1 SENZORI ȘI TRADUCTOARE NOTE DE CURS Pentru consultarea și aprofundarea materiei recomand consultarea BIBLIOGRAFIEI de la sfâr șitul acestui… [622708]

1 SENZORI ȘI TRADUCTOARE NOTE DE CURS

Pentru consultarea și aprofundarea materiei recomand consultarea
BIBLIOGRAFIEI de la sfâr șitul acestui document.

Mărimi neelectrice și clasificarea traductoarelor
Natura foarte diferita a m ărimilor de m ăsurat (care pot fi termice,
mecanice, radia ții s.a.) a impus unificarea semnalelor purt ătoare de
informații si alegerea m ărimilor electrice pentru acest scop, deoarece
electronica si tehnica de calcul ofer ă cele rnai mari posibilit ăți de
valorificare a informa țiilor primite sub forma electrica (precizie,
sensibilitate, consum mic de putere, viteza mare de răspuns, prelucrare
operaționala a mai multor semnale, stocare etc).
Elementele care realizeaz ă convertirea unei m ărimi de intrare neelectrica
într-o mărime de ie șire de natura electrica (tensiune, curent, sarcina
electrica, rezistenta) se numesc traductoare.
Tipurile existente de traductoare sunt extrem de nu meroase, clasificarea lor
putându-se face dup ă următoarele criterii:
1. După forma semnalului electric ob ținut, traductoarele se pot grupa în:
• traductoare analogice, la care semnalul produs depinde continuu de
mărimea de intrare:
• traductoare numerice, la care semnalul de ie șire variază discontinuu,
după un anumit cod (opera ție de codificare).
2. După modul de transformări efectuate si modul de interconectare,
traductoarele se împart în:
• traductoare directe care realizeaz ă o singura transformare;
• traductoare complexe care înglobeaz ă mai multe tipuri de traductoare
directe si uneori chiar elemente de aparte.
3. După domeniul de utilizare, traductoarele având denumirea m ărimii
măsurate pot fi: pe presiune, de debit, de temperatur a, de umiditate, de
deplasare etc.
4. După natura mărimii de ieșire, traductoarele electrice directe se împart:
• traductoare pasive, la care ca m ărime de ie șire este rezistenta,
inductanta sau capacitatea si care necesita o sursa de energie
auxiliara;

CARACTERISTICILE SI PERFORMAN ȚELE TRADUCTOARELOR

Caracteristici și performan țe în regim sta ționar

Caracteristicile func ționale ale traductoarelor reflect ă (în esență) modul în
care se realizeaz ă relația de dependen ță intrare-ieșire (I-E).
Performanțele traductoarelor sunt indicatori care permit s ă se aprecieze

2 măsura în care caracteristicile reale corespund cu ce le ideale și ce condiții sunt
necesare pentru o bun ă concordanță între acestea.
Caracteristicile și performan țele de regim sta ționar se refer ă la situația în
care mărimile de intrare și de ieșire din traductor nu variaz ă, adică parametrii
purtători de informa ție specifici celor dou ă mărimi sunt invarian ți.
Caracteristica statică a traductorului este reprezentat ă prin relația intrare –
ieșire (I-E):
y = f(x) (1.1)
în care y și x îndeplinesc cerin țele unei măsurări statice.
Relația (1.1) poate fi exprimat ă analitic sau poate fi dat ă grafic printr-o
curbă trasată cu perechile de valori (x , y).
Caracteristica y = f(x) red ă dependența I-E sub forma ideal ă deoarece, în
realitate, în timpul func ționării traductorului, simultan cu m ărimea de m ăsurat x,
se exercită atât efectele m ărimilor perturbatoare externe n 3 21 …,, ,, ξ ξ ξξ cât
și a celor interne r 321 …,,,, ν ννν care determin ă modificări nedorite ale
caracteristicii statice ideale.
În afara acestor perturba ții (nedorite), asupra traductorului intervin și
mărimile de reglaj, notate prin q 3 21 C…,,C,C ,C . Aceste reglaje servesc la
obținerea unor caracteristici adecvate domeniului de v ariație al mărimii de
măsurat în condi ții reale de func ționare a traductorului. Ținând seama de toate
mărimile care pot condi ționa funcționarea traductorului, acesta se poate reprezenta
printr-o schem ă funcțională restrânsă, ilustrată în figura 1.1.
Reglajele q 3 21 C…,,C,C ,C nu provoac ă provoacă modificări nedorite
ale caracteristicii statice ideale și sunt necesare pentru:
– alegerea domeniului de m ăsurare;
– prescrierea sensibilit ății traductorului,
– calibrarea intern ă și reglarea zeroului.

3

Fig. 1.1
• Mărimile perturbatoare externe ξ1 , ξ2 , ξ3 , …, ξn cele mai importante
sunt de natura unor factori de mediu: presiunea, um iditatea, temperatura , câmpuri
electrice sau magnetice etc. Aceste perturba ții (nedorite) pot ac ționa atât asupra
mărimii de măsurat, cât și asupra elementelor constructive ale traductorului .
•• •• Mărimile perturbatoare interne se datoreaz ă zgomotelor generate de
rezistoare, de semiconductoare, frec ări în lagăre, îmbătrânirea materialelor care- și
schimbă proprietățile, variații ale parametrilor surselor de alimentare etc. Dat orită
mărimilor perturbatoare, traductorul va func ționa după o relație de dependen ță (I-
E) reală, descrisă de funcția:
) …,,,,, …,,,,, x ( f y r 321n 321 ν νννξ ξξξ = ;
(1.2)

Este important de observat c ă erorile sunt generate de varia țiile mărimilor
perturbatoare și nu de valorile lor absolute, care dac ă ar rămâne constante ar putea
fi luate în considerare ca atare în expresia caract eristicii.
Modul în care m ărimile perturbatoare influen țează ieșirea , admi țând că
variațiile lor sunt mici, se pune în eviden ță prin dezvoltarea în serie Taylor a
funcției (2.1) cu neglijarea termenilor corespunz ători derivatelor de ordin superior.
Se obține:

4 r
r1
1n
n1
1f…f f…fxxfy ν∆ν∂∂++ν∆ν∂∂+ξ∆ξ∂∂++ξ∆ξ∂∂+∆∂∂=
(1.3)
Derivatele de ordinul I au semnifica ția unor sensibilit ăți:
xf
∂∂ – este sensibilitatea util ă a traductorului
if
ξ ∂∂ și
if
ν∂∂sunt sensibilit ăți parazite
Cu cât sensibilitatea util ă va fi mai mare, iar sensibilit ățile parazite vor fi
mai mici, cu atât caracteristica real ă a traductorului va fi mai apropiat ă de cea
ideală (1.1)
Dacă sensibilitățile parazite au valori ridicate se impune introduce rea unor
dispozitive de compensare automat ă.
Prin concep ție (proiectare) și construcție, traductoarele se realizeaz ă astfel
încât mărimile de influen ță (perturbatoare) s ă determine efecte minime si deci , s ă
se poată considera valabil ă caracteristic ă statică ideală y = f(x) în limitele unei
erori tolerate.
În ipoteza de liniaritate și admițând că influențele mărimilor perturbatoare
nu depășesc eroarea tolerat ă , forma uzual ă pentru caracteristica static ă a
traductoarelor analogice este:
0 0 y)xx (ky + −⋅= ; (1.4)
în care x 0 și y0 pot lua diverse valori pozitive sau negative, incl usiv zero.
Caracteristicile statice liniare sunt tipice pentru traductoare, dar pot ap ărea,
în anumite cazuri particulare, (cerute de un S.R.A. -sistem de reglare automat ă),
caracteristici neliniare. În cele ce urmeaz ă se prezint ă câteva exemple de
caracteristici statice – pentru traductoare:
a) liniar ă unidirec țional ă – (figura 1.2), defint ă prin funcția:

5 0 0 y)xx (ky + −⋅= ;
x ≥ x0
k = tg α (panta caracteristicii)

Fig. 1.2 Fig. 1.3
b) propor țional ă liniar ă bidirec țional ă – (figura 1.3), definit ă prin funcția:
xky ⋅= ;k= tg α
liniar ă pe por țiuni cu zon ă de insensibilitate și saturație – (figura 1.4)
liniar ă pe por țiuni cu zon ă de insensibilitate,
satura ție și histerezis – (figura 1.5),

Fig. 1.4 Fig. 1.5
Pentru traductoarele cu ie șiri numerice caracteristica static ă este

6 cvasiliniară având forma din figura 1.6.
Reprezentarea este pur conven țională, graficul corespunzând echivalentului
în sistemul de numera ție zecimal al codului redat de semnalul Y N de la ieșirea
traductorului, pentru diverse valori ale m ărimii de intrare, considerând un interval
de cuantificare ∆x.
Prin unirea punctelor corespunz ătoare valorilor medii ale nivelelor de
cuantificare se ob ține o dreapt ă (reprezentat ă printr-o linie discontinu ă) ce
reprezintă caracteristica static ă a traductorului numeric.
Exceptând discontinuit ățile datorate opera ției de cuantificare, aceast ă
caracteristic ă se consider ă liniară. Estimarea m ărimii de ieșire a traductorului
(YN) este cu atât mai precis ă, cu cât intervalul de cuantificare ∆x este mai mic.

Fig. 1.6 Fig. 1.7

7 Erorile de neliniaritate și histerezis

Caracteristicile statice sunt determinate de legile fizice pe care se bazeaz ă
funcționarea elementelor componente din structura traduc torului. Aceste
caracteristici se deduc prin calcul sau experimenta l. Raportate la un domeniu larg
de variație a mărimii de intrare, caracteristicile statice se ob țin neliniare.
Datorită avantajelor pe care le au caracteristicile liniare se procedeaz ă fie la
limitarea func ționării traductorului pe anumite zone ale caracteristic ii (unde
neliniaritatea este redus ă), fie se liniarizeaz ă pe porțiuni caracteristica cu ajutorul
unor dispozitive special introduse în structura tra ductorului. Astfel, caracteristicile
statice liniare constituie o aproximare a caracteri sticilor reale neliniare,
aproximare acceptabil ă pentru condi țiile de utilizare a traductorului.
O măsură a aproximării o reprezint ă abaterea de la liniaritate sau eroarea
de neliniaritate , ilustrată în figura 1.7.
În domeniul (x min , xmax), în care ne intereseaz ă determinarea erori de
neliniarizare se traseaz ă dreapta AB (linie continu ă), care aproximeaz ă cât mai
bine caracteristica real ă. Paralel cu AB se traseaz ă dreptele A’B’ și A”B” care s ă
încadreze între ele, caracteristica real ă. Cea mai mare dintre diferen țele ∆y’ și ∆y”
reprezintă abaterea absolut ă de la liniaritate , notată prin ∆ymax.
“Abaterea relativ ă de la liniaritate” se define ște prin relația:
[ ]%100y yy
min maxmaxr ⋅−∆=ε ;
unde: ∆ymax este abaterea absolut ă de la liniaritate, definit ă prin relația:
∆ymax = ∆y”-∆y’;
Alt tip de eroare, care poate fi estimat ă pe caracteristicile statice este eroarea de
histerezis. Din figura 1.5 se observ ă că fenomenul de histerezis se manifest ă prin
aceea că se obțin două nivele diferite ale semnalului de ie șire (y) pentru aceea și
valoare a m ărimii de intrare, în raport cu sensul cresc ător ( ↑ ) sau descresc ător ( ↓
) de variație prin care acesta atinge valoarea respectiv ă.
Eroarea de histerezis este dat ă de diferen ța dintre cele dou ă nivele ale
semnalului de ie șire (y). Pentru a asigura univocitatea valorii m ăsurate, eroarea de
histerezis trebuie s ă se încadreze, ca și cea de neliniaritate, sub o limit ă admisibilă.
•• •• Domeniul de m ăsurare se situează pe caracteristica static ă în zona în
care aceasta este liniar ă. Domeniul de m ăsurare se exprim ă prin intervalul
[xmin…x max] în cadrul c ăruia traductorul permite efectuarea corect ă a măsurării.
Valorile limit ă minime atât pentru intrarea x min , cât și pentru ieșirea y min pot fi
zero sau diferite de zero , de aceea și polaritate sau de polaritate opus ă limitei
maxime.Pentru traductoarele cu semnal unificat se î ntâlnesc cazuri în care y min≠0

8 pentru x min=0, precum și invers: y min=0 când x min≠0. Motivația care justific ă
existența acestor situa ții se va explica ulterior. De regul ă domeniul de m ăsurare se
definește pentru intervalul în care eroarea r ămâne în limitele admisibile.
Observa ție. La traductoarele cu semnal unificat, limitele sem nalelor de
ieșire y min și ymax rămân constante indiferent de limitele x min și xmax ale semnalelor
de intrare.
•• •• Sensibilitatea (S)
Sensibilitatea traductorului se define ște în raport cu m ărimea de intrare,
neglijând sensibilit ățile parazite introduse de m ărimile perturbatoare. Pentru
variații mici ∆x și ∆y sensibilitatea se define ște prin raportul dintre varia ția ieșirii
și variația intrării. În cazul unei caracteristici statice liniare s ensibilitatea este
reprezentată de coeficientul unghiular al dreptei.
S = dy/dx ≅ ∆y/∆x = k = tg α (1.10)
O altă exprimare a sensibilit ății, ce ține seama de domeniul de m ăsurare,
este dată de relația:

min maxmin max
x xy yS−−=
(1.11)
Din relația (1.11) rezult ă că sensibilitatea este constant ă pentru întregul domeniu
de măsurare. În cazul unor caracteristici statice nelini are se pot defini numai valori
locale ale sensibilit ății sub forma:

i ii xxxyxxdxdy S=∆∆≅== ;
(1.12)
unde ∆x și ∆y sunt varia ții mici în jurul punctului de coordonate (x i, yi).
Sensibilitatea S i – se nume ște și sensibilitate diferen țială. Din relațiile (1.10) și
(1.11) se observ ă că sensibilitatea este o m ărime ale cărei dimensiuni depind de
dimensiunile m ărimilor de intrare și de ieșire, iar valoarea sa depinde de unit ățile
de măsură utilizate pentru m ărimile respective.
În cazurile caracteristicilor liniare, la care natu ra mărimilor x și y este
aceeași, sensibilitatea (S) se va numi factor de amplificare , dacă este
supraunitară (S > 1), iar dac ă S < 1 sensibilitatea se va numi factor de atenuare .
Acești factori sunt adimensionali și sunt frecvent utiliza ți pentru
caracterizarea traductoarelor.
Când domeniul m ărimii de intrare este foarte extins, amplificarea s au
atenuarea se exprim ă în decibeli [db] prin rela ția:
A=20 log (y /x); [db] (1. 13)

9 Uneori se utilizeaz ă noțiunea de sensibilitate relativ ă exprimată prin:
x/xy / ySr∆∆= (1.14 )
unde ∆y/y este varia ția relativă a ieșirii, iar ∆x/x este varia ția relativă a intrării.
Sensibilitatea relativ ă (Sr) se exprim ă printr-un num ăr adimensional, iar
valoarea sa nu depinde de sistemul de unit ăți și ca urmare S r este utilă la
compararea traductoarelor atunci când acestea au do menii de m ăsurare diferite.
•• •• Rezolu ția
Sunt traductoare care au caracteristici statice ce nu sunt perfect netede. Ca
urmare, la varia ții continue ale m ărimii de intrare (x) în domeniul de m ăsurare,
semnalul de ie șire (y) se modific ă prin salturi având valori bine precizate
(deoarece are varia ții discrete).
Intervalul maxim de varia ție al m ărimii de intrare necesar pentru a
determina apari ția unui salt la semnalul de ieșire, se numește rezoluție.
Rezoluția este utilizat ă, mai ales, la traductoare cu semnale de ie șire
numerice, a c ăror caracteristic ă statică este dată printr-o succesiune de trepte
(figura 1.6). În acest caz rezolu ția este dată de intervalul de cuantificare ∆x al
mărimii de intrare, iar pentru un domeniu de m ăsurare fixat prin ∆x se stabile ște
numărul de nivele analogice ce pot fi reprezentate de c ătre semnalul de ie șire.
Rezoluția reprezint ă un indicator de performan ță și în cazul unor
traductoare considerate (de obicei) analogice, cum sunt traductoarele pentru
deplasări liniare sau unghiulare bobinate, la care varia țiile de rezisten ță (sau de
tensiune – la montajele poten țiometrice) prezint ă un salt la trecerea cursorului de
pe o spiră pe alta.
Pragul de sensibilitate
Cea mai mică varia ție a mărimii de intrare care poate determina o vari ație
sesizabilă (măsurabilă ) a semnalului de ie șire, se nume ște prag de
sensibilitate.
Pragul de sensibilitate este important, întrucât co ndiționează variațiile
minime la intrare care pot fi m ăsurate prin intermediul semnalului de ie șire.
Factorii care determin ă pragul de sensibilitate sunt fluctua țiile datorate
perturbațiilor interne și externe: zgomotul în circuitele electrice, frec ările statice și
jocurile în angrenaje pentru dispozitive mecanice.C alitatea traductoarelor este cu
atât mai bun ă cu cât sensibilitatea S este mai mare, iar rezolu ția și pragul de
sensibilitate sunt mai reduse.
•• •• Precizia (eroare de mă surare)
Scopul fundamental al oric ărei măsurări, acela de a determinarea și exprima
numeric valoarea m ărimii de măsurat, poate fi realizat numai cu un anumit grad

10 de incertitudine.Oricât de perfec ționate ar fi metodele și aparatele utilizate și oricât
de atent ar fi controlat procesul de m ăsurare, rezultatul m ăsurării va fi întotdeauna
diferit de valoarea real ă sau adevărată a măsurandului.
Eroarea de m ăsurare reprezintă diferența dintre rezultatul m ăsurării și
valoarea real ă. Este evident c ă, din punct de vedere calitativ m ăsurările sunt cu
atât mai bune cu cât erorile respective sunt mai mi ci. Problematica erorilor de
măsurare este complex ă și pentru detalii se recomand ă lucrăruile [1] și [4]. În cele
ce urmează se prezintă succint noțiunile necesare pentru în țelegerea semnifica ției
preciziei traductoarelor . Cauzele erorilor de m ăsurare sunt multiple și se pot
evidenția printr-o analiz ă atentă a operațoiei de măsurare. Acestea sunt:
– Eroarea de interacțiune este provocat ă de faptul că ES al traductorului exercit ă
o acțiune asupra valorii reale a m ărimii de măsurat, astfel încât valoarea efectiv
convertită diferă de cea real ă. Erorile de interac țiune pot ap ărea și între diversele
componente din structura traductorului.
– Eroarea de model este determinat ă de faptul c ă se idealizeaz ă caracteristicile
statice, ignorându-se anumi ți factori care le pot influen ța. Determinarea
experimental ă a caracteristicilor statice prin utilizarea unor e taloane cu precizie
limitată, generează eroarea de model.
– Erori de influen ță care apar atunci când m ărimile perturbatoare au
variații mari și nu pot fi compensate (prin mijloace tehnice).
În raport cu propriet ățile lor generale s-au stabilit urm ătoarele criterii de
clasificare a erorilor :
a) Caracterul varia țiilor și valorilor pe care le pot lua:
– erori sistematice;
– erori aleatoare;
– erori grosiere.
•• •• Erorile sistematice se produc în acela și sens în condi ții neschimbate de
repetare a m ăsurării și au valori constante sau variabile, dup ă o lege determinat ă în
raport cu sursele care le genereaz ă.
•• •• Erorile aleatoare (întâmplătoare sau accidentale) variaz ă imprevizibil la
repetarea m ăsurătorii, putând lua valori diferite atât ca sens cât și ca valoare.
•• •• Erorile grosiere (inadmisibile) afecteaz ă prea grav rezultatele
măsurătorii, încât rezultatele nu pot fi luate în conside rare. Aceste erori au dou ă
cauze:
– funcționarea incorect ă a aparatelor;
– utilizarea unei metode incorecte de m ăsurare.

b) Modul de exprimare valoric ă prin care se face deosebirea între erorile
absolute și erorile relative.
Erorile absolute sunt: ∆xi, ∆vi pozitive (sau negative) exprimate în acelea și
unități de măsură cu v i.

11 Eroarea relativ ă (reală sau conven țională) a unei măsurări individuale se
definește prin relațiile:
;vvv
vvv ;xxv
xxxi iiri iir−=∆= ∆−=∆= ∆
(1.19)
Erorile relative sunt exprimate prin numere f ără dimensiune. Acestea pot estima
precizia de m ăsurare, deoarece înglobeaz ă și informația cu privire la valoarea
mărimii măsurate.
c) M ărimea de referin ță în funcție de care se deosebesc erorile reale fa ță
de erorile conven ționale.
Eroarea real ă (a unei măsurări individuale) este notat ă ∆xi și exprimă
diferența dintre valoarea m ăsurată vi și valoarea real ă (adevărată) x:
∆xi = vi-x; (1.20)
Eroarea conven țional ă (a unei măsuri individuale) este diferen ța
∆vi = vi-v; (1.21)

unde: v – valoarea de referin ță (admisă); vi – valoarea m ăsurată.
Eroarea admisibil ă (sau tolerat ă) reprezintă valoarea limit ă a erorii ce nu
poate fi dep ășită în condiții corecte de utilizare a aparatului. Cunoscând val oarea
admisibilă absolută ∆xad, intervalul în care se afl ă valoarea real ă (x) a mărimii de
măsurat este determinat cu probabilitatea 1, conform relației:
x ∈[vi – ∆xad , vi + ∆xad];
care poate fi exprimat și în formele:

v i – ∆xad ≤ x ≤ vi + ∆xad ; (1.23)

sau:
x = v i ± ∆xad ;
(1.24)
În cazul traductoarelor, în general, se prev ăd dispozitive pentru compensarea
automată a erorilor suplimentare, astfel încât precizia m ăsurărilor să fie
determinată numai de eroarea intrinsec ă, chiar la varia ții mari ale factorilor de
mediu.
În final eroarea tolerat ă de aparat, sub form ă absolută, prin care se poate
exprima corect precizia m ăsurării efectuate în condi ții reale de func ționare, este

12 dată de relația:
∆xtot = ± ∆xb ± ∆xs ; (1.25)
unde: ∆xb – este eroarea tolerat ă intrinsecă (de bază) determinat ă în primul rând
de clasa de precizie ;
∆xs – este eroarea tolerat ă suplimentar ă, calculată corespunz ător
intervalelor în care se afl ă mărimile de influen ță.
Observa ție: cele men ționate cu privire la precizie și indicatorii
corespunzători sunt specifice traductoarelor analogice, dar ținând seama de
particularitățile conversiei analog-numerice aceste no țiuni se pot extinde și la
traductoarele cu ie șiri numerice.
La traductoarele cu ie șiri numerice, datorit ă faptului că adaptorul con ține
un convertor analog-numeric (CAN), apare o eroare i nerentă de metodă, numită
eroare de cuantificare, egal ă cu 1/2 din intervalul de cuantificare ∆x, adică 1/2 din
bitul cel mai pu țin semnificativ (LSB).Reducerea acestor erori la va lori
acceptabile se face prin mic șorarea lui ∆x.
Erorii de cuantificare i se poate ad ăuga eroarea de zero, ilustrat ă în figura
1.11-a, și/sau eroarea de domeniu prezentat ă în figura 1.11-b.

a) Eroare de zero b) Eroare de domeniu Fig. 1.11
1.2 Caracteristici și performanțe în regim dinamic
Regimul dinamic al unui traductor corespunde func ționării acestuia în
situația în care m ărimea de m ăsurat (x) și implicit semnalul de ie șire (y) variaz ă în
timp. Varia țiile mărimii de intrare nu pot fi urm ărite instantaneu la ie șire , datorită
inerțiilor care pot fi de natur ă: mecanică , electromagnetic ă , termică etc.
Funcționarea traductorului în regim dinamic este descris ă de o ecua ție
diferențială de tipul:

13 ( ) ( )∑
=∑
==m
qtqxqbn
ktkyka
0)(
0)(
unde ) q (x , ) k (y sunt derivatele în raport cu timpul de ordinul q și k ale intrării
x(t) și respectiv ie șirii y(t); kași qb – sunt coeficien ți (de regulă invarianți).
Ecuația caracterizeaz ă complet regimul dinamic al traductorului dac ă
sunt prevăzute: condi țiile inițiale, valorile m ărimilor x(t), y(t) și valorile
derivatelor la momentul ini țial t 0.
Pentru ca traductorul (ca element fizic) s ă poată fi realizat practic este
necesară condiția: n > m, deci se impune ordinul ecua ției diferențiale. Pentru
determinarea solu ției ecuației (1.26) se utilizeaz ă tehnicile uzuale de rezolvare a
ecuațiilor diferen țiale liniare cu coeficien ți constanți.
După rezolvarea ecua ției diferențiale (1.26) se ob ține soluția ecuației pentru
condiții inițiale date și mărimea de intrare cunoscut ă sub forma unei anumite
funcții de timp:
y(t) = y tl (t) + y tf (t) + y sf (t) (1.27)
Cei trei termeni ai solu ției (1.27) au semnifica țiile:
– ytl (t) → componenta tranzitorie liber ă, care nu depinde de intrare, dar
depinde de dinamica traductorului, cât și de condițiile inițiale nenule de la ie șire ;
– ytf (t) → componenta tranzitorie for țată, care depinde atât de dinamica
traductorului cât și de intrare (x) ;
– ysf (t) → componenta for țată în regim stabilizat (sau permanent), în care,
datorită neliniarității, se regăsește forma de varia ție a intrării.
Traductorul ideal, din punct de vedere al comport ării dinamice, ar fi acela la
care să existe numai ultima component ă în (1.27), fără componente tranzitorii.
Analiza comport ării dinamice a traductoarelor utilizând rezolv ări ale
ecuației (1.26) reprezint ă operații complicate (de și posibile). Din acest motiv se
utilizează metode mai simple care s ă asigure suficient ă precizie, dar aprecieri și
comparații mai rapide referitor la performan țele dinamice ale traductoarelor.
Adoptând ipotezele simplificatoare: condi ții inițiale nule, intr ări (x) –
standard (impuls sau treapt ă) se poate aplica transformarea direct ă Laplace
ecuației diferențiale și rezultă funcția de transfer a traductorului:
( )( )
( )∑
=∑
== =n
0iisiam
0jsjb
sXsYsH ; (1.28)
Funcția de transfer permite (f.d.t.) determinarea r ăspunsului (traductorului) în

14 formă explicită pentru orice tip de varia ție a intrării (x). De asemenea, func ția de
transfer permite o corelare între analiza teoretic ă a regimului dinamic și
determinările experimentale.
Analiza performan țelor în regim dinamic (pentru traductoare) utilizân d H(s)
se poate face astfel:
1) În domeniul timpului – utilizând func ția indicială (răspuns la
treaptă) sau funcția pondere (r ăspunsul la impuls);
2) În domeniul frecven ței, pe baza r ăspunsului permanent armonic la
variația sinusoidal ă a intrării (x).
Analiza în regim dinamic este similar ă cu cea de la circuitele electronice
(sau din teoria SRA) cu precizarea c ă valoarea benzii de stabilizare nu trebuie s ă
depășească valoarea de 2% din semnalul de la ie șire în regim sta ționar (stabilizat)
ys.

