Titular curs:

.L. dr.ing. George IPATE

3/31/2014 1

AUTOMATIZAREA PROCESELOR TEHNOLOGICE SI BIOTEHNOLOGICE

Curs 7

Capitolul 7. Traductoare

7.1 Rolul i structura traductoarelor

7.2 Caracteristicile statice ale traductoarelor precizia de msurare

7.3 Caracteristicile dinamice ale traductoarelor

7.4 Alegerea traductoarelor

3/31/2014 2

3/31/2014 3

Senzorii sunt dispozitive care sesizeaz variaia

unui parametru din sistem prin emiterea de semnal

corespunztor, corelat cu mrimea (intensitatea)

parametrului respectiv.

Se mai numesc traductoare si cele care au o

construcie mai complex (care include i alte elemente

auxiliare).

Mai simplu spus, traductoarele culeg mrimile de

msurat i le transform (in mod obisnuit) n semnale

electrice.

Introducere

3/31/2014 4

Clasificarea traductoarelor

Traductoarele pot fi clasificate dup mai multe criterii:

Dup principiul de funcionare, pot fi:

- traductoare generatoare (active), care furnizeazsemnale electrice fr s fie alimentate (de ex.termocupluri, dispozitive fotoelectrice, traductoarepiezoelectrice, etc.);

- traductoare parametrice (pasive), care necesitalimentare electric pentru a furniza semnalul de ieire (deex. traductoarele electrorezistive i inductive,termorezistoare etc.).

3/31/2014 5

Dup natura semnalului electric furnizat la ieire,exist:

- traductoare analogice, care furnizeaz un semnalcontinuu, dependent de mrimea msurat;

- traductoare digitale (numerice), care furnizeaz unsemnal discontinuu, o succesiune de impulsuri sau ocombinaie de tensiuni care dup un anumit cod reprezintvalori discrete ale mrimii de msurat.

3/31/2014 6

Dup natura mrimii de intrare, traductoarele pot fi:

- traductoare de temperatur;- traductoare pentru mrimi mecanice (for, presiune,debit, etc.);- traductoare pentru mrimi geometrice (lungime, arie,volum, nivel, rugozitate, etc.);- traductoare pentru mrimi fotometrice;- traductoare pentru caracteristici de material(densitate, indice de refracie, vscozitate, etc.);- traductoare de compoziie i concentraie;- traductoare pentru radiaii, etc.

3/31/2014 7

Dup modul de convertire a mrimii neelectrice nmrime electric:

- traductoare cu convertire direct (de ex. traductorul dedeplasare poteniometric, traductorul de temperatur cutermocuplu, etc.);

-traductoare cu convertire indirect, n care se folosescuna sau mai multe mrimi intermediare (de ex. traductorulelectrorezistiv TER, care folosete ca mrimeintermediar deformarea unui element elastic).

Dat fiind marea varietate a traductorilor, n acest capitolul se vor prezentaunele tipuri de traductoare folosite frecvent n domeniul studiuluiautomatizarii proceselor, denumite dup natura mrimii pe care trebuie s omsoare.

3/31/2014 8

Rolul traductoarelor n sistemele de msurare computerizate

Parametrii fizici neelectrici, cum ar fi: temperatura, presiunea, debitul,

fora, deplasarea, etc., pentru a fi msurai i analizai cu aparate

electronice, trebuie mai nti transformai n semnale electrice

(tensiune sau curent), corespunztoare mrimii de msurat.

Traductoarele au deci rolul de a genera un semnal electric,dependent de mrimea neelectric de msurat

Semnalele electrice produse de cea mai mare parte a traductoarelorsunt de 3 categorii:- tensiuni de nivel mare (de la 0 la civa voli, max.10 V);- tensiuni de nivel mic (de la 0 la civa mV);- cureni (de la 0 la 50 mA)

7.1 Rolul i structura traductoarelor

3/31/2014 9

Semnalele furnizate de traductoare sunt de obicei slabe i de aceea este necesar amplificarea lor.

Structura senzorului de proximitate Sharp GP2Y0D805Z0F (digital distance sensor )

Traductoarele sunt, de fapt, formate din:

elemente sensibile numite i senzori, captorisau detectori, care transform mrimeaneelectric de msurat ntr-o mrime electric i

adaptoare de semnal, care produc o tensiune sauun curent ntr-o gam care s permit o interfaareoptim cu alte dispozitive (aparate de msur,sisteme de instrumentaie sau de reglare etc.).

3/31/2014 10

Senzorul

permite detectarea mrimii fizice de msurat,eliminnd sau diminund influenele pe care le exercitasupra sa celelalte mrimi fizice existente n mediulrespectiv;

sub aciunea mrimii fizice are loc o modificare a striisenzorului, dup legi teoretice sau experimentalecunoscute.

