Scrigroup - Documente si articole

     

HomeDocumenteUploadResurseAlte limbi doc
AeronauticaComunicatiiElectronica electricitateMerceologieTehnica mecanica


Traductoare

Electronica electricitate



+ Font mai mare | - Font mai mic



Traductoare

4.1. Notiuni generale

A masura o marime fizica, inseamna a stabili pe cale experimentala valoarea (numerica) acesteia, prin comparare cu o marime de aceeasi natura, aleasa in mod conventional ca unitate.



De obicei, masurarile sunt efectuate cu participarea unui operator uman, care se reflecta in mod direct in obtinerea rezultatelor. Tinand cont de acest aspect, operatia de masurare, ca o comparatie direct perceptibila a marimii de masurat cu unitatea, nu este posibila decat intr-un numar restrans de cazuri in care unitatile pot fi realizate sub o forma care sa permita utilizarea lor ca atare. Restrictiile apar, pe de o parte, datorita faptului ca exista numeroase marimi fizice care nu sunt accesibile simturilor umane, iar, pe de alta parte, chiar si in situatiile celor care poseda aceasta proprietate, numai, un domeniu limitat de valori poate fi sesizat. Din aceste motive, masurarile se efectueaza in marea majoritate a cazurilor cu ajutorul aparatelor de masurare. Astfel, prin aparat de masurare se intelege acel dispozitiv care stabileste o dependenta intre marimea de masurat si o alta marime ce poate fi perceputa in mod nemijlocit de organele de simt umane, de o maniera care permite determinarea valorii marimii necunoscute in raport cu o anumita unitate de masura.

In cazul sistemelor automate, conducerea proceselor efectuandu-se fara interventia directa a omului, mijloacele prin care aceasta se realizeaza se modifica in concordanta cu noile conditii. In consecinta, operatiile de masurare in sistemele automate sunt efectuate de traductoare, dispozitive care stabilesc o corespondenta intre marimea de masurat si o marime cu un domeniu de variatie calibrat, apta de a fi receptionata si prelucrata de echipamentele de conducere (regulatoare, calculatoare de proces, etc.).

In cele de mai sus, notiunea de traductor a fost definita in sensul atribuit in automatica. Ea este extinsa adesea si pentru a denumi elemente cu functiuni similare care intra in structura unor lanturi de masurare complexa utilizate in scopuri de cercetare, in laboratoare, etc. si care nu sunt incluse intr-o bucla de reglare sau intr-un sistem de conducere cu calculator.

In cadrul analogiei intre conducerea manuala a proceselor si cea automata, se poate evidentia asemanarea intre functiile realizate de traductoare si de aparatele de masurare.

Relevand paralelismul functional intre un traductor si un aparat de masurare, este necesar sa se observe si o serie de deosebiri generate de atributul de element component al unui sistem automat pe care il are traductorul. Aceste deosebiri se manifesta mai ales in ceea ce priveste caracteristicile statice si dinamice, dar ele sunt legate si de unele functiuni suplimentare, cu implicatii asupra ansamblului aparaturii de automatizare.

Din punct de vedere al caracteristicilor statice si dinamice, principalele cerinte impuse traductoarelor sunt:

relatie liniara de dependenta intre marimea de intrare si marimea de iesire;

. dinamica proprie care sa nu influenteze in mod esential comportarea sistemului de masurare.

Aceste ipoteze reprezinta restrictii severe in ceea ce priveste constructia traductoarelor. Astfel, daca pentru un aparat de masurare relatia de dependenta intre marimea aplicata si deviatia acului indicator este neliniara, aceasta nu constituie un impediment, intrucat se poate grada neliniar scara aparatului, in cazul traductoarelor, dependenta trebuie sa fie strict liniara (eroarea de neliniaritate admisa este foarte redusa), toate calculele de sistem bazandu-se pe aceasta proprietate de liniaritate. Relativ la dinamica proprie a traductorului, aceasta trebuie interpretata in sensul necesitatii ca ea sa fie foarte rapida si, ca urmare, neglijabila in comparatie cu dinamica procesului propriu-zis. O astfel de caracteristica este absolut necesara, deoarece informatiile trebuie furnizate fara intarziere pentru ca interventiile de conducere sa fie oportune. Se deduce ca si din acest punct de vedere, caracteristicile dinamice ale traductoarelor sunt, in mod frecvent, mult mai pretentioase decat ale aparatelor de masurare destinate sa indice valori stationare sau lent variabile, in limitele vitezei de perceptie vizuala.

Traductoarele trebuie sa imbine cerintele semnalate de liniaritate si viteza de raspuns ridicata cu performante metrologice privind precizia, similare cu cele ale aparatelor de masurare sau chiar mai ridicate, tinand cont de posibilitatile superioare de discriminare ale sistemelor de conducere automata fata de cele ale unui operator.

Realizarea functiilor mentionate de catre traductor, astfel incat semnalul obtinut la iesirea acestuia sa reprezinte valoric marimea masurata, implica o serie de operatii de conversie cu caracter informational, insotite totodata si de transformari energetice bazate fie pe energia asociata marimii preluate de la proces, fie pe cea furnizata de surse auxiliare, in acest scop, in componenta oricarui traductor se pot distinge unele elemente functionale tipice, conform structurii generale din figura 4.1, unde x este marimea aplicata la intrarea traductorului (temperatura, debit, presiune, nivel, viteza, etc), iar y - marimea furnizata de traductor.

Functiile elementelor componente din figura 4.l sunt urmatoarele:


. Elementul sensibil ES (denumit si detector, captor sau senzor) este elementul specific pentru detectarea marimii fizice pe care traductorul trebuie sa o masoare. Sub actiunea marimii de intrare, are loc o modificare de stare a elementului sensibil, care, fiind o consecinta a unor legi fizice cunoscute teoretic sau experimental, contine informatia necesara determinarii valorii acestei marimi. Modificarea de stare presupune un consum energetic preluat de la proces, in functie de fenomenele fizice pe care se bazeaza detectia. Modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la iesirea ES (de exemplu t.e.m. a unui termocuplu in functie de temperatura), in alte situatii, modificarea de stare are ca efect variatii ale unor parametri de material a caror evidentiere printr-un semnal necesita o energie de activare externa. Indiferent cum s-ar manifesta modificarea de stare a ES, de obicei, informatia furnizata nu poate fi folosita ca atare, necesitand prelucrari ulterioare.

Adaptorul A are rolul de a adapta informatia obtinuta (simbolic) la iesirea ES la cerintele impuse de aparatura de masurare care o utilizeaza, respectiv sa o converteasca sub forma impusa pentru semnalul y.

Functiile realizate de adaptor sunt complexe. Ele determina ceea ce se intelege in mod curent prin adaptare de nivel sau de putere (impedanta) cu referire la semnalul de iesire in raport cu dispozitivele sistemului de masurare. Totodata, adaptorul este cel care asigura conversia variatiilor de stare ale ES in semnale calibrate reprezentand valoarea marimii de intrare. Prin urmare, se poate spune ca adaptorul este elementul in cadrul caruia se efectueaza operatia specifica masurarii - comparatia cu unitatea de masura adoptata. Comparatia se poate face in raport cu o marime etalon care exercita o actiune permanenta si simultana cu marimea de intrare (comparatie simultana). In cele mai multe cazuri comparatia este nesimultana, in sensul ca marimea etalon este initial aplicata din exterior in cadrul operatiei de calibrare, anumite elemente constructive memorand efectele sale si utilizandu-le ulterior pentru comparatia cu marimea de masurat, singura care se aplica din exterior in aceste cazuri (comparatie succesiva).

Potrivit legilor fizice pe care se bazeaza detectia efectuata de ES si masurarea in cadrul adaptorului, poate sa apara necesitatea efectuarii unor operatii de calcul liniar (atenuare, amplificare, sumare, integrare, diferentiere), si neliniar (produs, ridicare la putere, logaritmare).

Dupa forma de variatie a semnalelor de la iesire, adaptoarele pot fi analogice si numerice. Semnalele analogice se caracterizeaza prin variatii continue al unui parametru caracteristic, similare cu variatiile marimii aplicate la intrarea traductorului (marime in mod natural continua). Prin calibrare, intervalul de variatie al semnalului analogic se asociaza domeniului necesar al marimii de intrare in traductor si in consecinta, fiecarui nivel de semnal ii corespunde o valoare bine precizata (prin legea de dependenta liniara) a marimii masurate.

O data cu utilizarea tot mai frecventa a calculatoarelor de proces si a echipamentelor numerice, o serie de traductoare furnizeaza la iesire semnale numerice, fiind prevazute in acest scop cu adaptoare capabile sa efectueze conversia analog-numerica.

Semnalele numerice se caracterizeaza prin variatii discrete care permit reprezentarea intr-un anumit cod a unui numar finit de valori din domeniul de variatie continua al marimii de intrare.

Orice traductor poate fi redus la structura ES + A. Uneori insa, particularitati legate de aspecte tehnologice sau economice impun prezenta si a unor elemente auxiliare. Sunt situatii, cand apare necesitatea unor elemente de legatura pentru transmiterea starii, sau a semnalului furnizat de elementul sensibil catre adaptor (ELT, figura 4.1), de exemplu la masurarea temperaturilor ridicate cand ES nu poate fi plasat in aceeasi unitate constructiva cu adaptorul. In general, elementele de transmisie, realizeaza conexiuni electrice, mecanice, optice sau de alta natura. Daca marimea generata de ES este neadecvata pentru transmisie, de exemplu in cazul transmisiilor la mare distanta, ele cuprind si componente de conversie potrivit cerintelor impuse de canalele de transmisie.

Tot in categoria elementelor auxiliare se incadreaza si sursele auxiliare de energie (SAE) cuprinse in cadrul traductoarelor.

4.2. Elemente sensibile si adaptoare

Desi tipurile realizate sunt foarte numeroase, totusi se poate face o clasificare a elementelor sensibile (ES) ale traductoarelor electrice dupa urmatoarele criterii:

dupa principiul de conversie a marimii fizice aplicate la intrare, ES se impart in parametrice sau modulatoare si generatoare sau energetice;

dupa natura marimii fizice de masurat se intalnesc ES pentru: deplasare, viteza, forta, temperatura, etc.

Denumirea de elemente sensibile parametrice provine de la faptul ca marimea de intrare (neelectrica) determina variatia unui parametru electric de circuit - rezistenta, inductivitate, capacitate sau combinatii ale acestora. Punerea in evidenta a variatiilor unor asemenea parametri implica necesitatea unei surse de energie auxiliara. Aceasta sursa genereaza, de regula, o tensiune sau un curent electric constant, a carui valoare este modulata de variatia parametrului respectiv, obtinandu-se astfel un semnal electric ale carui variatii reproduc pe cele ale marimii de masurat.

