Studiul Si Proiectarea Unui Sistem Automat de Reglare a Temperaturii Într Un Cuptor

=== 850c4d99faf55aeec69920f55a95ffd75490a0c4_518391_1 ===

UNIVERSITATEA PETROL-GAZE PLOIEȘTI

FACULTATEA: INGINERIE MECANICĂ ȘI ELECTRICĂ

Specializarea: Automatica și Informatica Apicată

Lucrare de diplomă

Studiul și proiectarea unui sistem automat de reglare a temperaturii într-un cuptor

Conducător științific,

Conf. univ. dr. ing. Alina Baiesu

Student:

Stan Sergiu

________________________ 2017 ________________________

CUPRINS

TERMENI, ABREVIERI ȘI DEFINIȚII

Terminologia și notațiile utilizate în această reglementare tehnică sunt în concordanță cu termenii și definițiile folosite în normele românești din domeniul de activitate:

O serie de termeni și definiții sunt reluați și explicați cu scopul de a clarifica mărimile, conceptele etc., la care se face referință în diferitele părți ale acestei reglementări tehnice.

DEFINIȚIILE TERMENILOR UTILIZAȚI ÎN LUCRARE

Automatica = este ramura științei tehnice care se ocupă cu teoria și realizarea constructivă a metodelor și mijloacelor prin intermediul cărora se asigură conducerea proceselor fără intervenția directă a omului în procesul de producție.

Automatizare = este procesul de realizarea operațiilor și funcțiilor, fără intervenția operatorului uman.

Mărime electrică = semnal care poate fi transmis, amplificat și modificat cu ajutorul dispozitivelor electronice.

Senzor (ES)= este un element sensibil al sistemului automat și are rolul de a detecta și a transforma mărimea urmărită, într-un semnal purtător de informație pentru sistemul automat.

Traductor = este un dispozitiv care realizează conversia unor mărimi fizice în alte mărimi fizice, cel mai des în mărimi electrice, sau a unor mărimi electrice în alte mărimi electrice, în scopul prelucrării datelor obținute.

ABREVIERI UTILIZATE ÎN LUCRARE

NOȚIUNI INTRODUCTIVE

SCOPUL LUCRĂRII

În lucrarea de față se prezintă un sistem automat de măsurare și reglare a temperaturii într-un cuptor. Lucrarea conține descrierea elementelor principale, componente ale acestui sistem punându-se accent pe partea de senzori și traductoare.

NECESITATEA LUCRĂRII

În prezent echipamentele în special cele din industrie dispun de instalații diverse, automatizate, în vederea obținerii atât a calității cât și a performanțelor necesare pătrunderii în piața de profil.

Este un fapt cunostut și un subiect tratat la nivel mondial că preocupările mondiale la această oră, sunt:

eficiența energetică;

epuizarea resurselor;

prețul în creștere la utilități;

Această lucrare tratează probleme tehnologie avansată și inteligentă ale dispozitivelor care fac parte integrantă din sistemele automatizate.

Datorită creșterii nevoii de confort și performanță, automatizările reprezintă un concept care va fi dezvoltat și implementat din ce în ce mai mult în următorii ani.

Un utilaj sau un echipament complet automatizat oferă resurselor umane care lucrează cu acesta, cele trei elemente de bază pentru asigurarea unei munci adaptate secolului actual:

siguranță;

securitate;

confort maxim.

Indeplinirea celor trei elemente (siguranță, securitate, confort) implică, pe lângă detecția oricarei probleme apărute în sistem și soluționarea acesteia sau avertizarea sonoră și/sau vizuală.

Realitatea este că datorită stresului zilnic, cererea de modernizarea utilajelor și echipamentelor este foarte ridicată în comparație cu nivelul de muncă.

Soluțiile companiilor de profil îi vizează clar pe producătorii din orice domeniu în care linia de producție are echipamente și utilaje, aceștia optând pentru soluții complete de automatizări, care să le permită transformarea obținerea rezultatelor performante.