Fig.1.12 Func ția indicială a unui traductor analogic echivalent
cu un element de ordinul II (oscilant – amortizat).
Principalii indicatori de regim dinamic pentru trad uctoarele analogice sunt :
a) εM – abaterea dinamic ă maximă (influențată de factorul de amortizare
al traductorului);
b) Suprareglarea (supracre șterea) definit ă prin relația:
[ ] 100 % ⋅ =
syMε
σ (1.29)

15 c) Abaterea (eroarea) dinamic ă curentă definită prin relația
εD = y(t)-y s ; ( 1.30)

d) Timpul tranzitoriu (timp de r ăspuns) t t . Criteriul de delimitare a
timpului tranzitoriu (t t) este stabilit prin rela ția:

t s D tt pentru,B) t ( ≥ ∀ ≤ ε
(1.31)
Măsurarea tura ției și deplasărilor
Marimi neelectrice si clasificarea traductoarelor
Natura foarte diferita a marimilor de masurat (care pot fi termice, mecanice,
radiatii s.a.) a impus unificarea semnalelor purtat oare de informatii si alegerea
marimilor electrice pentru acest scop, deoarece ele ctronica si tehnica de calcul
ofera cele mai mari posibilitati de valorificare a informatiilor primite sub forma
electrica (precizie, sensibilitate, consum mic de putere, vit eza mare de raspuns,
prelucrare operationala a mai multor semnale, stoca re etc).Elementele care
realizeaza convertirea unei marimi de intrare neele ctrica într-o marime de iesire de
natura electrica (tensiune, curent, sarcina electri ca, rezistenta) se numesc
traductoare. Tipurile existente de traductoare sunt extrem de nu meroase,
clasificarea lor putându-se face dupa urmatoarele c riterii:
1. Dupa forma semnalului electric obtinut, traductoarele se pot grupa în:
• traductoare analogice, la care semnalul produs depinde continuu de
marimea de intrare;
• traductoare numerice, la care semnalul de iesire variaza discontinuu,
dupa un anumit cod (operatie de codificare).
2. Dupa modul de transformari efectuate si modul de interconectare,
traductoarele se împart în:
• traductoare directe care realizeaza o singura transformare;
• traductoare complexe care înglobeaza mai multe tipuri de traductoare
directe si uneori chiar elemente de aparte.
3. Dupa domeniul de utilizare, traductoarele având denumirea marimii
masurate pot fi: pe presiune, de debit, de temperat ura, de umiditate, de
deplasare etc.
4. Dupa natura marimii de iesire, traductoarele electrice directe se împart:
• traductoare pasive, la care ca marime de iesire este rezistenta,
inductanta sau capacitatea si care necesita o sursa de energie
auxiliara;
• traductoare generatoare la care ca marime de iesire este o t.e.m.
termoelectrica, piezoelectrica, fotoelectrica, elec trochimica sau de
inductie.

16 Senzori și traductoare pentru m ărimi mecanice
Masurarea turației

Traductoare de vitez ă și turație

Noțiuni fundamentale :
Viteza, prin defini ție, este o mărime vectorial ă. Dacă direcția (suportul) de deplasare a
corpului în mi șcare este dat ă, atunci traductoarele de vitez ă furnizează un semnal care
reprezintă modulul vitezei și uneori sensul acesteia.
Viteza liniar ă a unui punct material în mi șcare pe o dreapt ă la momentul t
este dată de relația :
] s /m[;dt) t (dx) t ( v=
(7.1)
Pentru un interval de timp ∆t, suficient de mic (astfel încât viteza s ă poată fi
considerată constantă) viteza liniar ă se poate exprima prin :
;txv∆∆=
(7.2)
unde : ∆x este distan ța parcursă pe dreaptă de punctul material în intervalul de timp
∆t , considerând mi șcarea uniform ă.
În cazul unui punct material în mi șcare circular ă, viteza unghiular ă la momentul t va fi
:
[ ] s / rad ; dt) t ( d) t (ϕ= ω
(7.3)
unde : )t(ϕ este poziția unghiulară a punctului material la momentul t fa ță de origine.
Pentru intervalul de timp ∆t suficient de mic, astfel încât viteza unghiular ă să poată fi
considarată constantă, aceasta se exprim ă prin relația :
;t∆ϕ∆=ω
(7.4)
∆φ – măsura unghiului parcurs (" m ăturat ") de raza vectoare în timpul ∆t.
Observație:
De obicei, în loc de viteza unghiular ă se folosește mărimea denumit ă turație
sau viteză de rotație , exprimată în [rot/min] sau [rot/s].

7.1 Principii și metode utilizate în
măsurarea vitezei

Principiile de m ăsurare a vitezei deriv ă din relațiile (7.2) și (7.4). Uneori
principiile și metodele de m ăsurare pot fi consecin țe ale unor legi fizice ca de
exemplu: legea induc ției electromagnetice, efectul Doppler etc.
a) Măsurarea vitezei (liniare sau unghiulare) prin inter mediul distanței parcurse
într-un interval de timp dat .
– Se marcheaz ă pe traiectoria mobilului, repere situate la o dist anță constantă

17 și relativ mic ă între ele, notate cu ∆x respectiv ∆φ.
Considerând un interval de timp 0Tcunoscut, suficient de mare, astfel
încât mobilul s ă treacă prin dreptul mai multor repere ( i ) – distan ța parcursă de
mobil în acest timp va fi :
xix ∆⋅= ,
(7.5)
respectiv, unghiul parcurs în cazul mi șcării circulare va fi :
ϕ∆⋅=ϕi ;
(7.6)
Viteza liniar ă a mobilului se exprim ă prin:
i KTxiv x
0⋅ =∆⋅=
(7.7)
unde constant, TXK
0x =∆= iar i este num ărul de repere.
Viteza unghiular ă se exprimă prin :
i KTi
0⋅ =ϕ∆⋅=ω ϕ
(7.8)
unde . ctTK
0=ϕ∆=ϕ
Rezultă că operația de măsurare a vitezei const ă în determinara num ărului i.
În subcapitolul 7.2 se prezint ă un exemplu de traductor pentru m ăsurarea
vitezei liniare, care utilizeaz ă principiul men ționat mai înainte.
b) Cronometrarea timpului de parcurgere a unei distanț e date.
Considerând pe dreapta ( pe suportul) pe care se de plasează mobilul, dou ă repere
fixe situate la distan ța L 0 (cunoscută), viteza mobilului se poate determina prin
măsurarea intervalului de timp t∆în care mobilul parcurge distan ța L 0 dintre cele
două repere. Se ob ține : ;tLv0
∆=
(7.9)
Analog se detrmin ă viteza unghiular ă, considerând cele dou ă repere pe circumferin ța
pe care se deplaseaz ă un punct material solidar cu mobilul aflat în mi șcare de rotație:
t1
0∆⋅ϕ=ω ;
(7.10)
unde 0ϕ-este unghiul la centru determinat de cele dou ă repere, iar ∆t – timpul în
care mobilul parcurge arcul dintre cele dou ă repere.
Un exemplu de traductor pentru m ăsurarea vitezei liniare, bazat pe
principiul men ționat anterior, este prezentat în cele ce urmeaz ă.

c) Legea inducției electromagnetice .
Tensiunea electromotoare indus ă pe o curbă închisă (C) nedeformabil ă,
din material conductor, este egal ă și de semn contrar cu viteza de varia ție în timp a

18 fluxului magnetic cφ printr-o suprafa ță oarecare, S c , care se sprijin ă pe curba c :
;AdBdtd
dt) t ( d) t (e
cScc ∫⋅ −=φ−=
(7.11)
unde: Beste inducția magnetic ă, iar Ad – elementul de arie.
În cazul unei bobine cu N spire, fluxul total prin bobină va fi de N ori mai
mare decât fluxul printr-o spir ă:
cNφ⋅=φ ,
(7.12)

iar tensiunea electromotoare indus ă în bobină va fi:
; dtd-N) t ( ecφ⋅ =
(7.13)
În aplicațiile industriale, mi șcarea de transla ție se obține dintr-o mi șcare
de rotație. Cunoscând viteza unghiular ă ω, a unui disc de raz ă r, viteza liniar ă (pe
direcția tangentei) la periferia discului va fi :
r v ⋅ω=
(7.14) Aceasta rela ție arată proporționalitatea vitezei liniare cu cea unghiular ă.
Întrucât traductoarele de tura ție sunt mai u șor de realizat decât traductoarele de
viteză liniară, în aplicațiile industriale, cele mai utilizate sunt traductoa rele de
turație. Excepție fac cazurile în care m ăsurările de vitez ă liniară sunt obligatorii (în
cazul benzi transportoare, laminoare etc).

Traductoare de vitez ă liniar ă

Traductor de vitez ă liniar ă bazat pe m ăsurarea distanței parcurse într-
un interval de timp dat.
Mobilul se mi șcă solidar cu rigla gradat ă (R). Reperele sunt fante echidistante
cu ∆x. Rigla se afl ă între sursa de lumin ă (SL) și elementul sensibil fotoelectric (ES).
Schema de principiu a traductorului de vitez ă liniară utilizează principiul
traductorului de deplasare incremental și este prezentat ă în figura 7.1

Fig. 7.1 – Traductor numeric de vitez ă liniară

Impulsul de durat ă T este ob ținut de la un generator de tact (GT) prin
intermediul generatorului monoimpuls (GMI) – la com anda “Start”. Poarta logic ă P

19 (care reprezint ă un circuit ȘI) este deschis ă pe durata T, iar impulsurile generate de
elementul sensibil și formate prin circuitul formator de semnal (FS) su nt numărate de
numărătorul N. În acest num ărător (pe durata T) se înscrie num ărul :
n = f ⋅T.
(7.15)
unde : f este frecven ța impulsurilor date de elementul sensibil ES.
Dacă pe durata T mobilul parcurge distan ța X, atunci :
; TxXf⋅∆=
(7.16)

Deci ;xT
Txn∆⋅=
(7.17)

Întrucât KxT=∆= constant, rezult ă: . vkn ⋅=
(7.18)

Deci numărul de impulsuri (n) înscris în num ărătorul N, este direct
proporțional cu viteza liniar ă (v).

7.2.2. Traductor de vitez ă liniar ă bazat pe cronometrarea timpului de
parcurgere a unei distanțe cunoscute.
Se monteaz ă, paralel cu traiectoria mobilului (M) dou ă sonde fotoelectrice
1SF și 2SF (formate din emi țător și receptor de flux luminos) în dreptul punctelor fi xe
x1 și x2 situate pe traiectoria mobilului. Distan ța dintre punctele (fixe) x 1 și x2 este L 0 . Pe
mobilul M ,ce se deplaseaz ă ,se aplică o bandă reflectorizant ă (BR) , figura 7.2.
Când mobilul ajunge cu BR în dreptul reperului 1x sonda 1SF dă un
impuls care pune bistabilul B în starea " 1" logic (inițial B se afl ă în starea " 0 "
logic), iar când ajunge cu BR în dreptul reperului 2x, sonda 2SFdă un impuls
care determin ă trecerea bistabilului în starea " 0 " logic.

20
Fig. 7.2 – Schema de principiu a unui traductor num eric de vitez ă
liniară, bazat pe m ăsurarea timpului de parcurge a unei distan țe cunoscute

Notând cu t durata impulsului dat de bistabil (ti mp ce reprezint ă durata în
care mobilul parcurge distan ța L) și raportând distan ța L la timpul t rezult ă
viteza liniar ă :

v= L /t ;
(7.19)
Observație: raportul tL se calculeaz ă cu ajutorul unei scheme utilizat ă la
adaptorul numeric de tura ție cu inversarea perioadei, prezentat ă în
subcapitolul 7.4.

7.3. Traductoarele de turație
Aceste traductoare convertesc tura ția într-un semnal electric calibrat,
utilizând principiile de m ăsurare menționate.
O primă clasificare a traductoarelor de tura ție trebuie făcută după destinația
acestora în sistemele de reglare a tura ției. Astfel, traductoarele de tura ție pot fi:
a) Traductoare analogice de turație, când acestea au semnalul de ie șire unificat
(curent continuu sau tensiune continu ă) fiind utilizate în cadrul sistemelor de reglare
analogică a turației.
b) Traductoare numerice de turație, când acestea genereaz ă la ieșire semnale
numerice (într-un anumit cod) fiind utilizate în ca drul sistemelor de reglare
numerică a turației.
O altă clasificare a traductoarelor de tura ție se poate face dup ă tipul
(natura) elementelor sensibile. Din acest punct de vedere, traductoarele de tura ție
sunt:
a) Traductoare cu elemente sensibile generatoare , la care semnalul de ie șire
este o tensiune electric ă dependent ă de turație, obținută pe baza legii induc ției
electromagnetice. Din aceast ă categorie, cele mai utilizate sunt tahogeneratoare le
de curent continuu sau de curent alternativ și elemente sensibile cu reluctan ță
variabilă.
b) Traductoare cu elemente sensibile parametrice , la care varia ția turației
modifică un parametru de circuit electric (R, L, C ), care modulează o tensiune
sau un curent generat de o surs ă auxiliară. Cele mai utilizate elemente sensibile
în construc ția traductoarelor de tura ție sunt cele fotoelectrice sau de tip senzori
integrați de proximitate, descri și în capitolul 5 .

7.3.1. Tahogeneratoare de curent continuu

Acestea sunt microma șini electrice (microgeneratoare) de c.c. care
furnizează la borne o tensiune continu ă proporțională cu turația având nivele și puteri
suficient de mari, încât pot fi folosite direct în SRA. Excita ția poate fi separat ă sau cu
magneți permanenți (cea mai răspândită).
Rotorul poate fi de tip cilindric, de tip disc sau de tip pahar.
– Rotorul cilindric este realizat din tole de o țel electrotehnic, iar înf ășurarea este
plasată în crestături înclinate în raport cu generatoarea.
Constantele de timp ale tahogeneratoarelor de c.c. sunt sub 10 ms ( ms10 TTg≤ ).

21 Pentru constante de timp mai mici se cer utilizate tahogeneratoare cu rotor disc sau
pahar.
– Rotorul disc este realizat din fibre de sticl ă sau rășină epoxidică, pe care sunt
lipite înfășurările (utilizând tehnica circuitelor imprimate) și care se rote ște în fața
magneților permanen ți – plasați paralel cu axa.
– Rotorul pahar are înfășurările lipite pe un pahar realizat din fibre de sticl ă sau
rășină epoxidică, iar magneții permanen ți sunt plasați la fel ca la tahogeneratorul cu
rotor cilindric. Prin aceste solu ții constructive ultimele dou ă tipuri de rotoare ofer ă
constante de timp mult mai mici . Astfel, constantele de timp mecanice se reduc su b o
milisecundă, iar constantele de timp electrice sunt mai mici decât 0 ,05 ms.
Schema de principiu unui tahogenerator de curent co ntinuu cu magne ți permanenți și
rotor cilindric este dat ă în figura 7.3.

Fig. 7.3 – Schema constructiv ă a unui
tahogenerator de curent continuu
F
i
g
.

7
.
4

–

F
o
r
m

22 a

t
e
n
s
i
u
n
i
i

d
e

l
a

i
e
ș
i
r
e
a

t
a
h
o
g
e
n

23 e
r
a
t
o
r
u
l
u
i

d
e

c
u
r
e
n
t

c
o
n
t
i
n
u
u

Semnificația notațiilor din figura 7.3 este: MP – magne ți permanen ți; SM – șunt
magnetic; P – perii ; R – rotor ; C – colector ; K- carcasă;ALNICO – aliaj care
asigură stabilitate în timp și cu temperatura.

Magneții permanen ți (MP) sunt realiza ți din aliaje de tip ALNICO,

24 care au o bun ă stabilitate în timp cu temperatura. Tot pentru st abilitate cu
temperatura se prev ăd șunturile magnetice de compensare (SM). Colectorul
(C) are lamelele din cupru, iar periile sunt realiz ate din grafit. În cazul
tensiunilor mici (sub 1V), corespunz ătoare turațiilor mici, colectorul se
realizează din aliaje metalice ce con țin argint, iar periile sunt din argint
grafitat. Ansamblul colector – perii fiind un redre sor mecanic, tensiunea
) t (ue de la ieșirea tahogeneratorului nu este strict continu ă, ci prezint ă
ondulații (figura 7.4.), datorit ă fenomenului de comuta ție între lamelele
colectoare și perii. Aceste ondula ții devin mai mici, dac ă numărul lamelelor
colectoare este mare. Se caut ă o soluție de compromis deoarece cre șterea
numărului de lamele duce la cre șterea inacceptabil ă a gabaritului.
În același scop de reducere a ondula țiilor se pot folosi filtre “trece –
jos” la ieșirea tahogeneratorului, care îns ă conduc la cre șterea timpului de
răspuns (cre ște constanta de timp a tahogeneratorului). Tahogeneratoarele de
c.c au sensibilitate redus ă datorită legii induc ției electromagnetice și nu pot
funcționa corect la tura ții mici (cresc erorile de neliniaritate și de ondulație). De regul ă,
gama de tura ții acoperită de tahogeneratoarele de curent continuu este de 50 rot/min …
5000 rot/min .
Observație:
Tahogeneratoarele de curent continuu pot fi utiliza te și în acționările reversibile.

Funcționarea tahogeneratorului se analizeaz ă în două regimuri:
a) la funcționarea în gol – caracteristica static ă este liniară , exprimată prin relația :

; n K E Tg 0 ⋅ =
(7.20)
unde: 0Eeste tensiune electromotoare, n – tura ția [ minrot], iar gTK –
sensibilitatea tahogeneratorului, numit ă și constanta tahogeneratorului care
depinde de : num ărul perechilor de poli (p); num ărul căilor de curent din
rotor (2a); num ărul de conductoare (N); fluxul dat de magne ții permanen ți
(0φ).
60aNpK0Tg⋅φ⋅⋅=
(7.21)

Uzual sensibilitatea (gTK ) are valori cuprinse între 1 și 10 .
minrotmV

b) la funcționarea în sarcin ă – tensiunea la borne este exprimat ă prin relația :
p A i 0 e U I RInK E U ∆−⋅ −⋅⋅ − =
(7.22)
unde: InKi⋅⋅ este căderea de tensiune ce reprezint ă reacția indusului, fiind
proporțională cu turația (n) și curentul rotoric ( I ); R A⋅I – căderea de tensiune pe
circuitul rotoric, iar ∆UP – căderea de tensiune la perii.

25
Eroarea relativ ă (rε) de conversie a tura ției în tensiune la mersul în sarcin ă este
dată de relația:

1nK RR1
nK R RnK R
i AS i A Si Ar
+⋅ +=⋅ + +⋅ +=ε
(7.23)

Din ultima rela ție se observ ă că pentru a reduce eroarea ( rε) trebuiesc îndeplinite
condițiile SR să fie mare, AR să fie mică și reacția indusului ( nKi⋅) să fie mică.
Principalele caracteristici tehnico – func ționale ale tahogeneratorului de c.c.
sunt:

a) Tensiunea electromotoare la 1000 rot / min ( K E ) care este dat ă
în




minrot 1000Vși reflectă sensibilitatea tahogeneratorului;
b) Rezisten ța electric ă (internă) la borne AR (necesară pentru
dimensionarea rezisten ței de sarcin ă); se adopt ă : A S R R>>
c) Turația maximă maxn .
d) Curentul nominal I N (necesar pentru dimensionarea rezisten ței de sarcin ă).
e) Eroarea maxim ă de neliniaritate definit ă prin relația:
[%]100EE E
max CC Mn ⋅


 −=ε
(7.24)
unde E M este tensiunea electromotoare m ăsurată la diferite tura ții (n), iar:
]V[1000nK E E C= .
f) – eroarea de reversibilitate la 1000 minrot, definită prin relația:
( )[%]100K, K minK- K
Est.EdrEst. Edrrev= ε ;
(7.25)
unde EdrK și EstK reprezintă valoarea K E la rotirea spre dreapta,
respectiv spre stânga, cu n= 1000 minrot;
g) – ondulația maximă (pe diferite domenii de tura ție) exprimat ă prin
raportul:
[%]100UUB
max emaxR⋅


= ;

26 (7.26)
unde: maxRU – este valoarea maxim ă a tensiunii de ondula ție iar eU este
valoarea medie a tensiunii de ie șire.
Observa ție: Tahogeneratoarele de curent continuu se construiesc astfel
încât B să nu depășească 3%.

7.3.2. Tahogeneratoare de curent alternativ

Aceste tahogeneratoare pot fi de tip sincron sau as incron. Cele mai utilizate
sunt tahogeneratoarele sincrone (datorit ă simplității constructive) și se prezintă în cele
ce urmează.
Tahogeneratoarele sincrone de curent alternativ gen erează o tensiune sinusoidal ă
monofazată a cărei, valoare efectiv ă și frecvență sunt dependente de tura ție.
Constructiv, acest tahogenerator, este format din : stator realizat din tole de o țel
electrotehnic pe care se afl ă bobine, iar rotorul este construit din magne ți permanenți – ce
formează mai multe perechi de poli (figura 7.5).
Domeniul tura țiilor de lucru este de 100 minrot…5000 minrot.
Funcționarea la tura ții mici este limitat ă de faptul c ă viteza de varia ție a
fluxului magnetic nu este suficient ă pentru încadrarea în limitele de eroare.