Posibilitatile de conversie ale unor marimi de natura neelectrica se datoreaza legilor fizice care exprima dependenta parametrilor R, L, C la anumite materiale conductoare, semiconductoare sau dielectrice, in functie de acele marimi.

Astfel:

rezistenta electrica a unui conductor omogen:

(4.1)

inductivitatea proprie a unei bobine (circuit magnetic liniar):

(4.2)

capacitatea unui condensator plan cu armaturi paralele:
(4.3)

Exista posibilitatea influentarii valorilor acestor parametri prin modificari geometrice (lungime, sectiune), gasindu-se, astfel, aplicatii in masurarea deplasarilor, nivelului, grosimii, controlului dimensional, etc.

Se cunosc o serie de fenomene fizice, potrivit carora anumite marimi din relatiile de definitie mentionate, cum sunt ρ, m sau e pot fi facute dependente de variatiile unor marimi externe.

Elementele sensibile de tip generator (energetice) sunt utilizate in cazul marimilor active, adica a acelor marimi care au asociata o putere ce poate fi utilizata pentru conversie, fara a afecta valoarea marimii masurate. In aceste cazuri, nu mai sunt necesare sursele de energie auxiliare, elementul sensibil fiind de asa natura, incat sub actiunea marimii de intrare, el furnizeaza la iesire un curent, o tensiune sau o sarcina electrica, avand variatii dependente de intrare.

Exista o mare varietate de fenomene fizice pe care se bazeaza realizarea de elemente sensibile de tip generator: inductia electromagnetica, termoelectricitatea, piezoelectricitatea, magnetostric-tiunea, etc. Elementul sensibil de tip generator, in principiu, prezinta avantajul unei cuplari mai usoare si unei structuri mai simple a adaptorului, intrucat nu mai necesita conversia unui parametru de circuit (R, L, C) intr-un curent sau tensiune. Daca aceasta afirmatie este valabila pentru elementele sensibile de tip electromagnetic care genereaza semnale cu nivel de amplitudine si putere suficient de ridicat si usor de prelucrat, celelalte tipuri - indeosebi cele piezoelectrice, electrochimice, intr-o anumita masura si cele magnetostrictive si fotoelectrice - impun cerinte speciale de alta natura. Acestea pot fi echivalente cu niste generatoare de t.e.m. cu impedanta interna foarte mare, ceea ce atrage dupa sine conditii foarte severe privind impedanta etajului de intrare in adaptor si modul de realizare a conexiunilor electrice (rezistenta de izolatie foarte buna, ecranari, etc.).

4.2.1. Adaptoare electronice

Rolul adaptorului este acela de a converti marimea generata de elementul sensibil (ES) in semnalul electric de iesire al traductorului. Deoarece in acest caz, conversia si adaptarea semnalului de iesire la cerintele impuse de elementele lantului de masurare implica circuite si blocuri electronice, se utilizeaza frecvent denumirea de adaptoare electronice.

Adaptoarele furnizeaza la iesire, de regula, tensiuni si curenti electrici variind in limite specificate, indiferent de natura si domeniul de variatie al marimii aplicate la intrarea traductorului. De asemenea, aceste semnale au asociata o putere corelata cu caracteristicile energetice ale circuitelor de intrare din ultimul element al lantului de masurare (rezistenta de sarcina).

Diferentierile cele mai importante la adaptoare apar pe partea de intrare, care receptioneaza marimile diversificate atat ca natura fizica, precum si gama de variatie, furnizate de elementul sensibil. Circuitele de intrare ale adaptoarelor capata astfel caracteristici particulare in raport cu tipurile elementelor sensibile si in acest sens vor fi tratate in continuare.

4.2.1.1. Adaptoare pentru elemente sensibile de tip parametric

Adaptoarele pentru elemente sensibile de tip parametric se caracterizeaza prin aceea ca sunt prevazute 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 contine urmatoarele elemente (figura 4.2 - in afara elementelor din figura se prevad si surse de alimentare):

. SM - schema de masurare in punte Wheatstone de curent continuu functionand in regim neechilibrat. Pentru alimentarea puntii este necesara o sursa de tensiune stabilizata, deoarece tensiunea de dezechilibru este direct influentata de variatiile tensiunii de alimentare. Schemele in punte sunt, de obicei, preferate unor montaje mai simple de tipul divizor de tensiune, intrucat ele permit compensarea influentei unor factori externi si, deci, asigura o precizie mai ridicata;

BC - bloc de comparatie prin diferenta, care compara tensiunea de dezechilibru DU provocata de variatia DR a rezistentei elementului sensibil, cu tensiunea de reactie Ur ;

A - amplificator de tensiune continua care poate fi de tipul cu cuplare directa sau cu modulare - demodulare. Exista o gama larga de amplificatoare integrate de masurare, de la tipurile mai simple din categoria AO, pana la cele mai evoluate, cu separare galvanica, instrumentale, etc.;

BL - bloc de liniarizare introdus atunci cand este necesar sa compenseze neliniaritatile determinate de elementul sensibil sau de schema de masurare. BL este un generator de functii realizat cu diode, diode Zener, tranzistoare, care introduce, in mod intentionat, neliniaritati de sens opus celor determinate de elementul sensibil sau de schema de masurare, astfel ca pe ansamblu, relatia intrare - iesire a traductorului, pe domeniul considerat, sa fie liniara;

CTC - convertor tensiune - curent care asigura semnalul unificat de iesire in curent (de exemplu: 4 20 mA c.c.). De regula, este realizat cu tranzistoare de putere medie, deoarece amplificatoarele, in special cele integrate, nu pot asigura la iesire puterea necesara, (de exemplu 20 mA pe o rezistenta de sarcina in valoare de 600 W ). Montajele de tip Darlington sunt cele mai frecvente;

. BR - bloc de reactie negativa care furnizeaza tensiunea Ur proportionala cu Ic; in unele cazuri se prevede un bloc de reactie si liniarizare (BRL). Reactia negativa se introduce in scopul eliminarii influentei perturbatiilor, astfel incat sa cuprinda in bucla respectiva cat mai multe din blocurile componente. Blocul de reactie, de cele mai multe ori, este un divizor rezistiv de tensiune sau de curent.

Pentru elementele sensibile inductive si capacitive, structura adaptorului este similara. Deosebirile apar in modul de realizare a elementelor componente. Astfel, schemele de masurare sunt punti de c.a. functionand in regim neechilibrat, iar amplificatoarele de c.a. sunt de tipul selectiv, acordate pe frecventa de alimentare a schemelor de masurare. Separarea galvanica prin cuplare cu transformator apare in acest caz mai simpla, in schimb cuprinderea cat mai multor elemente in bucla si liniarizarea devin mai complicate.

Adaptoare pentru elemente sensibile de tip generator

Elementele sensibile de tip generator furnizeaza la iesire un semnal de natura unei tensiuni electrice continue sau alternative (termocuplurile, tahogeneratoarele, etc). In aceasta situatie, structura adaptorului este in principiu aceeasi ca in figura 4.2, din care lipseste insa schema de masurare (tensiunea data de termocuplu fiind similara cu tensiunea de dezechilibru a puntii de c.c). In acest caz, se impun o serie de cerinte specifice amplificatoarelor folosite in cadrul acestor adaptoare. Aceste cerinte sunt strans legate de caracteristicile semnalului generat de elementul sensibil, cazurile cel mai frecvent intalnite, fiind urmatoarele:

. Tensiuni continue de nivel foarte redus; adaptorul pentru traductorul de temperatura cu termocuplu reprezinta un exemplu tipic in acest sens. Masurarea tensiunii unor surse de semnal de nivel foarte scazut, de ordinul mV, cum este cazul termocuplurilor, este afectata in primul rand de deriva tensiunii de decalare. Astfel, daca se masoara temperatura cu un termocuplu Pt-Rh-Pt cu o sensibilitate de 10 mV/C si se utilizeaza un amplificator cu o deriva de tensiune de 15 mV/C, rezulta ca la o variatie a temperaturii mediului de numai 10C, deriva va fi de 150mV, ceea ce corespunde unei erori de temperatura de 15C, evident neacceptabila.

In amplificatoarele de c.c. realizate cu componente discrete, reducerea derivelor se face prin sortari si ajustari de piese componente, precum si prin adoptarea unor scheme adecvate de amplificatoare (cu modulare-demodulare, diferentiale cu compensare statica a derivei etc). Pentru satisfacerea acestor cerinte, au fost dezvoltate numeroase tipuri de amplificatoare integrate de masurare cu performante ridicate, cum sunt cele cu cuplaj direct si compensare statica a derivei cu temperatura care asigura derive de 0,25 mV/C si chiar 0,lmV/C comparabile cu cele ale amplificatoarelor cu modulare-demodulare, dar mai simple si mai ieftine decat acestea;

. Tensiuni alternative de frecventa variabila in limite largi. Amplificatoarele de tensiune de banda larga 1Hzl06Hz sunt necesare, fie in cazul unor traductoare electromagnetice cum sunt tahogeneratoarele, traductoarele de debit cu turbina, fie pentru traductoare destinate masurarii unor marimi variabile in timp, de exemplu cele piezoelectrice, magnetostrictive. Asemenea amplificatoare se realizeaza cu cuplaje RC intre etaje si includ o puternica reactie negativa, necesara pentru asigurarea liniaritatii si constantei amplificarii pe intreaga banda. In prezent se construiesc amplificatoare integrate de banda larga, care au amplificari pana la 60 dB pe banda pana la l,5MHz;

. Tensiuni continue sau alternative obtinute de la surse cu impedanta proprie de valoare foarte mare. Problemele cele mai dificile le pun amplificatoarele pentru acele elemente sensibile la care sursa de semnal se caracterizeaza prin rezistenta sau impedanta interna foarte mare, de ordinul 108109W (traductoare de pH, traductoare de debit electromagnetic, traductoare piezoelectrice, etc). Rezulta ca in asemenea cazuri, masurarea trebuie sa se faca fara consum de putere de la sursa de semnal. Aceasta inseamna ca amplificatoarele necesare pentru aceste aplicatii - denumite si amplificatoare electrometrice - trebuie sa realizeze rezistente de intrare de 10121014 W. In tehnica actuala s-au dezvoltat, in principal, doua directii de elaborare a acestor amplificatoare:

amplificator cu modulator cu diode varicap;

amplificatoare cu tranzistoare cu efect de camp.

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

Adaptoare utilizand scheme de masurare cu echilibrare automata

Pentru masurarea precisa a tensiunilor sau curentilor de nivel scazut dati de elementele sensibile generatoare, este necesar sa se utilizeze scheme de masurare de tip compensator care realizeaza compararea tensiunii sau curentului respectiv cu marimi similare, a caror valoare poate fi variata automat si cunoscuta cu precizie. Masurarea se face practic fara consum de putere de la elementul sensibil, ceea ce permite eliminarea erorilor sistematice de metoda.

