5
Elemente sensibile ale traductoarelor Elementele sensibile constituie partea cea mai diversificată a traductoarelor, ele fiind acelea care permit detectarea mărimii de măsurat din întregul ansamblul de mărimi care acţionează în mediul înconjurător, rejectând sau reducând la un minimum acceptabil influenţa celorlalte. Dat fiind numărul şi marea varietate a mărimilor care intervin în procesele automatizate şi care trebuie măsurate cu ajutorul traductoarelor, rezultă în mod firesc necesitatea unei multitudini de tipuri de elemente sensibile corespunzătoare acestor aplicaţii. Din aceste cosiderente elementele sensibile sunt cele luate în considerare în clasificarea traductoarelor. Elementele sensibile pot fi clasificate după următoarele două criterii: 1) După principiul de conversie a mărimii fizice aplicate la intrare, se întâlnesc elemente sensibile parametrice şi elemente sensibile generatoare. 2) După natura mărimii fizicede măsurat, elementele sensibile sunt clasificate în tipuri ce poartă denumirea domeniului de aplicaţie (elemente sensibile pentru deplasare, viteză, forţă, etc.). Primul mod de clasificare este important pentru studiul general al traductoarelor, pentru evidenţierea fenomenelor fizice care stau la baza conversiei mărimii de măsurat într-un anumit tip de mărime electrică, fapt care impune alegerea corespunzătoare a circuitelor de intrare şi chiar a srtucturii adaptorului. Cea de-a doua clasificare este legată mai mult de aspactele concrete de utilizare şi este importantă îndeosebi pentru specificarea performanţelor şi adoptarea în consecinţă a tipului de element sensibil adecvat pentru o anumită aplicaţie dată. 1. Elemente sensibile de tip parametric Elementele sensibile parametrice sau modulatoare sunt utilizate în cazul când mărimea de măsurat este o mărime pasivă, adică nu are asociată o putere suficientă, sau fenomenul fizic pe care se bazează conversia nu permite obţinerea directă a unui semnal electric. Denumirea de elemente sensibile parametrice provine de la faptul că mărimea de intrare (neelectrică) determină variaţia proprietăţilor de material, care sunt în principal de natura unui parametru electric de circuit – rezistivitate, 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, obţinâdu-se atfel un semnal electric ale cărui variaţii reproduc pe cele ale mărimii de măsurat. Posibilităţile de conversie a unor mărimi de natură neelectrică – din cele mai variate domenii – mecanică, căldură, procese chimice, radiaţii etc. – se datorează legilor fizice care exprimă dependenţa parametrilor menţionaţi, la anumite materiale conductoare, semiconductoare, sau dielectrice, de asemenea mărimi. Pentru ilustrarea acestor posibilităţi se reamintesc următoarele relaţii fundamentale: - Rezistenţa electrică a unui conductor omogen S l R (1) unde este rezistivitatea, l – lungimea şi S – secţiunea conductorului. - Inductivitatea proprie a unei bobine (considerând circuite magnetice liniare)

L01.2 – Elemente sensibile ale traductoarelor

  • Upload
    hatram

  • View
    226

  • Download
    4

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: L01.2 – Elemente sensibile ale traductoarelor

Elemente sensibile ale traductoarelor

Elementele sensibile constituie partea cea mai diversificată a traductoarelor, ele fiind acelea care permit detectarea mărimii de măsurat din întregul ansamblul de mărimi care acţionează în mediul înconjurător, rejectând sau reducând la un minimum acceptabil influenţa celorlalte. Dat fiind numărul şi marea varietate a mărimilor care intervin în procesele automatizate şi care trebuie măsurate cu ajutorul traductoarelor, rezultă în mod firesc necesitatea unei multitudini de tipuri de elemente sensibile corespunzătoare acestor aplicaţii. Din aceste cosiderente elementele sensibile sunt cele luate în considerare în clasificarea traductoarelor. Elementele sensibile pot fi clasificate după următoarele două criterii:

1) După principiul de conversie a mărimii fizice aplicate la intrare, se întâlnesc elemente sensibile parametrice şi elemente sensibile generatoare.