Fig. 7.5. – Schema constructiv ă a tahogeneratorului sincron de curent alternativ

În domeniul de func ționare (precizat anterior) tensiunea electromotoare generată
este sinusoidal ă fiind dată de relația :
πφπ= t n602 sin K W60n 2) t ( e 0w 0 ;
(7.27)
unde:
n este tura ția în [ rot/min ]; W – num ărul de spire (pentru un pol); Kw – o
constantă ce depinde de tipul înf ășurării; 0φ-amplitudinea fluxului magnetic
(rotoric).
Amplitudinea tensiunii din (7.27) poate fi ordinul sutelor de vol ți. Valoarea efectiv ă a
tensiunii electromotoare induse este propor țională cu turația fiind exprimat ă prin relația
:

27 nKn K w602E 0 W 0 ⋅= φπ=
(7.28)

Observa ție :
Deoarece frecven ța tensiunii ) t ( e0 depinde de tura ție, la funcționare pe
impedanță de sarcină (SZ) finită, liniaritatea poate fi afectat ă ajungându-se
la erori inadmisibile. Ca urmare, în locul valorii tensiunii efective sau a valorii
maxime a tensiunii se utilizeaz ă (pentru conversia tura ției) frecven ța tensiunii
) t ( e0 , conform cu rela ția (7.27), dată de relația :
60nf= ;
(7.29)

Principalele caracteristici tehnico – func ționale sunt :
– valoarea efectiv ă a tensiunii E 0 , la 1000 rot/min.
– turația maximă; curentul nominal (la tura ția maximă);
– rezistența înfășurării statorice;
– frecvența tensiunii electromotoare la 1000 rot/min.
Adaptoarele pentru tahogeneratoarele de c.a. sunt s imple, fiind formate dintr-
un redresor și un filtru dac ă pentru măsurarea tura ției este folosit ă amplitudinea
tensiunii ) t ( e0 .
Dacă este folosită frecvența (f) pentru m ăsurarea turației, tahogeneratorul se conecteaz ă la
un adaptor numeric, similar cu cele prezentate în s ubcapitolul 7.4.

7.3.3. Traductoare de tura ție cu reluctan ță variabilă

Elementul sensibil la aceste traductoare este compu s dintr-un magnet
permanent – prelungit cu un miez de fier (pe care e ste înfășurată o bobină) aflat la
mică distanță de periferia unui disc din material feromagnetic f igura 7.6. Discul
poate fi danturat sau prev ăzut cu fante echidistante. Acesta este montat pe a xul a cărui
turație se măsoară

a) – Element sensibil care genereaz ă mai
multe impulsuri la o rota ție b) – Element sensibil care genereaz ă un
singur implus la o rota ție

28

a’) – Forma tensiunii U e(t)
b’) – Forma tensiunii U e(t)

Fig. 7.6. – Modalit ăți de realizare a elementului sensibil cu reluctan ță variabilă și
forma tensiunii U e(t)

Magnetul, miezul de fier și discul formeaz ă un circuit magnetic a c ărui
reluctanță variază în funcție de pozi ția dinților discului fa ță de miezul
magnetic. Când un dinte al discului se afl ă în prelungirea miezului,
reluctanța este minim ă, iar când în prelungirea miezului se afl ă un spațiu
liber al discului, reluctan ța este maxim ă. Variația de reluctan ță duce la
variația de flux magnetic prin bobin ă, ceea ce va induce o tensiune ) t ( ue
în bobină conform legii induc ției electromagnetice:
dtd) t (ueΦ−= ;
(7.30)
La o rotirea discului (cu o vitez ă suficient de mare încât derivata fluxului s ă poată crea o
tensiune electromotoare sesizabil ă) se obține un număr de impulsuri egal cu num ărul de
dinți (z) de pe circumferin ța discului, figura 7.6.
Frecvența (f) a tensiunii electromotoare induser în bob ină este :
Znf ⋅=
(7.31)

unde : Z este num ărul de dinți (fante), iar n – tura ția în rot/ s.
Elementele sensibile cu reluctan ța variabilă nu se pot utiliza la tura ții joase
și foarte joase, deoarece în aceste cazuri amplitudi nea implusurilor fiind
dependentă de turație, poate să scadă sub pragul de sensibilitate al adaptorului.
Creșterea sensibilit ății la turații mici este posibil ă prin utilizarea unor discuri cu un
număr mare de din ți.
Pentru ob ținerea unui semnal unificat la ie șirea traductorului, propor țional
cu turația, elementul sensibil trebiue conectat la un adapt or analogic.
Schema bloc a traductorului analogic de tura ție (ES+ADAPTOR) cu
reluctanță variabilă este prezentat ă în figura 7.7.

29 Fig. 7.7 – Schema bloc a traductorului analogic de turație cu reluctan ță
variabilă

Semnificația notațiilor este: ES- element sensibil; A + R – amplifica tor +
redresor; F.S. – formator de semnal; M – monostabil ; DM – dispozitiv de
mediere; EE – etaj de ie șire.

Funcționarea traductorului se explic ă cu ajutorul diagramei de semnale dat ă
în figura 7.8. Semnalul U ES, având perioada T, furnizat de elementul
sensibil (ES) este amplificat și redresat monoalternan ță de către blocul
amplifcator – redresor (A+R). Dup ă ce este format de c ătre blocul FS,
semnalul purt ător de informa ție referitor la tura ție este aplicat
monostabilului M care genereaz ă impulsuri dreptunghiulare de amplitudine
constantă (U 0) și durată fixată (0t), având aceea și perioadă T. Tensiunea
UM de la ieșirea monostabilului este mediat ă prin dispozitivul de mediere
DM pe o durat ă T T0>> , rezultând o tensiune continu ă U DM
proporțională cu turația:

nK60ntUT1UtUtTiidt) t ( UTi1dt) t ( UT1U
00 00Ti
00 0 MT
0M
0DM0
⋅= == ⋅⋅⋅=⋅ ⋅⋅≈⋅ ⋅ = ∫ ∫⋅

(7.32)

în condiția: T) 1i ( TTi 0 ⋅+< ≤⋅ , unde i este num ărul de impulsuri.

30 Fig. 7.8 – Diagrama de semnale pentru traductorul a nalogic de tura ție
cu reluctan ță variabilă
Etajul de ie șire (EE) furnizeaz ă un semnal unificat de tensiune (U E) sau de
curent (I E) proporțional cu tura ția (n). Acest traductor poate fi utilizat la
măsurarea tura țiilor într-un domeniu larg (100 rot/min…300.000 rot /min).
Observa ție: Elementul sensibil cu reluctan ță variabilă poate fi conectat la
un adaptor numeric, crescând astfel precizia și timpul de r ăspuns.

7.3.4. Traductoare de tura ție cu elemente fotoelectrice

Aceste traductoare utilizeaz ă elemente sensibile de tip fotoelectric care detect ează
variațiile unui flux luminos, dependente de viteza de rot ație, folosind în acest scop un
dispozitiv modulator ac ționat de axul a c ărui turație se măsoară (figura 7.9).
După modul în care se ob țin variațiile fluxului luminos, dispozitivele
modulatoare sunt de dou ă tipuri:
a – cu întreruperea fluxului luminos
b – cu reflexia fluxului luminos.
În cazul întreruperii fluxului luminos, elementul sensibil este de
forma celui din figura 7.9-a fiind alc ătuit dintr-o surs ă de radiații luminoase
(SL) în spectrul vizibil sau infraro șu și un element fotoelectric (EF), între
care se află un disc opac (D) prev ăzut cu orificii (fante) echidistante a șezate
pe un cerc concentric discului. Uneori discul D est e transparent și fantele
sunt opace.
Elementul fotoelectric (fotodiod ă sau fototranzistor) și sursa de
radiații luminoase (SL) sunt aliniate pe o dreapt ă paralelă cu axul discului și
care intersecteaz ă cercul cu orificii de pe disc. Când un orificiu se găsește
pe dreapta ce une ște SL cu EF, radia ția luminoas ă produce deblocarea
elementului fotoelectric, iar când între EF și SL se găsește partea opac ă a
discului, elementul fotoelectric este blocat. Atât SL cât și EF sunt prev ăzute
cu lentile de focalizare (L 1 și L2). Când discul se rote ște, orificiile sale trec
succesiv prin calea de lumin ă dintre SL și EF, obținându-se impulsuri
luminoase, care, ajungând pe EF, sunt convertite cu ajutorul unor circuite
electronice, în impulsuri dreptunghiulare de tensiu ne compatibile
(compatibile TTL). Frecven ța acestor impulsuri este egal ă cu viteza de
rotație a discului (în rot/s) multiplicat ă cu numărul de orificii de pe disc.
Rezultă o relație de dependen ță de tipul (7.31), în care z reprezint ă numărul
de orificii: f=n.z.

31

a) – Element sensibil fotoelectric cu
întreruperea fluxului luminos b)- Element sensibil fotoelectric cu reflexia
fluxului luminos

Fig. 7.9 – Principii de func ționare ale elementelor sensibile fotoelectrice

Observatii :
-Constructiv, sursa SL, lentilele L 1 și L2 cât și elementul fotoelectric
(FF) sunt încapsulate într-o sond ă sau cap de citire.
-Creșterea sensibilit ății elementului sensibil presupune utilizarea
unui fototranzistor ca element fotoelectric (EF).
-Pentru eliminarea erorilor de m ăsurare, cauzate de lumina natural ă
se utilizeaz ă optocuploare cu func ționare în domeniul infraro șu. Astfel, SL
este înlocuit ă de un LED cu emisie în infraro șu, iar EF este un fototranzistor
pentru domeniul de infraro șu.

În figura 7.10-a este prezentat ă schema circuitului de formare a
impulsurilor pentru un element sensibil cu fotodiod ă, iar în figura 7.10-b se
prezintă forma tensiunii de ie șire, furnizat ă de circuitul de formare. Valorile
UH (nivel înalt) și U L (nivel sc ăzut) corespund nivelelor de tensiuni
specifice circuitelor integrate TTL.
Varianta realiz ării elementului sensibil fotoelectric prin reflexia
fluxului luminos este prezentat ă în figura 7.9-b. În acest caz tura ția unui
disc sau a unei piese aflate în mi șcare de rota ție este convertit ă într-un tren
de impulsuri f ără a necesita un disc auxiliar montat pe ax. Pe axul sau piesa
care se rote ște se marcheaz ă un reper (sau mai multe repere echidistante)
sub forma unui dreptunghi, cu vopsea reflectorizant ă sau se lipe ște o bandă
reflectorizant ă (figura 7.9-b).
Reperele reflectorizante trebuie s ă alterneze cu zone înnegrite care
absorb radia ția luminoas ă. Sursa SL și elementul fotoelectric EF se dispun
în așa fel încât, radia ția luminoas ă emisă de SL și reflectată de reperul
reflectorizant s ă cadă pe EF, care devenind activ s ă emită un impuls de
tensiune. Formatorul de impulsuri poate fi de acela și tip cu cel prezentat în
figura 7.10-a, iar frecven ța impulsurilor este dat ă de aceeași relație (7.31), în
care z reprezint ă numărul de repere reflectorizante de pe ax sau de pe p iesa
în mișcare de rota ție.

32

Fig. 7.10 a) – circuit electronic de formare a imp ulsurilor; b) – forma
tensiunii de ie șire

Domeniul de utilizare al elementelor sensibile foto electrice este cuprins
între 1 rot/m in și 107 rot/min, dac ă discul sau axul în rota ție este prev ăzut
cu un singur reper, dar limita superioar ă poate fi mic șorată la turații mai
mici, folosind mai multe repere pe disc (sau ax).

Traductoarele de tura ție cu elemente fotoelectrice sunt foarte r ăspândite
datorită următoarelor avantaje: gam ă largă de turații (inclusiv tura ții foarte
joase); construc ție simplă; încărcare a axului cu un cuplu neglijabil sau nul
(în cazul ES cu reflexie) și lipsa uzurii mecanice. Dezavantajul esen țial îl
reprezintă apariția erorilor de m ăsurare în medii cu praf, fum sau lumini
exterioare puternice.
Schemele adaptoarelor numerice pentru elemente sens ibile de tip
fotoelectric sunt date în § 7.4
Elementele sensibile magnetic pentru
traductoarele de tura ție
Frecvent utilizat ca element sensibil magnetic în c onstrucția
traductoarelor de tura ție este senzorul magnetic comutator, integrat, baza t pe
efectul Hall, care a fost prezentat în cap.5 (serii le βSM 230 și βSM 240). În
figura 7.12-a s-a prezentat un detector de tura ție cu senzor magnetic
comutator (SMC) cu ecranarea câmpului magnetic, iar în figura 7.12-b este
prezentat detectorul de tura ție cu senzor magnetic comutator ce
funcționează prin concentrarea câmpului magnetic.

a) Detector de tura ție cu senzor magnetic
comutator prin ecranarea câmpului magnetic b) Detector de tura ție cu senzor magnetic
comutator prin concentrarea câmpului

33 magnetic

Fig. 7.11 Principii de realizarea a detectorului de turație cu senzor magnetic

Se observă că în figura 7.11-a, ecranarea câmpului magnetic se
obține așezând senzorul (SMC) și magnetul M de o parte și de alta a
discului feromagnetic D, fixat pe axul a c ărui turație se determin ă. Discul D
este prevăzut cu o decupare mai mare decât suprafa ța activă a senzorului, iar
SMC și magnetul M sunt situa ți pe o axă comună paralelă cu axul A.
Distanța dintre SMC și M se alege astfel încât atunci când centrul decup ării
se află pe axa comun ă a celor dou ă elemente (SMC și M) să fie atins pragul
de deschidere (activare) a senzorului, iar când sen zorul este ecranat de
discul D, senzorul s ă se blocheze.
Pentru o ecranare sau concentrare sigur ă a câmpului magnetic,
grosimea discului trebuie s ă fie mai mare de 1 mm.
În cazul detectorului din figura 7.11-b, pe axul A a cărui turație se
măsoară, este fixat tamburul T din material feromagnetic a cărui grosime
trebuie să asigure prin decupare o fant ă cu suprafa ța mai mare decât
suprafața activă a senzorului magnetic comutator (SMC). Func ționarea
acestui detector se bazeaz ă pe concentrarea liniilor câmpului magnetic de
către tamburul T, atunci când senzorul este plasat în tr-un câmp magnetic
insificient de intens pentru a realiza comutarea (d eschiderea) lui.
Astfel, când tamburul T se afl ă în dreptul senzorului se dep ășește
pragul magnetic de deschidere a senzorului, iar cân d decuparea tamburului
este în dreptul senzorului are loc blocarea acestui a, datorită dispersiei
liniilor de câmp magnetic.

Fig. 7.12 – Forma tensiunii de ie șire pentru detectorul de tura ție cu senzor magnetic
comutator: a) prin ecranarea câmpului (fig. 7.11 – a); b) prin concentrarea câmpului (fig.7.11-
b)
Notând cu U e tensiunea de ie șire a SMC și menționând că pentru
senzor “deschis” U e este de nivel logic “0”, iar pentru senzor “închis ” U e
este de nivel logic “1”, formele de varia ție a tensiunii U e pentru detectoarele
de turație din figura 7.11-a și b sunt prezentate în figura 7.12 (a și b).
Modul de conectare a senzorului magnetic cu adaptor ul este
prezentat în figura 7.13, unde R p este rezisten ța de polarizare a colectorului
tranzistorului din etajul de ie șire al senzorului integrat.

Fig. 7.13 – Conectarea senzorului magnetic
comutator (detector de tura ție) cu adaptorul

34
Domeniul de tura ții în care poate fi utilizat senzorul magnetic
comutator este larg: 1 … 107 rot/min.
Un avantaj important îl constituie structura integrat ă, miniaturizat ă
a SMC.
Dezavantaje : Necesitatea ata șării unui disc feromagnetic pe axul
aflat în mișcare de rota ție. Senzorul magnetic comutator, ca oricare detecto r
de turație cu func ționare în impulsuri, poate fi introdus într-o schem ă de
traductor analogic pentru tura ție, ca cea din figura 7.7.
Masurarea deplasarii liniare sau
unghiulare
Traductoarele electrice utilizate pentrumasurarea deplasarii liniare permit
masurarea deplasarii într-un intervalcuprins de la câtiva microni pâna la
deplasari de ordinul metrilor, iar cele pentru depl asari unghiulare într-un interval de
la câteva secunde la 360°.
Pentru conversia deplasarii într-o marime elec trica traductoarele de
deplasare pot cuprinde senzori rezistivi, capacitiv i, inductivi, optici sau
digitali.
8.3.1. Utilizarea senzorilor rezistivi
Traductoarele rezistive de deplasare sunt constitui te dintr-un senzor potentiometric
a carui rezistenta se modifica datorita unui cursor ce se deplaseaza sub actiunea
marimii de masurat, deplasarea putând fi liniara sa u circulara.
Prin deplasarea cursorului are loc o modificare a l ungimii l din senzor, care este
inclusa în circuitul de masurare, ceea ce conduce l a relatia:
R= f ( x) (8.4)
unde: R este rezistenta senzorului; x – marimea neelectrica ce produce
deplasarea cursorului.
Traductoarele potentiometrice se realizeaza sub for ma liniara (figura 3, a) sau
circulara (figura 3, b).
Caracteristica de conversie a traductorului potenti ometric liniar este data de
relatia:
ttllRR=
în care: Rt este rezistenta totala a senzorului; R – rezistenta între cursor si un
capat; lt – lungimea totala; l – lungimea corespunzatoare deplasarii
cursorului, a=l/l t – deplasarea relativa.

35
Fig. 3. Traductoare potentiometrice:
a) traductor potentiometric liniar;
b) traductor potentiometric circular;
c) schema electrica;
d) caracteristica de conversie;
e) variatia discontinua a senzorului bobinat.
Pentru traductorul potentiometric circular se poate scrie în mod
similar:

ttααRR=
αt este unghiul de rotatie a cursorului; α – unghiul de rotatie a
cursorului fata de un capat; a’ =
tαα – rotirea relativa.
Pentru ambele tipuri de traductoare potentiometrice caracteristica de
conversie este liniara (figura 3, d).
Deoarece senzorul potentiometric se executa prin bo binarea unui fir
rezistiv pe un suport izolant rezulta ca variatia r ezistentei nu se produce în
mod continuu ci în trepte care corespund cursorului de pe o spira pe alta
(figura 3, e). Rezulta ca valoarea rezistentei R este afectata de o eroare de
discontinuitate si deci:
2nRaRRt
t± =
unde n reprezinta numarul total de spire.
Eroarea de discontinuitate este:
e)

36 2nR∆Rt
d±=
iar eroarea relativa de discontinuitate este:
n2a1
R∆Rεd
d∗±= =

Rezistenta totala a traductorului este de 10-100.00 0 Ω iar
eroarea relativa de neliniaritate este cuprinsa înt re ±0,025% si ±0,5%.
Reactanta inductiva si capacitiva a traductoarelor potentiometrice este foarte
mica putând fi neglijata pâna la frecvente de ordin ul zecilor de kHz.
Traductoarele potentiometrice se utilizeaza pentru masurarea deplasarilor
liniare pentru lungimi pâna la 50 cm sau pentru dep lasari unghiulare.
Deasemeni senzorii potentiometrici pot fi întâlniti în structura
traductoarelor complexe pentru masurarea nivelelor, presiunilor, fortelor etc.
Traductoarele potentiometrice pot fi conectate în o rice circuit de masurare a
rezistentelor electrice. De exemplu în figura 4 se utilizează o sursă de curent
continuu U0.
În acest caz tensiunea de ie șire este:

tORRUU=
Daca se masoara aceasta tensiune cu un voltmetru de rezistenta
interna Rv el va indica o tensiune:
VRR)tR(R
tRR
OUVU
−
+=
si schema de masurare introduce o abatere de la lin iaritate care se
reduce daca Rv >>Rt.

Fig. 4. Alimentare în curent continuu.

Utilizarea senzorilor capacitivi
Traductoarele capacitive utilizate pentru masurarea electrica a deplasarii
liniare sau unghiulare se bazeaza pe modificarea ar iei de suprapunere a

37 electrozilor.
Traductoarele capacitive de deplasare unghiulara su nt construite din doi
senzori capacitivi cu un electrod comun. Cei trei e lectrozi sunt formati din
placi de forma dreptunghiulara cu laturile de ordin ul a 20-30 mm si
grosime de 1-2 mm (figura 5). Electrozii inferiori sunt ficsi si sunt separati
cu o mica distanta (1 mm).

U0
Traductor capacitiv de deplasare liniara.
Electrodul superior este electrodul comun si sub ac tiunea marimii de masurat
se poate deplasa paralel cu electrozii ficsi pastrâ nd o distanta constanta
(d=1mm). Prin aceasta se modifica aria comuna dintr e electrozii cu:
∆A = a × ∆x .
Cei doi electrozi ficsi sunt alimentati prin interm ediul unui transformator cu
priza mediana. Când electrodul mobil este situat si metric în raport cu cei doi
electrozi ficsi tensiunea rezultanta U este nula si capacitatile celor doi senzori
sunt egale C1=C 2=C.
Pentru o deplasare D x a electrodului superior cele doua capacitati devin:
C1=C + ∆C si C2=C-∆C
Traductoarele capacitive se utilizeaza pentru masur area deplasarilor liniare
pentru lungimi pâna la 20mm (egale cu lungimea elec trozilor).
Utilizarea senzorilor inductivi
Senzorii inductivi utilizati pentru realizarea trad uctoarelor de deplasare pot fi
clasificate în:
ș senzori inductivi la care este influentata o singur a inductivitate;
ș senzori inductivi la care sunt influentate doua ind uctivitati;
ș senzori inductivi la care sunt influentate inductiv itati mutuale.

38 Senzori inductivi la care este influentata o singura inductivitate.
Formele cele mai raspândite de astfel de traductoar e de deplasare au senzorul
construit dintr-o singura bobina a carei inductivit ate este modificata prin
deplasarea unui miez sau a unei armaturi.
De exemplu, pentru masurarea deplasarilor se utiliz eaza traductorul inductiv
cu o singura inductivitate si miez mobil. Traductor ul inductiv cu miez mobil
este format dintr-o bobina cilindrica lunga, fixa, în interiorul careia se poate
deplasa axial un miez mobil din material feromagnet ic, de aceeasi lungime cu
bobina, solitar cu piesa a carei deplasare se masoa ră. Inductivitatea bobinei
variază în functie de pozi ția miezului între valorile L0 si Lmax corespunzatoare
miezului scos din bobina, respectiv complet introdu s în bobină.
Dependența inductivit ătii L a bobinei în func ție de deplasarea x a miezului
feromagnetic fa ța de poziția de inductivitate maxim ă se poate exprima prin
relația:
OLlxk
)eOLmax(LL +−
− =
Caracteristica de conversie L=f(x) – exprimata de ecua ție și reprezentat ă
grafic în figura b este neliniar ă. Caracteristica de conversie se poate liniariza
pe un interval larg, realizându-se o distributie ne uniforma a spirelor pe
lungimea bobinei.
Traductorul este robust, simplu si se utilizeaza la măsurarea deplas ărilor medii
și mari pentru intervale de la 0-100 mm pâna la 0-20 00 m.

39 Din punct de vedere constructiv, aceste traductoare sînt prevăzute cu
elemente sensibile de dou ă tipuri : cu modificarea inductan țelor proprii sau
mutuale prin deplasarea unui miez mobil și cu modificarea întrefierului.
Elemente sensibile inductive eu miez mobil. în vari anta de baz ă
(fig.7.1)-elementul sensibil este constituit dintr- o bobină B de lungime /, în
interioiul c ăreia se deplaseaz ă un miez feromagnetic M, sub acțiunea
mărimii de măsurat x ; aceast ă deplasare provoac ă o variație a inductan ței
proprii a bobinei L, de forma celei din figura 7.2.
Se constată că se obține o caracteristic ă statică pronunțat neliniară,
datorită câmpului magnetic neomogen creat în bobin ă. In plus, apar for țe

Fig. 7.1. Element sensibil inductiv
cu miez mobil.

Fig. 7.2. Varia ția inductan ței la un
element sensibil inductiv.

Fig.7.3 Element sensibil
inductiv in variant ă

40 diferențială.