In cazul elementelor sensibile parametrice, conditii superioare de precizie se pot obtine, de asemenea, daca schemele de masurare in punte sunt facute sa functioneze in regim echilibrat prin variatia corespunzatoare a unei rezistente de comparatie.

Intrucat marimile furnizate de elementele sensibile variaza in timp, rezulta ca atat compensarea, cat si echilibrarea puntilor trebuie sa se efectueze automat. Astfel, pentru o serie de traductoare de la care se cer performante superioare, adaptoarele se realizeaza sub forma unor compensatoare automate sau punti cu echilibrare automata. Asemenea solutii se adopta mai ales in acele cazuri in care, simultan cu semnalul de iesire al traductorului necesar pentru scopuri de reglare, apare si necesitatea indicarii sau inregistrarii marimii masurate de traductor.

Adaptoarele de acest tip sunt mai complexe decat cele mentionate in paragrafele anterioare, ele continand pe langa circuitele electrice (statice), elemente electromecanice (mobile). Datorita prezentei pieselor in miscare, performantele in regim dinamic sunt mai reduse, ele fiind aplicate numai marimilor caracteristice proceselor lente (marimi lent variabile in timp, cu banda de frecventa f l Hz).

a. Compensatoare automate

Compensatoarele automate pot fi de tip integral si de tip proportional.

a1. Compensator automat de tip integral

In figura 4.3 este prezentata schema de principiu a unui compensator automat de tip integral. La intrarea amplificatorului A se aplica tensiunea de dezechilibru DU, reprezentand diferenta dintre tensiunea necunoscuta Ux si tensiunea de compensare Uc:


DU = Ux -Uc . (4.4)

Fig. 4.3. Compensator automat de tip integral

Aceasta tensiune de dezechilibru, amplificata, se aplica infasu-rarii de comanda a servomotorului SM, care se pune in miscare, si prin intermediul mecanismului M (care transforma miscarea de rotatie intr-o miscare de translatie), deplaseaza cursorul potentiometrului R pana la anularea tensiunii de dezechilibru DU; simultan are loc si deplasarea acului indicator I in fata unei scari gradate S. Sensul de rotatie al servomotorului depinde de polaritatea tensiunii de dezechilibru si astfel deplasarea cursorului are loc intotdeauna in sensul convenabil echilibrarii. In momentul in care DU=0, servomotorul se opreste si cursorul ramane in pozitia corespunzatoare conditiei de compensare pana cand tensiunea de masurat isi modifica din nou valoarea. Procesul de echilibrare se repeta si cursorul se deplaseaza intr-o noua pozitie, corespunzatoare noii conditii de compensare.

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

Daca la bornele infasurarii de comanda a servomotorului se aplica tensiunea:

Um=ka DU. (4.5)

ka fiind amplificarea amplificatorului A, rotorul se va roti cu viteza unghiulara:

W = km Um = ka km DU . (4.6)

Viteza liniara de deplasare a cursorului potentiometrului R fiind proportionala cu viteza unghiulara a axului

(4.7)

deplasarea l a cursorului va fi:

(4.8)

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

(4.9)

Eroarea statica fundamentala a compensatorului, determinata de existenta pragului de sensibilitate al servomotorului (tensiunea minima pentru care bucla de reglaj automat intra in functiune), este, de obicei, foarte mica, de ordinul 0,l 0,2 %.

a2. Compensator automat de tip proportional

Schema de principiu a unui compensator automat de tip proportional este prezentata in figura 4.4. Tensiunea de masurat Ux este comparata cu caderea de tensiune UN de la bornele rezistentei etalon RN, cadere de tensiune produsa de curentul de iesire I al amplificatorului de c.c. (A). Montajul tinde sa aduca la zero tensiunea DU, adica:

DU = UX-UN=UX-RN I = 0. (4.10)
de unde rezulta:

(4.11)

Prin urmare, valoarea curentului I este o masura pentru tensiunea Ux, deci tensiunea de masurat a fost transformata in cadrul schemei intr-un curent proportional cu aceasta, curent care poate fi masurat cu ajutorul unui miliampermetru magnetoelectric gradat direct in unitati de tensiune.

In realitate, ca in orice sistem de reglare automata de tip proportional nu se poate obtine o compensare exacta, incat:

(4.12)

unde p reprezinta eroarea de proportionalitate.
Aplicand teorema a doua a lui Kirchhoff (figura 4.4) se obtine:

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

Fig. 4.4. Compensator automat de tip proportional bazat pe

principiul compensarii tensiunii continue

de unde rezulta:

(4.14)

Din egalitatea relatiilor (4.12) si (4.14) se obtine eroarea de proportionalitate:

. (4.15)

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


. (4.16)

Din relatia (4.16) se observa ca eroarea de proportionalitate este cu atat mai mica cu cat tensiunea de intrare ΔU, necesara pentru producerea curentului I, este mai mica, adica cu cat este mai mare factorul de amplificare al amplificatorului A.

Montajul poate fi considerat un generator de curent.

Aceste compensatoare sunt folosite frecvent pentru masurarea tensiunii furnizate de elementele sensibile termoelectrice.

Schema de principiu a unui compensator automat care se bazeaza pe principiul compensarii curentului continuu este prezentata in figura 4.5. Schema functioneaza ca un sistem de reglare automata a curentului I, in asa fel incat caderile de tensiune, in opozitie, de pe rezistentele etalon RN1 si RN2 sa se compenseze. In momentul compensarii, DU = 0 si, deci, rezulta:

RN2 IX=RN1 (I-IX).    (4.17)

sau:

prin urmare, curentul I indicat de miliampermetrul magnetoelectric este proportional cu curentul de masurat Ix.


Fig. 4.5. Compensator automat de tip proportional bazat pe

principiul compensarii curentului continuu

La amplificatoarele reale, compensarea completa a curentului nu este posibila, fiind necesara o tensiune DU pentru comanda amplificatorului. Prin urmare, curentul de iesire al amplificatorului este:

(4.19)

Conform schemei din figura 4.5 rezulta:

RN2 (Ix-Ii)-RN1 (I-Ix + Ii)-Ri Ii=0. (4.20)

de unde se obtine:

(4.21)

Din egalitatea relatiilor (4.19) si (4.21) rezulta eroarea de proportionalitate:
    (4.22)

Deci eroarea de proportionalitate este cu atat mai mica cu cat factorul de amplificare al amplificatorului este mai mare.

Acest montaj se comporta ca un generator de curent si se foloseste pentru masurarea curentului produs de elementele sensibile fotoelectrice.

b. Punti cu echilibrare automata

Puntile de c.c. cu echilibrare automata se folosesc, de regula, in instalatiile industriale pentru masurarea electrica a marimilor neelectrice si a variatiilor acestora, convertibile in rezistenta. Intr-unul din bratele puntii se conecteaza un element sensibil rezistiv.


Ca si compensatoarele automate, puntile automate pot fi de tip integral si de tip proportional.

b1. Puntea automata de tip integral

Intr-o latura a puntii (figura 4.6) se conecteaza un element sensibil rezistiv. Puntea este in echilibru (DU=0) pentru valoarea nominala R a rezistentei elementului sensibil. Sub influenta marimii neelectrice de masurat, rezistenta elementului sensibil variaza cu DR, deci apare o tensiune de dezechilibru DU¹0; aceasta tensiune, amplificata, se aplica infasurarii de comanda a SM, care se pune in miscare si prin intermediul mecanismului M (care transforma miscarea de rotatie intr-o miscare de translatie) deplaseaza cursorul potentiometrului Rv pana la anularea tensiunii DU. Simultan are loc si deplasarea acului indicator I in fata unei scari S gradate in unitati ale marimii neelectrice de masurat. Particularitatea acestui tip de punte o constituie existenta, in bucla de reglaj, a elementului integrator, reprezentat de servomotor. Pentru puntea din figura 4.6 sunt valabile relatiile stabilite pentru compensatorul automat de tip integrator.

b2. Puntea automata de tip proportional

Principiul puntii cu echilibrare automata de tip proportional este prezentat in figura 4.7. La variatia rezistentei elementului sensibil cu DR, apare o tensiune de dezechilibru DU¹0, care se aplica amplificatorului A. Curentul I2 de la iesirea amplificatorului produce o cadere de tensiune la bornele rezistentei etalon r , care tinde sa reechilibreze puntea:

DR I = R0 I2 . (4.23)

Rezistentele puntii sunt astfel alese incat:

R3 >> R si R2 >> R1 + R0,    (4.24)

adica se poate considera ca nu are loc modificarea curentului I la variatia rezistentei elementului sensibil cu DR.

Fig. 4.7. Punte automata de tip proportional

In realitate echilibrarea puntii nu se poate face exact, ca in orice sistem de echilibrare automata de tip proportional, ci numai aproximativ, incat la iesirea puntii exista o tensiune de dezechilibru:

DU = DR I - R0 I2 = DR I - R0 Y21 DU (4.25)

unde Y21 este admitanta de transfer a amplificatorului A.
Din relatia (4.25) se obtine:

(4.26)

Tensiunea de dezechilibru corespunde unei erori absolute de masurare a variatiei rezistentei (respectiv a marimii neelectrice):

(4.27)

si unei erori relative:

(4.28)

Eroarea puntii cu echilibrare automata de tip proportional este cu atat mai mica cu cat admitanta de transfer Y21 este mai mare, deci cu cat amplificarea amplificatorului este mai mare.

Pentru orice valoare a rezistentei elementului sensibil exista o valoare corespunzatoare pe care trebuie sa o aiba curentul de reactie I2=Y21DU pentru a reechilibra puntea. Deci miliampermetrul magnetoelectric conectat in circuitul de iesire al amplificatorului si care masoara curentul de echilibrare I2, poate fi etalonat direct in unitatea marimii neelectrice sesizata de elementul sensibil. Datorita faptului ca indicatia miliampermetrului:

(4.29)

este proportionala cu tensiunea de dezechilibru, puntea se numeste de tip proportional.

4.3. Convertoare pentru traductoare numerice

Pe masura introducerii tot mai largi a calculatoarelor de proces sau a echipamentelor numerice specializate, de conducere automata, apare tot mai frecvent necesitatea ca traductoarele sa fie prevazute cu iesiri numerice. Iesirile traductoarelor numerice uzuale sunt semnale compatibile TTL care reprezinta valoarea masurata in cod binar sau binar codificat zecimal.

Modalitatea cea mai simpla de obtinere a unei astfel de iesiri numerice consta in conversia analog - numerica (A/N) a semnalului de


Fig. 4.8. Traductor cu iesire numerica

iesire obtinut la iesirea unuia din adaptoarele prezentate in paragrafele anterioare, conform schemei din figura 4.8.