STRUCTURA LUCRĂRII DE LICENȚĂ

Lucrarea de licență cuprinde 54 pagini, fiind structurată în 4 capitole, Concluzii și Bibliografie, prezentate succind mai jos:

În capitolul 1 – Noțiuni introductive sunt prezentate succind atât scopul și necesitatea lucrării cât și actualitatea în domeniu.

În capitolul 2 – Senzori și traductoare utilizate în sistemele automatizate cu care este dotată casa inteligentă este prezentat un minim necesar despre traductoare. Definiții, tipuri de traductoare, utilizarea lor în sisteme automatizate.

În capitolul 3 – Sisteme de măsurare a temperaturii sunt prezentate pe scurt metodele de măsurare a temperaturii punându-se accent pe măsurările termoelectrice precum și pe detectoarele rezistive de temperatură.

În capitolul 4 – Reglarea temperaturii într-un cuptor cu rezistoare ventilate a fost prezentată un model de automatizare, reglare și măsurare a unui cuptor cu convecție. În acest capitol s-a plecat de la schema electrică a cuptorului cu rezistoare, prezentându-se schematic, automatizarea acestuia cu formele de răspuns ale semnalului de ieșire.

Lucrarea se încheie cu Concluzii iar la final fiind trecut un extras din bibliografia studiată și utilizată.

SENZORI ȘI TRADUCTOARE UTILIZATE ÎN SISTEME AUTOMATIZATE

NOȚIUNI GENERALE

Conducerea unui proces presupune cunoașterea unor informații cât mai corecte și cât mai complete asupra parametrilor mărimilor fizice ce caracterizează acel proces. În cazul unui proces neautomatizat, condus manual de un operator, mărimile fizice care nu sunt accesibile simțurilor umane sunt măsurate cu aparate de măsurat. Pe baza indicațiilor aparatelor, operatorul uman supraveghează procesul și ia decizii corespunzătoare.

În cazul unui proces automatizat, conducerea sistemului se face fără intervenția omului, pe baza informațiilor culese din proces cu ajutorul traductoarelor.

Senzorul (elementul sensibil) este elementul component al unui sistem automat sau al unui aparat de măsurat care are rolul de a transforma mărimea de măsurat, având o anumită natură, într-un semnal purtător de informație – pentru sistemul automat – sau într-o mărime aptă de a fi percepută de operatorul uman – pentru aparatul de măsurat [1], [2].

Nivelul semnalului nu este compatibil, în formă brută, cu nivelul semnalelor cu care operează sistemul automat. De aceea se introduce un element auxiliar numit adaptor.

În principiu, senzorul și adaptorul alcătuiesc o unitate numită traductor care este un element de bază pentru orice instalație automatizată.

Traductoarele pot fi definite deci ca dispozitive care realizează conversia unor mărimi fizice (temperatura, deplasare, presiune, forță, etc.) în alte mărimi fizice, cel mai adesea electrice, sau a unor mărimi electrice în alte mărimi electrice, în scopul măsurării parametrilor acelor mărimi și informării, respectiv luării unor decizii în consecință.

Un senzor este un dispozitiv care detecteză sau măsoară o anumită mărime fizică. În cele ce urmează, se vor prezenta senzori a căror mărime de ieșire este o mărime electrică. Dispozitivul opus senzorului este actuatorul (elementul de execuție) care convertește un semnal (în cele mai multe cazuri electric) într-o formă de acțiune, în cele mai multe cazuri, mecanică. Un traductor este un dispozitiv care convertește o anumită formă de energie într-o altă formă de energie. Senzorii și actuatoarele constituie așadar forme particulare de traductoare și de obicei actuatoarele acționează sub comanda traductoarelor.

Diferența dintre senzori și traductoare este adesea foarte mică. Un senzor îndeplinește o funcție de traductor, iar un traductor trebuie să sesizeze o anumită mărime fizică. Diferența constă în eficiența conversiei de energie. Scopul unui senzor este acela de a detecta și a măsura o anumită mărime fizică și dacă randamentul sau este de 0,1 % sau de 5 %, nu are nici o importanță. În cazul unui traductor însă, datorită faptului că aceta realizează o conversie de energie dintr-o formă în alta, randamentul său este important, cu toate că în unele cazuri aceta nu este prea ridicat.