Fig. 7.4. Caracteristic ă statică la ele-
mentul sensibil inductiv diferen țial.

parazite de atrac ție ce influen țează asupra miezului în deplasare, care pot fi
eliminate în varianta diferen țială (fig. 7.3). la care se utilizeaz ă două bobine,
în interiorul c ărora se deplaseaz ă miezul mobil (la pozi ția 0 — de referin ță —
miezul fiind introdus în mod egal în cele dou ă bobine). Varianta diferen țială
permite amelior ări și în ce prive ște sensibilitatea, iar caracteristica static ă este
mult mai liniar ă (fig. 7.4).
Principiul de func ționare se bazeaz ă pe modificarea reluctan țelor circui-
telor de închidere a fluxurilor și respectiv pe modificarea inductan țelor
proprii ale celor dou ă bobine :
(7.1)
aproximarea datorându-se faptului c ă reluctanța variază neliniar cu x.
Dacă cele două bobine sunt alimentate de la o surs ă de tensiune
sinusoidală, relațiile (7.1) permit s ă se exprime varia țiile impedan țelor Z 1
și Z2. In concluzie, deplasarea miezului mobil fa ță de poziția de echilibru
are ca efect final apari ția unei diferen țe de impedan țe:

Punerea în eviden ță a variației ∆Z se poate face prin conectarea
bobinelor în bra țele adiacente ale unei pun ți de impedan țe (fig. 7.5)
alimentată în ca. de la o surs ă avînd tensiunea efectiv ă
Ua și pulsația ωcunoscute și constante. Celelalte dou ă
brațe sunt constituite din dou ă rezistențe, de asemenea
de valoare fixat ă(7.2)

41 Fig. 7.5. Adaptor pentru traductor inductiv d iferențial.

TRADUCTOARE DE PROXIMITATE

În general (în sens larg) proximitatea exprim ă gradul de apropiere dintre dou ă
obiecte, dintre care unul reprezint ă sistemul de referin ță.
Se poate realiza controlul pozi ției unui obiect care se deplaseaz ă, fără contact
între acesta și referință.
În categoria m ăsurărilor de proximitate intr ă :
– sesizarea capetelor de curs ă ;
– sesizarea intersti țiului dintre suprafe țe ;
– sesizarea prezen ței unui obiect în câmpul de lucru etc.
Traductoarele de proximitate au de regul ă o caracteristic ă de tip releu,
mărimea de ie șire având varia ții discrete (" tot sau nimic ") discerne între dou ă
valori care reprezint ă (convențional) prezen ța sau absen ța corpului controlat.
Această particularitate conduce la realizarea compact ă a traductorului,
elementul sensibil și adaptorul (ES + AD) fiind plasate în aceea și unitate
constructiv ă.
Traductoare inductive de proximitate
Schema de principiu a acestui traductor este dat ă în figura 1. Detectorul are
rolul de a converti informa ția asupra pozi ției unui obiect metalic (în raport cu fa ța
sensibilă) în semnal electric. Blocul adaptor prelucreaz ă semnalul electric de la
ieșirea detectorului și comandă un etaj final cu ie șire pe sarcin ă de tip releu. Blocul
de alimentare furnizeaz ă tensiunea necesar ă circuitelor electronice.

Fig. 1 – Schema bloc a traductorului inductiv de pr oximitate.
Oscilatorul din blocul-detector între ține, prin câmpul magnetic alternativ,
oscilațiile în jurul bobinei ce formeaz ă (împreună cu miezul de ferit ă) fața sensibilă
a detectorului.
Când un obiect metalic (cu propriet ăți feromagnetice) intr ă în câmpul
magnetic al detectorului, în masa metalului apar cu renți Foucault care genereaz ă, la
rândul lor, un câmp magnetic de sens opus câmpului principal pe care îl atenueaz ă

42 puternic și ca urmare blocheaz ă oscilațiile.
Caracteristicile de func ționare ale traductorului pot fi apreciate în func ție de
valorile cotelor utile, notate în figura 2 prin: e – grosimea ecranului metalic
(grosimea obiectului detectat); □ – lățimea ecranului; L – lungimea ecranului; x –
distanța de la marginea ecranului la centrului fe ței sensibile; y – acoperirea fe ței
sensibile de c ătre ecranul metalic; z – distan ța de la ecran la fa ța sensibilă; zN –
distanța nominală de detecție (sesizare).

Fig.2 – Dimensiunile de gabarit ale traductorului i nductiv de proximitate.

Principalele caracteristici func ționale :
a) Zona de ac țiune,[2] delimitat ă de valorile [ 3 … 40 ] mm, este cuprins ă
între curba de anclan șare (oprirea oscila țiilor) și curba de declan șare (pornirea
oscilațiilor);
b) Distan ța utilă de detec ție – uZ, influențată puternic de natura și
dimensiunile obiectului (ecranului), cât și de variația temperaturii, a tensiunii de
alimentare și de dispersiile câmpului magnetic (din fabrica ție).
c) Fidelitatea reprezintă toleranța preciziei de reperare a punctelor de oprire
și pornire a oscila țiilor, când se men țin constan ți următorii parametri : distan ța,
sensul și viteza de deplasare, temperatura și tensiunea de alimentare.
d) Histerezisul reprezintă cursa (distan ța) dintre punctele de oprire și de
pornire a oscila țiilor în acelea și condiții (figura 3).
e) Durata impulsului de ie șire, determinat ă de viteza deplas ării ecranului
(obiectului) și dimensiunile acestuia.
Constructiv traductoarele inductive de proximitate se realizeaz ă în două variante:
1) cu fa ța sensibil inclusă frontal sau lateral în corpul propriu-zis al tradu ctorului ;
2) cu fa ța sensibil separată și legată prin cablu flexibil de corpul
traductorului.

43

Fig. 3 – Histerezisul unui traductor de
proximitate Fig. 4 – Traductor magnetic de proximitate

Traductoare magnetice de proximitate

Aceste traductoare au o construc ție simplă și sunt formate dintr-un contact
întrerupător (releu de tip Reed) plasat pe un bra ț al unei carcase sub form ă de " U "
și un magnet permanent fixat pe cel ălalt braț.Trecerea unui obiect metalic printre
brațele detectorului (carcasei) modific ă liniile de for ță ale magnetului (le
ecranează) și ca urmare contactul releului î și schimbă starea – figura 4. Exist ă
variante constructive la care obiectele magnetice p ot acționa direct asupra releului.
Observa ție: Când viteza de deplasare a magnetului mobil dep ășește 10[ m/s ] –
distanța nominală de acționare se reduce cu un coeficient (0,7… 0,9) în f uncție de
viteza de lucru.

Elemente sensibile capacitive pentru traductoare d e proximitate

În cazul traductoarelor capacitive de proximitate e lementul sensibil este
format dintr-un condensator care face parte dintr-u n circuit oscilant. Prezen ța unui
material conductor sau dielectric cu permitivitatea rε>1, la o distan ță uzîn raport
cu fața sensibilă a detectorului, modific ă capacitatea de cuplaj și amorseaz ă
oscilațiile, figura 5.
Funcționarea este diferit ă în raport cu natura obiectului controlat.
a) La detecția materialelor conductoare, obiectul a c ărui poziție este controlat ă
formează cu fața sensibilă un condensator a c ărui capacitate cre ște odată cu
micșorarea distan ței ∆x dintre obiect și fața sensibilă.
b) La detecția materialelor izolante, fa ța sensibilă este un condensator a c ărui
capacitate cre ște, cu atât mai mult, cu cât premitivitatea dielect rică (rε) a
obiectului controlat este mai mare.
Principalele surse de erori le reprezint ă variațiile de temperatur ă.
Observa ție: Pentru evitarea perturba țiilor, în cazul detect ării obiectelor
metalice, acestea se leag ă la pământ.

44

Fig. 5 – Element sensibil capacitiv pentru traducoa re de proximitate

Elemente sensibile fotoelectrice pentru traductoar e de proximitate
Funcționarea acestora se bazeaz ă pe modificarea fluxului de radia ții care se
stabilește între o surs ă (emițător) și un receptor, datorit ă prezenței obiectului
controlat. Se disting dou ă variante constructive :
a) Element sensibil de tip barieră , la care emi țătorul și receptorul sunt de o
parte și de alta a obiectului controlat, figura 5.6.

Fig. 6 – Element sensibil de tip barier ă

b) Element sensibil de tip reflector la care fasciculul de radia ții emis de
sursa (E) este transmis spre receptor, situat de ac eeași parte cu emi țătorul, în raport
cu obiectul controlat, prin intermediul unui parava n reflectorizant (reflector).
Prezența obiectului controlat modific ă intensitatea fluxului luminos receptat
după reflexie.
Dacă obiectul controlat are propriet ăți reflectorizante, atunci el poate juca și
rolul de paravan reflectorizant, (figura 7).
Sursele emi țătoare (E) pot fi realizate cu diode electroluminisc ente (LED) cu
fascicul vizibil sau infraro șu (cel mai utilizat) dar și cu lămpi speciale care au
lentilă de focalizare. Receptoarele (R) utilizeaz ă fotodiode sau fototranzistoare în
domeniul vizibil sau infraro șu, dar pot utiliza și celule fotovoltaice în domeniul
vizibil. Varia ția de semnal electric furnizat ă de elementul sensibil, datorit ă
modificării poziției obiectului detectat – este prelucrat ă de adaptorul traductorului
(care conține un formator de impulsuri și un amplificator) apoi transmis ă

45 elementului de ie șire de tip releu sau contactor static (tiristor sau triac).

Fig. 7 – Element sensibil fotoelectric de tip refle ctor.

Observa ție: Se evită mediile umede care pot aburi lentilele cât și obiectele
strălucitoare (oglinzi) din apropierea zonei de lucru t raductorului spre a evita
erorile în func ționarea acestor traductoare.

Traductoare integrate de proximitate .
Traductoarele de proximitate realizate cu circuite integrate reprezint ă o
tendință actuală și de viitor, datorit ă avantajelor pe care le ofer ă: gabarit redus,
performan țe ridicate, pre ț de cost mai mic și fiabilitate mare. No țiunea de traductor
integrat este justificat ă numai dac ă semnalul de la ie șirea acestuia este un semnal
unificat, în accep țiunea defini ției din automatizările industriale . Când aceast ă
condiție nu este îndeplinit ă se poate utiliza denumirea de senzor integrat . Pentru
familiarizarea cu schemele bloc obi șnuite se vor prezenta dou ă exemple de senzori
integrați de proximitate realiza ți în România (la fosta întreprindere de stat IPRS
Băneasa ,actualmente desfiin țată).

Senzorul inductiv integrat de proximitate

Acesta este realizat cu circuitul integrat TCA – 10 5N a cărui schemă de
principiu (bloc) este dat ă în figura 13. Acesta este capsulat într-o carcas ă tip MP
48 – cu 8 terminale.

46 Fig. 14– Schema bloc a senzorului integrat TCA 105 – N

Bornele 2, 3 și 4 reprezint ă baza, emitorul , respectiv colectorul unui
tranzistor care premite realizarea unui oscilator c e lucrează pe frecven ța de
1…5MHz, dac ă în exterior se monteaz ă un circuit adecvat de tip L, C. Schema mai
conține un stabilizator de tensiune care alimenteaz ă oscilatorul OSC, blocul
comparator cu histerezis, cât și etajul de amplificare (ie șire).

Etajul de ie șire oferă două tensiuni în antifază compatibile TTL (de tip
tranzistor având colectorul în gol). În func ție de amplitudinea oscila țiilor, unul din
tranzistoare este saturat, iar cel ălalt blocat.
Schema tipic ă de cuplare a senzorului TCA 105-N la circuitul osc ilant L, C
și la o rezisten ță de sarcina ( SR) este dată în figura 14. În func ționarea senzorului,
din această figură, se disting dou ă situații:

a) Când se aproprie un obiect feromagnetic de bobina o scilatorului
(simbolizat ă cu L), ocila țiile se amortizeaz ă, iar rezisten ța de sarcin ă
(SR) este conectat ă la masă.
b) După îndepărtarea obiectului feromagnetic, circuitul de intrar e începe să
oscileze din nou, iar ie șirea decupleaz ă sarcina SR în gol.

Fig. 14 – Conectarea senzorului
TCA – 105 N la circuitul LC Fig. 15 – Senzorul de proximitate cu fant ă.

Caracteristicile principale ale circuitu lui integrat TCA 105-N, conform
datelor de catalog, sunt date prin urm ătoarele valori limit ă :
– Tensiunea de alimentare = +20V ; curent absorbit la ieșire = 75mA ; curent de
alimentare = 5mA ; frecven ța maximă la oscilator = 5MHz.
Schema senzorului inductiv de proximitate cu fant ă (realizat cu TCA 105-N)
este prezentat ă în figura 15. Circuitul de intrare are configura ție de oscilator.
Oscilațiile sunt între ținute de cuplajul inductiv dintre cele dou ă bobine L 1 și L 2

47 plasate pe miezuri de ferit ă și poziționate astfel încât bobinele (având axa de
simetrie comun ă) să aibă între ele o distan ță (fantă) de 3…7 [mm].
În funcționarea senzorului se disting dou ă situații:
a) În lipsa obiectului (feromagnetic) oscila țiile, cu frecven ța de aproximativ 1
MHz, din etajul de intrare men țin ieșirile circuitului în starea " ac ționată ".
b) La apari ția obiectului metalic în fant ă cuplajul magnetic dintre bobine se
întrerupe, oscila țiile se amortizeaz ă iar ieșirile trec în starea "blocat ".
Observa ții:
a) Valorile parametrilor constructivi ai circuitului o scilant (dimensiunea
miezurilor de ferit ă, numărul de spire al bobinelor, valoarea capacit ății C etc)
sunt date în documenta ție și depind de m ărimea fantei dintre bobine.

Senzorul magnetic integrat de proximitate

Termenul "magnetic" deriv ă de la faptul c ă acest senzor utilizeaz ă un detector
de tip element Hall , care sesizeaz ă prezența câmpurilor magnetice de intensit ăți
relativ mici (aproximativ 50 mT) și produce semnale de tensiune de ordinul (1…10)
mV.Un exemplu de senzor utilizeaz ă circuite integrate specializate de fabrica ție
româneasc ă din seria βSM 23X (X = 1, 2, 3, 4) sau βSM 24X (X = 1, 2) ( produs
de fosta fabrica IPRS B ăneasa).
Aceste circuite integrate, con țin în acela și cristal de siliciu atât senzorul Hall ,
cât și blocurile de prelucrare a semnalelor oferite de a cesta. Denumirea comercial ă
a acestor circuite este “senzori magnetici comutato ri”. Schema bloc a unui senzor
magnetic de tip βSM 23X; (24X) este prezentat ă în figura 16. Din punct de vedere
calitativ circuitul βSM 24X este superior circuitului βSM 23X prin doi parametri
electrici:
a) curentul de alimentare (la o induc ție de 50 mT) este de 2 mA în cazul
circuitului βSM 24X, fa ță de 4,3 mA (7mA) – în cazul circuitului βSM 23X.
b) tensiunea de alimentare: 7V – la βSM 24X, fa ță de 10V (25V) – la βSM 23X.

48 Fig. 16 – Schema bloc a senzorului magnetic comutat or de tip βSM 23X.

Observa ție:
La circuitul βSM 24X nu mai exist ă stabilizatorul tensiunii de alimentare, în
rest schema este aceea și, ca și la βSM 23X.
În funcționarea acestui senzor se disting dou ă situații:
a) Dacă este sesizat un câmp magnetic de induc ție B, senzorul Hall
furnizează o tensiune diferen țială, proporțională cu B. Aceast ă tensiune este
preluată de amplificatorul diferen țial care o aplic ă unui comparator cu histerezis, ce
lucrează ca un comutator. Dac ă circuitul este plasat într-un câmp magnetic a c ărui
inducție depășește valoarea corespunz ătoare pragului de deschidere, comparatorul
comandă prin intermediul unui amplificator – injec ția unui curent în baza
tranzistorului de ie șire, care este adus în satura ție, deci colectorul s ău absoarbe un
curent important (curentul prin sarcina conectat ă la borna 3).
b) Dacă inducția B scade sub valoarea pragului de blocare, ie șirea
comutatorului revine în starea ini țială, iar tranzistorul de ie șire este blocat. Între
pragul de dechidere și cel de blocare (închidere) exist ă un histerezis, necesar pentru
a asigura imunizarea circuitului fa ță de zgomote. Principalele c ăi de basculare a
senzorului magnetic comutator, legate direct de apl icațiile industriale, sunt:
• Deplasarea magnetului permanent , care se poate face frontal sau transversal.
Pentru func ționarea corect ă asenzorului, cursa magnetului trebuie s ă depășească
(datorită histerezisului) dou ă distanțe de prag: una la care are loc deschiderea, iar
cealaltă la care are loc blocarea.
• Ecranarea câmpului unui magnet care se poate realiza printr-o folie
feromagnetic ă plasată între sursa de câmp magnetic și senzor.
• Concentrarea câmpului unui magnet ce se poate face prin apropierea unui
material feromagnetic în spatele senzorului, care s e află într-un câmp magnetic
insuficient de intens pentru a produce bascularea. Astfel induc ția magnetic ă va
crește la o valoare capabil ă să basculeze senzorul.
Observa ții:
În afară de soluțiile menționate, prin care circuitele βSM 23X sau βSM 24X
– sunt utilizate ca senzori de proximitate (limitat or de cursă la mașini-unelte, robo ți
industriali, periferice de calculatoare etc), exist ă și aplicații în construc ția unor
traductoare:
– traductor de orizontalitate (sau verticalitate), utilizând un pendul cu magnet;
– traductor de nivel având magnetul introdus într-u n flotor ce se poate deplasa
ghidat prin dreptul senzorului magnetic comutator.
-traductor numeric rotativ incremental pentru vitez ă sau poziție unghiular ă;
– traductor de curent (releu de curent pentru prote cție), când senzorul
magnetic sesizeaz ă depășirea valorii limit ă a curentului printr-o înf ășurare.
Diferite firme produc traductoare de proximitate c are dau la ie șire o tensiune
continuă liniar variabil ă cu variația inducției magnetice B în intervalul (-50mT…
+50mT).

49
SENZORUL TENSOR REZISTIV (marc ă tensometric ă)
Fie un element rezistiv metalic de sec țiune constant ă S și lungime l;
rezistența elementului este
Slρ=R . Supunem elementul rezistiv la întindere sau
compresiune în domeniul elastic al deform ării și-n urma efectu ării se vor modifica
parametrii ρ, l, și S. Modific ările relative ale acesteia fiind foarte mici, putem
folosi calcule cu diferen țe finite (similar cu determinarea erorii), adic ă
logaritmizarea rela ției anterioar ă SS
ll
ρρSln – lln ρlnRln ∆−∆+∆=∆⇒ + =RR
Dar pe baza celor cunoscute în rezisten ță pentru deformarea în domeniul
elastic între
SS∆ ∆șill există relația :
ll∆−=∆µ2SS; µ este coificientul lui Poisson
( )ρρµ21∆+∆+=∆⇒ll
RR
Definim ca sensibilitate respectiv factor de conver sie al elementului rezistiv
raportul ll
RRK∆•∆= adică raportul dintre varia ția rezistenței elementului supus la
efort și alungirea acestuia și găsim llK∆•


 ∆+=ρρµ21
:
Pentru majoritatea metalelor sau aliajelor valorile coeficienților lui Poisson
µ este 0,3 la deformarea în domeniul elastic și 0,5 la deformarea în domeniul
plastic. Dac ă elementul rezistiv supus efectelor mecanice nu și-ar modifica și
rezistivitatea atunci factorul de conversie, în t oate cazurile, la metale și aliaje ar
trebui să fie : K=1+2·0,3 = 1,6 în domeniul elastic și K = 1+ 2·0,5 =2,0 în domeniul
plastic. În realitate, din tabelul anterior se obse rvă că pentru majoritatea
materialelor factorii de conversie posed ă alte valori și atunci cu siguran ță că efectul
mecanic modific ă și rezistivitatea material ă. În prezent este acceptat ă
proporționalitatea dintre varia ția relativă a rezistivit ății și variația relativă a
valorilor elementului supus la efect, adic ă este acceptat ă relația:VVm∆=∆
ρρ . Dar
V=l•SSS
ll
VV ∆+∆=∆⇒ ; ( )llmSS
ll
SS ∆− =∆−=∆⇒∆−=∆µ21ρρµ2 µ2 și atunci
factorii de conversie K=1+2 µ+m(1-2µ). Se observ ă că pentru m =1 => K ≈2 și din
expresia lui K dispare coeficientul lui Poisson µ rezultă elementul are acela și factor
de conversie K atât în domeniul elastic când µ = 0,3 cât și–n domeniul plastic când
µ = 0,5 și atunci din tabele sunt preferate materialele care au factor de conversie
apropiate de 2, dintre care cel mai indicat fiind c onstantarul K = 2,15. Acesta este
în prezent materialul de baz ă pentru construc ția senzorilor tensorezistivi. Singura
problemă a constantanului o constituie t.e.m. de contact ri dicată față de cupru.

50 Aceasta ar avea importan ță numai dac ă se lucreaz ă în curent continuu. În plus, la
constantan dependen ța fRR=∆ nu are histerezis. În afara constantantului, multe
aliaje au valori mai mari pentru K deci conduc și la sensibilit ăți mai ridicate de
măsurare (platin ă, nichel etc.). Îns ă utilizarea acestora este limitat ă datorită
necesității compens ării efectului termic al elementului tensorezistiv ( compensarea
dependenței rezistenței elementului de temperatur ă). Valori mult mai mari pentru K
le au elementele tensorezistive realizate din semic onductori ( Si și Ge etc.).
Observație: Plecând de la legea cunoscut ă a lui Hooke


= =∆=SFσ;SF
E1
ll;Eσε ; σ = efort mecanic unitar în material și E = modulul de
elasticitate, cunoscând pentru un material dat supu s la efort valoarea lui
llKRR
ll
RRK∆=∆⇒∆∆= , supunând elementul rezistiv la efort mecanic, pri ntr-o
măsură de rezisten ță ( fără și cu efort ) se deduce raportul:
RR∆. Se cunoa ște K=>
ll∆, iar din rela ția Eσ=ε se deduce EllE∆=•=εσ , deci se m ăsoară efortul
mecanic sau cu Sσ σ •=⇒ = FSF, F este for ța care ac ționează asupra
elementului supus la effort; S este sec țiunea.
Cu ajutorul unui astfel de element pot fi determina te mărimea mecanic ă F respectiv
efortul mecanic numai prin m ăsurarea de rezisten ță. Dar efortul de m ăsurare se aplic ă
pieselor mecanice, nu elementului rezistiv figurat inițial. Pentru ca elementul rezistiv s ă
fie supus la acela și efort se lipe ște cu un adeziv special pe suprafa ța piesei mecanice
supusă la efort și din aceast ă cauză elementul tensorezistiv se mai nume ște și marcă
tensometric ă.
Construc ția senzorilor termorezistivi

51
În figura de mai sus, firul metalic cu sec țiunea de 30 ÷ 50 µ este lipit pe o
folie sintetic ă însă poziționat sub form ă de grătar și în acest fel, cea mai mare parte
din lungimea total ă a firului rezistiv este orientat ă pe o singur ă direcție cea a
efortului mecanic de m ăsurat. Tot pe suprafa ța foliei se prev ăd contacte pentru
legăturile cu exteriorul. Sunt cazuri când efortul de m ăsurat nu are o direc ție strict
cunoscută și atunci pentru m ăsurare se folosesc rozete tensorezistive adic ă figura
(3): pe acela și suport se fixeaz ă, evident izolat electric tot prin lipire, dou ă mărci
tensometrice în form ă de grătar orientate îns ă pe direcția 1. Senzorul se lipe ște pe
structura supus ă la efort. Se fac m ăsurători de rezisten ță și se deduc valori efortului
în material pe cele dou ă direcții perpendiculare, apoi prin compunere vectorial ă a
efortului se g ăsește direcția efortului principal. Rozetele se pot realiza și cu 3 mărci
identice orientate la 120°, și cu 4, etc.
În figura din dreapta se d ă o secțiune printr-o marc ă tensometric ă cu fir
metalic lipit ă pe o structur ă în care: 5= pies ă mecanică supusă efortului; 4= strat de
adeziv; 3= folie sintetic ă suport fixat ă pe structura cu adeziv; 2= conductoarele în
secțiune care formeaz ă marca tensometric ă; 1=folie sintetic ă fixată prin lipire cu
adeziv și care protejeaz ă conductoarele 2 de ac țiunile exterioare.
Observație: Aceast ă tehnologie cu fir lipit este cea mai veche dar se
contează pe deformarea p ărții din grătar orientate pe diferite eforturi; concomitent
însă se deformeaz ă și porțiunile transversale de întoarcere a firului rezisti v.
Rezistența acestei por țiuni se modific ă în sens contrar modific ării rezisten ței
porțiunilor orientate în paralel în gr ătar pe direc ția efortului și aceasta constituie o
transmisie cu greutate a c ăldurii spre piesa supus ă la efort.

Tehnologia cu strat metalicic sub țire
Pe un suport electroizolant se depune ini țial un strat metalic sub țire (50µ)
reprezentând materialul senzorului rezistiv; apoi p rin corodare chimic ă se realizeaz ă
structura în gr ătar. Structura este prev ăzută cu bobine pentru conectarea electric ă cu
exteriorul. Deasupra se lipe ște o altă folie sintetic ă de protecție și se obține astfel o marc ă
tensometric ă.
Avantaje: Procedeul de fabricare se preteaz ă perfect pentru automatizare și
majoritatea m ărcilor tensometrice actuale sunt realizate cu aceas tă tehnologie.
Contactul fizico-mecanic cu structur ă de încercat prin lipire se realizeaz ă mult mai
bine deci se poate transfera mai mult ă căldură de la marca tensometric ă la structur ă
deci marca poate fi înc ărcată electric mai mult decât por țiunile orientate pe direc ție
în forturi. Varia ția de rezisten ță determinat ă de deformarea acestor por țiuni sunt
nesemnificative, nu eroneaz ă rezultatul.

