema de principiu; b) - caracteristica de conversie

200

a) b)

Traductoare

Pentru x = 0, corespunzător aşezării simetrice a miezului în cele două bobine, rezultă L1 = L2 şi U = 0. Dacă miezul feromagnetic se deplasează sub acţiunea mărimii de măsurat, se modifică cele două inductivităţi şi rezultă o tensiune de dezechilibru:

(4.54)

Dacă se neglijează rezistenţele bobinelor în comparaţie cu reactanţele, se poate scrie: =j(L1+M); =j(L2+M).

(4.55)şi relaţia (4.54) devine:

(4.56)

Caracteristica de conversie U = f (x), exprimată de relaţia (4.56) şi reprezentată în figura 4.15,b este liniară pe intervalul (-1/2, 1/2). Tensiunile de dezechilibru din zona negativă a caracteristicii de conversie corespund unor tensiuni defazate cu 180° faţă de cele corespunzătoare situaţiei L1 - L2 > 0 şi, de aceea, folosindu-se un redresor sensibil la fază se evidenţiază şi sensul deplasării.

O variantă asemănătoare cu cea anterioară este aceea la care bobinele din montajul diferenţial constituie secundarul unui transformator. Traductoarele realizate cu un astfel de element sensibil se numesc de tip transformator diferenţial (figura 4.16). Elementul sensibil este compus dintr-o bobină primară şi două bobine secundare, aşezate

201

Fig. 4.16. Element sensibil inductiv de tip transformator diferenţial


coaxial, în interiorul cărora se poate deplasa un miez din material feromagnetic (bobina primară este cea din mijloc). Când bobina primară este alimentată de la o sursă externă de c.a., în bobinele secundare se induc tensiuni electromotoare. Deoarece bobinele secundare sunt conectate în opoziţie, tensiunile induse sunt în opoziţie de fază. Astfel, la ieşire se obţine diferenţa tensiunilor induse:

U2=U’2-U”

2. (4.57)În cazul în care miezul feromagnetic se află situat în interiorul

bobinei primare, poziţie considerată de zero, cele două tensiuni secundare sunt egale şi tensiunea de ieşire U2=0. În cazul în care miezul feromagnetic se deplasează la stânga, pătrunde mai mult în secundarul din stânga, se măreşte inductivitatea mutuală între cele două bobine, creşte tensiunea U’

2 şi scade tensiunea U”2, rezultând la ieşire o tensiune

U20. La deplasarea miezului feromagnetic spre dreapta, creşte tensiunea U”

2 şi scade tensiunea U’2. Se pune în evidenţă în acest mod şi

sensul de deplasare. Caracteristica de conversie este liniară.Aceste elemente sensibile folosesc ca adaptor un redresor sensibil

la fază. Elementele sensibile inductive de tip transformator diferenţial au o foarte mare sensibilitate şi sunt utilizate pentru măsurarea abaterilor cu intervale de măsurare cuprinse între -3 m şi +3 m până la - 100 m la +100 m (micrometre electrice) sau pentru măsurarea deplasărilor foarte mici până la 20 mm.

b. Elemente sensibile inductive cu întrefier variabilCel mai simplu element sensibil inductiv cu întrefier variabil (cu

armătură mobilă) este constituit dintr-un circuit magnetic în formă de U şi o armătură mobilă care se deplasează sub acţiunea mărimii de măsurat x (figura 4.17,a). Pe circuitul magnetic fix este dispusă o bobină cu N spire, a cărei inductivitate proprie L variază ca urmare a deplasării

202

a) b)

Fig. 4.17. Element sensibil inductiv cu armătură mobilă: a) -circuitul magnetic; b) - caracteristica de conversie.

Traductoare

armăturii. Dacă se neglijează fluxul magnetic de scăpări, reluctanţa circuitului magnetic este:

(4.58)

unde: l1, respectiv l2 este lungimea medie a liniilor de câmp prin circuitul magnetic, respectiv prin armătură; S1, respectiv S2 - aria secţiunii transversale a circuitului magnetic, respectiv a armăturii; S3 - aria întrefierului; 0 - permeabilitatea vidului; Fe - permeabilitatea relativă a materialului feromagnetic; δ - întrefierul în poziţia de referinţă; x - deplasarea armăturii mobile.

Dacă S1 = S2 = S3 = S şi l1 + l2 = lFe, atunci relaţia (4.58) devine:

(4.59)Ţinând seama de relaţia (4.59), inductivitatea bobinei este:

(4.60)

Relaţia (4.60) evidenţiază o caracteristică de conversie L(x) neliniară (figura 4.17,b), cu atât mai accentuată cu cât domeniul de variaţie al întrefierului este mai mare.

Pentru Fe foarte mare, rezultă:

(4.61)

şi relaţia (4.60) devine:

(4.62)

Pentru x << inductivitatea L dată de relaţia (4.62) se poate scrie

sub forma:

Deci pentru deplasări mici (x << ; x 0,l) caracteristica de conversie este liniară. Din acest motiv acest tip de element sensibil este

203

(4.63)


recomandabil pentru măsurări în cazul unor deplasări mici, pentru intervale de măsurare cuprinse între 0 ... 10 m până la 0 ... 5 mm.