Traductoare integrate

Traductoarele integrate inglobeaza intr-o unitate constructiva de mici dimensiuni, similara circuitelor integrate, atat elementul sensibil, cat si adaptorul. Elementul sensibil si adaptorul sunt atat de intim cuplate, incat elementele de legatura si transmisie, semnificative la traductoarele uzuale, practic au disparut. In prezent, se fabrica in mod curent traductoare integrate de presiune (forta, acceleratie), de temperatura, cu performante ridicate si la dimensiuni reduse considerabil fata de traductoarele clasice.

Elemente sensibile parametrice

4.5.1. Elemente sensibile rezistive

Desi constructiv, traductoarele cu elemente sensibile rezistive sunt cele mai simple, utilizarea lor este relativ redusa datorita erorilor si a rezolutiei mai scazute.

Elementele sensibile rezistive fac parte din grupa elementelor sensibile parametrice si se bazeaza pe faptul ca marimea de masurat produce o variatie a rezistentei electrice a elementului sensibil. Variatia rezistentei electrice R poate fi produsa prin variatia unuia din parametrii care intervin in relatia (4.1) si de aceea elementele sensibile rezistive sunt utilizate pentru masurarea marimilor neelectrice care produc variatia unuia dintre cei trei parametri si anume:

elemente sensibile rezistive la care variatia rezistentei se produce prin variatia lungimii conductorului;

elemente sensibile rezistive la care variatia rezistentei se produce prin variatia rezistivitatii;

elemente sensibile rezistive la care variatia rezistentei se produce prin variatia sectiunii unui conductor sau semiconductor.

4.5.1.1. Elemente sensibile potentiometrice

Elementele sensibile potentiometrice sunt constituite dintr-un potentiometru al carui cursor se deplaseaza sub actiunea marimii neelectrice de masurat, deplasarea cursorului putand fi liniara (figura 4.9) sau circulara.

Prin deplasarea cursorului are loc modificarea lungimii l din potentiometru care este inclusa in circuitul de masurare, ceea ce conduce la relatia:

R=f(x),

unde R este rezistenta elementului sensibil, iar x - marimea neelectrica de masurat care produce deplasarea cursorului.

Caracteristica de conversie a elementului sensibil potentiometric liniar este data de relatia:

(4.31)

unde: Rt este rezistenta totala a potentiometrului; R - rezistenta intre cursor si un capat; lt - lungimea totala; l - lungimea corespunzatoare deplasarii cursorului; a = l/lt - deplasarea relativa.

Pentru potentiometrul circular se poate scrie in mod similar:


(4.32)

unde: at este unghiul maxim de rotatie a cursorului; a - unghiul de rotatie a cursorului fata de un capat; a1 = a at

Deoarece elementele sensibile potentiometrice se executa prin bobinarea unui fir rezistiv pe un suport izolant, rezulta ca variatia rezistentei nu se produce in mod continuu ci in trepte care corespund trecerii cursorului de pe o spira pe alta. Rezulta ca valoarea rezistentei R este afectata de o eroare de discontinuitate:

(4.33)

unde n reprezinta numarul total de spire, iar este eroarea de discontinuitate.
Eroarea relativa de discontinuitate va fi:

(4.34)

unde se numeste factor de treapta.
Eroarea de discontinuitate este cu atat mai mica cu cat factorul de treapta este mai mic. Pentru a micsora factorul de treapta se construiesc potentiometre elicoidale cu pas multiplu.

Intrucat principalele surse de erori sunt variatia temperaturii mediului si erorile de contact, se impune utilizarea, pentru firul conductor, a unui material cu coeficient de variatie a rezistivitatii cu temperatura foarte mic (constantan sau manganina); pentru cursor - lamele sau perii din fire de argint cu grafit; pentru carcasa - materiale ceramice cu buna izolatie si buna stabilitate cu temperatura.

Elementele sensibile potentiometrice se utilizeaza pentru masurarea deplasarilor liniare pentru lungimi pana la 2 m sau pentru deplasari unghiulare. De asemenea, se utilizeaza in structura traductoarelor complexe pentru masurarea nivelelor, presiunilor, fortelor, etc.

Elemente sensibile rezistive cu contacte

Acestea sunt elemente sensibile rezistive la care variatia lungimii firului rezistiv se face in trepte prin inchiderea sau deschiderea unor contacte. In acest scop rezistenta elementului sensibil este divizata in mai multe portiuni si prezinta posibilitatea inchiderii sau deschiderii unor contacte de catre marimea mecanica de masurat (figura 4.10). Sensibilitatea elementului sensibil rezistiv cu contacte se poate mari cu ajutorul unor transmisii cu parghii.

Limita sensibilitatii este determinata, mai ales, de distanta minima dintre contacte, care este limitata de pericolul de strapungere si depinde de tensiunea aplicata contactelor. Tensiunea aplicata contactelor trebuie sa fie mai mica decat valoarea la care incepe strapungerea si ea depinde de distanta dintre contacte, de forma si materialul contactelor si de presiunea pe contact. Contactele se pot confectiona din platina, platina cu iridiu, wolfram, molibden, in functie de conditiile de utilizare.

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

Elemente sensibile tensometrice rezistive

Elementele sensibile tensometrice rezistive reprezinta elemente sensibile rezistive la care variatia rezistentei electrice se produce prin variatia lungimii conductorului, ca efect al alungirii sau contractiei. Daca elementul sensibil tensometric este fixat pe o portiune dintr-o piesa care se deformeaza din cauza unei solicitari, el se va deforma la fel cu piesa.

Masurand prin metode electrice variatia de rezistenta a elementului sensibil tensometric, care este proportionala cu alungirea sa, se poate determina, pe baza unei etalonari prealabile, deformatia in portiunea de piesa studiata si in final marimea neelectrica care a produs aceasta deformatie.

Pentru a stabili relatia care exista intre deformatia firului rezistiv si variatia rezistentei sale electrice, se considera un conductor rectiliniu de lungime l si de sectiune transversala S, confectionat dintr-un material avand rezistivitatea

Rezistenta initiala a firului este:

(4.35)

Logaritmand relatia (4.35) si diferentiind-o, se obtine:
lnR = ln
r + lnl-lnS,     (4.36)

Deoarece

(4.38)

unde m este coeficientul Poisson (raportul dintre deformatia transversala si cea longitudinala), rezulta:

. (4.39)

Experimental s-a stabilit ca intre variatia de volum si cea a rezistivitatii unui corp exista relatia:

unde C este o constanta a materialului folosit.

Inlocuind (4.40) in relatia (4.39), se obtine:

(4.41)

Sensibilitatea elementului sensibil tensometric St, este raportul dintre variatia relativa a rezistentei sale, si variatia relativa a lungimii sale (alungirea specifica) :

(4.42)

Rezulta ca intre variatia de rezistenta a firului si alungirea sa specifica ε = exista relatia liniara:

(4.43)

Dupa modul de realizare si de montare a elementului sensibil tensometric se disting urmatoarele tipuri:

. Elemente sensibile tensometrice simple. In acest caz, elementul sensibil rezistiv (firul rezistiv) se monteaza direct pe piesa si el urmareste deformatiile piesei. Deoarece firul rezistiv are grosimea de ordinul sutimilor de milimetru, montarea acestor elemente sensibile este o operatie dificila si de aceea ele se utilizeaza numai pentru masurarea deformatiilor pieselor ce functioneaza la temperaturi ridicate;

. Elemente sensibile tensometrice cu suport de hartie. Pentru a se elimina dificultatile montarii directe a firului rezistiv pe piesa, acesta este lipit, in prealabil, cu un adeziv pe un suport de hartie. Deoarece rezistenta electrica a firului trebuie sa fie destul de mare, pentru ca elementul sensibil sa aiba o sensibilitate corespunzatoare, lungimea totala a firului este de ordinul a 10 cm. Pentru a se reduce suprafata de asezare a elementului sensibil, firul este dispus sub forma unui grilaj, figura 4.11,a. Pentru utilizare, suportul elementului sensibil se lipeste pe piesa de studiat. Acest tip de element sensibil tensometric este cel mai raspandit.

. Elemente sensibile tensometrice rezistive cu folie. Aceste elemente sensibile sunt in principiu identice cu cele precedente, deosebirea constand in faptul ca elementul sensibil nu mai este un fir subtire, ci o folie din material rezistiv, de grosime 220 mm, aplicata in prealabil pe suport si decupata prin mijloace foto - chimice. Elementul sensibil cu folie are avantajul unui contact mecanic si termic mai bun cu piesa de studiat, ceea ce permite functionarea cu un curent de masurare mai mare. Totodata se pot obtine dimensiuni mai mici.

Elemente sensibile tensometrice rezistive cu semiconductor. In acest caz elementul sensibil este un semiconductor (siliciu sau germaniu). Avantajul principal, fata de tipurile de elementele sensibile mentionate anterior este marea lor sensibilitate la deformatii (de 5060 ori mai sensibile decat elementele sensibile cu fir sau folie).

Pentru masurarea deformatiilor care au loc in lungul unei directii cunoscute de exercitare a efortului, este suficienta folosirea unui singur element sensibil. Cand directia efortului nu este cunoscuta, se foloseste o retea multipla de elemente sensibile (o rozeta) care permite calculul ulterior al directiilor si valorilor deformatiilor. Rozetele tensometrice sunt realizate din 3 - 4 elemente sensibile, situate la 45 sau 60 intre ele (figura 4.11,b si c).

Elementele sensibile tensometrice rezistive sunt utilizate la masurarea a numeroase marimi mecanice: forte, presiuni, acceleratii, vibratii, momente de torsiune, etc.

4.5.1.4. Elemente sensibile termorezistive

Elementele sensibile termorezistive se bazeaza pe proprietatile materialelor conductoare si semiconductoare de a-si modifica rezistivitatea electrica la variatia temperaturii. In general, rezistivitatea metalelor creste cu cresterea temperaturii, adica prezinta un coeficient de temperatura pozitiv, iar rezistivitatea electrolitilor, semiconductoarelor si materialelor izolante scade cu cresterea temperaturii.

Elementele sensibile termorezistive sunt de doua tipuri: termorezistente si termistoare.

Termorezistentele sunt elemente sensibile parametrice care isi modifica rezistenta cu temperatura dupa o relatie de forma:

R = R0 a q q b q q (4.44)

iar daca q =0, se obtine:

R = R0 (l + a q b q (4.45)

unde a b, au valori constante pentru anumite intervale de temperatura, iar r este rezistenta la temperatura q = 0 C.

Pentru un interval restrans de temperatura se considera doar primul termen din dezvoltare

R = R0(l + a q (4.46)

astfel ca dependenta rezistentei de temperatura este liniara.