52

Tehnologia cu senzori semiconductori
Un filament semiconductor ob ținut prin t ăiere dintr-un cristal este lipit pe
un suport izolant. El se orienteaz ă pe direcția efortului și la extremit ăți se prevăd
contacte pentru exterior. O alt ă variantă utilizează direct o pl ăcuță de siliciu cu o
grosime de circa 25 µ care se lipe ște pe structura de încercat. La suprafa ța foiței de
siliciu care este ini țial pură, se pot introduce impurit ăți sau elemente
impurificatoare. La capete se prev ăd contacte și s-a obținut astfel o marc ă
tensometric ă semiconductoare.

Rezistențe normalizate pentru ST
În prezent rezisten țele elementelor tensorezistive sunt normalizate și anume
pot avea 120 Ω, 300 Ω sau 600Ω. Ele se conecteaz ă de obicei într-o punte și de
exemplu, pentru m ărci tensometrice de 120 Ω puntea se alimenteaz ă la 5V și atunci
curenții nominali prin m ărcile tensometrice de 120 Ω se reduc pe baza rela ției
I=5/(120+120) ≈ 20mA (deoarece în punte sursa este conectat ă la capetele a dou ă
tensorezisten țe. Pentru m ărcile de 300 și 600 Ω se poate lucra cu tensiuni de
alimentare mai mari pentru punte.

Compensarea efectului termic la m ărcile tensometrice
Considerând o marc ă tensometric ă lipită pe o structur ă supusă la efort.
Temperatura mediului variaz ă cu cantitatea ∆θ. Se întâmpl ă următoarele fenomene:
se modific ă rezistivitatea m ărcii tensometrice sau a ST, se dilat ă sau se comprim ă
marca tensometric ă și se dilată sau se comprim ă structura supus ă la efort. Fie αR
coeficientul de temperatur ă al rezistivit ății mărcii tensometrice. La varia ția
temperaturii cu ∆θ, variația relativă a rezisten ței mărcii tensometrice va fi

53 :θαR1∆• =∆
RR. Apoi fie αT coeficientul de dilatare termic ă a mărcii tensometrice
și αS coeficientul de dilatare termic ă a structurii, deci dac ă are loc varia ția
temperaturii cu ∆θ, variația relativă a lungirii prin dilatare pentru marca
tensometric ă liberă va fi θαT∆• =∆
ll sau dacă marca este lipit ă pe structur ă
θ)α-α(T R ∆• =∆
ll. Fie K factorul de conversie sau sensibilitatea m ărcii
tensometrice și avem rela ția ll
RRK∆⋅∆= deci la varia ția relativă a lungimii,
variația corespunz ătoare a rezisten ței mărcii va fi: θ)αα(T S2∆ − =∆⋅=∆KllKRR și
atunci varia ția cumulat ă a rezisten ței datorită celor dou ă fenomene, modificarea
rezistivității și dilatarea termic ă va fi: θ)αα(θαT S R2 1∆ − +∆ =∆+∆=∆KRR
RR
RR
La variația temperaturii se modific ă suplimentar rezisten ța mărcii
tensometrice. Prin intermediul rezisten ței măsurăm efortul mecanic și atunci
variația suplimentar ă de rezisten ță este perceput ă ca o deformare suplimentar ă care
nu apare în realitate deci reprezint ă o sursă de erori sistematice, erori care trebuie
diminuate sau înl ăturate. În prezent pentru compensarea efectului ter mic al mărcilor
tensometrice sunt practicate trei procedee:
• se folosesc m ărci compensate individual;
• se folosesc m ărci autocompensate;
• se realizeaz ă compensarea efectului termic prin conectarea
corespunzătoare într-o punte a dou ă sau patru m ărci tensometrice.
1. Mărcile compensate individual
În serie sau în paralel cu marca tensometric ă de rezisten ță R și coeficient
global de temperatur ă α se conecteaz ă un element de circuit cu un coeficient de
temperatur ă astfel ales încât rezisten ța ansamblului marc ă tensometric ă – element
de compensare s ă rămână neschimbat ă la variația temperaturii.Observatii: În
același timp ansamblul marc ă tensometric ă – element de compensare trebuie s ă
aibă o rezisten ță apropiată de rezisten ța inițială a marcii tensometrice. Din acest
motiv rezisten ța suplimentar ă a elementelor de compensare, de exemplu la serie
trebuie să aibă o valoare redus ă in schimb coeficientul de temperatur ă a acestei
rezistențe trebuie să aibă o valoare ridicat ă și atunci, pentru compensare se folosesc
termistori care au coeficientul de temperatur ă cu cel pu țin un ordin de m ărime
superior m ărcilor tensometrice obi șnuite.
2. Mărci autocompensatePlecând de la expresia coeficient ului global de
temperatur ă α =αR +K(αS – αT), se realizeaz ă condițiile pentru ca acesta s ă devină
nul. Deci pentru un senzor dat, se lucreaz ă numai cu anumite structuri astfel încât
să devină posibilă compensarea lui α. Evident aceste m ărci tensometrice au un
domeniu îngust de aplicabilitate.
3. Compensarea efectului termic prin conectarea cor espunzătoare într-o
punte a dou ă sau patru m ărci tensometriceVaria țiile de rezisten ță datorită

54 eforturilor la care este supus ă și marca tensometric ă sunt în general mici, nu
depășesc în unități relative 5 – 10 ‰ și atunci varia țiile de rezisten ță se măsoară de
obicei folosind puntea Wheatstone.
Domeniul temperaturilor de lucru pentru m ărcile tensometrice.
După lipirea m ărcii tensometrice pe structura de încercat se conte ază pe
proprietățile elastice ideale ale adezivului. Aceasta înseamn ă că deformarea
corpului supus la efort se transmite în totalitate mărcii tensometrice. În practic ă însă
nu se întâmpl ă așa și anume dup ă o durată relativ scurt ă de timp, adezivul revine
lent la starea ini țială, netensionat ă. Acesta se nume ște post-efect și din cauza lui,
măsurările cu mărci tensometrice lipite pe structuri nu sunt reprod uctibile într-un
timp îndelungat. Totu și s-au imaginat procedee cu ajutorul c ărora să se poată face
măsurători tensometrice și reproductibile chiar și într-o perioad ă de timp de ordinul
anilor dar în locul m ărcilor lipite cu adezivi, tensorezisten țele s-au realizat din
conductor metalic rezistiv întins între supor ți electroizolan ți.
Simularea în laborator a deform ării
Odată lipite pe structur ă mărcile nu mai pot fi refolosite întru-cât prin
dezlipire se distrug. Din acest motiv firmele produ cătoare încearc ă câteva
exemplare de m ărci dintr-un lot de fabrica ție și valoarea medie a factorului de
conversie K este atribuit ă întregului lot. Dar, supus ă la efort mecanic, marca î și
modifică rezistența proprie.
Variațiile mici de rezisten ță care ar fi produse de efortul mecanic pot fi
simulate în laborator conectând în paralel cu marca tensometric ă o rezisten ță fixă
mult mai mare ca aceasta. De exemplu, în paralel cu marca de rezisten ță R0 este
conectată rezistența R p. Ansamblul R 0 Rp are rezisten ța Rp RRpRR+=∗
00. Variația
relativă a rezisten ței
000
0
00
RRp RRpRR
RR R
RR +−
=−=∆∗
εKRp RR
RR=+=∆⇒
00
întrucât factorul de conversie ll
RRK∆⋅∆= . Dar deforma ția relativă se mai
notează cu εși apoi se deduce R p R0= εRoK + R pK ε => R p= R 0(1/ K ε – 1). Dar
ε are o valoare foarte mic ă 4 ÷5 ‰ maxim și atunci
1/ K ε >> 1 => R p= R 0 / Kε. Deci, pentru o deformare dat ă ε, se găsește
imediat rezisten ța conectată în paralel care ar simula deforma ția datorată efortului
mecanic.
Puntea tensometric ă
Servește măsurării deforma ției și efortului mecanic prin intermediul
mărcilor tensometrice.
Puntea propriuzis ă este realizat ă de exemplu cu dou ă mărci tensometrice R 1
și R 2 și cu două rezistențe R 3 și R 4 care sunt variabile. Acestea sunt conectate în
paralel cu doi condensatori variabili C 3 și C 4. Deci dup ă fixarea m ărcilor pe
structura de încercat se realizeaz ă echilibrul perfect ini țial al pun ții în absen ța
efortului. Pentru aceasta se regleaz ă ca la o punte de curent alternativ elementele de

55 circuit R 3 și R 4, respectiv C 3 și C 4. Capacitățile sunt necesare pentru compensarea
capacității parazite existente în punte, apar ținând mărcilor tensometrice sau dintre
acestea și masă. După finalizarea echilibrului ini țial, structura se supune la efort și
deformare este indicat ă direct de instrumentul de ie șire. Acesta poate fi analogic
(cu ac indicator ) sau numeric.
Dimensionarea m ărcilor
Lungimile m ărcilor tensometrice iau valori între 3 și 150 mm, l ățimile între
1 și 60 mm; m ărcile lungi se folosesc la încercarea structurilor neomogene de
exemplu a grinzilor de beton, de lemn, etc. m ărcile cu lungimi pân ă la 20 mm se
folosesc pentru încercarea structurilor omogene cum sunt metalele. Exist ă și mărci
miniatură care au lungimea de 1 mm.
Utilizări: au numeroase aplica ții în special în construc ții de mașini, robotic ă,
etc…

TRADUCTOARE DE FOR ȚĂ
Pentru măsurarea for țelor se realizeaz ă convertoare de m ăsurare sub form ă de
capsule (capsule dinamometrice) care se monteaz ă în serie cu corpul de m ăsurat și
trebuie să suporte întreaga for ță, prezentând în acela și timp o varia ție de lungime
cât mai mic ă. În funcție de senzorii folosi ți capsulele dinamometrice pot fi:
rezistive, capacitive, inductive, magnetoelastice, piezoelectrice.
De exemplu, capsula dinamometric ă pentru solicit ări de compresiune realizat ă cu
senzori tensometrici prezint ă un corp elastic(3) pe suprafa ța căruia sunt aplica ți
patru senzori tensometrici, doi în direc ție verticală (4), adică în direcția forței și ei
vor fi comprima ți, ceilalți doi în direc ție orizontal ă (5) care vor fi întin și. Dilatarea
sau comprimarea la care este supus acest corp sunt convertite de senzori în varia ții
de rezisten ță ± R∆, iar aceste varia ții sunt convertite în tensiune electric ă prin
intermediul unei pun ți în regim neechilibrat. În cazul aliment ării în cc. se ob ține
schema func țională din schema bloc care eviden țiază că deviația instrumentului
magnetoeleetric este propor țională cu forța măsurată, iar mărimile de influen ță ce
pot afecta exactitatea m ăsurării sunt: modulul de elasticitate E al materialului din
care este executat corpul elastic și tensiunea de alimentarea pun ții. Pentru a asigura
preluarea for ței axiale, contactul se realizeaz ă prin intermediul unei bile din o țel de
rulment (1).

56

Există și variante constructive realizate pentru solicit ări de tracțiune.Un domeniu de
utilizare pentru aceast ă variantă poate fi cânt ărirea unor ma șini grele, agabaritice.
În acest caz, se aga ță corpul de cârligul unei macarale iar între cârlig și cablul de
ridicare se intercaleaz ă o capsulă dinamometric ă pentru solicit ări la tracțiune.
Pentru puntea cu 4 senzori tensometrici rezult ă
relațiile :

R 1= R 4= R- R∆ ; R 2 = R 3 = R+ R∆

Introducând rela țiile în ecua ția de mai sus se
obține tensiunea de dezechilibru : RRUU∆=∆
Rezultă că puntea cu 4 senzori tensometrici rezistivi activi este liniară. Efortul
unitar σ este propor țional cu tensiunea de dezechilibru U∆.
Uk∆=4 σ unde SUEk=4
Sensibilitatea pun ții este: S p=1 deci o sensibilitate de dou ă ori mai mare decât în
cazul punții cu 2 senzori activi și de patru ori mai mare decât în cazul pun ții cu un
senzor activ.
Pentru a determina influen ța variației temperaturii la locul de m ăsurare
asupra tensiunii de dezechilibru se consider ă puntea cu varia țiile de rezisten ță
datorate efortului mecanic și temperaturii. Fiecare rezisten ță va fi afectat ă
suplimentar și de o varia ție TR∆. În acest caz rezisten țele ce formeaz ă puntea sunt
exprimate prin rela țiile :

TR R R R R ∆+∆−= =4 1 ; TR R R R R ∆+∆+= =3 2
Introducând rela țiile de mai sus în expresia tensiunii de dezechilib ru rezultă:



∆−∆=∆RR
RRUUT1 raportul RRT∆ <<1 pentru varia ții de temperatur ă de
10 0C si materiale uzuale pentru senzori astfel c ă:
RRUU∆=∆
Rezultă că puntea cu 4 senzori activi este liniar ă și eroarea de temperatur ă este
compensat ă în limite largi de temperatur ă.

57

Traductoare de presiune

Întrucât presiunea se define ște pe baza for ței, rezultă că cel puțin pentru anumite
domenii metodele de m ăsurare vor fi asem ănătoarecu cele pentru m ăsurarea
forțelor; în acest sens se folosesc traductoare complex e ce conțin elemente sensibile
elastice.

Elemente sensibile elastice

Pentru măsurarea presiunii în domeniile vaccum și suprapresiuni, ca
elemente sensibile elastice se folosesc membrane, t uburi și pistoane cu resort.
Membranele sunt plăci elastice de grosime mic ă, de formă circulară,
încastrate pe margine; sub ac țiunea unei presiuni asupra uneia din suprafe țele
membranei se produce o deforma ție care poate fi m ăsurată prin metode electrice.
Membranele pot fi plane, gofrate (suprafața cu profil ondulat) sau sferice.
Membranele plane pot fi metalice (cu rigiditate mare) sau neme talice(cu rigiditate
mică), ultimele fiind de obicei foarte flexibile. La me mbranele rigide se m ăsoară de
regulă deformația, iar la membranele semirigide și flexibile se m ăsoară săgeata
maximă, eventual multiplicat ă prin procedee mecanice. Ca materiale se folosesc:
oțelul inox, alpaca, bronzuri, alam ă și, respectiv,cauciuc, țesături cauciucate, piele
etc.
Dependența presiunii de deformare pentru membranele plane es te
prezentată în figură. În cadrul caracteristicii se disting trei zone:
a) zona a – corespunz ătoare membranelor groase la care s ăgeata (deforma ția) y
este mai mic ă decât grosimea d a membranei.
b) zona a și b – caracteristic ă pentru membranele cu grosime medie la care
y<3d;
c) zona a+b+c – corespunz ătoare membranelor sub țiri, pentru care
caracteristica este pronun țat neliniară.

58
y<d y<3d y>3d y

Dependen ța presiunii de deforma ție.

În literatura de specialitate sunt prezentate rela țiile de calcul care
exprimă dependența dintre presiune și deformație pentru cele trei tipuri de
membrane.
Timpul de r ăspuns depinde de construc ția mecanic ă a traductorului și
poate atinge 10 -3 s; pentru reducerea efectului vibra țiilor asupra membranelor
se folosesc membrane sub țiri, eventual cu pretensionare.
Fiind o structur ă elastică, orice membran ă are o frecven ță proprie de
rezonanță dată de relația:
.
mkfrπ21=
unde: k reprezintă constanta elastic ă echivalent ă membranei, iar m – masa
acesteia; deoarece în cazul membranelor for ța de reacțiune este o for ță elastică
de tip kx, unde x este săgeata medie, rezult ă că sensibilitatea unei membrane, de
suprafață A va fi:
kA
pxS = =

Din combina ția celor dou ă relații se
obține: mS.f r2 = const.
ceea ce indic ă faptul că pentru membranele cu r ăspuns rapid (f r – mare)
sensibilitatea este redus ă, iar pentru o sensibilitate mare – membranele vor avea
un răspuns lent. Orientativ, se recomand ă ca pentru membranele circulare:
mS.f r2=0,043
iar pentru membranele încastrate:
mS.f r2=0,25
Deformația maximă admisă pentru membranele plane nu trebuie s ă
depășească 10-3 (1000 µm/m) deoarece peste aceast ă valoare pot apare fenomene de
fluaj. Din cauza faptului c ă prelucrările mecanice tradi ționale introduc tensiuni interne
în materialul membranelor, în prezent prelucrarea a cestora se face prin electroeroziune.
Pentru mărirea săgeții se pot folosi amplificatoare mecanice, ca de exe mplu:
pârghii sau sisteme cu ro ți dințate.
Creșterea săgeții este posibil ă la membranele gofrate (ondulate) care au realizate
pe suprafața lor o serie de gofreuri concentrice, mijlocul mem branei fiind rigidizat;
formele gofreurilor pot fi sinusoidale, triunghiula re sau trapezoidale. Dac ă din punct de
vedere tehnic ele se realizeaz ă mult mai greu, au îns ă ca avantaj ob ținerea unor s ăgeți

59 mult mai mari cu o bun ă liniaritate.
Membranele gofrate sunt mai pu țin folosite în mod direct; de obicei, se
asambleaz ă câte două, lipite pe circumferin ță formând capsule. Dacă presiunea de
măsurat acționează în interior, capsula se nume ște manometric ă, respectiv, aneroid ă –
dacă în interior se produce vacuum; pentru m ăsurarea altor m ărimi, capsulele pot fi
umplute cu diferite substan țe (gaze, vapori, lichide). Folosirea mai multor cap sule crește
sensibilitatea de un num ăr de ori egal cu num ărul membranelor utilizate. Cel mai
întrebuințat material pentru construc ția membranelor gofrate îl reprezint ă bronzul cu
beriliu, care are o bun ă stabilitate și un histerezis redus.

Profiluri de membrane gotrate:a) sinus oidal; b) triunghiular,•c), țrapezoidal.
Săgeți mari pot fi ob ținute și cu ajutorul tuburilor ondulate – silfoane- a căror
construcție este prezentat ă în figură.
Săgeata obținută la silfoane poate fi destul de important ă, deoarece într-
o primă aproxima ție silfoanele se consider ă ca provenind dintr-un sistem de
plăci inelare legate pe conturul exterior.
Materialele din care se construiesc aceste traducto are sunt bronzurile cu
beriliu sau o țelurile inoxidabile.
O altă categorie! de traductoare mecanice folosite la m ăsurarea presiunii
o reprezint ă tuburile Bourdon, care pot fi cu pere ți subțiri sau pere ți groși,
având forma unui arc de cerc cu deschiderea la cent ru de circa 240°; profilul
tubului poate fi oval, eliptic sau în D. Sub ac țiunea presiunii cre ște raza de
curbură, iar tubul se îndreapt ă, producând o deplasare a cap ătului liber.

Tuburi Bourdon a) construc ție; b) profile.

60 Sensibilitatea maxim ă se obține la tuburile cu profil în D. Ele pot fi
folosite atât pentru m ăsurarea presiunilor reduse (mm Hg) cât și a presiunilor
înalte, diferen ța constând în grosimea pere ților.
În literatura de specialitate sunt prezentate rela țiile de calcul pentru
traductoarele mecanice ce se folosesc la m ăsurarea presiunilor.
Trebuie men ționat faptul c ă traductoarele mecanice elastice sunt relativ
sensibile la m ărimile de influen ță ca: vibrații și șocuri, temperatur ă, umiditate,
cuplul de fixare sau de strângere a traductorului; în timpul func ționării lor pot
apare derive de zero, cât și variația sensibilit ății sau fenomene de histerezis.
Pentru compensarea varia țiilor cu temperatura se fac compens ări termice sau se
folosesc circuite de r ăcire.Durata de via ță a acestor traductoare depinde de
numărul de șocuri sau cicluri la care sunt supuse, dar și de suprasarcin ă; de
exemplu, pentru un nivel de încredere de 90% num ărul de cicluri pentru
valoarea nominal ă este.circa 10 6, în timp ce pentru un traductor supraînc ărcat
se reduce la 10 4; membranele din siliciu ce apar în construc ția traductoarelor
integrate au circa 105 cicluri de func ționare. Cea mai mare durat ă de viață de
aproximativ 10 9 cicluri o prezint ă tuburile construite din materiale speciale.

Traductoare elecrice asociate
Așa cum s-a ar ătat în paragraful precedent, elementele sensibile e lastice
transformă
presiunea într-o deforma ție sau o deplasare; rezult ă că traductoarele electrice
asociate au rolul de a converti m ărimile intermediare de mai sus într-o
informație electrică.
Din punct de vedere constructiv se urm ărește ca modul de cuplare al
traductorului electric la elementul sensibil elasti c să se realizeze cât mai simplu,
eventual, f ără contact mecanic.
În continuare vor fi discutate principalele aspecte legate de realizarea
traductoarelor complexe pentru m ăsurarea presiunilor.
a) Folosirea traductoarelor tensometrice se face pr in lipirea acestora
direct pe membranele plane sau pe un subansamblu (t ijă, lamă) care se
deformeaz ă sub acțiunea altui element sensibil elastic.În ceea ce pri vește
folosirea membranelor plane, trebuie precizat c ă, sub acțiunea presiunii,
deformația produsă creează atât tensiuni mecanice radiale, cât și tangențiale.
Considerând o diafragm ă circulară perfect încastrat ă ca în figur ă
(membrana și blocul de încastrare provin din acela și material printr-o
prelucrare corespunz ătoare), de grosime g și rază R asupra căreia acționează
diferențial presiunile p 1 și p2.

61
Din curbele prezentate rezult ă că distribuțiile tensiunilor mecanice radiale și
Tangențiale au semne contrare la marginea membranei în rap ort cu zona de
centru a membranei.Aceast ă observație permite utilizarea a patru timbre tensometrice
în montaj diferen țial, metodele de m ăsurare fiind identice cu cele de la m ăsurarea
deformațiilor. Deoarece deforma țiile sunt mai importante dup ă direcția radială,
poziționarea timbrelor dreptunghiulare se face dup ă această direcțiesau se folosesc
mărci tensometrice cu form ă specială, dedicată pentru măsurători de presiune .
b) Folosirea traductoarelor inductive este avantajoas ă atunci când trebuie
măsurate deplas ări mari; de exemplu, în figura de mai jos este prez entată schema unui
traductor de presiune pentru m ăsurarea fără contact a unei presiuni diferen țiale cu
traductor inductiv diferen țial; de remarcat c ă, în acest caz, membrana traductorului
poate fi și gofrată, însă este de dorit ca zona din mijloc s ă fie plană. Pentru aceast ă
construcție pot fi întîlnite dou ă situații:
1) membrana este magnetic ă (eventual și corpul traductorului); în acest caz
traductorul este traductor inductiv diferen țial cu armătură mobilă;
2) membrana este nemagnetic ă, caz în care traductorul inductiv diferen țial
funcționează pe baza modific ării curenților Foucault ( vezi traductoare de proximitate).
Adaptări similare pot fi imaginate șj pentru celelalte tipuri de elemente sensibile
elastice.

62 c) Folosirea traductoarelor capacitive are la baz ă faptul că o armătură poate fi
chiar
membrana , care este fixat ă de un corp, prin intermediul unui inel izolator; p resupunând
că asupra ei ac ționeazăpresiunea p și în interior este vacuum, valoarea capacit ății va fi :
( )kp dApC
OO
−≈ε
A este suprafa ța traductorului, iar k – o constant ă.

Fig.5.8.Traductor complex de presiune cu traductor capacitiv.
Trebuie remarcat faptul c ă pentru aceste traductoare, mai ales la dimensiuni
mici, varia țiile de capacitate sunt reduse, pe când capacit ățile parazite pot fi deosebit de
importante, motiv pentru care sunt mai pu țin folosite in practic ă.
d) Folosirea traductoarelorelectrooptice este mai redusă în compara ție cu cele
prezentate anterior, de și ea poate fi avantajoas ă, deoarece permite eliminarea
contactului cu elementul sensibil elastic. Schema u nui asemenea traductor care poate
avea dimensiuni de ordinul milimetrilor, este preze ntată mai jos.

. Traductor complex de presiune cu traductoare elec trooptice.
Elementul sensibil elastic – membrana – reflect ă lumina adus ă printr-o fibr ă
optică de la o surs ă de lumină; lumina reflectat ă este preluat ă de către o altă fibră optică
și adusă, la fotodetectorul FD. La apari ția unei presiuni p, membrana se deformeaz ă și
produce dispersarea fasciculului de lumin ă, ceea ce va conduce la sc ăderea fluxului de
lumină ce ajunge la fotodetector. Metoda descris ă mai sus prezint ă avantajul c ă partea
electrică poate fi situat ă la distanță apreciabil ă de traductor, fapt ce permite reducerea
nivelului de perturba ții.