Senzorul este definit adesea ca fiind un dispozitiv care recepționează și răspunde unui semnal sau stimul.

Această definiție este cuprinzătoare. Atât de cuprinzătoare, încât acoperă o arie care cuprinde aproape orice, de la ochiul omenesc la trăgaciul unui pistol. Să considerăm sistemul de control al nivelului din figura 2.1.

Operatorul ajustează nivelul lichidului din rezervor acționând asupra supapei de admisie. El trebuie să compenseze variațiile debitului de admisie, schimbările de temperatură (acestea vor modifica vâscozitatea fluidului și în consecință valoarea debitului prin supapă), precum și alte perturbații. Fără control, rezervorul fie va deversa fluidul, fie se va goli. Pentru a acționa corespunzător, operatorul trebuie să obțină la vreme informații despre nivelul fluidului din rezervor.

În acest exemplu, informația este percepută de către senzor, care constă din două elemente principale:

tubul indicator al rezervorului;

ochiul operatorului care generează un semnal electric de răspuns în nervul optic.

Fig. 2.1. Sistem de control al nivelului. Tubul indicator și ochiul operatorului formează

un senzor (un dispozitiv care transformă informația într-un semnal electric).

Tubul indicator singur nu constituie un senzor, iar în acest sistem particular de control, nici ochiul operatorului nu este un senzor. Doar combinația celor două elemente constituie un senzor dedicat (detector), care este selectiv sensibil la nivelul fluidului. Dacă tubul indicator este proiectat corespunzător, va evidenția rapid variațiile nivelului de fluid din rezervor, ceea ce înseamnă că senzorul are o viteză mare de răspuns. În cazul în care diametrul interior al tubului indicator este prea mic pentru o vâscozitate dată a fluidului, nivelul fluidului din tub va urmări cu întârziere variațiile nivelului din rezervor.

Astfel, se poate considera că senzorul prezintă în acest caz o fază caracteristică. În anumite cazuri întârzierea poate fi acceptabilă, pe când în alte cazuri se impune o reproiectare a dimensiunii tubului indicator.

Așadar, performanța senzorului poate fi impusă doar de o parte a sistemului de achizitie de date.

Lumea în care trăim este împărțită în obiecte naturale și obiecte făcute de om. Senzorii naturali, cum sunt cei care se găsesc în organismele vii, răspund uzual prin semnale cu un caracter electrochimic, deoarece natura lor fizică se bazează pe transportul de ioni, cum ar fi în fibrele nervoase (cazul nervului optic al operatorului rezervorului de fluid). Și în cazul dispozitivelor produse de oameni, informația este transportată și procesată în formă electrică, dar prin transport de electroni.

Senzorii utilizați în sistemele artificiale trebuie să folosească același limbaj ca și dispozitivele cu care sunt interfațați. Acest limbaj este de natură electrică și un senzor confecționat de om trebuie să fie capabil să răspundă prin semnale în care informația este transmisă mai degrabă prin deplasarea electronilor decât prin deplasarea ionilor. Există astfel posibilitatea de a conecta un senzor la un sistem electronic prin fire conductoare și nu printr-o soluție electrochimică sau o fibră nervoasă.este motivul pentru care un senzor se poate defini mai specific prin formularea: un senzor este un dispozitiv care recepționează un stimul și răspunde acestuia cu un semnal electric.

Prin stimul, se înțelege o cantitate, proprietate sau însușire care este detectată (sesizată) și convertită într-un semnal electric. Unii autori utilizează termenul de măsurand care are același înțeles, însă care induce un oarecare sens de cantitate funcției de sesizare (detectare).

Rolul unui senzor este acela de a răspunde unui anumit tip de proprietate fizică (stimul) și a converti această proprietate într-un semnal electric compatibil cu un circuit electronic. Se poate afirma că un sensor este un convertor al unei mărimi în general neelectrice, într-o mărime electrică.

