TEMA PROIECTULUI

TRADUCTOARE

ARGUMENT

Scopul lucrarii este de a face o prezentare a pricipiilor de functionare ale celor mai uzuali senzori din compunerea traductoarelor analogice si digitale de masurare a vitezei de rotatie, modul de etalonare cat si posibilitatile de afisare si prelucrare a informatiilor obtinute de la acestia.

Ansamblul format dintr-un senzor integrat in acelasi circuit (chip) cu elementul de adaptare poarta numele de traductor 'integrat'. Recent a aparut conceptul de senzor sau traductor 'inteligent' care prezina asocierea unui traductor cu un microprocesor (microcontroller). Astfel se pot obtine semnale de iesire cu mare imunitate la pertarbatii, liniarizarea caracteristicii de conversie a marimii de intrare x(t) in marime de iesire y(t), autocalibrarea, corectii fata de diversi factori de influenta, generarea unor marimi de control. Traductoarele inteligente s-au dezvoltat rapid ca elemente componente principale ale sistemelor automate, de masura, monitorizare si control, precum si in domeniul roboticii industriale.

Senzorii si traductoarele de nivel se folosesc pentru atingerea nivelului minim si maxim dintr-un recipient cat si pentru comanda de punere in functiune a dispozitivelor de umplere a rezervoareelor sau de umplere a lor.

Masurarea nivelului in recipienti este foarte importanta pentru multe procese tehnologice si pentru evaluarea stocurilor existente.

Din punct de vedere al energiei, indispensabila desfasurarii procesului de masurare, senzorii se pot clasifica in senzori activi (generatori), senzori pasivi (parametrici).

In procesul de masurare a nivelului pot aparea o serie de probleme specifice ca, de exemplu: vase speciale sub presiune sau la temperaturi inalte, prezenta spumei la suprafata exterioara sau a turbulentelor, corozitatea substantelor folosite etc. Aceste probleme se rezolva prin solutii constructive adecvate. Cele mai simple traductoare de nivel se bazeaza pe forta arhimedica: evident, ele pot fi folosite numai in cazul lichidelor.

Traductoarele de presiune reprezinta una dintre categoriile de traductoare care cunosc o larga raspandire in automatizarile industriale, presiunea constituind un parametru de baza pentru numeroase procese tehnologice.

In multe ramuri industriale, ca de exemplu industria petrolului, chimiei, termoenergetica etc., reglarea presiunii este chiar determinanta pentru asigurarea desfașurarii corecte a intregului proces tehnologic.

GENERALITAȚI

Traductoarele electroacustice sunt subansambluri functionale care transforma energia acustica in energie electrica și invers.

    In functie de energia primara cu care lucreaza le deosebim:

    - traductoare care transforma sunetele(micile deplasari de natura mecanica ce sunt date de undele sonore) in curentul electric de audiofrecventa(AF) : microfoane, doze de redat discuri

    - traductoare care transforma curentii electrici de audiofrecventa in sunete : casca, difuzorul, gravorul de disc

    O alta categorie de traductoare o constituie capetele de redare-imprimare a magnetofoanelor si casetofoanelor, care transforma campul magnetic variabil in curent de AF si invers.

    Sursele de semnal si transductoarele electroacustice sunt parti componente  indispensabile ale aparaturii electronice destinate reproducerii si transmiterii programelor sonore.

    Este bine de stiut ca numai cunoscand constructia si modul de functionare al elementelor ce intra in componenta surselor de semnal si a traductoarelor electroacustice se va putea asigura o intretinere eficienta care sa mareasca durata de functionare.

Structura generala a unui traductor

   Pentru masurarea marimilor fizice care intervin intr-un proces tehnologic  este necesara, de cele mai multe ori, convertirea(traducerea) acestora in marimi de o alta natura fizica, convenabile pentru celelalte elemente din cuprinsul SRA. De exemplu, o temperatura sau o presiune sunt convertite in marimi de natura electrica-tensiune, curent electric-proportionale cu marimile generale care pot fi utilizate si prelucrate de celelalte elemente de automatizare ale SRA(comparatoare, regulatoare automate,etc.).

   Se numeste TRADUCTORacel element al SRA care realizeaza convertirea unei marimi fizice-de obicei neelectrica─in marime de alta natura fizica─de obicei electrica-proportionala cu prima sau dependenta de aceasta, intr-un fel prestabilit, in scopul utilizarii intr-un sistem de automatizare.

    Exista o larga varietate de traductoare, structura lor fiind mult diferita de la un tip de traductor la altul. Se poate stabili o structura generala a unui traductor(fig.1).