63 Ca dezavantaje pentru traductoarele complexe de pre siune cu traductoare electrooptiee
pot fi citate modificarea factorului de reflexie î n timp, precum și influența temperaturii
asupra caracteristicilor traductorului

Traductoare piezoelectrice de presiune

Deoarece chiar termenul de piezoelectricnats are la bază noțiunea de
presiune, este normal ca acest efect s ă stea la baza construirii unor traductoare pentru
măsurarea presiunii. Se pot folosi dou ă procedee de m ăsurare:
– folosirea efectului piezoelectric direct;
– dependenta frecventei proprii de rezonan ță de presiunea aplicat ă traductorului.
a) Traductoarele bazate pe efectul piezoelectric di rect se realizează fie în form ă
plană (rondele), fie în form ă cilindrică, din materiale piezoelectrice sau piezoceramice.
Presiunea maxim ă ce poate fi aplicat ă pastilelor din cuar ț este 9500 bar, iar pentru
materialele piezoceramice în jur de 8000 bar; valor ile de mai sus trebuie considerate ca
limite maxime, cele practice reprezentând doar 1/10 – l/20din valorile de mai sus în
funcție de interfa ța dintre pastil ă și electrod. Pentru a realiza un bun contact între
pastilă și electrod, paralelismul dintre suprafe țele lor trebuie s ă asigure o varia ție mai
mică decât 10 µm, iar planeitatea s ă aibă abateri mai mici de 1 µm, condiții asigurate
prin polizare fin ă. Orice neregularitate între cele dou ă suprafețe poate conduce la
apariția unor tensiuni mecanice mari, care s ă ducăla distrugerea materialelor
piezoelectrice.

Pentru a elimina eventualele goluri de aer care pot apare între rondelele
piezoelectrice și electrozi, ansamblul se pretensioneaz ă cu ajutorul unor resoarte;
această pretensionare are ca efect și îmbunătățirea liniarit ății traductorului, cât și
posibilitatea m ăsurării unor presiuni mai mici ca presiunea atmosferic ă. Trebuie amintit
însă faptul că această pretensionare de ordinul 500 – 1000 N depinde de temperatur ă,
ceea ce va produce erori suplimentare la modificare a temperaturii.
În vederea cre șterii sensibilit ății se pot folosi mai multe rondele; pentru
eliminarea efectelor datorate vibra țiilor ele se conecteaz ă astfel încât efectul presiunii
să se

Fig.5.11. Traductor piezoelectricde presiune.
însumeze, în timp ce efectul vibra țiilor să se anuleze (acest lucru este posibil dac ă în

64 interfață sunt doi electrozi separa ți galvanic între ei).
O formă constructiv ă mai avantajoas ă care permite cre șterea sarcinii și
simplificarea modului de conectare o reprezint ă traductorul cu elementul piezoelectric
în formă tubulară, metalizat atât în interior cât și in exterior. Aceste traductoare sunt
realizate de obicei din materiale ceramice (titanat de bariu, PZT etc.) și sunt
pretensionate din motivele ar ătate mai sus.
De observat c ă o asemenea structur ă permite realizarea r ăcirii prin circula ția unui jet de
apă prin traductor.
— Domeniul de m ăsurare este cuprins între 1 mbar și 1000 bari.
Sensibilitateatraductoarelor
piezoelectrice este cuprins ă între 0,05 pC/bar și 1 pC/bar, au o bun ă liniaritate, îns ă nu
pot fi utilizate decât în regim dinamic (eventual c vasistatic).

MĂSURAREA DEBITULUI

Măsurarea debitului este o problem ă legată de curgerea unui fluid; dac ă
curgerea este constant ă în funcție de timp, ea se nume ște curgere laminar ă , iar dacă
este variabil ă în timp este curgere turbulent ă. Pentru reducerea num ărului de parametri
ce caracterizeaz ă curgerea au fost introduse o serie de m ărimi specifice adimensionale;
astfel, pentru a caracteriza o curgere incompresibi lă,izotermă – ceea ce presupune ca
densitatea și temperatura s ă fie constante – este necesar ă cunoașterea numărului lui
Reynolds (Re) ce se calculeaz ă prin relația:

Re=uD/v

unde: u reprezint ă viteza caracteristic ă a fluidului printr-o conduct ă de diametru D, iar
v – vâscozitatea cinematic ă a fluidului definit ă ca raportul dintre vâscozitatea dinamic ă
și densitatea fluidului.
Dou ă curgeri pot fi considerate identice dac ă au același număr Reynolds; se
consideră că o curgere este laminar ă pentru Re <2200 și turbulentă în caz contrar.
Pentru curgeri mai complicate trebuie lua ți în cnsiderare și alți parametri ca
numărul lui Mach – (Ma) – egal cu raportul dintre vitez a de curgere și viteza de
propagare a sunetelor prin mediul respectiv etc.
De remarcat faptul c ă prezența traductorului în fluid poate influen ța curgerea
acestuia, în special la viteze mici de curgere.
Curgerea este caracterizat ă prin viteza de curgere, îns ă de cele mai multe ori în
tehnică intereseaz ă debitul. Debitul poate fi volumic Q v dacă se definește ca fiind

65 volumul ce trece printr-o sec țiune S a conductei în unitaea de timp:

Q v=V/t=uS [m3/s, m3/h, l/s]

sau debit masic Q m – reprezentând masa fluidului ce trece prin sec țiunea conductei în
unitatea de timp:

Q m=m/t= ρuS=ρQv [kg/s, kg/h]

unde: ρ este densitatea fluidului.
Atât la m ăsurarea vitezei, c ăt și a debitului prezint ă importanță caracteristicile
lichidului: caracterul curgerii, vâscozitatea, tran sparența, temperatura, con ținutul de
impurități, existența suspensiilor etc., caracteristici ce stabilesc me toda de măsurare.
Măsurarea debitului fluidelor se poate realiza ca urm are a modific ării curgerii
prin intermediul unui corp fizic sau prin intermedi ul unor fenomene care sunt
influențate de curgere.

DEBITMETRE CU STRANGULAREA SEC ȚIUNII

Func ționarea debitmetrelor cu strangularea sec țiunii se bazeaz ă pe legea lui
Bernoulli privind curgerea lichidelor; strangularea poate fi fix ă sau variabil ă. Principiul
de funcționare al debitmetrelor cu strangularea fix ă rezultă din fig.6.1. Prin conducta de
secțiune A 1 circulă un fluid cu viteza u 1; conducta este prev ăzută cu o strangulare de
arie A 2, în care viteza fluidului este u 2.

Considerând c ă fluidul este incompresibil, rezult ă că densitatea ρ va rămâne constant ă;
pentru curgerea de mai sus se poate scrie:

ρ(u12/2)+p 1=ρ(u22/2)+p 2

Ținând seama de faptul c ă debitul de volum este constant:

Q=A 1u1=A 2u2

se deduce:

66
( )2
22
12
2 12
22uAAp p u


+ − =ρ
Notând: m=A 2/A1 și α=l/(l-m2)1/2

se obține debitul de volum:

Q= αA2(2/ρ)1/2(p1-p2)1/2

și, respectiv, debitul masic:

Q m=αA2(2ρ)1/2(p1-p2)1/2

În realitate, deoarece curgerea este mai complex ă, în relațiile de mai sus se
introduc termeni de corec ție care depind de tipul fluidului utilizat, precum și de
dispozitivele de strangulare.
Cele mai r ăspândite tipuri de strangulare (fig.6.2.) sunt diaf ragma, duza și tubul
Venturi. Diferen ța de presiune p 1-p2, numită și cădere de presiune rezidual ă, este
maximă pentru diafragme și minimă pentru tuburile Venturi, îns ă ultimele perturb ă mai
puțin procesul de curgere.

Ca ordin de m ărime aceast ă presiune rezidual ă este cuprins ă între 1 și 20 mm
H2O, eroarea maxim ă putînd fi mai mic ă de 1%
Așa cum s-a ar ătat mai sus, datorit ă caracterului complex al curgerii, în func ția
de transfer a mijloacelor de m ăsurare ce introduc coeficien ți de corecție ce depind de
tipul dispozitivului de strangulare, felul curgerii , natura fluidului, rugozitatea pere ților,
vâscozitate, compresibilitate, temperatur ă etc.De obicei, ace ști coefiocien ți de corecție
se determin ă pe baza unor nomograme.
În comformitate cu expresiile debitului (6.8) și(6.9), circuitele de m ăsurare
trebuie să conțină blocuri de extragere a radicalului . Aceast ă cerință este rezolvat ă la
debitmetrele mecanice cu ajutorul unor dispozitive cu came, în timp ce pentru
debitmetrele electrice cu dispozitive de extragere a rădăcinii sau blocuri de calcul

67 numeric.

DEBITMETRE CU STRANGULARE VARIABIL Ă

Toate traductoarele folosite la debitmetrele cu st rangulare variabil ă sunt astfel
constituite încât p ăstrează constantă căderea de presiune prin intermediul unui plonjor
ce se poate deplasa în interiorul fluidului; ovaria ntă a acestui tip de traductor o
reprezintă rotametrul(fig.6.4). Plonjorul este plasat într-un tub de form ă conică prin
care circul ă fluidul al c ărui debit se m ăsoară. Asupra lui va ac ționa, în afara greut ății G
și a forței arhimedrice F a, o forță dinamică ascensional ă Fas care este propor țională cu
pătratul vitezei de curgere u.
Considerând curgerea sta ționară și notând cu ρ densitatea plonjorului șiV
volumul său, respectiv, ρo -densitatea lichidului, la echilibru se poate scri e:

g ρ0V+kρ0(Su2/2)=ρgV ,

unde:S este suprafa ța plonjorului de diametru d, iar k-coeficientul de antrenare datorat
curgerii.

Plonjorul se va plasa într-o zon ă de diametru D, care poate fi exprimat în func ție de
înălțimea h prin rela ția:

D=d+ah ,

unde a este un factor de propor ționalitate.
În condi țiile de mai sus, debitul masic Q poate fi exprimat prin relația:

Q=4/ π[(d+ah)2]{(2gV/kS)[( ρ/ρ0)-1]}1/2 ≈ π1/2ah{(2gV/kS)[( ρ/ρ0)-1]}1/2

de unde rezult ă că debitul este direct propor țional cu în ălțimea la care s-a plasat
plonjorul.

68 Domeniul de m ăsurare pentru aceste tipuri de debitmetre se situea ză între 10-4 și
200 m3/h în limitele Q max /Qmin=10, asigurând erori de ordinul procentelor.Trebuie
remarcat faptul c ă rotametrul introduce o rezisten ță la curgerea fluidului care pentru
unele aplica ții poate fi destul de important ă.
O variant ă constructiv ă a debitmetrelor cu strangulare variabil ă deosebit de
simplă, robustă și ieftină, o reprezint ă debitmetrul cu palet ă(fig.6.5); datorit ă curgerii
fluidului, asupra paletei ac ționează o forță dinamică ce o rotește în jurul articula ției,
rotire ce este pus ă în evidență printr-un traductor adecvat.

Traductorul are func ție de transfer neliniar ă și introduce o rezisten ță destul de
importantă în curgerea fluidului.

ALTE DEBITMETRE MECANICE

Deoarece prin curgerea fluidului se poate pune în m ișcare un sistem mecanic,
au fost concepute o serie de traductoare care trans formă deplasarea fluidului într-o
mișcare de rota ție; în acest sens se folosesc debitmetre cu cupe (î n special la m ăsurarea
debitului gazelor) și debitmetre cu turbin ă (elice). Ele sunt formate dintr-un ansamblu
ce pune în mi șcare sistemul cu cupe sau turbina, urmat de un trad uctor electric de
turații, debitul fiind propor țional cu viteza derota ție.
Aceste traductoare m ăsoară debitul volumic, iar etalonarea lor este
independent ă de fluid. Etalonarea lor se poate face în medii st aționare-aer sau ap ă în
care traductorul se deplaseaz ă cu viteză constantă. RaportulQ max/Qmin este de ordinul 5-
20 asigurând erori sub
1-2%.

DEBITMETRE ELECTROMAGNETICE

Debitmetrele electromagnetice m ăsoară viteza de deplasare a fluidelor bune
conductoare de electricitate, principiul lor de fun cționare bazându-se pe legea induc ției.
Schema de principiu a unui debitmetru electromagne tic este prezentat ă în fig.
6.6. Tubul nemagnetic prin care are loc curgerea li chidului cu vitez ă v este plasat în
câmp magnetic B realizat de c ătre un electromagnet alimentat cu tensiunea u. Din
cauza curgerii, în timpul de tranzit ∆t, între electrozi va lua na ștere o tensiune

69 electromotoare dat ă derelația:

e= -(d/dt)(v ∆t.d.B)

unde B este induc ția câmpului magnetic, perpendicular pe direc ția de curgere , iar d-
diametrul tubului. Deoarece tensiunea ob ținută este redus ă, de ordinul microvol ților,
pentru a se putea folosi detec ția sincronă se folosește un câmp magnetic alternativ B ;în
acest caz rela ția devine:

e= -v.d.Bsin ωt-v∆t.d.ω.Bcos ωt .

Din rela ția de mai sus se constat ă că tensiunea generat ă are două componente în
cuadratură; cu ajutorul detec ției sincrone se extrage doar prima component ă, realizând
în acest fel și o reducere a efectului perturba țiilor.
Întrucât se dore ște ca rezisten ța interioară a generatorului echivalent de tensiune s ă
fie redusă, este necesar ca lichidul s ă fie conductor, condi ție satisfăcută pentru lichidele
ce au conductivitate σ>10-2Ω-1m-1 (de exemplu, apele industriale satisfac aceast ă
cerință).
Condi ția de mai sus este necesar ă și pentru ca r ăspunsul circuitului s ă fie rapid,
adică constanta de timp RC s ă fie redusă.
Domeniul de m ăsurare al acestor traductoare este cuprins între 10 m/s cu erori de
ordinul 1% din domeniu și abând constanta de timp de circa 1 s.
Aceste debitmetre asigur ă o serie de avantaje, ca: m ăsurarea nu depinde de
caracteristicile fizice ale fluidului și nici de reparti ția de viteze; traductorul nu are piese
în mișcare și deci nu realizeaz ă pierderi de presiune. De asemenea, prin alegerea
corespunzătoare a materialelor componente, se poate asigura o rezistență sporită la
acțiunea agen ților chimici.

DEBITMETRE TERMOANEMOMETRICE

Principiul de func ționare a debitmetrelor termoanemometrice se bazeaz ă pe
fenomenul de transport de c ăldură de către fluidul ce curge. Elementul înc ălzitor, care

70 poate juca și rolul de traductor detemperatur ă îl reprezint ăun rezistor; în fig.6.7.a este
prezentată schema de principiu a unui debitmetru termoanemome tric. În interiorul
tubului în care are loc curgerea fluidului, sunt pl asate traductoarele de temperatur ă T1 și
T2 care măsoară temperatura înainte și după ieșirea fluidului din zona de înc ălzire a
rezistorului R plasat în interiorul sau exteriorul conductei. Izotermele ob ținute
(fig.6.7.b) au o form ă diferită în cazul în care fluidul este static sau se afl ă în stare de
curgere, de aici rezultând c ă diferența de temperatur ă sesizată de cele dou ă traductoare
poate constitui o m ăsură a debitului. Func ția celor dou ă traductoare poate

fi preluată de către rezistorul înc ălzitor obținându-se anemometrul cu fir cald .La aceste
anemometre, firul înc ălzitor, realizat din platin ă sau wolfram cu diametrul cuprins între
0,6 și 10 µm, plasat în lungul curgerii pe axul tubului, reali zează un schimb de c ăldură
prin convec ția fluidului, dac ă acesta se afl ă la temperatur ă constantă Ta ; puterea
termică schimbată are expresia:

P e=h.S(T-T a)
unde: h este coeficientul de schimb termic, S-supra fața laterală afirului, iar T-
temperatura acestuia. Valoarea coeficientului termi c se determin ă cu formula lui King:

h=a+bu1/2

unde a și b sunt constante ce depind dedimensiunile firului și de natura fluidului.
La echilibru termic, puterea disipat ă în rezistor R.I2 – unde I este curentul ce
trece prin rezistor, trebuie s ă fie egală cu puterea termic ă schimbată prin conven ție, de
unde rezult ă două posibilități de măsurare:
a) Montajul cu curent constant prezentat în fig.6. 8. este compus din firul
încălzitor alimentat de la sursa de tensiune E, curentu l fiind stabilit prin rezistorul
variabil R v . Căderea de tensiune de pe firul înc ălzitor este amplificat ă de
amplificatorul A și aplicată unui circuit de compensare a iner țieiCI. Dacă firul
încălzitor are o rezisten ță dependent ă detemperatur ă r(T) astfel încât r(T) << Rv, atunci
o variație a vitezei de curgere produce o modificare a tens iunii de ieșire e(t) conform
relației:

e(t)=A.I 0.r(T)=e ∞(1-exp(-t/ τ))

71
unde: A este amplificarea amplificatorului, τ- constantă de timp a circuitului termic, iar
e – valoarea tensiunii de la ie șirea amplificatorului la t →∞.

Dacă sondele se construiesc cu mai multe fire, orientat e diferit în spa țiu, se
poate realiza studiul fluctua țiilor de vitez ă. De asemenea, procesul de convec ție a
căldurii depinde de natura fluidului. Cea mai importa ntă sursă de erori rămâne însă
variația temperaturii fluidului care poate fi compensat ă folosind un traductor de
referință.
În ceea ce prive ște inerția termică și deci banda de frecven țe, pentru
anemometrele cu curent constant este de circa 102 Hz, în timp ce pentru cele cu
temperatur ă constantă este cu dou ă ordine de m ărime mai mare.
Termoanemometrele se folosesc de obicei pentru m ăsurarea vitezelor decurgere
a gazelor pân ă la 100 m/s; ele pot fi folosite și în alte aplica ții, ca de exemplu, la
măsurarea vitezei vapoarelor.

DEBITMETRE ULTRASONORE

Funcționarea debitmetrelor ultrasonore se bazeaz ă pe fenomenele depropagare și de
transport a undelor de c ătre fluidele aflate în mi șcare.
Acelea și principii pot fi folosite și pentru alte radia ții, cum ar fi cele luminoase,
sursa de radia ții fiind în acest caz laserul – de unde denumirea d e debitmetru cu laser.
Exist ă două tipuri de debitmetre ultrasonore – unul la care se măsoară timpul de
tranzit și cel de-al doilea, la care se pune în eviden ță efectul Doppler. În fig 6.11.se
prezintă schema bloc a unui debitmetru cu ultrasunete. Cele două traductoare de
ultras
unete
T1 și
T2 ,
plasa
te
axial
în

72 tubul prin care curge fluidul cu viteza u, primesc simultan un impuls electric de la
generatoarele de impulsuri GI 1 șiGI 2 pe care le transform ă în impulsuri ultrasonore;
secvența de măsurare este stabilit ă de oscilatorul pilot QP care are și rolul bloc ării
amplificatoarelor A 1 și A2 pe durata emisiei.

După terminarea emisiei, traductoarele trec în regim de recepție, semnalul de la ie șirea
acestora fiind amplificat de cele dou ă amplificatoare derecep ție A 1 și A2,
amplificatoare ce au și rolul de formatoare de impulsuri. Semnele astfel obținute
realizează comanda START-STOP pentru num ărătorul N, cu ajutorul circuitului
basculant bistabil CBB și a porții ȘI; în intervalul detimp astfel stabilit sunt num ărate
impulsurile provenite de la oscilatorul etalon, car e stabilește scara și rezoluția
măsurării. Conținutul num ărătorului este transmis blocului de afi șare A f.
Considerând c ă ultrasunetele se propag ă în fluidul care curge cu viteza u, cu
viteza de propagare c, are loc un fenomen de transp ort al undei de c ătre fluid; astfel,
timpii de propagare pentru undele ultrasonore trans mise de cele dou ă traductoare vor fi:

t 12=d/(c+u) și t 12=d/(c-u)

de unde rezult ă că:

∆t=t21-t12=[2d/(c2-u2)]u≈ (2d/c2)u

în ipoteza c ă c >> u
Dac ă direcția de propagare a ultrasunetelor nu coincide cu dir ecția de curgere,
viteza de transport a undei va fi de forma c + ,-uc osα, unde α este unghiul dintre
vitezele u și c. Trebuie remarcat faptul c ă în realitate se m ăsoară o viteză medie:
D/2
U m=2/D(∫u(r)dr)
0
unde D reprezint ă diametrul tubului, iar r- raza vectoare a acestuia .
Deoarece în rela ția (6.22) intervine viteza de propagare a ultrasune telor care

73 depinde de o serie de parametri exteriori, exist ă posibilități de procesare care s ă elimine
această mărime;astfel dac ă se calculeaz ă:

(t 2-t1)/(t2+t1)=2u/d

se obține o expresie ce nu depinde de c.
Deasemenea, considerând:

f 1=(c+u)/d și f 2=(c-u)/d ,

se observă că:

∆f=f1-f2=2u/d .

Metodele descrise mai sus permit m ăsurarea unor debite cuprinse între 0,1 și
105 m3/h pentru diametre ale conductelor începând de la c âțiva mm pân ă la ordinul
metrilor, erorile de m ăsurare fiind sub 1%. Trebuie amintit faptul c ă bulele sau
particulele existente în fluid pot produce reflexii suplimentare, precum și împrăștierea
fasciculului, pe de alt ă parte, prin realizarea de reflexii multiple, se m ărește distanța
parcursă de fasciculul de ultrasunete, permi țând și creșterea rezolu ției.
Metoda de m ăsurare cu ultrasunete poate fi folosit ă și prin punerea în eviden ță a
efectului Doppler; impulsul de ultrasunete având fr ecvența f0 este reflectat de
particulele con ținute în fluid. Deoarece aceste particule sunt antr enate cu viteza u a
fluidului, impulsul recep ționat va con ține un semnal cu frecven ța modificat ă.
Întra-dev ăr, considerând c ă sursa A se deplaseaz ă cu viteza u s, iar receptorul B
cu viteza u și perioada semnalului emis de sursa din A 0 egală cu T 0, la momentul t=0 ,
acesta va fi
recepționat de receptorul din B 0 după timpul:

t' 0=l/(c-u) .

Dup ă o perioadă T0, sursas-a deplasat în A 1 cu AA 1= u sT0 , iar semnalul ajunge
la receptor în momentul:

t' 1=[l+(c-u s)T0]/(c-u)

74
rezultă că pentru receptor perioada va fi:

T r=t'1-t'0=(c-u s)T0/(c-u)

sau considerând frecven ța semnalelor:

f r=(c-u)f 0/(c-u s)

unde:f 0 reprezintă frecvența semnalului emis, iar f r – frecvența semnalului recep ționat.
În practică emițătorul este fix ( u s = 0), rezultând c ă diferența de frecven ță între
semnalul emis și cel recepționat va fi:

∆f=f0-fr=f0u/c

Aceast ă deviație de frecven ță se poate pune în eviden ță cu un mixer urmat de
un filtru trece-jos.
Metoda bazat ă pe efectul Doppler se folose ște pentru m ăsurarea vitezelor de
până la
1-10m/s, limita inferioar ă fiind de circa 0,1 m/s, eroarea de m ăsurare nedep ășind 2%.
Avantajele metodelor cu ultrasunete constau în fapt ul că nu perturb ă procesul de
curgere și sunt insensibile la natura fluidului; principalul dezavantaj apare atunci când
măsurarea depinde de viteza de propagare a ultrasunet elor, care va trebui s ă fie
cunoscută(viteza de propagare depinde de temperatur ă, ceea ce poate s ă conducă la
erori suplimentare).