O ameliorare a liniarităţii caracteristicii de conversie se obţine utilizând montajul diferenţial (figura 4.18), unde 1 = 0 - x, 2 = 0+x, iar 0 este valoarea întrefierului în poziţia de referinţă. Adaptorul pentru acest tip de element sensibil este puntea de c.a. (figura 4.18,a). Pentru x = 0, corespunzător aşezării simetrice a armăturii mobile, rezultă 1 = 2 = 0 , L1 = L2 şi deci U = 0. Dacă armătura mobilă se deplasează (1 2), se modifică cele două inductivităţi şi rezultă o tensiune de dezechilibru de forma:

U = K·U·R·(L1 –L2). (4.64)

La aceste elemente sensibile nu pot fi satisfăcute simultan condiţiile de liniaritate şi cele de sensibilitate; soluţia de compromis fiind: / max = 0,3 ... 0,4.

Elementele sensibile cu modificarea întrefierului se pot realiza şi în variante de tip transformator, atât simple (figura 4.19,a) cât şi diferenţiale (figura 4.19,b).

Tensiunea de ieşire pentru elementul sensibil din figura 4.19,a este:

(4.65)

unde K este factorul de cuplaj, dependent de deplasarea x. Pentru elementul sensibil de tip transformator diferenţial (figura

204

a) b)Fig. 4.18. Element sensibil inductiv cu armătură mobilă diferenţial:

a) -circuitul magnetic; b) - caracteristica de conversie.

Traductoare

4.19,b), tensiunea de ieşire este:

unde 0 este valoarea întrefierului corespunzătoare poziţiei de zero. În ceea ce priveşte adaptorul, transformatorul diferenţial cu

modificarea întrefierului poate fi cuplat cu etaje de tip amplificator / redresor, dar mai frecvent se utilizează un montaj de tip oscilator cu cuplaj magnetic.

Elementele sensibile de acest tip sunt caracterizate prin: gabarit redus, rezoluţie foarte bună şi robusteţe sporită. Principala sursă de erori o constituie modificările caracteristicilor magnetice ale miezului prin îmbătrânire.

4.5.2.2. Elemente sensibile inductive pentru deplasări unghiulare

Cele mai răspândite elemente sensibile inductive din această categorie sunt cele de tip selsin. Selsinele fac parte din categoria maşinilor electrice speciale. Considerând statorul inductor, alimentat cu tensiunea e1=E1msin(t), în rotor se va induce tensiunea e2 = E2mcos()sin(t), unde este unghiul între axele electrice ale celor două înfăşurări (figura 4.20).

205

a) b)Fig. 4.19. Element sensibil inductiv cu armătură mobilă tip:

a. - transformator simplu; b.- transformator diferenţial.

,UNNxK2

UNNxKU

NNxKUUU

11

2

11

201

1

20

"2

'22

(4.66)


Deci, la variaţia ciclică a unghiului de la 0 la 360° se obţine o tensiune maximă E2, care la fiecare trecere prin zero îşi schimbă faza.

Acest lucru permi-te, pe de o parte, eviden-ţierea fiecărei semirotaţii (prin schimbarea fazei), iar pe de altă parte, în cadrul fiecărei semirotaţii (0180°) amplitudinea tensiunii induse este dependentă de unghi.

Traductoarele cu element sensibil de tip selsin se realizează în două variante de bază: de tip resolver şi de tip inductosin.

a. Elemente sensibile de tip resolverResolverul (denumit şi selsin bifazat) conţine două înfăşurări

statorice decalate electric cu 90°, rotorul fiind monofazat, în funcţie de modul de alimentare, inductorul poate fi sau rotorul sau statorul. Astfel, dacă rotorul este alimentat cu o tensiune ur = Um sin(t), se obţin în stator două tensiuni:

us1 = Us1m sin (t) cos , (4.67)

us2 = Us2m sin (t) sin , (4.68)

unde este unghiul pe care îl face rotorul cu axa înfăşurării statorului S1

iar Us1, Us2 depind de raportul de transformare între înfăşurări (Us1 şi Us2

206

Fig. 4.20. Element sensibil inductiv de tip selsin

Fig. 4.21. Element sensibil inductiv de tip resolver

Fig. 4.21. Element sensibil inductiv de tip resolver

Traductoare

sunt proporţionale cu fluxurile, defazajul de 90° păstrându-se doar în ipoteza că impedanţa de sarcină este infinită). Se consideră că acest raport este egal cu 1 pentru ambele înfăşurări şi deci Us1 = Us2 = Ur.

Dacă se alimentează statorul, rotorul devine indus, în această situaţie, se pot evidenţia două metode distincte de utilizare, cu modulaţie de amplitudine şi cu modulaţie de fază.