O masurare precisa se face luand doi sau trei termeni din dezvoltarea (4.45), deoarece caracteristica termorezistentei este totusi neliniara.

Termorezistentele se realizeaza prin bobinarea bifilara a firului rezistiv pe un suport izolant si introducerea lui intr-un tub de protectie.

Termorezistentele se utilizeaza pentru masurarea temperaturii si in constructii speciale pentru masurarea vitezei gazelor, a debitului volumetric, a concentratiei gazelor si a presiunilor scazute.

Termistorul este un dispozitiv realizat dintr-un material semiconductor special (oxizi de metale grele aglomerate prin presare) care isi modifica puternic rezistenta cu temperatura. Daca la metale cresterea temperaturii determina cresterea rezistentei, in cazul termistoarelor aceasta scade in aceleasi conditii. Ca la toate semiconductoarele, rezistenta termistorului este data de:

unde a si b sunt constante, iar T este temperatura in K.
Aceeasi relatie se poate scrie si sub forma:

unde r este rezistenta la temperatura T0 in K.
Sensibilitatea unui termistor este:

adica scade cu patratul temperaturii. Din aceasta relatie rezulta ca intervalul de utilizare (de sensibilitate ridicata) este cel al temperaturilor relativ mici.

Se poate defini un coeficient de variatie a rezistivitatii, asemanator celui de la metale:

(4.50)

Aceasta arata o neliniaritate foarte accentuata a caracteristicii de conversie pentru termistoare, o variatie foarte mare a rezistentei cu temperatura si anume o scadere a rezistentei.

Termistoarele au dimensiuni foarte mici (sfere cu diametre sub l mm), sensibilitate mare, rezistenta initiala mare si necesita scheme de liniarizare a caracteristicii de conversie.



Termistoarele sunt indicate atat pentru masurari statice cat si, in special, pentru masurari dinamice ale temperaturilor.

4.5.1.5. Elemente sensibile piezorezistive

Efectul piezorezistiv consta in modificarea rezistivitatii unui material daca este supus unei presiuni exterioare crescatoare din toate directiile. Variatia rezistivitatii cu presiunea se datoreaza deformarii retelei cristaline produsa de presiunea exterioara (figura 4.12).

Pentru majoritatea metalelor si pentru intervale restranse de variatie a presiunii rezistenta electrica variaza liniar cu presiunea:

R = R0 (l + b Dp), (4.51)

unde r este rezistenta la presiunea de l atm, iar b este coeficientul de presiune. Cel mai utilizat material este manganina, deoarece influenta temperaturii este cea mai mica. Rezistenta initiala este R0 = 100 W. Aceste elemente sensibile sunt simple, robuste, au un timp de raspuns mic, dar prezinta unele dificultati la realizarea legaturilor electrice prin peretii camerei de presiune. Elementele sensibile piezorezistive sunt utilizate cu precadere pentru masurarea presiunilor mari si foarte mari, peste 1000 atm ajungand pana la 100 000 atm.

4.5.1.6. Elemente sensibile fotorezistive

Acestea se bazeaza pe efectul fotoelectric intern, care consta in faptul ca la caderea unui fascicul luminos pe stratul semiconductor (figura 4.13), datorita absorbtiei fotonilor incidenti, se transmite energie electronilor din banda de valenta si unii trec in banda de conductie micsorandu-se rezistenta electrica a semiconductorului. Elementul sensibil fotorezistiv se realizeaza (figura 4.13) prin depunerea pe un suport izolant a unui strat subtire P de ordinul a l mm grosime de material semiconductor: sulfura de plumb, sulfura de cadmiu, seleniura de cadmiu etc. Pe stratul semiconductor sunt aplicati la extremitati electrozii, fixate conexiunile si elementul sensibil se protejeaza prin acoperire cu lac sau capsulare. La cei doi electrozi A si B este conectata o sursa de tensiune continua si un instrument magnetoelectric. In stare neluminata, prin elementul sensibil trece un curent de valoare redusa care se numeste curent de intuneric, iar cand suprafata este iluminata, rezistenta scade aproximativ liniar cu iluminarea. Deci din punct de vedere electric, elementul sensibil fotorezistiv se comporta ca o rezistenta a carei valoare este comandata prin lumina.

Elementele sensibile fotorezistive prezinta o sensibilitate ridicata, o sensibilitate spectrala favorabila aplicatiilor, si desi au o pronuntata dependenta de temperatura si o inertie mare, sunt folosite in realizarea exponometrelor si in masurari in care intervin impulsuri de lumina cu frecventa joasa.

4.5.2. Elemente sensibile inductive

Elementele sensibile inductive fac parte din grupa elementelor sensibile parametrice si se bazeaza pe proprietatea ca marimea de masurat produce o variatie a inductivitatii elementului sensibil. Inductivitatea proprie sau mutuala a elementului sensibil este modificata de acele marimi care influenteaza geometria sau permeabilitatea magnetica a circuitului magnetic al elementului sensibil. Elementele sensibile inductive pot fi clasificate in:

elemente sensibile la care sunt influentate inductivitati proprii si mutuale;

. elemente sensibile la care este influentata permeabilitatea magnetica.

Elementele sensibile inductive la care sunt influentate inductivitati proprii si mutuale sunt utilizate pentru masurarea deplasarilor. Din acest punct de vedere, elementele sensibile inductive se pot clasifica in:

elemente sensibile pentru deplasari liniare mici (10-2102 mm);

elemente sensibile pentru deplasari unghiulare;

elemente sensibile pentru deplasari liniare mari.

4.5.2.1. Elemente sensibile inductive pentru deplasari liniare mici

Din punct de vedere constructiv aceste elemente sensibile sunt de doua tipuri: cu modificarea inductivitatilor proprii sau mutuale prin deplasarea unui miez mobil si cu modificarea intrefierului.

a. Elemente sensibile inductive cu miez mobil


Cel mai simplu element sensibil de acest tip este constituit dintr-o bobina cilindrica in interiorul careia se deplaseaza un miez feromagnetic, de aceeasi lungime cu bobina, sub actiunea marimii de masurat x (figura 4.14,a). Deplasarea miezului provoaca o variatie a inductivitatii proprii a bobinei intre valorile L0 si Lmax corespunzatoare miezului scos din bobina, respectiv complet introdus in bobina.

Fig. 4.14. Element sensibil inductiv cu miez mobil:

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

Dependenta inductivitatii L a bobinei in functie de deplasarea x a miezului feromagnetic fata de pozitia de inductivitate maxima se poate exprima prin relatia:

L = (Lmax-L0) e-k(x/l)+ L0 . (4.52)

Caracteristica de conversie L = L(x) exprimata de relatia (4.52) este neliniara (figura 4.14,b).

Daca bobina este alimentata cu o tensiune alternativa de valoare efectiva U si de frecventa f, rezulta un curent alternativ a carui valoare efectiva este:

(4.53)

Masurand curentul I se obtine o informatie privind deplasarea miezului.

Varianta diferentiala (figura 4.15) permite ameliorari in ce priveste sensibilitatea si caracteristica de conversie. Elementul sensibil inductiv cu bobine diferentiale este format din doua bobine (figura 4.15,a), fiecare de lungime l, in care se poate deplasa axial un miez feromagnetic de aceeasi lungime l. Prin deplasarea miezului feromagnetic se modifica in sens invers inductivitatile proprii L1 si L2 ale celor doua bobine, precum si inductivitatea lor mutuala M.


Cele doua bobine de impedante Z1 si Z2 impreuna cu doua rezistente de valori egale R sunt conectate intr-o punte de c.a. (figura 4.15,a) care este alimentata cu o tensiune alternativa U.

Fig. 4.15. Element sensibil inductiv cu bobine diferentiale:

a) - schema de principiu; b) - caracteristica de conversie

Pentru x = 0, corespunzator asezarii simetrice a miezului in cele doua bobine, rezulta L1 = L2 si DU = 0. Daca miezul feromagnetic se deplaseaza sub actiunea marimii de masurat, se modifica cele doua inductivitati si rezulta o tensiune de dezechilibru:

(4.54)

Daca se neglijeaza rezistentele bobinelor in comparatie cu reactantele, se poate scrie:
=j
w (L1+M); =jw (L2+M)

si relatia (4.54) devine:

(4.56)

Caracteristica de conversie DU = f (x), exprimata de relatia (4.56) si reprezentata in figura 4.15,b este liniara pe intervalul (-1/2, 1/2). Tensiunile de dezechilibru din zona negativa a caracteristicii de conversie corespund unor tensiuni defazate cu 180 fata de cele corespunzatoare situatiei L1 - L2 > 0 si, de aceea, folosindu-se un redresor sensibil la faza se evidentiaza si sensul deplasarii.


O varianta asemanatoare cu cea anterioara este aceea la care bobinele din montajul diferential constituie secundarul unui transformator. Traductoarele realizate cu un astfel de element sensibil se numesc de tip transformator diferential (figura 4.16). Elementul sensibil este compus dintr-o bobina primara si doua bobine secundare, asezate coaxial, in interiorul carora se poate deplasa un miez din material feromagnetic (bobina primara este cea din mijloc). Cand bobina primara este alimentata de la o sursa externa de c.a., in bobinele secundare se induc tensiuni electromotoare. Deoarece bobinele secundare sunt conectate in opozitie, tensiunile induse sunt in opozitie de faza. Astfel, la iesire se obtine diferenta tensiunilor induse:

U2=U'2-U"2.    (4.57)

In cazul in care miezul feromagnetic se afla situat in interiorul bobinei primare, pozitie considerata de zero, cele doua tensiuni secundare sunt egale si tensiunea de iesire U2=0. In cazul in care miezul feromagnetic se deplaseaza la stanga, patrunde mai mult in secundarul din stanga, se mareste inductivitatea mutuala intre cele doua bobine, creste tensiunea U'2 si scade tensiunea U"2, rezultand la iesire o tensiune U2¹0. La deplasarea miezului feromagnetic spre dreapta, creste tensiunea U"2 si scade tensiunea U'2. Se pune in evidenta in acest mod si sensul de deplasare. Caracteristica de conversie este liniara.