2) După natura mărimii fizicede măsurat, elementele sensibile sunt clasificate în tipuri ce poartă denumirea domeniului de aplicaţie (elemente sensibile pentru deplasare, viteză, forţă, etc.).

Primul mod de clasificare este important pentru studiul general al traductoarelor,

pentru evidenţierea fenomenelor fizice care stau la baza conversiei mărimii de măsurat într-un anumit tip de mărime electrică, fapt care impune alegerea corespunzătoare a circuitelor de intrare şi chiar a srtucturii adaptorului.

Cea de-a doua clasificare este legată mai mult de aspactele concrete de utilizare şi este importantă îndeosebi pentru specificarea performanţelor şi adoptarea în consecinţă a tipului de element sensibil adecvat pentru o anumită aplicaţie dată.

1. Elemente sensibile de tip parametric

Elementele sensibile parametrice sau modulatoare sunt utilizate în cazul când mărimea de măsurat este o mărime pasivă, adică nu are asociată o putere suficientă, sau fenomenul fizic pe care se bazează conversia nu permite obţinerea directă a unui semnal electric. Denumirea de elemente sensibile parametrice provine de la faptul că mărimea de intrare (neelectrică) determină variaţia proprietăţilor de material, care sunt în principal de natura unui parametru electric de circuit – rezistivitate, 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, obţinâdu-se atfel un semnal electric ale cărui variaţii reproduc pe cele ale mărimii de măsurat. Posibilităţile de conversie a unor mărimi de natură neelectrică – din cele mai variate domenii – mecanică, căldură, procese chimice, radiaţii etc. – se datorează legilor fizice care exprimă dependenţa parametrilor menţionaţi, la anumite materiale conductoare, semiconductoare, sau dielectrice, de asemenea mărimi. Pentru ilustrarea acestor posibilităţi se reamintesc următoarele relaţii fundamentale:

- Rezistenţa electrică a unui conductor omogen

S

lR (1)

unde este rezistivitatea, l – lungimea şi S – secţiunea conductorului. - Inductivitatea proprie a unei bobine (considerând circuite magnetice liniare)

Page 2: L01.2 – Elemente sensibile ale traductoarelor

n

1k kk

k

2

S

l

NL (2)

unde N este numărul de spire al bobinei, lk, k şi Sk fiind lungimea, permeabilitatea magnetică şi secţiunea diverselor medii care alcărtuiesc circuitul magnetic al bobinei.

- Capacitatea unui condensator plan cu armături paralele

d

SC

(3)

unde este permitivitatea dielectricului, S este suprafaţa comună a armăturilor, iar d este distanţa dintre acestea.

Se poate observa uşor posibilitatea influenţării valorilor acestor parametri prin modificări geometrice (lungime, secţiune), găsindu-se astfel aplicaţii în măsurarea deplasărilor, nivelului, grosimii, controlului dimensional etc. Prin asocierea lor cu unele componente auxiliare, de natură mecanică, de exemplu mase, elemente elastice, amortizoare, ele pot deveni sensibile şi la alte mărimi de intrare, cum sunt forţele, acceleraţiile, vibraţiile. De asemenea, se cunosc o serie de fenomene fizice potrivit cărora anumite mărimi din relaţiile de definiţie menţionate, cum sunt rezistivitatea, permeabilitatea magnetică sau permitivitatea dielectrică, pot fi făcute dependente de variaţiile unor mărimi externe. Pe baza acestor fenomene, utilizarea elementelor sensibile parametrice poate fi extinsă şi la mărimi cum sunt temperatura, umiditatea, concentraţii de substanţe, câmpuri magnetice etc. În tabelul 1 este prezentată o sinteză a acestor posibilităţi. Elementele sensibile parametrice R, L, C necesită în mod evident surse de curent sau tensiune electrică, dar printr-o proiectare îngrijită consumurile energetice pot fi reduse la valori minime (fracţiuni de watt). Pe de altă parte, ele permit asigurarea unor sensibilităţi şi precizii înalte tocmai datorită consumurilor energetice reduse de la mărimile de măsurat.