Resolver cu modulaţie de amplitudine. Pentru a măsura poziţia unghiulară a unui ax (care antrenează rotorul), referitor la o poziţie de referinţă a, se alimentează cele două înfăşurări statorice cu tensiunile:

us1 = Um sin () sin (t). (4.69)

us2 = Um cos () sin (t). (4.70)

Tensiunea indusă în rotor va fi pentru o poziţie unghiulară a axeirotorului faţă de axa înfăşurării statorului S:

ur = Us1m cos ± Us2msin = Um sin (t) sin ( ± ).(4.71)Semnul (±) este determinat de sensul de parcurgere a înfăşurărilor

S1, S2. Pentru sensul marcat în figura 4.21, semnul este (-), aşa după cum se poate constata şi din diagrama fazorială. De asemenea, dacă tensiunile statorice sunt:

us1 = Um sin (t) cos . (4.72)us2 = Um sin (t) sin . (4.73) tensiunea rotorică va fi:ur = Um sin (t) cos ( ). (4.74)

Se obţine deci, la ieşire, o tensiune cu amplitudinea modulată cu sinusul (sau cosinusul) unghiului = - , care reprezintă abaterea de la poziţia prescrisă.

Resolver cu modulaţie de fază. Se consideră, de această dată, alimentarea statorului cu două tensiuni de aceeaşi frecvenţă şi amplitudine, dar decalate cu 90° electrice:

(4.75)

Tensiunea indusă în rotor va fi:ur = Um [sin (t) cos ± cos (t) sin ] = Um·sin (t ± ). (4.76)

Tensiunea rezultantă are, deci, o fază proporţională cu unghiul care caracterizează poziţia relativă dintre rotor şi stator.

b. Elemente sensibile de tip inductosin circular

207


Inductosinul circular poate fi echivalat cu un selsin multipolar desfăşurat în plan, cu un număr foarte mare de poli. Constructiv, el constă din două discuri plane, separate între ele printr-un interstiţiu de aer de 0,1...0,3 mm. Unul din discuri este mobil (rotorul), cuplat solidar cu obiectul a cărui deplasare unghiulară se măsoară, iar celălalt fix, asociat cu sistemul de referinţă (statorul). Pe discul fix, de regulă inductor, sunt dispuse două înfăşurări multipolare plane (realizate în tehnica circuitelor imprimate), decalate între ele cu 90° electrice (1/2 din lăţimea unei spire). Rotorul, uzual un indus, conţine o înfăşurare cu acelaşi pas.

Similar, ca şi la selsin, în rotor, în cazul modulaţiei de fază, se obţine:

ur =Um sin (t - p ) (4.77)

iar în cazul modulaţiei de amplitudine:ur =Um sin tsin( - p ) (4.78)

unde: p este numărul de perechi de poli ai înfăşurării rotorice;

(k= 0,1,2,3); -unghiul de rotaţie între rotor şi stator; α - unghiul de referinţă.

Pentru p = 1000 se obţine o deplasare de 360° electrice la 0,36° mecanice. Uzual, pasul de divizare se ia 2°.

4.5.2.3. Elemente sensibile inductive pentru deplasări liniare mari

Din această cate-gorie face parte inducto-sinul liniar. Acesta, ca şi inductosinul circular, poate fi asimilat cu un selsin multipolar desfă-şurat în plan, la care rotorul este o riglă a cărei lungime trebuie să aco-pere domeniul maxim de măsurare, iar statorul este un cursor ce se deplasea-ză deasupra riglei. Pe riglă şi pe cursor se află înfăşurări realizate din

208

Fig. 4.22. Inductosin liniar

Traductoare

folie de cupru imprimate prin procedee serigrafice. Rigla are o singură înfăşurare, iar cursorul are două înfăşurări, toate realizate cu acelaşi pas p = 2P. Între spirele celor două înfăşurări ale cursorului există un decalaj spaţial de 90° electrice (figura 4.22). Inductosinul se poate utiliza ca element sensibil absolut în domeniul unui semipas (semiperioadă) de 2 mm şi ca element sensibil absolut într-o schemă care contorizează numeric numărul de semipaşi (treceri prin zero ale tensiunii proporţionale cu defazajul) şi apoi măsoară numeric sau analogic faza în cadrul unui pas. Se preferă alimentarea pe cursor cu două tensiuni şi un singur semnal de ieşire. Această soluţie se utilizează în cele două variante:

a. cu modulaţie de fază, situaţie în care tensiunea de ieşire din riglă (atunci când rotorul este alimentat cu tensiunile Usint, Ucost) este:

(4.79)sau :

(4.80)

unde: kt este raportul de transformare; x - poziţia relativă între riglă şi cursor în cadrul unui semipas (x = 0 când se suprapun înfăşurările riglei cu prima înfăşurare a cursorului). b. cu modulaţie de amplitudine, situaţie în care:

(4.81)

unde x0 este poziţia faţă de care se măsoară deplasarea din cadrul unui semipas.