Aceste elemente sensibile folosesc ca adaptor un redresor sensibil la faza. Elementele sensibile inductive de tip transformator diferential au o foarte mare sensibilitate si sunt utilizate pentru masurarea abaterilor cu intervale de masurare cuprinse intre -3 mm si +3 mm pana la - 100 mm la +100 mm (micrometre electrice) sau pentru masurarea deplasarilor foarte mici pana la 20 mm.

b. Elemente sensibile inductive cu intrefier variabil


Cel mai simplu element sensibil inductiv cu intrefier variabil (cu armatura mobila) este constituit dintr-un circuit magnetic in forma de U si o armatura mobila care se deplaseaza sub actiunea marimii de masurat x (figura 4.17,a). Pe circuitul magnetic fix este dispusa o bobina cu N spire, a carei inductivitate proprie L variaza ca urmare a deplasarii armaturii. Daca se neglijeaza fluxul magnetic de scapari, reluctanta circuitului magnetic este:

unde: l1, respectiv l2 este lungimea medie a liniilor de camp prin circuitul magnetic, respectiv prin armatura; S1, respectiv S2 - aria sectiunii transversale a circuitului magnetic, respectiv a armaturii; S3 - aria intrefierului; m - permeabilitatea vidului; mFe permeabilitatea relativa a materialului feromagnetic; δ - intrefierul in pozitia de referinta; x - deplasarea armaturii mobile.

Daca S1 = S2 = S3 = S si l1 + l2 = lFe, atunci relatia (4.58) devine:

(4.59)

Tinand seama de relatia (4.59), inductivitatea bobinei este:

Relatia (4.60) evidentiaza o caracteristica de conversie L(x) neliniara (figura 4.17,b), cu atat mai accentuata cu cat domeniul de variatie al intrefierului este mai mare.

Pentru mFe foarte mare, rezulta:

(4.61)

si relatia (4.60) devine:

(4.62)

  Pentru x << d inductivitatea L data de relatia (4.62) se poate scrie sub forma:

Deci pentru deplasari mici (x << d; x 0,l d) caracteristica de conversie este liniara. Din acest motiv acest tip de element sensibil este recomandabil pentru masurari in cazul unor deplasari mici, pentru intervale de masurare cuprinse intre 0 10 mm pana la 0 5 mm.

O ameliorare a liniaritatii caracteristicii de conversie se obtine utilizand montajul diferential (figura 4.18), unde d d - x, d d +x, iar d este valoarea intrefierului in pozitia de referinta. Adaptorul pentru acest tip de element sensibil este puntea de c.a. (figura 4.18,a).
Pentru x = 0, corespunzator asezarii simetrice a armaturii mobile, rezulta
d d d , L1 = L2 si deci DU = 0. Daca armatura mobila se deplaseaza (d ¹ d ), se modifica cele doua inductivitati si rezulta o tensiune de dezechilibru de forma:


DU = KURw (L1 -L2). (4.64)

La aceste elemente sensibile nu pot fi satisfacute simultan conditiile de liniaritate si cele de sensibilitate; solutia de compromis fiind: Dd dmax

Elementele sensibile cu modificarea intrefierului se pot realiza si in variante de tip transformator, atat simple (figura 4.19,a) cat si diferentiale (figura 4.19,b).

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

unde K este factorul de cuplaj, dependent de deplasarea x. Pentru elementul sensibil de tip transformator diferential (figura 4.19,b), tensiunea de iesire este:


unde d este valoarea intrefierului corespunzatoare pozitiei de zero.


In ceea ce priveste adaptorul, transformatorul diferential cu modificarea intrefierului poate fi cuplat cu etaje de tip amplificator / redresor, dar mai frecvent se utilizeaza un montaj de tip oscilator cu cuplaj magnetic.

Elementele sensibile de acest tip sunt caracterizate prin: gabarit redus, rezolutie foarte buna si robustete sporita. Principala sursa de erori o constituie modificarile caracteristicilor magnetice ale miezului prin imbatranire.

4.5.2.2. Elemente sensibile inductive pentru deplasari unghiulare

Cele mai raspandite elemente sensibile inductive din aceasta categorie sunt cele de tip selsin. Selsinele fac parte din categoria masinilor electrice speciale. Considerand statorul inductor, alimentat cu tensiunea e1=E1m sin(w t), in rotor se va induce tensiunea     e2 = E2m cos(q sin(w t), unde q este unghiul intre axele electrice ale celor doua infasurari (figura 4.20).

Deci, la variatia ciclica a unghiului q de la 0 la 360 se obtine o tensiune maxima E2, care la fiecare trecere prin zero isi schimba faza.

Acest lucru permi-te, pe de o parte, eviden-tierea fiecarei semirotatii (prin schimbarea fazei), iar pe de alta parte, in cadrul fiecarei semirotatii (0 180) amplitudinea tensiunii induse este dependenta de unghi.

Traductoarele cu element sensibil de tip selsin se realizeaza in doua variante de baza: de tip resolver si de tip inductosin.

a. Elemente sensibile de tip resolver

Resolverul (denumit si selsin bifazat) contine doua infasurari statorice decalate electric cu 90, rotorul fiind monofazat, in functie de modul de alimentare, inductorul poate fi sau rotorul sau statorul. Astfel, daca rotorul este alimentat cu o tensiune ur = Um sin(w t), se obtin in stator doua tensiuni:


us1 = Us1m sin (w t) cos j (4.67)
us2 = Us2m sin (w t) sin j (4.68)

unde j este unghiul pe care il face rotorul cu axa infasurarii statorului S1 iar Us1, Us2 depind de raportul de transformare intre infasurari (Us1 si Us2 sunt proportionale cu fluxurile, defazajul de 90 pastrandu-se doar in ipoteza ca impedanta de sarcina este infinita). Se considera ca acest raport este egal cu 1 pentru ambele infasurari si deci Us1 = Us2 = Ur.

Daca se alimenteaza statorul, rotorul devine indus, in aceasta situatie, se pot evidentia doua metode distincte de utilizare, cu modulatie de amplitudine si cu modulatie de faza.

Resolver cu modulatie de amplitudine. Pentru a masura pozitia unghiulara a unui ax (care antreneaza rotorul), referitor la o pozitie de referinta a, se alimenteaza cele doua infasurari statorice cu tensiunile:

us1 = Um sin (a sin (w t). (4.69)
us2 = Um
cos (a sin (w t). (4.70)

Tensiunea indusa in rotor va fi pentru o pozitie unghiulara a axei

rotorului fata de axa infasurarii statorului S:

ur = Us1m cos j Us2m sin j = Um sin (w t) sin (a j

Semnul () este determinat de sensul de parcurgere a infasurarilor S1, S2. Pentru sensul marcat in figura 4.21, semnul este (-), asa dupa cum se poate constata si din diagrama fazoriala. De asemenea, daca tensiunile statorice sunt:

us1 = Um sin (w t) cos a (4.72)
us2 = Um sin (w t) sin a. (4.73) tensiunea rotorica va fi:

ur = Um sin (w t) cos (a j

Se obtine deci, la iesire, o tensiune cu amplitudinea modulata cu sinusul (sau cosinusul) unghiului e a j, care reprezinta abaterea de la pozitia prescrisa.

Resolver cu modulatie de faza. Se considera, de aceasta data, alimentarea statorului cu doua tensiuni de aceeasi frecventa si amplitudine, dar decalate cu 90 electrice:

Tensiunea indusa in rotor va fi:

ur = Um [sin (w t) cos j cos (w t) sin j] = Umsin (w t j (4.76)

Tensiunea rezultanta are, deci, o faza proportionala cu unghiul j care caracterizeaza pozitia relativa dintre rotor si stator.

b. Elemente sensibile de tip inductosin circular

Inductosinul circular poate fi echivalat cu un selsin multipolar desfasurat in plan, cu un numar foarte mare de poli. Constructiv, el consta din doua discuri plane, separate intre ele printr-un interstitiu de aer de 0,10,3 mm. Unul din discuri este mobil (rotorul), cuplat solidar cu obiectul a carui deplasare unghiulara se masoara, iar celalalt fix, asociat cu sistemul de referinta (statorul). Pe discul fix, de regula inductor, sunt dispuse doua infasurari multipolare plane (realizate in tehnica circuitelor imprimate), decalate intre ele cu 90 electrice (1/2 din latimea unei spire). Rotorul, uzual un indus, contine o infasurare cu acelasi pas.

Similar, ca si la selsin, in rotor, in cazul modulatiei de faza, se obtine:

ur =Um sin (w t - p g) (4.77)
iar in cazul modulatiei de amplitudine:

ur =Um sin w tsin(a - p g (4.78)

unde: p este numarul de perechi de poli ai infasurarii rotorice; (k= 0,1,2,3); j -unghiul de rotatie intre rotor si stator; α - unghiul de referinta.

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

4.5.2.3. Elemente sensibile inductive pentru deplasari liniare mari

Din aceasta cate-gorie face parte inducto-sinul liniar. Acesta, ca si inductosinul circular, poate fi asimilat cu un selsin multipolar desfa-surat in plan, la care rotorul este o rigla a carei lungime trebuie sa aco-pere domeniul maxim de masurare, iar statorul este un cursor ce se deplasea-za deasupra riglei. Pe rigla si pe cursor se afla infasurari realizate din folie de cupru imprimate prin procedee serigrafice. Rigla are o singura infasurare, iar cursorul are doua infasurari, toate realizate cu acelasi pas p = 2 tp Intre spirele celor doua infasurari ale cursorului exista un decalaj spatial de 90 electrice (figura 4.22). Inductosinul se poate utiliza ca element sensibil absolut in domeniul unui semipas (semiperioada) de 2 mm si ca element sensibil absolut intr-o schema care contorizeaza numeric numarul de semipasi (treceri prin zero ale tensiunii proportionale cu defazajul) si apoi masoara numeric sau analogic faza in cadrul unui pas. Se prefera alimentarea pe cursor cu doua tensiuni si un singur semnal de iesire. Aceasta solutie se utilizeaza in cele doua variante:

a. cu modulatie de faza, situatie in care tensiunea de iesire din rigla (atunci cand rotorul este alimentat cu tensiunile Usinwt, Ucoswt) este:

(4.79)

sau :

(4.80)

unde: kt este raportul de transformare; x - pozitia relativa intre rigla si cursor in cadrul unui semipas (x = 0 cand se suprapun infasurarile riglei

cu prima infasurare a cursorului).
b. cu modulatie de amplitudine, situatie in care:

(4.81)

unde x0 este pozitia fata de care se masoara deplasarea din cadrul unui semipas.

4.5.2.4. Elemente sensibile inductive la care este influentata permeabilitatea magnetica

Functionarea acestor elemente sensibile se bazeaza pe fenomenul magnetoelastic care consta in modificarea permeabilitatii unor materiale supuse la eforturi mecanice. Fenomenul magnetoelastic este cel mai pronuntat la materialele bazate pe Ni - Fe. Daca pentru un asemenea material se determina ciclurile de histerezis pentru stare netensionata si tensionata se constata o modificare semnificativa a acestora, deci o modificare a permeabilitatii magnetice.