Tabelul 1 Clasificarea elementelor sensibile de tip parametric

Tipul elementului sensibil

parametric (parametrul electric variabil)

Fenomenul fizic pe care se bazează conversia

Aplicaţii (mărimi măsurate)

Rezistiv (R)

Variaţia lungimii conductorului (sau a numărului de spire ale unui rezistor bobinat)

- deplasărim liniare şi unghiulare - grosime - nivel

Variaţia rezistivităţii cu temperatura

- temperatură - umiditate gaze - concentraţie amestec gaze - viteză mare (debit)

Variaţia rezistivităţii sub acţiunea câmpului magnetic efect Gauss)

- câmp magnetic - inducţie

Variaţia rezistivităţii sub acţiunea radiaţiilor (fotorezistenţe, fotoelemente)

- intensitate luminoasă - flux luminos - deplasări (prin modulaţia fluxului de radiaţii)

Variaţia lungimii secţiunii şi rezistivităţii prin intermediul unui element elastic defor-mabil (tensorezistenţe, piezorezistenţe)

- forţă - presiune

Variaţia rezistivităţii prin procese chimice - concentraţie - umiditate

Page 3: L01.2 – Elemente sensibile ale traductoarelor

Tipul elementului sensibil parametric (parametrul

electric variabil)

Fenomenul fizic pe care se bazează conversia

Aplicaţii (mărimi măsurate)

Inductiv (L) Obs. În anumite variante constructive parametrul variabil este inductivitatea mutuală între două bobine (L12)

Variaţia lungimii, secţiunii sau permeabilităţii unor porţiuni din circuitul magnetic prin deplasarea unei armături feromagnetice (întrefier variabil, miez mobil)

- deplasări liniare şî unghiulare - dimensiuni piese - grosime - nivel

Idem, prin asociere cu elemente elastice, amortizoare, mase

- acceleraţie - viteză - vibraţii

Variaţia permeabilităţii magnetice sub acţiunea unor forţe (magneto-stricţiune)

- forţă - presiune

Capacitiv (C)

Variaţia distanţei sau a suprafeţei comune a armăturilor prin deplasare

- deplasări liniare sau unghiulare

Idem, prin asociere cu un element elastic - presiune - altitudine

Variaţia permitivităţii dielectricului - nivel - grosime - umiditate (solide)

Ca urmare a largilor posibilităţi pe care le oferă privind gama de mărimi şi domeniul

de variaţie al acestora, elementele sensibile parametrice cunosc o largă răspândire. 2. Elemente sensibile de tip generator Elementele sensibile de tip generetor sau 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 mărimi 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. În principiu, aceste mărimi ar putea fi utilizate ca atare drept semnale de ieşire din traductor, întrucât o parte din din puterea de la intrare este transferată lor prin procesul de conversie, ceea ce explică denumirile de mai sus. În scopul de a influienţa cât mai puţin mărimile de măsurat, puterea preluată de la acestea trebuie să fie cât mai redusă, astfel că, în practică, pentru asigurarea unor performanţe ridicate şi pentru a permite o bună adaptare de impedanţă cu circuitele receptoare din echipamentele de automatizare, pentru adaptoare sunt necesare surse de energie chiar şi în cazul elementelor sensibile generatoare. Există o mare varietate de fenomene fizice pe care se bazează realizarea de elemente sensibile de tip generator: inducţia electromagnetică, termoelectricitatea, piezoelectricitatea, magnetostricţiunea etc. În tabelul 2 sunt indicate câteva din tipurile cele mai reprezentative, cu specificarea aplicaţiilor. Elementele sensibile 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. Acestă 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 şî într-o anumită măsură şî cele magnetostrictive şi fotoelectrice, impun cerinţe speciale de altă natură. Ele pot fi echivalate 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, ecrtanări etc.).

Page 4: L01.2 – Elemente sensibile ale traductoarelor

Tabelul 2

Clasificarea elementelor sensibile de tip generator

Tipul elementului sensibil Fenomenul fizic pe care se bazează conversia

Aplicaţii (mărimi măsurate)

Electromagnetic (de inducţie) Generarea prin inducţie a unei t.e.m. sub acţiunea mărimii de măsurat

- viteză de rotaţie - debit de fluide - vibraţii - temperatura

Termoelectric Generarea prin efect termoelectric a t.e.m. de contact între două metale diferite

- temperatura

Piezoelectric Polarizarea electrică a unui cristal sub acţiunea unei forţe (oresiuni)