4.5.2.4. Elemente sensibile inductive la care este influenţată permeabilitatea magnetică

Funcţionarea acestor elemente sensibile se bazează pe fenomenul magnetoelastic care constă în modificarea permeabilităţii unor materiale supuse la eforturi mecanice. Fenomenul magnetoelastic este cel mai pronunţat la materialele bazate pe Ni - Fe. Dacă

209


pentru un asemenea material se determină ciclurile de histerezis pentru stare netensionată şi tensionată se constată o modificare semnificativă a acestora, deci o modificare a permeabilităţii magnetice.

Experimental s-a dovedit că între anumite limite ale efortului mecanic, permeabilitatea variază liniar cu efortul unitar, iar această variaţie este dependentă de direcţia efortului. Pe baza anizotropiei fenomenului magnetoelastic se realizează elementul sensibil de tip presductor (figura 4.23) care este format dintr-un pachet de tole prevăzut cu patru găuri în care se introduc două bobine plasate la 90°. Înfăşurarea primară este alimentată cu o tensiune alternativă U1, stabilindu-se un curent de valoare efectivă constantă. În stare netensionată, miezul are aceeaşi permeabilitate în toate direcţiile şi liniile de câmp magnetic sunt circulare, iar tensiunea indusă în înfăşurarea secundară este nulă. Sub acţiunea unei forţe F materialul este supus unui efort mecanic şi permeabilitatea se modifică diferit după cele două axe ortogonale, ceea ce conduce la modificarea liniilor inducţiei magnetice şi la inducerea unei t.e.m. (U2) în secundar. Caracteristica de conversie U2 = f(F) este neliniară şi prezintă histerezis.

Elementele sensibile de tip presductor au dimensiuni mici, sunt simple, robuste, au interval larg de măsurare (0 ... 107 N), rezistă la suprasarcini, dar prezintă histerezis şi au o precizie redusă. Ele sunt utilizate la măsurarea maselor şi forţelor.

4.5.3. Elemente sensibile capacitive

Elementele sensibile capacitive fac parte din grupa elementelor sensibile parametrice şi ele convertesc mărimea neelectrică de măsurat într-o variaţie de capacitate. Schema electrică echivalentă a unui condensator cuprinde reactanţa capacitivă şi rezistenţa echivalentă pierderilor. În analiza elementelor sensibile capacitive se va presupune, cu o bună aproximaţie, că unghiul de pierderi este mic şi se va neglija rezistenţa de pierderi în comparaţie cu reactanţa capacitivă.

Elementele sensibile capacitive utilizează, de regulă, condensatoare plane, la care se pot modifica unul din următorii parametri: distanţa dintre armături, suprafaţa armăturilor şi permitivitatea mediului dintre armături.

210

Fig. 4.23. ES inductiv de tip

presductor

Traductoare

4.5.3.1. Elemente sensibile capacitive cu modificarea distanţei dintre armături

Cel mai simplu element sensibil de acest tip este un condensator plan cu o armătură fixă şi una mobilă (figura 4.24,a) sub acţiunea deplasării x, a cărui capacitate este:

(4.82)

sau:

(4.83)

Caracteristica de conversie C=C(x) prezintă o variaţie hiperbolică (figura 4.24,b). Pentru deplasări mici, x< (0,l 0,2)·, relaţia (4.83) devine:

(4.84)

Rezultă că variaţia capacităţii se poate considera liniară numai pentru deplasări mici; de aceea aceste elemente sensibile pot fi utilizate numai pentru măsurarea deplasărilor mici 0 ... l mm.

O mai bună liniaritate se poate obţine utilizând un montaj diferenţial (figura 4.25), care constă din două condensatoare plane, având o armătură comună (mobilă). Capacităţile celor două condensatoare sunt:

211

a) b)Fig. 4.24. Element sensibil capacitiv cu armătură mobilă: a. schema de principiu; b. - caracteristica de conversie

(4.86)


(4.85)

Schema pentru realizarea conversiei în semnal util, conectează capacităţile C1 şi C2 într-o punte de tip Sauty (figura 4.26), având în celelalte două braţe capacităţile fixe C3 şi C4, (C3 = C4 = C).

Tensiunea de dezechilibru va fi:

şi deci caracteristica de conversie U = f (x) este liniară.Dezavantajul acestui tip de element sensibil constă în valorile

mici ale capacităţilor (10100)pF, ceea ce impune utilizarea unor frecvenţe de lucru ridicate (1KHz câţiva MHz).

4.5.3.2. Elemente sensibile capacitive cu modificarea suprafeţeiConsiderând feţele unui condensator plan de dimensiuni a, b şi

notând cu x deplasarea relativă a unei feţe faţă de cealaltă (figura 4.27,a), se obţine:

(4.87)

Capacitatea elementului sensibil capacitiv cu armături de forma unor sectoare circulare (figura 4.27,b) este:

. (4.88)

212

Fig. 4.25. Element sensibil capacitiv diferenţial Fig. 4.26. Puntea Sauty

Traductoare

unde este distanţa dintre armături.