   

Fig.1 Structura generala a unui traductor

ES─ element sensibil; AD─ adaptor; SE─ sursa de energie inclusa

    Marimea de la intrarea traductorului i(reprezentand valori de presiune, temperatura, turatie, etc.) este convertita de elementul sensibil ES intr-o marime intermediara l care se aplica adaptorului AD(convertorul de iesire). Acesta transforma marimea l in marime de iesire y de obicei de natura electrica(tensiune, curent, rezistenta, etc.) ce poate fii observata sau prelucrata mai usor in circuitul de reglare. Convertorul de iesire are totodata rolul de a realiza si o adaptare cu celelalte elemente din cadrul SRA.

Caracteristicile generale ale traductoarelor

    Se pot stabili urmatoarele categorii generale, valabile pentru orice traductor :

   - natura fizica a marimilor de intrare si de iesire(curent, tensiune, rezistenta, temperatura, debit, nivel, etc.)

   - caracteristica statica a traductorului, care reprezinta grafic dependenta y= f(i) dintre marimile de iesire respective de intrare a traductorului

   - domeniul de masurare, definit de pragurile superioare de sensibilitate i max. si y max. si de cele inferioare i min. si y min.

   - panta absoluta(sensibilitatea) Ka reprezentand raportul dintre variatiile marimilor de iesire Δy,  respectiv de intrare Δi (fig. 2) :

    K=     

   - panta medie(Km), reprezentand coeficientul unghiular (panta) dreptei care aproximeaza caracteristica statica reala a traductorului(fig. 2):

Km= tgα ≈ Ka

Fig. 2 Caracteristica statica a unui traductor

  - puterea consumata la intrare(de obicei, o putere mica sau foarte mica, de ordinul catorva wati sau miliwati, sau chiar mai putin). Consumul propriu, fiind, de regula, neglijabil, inseamna ca puterea transmisa elementului urmator este insuficienta pentru a determina o actionare; de aceea, in schemele de automatizare un traductor este urmat, aproape intotdeauna de un amplificator.

FUNCTIILE ELEMENTELOR COMPONENTE

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)

Sursele de semnal

   Functional, sursele de semnal se pot imparti in trei mari categorii principale :

   Din prima categorie fac parte traductoarele electromagnetice : microfoanele si dozele de redare.

   Capetele de inregistrare si redare fac parte din a doua categorie. Ele sunt traductoare magnetoelectrice care transforma semnalele electrice in fluxuri magnetice ce creeaza pe banda magnetica o magnetizare remanenta in cazul capetelor de inregistrare sau transforma variatia magnetismului benzii in semnale electrice in cazul capetelor de redare.

   In cea de-a treia categorie intra generatoarele de semnal, in principal de semnalele pur sinusoidale ce servesc in general la masurarea caracteristicilor unui lant electroacustic sau la crearea unor efecte sonore.

TIPURI DE SEMNALE

Traductoare pentru procese lente

 In cadrul proceselor lente se pot intalni diferite marimi care trebuie masurate si controlate, cum ar fi: temperatura, presiunea, debitul, nivelul, pH­ul si conductivitatea. Fiecare din aceste marimi poate fi masurata cu mai multi senzori sau traductoare in functie de anumite conditii impuse, de domeniul si de precizia de masura, ceea ce impune cunoasterea modului de utilizare a senzorilor si traductoarelor si a problemelor specifice pentru fiecare in parte.

Senzorul este un dispozitiv ce detecteaza o schimbare intr­un stimul fizic si returneaza un semnal electric care poate fi masurat sau inregistrat, iar traductorul este un dispozitiv ce transfera semnalul de la un sistem la altul in aceeasi forma sau diferit. Senzorul este elementul sensibil, iar traductorul contine elementul sensibil si circuitele asociate (adaptoare de semnal).

 1. Masurarea presiunii absolute si diferentiale

 Traductoare de masurare a presiunii:

­ pastila semiconductoare lipita pe o diafragma din siliciu (piezorezistiv);

­ pastila semiconductoare lipita pe o diafragma din otel inoxidabil;

­ timbru tensiometric lipit pe o diafragma din otel inoxidabil.

 Motorola a dezvoltat familia de traductoare de presiune piezorezistivi care sunt foarte bine adaptati pentru masurarea presiunilor si nivelelor.

Figura 1.1. - Element de baza, capsula pentru presiune absoluta si diferentiala

Sensorul piezorezistiv are ca principiu de masurare modificarea rezistentei unei pastile de siliciu datorita tensiunilor rezultate in urma curbari acestei pastile. Deoarece variatia rezistentei este foarte mica masurarea se face in punte.