Prin mărime electrică se înțelege un semnal care poate fi transmis, amplificat și modificat cu ajutorul dispozitivelor electronice. La ieșirea unui senzor se poate obtine o tensiune, un curent sau o sarcină. Aceste semnale pot fi caracterizate prin frecventă, fază sau cod numeric (digital). Toate aceste caracteristici sunt descrise prin termenul de formatul semnalului de ieșire.

Așadar, un sensor va avea caracteristici de intrare (de orice fel) și caracteristici electrice de ieșire.

Orice senzor este un convertor de energie. Indiferent de ceea ce se încearcă a se măsura, întordeauna se produce un transfer de energie între obiectul de măsurat și senzor. Procesul de sesizare (detectare) constituie o formă particulară a transferului de informație, iar orice transmisie de informație necesită o transmisie de energie. Este important să se țină sema de faptul că energia poate circula atât de la obiect la senzor, cât și de la senzor la obiect. Un caz particular îl constituie situația în care energia este zero și totuși se transmite o informație despre existența acestui caz particular. Spre exemplu, o pilă termică (termopilă) care funcționează în infraroșu va produce o tensiune pozitivă dacă obiectul este mai cald decât pila (fluxul de energie circulă dinspre obiect către pilă) sau o tensiune negativă în cazul în care obiectul este mai rece decât pila (fluxul de radiații circulă dinspre pilă spre obiect). În cazul în care atât senzorul cât și obiectul au aceeași temperatură, fluxul de energie este zero, iar tensiunea generată de senzor va fi zero. Se transmite și în acest caz o informație, și anume că cele două temperaturi sunt aceleași.

Termenul traductor are un înteles diferit față de termenul senzor. Primul este un convertor de energie de orice natură dintr-o fornă în alta, în timp ce al doilea convertește orice formă de energie în energie electrică [4]. Un exemplu de traductor este difuzorul care convertește un semnal electric într-un câmp magnetic variabil și în consecință în unde acustice. Traductorii pot fi utilizați ca actuatori în diferite aplicații. Actuatorul poate fi descris ca un dispozitiv opus senzorului – el convertind semnalul electric într-o formă de energie în general neelectrică. De exemplu, un motor electric este un actuator. El convertește energia electrică în energie mecanică.

Traductoarele pot fi părți constitutive ale senzorilor, după cum este ilustrat în figura 2.2.

Fig. 2.2. Un senzor poate conține câteve traductoare. e1, e2, etc. reprezintă diferite tipuri de energie. De remarcat că ultima componentă este un senzor direct.

De exemplu, un senzor chimic, poate conține o componentă care convertește energia unei reacții chimice în căldură (traductor) și o altă componentă pila termică cu rolul de a converti căldura într-un semnal electric. Combinația celor doi constituie un senzor chimic – un dispozitiv care generează un semnal electric ca răspuns la o reacție chimică.

De remarcat este faptul că în exemplul de mai sus, senzorul chimic este un senzor complex, care include un traductor și un alt senzor (de căldură). Acesasta sugereaza faptul că mulți senzori conțin cel puțin un senzor direct și un anumit număr de traductoare. Senzorii direcți sunt senzorii care funcționează pe baza fenomenelor fizice care convertesc direct energia într-un semnal electric sau provoacă modificări ale acestuia. Un exemplu de astfel de fenomene sunt efectul fotovoltaic și efectul Seebeck. Sumarizând, se poate afirma că există două tipuri de senzori: direcți și complecși [4].

Liniaritatea răspunsului, definită prin dependența dintre semnalul de ieșire și semnalul de intrare este de mare importanță în cazul unui senzor și mai puțin semnificativă în cazul unui traductor. În contrast, valoarea randamentului conversiei de energie este mai importantă în cazul unui traductor decât în cazul unui senzor.

Contactoarele se pot considera atât traductoare cât și senzori, deoarece orice contactor electric constituie un traductor mecano – electric și acționarea contactorului constituie un element important al funcționării multor tipuri de senzori și traductoare.

În mod convențional, clasificarea senzorilor se face după următoarele criterii:

după principiul conversiei;

după natura mărimii ce trebuie măsurată;

după tehnologia utilizată;

după caracteristicile aplicației în care se utilizează senzorul.