Din relaţiile (4.87) şi (4.88) rezultă caracteristici de conversie C = C(x) şi C = C() liniare.4.5.3.3. Elemente sensibile capacitive cu modificarea dielectricului

Permitivitatea relativă a dielectricului unui condensator se poate modifica fie prin introducerea unui material izolant între armături, fie prin modificarea stării fizice a dielectricului cu umiditatea, substanţe diferite, etc. De aceea aceste elemente sensibile se utilizează la măsurarea grosimilor, a nivelelor, a umidităţii, etc..

Elementul sensibil capacitiv cu modificarea dielectricului, de tip condensator cilindric (figura 4.28,a), este constituit din doi electrozi cilindrici ficşi, între care se deplasează un manşon izolator cu o constantă dielectrică diferită de a aerului, alunecând cu frecare cât mai redusă. În ipoteza în care manşonul aderă la armături, capacităţile condensatoarelor care se formează sunt:

213

b)Fig. 4.7. Element sensibil capacitiv cu modificarea suprafeţei de

suprapunere a armăturilor

a) b) Fig. 4.28. Element sensibil capacitiv cu modificarea dielectricului de tip condensator cilindric


(4.89)

iar capacitatea echivalentă a sistemului (figura 4.28,b) este:

(4.90)Uneori, un astfel de element sensibil poate fi folosit la măsurarea

nivelului unui lichid dielectric sau a unei pulberi dielectrice.Se întâlnesc mai rar şi elemente sensibile capacitive cu

modificarea dielectricului, de tip condensator plan (figura 4.29) la care capacităţile condensatoarelor care se formează sunt:

(4.92)

Capacitatea echivalentă a sistemului este:

(4.93)

Din relaţiile (4.90) şi (4.93) rezultă caracteristici de conversie C=C(x) liniare.

Orice schemă pentru conversia în semnal util a variaţiei capacităţii elementelor sensibile, necesită un etaj de amplificare cu impedanţă mare, deoarece la modificările de capacitate relativ mici (10-100pF), chiar utilizând frecvenţe ridicate (220KHz), rezultă impedanţa de ieşire Z=l/(·C) de ordinul sutelor de K şi chiar al megohmilor. În aceste condiţii, etajul de amplificare trebuie să aibă o impedanţă de intrare de minimum 20 M.

214

(4.91)

Traductoare

Fig. 4.29. Element sensibil capacitiv cu modificarea dielectricului de tip condensator plan

4.6. Elemente sensibile generatoare

Elementele sensibile generatoare convertesc mărimea neelectrică de măsurat în tensiune electrică. În funcţie de fenomenul fizic utilizat pentru conversie, se disting următoarele tipuri principale:

• elemente sensibile termoelectrice;• elemente sensibile piezoelectrice;• elemente sensibile fotoelectrice;• elemente sensibile de inducţie.

4.6.1. Elemente sensibile termoelectrice

Funcţionarea elementelor sensibile termoelectrice se bazează pe fenomenul termoelectric (efectul Seebeck). Dacă se realizează un circuit din două conductoare " a " şi " b " de natură diferită, unite între ele prin sudură sau lipite în punctele de contact P1 şi P2 (figura 4.30,a) şi aceste capete sunt încălzite la două temperaturi diferite 1 şi 2, apare o tensiune electromotoare care va produce un curent. Această tensiune se numeşte tensiune termoelectrică şi ea depinde de natura metalelor din care sunt confecţionate conductoarele a, b, precum şi de diferenţa de temperatură = 2 - 1:

(4.94)

unde a, b, c sunt constante de material, dependente de metalele din care sunt executate termoelementele.

Pentru un interval restrâns de temperatură, tensiunea termoelectrică este proporţională cu diferenţa de temperatură:

E=S = S(2-1). (4.95)

Rezultă că tensiunea termoelectrică poate fi folosită pentru a măsura diferenţa de temperatură dintre cele două puncte de contact P1 şi P2. Tensiunea termoelectrică se măsoară prin desfacerea unuia dintre puncte şi conectarea unui aparat de măsurare (figura 4.30,b).

215


Deoarece conductoarele de legătură sunt din metale diferite de conductoarele a şi b, suma tensiunilor termoelectrice din acest circuit este zero atâta timp cât punctele de contact P1, P2, P3 sunt menţinute la aceeaşi temperatură 1.

Dacă punctul P2 este adus la temperatura 2 = 1 + , apare o tensiune termoelectrică Eθ a cărei valoare este independentă de prezenţa celui de-al treilea conductor atâta timp cât punctele de contact P1 şi P3

sunt la aceeaşi temperatură. Dacă temperatura punctelor P1 şi P3 nu este aceeaşi, tensiunea termoelectrică din circuit este suma algebrică a tensiunilor termoelectrice dezvoltate pentru fiecare pereche de conductoare.

Ansamblul celor două conductoare a şi b formează elementul sensibil termoelectric (termocuplu), capătul P2 se numeşte sudură caldă şi el se introduce în mediul a cărui temperatură se măsoară, iar capătul P1, P3 se numeşte sudura rece şi se conectează la schema de măsurare a

tensiunii termoelectrice.Sensibilitatea unui

element sensibil termoelectric se defineşte prin relaţia:

=a+b

θ+θ2.