Figura 1.2. - Schema interna echivalenta

In figurile urmatoare se poate observa carcasa traductorului din material plastic, pastila de siliciu si gelul siliconic cu rol de protectie a pastilei de siliciu. Elementul absolut fata de cel diferential are partea de jos inchisa si vidata.

Figura 1.3. - Structura elementului de masurare a presiunii absolute si diferentiale

Seria MPX2xxx de senzori de presiune au calibrare interna a offsetului, cu ajutorul unor rezistoare semireglabile si compensare de temperatura. Elementul activ de masurare a presiunii este de tip piezorezistiv.

Figura 1.4. - Seria MPX2xxx de senzori de presiune

Seria MPX5xxx de senzori de presiune au calibrare interna a offsetului, cu ajutorul unor rezistoare semireglabile, compensare de temperatura si amplificare de semnal.

Figura 1.5. - Seria MPX5xxx de senzori de presiune

In tabelul urmator sunt prezentate domeniile de masura si sensibilitatea pentru fiecare tip de traductor:

Conditionarea semnalului - Conform datelor de catalog, prin aplicarea unei presiuni de 10 KPa (0.98 m coloana de apa) unui dispozitiv MPX2xxx acesta genereaza la iesire o tensiune de amplitudine maxima 25÷40 mV. Pentru o buna utilizare acest semnal trebuie sa fie amplificat. Aceasta amplificare poate fi realizata folosind un amplificator diferential realizat cu amplificatoarele U1A si U1B din circuitul LM324 care contine intern 4 amplificatoare operationale. Rezistorul R1 permite stabilirea amplificarii. Iesirea diferentiala astfel obtinuta este amplificata cu ajutorul amplificatorului U1C prevazut si cu un reglaj de offset prin intermediul amplificatorului U1D si a potentiometrului R10. Acest circuit permite obtinerea la iesire a unei tensiuni intre 0.19÷3.90 mV.

Figura 1.6. - Schema electrica de amplificare

In cazul unui dispozitiv MPX5xxx acesta genereaza la iesire o tensiune de 4.7 V pentru capatul de scala si nu necesita circuite de amplificare suplimentare.

Figura 1.7. - Schema electrica de utilizare

2. Masurarea temperaturii

Traductoare de masurare a temperaturilor

­ termocuple;

­ termorezistenta;

­ termistorul;

­ senzor integrat de temperatura;

­ masurarea temperaturii in infrarosu.

Senzorul integrat LM35 - Este un senzor de temperatura de precizie, cu iesire analogica de tensiune proportionala liniar cu temperatura masurata in grade Celsius. Iesirea are impedanta scazuta, este liniara si precizia implicita de calibrare simplifica interfata de citire a iesirii.

Caracteristici generale ­ Calibrat direct in °C; factor de scala liniar +10 mV/ °C; masurarea temperaturii in intervalul ­55 °C ¸ +125 °C; tensiune de alimentare intre 4¸30 V si un curent de 60 µV; impedanta de iesire 0.1 Ω pentru un curent de incarcare de 1 mA; propria incalzire introdusa este de 0.08 °C in aer.

Nu necesita calibrare externa si furnizeaza o precizie de ±0.25 °C la temperatura de 25 °C si ±0.75 °C pe tot domeniul de temperatura.

LM35 poate fi aplicat in mod usor in interiorul altor senzori integrati de temperatura. Prin lipire sau cimentare pe o suprafata temperatura citita poate fi diferita cu 0.01 °C de temperatura suprafetei.

Aceasta presupune ca temperatura aerului inconjurator este aproape identica cu temperatura suprafetei; daca temperatura aerului este mult mai mare sau mai mica decat temperatura suprafetei, temperatura indicata de senzorul integrat LM35 va fi una intermediara intre cea a suprafetei si cea a mediului. Este valabil in special pentru capsula de plastic TO­92, unde terminale din cupru reprezinta calea principala de evacuare a caldurii din circuit.

Problema poate fi rezolvata prin mentinerea traseului firelor de legatura ale circuitului LM35 la aceeasi temperatura cu cea a suprafetei masurate; firele pot fi mentinute la aceeasi temperatura cu suprafata prin lipirea lor de suprafata cu rasina epoxidica. 

3. Masurarea umiditatii

 Poate fi realizata prin masurarea: diferentei de temperatura, modificarii capacitatii (cu ajutorul higristoarelor), sau a modificarii rezistentei.