- forţe (dinamice) - presiuni (dinamice)

Magnetostrictiv Generarea unei t.e.m. prin variaţia inducţiei remanente sub acîunea unei forţe (presiuni) asupra unor materiale magnetice

- forţe (dinamice) - presiuni (dinamice)

Electrochimic Generarrea unei t.e.m. între doi electrozi situaţi în soluţii cu concentraţii de ioni diferite

- cncentraţia ionilor de hidrogen (pH)

Fotoelectric (fotovoltaic) Generarea unui curent electric pe baza efectului fotoelectric extern sub acţiunea radiaţiei luminoase

- deplasări liniare şi unghiulare - dimensiuni piese - viteză rotaţie

3.1.3. Elemente sensibile tipice pentru anumite mărimi fizice Dacă pentru proiectantul şi constructorul de traductoare este utilă clasificarea anterioară a elementelor sensibile pe baza principiului de funcţionare, pentru utilizator apare mai convenabilă clasificarea după mărimile fizice pe care acestea le pot detecta. În tabelul 3 este prezentată o clasificare a elementelor sensibile după mărimile cărora le sunt destinate. Se poate remarca din tabelul 3 faptul că adesea aceleaşi tipuri de elemente sensibile pot fi aplicate pentru detectarea unor mărimi fizice foarte deosebite.

Explicaţia constă în primul rând în aceea că urmărindu-se conversia într-o mărime electrică, este firesc ca elementele sensibile pasive să fie de tipul R, L, C, iar cele generatoare să furnizeze o tensiune, un curent sau o sarcină electrică. Pe de altă parte, variaţiile parametrilor R, L, C sau tensiunile şi curenţiigeneraţi depind, la rândul lor, de o multitudine de factori care, în cadrul unor fenomene fizice convenabil exploatate uneori şi cu ajutorul unor elemente de cuplare adecvate – pot fi influenţaţi de diverse mărimi.

De exemplu, variaţia unei rezistenţe electrice poate fi inflenţată pe cale termică rezultând un elementtermosensibil (termorezistenţa), dar, întrucât termoconductibilitatea amestecurilor de gaze depinde de prezenţa şi cantitatea anumitor componente, prin plasarea în mediul respectiv a unei termorezistenţe convenabil aleasă ea poate constitui un detector de concentraţie, ş.a.m.d. Se poate observa că pentru o aceeaşi mărime pot exista mai multe tipuri de elemente sensibile. Selectarea dintre acestea se face în funcţie de game de variaţie a mărimii măsurate, de posibilitatea de cuplare la proces, de fatorii de mediu, de performanţele impuse, de factorii economici, etc.

Page 5: L01.2 – Elemente sensibile ale traductoarelor

Tabelul 3

Clasificarea elementelor sensibile electrice după mărimile detectate

Mărimi fizice

de bază Mărimi fizice derivate Elemente sensibile tipice

Deplasare - deplasare liniară - deplasare unghiulară - lungime (dimensiuni geometrice) - grosime -straturi de acoperire - nivel - deformaţie (indirect, forţă, presiune,

cuplu) - altitudine

- rezistive - inductive - fotoelectrice - electrochimice (de inducţie,

selsine, inductosine)

Viteză - viteză liniară - viteză unghiulară - debit

- electrochimice (de inducţie) - fotoelectrice - termorezistive

Forţă - efort unitar - greutate - acceleraţie (vibraţie) - cuplu - presiune absolută, relativă, vacuum,

indirect nivel, debit) - vâscozitate

- rezistive cu element elastic asociat)

- inductive - capacitive - piezorezistive - piezoelectrice - magnetostrictive

Temperatură - temperatură (solide, fluide, de su-prafaţă)

- căldură (flux, energie) - conductibilitate termică

- termorezistenţe - termistoare - termocupluri - complexe (dilatare + depla-

sare) Masă - debit de masă

- densitate - idem ca la forţă

Concentraţie - componente în amestecuri de gaze - ioni de hidrogen în soluţii - umiditate

- termorezistive - electrochimice - conductometrice

Radiaţie - luminoasă - termică - nucleară

- fotoelectrice - detectoare în infraroşu - elemente sensibile bazate pe

ionizare