(4.96)Sensibilitatea ele-

mentului sensibil termo-

Metalul Tensiunea

termoelectricăîn mV pentru =

100°CConstantan -3,47 ... -3,04 Nichel -1,94 ... -1,20 Paladiu -0,28 Platina 0 Aur +0,56 ... +0,80 Manganina +0,57 ... +0,82 Wolfram +0,65 ... +0,90

Platinrhodiu(10%Rh) +0,65 Cupru +0,72 ... +0,77 Molibden +1,16 ... +1,31 Fier + 1,87 ... +1,89

Nichel - Crom +2,20

216

a) b)Fig. 4.30. Element sensibil termoelectric: a) - ilustrarea

principiului de funcţionare; b) - schema principială de măsurare

Tabelul 4.l

Traductoare

electric trebuie să fie cât mai mare şi totodată trebuie să fie constantă pe un interval de temperatură cât mai larg. Pentru aceasta s-au măsurat tensiunile termoelectrice care apar între diferite metale şi platină pentru 1

= 0° C şi 2 = 100° C şi metalele au fost ordonate după valorile obţinute, formându-se seria tensiuni-lor termoelectrice (tabelul 4.1).

Din acest tabel au fost selectate perechile de metale care să prezinte o diferenţă cât mai mare care să fie constantă pe un interval cât mai larg, obţinându-se elementele sensibile cele mai des utilizate (tabelul 4.2). În practică, corespondenţa tensiune termoelectrică - temperatură se stabileşte pe baza tabelelor care indică această corespondenţă din zece în zece grade. Elementele sensibile termoelectrice se introduc în aceeaşi structură de protecţie ca şi elementele sensibile termorezistive.Elementele sensibile ter-moelectrice se utilizează la realizarea termometre-lor electrice.

4.6.2. Elemente sensibile piezoelectrice

Elementele sensibile piezoelectrice funcţionează pe baza efectului piezoelectric. Piezoelectricitatea este o proprietate intrinsecă a unor materiale dielectrice, dintre care cuarţul şi titanatul de bariu (BaTiO3), care corelează polarizarea electrică a dielectricului cu deformările şi vibraţiile mecanice ale materialului respectiv.

Elementul sensibiltermoelectric

Sensibi-litatea (V/ °C)

Intervalul detemperaturi (°C)

Cupru– Constantan 41 -200 ... +300 Fier – Constantan 56 -200 ... +600 Cromel - Alumel 41 0... 1100 Platină-Platinrhodiu 9,5 +800... +1500

217

Tabelul 4.2


Pentru evidenţierea fenomenelor piezoelectrice, dielectricul este încadrat de electrozi metalici, întregul ansamblu formând un condensator (figura 4.3l,a). Polarizarea dielectricului se traduce în acest caz printr-un aport sau printr-o diminuare de sarcină electrică pe electrozi.

Efectul piezoelectric direct constă în faptul că deformarea plachetei dielectrice printr-o constrângere mecanică exterioară conduce la polarizarea materialului, ceea ce implică apariţia unei sarcini electrice q pe electrozi (figura 4.3l,a). Această sarcină este proporţională cu mărimea deformaţiei (forţei F):

q = kF (4.97)unde k este modulul piezoelectric, specific pentru fiecare substanţă.

Sarcina electrică q depinde de forţă şi nu depinde de dimensiunile geometrice ale cristalului supus compresiunii. Dacă cristalul este supus întinderii, efectul este acelaşi dar sarcinile vor fi de semn contrar faţă de cazul compresiunii.

Armăturile metalice ale elementului sensibil piezoelectric formează un condensator plan de capacitate:

(4.98)

unde: ε este permitivitatea substanţei piezoelectrice; A - aria plachetei; d - grosimea plachetei (distanţa dintre armături).

218

a) b)Fig. 4.31. Ilustrarea efectului piezoelectric direct (a) şi simbolul

elementului sensibil piezoelectric (b).

Traductoare

Tensiunea care se stabileşte la bornele condensatorului (fig. 4.31,a şi 4.32) este o măsură a forţei F:

(4.99)

Sensibilitatea în gol a unui element sensibil piezoelectric supus unei soli-citări de forţă F:

(4.100)

depinde numai de proprietăţile şi dimensiunile geometrice ale dielectricu-lui (k şi C). Cea mai mare valoare a sensibilităţii în gol o posedă cuarţul.