Punctul de roua ­ Temperatura la care umiditatea incepe sa se formeze pe o suprafata, si indica saturarea in proportie de 100% a aerului cu umiditate.

Umiditatea absoluta ­ Exprima o masura reala a cantitatii de vapori de apa in aer.

Umiditatea relativa - Procentul de umiditate in aer comparat cu o cantitate anterioara pe care o poate contine aerul.

Figura 1.9. - Schema electrica de utilizare

4.  Utilizarea interfetelor de achizitie native NI

In cazul utilizarii unor interfete de achizitie analogice realizate de National Instruments (NI) accesarea acestor interfete se realizeaza prin functii dedicate (intrari analogice, iesiri analogice, buffere de date, generatoare de semnal, intrari si iesiri digitale, timere si numaratoare, auto­calibrare) puse la dispozie sub forma unui pachet numit NI­DAQ.

5. Caracteristicile placii Lab­PC­1200

1. Intrari analogice:

- 8 canale de intrare analogice cu o rezolutie de 12 biti;

- rata de esantionare de 100 KHz;

- tensiune de intrare ±5 V pentru intrare bipolara, 0÷5 V sau -5÷0 V pentru intrare unipolara si protectie pana la ±35 V;

- amplificare reglabila cu 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100;

- o precizie de citire de 0.02 %;

2. Iesiri analogice:

- 2 canale de iesire cu o rezolutie de 12 biti;

- rata de memorare de 1 KHz;

- tensiune de iesire ±5 V pentru iesire bipolara si 0÷10 V pentru iesire unipolara;

- o precizie de 0.002 %;

3. Intrari si iesiri digitale:

- 24 de linii de intrare iesire digitale compatibile TTL;

- 3 numaratoare cu o rezolutie de 16 biti si frecventa de baza de 2 MHz.

Pentru citirea placii Lab-PC-1200 este necesara specificarea:

­ numarului de placi utilizate: 1;

­ canalul utilizat: 07;

­ limita superioara a semnalului de intrare: 5 V, 2.5 V, 1 V, 0.5 V, 0.25 V, 0.1 V, 0.05 V;

­ limita inferioara a semnalului de intrare: ­5 V, ­2.5 V, ­1 V, ­0.5 V, ­0.25 V, ­0.1 V, ­0.05 V;

Diagrama pentru citirea unui canal al placii Lab-PC-1200 este prezentata in figura urmatoare:

6.  Caracteristicile placii AD510

1. Intrari analogice:

- 8 canale de intrare analogice cu o rezolutie de 12 biti;

- rata de esantionare de 7,5 sau 30 Hz;

- tensiune de intrare ±5 V pentru intrare bipolara;

- amplificare reglabila cu 1, 10, 100;

2. Intrari si iesiri digitale:

- 9 linii de intrare iesire digitale compatibile TTL;

Citirea placii AD510 presupune doua etape:

­ initializarea placii de achizitie: se realizeaza in cadrul 0 al structurii secventiale;

­ citirea placii de achizitie: se realizeaza in cadrul 1 al structurii secventiale.

Pentru ambele etape este necesara specificarea:

­ adresei placii: 512;

­ canalul utilizat: 18;

­ amplificarea selectata: 1, 10, 100;

­ initializare (0) sau citire (1).

Diagrama pentru citirea unui canal al placii AD510 este prezentata in figura urmatoare:

7.  Caracteristicile placii Super 12 Bit

1. Intrari analogice:

- 16 canale de intrare analogice cu o rezolutie de 12 biti;

- rata de esantionare de 20 KHz;

- tensiune de intrare ±10 V pentru intrare bipolara, 0÷10 V pentru intrare unipolara;

2. Iesiri analogice:

- 2 canale de iesire cu o rezolutie de 12 biti;

- rata de memorare de 1 KHz;

- tensiune de iesire ±10 V pentru iesire bipolara si 0÷10 V pentru iesire unipolara;

Utilizarea placii Super 12 Bit se face simplu, fiind necesara numai specificarea canalului utilizat. Diagrama pentru citirea placii Super 12 Bit este prezentata in figura urmatoare:

 BIBLIOGRAFIE

1.     ILIESCU, C. s.a. Masurari electrice si electronice.
Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1984.

2.     NICOLAU, E. s.a. Manualul inginerului electronist.
Editura Tehnica, Bucuresti, 1979.

3.     Internet sursa Wikipedia

4.     Solicitari si masuri tehnice clasa a X-a All Educational, 2001 Mariana Constantin, Aurel Ciocarlea-Vasilescu