3/31/2014 11

Adaptoarele de semnal au rolul de a aduceinformaia dat de senzor la cerinele impuse de utilizator.

Adaptoarele realizeaz funcii complexe iasigur conversia modificrilor de stare ale senzorilorn semnale calibrate ce reprezint valoarea mrimii deintrare.

3/31/2014 12

Caracteristicile funcionale ale traductoarelor reflectmodul n care este realizat relaia de dependen ntremrimea de intrare i cea de ieire.

Performanele traductoarelor sunt indicatori care permits se aprecieze msura n care mrimile reale corespund cu celeideale i care sunt condiiile necesare pentru a realiza o ct maibun concordan a lor.

Regimul static de funcionare presupune cmrimea de msurat nu variaz n timp.

Cele mai importante caracteristici metrologice aletraductoarelor n regim static sunt:

3/31/2014 13

7.2 Caracteristicile statice ale traductoarelor precizia de msurare

Caracteristica static de transfer reprezintdependena mrimii de ieire (y) n funcie demrimea de intrare (x); se exprim n general prinrelaia:

y = f(x)

Deosebit de importante pentru calitatea msurriisunt caracteristicile de transfer liniare, de forma:

y = kx

sau

y = y0 + kx

3/31/2014 14

n practic, de cele mai multe ori, caracteristica de transfer este neliniar.

3/31/2014 15

Caracteristica de transfer a senzorului IR GP2Y0D805Z0F

Caracteristici de transfer statice

Intervalul de msurare reprezint intervalul devariaie al mrimii de intrare, pentru care un traductorpoate furniza informaii de msurare, cu o incertitudineprestabilit. Intervalul de msurare este cuprins ntre olimit inferioar i o limit superioar a valorilor de intrarei de ieire.

- intervalul de intrare: xmax xmin

- intervalul de ieire: ymax ymin

Intervalul de msurare se specific, de regul, chiar ndenumirea traductorului.

3/31/2014 16

Sensibilitatea sau coeficientul de transfer reprezint raportul dintre variaia mrimii de ieire ivariaia corespunztoare a mrimii de intrare.

S = dy / dx y / x

Dac senzorul sau traductorul are o caracteristic staticde transfer liniar, atunci sensibilitatea este constant peintervalul de msurare i reprezint panta dreptei:

S = y / x = tg

Coeficientul mediu de transfer este dat de raportul:

Sm = (ymax - ymin) / (xmax - xmin)

3/31/2014 17

Precizia reprezint concordana dintrevaloarea msurat a mrimii de ieire i valoareaadevrat a acesteia i este cea mai utilizatcaracteristic metrologic a unui traductor.

Precizia traductoarelor este specificat prin intermediul unorindicatori definii pe baza erorilor de msurare care afecteaz valorilemrimilor msurate i care exprim global abaterile posibile alecaracteristicilor statice fa de cele ideale.

Indicatorul esenial pentru exprimarea cantitativa preciziei traductoarelor este eroarea admisibil sautolerana.

Ca i n cazul aparatelor de msur, se utilizeaz i latraductoare indicatorul clas de precizie.

3/31/2014 18

Rezoluia reprezint intervalul maxim devariaie al mrimii de intrare necesar pentru adetermina apariia unui salt al mrimii de ieire.

Aceast caracteristic este utilizat n special n cazultraductoarelor numerice a cror caracteristic variaz n trepte.Rezoluia poate s nu fie aceeai pe ntreg domeniul de msurare. naceste cazuri se ia n considerare fie valoarea maxim, fie o valoaremedie. (atunci cnd diferenele nu sunt prea mari).

Pragul de sensibilitate reprezint cea mai micvariaie a semnalului de intrare care produce omodificare sesizabil a semnalului de ieire.

Principalii factori care determin pragul de sensibilitate suntfluctuaiile datorate perturbaiilor interne sau externe (frecri statice,jocuri n angrenajele dispozitivelor mecanice etc.).

3/31/2014 19

3/31/2014 20

n concluzie, se poate spune c un traductor are ocalitate mai bun atunci cnd:

sensibilitatea sa este mai mare iar

rezoluia i pragul de sensibilitate sunt maimici.

3/31/2014 21

7.3 Caracteristicile dinamice ale traductoarelor

Regimul dinamic de funcionare al unui traductorcorespunde situaiei n care mrimea de msurat(implicit i semnalul de ieire) variaz n timp.

Variabila de ieire (y) rmne n urm fa de variabila de intrare(x) i ca urmare variaia mrimii de ieire nu poate fi urmritinstantaneu cu cea de intrare.