Elementele sensibile de mărimi mecanice care utilizează efectul piezoelectric direct lucrează întotdeauna pe o sarcină care este, de regulă, intrarea unui amplificator. Impedanţa de sarcină prezintă, în cazul general, o componentă rezistivă RS care este, de exemplu, impedanţa de intrare a amplificatorului (de ordinul 106 ... 108Ω) şi o componentă capacitivă CS, care înglobează şi capacităţile parazite introduse de cablurile de conexiune (figura 4.33). În figura 4.33,a, rezistenţa R este rezistenţa de izolaţie a elementului sensibil (108 ... 1010). Cuplajul element sensibil - impedanţa de sarcină (figura 4.33,a) formează un divizor capacitiv (figura 4.33,b), tensiunea în sarcină fiind dată de relaţia:

(4.101)

219

q C

C

.a .b

0U

a) b)Fig. 4.32. Schemele echivalente uzuale ale elementului

sensibil piezoelectric cu generator de sarcină (a) şi cu generator de tensiune (b).

a) b) Fig. 4.33. Divizor capacitiv (b) obţinut prin conectarea unui element

sensibil piezoelectric pe sarcină (a).

C

0U

C

0UR

Cs Rs Us

Cs

0U

Us

Fig. 4.34. Legarea mecanică în serie a

plachetelor piezoelectrice.


Din relaţia (4.101) se observă că:• tensiunea în sarcină US este independentă de pulsaţia ;• transmisia tensiunii U0 în sarcină se efectuează cu un randament mai bun în cazul utilizării materialelor dielectrice care conferă elementului sensibil o valoare mai ridicată a capacităţii C (pentru CS = const.).

Elementele sensibile piezoelectrice nu se utilizează la solicitări mecanice statice, ci numai la măsurarea mărimilor mecanice variabile în timp. La aplicarea unei forţe statice F, în momentul iniţial (t = 0) pe sarcină (figura 4.33,a) apare tensiunea US, exprimată de relaţia (4.101). Scăderea în timp a tensiunii pe sarcină uS(t), chiar în cazul persistenţei forţei statice F, este dată de:

(4.102)Astfel, în cazul aplicării unei forţe statice F, tensiunea uS scade în

timp la zero datorită RS cu constanta de timp τ = RS(C + CS). În consecinţă, frecvenţa minimă de variaţie în timp a forţei F este:

(4.103)

Elementele sensibile piezoelectrice se pot realiza sub forma a două sau mai multe plachete suprapuse mecanic (figura 4.34), care sunt supuse în serie aceleiaşi forţe F. Legarea în serie din punct de vedere electric a acestor elemente sensibile permite obţinerea unei valori mai mari a tensiunii în sarcină. Elementele sensibile piezoelectrice bazate pe efectul piezoelectric direct se folosesc la măsurarea forţelor, acceleraţiilor, presiunilor, vitezelor de propagare a undelor mecanice şi a unor constante de material.Efectul piezoelectric invers constă în faptul că la aplicarea unei tensiuni alternative la bornele condensatorului din figura 4.3 l,a, placa cristalină vibrează cu frecvenţa tensiunii aplicate. Amplitudinea vibraţiei este maximă dacă această frecvenţă coincide cu frecvenţa de oscilaţie proprie a plachetei, iar în spaţiul înconjurător se propagă unde ultrasonore. Efectul piezoelectric invers este utilizat la recepţia şi generarea ultrasunetelor.

220

Traductoare

4.6.3. Elemente sensibile fotoelectrice

Elementele sensibile fotoelectrice efectuează conversia energiei luminoase (radiante) în semnal electric de ieşire (curent sau/şi tensiune) şi sunt realizate din materiale semiconductoare: germaniu (Ge), siliciu (Si), galiu - arsen (GaAs), etc.. Prin iluminarea acestor elemente sensibile, în volumul semiconductorului are loc o generare de purtători de sarcină prin trecerea electronilor din banda de valenţă în cea de conducţie. Generarea optică de purtători conduce la apariţia unui fotocurent şi modificarea caracteristicii curent - tensiune a dispozitivului. Mărimea semnalului electric furnizat la ieşirea elementului sensibil fotoelectric este direct proporţională cu puterea optică într-o anumită gamă de lungimi de undă l a radiaţiei incidente. Între lungimea de undă l a radiaţiei luminoase incidente şi energia E = hn a fotonilor există relaţia:

(4.104)

unde c este viteza luminii în vid, iar h - constanta lui Planck.Fenomenul de fotoconductivitate (generarea optică a perechilor electron - gol) are loc prin absorbţia de fotoni având o energie egală sau mai mare decât lăţimea (energia) benzii interzise EG care separă banda de valenţă de cea de conducţie. Lungimea de undă maximă lc a radiaţiei luminoase incidente care mai poate crea perechi de electron - gol este dată de relaţia (4.104), în care energia E se înlocuieşte cu EG:

(4.105)

Radiaţia incidentă cu valori reduse ale lungimii de undă (energie mare a fotonilor) este absorbită la suprafaţă şi nu pătrunde în volumul semiconductorului, deci nu creează purtători de sarcină. Din spectrul larg al radiaţiei electromagnetice, cu lungimi de undă între l = 0,01 nm şi l = 1000 nm, pentru elementele sensibile fotoelectrice fabricate din mate-rialele semiconductoare menţionate, prezintă interes banda optică cuprinsă între ultravioletul îndepărtat (l = 0,2 m) şi infraroşul mediu (l = 3,5 m).