În general, senzorii sunt utilizați pentru detectarea următoarelor tipuri de energie:

energie radiantă, mecanică, gravitațională, electrică, termică și magnetică.

Dacă se ia în considerare faptul că în prezent se utilizează în proiectarea senzorilor și a traductoarelor un număr de aproximativ 350 de principii de conversie, este evident că nu toate aceste principii au aceeași importanță. Limitând studiul de față la senzorii care au intrări/ieșiri electrice sau electronice, numărul principiilor de conversie a energiei se poate reduce la un nivel mai ușor de abordat.

Țrebuie de precizat faptul că ieșirea unui senzor, inclusiv ieșirea unui circuit electronic conectat la un senzor trebuie să fie proporțională într-un mod oarecare cu efectul sesizat sau acest efect să fie corelat cu mărimea sesizată printr-o relație matematică simplă. Aceasta însemnă că dacă ieșirea senzorului este utilizată pentru efectuarea măsurătorilor, senzorul trebuie să permită efectuarea unor forme de calibrare.

Prin urmare, ecuația care face legătura între ieșirea și intrarea la care este comentată mărimea ce trebuie măsurată conține constante precum: masă, lungime, rezistență etc. Dacă oricare dintre aceste mărimi variază în timp, va fi necesară o nouă recalibrare a echipamentului.

Senzorii pot fi clasificați în:

senzori activi;

senzori pasivi.

Un senzor activ este acel senzor care poate genera la ieșire un anumit semnal, făra a avea nevoie de de o sursă externă de alimentare, cum ar fi: celulele fotovoltaice, termocuplele, și dispozitiveve piezoelectrice.

Cei mai uzuali senzori pasivi necesită a sursă extrenă de energie. Acești senzori operează prin modularea tensiunii sau a curentului sursei de alimentare externă.

O altă clasă de senzori pasivi, numiți uneori și modificatori, utilizează același tip de energie la iașire și la intrare. Un exemplu tipic al acestei clase de senzori îl constituie o diafragmă utilizată în conversia presiunii sau a frecvenței oscilațiilor unor unde sonore în deplasarea unei plăci solide.

Rezoluția unui senzor constă în abilitatea acestuia de a detecta o modificare a mărimii de la intrarea acestuia și uzual se definește prin cel mai mic nivel de modificare ce poate fi sesizat de senzorul respectiv. În unele cazuri, rezoluția este virtual infinită, ceea ce înseamnă că o modificare foarte mică a mărimii de la intrarea senzorului va produce o mică modificare în semnalul electric de la ieșire, iar aceste modificări pot fi detectate în limitele posibilităților de măsurare ale senzorului.

În cazul altor senzori, în special în cazul acelora la care se folosesc metode digitale, există o limită bine definită a dimensiunii modificării apărute, începând de la care se poate face detecția sau conversia.

Este important de precizat faptul că există puține metode de detectare care asigură în mod direct la ieșite un semnal digital. În cele mai multe cazuri, ieșirile digitale se obțin în urma conversiei mărimilor anlogice. Prin aceasta, limitele rezoluției sunt impuse în mare parte de circuitele de conversie analog – digitale și în mai mică măsură de senzorul propriu-zis.

În cazul în care există mai multe metode de detecție, se preferă metoda care produce o modificare a frecvenței unui oscilator. Explicația constă în faptul că frecvența este o mărime care prin natura ei se pretează foarte bine la prelucrarea digitală, fără a necesita aplicarea unor procedee de conversie analog – digitală.

Detectarea oricărei mărimi este un procedeu expus apariției erorilor, care pot fi statice sau dinamice. Spre exemplu,o eroare statică este un tip de eroare care poate fi cauzată de citirea unui aparat de măsură, cum ar fi eroarea de paralaxă, determinată de poziția observatorului față de acul indicator al aparatului. Această eroare se modifică odată cu modificarea poziției observatorului în raport cu acul indicator al aparatului.

O altă eroare statică este eroarea de interpolare, care apare în momentul în care acul indicator este poziționat între două diviziuni ale scalei, iar observatorul trebuie să aprecieze valoarea corespunzătoare acestei poziții. Mărimea erorii de interpolare este cea mai mică în cazul scărilor liniare.