Experimental s-a dovedit ca intre anumite limite ale efortului mecanic, permeabilitatea variaza liniar cu efortul unitar, iar aceasta variatie este dependenta de directia efortului. Pe baza anizotropiei fenomenului magnetoelastic se realizeaza elementul sensibil de tip presductor (figura 4.23) care este format dintr-un pachet de tole prevazut cu patru gauri in care se introduc doua bobine plasate la 90. Infasurarea primara este alimentata cu o tensiune alternativa U1, stabilindu-se un curent de valoare efectiva constanta. In stare netensionata, miezul are aceeasi permeabilitate in toate directiile si liniile de camp magnetic sunt circulare, iar tensiunea indusa in infasurarea secundara este nula. Sub actiunea unei forte F materialul este supus unui efort mecanic si permeabilitatea se modifica diferit dupa cele doua axe ortogonale, ceea ce conduce la modificarea liniilor inductiei magnetice si la inducerea unei t.e.m. (U2) in secundar. Caracteristica de conversie U2 = f(F) este neliniara si prezinta histerezis.

Elementele sensibile de tip presductor au dimensiuni mici, sunt simple, robuste, au interval larg de masurare (0 107 N), rezista la suprasarcini, dar prezinta histerezis si au o precizie redusa. Ele sunt utilizate la masurarea maselor si fortelor.

4.5.3. Elemente sensibile capacitive

Elementele sensibile capacitive fac parte din grupa elementelor sensibile parametrice si ele convertesc marimea neelectrica de masurat intr-o variatie de capacitate. Schema electrica echivalenta a unui condensator cuprinde reactanta capacitiva si rezistenta echivalenta pierderilor. In analiza elementelor sensibile capacitive se va presupune, cu o buna aproximatie, ca unghiul de pierderi este mic si se va neglija rezistenta de pierderi in comparatie cu reactanta capacitiva.

Elementele sensibile capacitive utilizeaza, de regula, condensatoare plane, la care se pot modifica unul din urmatorii parametri: distanta dintre armaturi, suprafata armaturilor si permitivitatea mediului dintre armaturi.

4.5.3.1. Elemente sensibile capacitive cu modificarea distantei dintre armaturi

Cel mai simplu element sensibil de acest tip este un condensator plan cu o armatura fixa si una mobila (figura 4.24,a) sub actiunea deplasarii x, a carui capacitate este:

(4.82)

sau:

(4.83)

Caracteristica de conversie C=C(x) prezinta o variatie hiperbolica (figura 4.24,b). Pentru deplasari mici, x< (0,l d, relatia (4.83) devine:

(4.84)

Rezulta ca variatia capacitatii se poate considera liniara numai pentru deplasari mici; de aceea aceste elemente sensibile pot fi utilizate numai pentru masurarea deplasarilor mici 0 l mm.

O mai buna liniaritate se poate obtine utilizand un montaj diferential (figura 4.25), care consta din doua condensatoare plane, avand o armatura comuna (mobila). Capacitatile celor doua condensatoare sunt:

(4.85)

Schema pentru realizarea conversiei in semnal util, conecteaza capacitatile C1 si C2 intr-o punte de tip Sauty (figura 4.26), avand in celelalte doua brate capacitatile fixe C3 si C4, (C3 = C4 = C).

Tensiunea de dezechilibru va fi:

 

si deci caracteristica de conversie DU = f (x) este liniara.

Dezavantajul acestui tip de element sensibil consta in valorile mici ale capacitatilor (10 100)pF, ceea ce impune utilizarea unor frecvente de lucru ridicate (1KHz cativa MHz).

4.5.3.2. Elemente sensibile capacitive cu modificarea suprafetei

Considerand fetele unui condensator plan de dimensiuni a, b si notand cu x deplasarea relativa a unei fete fata de cealalta (figura 4.27,a), se obtine:

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

(4.88)

unde d este distanta dintre armaturi.

Din relatiile (4.87) si (4.88) rezulta caracteristici de conversie C = C(x) si C = C(a) liniare.

4.5.3.3. Elemente sensibile capacitive cu modificarea dielectricului

Permitivitatea relativa a dielectricului unui condensator se poate modifica fie prin introducerea unui material izolant intre armaturi, fie prin modificarea starii fizice a dielectricului cu umiditatea, substante diferite, etc. De aceea aceste elemente sensibile se utilizeaza la masurarea grosimilor, a nivelelor, a umiditatii, etc..

Elementul sensibil capacitiv cu modificarea dielectricului, de tip condensator cilindric (figura 4.28,a), este constituit din doi electrozi cilindrici ficsi, intre care se deplaseaza un manson izolator cu o constanta dielectrica diferita de a aerului, alunecand cu frecare cat mai redusa. In ipoteza in care mansonul adera la armaturi, capacitatile condensatoarelor care se formeaza sunt:

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

Uneori, un astfel de element sensibil poate fi folosit la masurarea nivelului unui lichid dielectric sau a unei pulberi dielectrice.

Se intalnesc mai rar si elemente sensibile capacitive cu modificarea dielectricului, de tip condensator plan (figura 4.29) la care capacitatile condensatoarelor care se formeaza sunt:

(4.92)

Capacitatea echivalenta a sistemului este:

(4.93)

Din relatiile (4.90) si (4.93) rezulta caracteristici de conversie C=C(x) liniare.


Orice schema pentru conversia in semnal util a variatiei capacitatii elementelor sensibile, necesita un etaj de amplificare cu impedanta mare, deoarece la modificarile de capacitate relativ mici (10-100pF), chiar utilizand frecvente ridicate (2 20KHz), rezulta impedanta de iesire Z=l/(wC) de ordinul sutelor de KW si chiar al megohmilor. In aceste conditii, etajul de amplificare trebuie sa aiba o impedanta de intrare de minimum 20 MW

Fig. 4.29. Element sensibil capacitiv cu modificarea

dielectricului de tip condensator plan

4.6. Elemente sensibile generatoare

Elementele sensibile generatoare convertesc marimea neelectrica de masurat in tensiune electrica. In functie de fenomenul fizic utilizat pentru conversie, se disting urmatoarele tipuri principale:

elemente sensibile termoelectrice;

elemente sensibile piezoelectrice;

elemente sensibile fotoelectrice;

elemente sensibile de inductie.

4.6.1. Elemente sensibile termoelectrice

Functionarea elementelor sensibile termoelectrice se bazeaza pe fenomenul termoelectric (efectul Seebeck). Daca se realizeaza un circuit din doua conductoare ' a ' si ' b ' de natura diferita, unite intre ele prin sudura sau lipite in punctele de contact P1 si P2 (figura 4.30,a) si aceste capete sunt incalzite la doua temperaturi diferite q si q , apare o tensiune electromotoare care va produce un curent. Aceasta tensiune se numeste tensiune termoelectrica si ea depinde de natura metalelor din care sunt confectionate conductoarele a, b, precum si de diferenta de temperatura Dq q q

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

Pentru un interval restrans de temperatura, tensiunea termoelectrica este proportionala cu diferenta de temperatura:

Eq=S Dq = S q q

Rezulta ca tensiunea termoelectrica poate fi folosita pentru a masura diferenta de temperatura dintre cele doua puncte de contact P1 si P2. Tensiunea termoelectrica se masoara prin desfacerea unuia dintre puncte si conectarea unui aparat de masurare (figura 4.30,b).


Deoarece conductoarele de legatura sunt din metale diferite de conductoarele a si b, suma tensiunilor termoelectrice din acest circuit este zero atata timp cat punctele de contact P1, P2, P3 sunt mentinute la aceeasi temperatura q

Daca punctul P2 este adus la temperatura q q Dq, apare o tensiune termoelectrica Eθ a carei valoare este independenta de prezenta celui de-al treilea conductor atata timp cat punctele de contact P1 si P3 sunt la aceeasi temperatura. Daca temperatura punctelor P1 si P3 nu este aceeasi, tensiunea termoelectrica din circuit este suma algebrica a tensiunilor termoelectrice dezvoltate pentru fiecare pereche de conductoare.

Ansamblul celor doua conductoare a si b formeaza elementul sensibil termoelectric (termocuplu), capatul P2 se numeste sudura calda si el se introduce in mediul a carui temperatura se masoara, iar capatul P1, P3 se numeste sudura rece si se conecteaza la schema de masurare a tensiunii termoelectrice.

Sensibilitatea unui element sensibil termoelectric se defineste prin relatia:

=a+b θ+θ2. (4.96)

Metalul

Tensiunea termoelectrica
in mV pentru
Dq = 100C

Constantan

Nichel

Paladiu

Platina

Aur

Manganina

Wolfram

Platinrhodiu(10%Rh)

Cupru

Molibden

Fier

Nichel - Crom

Tabelul 4.l

 
Sensibilitatea ele- mentului sensibil termo-electric trebuie sa fie cat mai mare si totodata trebuie sa fie constanta pe un interval de temperatura cat mai larg. Pentru aceasta s-au masurat tensiunile termoelectrice care apar intre diferite metale si platina pentru q = 0 C si q = 100 C si metalele au fost ordonate dupa valorile obtinute, formandu-se seria tensiuni-lor termoelectrice (tabelul 4.1).

Din acest tabel au fost selectate perechile de metale care sa prezinte o diferenta cat mai mare care sa fie constanta pe un interval cat mai larg, obtinandu-se elementele sensibile cele mai des utilizate (tabelul 4.2).

In practica, corespondenta tensiune termoelectrica - temperatura se stabileste pe baza tabelelor care indica aceasta corespondenta din zece in zece grade.

Elementul sensibil
termoelectric

Sensibi-litatea

mV/ C)

Intervalul de
temperaturi (C)

Cupru- Constantan

41

Fier - Constantan

56

Cromel - Alumel

41

0 1100

Platina-Platinrhodiu

9,5

Elementele sensibile termoelectrice se introduc in aceeasi structura de protectie ca si elementele sensibile termorezistive.

Elementele sensibile ter-moelectrice se utilizeaza la realizarea termometre-lor electrice.

4.6.2. Elemente sensibile piezoelectrice

Elementele sensibile piezoelectrice functioneaza pe baza efectului piezoelectric. Piezoelectricitatea este o proprietate intrinseca a unor materiale dielectrice, dintre care cuartul si titanatul de bariu (BaTiO3), care coreleaza polarizarea electrica a dielectricului cu deformarile si vibratiile mecanice ale materialului respectiv.

Pentru evidentierea fenomenelor piezoelectrice, dielectricul este incadrat de electrozi metalici, intregul ansamblu formand un condensator (figura 4.3l,a). Polarizarea dielectricului se traduce in acest caz printr-un aport sau printr-o diminuare de sarcina electrica pe electrozi.

Efectul piezoelectric direct consta in faptul ca deformarea plachetei dielectrice printr-o constrangere mecanica exterioara conduce la polarizarea materialului, ceea ce implica aparitia unei sarcini electrice q pe electrozi (figura 4.3l,a). Aceasta sarcina este proportionala cu marimea deformatiei (fortei F):

q = k F (4.97)

unde k este modulul piezoelectric, specific pentru fiecare substanta.