Elementele sensibile fotoelectrice sunt caracterizate prin sensibilitatea integrală:

221


(4.106)

unde I este curentul fotogenerat, iar - fluxul luminos.Sensibilitatea S este constantă pentru o anumită gamă a

iluminării E = , unde A este suprafaţa elementului sensibil. Cu

creşterea nivelului de iluminare peste un anumit prag, sensibilitatea elementului sensibil fotoelectric scade.

Corelat cu parametrul S, pentru caracterizarea elementelor sensibile fotoelectrice, se utilizează ca parametru sensibilitatea în răspuns R:

(4.107)

unde Popt este puterea optică incidentă, iar - eficienţa cuantică (numărul de perechi de purtători fotogeneraţi / un foton incident). Pentru un element sensibil ideal ( = 1), sensibilitatea în răspuns R = (l / 1,24) creşte liniar cu lungimea de undă a semnalului optic incident. Principalele tipuri de elemente sensibile fotoelectrice sunt următoarele:

• Fotodioda pin, în care grosimea stratului intrinsec este utilizată pentru optimizarea eficienţei cuantice şi a răspunsului în frecvenţă;

• Fotodioda Schottky, în care metalul joncţiunii metal - semiconductor este utilizat pentru ajustarea domeniului de răspuns spectral. Aceste diode sunt utilizate de preferinţă în domeniile vizibil şi ultraviolet ale spectrului optic.

• Dioda cu heterojoncţiuni este un element sensibil fotoelectric a cărui joncţiune este formată între două materiale semiconductoare având diferite lăţimi ale benzii interzise. Se utilizează în domeniul spectral l=0,65...0,85 m, fiind realizată din GaAs şi InP, precum şi din compuşii acestora;

• Fotodioda cu avalanşă este utilizată la valori mari ale tensiunii de polarizare inverse, la care se produce multiplicarea în avalanşă a purtătorilor generaţi. Această multiplicare produce o amplificare internă de curent, deci sensibilitatea acestor diode este mai mare. Produsul bandă - câştig în curent al unei fotodiode cu avalanşă poate depăşi 100 GHz, astfel încât acest tip de element este sensibil la semnale optice modulate la frecvenţe de microunde;

• Fototranzistorul, la care joncţiunea bază - colector are o arie mare, în comparaţie cu un tranzistor bipolar obişnuit.

222

Traductoare

4.6.4. Elemente sensibile de inducţie

Aceste elementele sensibile funcţionează pe baza fenomenului de inducţie: fenomenul de inducere a unei t. e. m. într-un conductor în deplasare relativă faţă de un câmp magnetic. Cele mai răspândite elemente sensibile de inducţie sunt tahogeneratoarele şi elementele sensibile de inducţie pentru debit.

Tahogeneratoarele sunt micro-generatoare de c.c. sau c.a. care generează tensiuni electrice proporţio-nale cu viteza de rotaţie a sistemului cu care sunt cuplate.

Tahogeneratorul de c.c. se construieşte ca un generator de c.c. cu magneţi permanenţi dispuşi pe stator, iar indusul este rotorul. La mersul în gol, t.e.m. este proporţională cu turaţia (viteza unghiulară):

E = kn. (4.108)Tahogeneratoarele de c.a. se realizează cu bobinajul indusului

dispus pe stator şi rotorul cu poli aparenţi din magneţi permanenţi, eliminându-se astfel colectorul. Valoarea efectivă a tensiunii induse este proporţională cu turaţia:

E = k1n. (4.109)Tahogeneratoarele consumă o putere de l ... 50 W, care este

neglijabilă la puteri mari de antrenare, dar la puteri mici apar erori de măsurare a turaţiei.

Elementele sensibile de inducţie pentru debit sunt utilizate la măsurarea debitului lichidelor bune conducătoare de electricitate. Ele sunt formate dintr-un tub izolant (figura 4.35) în peretele căruia se dispun diametral doi electrozi. Tubul este plasat într-un câmp de inducţie magnetică B perpendicular pe planul format de axa longitudinală de scurgere şi diametrul pe care sunt dispuşi cei doi electrozi. În lichidul care se scurge cu viteza v între electrozii aflaţi la extremităţile diametrului d se induce t.e.m.:

E = vBd , (4.110)unde v este viteza medie de scurgere a fluidului, iar d - diametrul tubului de scurgere. Debitul Q este dat de relaţia:

223

Fig. 4.35. Element sensibil de inducţie pentru debit


(4.111)

de unde rezultă:

(4.112)

Caracteristica de conversie E = E(Q) este liniară indiferent dacă scurgerea este laminară sau turbulentă. Elementele sensibile de inducţie pentru debit se realizează cu câmp de inducţie magnetică constant sau alternativ. Tensiunile electromotoare induse sunt mici (de exemplu, pentru B = 0,3 T, d = 0,05 m, v =0,l m/s rezultă E = 1,5 mV).

224

a. compensatoare automate

Documents