Un avantaj disctinct al citirilor digitale constă în faptul că nu există nici erori de paralaxă și nici erori de interpolare. De exemplu, dacă un afișor numeric operează cu trei zecimale, utilizatorul nu poate ști dacă valoarea este 1,2255 deoarece afișorul indică 1,225, iar la o mică creștere a valorii mărimii detectate, afișorul va indica 1,226.

O eroare dinamică tipică constă în diferența dintre valoarea reală și cea măsurată cauzată de consumul propriu al instrumentului de măsură. Un exemplu clasic de astfel de eroare constă în indicația falsă a unui voltmetru care nu are impedanță de intrare suficient de mare și care măsoară tensiunea la bornele unui divizor de tensiune de mare impedanță.

Toate tipurile de senzori prezintă erori dinamice dacă sunt utilizați în detecție și prezintă ambele tipuri de erori dacă sunt utilizați în sisteme de măsură.

Odată cu apariția, dezvoltarea și perfecționarea microprocesoarelor, s-a dezvoltat o nouă clasă de senzori, denumiți senzori inteligenți. Această clasă de senzori utilizează un senzor în miniatură integrat în același cip cu un procesor. La obiect vorbind, este un senzor monolitic integrat, spre deosebire de senzorul hibrid care constă dintr-un un senzor și un procesor fabricate pe același substrat, dar care nu sunt integrate în același cip.

Avantajele integrării monolitice în același cip constau în:

obținerea unui raport semnal/zgomot îmbunătățit;

obținerea unei liniarități sporite a răspunsului în frecvență;

obținerea unei siguranțe sporite în funcționare.

Există două mărimi măsurabile care caracterizează orice senzor sau traductor. Aceste mărimi sunt: sensibilitatea răspunsului și capacitatea de detecție (detectivitatea).

Sensibilitatrea răspunsului se definește prin raportul:

care reprezintă o măsură a randamentului detectării dacă cel două semnale sunt exprimate în aceleași unități de masură (de exemplu în wați), însă în mod normal sunt exprimate în unități de măsură diferite.

Capacitatea de detecție se definește prin:

În care S/N reprezintă semnificația electrică uzuală a raportului semnal/zgomot. Ultima definiție poate fi reformulată sub forma:

dacă această formă ușurează procesul de măsurare.

Un senzor nu funcționează de unul singur, ci este parte integrantă a unui sistem mai complex care poate conține multe alte detectoare, convertoare de semnal, procesoare de semnal, dispozitive de memorie, înregistratoare de date și actuatori (elemente de execuție).

Într-un anumit dispozitiv, un senzor poate fi intrinsec sau extrinsec, dacă se ține cont de locul pe care-l ocupă acesta în cadrul dispozitivului. Senzorul poate fi poziționat la intrarea dispozitivului pentru a percepe stimulii exteriori și a semnala sistemului variațiile acestor stimuli. De asemenea, senzorul poate fi plasat în interiorul dispozitivului pentru a monitoriza stările proprii ale acestuia, în scopul obținerii unor anumite performanțe.

Întotdeauna un senzor constituie o parte componentă a unui anumit sistem de achiziție de date. Deseori, un astfel de sistem poate fi parte componentă a unui sistem mai complex care conține diferite mecanisme de reacție.

Poziția senzorilor într-un sistem mai complex este ilustrată în figura 2.3.

In care:

Senzorul 1 este un senzor non-contact,

senzorul 2 și 3 sunt pasivi,

senzorul 4 este activ,

senzorul 5 este senzor intern al sistemului de achiziție de date.

Senzorul 5 are roluri diverse. El monitorizează structura internă a datelor în sistemul propriu.

Fig. 2.3. Poziția senzorilor într-un sistem de achiziție de date.

Unii senzori (1 și 3) nu pot fi conectați direct la circuitele electronice standard datorită formei necorespunzătoare a semnalelor lor de ieșire. Este motivul pentru care ei necesită un dispozitiv interfață (circuite de conversie).