Sarcina electrica q depinde de forta si nu depinde de dimensiunile geometrice ale cristalului supus compresiunii. Daca cristalul este supus intinderii, efectul este acelasi dar sarcinile vor fi de semn contrar fata de cazul compresiunii.

Armaturile metalice ale elementului sensibil piezoelectric formeaza un condensator plan de capacitate:


(4.98)

unde: este permitivitatea substantei piezoelectrice; A - aria plachetei; d - grosimea plachetei (distanta dintre armaturi).

Tensiunea care se stabileste la bornele condensatorului (fig. 4.31,a si 4.32) este o masura a fortei F:

(4.99)

Sensibilitatea in gol a unui element sensibil piezoelectric supus unei soli-citari de forta F:

(4.100)

depinde numai de proprietatile si dimensiunile geometrice ale dielectricu-lui (k si C). Cea mai mare valoare a sensibilitatii in gol o poseda cuartul.

Elementele sensibile de marimi mecanice care utilizeaza efectul piezoelectric direct lucreaza intotdeauna pe o sarcina care este, de regula, intrarea unui amplificator. Impedanta de sarcina prezinta, in cazul general, o componenta rezistiva rs care este, de exemplu, impedanta de intrare a amplificatorului (de ordinul 106 108 ) si o componenta capacitiva CS, care inglobeaza si capacitatile parazite introduse de cablurile de conexiune (figura 4.33). In figura 4.33,a, rezistenta R este rezistenta de izolatie a elementului sensibil (108 1010W). Cuplajul element sensibil - impedanta de sarcina (figura 4.33,a) formeaza un divizor capacitiv (figura 4.33,b), tensiunea in sarcina fiind data de relatia:

(4.101)

Din relatia (4.101) se observa ca:

. tensiunea in sarcina US este independenta de pulsatia w

. transmisia tensiunii U0 in sarcina se efectueaza cu un randament mai bun in cazul utilizarii materialelor dielectrice care confera elementului sensibil o valoare mai ridicata a capacitatii C (pentru CS = const.).

Elementele sensibile piezoelectrice nu se utilizeaza la solicitari mecanice statice, ci numai la masurarea marimilor mecanice variabile in timp. La aplicarea unei forte statice F, in momentul initial (t = 0) pe sarcina (figura 4.33,a) apare tensiunea US, exprimata de relatia (4.101). Scaderea in timp a tensiunii pe sarcina uS(t), chiar in cazul persistentei fortei statice F, este data de:

(4.102)

Astfel, in cazul aplicarii unei forte statice F, tensiunea uS scade in timp la zero datorita rS cu constanta de timp τ = RS(C + CS). In consecinta, frecventa minima de variatie in timp a fortei F este:

(4.103)

Elementele sensibile piezoelectrice se pot realiza sub forma a doua sau mai multe plachete suprapuse mecanic (figura 4.34), care sunt supuse in serie aceleiasi forte F. Legarea in serie din punct de vedere electric a acestor elemente sensibile permite obtinerea unei valori mai mari a tensiunii in sarcina. Elementele sensibile piezoelectrice bazate pe efectul piezoelectric direct se folosesc la masurarea fortelor, acceleratiilor, presiunilor, vitezelor de propagare a undelor mecanice si a unor constante de material.

Efectul piezoelectric invers consta in faptul ca la aplicarea unei tensiuni alternative la bornele condensatorului din figura 4.3 l,a, placa cristalina vibreaza cu frecventa tensiunii aplicate. Amplitudinea vibratiei este maxima daca aceasta frecventa coincide cu frecventa de oscilatie proprie a plachetei, iar in spatiul inconjurator se propaga unde ultrasonore. Efectul piezoelectric invers este utilizat la receptia si generarea ultrasunetelor.

4.6.3. Elemente sensibile fotoelectrice

Elementele sensibile fotoelectrice efectueaza conversia energiei luminoase (radiante) in semnal electric de iesire (curent sau/si tensiune) si sunt realizate din materiale semiconductoare: germaniu (Ge), siliciu (Si), galiu - arsen (GaAs), etc.. Prin iluminarea acestor elemente sensibile, in volumul semiconductorului are loc o generare de purtatori de sarcina prin trecerea electronilor din banda de valenta in cea de conductie. Generarea optica de purtatori conduce la aparitia unui fotocurent si modificarea caracteristicii curent - tensiune a dispozitivului. Marimea semnalului electric furnizat la iesirea elementului sensibil fotoelectric este direct proportionala cu puterea optica intr-o anumita gama de lungimi de unda l a radiatiei incidente. Intre lungimea de unda l a radiatiei luminoase incidente si energia E = h n a fotonilor exista relatia:

(4.104)

unde c este viteza luminii in vid, iar h - constanta lui Planck.

Fenomenul de fotoconductivitate (generarea optica a perechilor electron - gol) are loc prin absorbtia de fotoni avand o energie egala sau mai mare decat latimea (energia) benzii interzise EG care separa banda de valenta de cea de conductie. Lungimea de unda maxima lc a radiatiei luminoase incidente care mai poate crea perechi de electron - gol este data de relatia (4.104), in care energia E se inlocuieste cu EG:

(4.105)

Radiatia incidenta cu valori reduse ale lungimii de unda (energie mare a fotonilor) este absorbita la suprafata si nu patrunde in volumul semiconductorului, deci nu creeaza purtatori de sarcina. Din spectrul larg al radiatiei electromagnetice, cu lungimi de unda intre l = 0,01 nm si l = 1000 nm, pentru elementele sensibile fotoelectrice fabricate din mate-rialele semiconductoare mentionate, prezinta interes banda optica cuprinsa intre ultravioletul indepartat (l mm) si infrarosul mediu (l mm).

Elementele sensibile fotoelectrice sunt caracterizate prin sensibilitatea integrala:

(4.106)
unde IF este curentul fotogenerat, iar F - fluxul luminos.

Sensibilitatea SF este constanta pentru o anumita gama a iluminarii E = , unde A este suprafata elementului sensibil. Cu cresterea nivelului de iluminare peste un anumit prag, sensibilitatea elementului sensibil fotoelectric scade.

Corelat cu parametrul SF, pentru caracterizarea elementelor sensibile fotoelectrice, se utilizeaza ca parametru sensibilitatea in raspuns R:

(4.107)

unde Popt este puterea optica incidenta, iar h eficienta cuantica (numarul de perechi de purtatori fotogenerati / un foton incident). Pentru un element sensibil ideal (h = 1), sensibilitatea in raspuns R = (l / 1,24) creste liniar cu lungimea de unda a semnalului optic incident. Principalele tipuri de elemente sensibile fotoelectrice sunt urmatoarele:

Fotodioda pin, in care grosimea stratului intrinsec este utilizata pentru optimizarea eficientei cuantice si a raspunsului in frecventa;

. Fotodioda Schottky, in care metalul jonctiunii metal - semiconductor este utilizat pentru ajustarea domeniului de raspuns spectral. Aceste diode sunt utilizate de preferinta in domeniile vizibil si ultraviolet ale spectrului optic.

Dioda cu heterojonctiuni este un element sensibil fotoelectric a carui jonctiune este formata intre doua materiale semiconductoare avand diferite latimi ale benzii interzise. Se utilizeaza in domeniul spectral l mm, fiind realizata din GaAs si InP, precum si din compusii acestora;

Fotodioda cu avalansa este utilizata la valori mari ale tensiunii de polarizare inverse, la care se produce multiplicarea in avalansa a purtatorilor generati. Aceasta multiplicare produce o amplificare interna de curent, deci sensibilitatea acestor diode este mai mare. Produsul banda - castig in curent al unei fotodiode cu avalansa poate depasi 100 GHz, astfel incat acest tip de element este sensibil la semnale optice modulate la frecvente de microunde;

Fototranzistorul, la care jonctiunea baza - colector are o arie mare, in comparatie cu un tranzistor bipolar obisnuit.

4.6.4. Elemente sensibile de inductie

Aceste elementele sensibile functioneaza pe baza fenomenului de inductie: fenomenul de inducere a unei t. e. m. intr-un conductor in deplasare relativa fata de un camp magnetic. Cele mai raspandite elemente sensibile de inductie sunt tahogeneratoarele si elementele sensibile de inductie pentru debit.

Tahogeneratoarele sunt micro-generatoare de c.c. sau c.a. care genereaza tensiuni electrice proportio-nale cu viteza de rotatie a sistemului cu care sunt cuplate.

Tahogeneratorul de c.c. se construieste ca un generator de c.c. cu magneti permanenti dispusi pe stator, iar indusul este rotorul. La mersul in gol, t.e.m. este proportionala cu turatia (viteza unghiulara):

E = k F n. (4.108)

Tahogeneratoarele de c.a. se realizeaza cu bobinajul indusului dispus pe stator si rotorul cu poli aparenti din magneti permanenti, eliminandu-se astfel colectorul. Valoarea efectiva a tensiunii induse este proportionala cu turatia:

E = k1 n. (4.109)

Tahogeneratoarele consuma o putere de l 50 W, care este neglijabila la puteri mari de antrenare, dar la puteri mici apar erori de masurare a turatiei.

Elementele sensibile de inductie pentru debit sunt utilizate la masurarea debitului lichidelor bune conducatoare de electricitate. Ele sunt formate dintr-un tub izolant (figura 4.35) in peretele caruia se dispun diametral doi electrozi. Tubul este plasat intr-un camp de inductie magnetica B perpendicular pe planul format de axa longitudinala de scurgere si diametrul pe care sunt dispusi cei doi electrozi. In lichidul care se scurge cu viteza v intre electrozii aflati la extremitatile diametrului d se induce t.e.m.:

E = v B d , (4.110)

unde v este viteza medie de scurgere a fluidului, iar d - diametrul tubului de scurgere. Debitul Q este dat de relatia:

de unde rezulta:

(4.112)

Caracteristica de conversie E = E(Q) este liniara indiferent daca scurgerea este laminara sau turbulenta. Elementele sensibile de inductie pentru debit se realizeaza cu camp de inductie magnetica constant sau alternativ. Tensiunile electromotoare induse sunt mici (de exemplu, pentru B = 0,3 T, d = 0,05 m, v =0,l m/s rezulta E = 1,5 mV).



Politica de confidentialitate | Termeni si conditii de utilizare



DISTRIBUIE DOCUMENTUL

Comentarii


Vizualizari: 3493
Importanta: rank

Comenteaza documentul:

Te rugam sa te autentifici sau sa iti faci cont pentru a putea comenta

Creaza cont nou

Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2024 . All rights reserved