Evoluia n timp a mrimii de intrare se transmite cu ntrziere laieire i uneori cu deformaii n raport cu valorile corespunztoarecaracteristicii statice.

Comportarea traductorului n regim dinamic seexprim prin caracteristica dinamic a acestora, care seobine din ecuaia diferenial care leag variaiilemrimilor y(t) i x(t).

Aceast ecuaie este n general de forma unei ecuaii diferenialede ordinul n.

3/31/2014 22

Calitatea unui traductor este determinat, nafara concepiei privind principiul de funcionare, demodul efectiv n care este realizat construcia sa.

Meninerea calitii unui traductor depinde demontarea, exploatarea i ntreinerea sa corect.

Caracteristicile constructive ale traductoarelor, pelng aspectele legate de mrimea msurat, suntcondiionate n mod esenial de natura aplicaiei.

7.4 Alegerea traductoarelor

3/31/2014 23

Principalele caracteristici constructive ale traductoarelor sunt:

Robusteea reprezint capacitatea traductoarelor de a funcionacorect n condiii de ocuri, vibraii, variaii mari de temperatur,umiditate, ageni nocivi chimici sau biologici, precum i la variaiibrute ale mrimii de msurat.

Capacitatea de suprancrcare reprezint proprietatea unuitraductor de a suporta valori ale mrimii de msurat care depesclimita superioar a intervalului de msurare fr a se producemodificri ale caracteristicilor metrologice (sensibilitate, precizie)sau deteriorri constructive.

Protecia climatic este constituit din ansamblul de msuriconstructive (n special ale carcasei), care se iau nc din faza deproiectare, pentru a asigura o etanare a traductorului fa deaciunea complex a factorilor climatici.

3/31/2014 24

Protecia anticoroziv reprezint ansamblul de msuri care seiau pentru a proteja elementele sensibile ale traductorului, atuncicnd acestea vin n contact cu diferite fluide (acizi, baze)caracterizate printr-o puternic aciune coroziv. Pentru a evitaefectul corosiv se utilizeaz fie materiale rezistente, fie fluide deseparare necorozive.

Protecia mpotriva ocurilor i vibraiilor se realizeaz prinrigidizarea pieselor i subansamblurilor, utilizarea unor elementespeciale de amortizare, miniaturizarea i compactarea atunci cndacest lucru este posibil, etc.

Protecia general se refer la protecia electric, proteciacontra ptrunderii corpurilor strine, ptrunderea apei, etc.

3/31/2014 25

Senzor debit de fluid (130 L/min )

Senzorul const dintr-un corp din material plastic tip supap, un rotor cu palete iun senzor cu efect Hall.

Cnd apa curge prin rotor, paletele se rotesc.

Viteza de rotatie variaza in functie de debitul de curgere.

Senzorul cu efect Hall emite pulsuri de semnal corespunztor debitului de curgere.

Exemple de traductoare

3/31/2014 26

3/31/2014 27

Caracteristica de functionare: Frecventa pulsului = 8.19 Q (L/min apa)

3/31/2014 28

Senzor de presiune MPX4250D (0 - 250 kPa)

Traductorul MPX4250D (piezorezistiv) este un senzor de presiune cupelicula de siliciu monolitic proiectat pentru o gam larg de aplicaii, nspecial pentru cele care utilizeaz un microcontroler sau microprocesorcu intrri A / D.

3/31/2014 29

Tensiune iesire: V output = 0.2 - 4.9 V

Caracteristica statica a senzorului MPX4250D

3/31/2014 30

3/31/2014 31

Traductoare de temperatur

Msurarea temperaturii se bazeaz pe diferite efecte fizice produsede variaia temperaturii, cum ar fi: dilatarea solidelor, lichidelor igazelor, variaia rezistenei electrice, modificarea tensiunii la jonciuneaa dou metale, variaia frecvenei de rezisten a unui cristal,intensitatea radiaiilor emise etc.

Cele mai utilizate traductoare de temperatur, care necesitdispozitive electronice pentru msurare i deci pot fi utilizate nsistemele de achiziii date, sunt:

termorezistoare metalice

termistoare

termometre cu cuar

termocupluri

pirometre de radiaie

3/31/2014 32

Senzor de temperatura (circuit integrat) LM335AZ :

domeniul [40C +100C]; S = 10 mV/K;

Structura senzorului LM 335AZ

3/31/2014 33

3/31/2014 34

Senzorul de umiditate a solului Grove

Prezenta apei in sol conduce la o conductivitate marita (rezistenta mica),in timp ce un sol uscat are o conductivitate redusa (rezistenta mare).

3/31/2014 35

3/31/2014 36

V MULUMESC PENTRU ATENIA

ACORDATA !