ALTE METODE DE M ĂSURARE A DEBITULUI

Măsurarea debitului se poate face și folosind unele fenomene mai deosebite
care însoțesc procesul de curgere; astfel, dac ă se plaseaz ă o bară perpendicular pe
direcția de curgere, fluidul având peste o anumit ă valoare a num ărului Reynolds, se
produc o serie de turbioane deo parte și de cealalt ă a barei. Frecven ța de producere a
acestor turbioane este invers propor țională cu viteza de curgere. Prin urmare, folosind
traductoare adecvate
(capacitive de presiune sau cu fir cald) se poate d etermina frecven ța turbioanelor, care
constitue o m ăsură a debitului.
O alt ă categorie de debitmetre, numite cu turbioane axial e, se bazeaz ă pe
generarea unor turbioane cu ajutorul unui dispoziti v special, turbioane ce intr ă în
oscilație cu o frecven ță ce depinde de viteza de curgere a fluidului; sesiz area frecven ței
de oscilație se face cu ajutorul unor traductoare piezoelectr ice.
Func ționarea debitmetrelor masice bazate pe for țele Coriolis folosesc urm ătorul
principiu al mecanicii: pentru o mas ă ce se deplaseaz ă cu o anumit ă viteză și care
execută și o mișcare de rota ție, asupra ei ia na ștere o forță numită forță Coriolis. În

75 cadrul acestor debitmetre, fluidul care reprezint ă masa în mi șcare – trece prinr-un tub în
formă de U care este pus în oscila ție. Datorită forțelor Coriolis ce apar în cele dou ă
brațe ale tubului, ia na ștere un moment de torsiune ce produce rotirea tubul ui, rotire ce
se măsoară cu ajutorul unor traductoare adecvate. Asemenea de bitmetre au domeniul
de măsurare cuprins între kg/h și t/h, cu erori sub 0,5%.
Pentru unele aplica ții speciale, cum ar fi: m ăsurarea debitelor la temperaturi sau
presiuni înalte, ori pentru fluidele deosebit de co rozive se folosesc uneori metode
bazate pe marcarea fluidului care curge prin ioniza re (se folose ște în cazul gazelor –
marcarea f ăcându-se cu ajutorul unui eclator) sau prin introdu cerea unor substan țe
radioactive ( 85Kr pentru gaze sau 24Na pentru lichide ); fluidele, marcate la un moment
dat în amonte de locul detec ției, parcurg o distan ță cunoscută într-un anumit interval de
timp, pe baza c ăruia se determin ă debitul.

MĂSURAREA NIVELULUI

Măsurarea nivelului în recipien ți este deosebit de important ă pentru multe
procese tehnologice, cât și în ceea ce prive ște evaluarea stocurilor existente și se
realizează pentru lichide, suspensii, pulberi sau granule.
În procesul de m ăsurare a nivelului pot apare o serie de probleme sp eciale, ca
de exemplu: vase speciale sub presiune sau la tempe raturi înalte, prezen ța spumei la
suprafața exterioar ă, corozitatea substan țelor folosite, etc. M ăsurarea poate fi continu ă,
atunci când evaluarea m ăsurandului se face în permanen ță sau în puncte, atunci când se
urmărește doar atingerea unor nivele critice ale nivelului .
Metodele de m ăsurare pot fi directe în cazul în care se determin ă lungimea
substanței a cărei nivel se m ăsoară sau indirecte, când nivelul se determin ă prin
intermediul unor m ărimi intermediare, ca: presiunea, masa, atenuarea u nei radiații, etc.
Trebuie observat c ă măsurarea nivelului nu presupune inclusiv determinare a volumului
sau a masei de substan ță, ele putând fi calculate numai dac ă sunt cunoscute unele date
suplimentare privind rela ția nivel – volum, eventual, densitatea.
În principiu, metodele de m ăsurare a nivelului deriv ă din metodele de m ăsurare
a altor mărimi, ele fiind doar adaptate m ăsurării nivelului; în continuare vor fi
prezentate sistematizat principalele metode de m ăsurare a nivelului.

METODE BAZATE PE PROPRIET ĂȚILE ELECTRICE DE MATERIAL

O prim ă distincție, care trebuie f ăcută în cazul m ăsurării nivelului, este aceea c ă
unele materiale sunt dielectrice, iar altele sunt m ateriale conductoare, rezultând metode
de măsurare diferite.
Pentru materialele dielectrice, m ăsurarea nivelului se poate face cu ajutorul
metodelor capacitive (fig.7.1.).Într-un vas metalic este plasat central un electrod
metalic eventual prev ăzut cu un înveli ș izolator (teflon); dac ă înălțimea vasului este h,
iar a lichidului x, capacitatea total ă între electrodul central și vas va fi:

C t=C2+C1

76
C 1=[2πε0/ln(D/d)] εra(h-x)

C 2=[2πε0/ln(D/d)] εrx

C 0=[2πε0/ln(D/d)] εrah

C t=C0+C0(εr-1)x/r

εra≅1 – permitivitatea relativ ă a aerului
εr – permitivitatea relativ ă a lichidului
C0 – capacitatea condensatorului format între per etele interior al vasului și electrodul
central (de diametru d), pe lungimea h când rezervo rul este gol.

Pentru materialele conductoare care au conductivit atea σ>10-2S/m se folose ște
metoda prezentat ă în fig. 7.2. Rezistorul R este plasat în interioru l vasului metalic pe
toată înălțimea

acestuia, lichidul conductor șuntează o porțiune a rezisten ței, astfel încât rezisten ța
totală din circuit devine:

77 R(x)=R 1+R2=[R 0(h-x)/h]+(R 0r(x)x)/(R 0x+r(x)h).

unde r(x) reprezint ă rezistența echivalent ă a lichidului.
Principalul dezavantaj al metodei const ă în faptul c ă σ depinde de natura
lichidului, cât și de temperatur ă.
O variant ă îmbunătățită a acestei metode const ă în folosirea unui rezistor cu
bandă elastică (fig.7.3.).
Rezisten ța bobinată este introdus ă într-o teac ă ce conține o band ă elastică
conductoare care se deformeaz ă sub acțiunea presiunii lichidului, scurtcircuitând o
parte din spire.

Metodele descrise mai sus
permit măsurarea nivelului
până la 1-2m.

METODE BAZATE PE FOR ȚA ARHIMEDIC Ă

Metodele bazate pe for ța arhimedic ă pot fi folosite numai pentru lichide; ele pot
fi clasificate în: metode de m ăsurare cu plutitor și metode de m ăsurare cu imersor. În
fig.7.4 este prezentat ă o metodă de măsurare a nivelului cu plutitor.
Plutitorul, aflat în permanen ță la suprafața lichidului, este legat printr-un fir ce
trece peste un tambur la o contragreutate; pozi ția relativă a tamburului d ă indicații
referitoare la nivelul lichidului. De remarcat c ă metoda poate fi folosit ă și în cazul
măsurării nivelului pulberilor sau granulelor, dac ă în cadrul metodei ce urm ărește
tensiunea din firul de suspendare, iar o schem ă adecvată menține tensiunea din fir la o
anumită valoare.
O metod ă bazată propriu-zis pe for ța arhimedic ă este cea în care se folose ște un
imersor (fig.7.5). Imersorul par țial introdus în fir este suspendat prin intermediul unui
resort; la echilibru, se poate scrie:

F e+Fa=G,

unde: F e reprezintă forța elastică a resortului, F a forța arhimedic ă, iar G greutatea
imersorului. Explicitând, se ob ține:

78 ∆x=(gm/k)[1-(x ρ1/hρ)],

unde: ∆x este deformarea resortului fa ță de poziția de echilibru, k constanta elastic ă a
resortului, m masa inversorului, g accelera ția gravitațională, x nivelul de fluid, h
înălțimea imersorului/vasului, ρ1 densitatea lichidului, iar ρ densitatea imersorului.
Trebuie observat c ă în acest caz se poate foarte u șor adapta o balan ță de forțe.
Metoda poate fi folosit ă dacă se cunoaște densitatea lichidului; principala surs ă de erori
o reprezint ă dependența densității de temperatur ă, însă aceste erori pot fi compensate.

METODE BAZATE PE M ĂSURAREA PRESIUNII

Determinarea nivelului cu ajutorul metodelor bazate pe măsurarea presiunii
constă în stabilirea presiunii hidrostatice a coloanei de lichid cu ajutorul rela ției:

∆p=ρgh

unde: ∆p reprezint ă diferența de presiune dintre presiunea de deasupra lichidul ui și
presiunea de la baza acestuia, ρ densitatea lichidului, g accelera ția gravitațională, iar h
înălțimea coloanei de lichid. A șa cum rezult ă din relația de mai sus, metoda permite
determinarea presiunii și pentru recipien ții aflați sub presiune, cu condi ția ca măsurarea
presiunii să se facă diferențial. Dacă se folosește pentru m ăsurarea diferen ței de
presiune un traductor cu balan ță de forțe, eroarea de m ăsurare poate fi mai mic ă de 1%.

METODE CU RADIA ȚII

Determinarea nivelului cu ajutorul radia țiilor este deosebit de avantajoas ă,
deoarece folose ște metode de m ăsurare fără contact. Aceste metode pot fi folosite în
condiții speciale, ca: recipiente sub presiune sau la tem peraturi înalte, medii deosebit de
corozive sau periculoase, etc. De multe ori metodel e cu radiații pot fi folosite f ără a se

79 interveni asupra recipientului deoarece radia țiile pot vedea prin pere ții vasului.
Dup ă natura radia țiilor folosite, nivelmetrele se pot clasifica în:
a)Nivelmetre cu ultrasunete, asem ănătoare aparatelor de m ăsurat grosimi cu
ultrasunete, pot fi realizate în mai multe variante (fig.7.6).
Astfel, ele pot func ționa în und ă continuă, dacă traductoarele de ultrasunete
funcționează continuu, sau în impuls. De asemenea, se pot folos i metode prin
transmisie – caz în care obligatoriu se folosesc do uă traductoare sau prin reflexie, când
același traductor poate fi folosit atât ca emi țător, cât și ca receptor.

În practică, cel mai frecvent sunt folosite metodele în impuls , existând posibilitatea de
măsurare fie a coloanei de lichid (traductoarele 1 și 2 la metoda transmisiei,
traductoarele 1 sau 2 la metoda reflexiei), fie a c oloanei de aer de deasupra lichidului
(traductoarele 2 și 3 la metoda transmisiei și traductoarele 2 sau 3 la metoda reflexiei).
Metodele de transmisie sunt mai pu țin avantajoase deoarece presupun montarea
traductorului 2 pe un plutitor, precum și legarea acestuia în circuitul de m ăsurare; ele
pot fi însă avantajoase când la suprafa ța lichidului se formeaz ă spumă care poate
deveni o surs ă importantă de erori.
Deoarece atenuarea ultrasunetelor prin lichide est e de obicei mai mic ă decât în
aer, iar impedan ța acustică a traductoarelor de ultrasunete poate fi mai u șor adaptată la
lichide, se prefer ă de obicei metoda reflexiei cu traductorul plasat î n poziția 1; prezen ța
unor curen ți în lichid poate conduce la fenomene de transport a undei acustice; de
asemenea, metoda nu poate fi folosit ă la măsurarea nivelului granulelor sau pulberilor,
când se recomand ă folosirea metodei reflexiei cu traductorul în pozi ția 3.
O aten ție deosebit ă trebuie acordat ă posibilității apariției unor reflexii
suplimentare, motiv pentru care traductoarele folos ite trebuie s ă asigure o bun ă
directivitate.
Deoarece determinarea nivelului se face prin inter mediul vitezei de propagare a
ultrasunetelor, din cauza dependen ței acesteia de temperatur ă, este necesar s ă se facă o
corecție; în fig.7.7 este prezentat un circuit de corec ție a vitezei de propagare în func ție
de temperatur ă prin intermediul unui convertor tensiune – frecven ță care reprezint ă
oscilatorul pilot pentru m ăsurarea intervalului de timp între impulsul emis și cel
recepționat.

80

Tensiuneade la ie șirea amplificatorului opera țional are expresia:

U 0=U ref[(R(θ)+R 0)/R]

tensiunea ce va fi convertit ă în frecven ță de convertorul tensiune – frecven ță CUF;
ținând seama c ă dependența vitezei de propagare a ultrasunetelor în aer este de forma:

c=331,5+0,6 ∆θ

unde temperatura ∆θ este dată în grade Celsius, rezult ă:

f=kU 0=(kU ref/R)[ R( θ0)+R 0+ R(θ0)α∆θ].

Conform expresiei de mai sus, alegând convenabil t raductorul de temperatur ă
R(θ) și rezistorul R 0 se poate realiza u șor dependen ța de temperatur ă conform rela ției
(7.7).
Domeniu de m ăsurare a nivelului este cuprins între10 și 30 m. Frecven ța de
lucru a traductoarelor de ultrasunete este de obice i cuprinsă între 20 și40 kHz,mai rar în
afara acestui interval, din aceast ă cauză apărând probleme la m ăsurarea nivelelor mici.
Erorile de m ăsurare sunt de regul ă sub 1% din domeniul de m ăsurare.
b)Nivelmetrele cu microunde au la baz ă faptul că materialele conductoare
reflectă microundele, în timp ce materialele dielectrice le atenuează. Principiul de
măsurare pentru materialele conductoare este prezenta t în fig.7.8.

Un emițător de microunde E
transmite prinintermediul
antenei de emisie AE un
fascicol de microunde spre
lichidul conductor, de
unde acesta se reflectă și este
captat de antena de recep ție
AR și transmis receptorului R.

81 Timpul de tranzit al impulsului de microunde reprez intă o măsură a distanței până la
suprafața de separare.
Deoarece viteza de propagare este foarte mare (pra ctic viteza luminii),
intervalul de timp m ăsurat este redus, ceea ce face ca erorile de m ăsurare să nu poată fi
mai mici de 1-2%.

TRADUCTOARE DE TEMPERATUR Ă
Generalități; clasificări

Temperatura reprezint ă una dintre m ărimile cele mai frecvent m ăsurate ăn
numeroase domenii datorit ă faptului că în majoritatea proceselor fizice, chimice,
biologice, naturale sau artificiale, intervin fenom ene de natur ă termică. Se apreciaz ă că
în aplicațiile industriale, în medie, 50% din totalul punctel or de măsurare și peste 20%
din cel al buclelor de reglare au ca obiect tempera tura sau alte m ărimi termice.
Supravegherea și/sau reglarea temperaturii pot fi întâlnite practi c în toate
ramurile industriale, principalele scopuri fiind op timizarea fluxurilor termice în
procesele tehnologice, întocmirea bilan țurilor de energie termic ă, evaluarea și
reducerea pierderilor prin transfer de c ăldură, asigurarea și menținerea anumitor
condiții climatice în fazele de produc ție, depozitare sau transport etc.
Valorile temperaturilor care trbuie m ăsurate variaz ă în limite largi de la -200 °C
până la 3000-3500 °C. Totodat ă este demn de subliniat faptul c ă, dat fiind implica țiile
tehnico-economice deosebite, m ăsurările trebuie efectuate cu precizie ridicat ă și
mijloacele de m ăsurare utilizate s ă nu exercite influen țe nedorite asupra proceselor
respective. Mediile ale c ăror temperaturi se m ăsoară se pot afla în oricare dintr cele trei
stări de agregare posibile. Pot astfel s ă apară situații foarte variate, de exemplu
măsurarea temperaturii unor fluide sau chiar solide î n mișcare, măsurări de temperaturi
locale sau pe suprafe țe mari, în zone și la distanțe ușor accesibile sau dimpotriv ă.
O prim ă clasificare a traductoarelor de temperatur ă, bazată pe modul în care
elementul sensibil preia energia de la mediul a c ărui temperatur ă se măsoară, permite
să se distingă două mari categorii:
a)traductoare de temperatur ă cu contact;
b)traductoare de temperatur ă fără contact.
-În cazul primei categorii elementul sesibil se af lă în contact direct cu mediul,
preluarea energiei termice efectuându-se prin condu ctibilitate sau
convecție.Traductoarele de temperatur ă cu contact reprezint ă categoria cea mai
frecvent utilizat ă în domeniul -200 °C-1600 °C. Problema cea mai important ă,din puncul
de vedere al preciziei, este aceea a influen ței pe care o exercit ă introducerea
elementului sensibil asupra câmpului de temperatur ă existent în mediul de m ăsurat. Un
alt aspect care trebuie avut în vedere este cel ref eritor la regimul dinamic al
traductoarelor de temperatur ă cu contact. Transferul de c ăldură de la mediul de m ăsurat
la elementul sensibil necesit ă un anumit timp, de dorit cât mai redus, pân ă la echilibru
termic. Constantele de timp caracteristice acestor traductoare sunt sensibil mai mari
decât ale traductoarelor pentru alte m ărimi și ele reprezint ă un indicator de performan ță
esențial în proiectarea sistemelor de reglare (mai ales în cazul fliudelor care curg prin
conducte). De asemenea trebuie relevat ă necesitatea unor mijloace de protec ție a

82 elementului sensibil la imersia acestuia în medii c orozive, metale topite etc.
-Pentru temperaturi mai ridicate, pân ă la 3000-3500 °C, la măsurarea
temperaturii pe suprafe țe, sau în cazul unor obiecte în mi șcare, sunt întrebuin țate
traductoarele de temperatur ă fără contact care func ționează pe baza radia țiilor emise de
corpurile aflate la temperaturi ridicate. Elementul sensibil, situat în afara mediului a
cărei temperatur ă se măsoară, are capacitatea de a detecta, la o distan ță convenabil ă,
energia radiant ă pe o anumit ă lungime de und ă (radianța monocromatic ă) sau pe întreg
spectrul de radia ție (radianța totală). Dificultățile principale constau în realizarea unor
elemente sensibile capabile s ă funcționeze cu energii preluate foarte reduse și în
asigurarea unei transmisii adecvate a radia ției emise; în schimb ele nu mai ridic ă
problemele privitoare la regimul dinamic și de protejare împotriva agresivit ății
mediului men ționate la cele cu contact. Traductoarele de tempera tură fără contact, fiind
folosite la temperaturi înalte, se mai numesc și de tip pirometric.
Perfec ționarea elementelor sensibile a permis extinderea u tilizării traductoarelor
fără contact și la temperaturi relativ joase adic ă începând de la 100-200 °C.

TERMOMETRIE REZISTIV Ă

Termorezistoare metalice

Se demonstreaz ă că pentru metale rezistivitatea este direct propor țională cu
temperatura.Din cauza dilat ării rețelei cristaline și ,respectiv,a modific ării energiei
electronilor, în realitate dependen ța de temperatur ă este neliniar ă,astfel încât rezisten ța
poate fi aproximat ă polinomial :
R T = R To (1 +A * ∆T +B * ∆T2 +C * ∆T3 +…..)
unde R To reprezintă valoarea rezisten ței la temperatura de referin ță To.
Prezen ța impurităților în metale cre ște numărul de coliziuni ale electronilor,
conducând
și la creșterea rezistivit ății ; la temperaturi nu prea înalte, termenul coresp unzător
rezistivității
proprii metalului este comparabil cu termenul cores punzător rezistivit ății datorat
impurităților,
ceea ce conduce la sc ăderea sensibilit ății. Din acest motiv , la construirea
termorezistoarelor
metalice se folosesc numai metale cu puritate ridic ată.
Criteriile privind alegerea metalelor din care se confecționează
termorezistoarele sunt :
– rezistivitate mare pentru ob ținerea unor traductoare de dimensiuni reduse ;
– coeficient de varia ție a rezistivit ății cu temperatura ridicat pentru a avea o
sensibilitate ridicat ă;
-o bun ă liniaritate a caracteristicii de transfer pentru a nu necesita circuite de
liniarizare suplimentare;
– asigurarea unei purit ăți cât mai ridicate pentru reproductibilitate;
– stabilitate în timp și la acțiunea agen ților chimici;
-pre țul de cost cât mai sc ăzut.

83 Îndeplinirea simultan ă a condițiilor de mai sus nu poate fi îndeplinit ă ; în
prezent ca materiale pentru realizarea termorezisto arelor metalice se folosesc : platina,
nichelul, cuprul și wolframul.
Dintre metalele enumerate, platina se apropie cel mai mult de cerin țele
enumerate, cu excep ția prețului de cost; platina poate fi realizat ă cu o puritate de
99,999 % , de unde rezult ă o bună reproductibilitate, este inactiv ă chimic și nu prezint ă
modificări cristaline în timp.
Termorezitoarele din platin ă se folosesc în intervalul de temperatur ă ( -180 o C…+ 600
o C), eventual extins între – 200 și + 1000 o C.
Termorezistoarele dn platin ă se folosesc ca etaloane de temperatur ă înintervalul
cuprins între 0 și 600 oC.
Deși prezintă o sensibilitate mai ridicat ă decât a platinei, nichelul este mai pu țin
folosit la construc ția termorezistoarelor atât din cauza oxid ării la temperaturi ridicate,
cât și din cauza unei tranzi ții cristaline ce are loc la 350 oC care modific ă puternic
rezistivitatea.
Termorezistoarele din nichel se folosesc în domeni ul – 100 oC….+250 oC,
principalul lor dezavantaj fiind legat de neliniari tatea pe care o prezint ă.
O liniaritate foarte bun ă și o mare sensibilitate o au termorezistoarele din c upru,
însă domeniul lor de m ăsurare se limiteaz ă la intervalul – 50 oC…+180 oC din cauza
activității chimice pronun țate; un alt dezavantaj este datorat rezistivit ății reduse care
conduce la gabarite și greutăți mari ale traductorului.
Deși wolframul are o sensibilitate și o liniaritate superioar ă platinei, este relativ
puțin folosit la construc ția termorezistoarelor,datorit ă modificărilor pe care le sufer ă
structura cristalin ă în timp.
Rezisten ța nominală a termorezistoarelor metalice la 0 oC poate fi
25,50,100,500 sau 1000 Ω, ultimele fiind folosite în special pentru tempera turi joase;
pentru a reduce influen ța conductoarelor de leg ătură, ele se construiesc în variante cu 3
sau 4 borne de conectare.
Constructiv, termorezitoarele trebuie s ă asigure protec ția la acțiunea agen ților
exteriori, preluarea rapid ă a temperaturilor mediului în care sunt introduse,s ă nu fie
influențate de fenomenele de dilatare și să permită măsurarea atât în curent continuu,
cât și în curent alternativ.
Forma constructiv ă cea mai răspândită este prezentat ă în fig. 8.1. Pe un suport izolator,
realizat de obicei din dou ă plăci din mică în formă de cruce, se realizeaz ă o înfășurare
neinductiv ă dublu elicoidal ă. Aceasta se realizeaz ă spiralând ini țial conductorul cu
spire de 1 -2 mm în diametru, dup ă care se înf ășoară pe suport câte dou ă spire,
începând din vârf, cu mijloculconductorului.Aceast ă construcție nu este afectat ă de
fenomenele de dilatare.Întreaga înf ășurare este introdus ă într-un tub de protec ție închis
la un capăt și terminat la cel ălalt capăt cu o cutie de fixare și o cutie în care se g ăsește
blocul bornelor.

84

Timpul de r ăspuns al acestorr traductoare este de ordinul secun delor în ap ă și de
ordinul zecilor de secunde în aer.
La termorezistoarele din platin ă firul are diametrul de ordinul zecilor de
microni și o
lungime de câ țiva zeci de centimetrii; firele de leg ătură de la termorezistor la blocul de
borne sunt din nichel cu diametru mult mai mare pen tru ca varia ția rezistenței acestora
cu temperatura s ă fie neglijabil ă.
O alt ă variantă constructiv ă se poate realiza prin depunere ; astfel pe o plac ă din
aluminiu oxidat ă se depune un film din platin ă, obținându-se un termorezistor cu o
inerție de câteva ori mai mic ă decât la varianta precedent ă, însă cu o scădere a
sensibilității cu cca. 50%.
În practic ă , se mai folosesc sonde termorezistive de suprafa ță, asemănătoare
mărcilor tensometrice,confec ționate din nichel sau aliaje din feronichel ; iner ția lor
termică este redus ă ( de ordinul milisecundelor), îns ă sunt sensibile și la deforma ții.
Leagrea termorezisten țelor la circuitele de m ăsurare se face printr-o linie
bifilară sau coaxial ă cu rezisten ța totală a conductoarelor de 10 sau 20 Ω ( dacă
rezistența conductoarelor este mai mic ă se introduc rezisten țe bobinate de egalizare
pentru compensarea diferen ței).

TERMOREZISTOARE SEMICONDUCTOARE

Cea mai mare r ăspândire o au termistoarele care realizeaz ă sensibilități mai
mari cu circa un ordin de m ărime decât temorezistoarele metalice.Ele sunt reali zate din
amestecuri de oxizi metalici sau s ăruri cu lian ți ,supuse apoi unor procese de
sinterizare.Au forme miniaturale de discuri, cilind rii, perle, permi țând măsurarea
cvasipunctual ă a temperaturii, cu o vitez ă de răspuns ce poate fi de ordinul
milisecundelor.
Domeniul de m ăsurare se poate întinde de la – 200 oC până la circa 400 oC ,dar
sunt sensibile la șocuri termice care pot distruge materialul protecto r și au toleran țe de
ordinul 10 % ceea ce face dificil ă operația de interșanjabilitate.
În func ție de natura materialelor utilizate la construc ția termistoarelor, acestea

85 pot avea coeficient de varia ție al rezistivit ății negativ – numite termistoare NTC ( engl.
Negative Temperature Coefficient ) sau pozitiv – nu mite termistoare PTC engl.Positive
Temperature Coefficient ). Ca traductoare de temper atură se folosesc de obicei
termistoarele NTC.
S-a demonstrat c ă dependența rezistenței termistoarelor în func ție de
temperatur ă poate fi exprimat ă printr-o rela ție de forma :

R(T) = A exp ( B/T)

unde: T reprezint ă temperatura absolut ă, iar A și B sunt constante ce depind de forma
constructiv ă și natura materialului.Pentru aplica ții practice se prefer ă o formulă ce
derivă din relația de mai sus în care apare valoarea reziten ței termistorului R( T o) la
temperatura de referin ță To :

R(T) =R( T o) exp B(1/T-1/T o)

Ca temperatur ă de referință pentru termistoare se consider ă în majoritatea
cataloagelor 25 oC, iar B este o constant ă de material. Fig. 8.5.a reprezint ă dependența
rezistenței termistorului în func ție de temperatur ă pentru putere disipat ă zero; aceast ă
caracteristic ă se poate ob ține în practic ă numai prin extrapolare.
Dac ă puterea disipat ă de termistor este diferit ă de zero, din cauza înc ălzirii
proprii, rezisten ța termistorului se modific ă..
Din caracteristica R(T) rezult ă că sensibilitatea termistoarelor este variabil ă,
crescând o dat ă cu scăderea temperaturii.Pentru anumite intervale de m ăsurare este
posibil să se liniarizeze caracteristica de transfer conectân d rezistențe suplimentare în
serie, paralel sau serie – paralel.Orice liniarizar e realizată cu rezisten țe sau alte
dispozitive electronice duce la sc ăderea sensibilit ății.
Rezisten ța nominală a termistoarelor la 25 oC poate cuprins ă între sute de ohmi
și sute de kiloohmi.Deoarece varia ția rezistenței eset foarte rapid ă, o atenție deosebit ă
trebuie acordat ă circuitului de m ăsuare, asfel încât înc ălzirea proprie s ă fie neglijabil ă
în orice condi ții.
Schemele de m ăsurare sunt similare cu cele de la termorezistoarel e metalice, cu
diferența că valoarea curentului prin termistoare este de obice i de ordinul zecilor de
µA.Datorită sensibilității lor foarte mari, termistoarele sunt indicate la măsurarea
diferențială a temperaturii, atingând rezolu ții de ordinul 0,01 oC.

TRADUCTOARE CU DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE ACTI VE

Inițial , materialele semiconductoare au fost folosite la construc ția
traductoarelor pentru m ăsurarea temperaturilor foarte joase ( germaniul pen tru
măsurarea temperaturilor cuprinse
între 1 și 35 K, respectiv carbonul pentru m ăsurarea temperaturilor mai mici de 20 K ).
Datorită dezvoltării tehnologiei traductoarelor integrate, momentan se folosește siliciul,
dopat cu impurit ăți de tip " n ". Termistoarele de siliciu au o dispe rsie sub 1%, ceea ce
le asigură

86 interșanjabilitatea și o stabilitate bun ă în intervalul de valori -50 oC ….+120 oC.
Utilizarea dispozitivelor semiconductoare active ca traductoare pentru
măsurarea
temperaturii se bazeaz ă pe dependen ța caracteristicilor acestora de temperatur ă.
La diodele semiconductoare, dependen ța curentului de tensiunea de polarizare
este:

I = I o ( exp qU/kT – 1)

q – sarcina eletronului, k – constanta lui Boltzman n, T – temperatura absolut ă, Uo –
diferența de
potențial corespunz ătoare benzii interzise ( pentru siliciu este 1,12 V )
m – constant ă de material ( m = 3 pentru siliciu )
C – constant ă ce depinde de geometria diodei, independent ă de temperatur ă.
Dac ă se menține constant ă una dintre m ărimile electrice, curentul sau tensiunea,
cealaltă mărime va depinde de temperatur ă.În practică se preferă menținerea constant ă
a curen-
tului, astfel încât c ăderea de tensiune prin dioda direct polarizat ă va avea o expresie ce
indică
prezența unei neliniarit ăți.Eroarea de neliniaritate pentru diode este acela și ordin de
mărime cu
eroarea de neliniaritate a termorezistoarelor din p latină ( dar cu semn schimbat) în
intervalul de temperatur ă cuprins între – 50 și +150 oC.
În practic ă, de obicei , nu se utilizeaz ă diode, ci tranzistoare în montaj de diod ă,
ca în fig. 8.7.

Tranzistorul T, având baza legat ă la colector, reprezint ă traductorul de temperatur ă iar
sursa de alimentare stabilizat ă E, împeun ă cu rezistorul R 1 ,de valoare mare, reprezint ă
un generator de curent constant.Amplificatorul A 1 asigură o impedan ță mare de intrare
și transmite semnalul amplificatorului A 2. Potențiometrul R 3 servește la calibrarea
schemei, iar
domeiul de m ăsurare se modific ă prin raportul R 5 / R 4.

87 Termocuplu

Se bazeaz ă pe efectul termoelectric care spune c ă la atingerea a dou ă metale cu
proprietăți electrice diferite apare între ele o diferen ță de potențial, numită diferen ță de
poten țial de contact . Ea variaz ă de la câțiva milivol ți la ordinul vol ților, în func ție de
metalele folosite. Aceast ă diferență de potențial este accentuat ă de temperaturile la care
sunt joncțiunile termocuplului.
Termocuplul se compune din dou ă fire din metale diferite, numite
termoelectrozi, sudate la un cap ăt 1. Capătul sudat se numeste sudura cald ă, iar
celelalte capete 2 si 3, numite capete libere ale t ermocuplului, se leag ă prin
conductoarele de legatura c la aparatul electric pe ntru masurarea for ței
termoelectromotoare. Leg ăturile dintre capetele libere si conductoarele de l egătură
constituie sudura rece. Temperatura sudurilor reci trebuie men ținută la o valoare
constantă.

Deoarece termoelectrozii au o lungime maxim ă de 200 cm, din care 2/3 intr ă în
cuptorul în care se m ăsoară temperatura, sudura rece se va g ăsi totdeauna în apropierea
cuptorului. Acesta fiind la temperatur ă ridicată, degajă căldura si creeaza in jurul lui o
temperatur ă mai ridicat ă decât a camerei si variabil ă in timp. Rezolvarea acestor
probleme create de temperatura înalt ă din jurul termocuplului se poate face prin
prelungirea termoelectrozilor cu alte conductoare d e aceeași natură, în general chiar din
același material. In felul acesta la contactul dintre con ductoarele de prelungire si firele
termocuplului nu se formeaz ă un termocuplu, deci nu ia na ștere forță
termoelectromotoare. Aceste fire se numesc cabluri de compensare și sunt complet
separate de termocuplu, leg ătura executându-se numai la montarea termocuplului.
Cablul de compensare are rolul de a muta sudura rec e din apropierea cuptorului într-un
loc cu o temperatura mai constant ă. Sudura rece se va forma acum la leg ătura dintre
cablul de compensare și cablul de leg ătură.
În cazul în care contactele(jonc țiunile) termocuplui sunt men ținute la aceea și
temperatur ă forța electromotoare rezultant ă este egală cu zero. Dac ă contactele
termocuplului au temperaturi diferite, în circuit a pare o forță electromotoare direct
proporțională cu diferen ța dintre temperaturile jonc țiunilor și este dată de relația :

E = α(t1 – t2) + β(t12 – t22)

88
unde: – α și β sunt constantele metalelor din termocuplu
– t 1 și t2 indic ă temperaturile la care este supus
termocuplul

Pentru un interval mic de temperatur ă, variația forței electromotoare este
aproximativ liniar ă, astfel poate fi citit ă cu un milivoltmetru.
Termocuplul este caracterizat de sensibilitate care este exprimat ă de relația:

s = ∆E/∆t

unde: ∆E este varia ția forței termoelectromotoare în intervalul de temperatur ă ∆t

Dacă se ia ∆t = 1 oC rezultă că s = ∆E, astfel sensibilitatea unui termocuplu este egal ă
cu variația forței termoelectromotoareatunci când temperature varia ză cu 1 oC.
Termocuplele sunt utilizate la m ăsurarea temperaturilor in func ție de tip în
intervalul –258oC ÷ 2100 oC.
Pentru temperaturi cuprinse între -258oC și 0 oC se utilizeaz ă termocuplu aur-
argint, pentru domeniul 0oC – 800 oC cele mai folosite sunt cupru-constantan, nichel-
fier, nichel-platin ă.
În gama 800oC – 1600 oC se folosesc termocuplele platin ă-platină+rodiu, care
sunt folosite și ca termocuple etalon datorit ă sensibilității foarte bune și stabiltății în
timp.
Pentru temperaturi mai înalte sunt folosite termoc uple de cărbune-carbur ă de
siliciu care suport ă temperaturi de 1800oC și termocuple de wolfram-molibden care
suportă 2100 oC.
Termistorul

Termistoarele sunt rezistoare a c ăror rezisten țe depind de temperatur ă. Sunt
realizate din semiconductoare. Se folosesc material e semiconductoare deoarece
rezistența acestora se schimb ă semnificativ în compara ție cu o modificare mic ă a
temperaturii.
În funcție de modul de varia ție a rezistivit ății, termistorii pot fi clasifica ți în
termistori cu coeficient de temperatur ă:
– negativ – rezisten ța scade cu cre șterea temperaturii
– pozitiv – rezisten ța crește cu temperatura.

Pentru obținerea termistoarelor cu coeficient de temperatur ă negativ se folosesc
oxizi din grupa fierului (Fe, Cr, Mn, Ni), iar pent ru cele cu coeficient pozitiv se
folosește titanat de bariu (BaTiO 3) sau soluție solidă de titanat de bariu și titan de
stronțiu.
Sunt realizate sub form ă de plachete, cilindrii, discuri, filamente proteja te în
tuburi de sticl ă.
Legile de varia ție ale rezisten ței cu temperatura:
– pentru termistoarele cu coeficient de temperatur ă negativ

89 RT = AeB/T

– pentru termistoarele cu coeficient de temperatur ă pozitivnegativ
RT = A + CeB/T

unde A, B, C sunt constante de material, iar T est e temperatura în oK
unde:
A – constanta ce depinde de geometria dispozitivul ui;
T – temperatura in grade Kelvin;
R – rezistenta la temperatura T;
B – constanta ce depinde de materialul semiconducto r masurata in K,
B=D E/2k B cu D E banda interzisa a semiconductorului si se d etermina din valoarile
rezistentei la doua temperaturi:
B = [T 1×T2 /(T 2 – T 1)] × ln (R 1 /R2)

Denumirea de "termistor" este o combinare a cuvinte lor englezesti "thermally
sensitive resistor" (rezisten ță sensibilă termic). Aceast ă denumire descrie cu exactitate
funcția de bază a dispozitivului și anume aceea de-a avea o schimbare de rezisten ță
electrică predictibil ă în funcție de orice schimbare a temperaturii sale absolute.

Parametrii utilizati pentru a descrie caracteristic ile oricarui termistor sunt:
– rezistenta electrica nominala la 25 oC;
– raportul rezistentelor pentru doua temperaturi date (25 oC si 85 oC);
– coeficientul de temperatur ă al rezisten ței exprimat in %/oC;
– puterea disipata maxima;
– factorul (coeficientul) de disipare;
– constanta de timp termica;
– domeniul de temperatura, T min si T max .

Schimbarea temperaturii termistorilor poate fi clas ificată în funcție de tipul

90 încălzirii: extern ă cauzată de temperatura ambiant ă internă ca rezultat al puterii
dezvoltate de trecerea curentului prin dispozitiv ( auto-încălzire) combinat ă (externă +
internă).

Pirometrul

Principiul de func ționare const ă în măsurarea temperaturii prin transformarea
energiei radiante în energie electric ă prin diverse metode f ără contact.
Acest tip de senzori sunt far ă contact și se utilizeaz ă în special pentru m ăsurarea
temperaturilor foarte înalte. Datorit ă faptului că radiația constituie unul din modurile de
propagare a c ăldurii, un corp poate emite emite energie sub form ă de radiații sau poate
primi radia ții emise de alte corpuri.
Pirometrul este aparatul utilizat pentru m ăsurarea temperaturii corpurilor solide
și a gazelor luminoase calde, bazat pe proprietatea acestora de a emite radia ții in
domeniul vizibil si infraro șu, cu o intensitate cresc ătoare cu temperatura.
Deoarece spectrul vizibil este cuprins ~ 0,1 – 0,8 µm, la temperaturi mai mici de
525oC, energia emis ă nu mai este vizibil ă, lungimea de und ă fiind mai mare de 0,8 µm.
Când lumina sau radia țiile electromagnetice întâlnesc un corp o parte se reflectă
pe suprafața corpului, iar cealalt ă parte pătrunde în corp fiind absorbite într-o mai
mare/mică măsură. Energia absorbit ă de către corp se transform ă în căldură, iar corpul
se încălzește emițând lumină vizibilă care trece treptat de la ro șu la alb str ălucitor.
Transformarea energiei radiante în energie electric ă se realizeaz ă cu ajutorul
unui termocuplu c ăruia i se cunoa ște funcția dependen ței de temperatur ă a tensiunii fa ță
de un corp negru (realizat cu negru de platin ă sau negru de fum).

Temperatura real ă a corpului cald se calculeaz ă după relația:

4
TrTTε=
unde: T – temperatura corpului cald
rT – temperatura corpului negru care produce aceea și radianță
Tε – factorul energetic al corpului

Pirometrele se împart în:
– În funcție de parametrul de radia ție folosit:
o Pirometre de radia ție;
§ totală;
§ parțială;
§ monocromatic ă
o pirometre de distribu ție spectrală;

91 – Funcție de intervalul spectral:
o optice 0.1 … 300 µm;
o radiopirometre 500 … 106 µm
– Funcție de detector:
o vizuale;
o obiective

Energia radiat ă de corpul la care se m ăsoară temperatura, este concentrat ă cu un
sistem de lentile pe jonctiunea unui termocuplu. Si stemul optic folosit este de tip
Kepler, iar lentilele folosite sunt pu țin absorbante, realizate din cristal. Pentru limita rea
efectelor c ăldurii datorate utiliz ării în condi ții grele se utilizeaz ă dispozitive de
protecție și răcire.
Elementul sensibil este format din pl ăcuțe de platină acoperite cu negru de fum
care absorb într-un procent foarte mare radia țiile emise de sursa de c ăldură.

92 SENZORI DE RADIA ȚII LUMINOASE
Energia luminoas ă este o form ă radiantă de energie electromagnetica. Aceste radia ții
sunt emise de cele mai multe ori de corpuri incande scente sau de fenomene de
luminescen ță și au lungimi de und ă cuprinse între 0,01 µm și 100 .mµ
Spectrul vizibil con ține radiație electromagnetic ă în gama 0,4 µm–0,76 µm,
spectrul infraro șu conține gama 0,76 µm –100 µm , iar spectrul ultraviolet cuprinde
gama 0,01 µm -0,4 µm.
Radiația luminoas ă este emis ă sau absorbit ă prin cuante corespunz ătoare unor
particule numite fotoni. Ele au energia propor țională cu frecven ța și nu pot exista în
stare de repaos. Transformarea radia ției luminoase în semnal electric se bazeaz ă pe
unul din fenomenele urm ătoare:

a) fenomenul de fotoconduc ție care const ă in modificarea conductivit ății
electrice a unui semiconductor sub ac țiunea luminii;
b) efectul fotovoltaic (fotoelectric) care const ă în conversia direct ă a energiei
luminoase în energie electric ă;
c) fenomenul fotoemisiv care se manifest ă într-un tub electronic special
prin emiterea de c ătre catod a electronilor atunci.când acesta este il uminat.
Dintre sursele artificiale de radia ție luminoas ă se menționează:
a) lămpile cu incandescen ță care emit lumina alb ă,
b) diode electroluminiscente (LED) și diode cu emisie în infraro șu
(IRED), care emit o radiatie monocromatic ă
c) laserul care emite o .radia ție monocromatic ă, coerentă.
Pentru concentrarea fasciculelor de radia ții, schimbarea direc ției sau realizarea
fascicolelor paralele se folosesc diverse piese și instrumente optice: lentile,
prisme, diafragme, lupe, condensoare..
Elementele sensibile care convertesc radia ția luminoas ă în semnal electric se
numesc fotodetectoare sau fotosenzori.
Fotodetectoarele pot fi de tip generator – ca de ex emplu celule fotovoltaice și
fotoelemente MOS – sau de tip parametric – ca de ex emplu fotodiodele,
fototranzistorii și fotorezisten țele.

CELULE FOTOVOLTAICE
Celulele fotovoltaice sunt dispozitive semiconducto are (din siliciu,
seleniu, germaniu) care realizez ă un randament ridicat al efectului
fotovoltaic.

93

Fig.1 Structura de baz ă a unei celule fotovoltaice cu siliciu
Celula fotovoltaic ă din Si este cel mai des utilizat ă și are structura
de bază prezentată în fig.1
Semnificația notațiilor din figur ă este următoarea:
T,, T 2 – terminale; C- contacte; SiO 2 – strat de bioxid de siliciu; M-
strat metalic; Si p – strat de siliciu tip p; Si n – strat de siliciu tip n; J-
joncțiunea p-n; RL- radia ție luminoas ă; R, – rezisten ța de sarcin ă
externă.
Stratul de bioxid de siliciu este transparent și are rol
antireflectorizant. Adâncimea de formare a jonc țiunii p-n nu dep ășește 3,
µm astfel încât stratul de siliciu p s ă fie semitransparent pentru fotoni.
Joncțiunea p-n ac ționează ca un câmp electric permanent. Când lumina
pătrunde în regiunea jonc țiunii, fotonii inciden ți genereaz ă un curent
de purtători de sarcin ă, deci o tensiune electro-motoare (t.e.m.) la
contactele metalice ale celulei.
Acest curent este propor țional cu iluminarea atunci când celula este pus ă
în scurtcircuit. Fotocurentul (curentul electric da torat ilumin ării este
funcție de aria suprafeței fotosensibile, rezisten ța de sarcin ă și
iluminarea). Tensiunea la borne în circuit deschis variază logaritmic cu
iluminarea. Valoarea ei este dependent ă de aria suprafe ței fotosensibile
și depinde de rezisten ța de sarcin ă.
'Tensiunea maxim ă în circuit deschis este de aproximativ 0,5V.
Pentru a cre ște t.e.m,fotocelulele se leag ă în serie iar pentru a cre ște
curentul, se leag ă în paralel.
Caracteristica curent-tensiune a celulei fotovoltai ce (fig.2) are expresia:

L S IkTqUII −− = } 1] {exp[β

I-.curentul prin celula fotovoltaic ă IS curentul de satura ție
U- tensiunea la borne, I L- fotocurentul, q – sarcina electronului β –
parametru adimensional (de regul ă β = 2) k- constanta lui Boltzman
T-temperatura absolut ă

unde:

94 Fig.2 Caracteristica curent-tensiune a unei celule fotovoltaice
Celula fotovoltaic ă este echivalent ă cu o sursă de curent în paralel
cu o rezisten ță«de sarcină (fig.3) și are simbolul prezentat în fig.4.

Schema echivalent ă a
Unei celule fotovoltaice
Simbolul unei celule
fotovoltaice

Celulele fotovoltaice sunt produse într-o varietate de configura ții:
cilindrice, paralelipipedice, matriciale. Ele sunt des utilizate drept
convertoare de energie solar ă în energie electric ă având un randament
de 11% – 20%.

FOTODIODE
Considerând caracteristica curent-tensiune a unei j oncțiuni p-n de
semiconductor (fig.5) fotodioda corespunde func ționării în cadranul trei
(deci cu polarizare invers ă), regiune in care curentul (fotocurentul)
variază liniar cu iluminarea. Din aceast ă cauză .fotodiodele sunt
indicate pentru m ăsurări cantitative de iluminare.

In absența radiației luminoase ( Φ=0) există un foarte mic curent
invers numit curent de întuneric I D. Dacă suprafața fotosensibil ă a
joncțiunii este iluminat ă, în joncțiune se genereaz ă perechi de purt ători
de sarcină (electron-gol) care duc la cre șterea curentului invers.
În funcție de semiconductorul din care se realizeaz ă joncțiunea,
fotodiodele pot fi din Ge, Si, In-Sb, In-As. Cele m ai răspândite
fotodiode sunt cele din Si.
În fig.6 este prezentat ă structura de baz ă a unei fotodiode planare din Si

Fig.6 Structura de baz ă a unei fotodiode planare cu Si
Semnificația notațiilor din figur ă este urm ătoarea: M – strat metalic; C -contacte
electrice; Si p+ – strat de Si p puternic dopat; Si n – strat de Si n; Si n * -strat de Si n puternic
dopat; J – jonc țiune; B – strat de baraj; RL – radia ție luminoas ă.
Stratul de Si p+ este suficient de sub țire pentru a permite radia ției luminoase s ă ajungă la
joncțiune. Structura este introdus ă într-o carcas ă metalică prevăzută cu o fereastr ă de sticlă
plană sau cu o lentil ă care să focalizeze lumina pe por țiunea fotosensibil ă a joncțiunii..
Caracteristica de sensibilitate spectral ă a fotodiodei (fotocurent func ție de lunginea de
undă) prezintă ca și la celelalte, fotodetectoare, un maxim (fig.7).
Fotodioda cu Si prezint ă un maxim în jurul lungimii de und ă Mλ = 0,8 µm. În domeniul
infraroșu se utilizeaz ă fotodiode din Ge (Mλ= 4,4 µm) sau In-As (Mλ= 3,3 um), acestea din
urmă fiind mai sensibile.

Fig.7. Caracteristica de sensibilitate spectral ă pentru un senzor de radia ție luminoasa .
Caracteristica de directivitate normat ă, la fel ca la orice .fotodetector, reprezint ă
dependența dintre valoarea relativ ă a fotocurentului I L / ILmax și valoarea deplas ării unghiulare
față de axa .optic ă a fotodetectonilui (pentru eare fotocurentul are v aloarea maxim ă).
Fotodetectoarele cu lentil ă au o directivitate mai pronun țată decât cele cu
fereastra plan ă. Simbolul fotodiodei și modul de conectait sunt reprezentate in
figura 8. ^

Fig.8 Simbolul și polarizarea unei fotodiode
FOTOTRANZISTOARE
Fototranzistorul este. asem ănător cu tranzistorul obi șnuit, fiind alc ătuit dintr-o pl ăcuță
semiconductoare din Ge sau Si în care exist ă alternativ regiuni cu conduc ție de tip n și de tip p

2 (pnp sau npn) și la care jonc țiunea bază colector reprezint ă fotojoncțiunea. Fototranzistoarele
sunt utilizate ca fotodetectoare în dispozitivele d e comandă automată. Ca mod de operare ele
sunt asemănătoare fotodiodelor, cu deosebirea c ă au sensibilitatea de 100-500 ori mai mare,
datorită amplificării în curent.
Structura de baz ă a unui fototranzistor in tehnologie planar ă este
reprezentat ă în fig. 9. ,
Semnificația notațiilor din fig.9 este urm ătoarea:
E – emitor; B- baza; K – colector; J – fotojonc țiunea; M – strat metalic; C – contact
electric; .O- strat de oxid-(Si0 2); RL – radia ție luminoas ă.

Fig. 11. Structura de baz ă a unui fototranzistor
Datorită efectului de tranzistor, fotocurentul generat în j oncțiunea J este amplificat cu
factorul de amplificare corespunz ător. Grosimea bazei este foarte mic ă astfel încât s ă devină
semitransparent ă pentru fotoni. Considerând baza liber ă, în absen ța iluminării
fototranzistoruliii,între emitor și colector va circula curentul de întuneric:
CBo D I I β=
unde I CBo este fotocurentul generat de jonc țiunea bază-colector la iluminare nul ă, iarβ este
factorul de amplificare al tranzistorului. La ilumi narea fotojonc țiunii ia naștere un fotocurent
I’L care prin amplificare cu β generează fotocurentul de tranzistor I L:
)' (L CBo L I I I + =β
Deoarece fotocurentul I L este funcție și de factorul de amplificare β , iar acesta depinde
neliniar de curent, dependen ța dintre I L și iluminare este neliniar ă (spre deosebire de
fotodiodă la care dependen ța este liniar ă).
În scopul cre șterii sensibilit ății se urmărește atât creșterea sensibilit ății joncțiunii bază-
colector cât și creșterea valorii lui β .
Simbolul și modul de conectare pentru un fototranzistor de ti p npn este reprezentat în
figura de mai jos.

3 Bibliografie :

1. Brandusa Pantelimon, Constantin Iliescu Măsurarea electrică a mărimilor
neelectrice Universitatea “ Politehnica Bucuresti 1997
2. Alimpie Ignea Măsurarea electrică a mărimilor neelectrice Editura de Vest,
Timișoara 1996
3.Nicolae Marius Bârlea Fizica senzorilor Editura Albastr ă , Cluj 2000
4. Lucian Ciobanu Senzori și traductoare Editura MATRIX ROM 2006
5. Valer Dolga Senzori si traductoare Editura Eurobit, Timisoara,1999