Senzorii 1, 2, 3, și 5 sunt senzori pasivi. Ei generează un semnal electric fără a consuma energie electrică de la circuite electronice. Senzorul 4 este activ. El necesită un semnal de operare care îi este oferit de către un circuit de excitație. Acest semnal este modificat de către senzor în concordanță cu informația convertită.

Un exemplu de zenzor activ îl constituie termistorul, care constituie un rezistor sensibil la temperatură. El poate funcționa alimentat cu o sursă de curent constantă care va constuitui circuitul de excitație.

În funcție de complexitatea sistemului, numărul total al senzorilor poate varia între un senzor (un termostat domestic) și câteva sute (în cazul navetei spațiale).

Semnalele electrice produse de senzori sunt trimise într-un multiplexor (MUX), care este un comutator sau o poartă. Rolul său constă în conectarea senzorilor pe rând la un convertor analog – digital (A/D) dacă semnalele generate de senzori sunt analogice sau direct către computer dacă senzorii generează semnale digitale. Computerul controlează multiplexorul și convertoarele A/D pentru a realiza o sincronizare convenabilă. Poate transmite și semnale de control către actuatorul care acționează asupra obiectului.

Ca exemple de actuatori pot fi menționate motoarele electrice, bobinele, releele, valvele pneumatice.

Sistemul conține câteva dispozitive periferice (de exemplu un înregistrator de date, un display, o alarmă, etc.) și un anumit număr de componente care nu sunt reprezentate schema block: filtre, circuite de eșantionare și memorare (sample-and-hold circuits), amplificatoare ș.a.

CLASIFICAREA TRADUCTOARELOR [4]

Dupã necesitatea existenței unei surse auxiliare de activare pentru obținerea semnalului de intrare se disting:

traductoare active sau de tip generator;

traductoare pasive sau de tip parametric.

Dupã semnalul de ieșire distingem:

traductoare analogice;

traductoare numerice.

Dupã principiul de funcționare care stã la baza transferului de energie intrare-ieșire avem:

traductoare lucrând în regim dezechilibrat;

traductoare cu echilibrare automată.

Dupã dinamica exprimatã prin relația intrare-ieșire, traductoarele se pot clasifica în:

sisteme de ordinul 0 (sau de tip proportional),

1 (element de întârziere de ordinul I),

2 (element de întârziere de ordinul II),

sau de ordin mai mare.

În funcție de mãrimea mãsuratã:

traductoare de temperaturã;

traductoare de presiune;

traductoare de debit;

traductoare de nivel,

traductoare de pozitie;

traductoare de umiditate;

traductoare de vitezã, etc.

După principiul funcțional care stă la baza realizării părții de intrare a traductorului:

rezistive;

capacitive;

inductive (parametrice);

STRUCTURA GENERALĂ A UNUI TRADUCTOR

În figura 2.4 sunt prezentate elementele componente ale unui traductor. Mărimea de intrare aplicată la intrarea traductorului, reprezintă parametrul ce trebuie măsurat. Acesta poate fi temperatură, debit, presiune, turație, nivel, și altele.

Mărimea de ieșire este valoarea mărimii măsurate exprimată sub formă de semnal analogic (curent, tensiune).

Fig. 2.4. Structura generală a unui traductor.

În care:

x – mărimea de măsurat (mărime de intrare);

y – mărimea măsurată (mărime de ieșire);

ES – elementul sensibil;

ET – element de transmisie;

A – adaptor;

SAE – sursa auxiliară de energie.

Elementul sensibil ES numit și detector, senzor sau captor, este elementul care detectează mărimea fizică pe care traductorul trebuie să o măsoare.

Elementul de transmisie ET este un element auxiliar care realizează legături electrice, mecanice, optice sau de altă natură în situațiile în care tehnologiile de realizare a traductorului o impun.

Adaptorul A are rolul de a adapta informația primită de la ieșirea ES, la cerințele impuse de aparatura de automatizare care o utilizează.

– Particularitățile semnificative ale adaptorului

La partea de intrare, A se caracterizează printr-o diversificare constructivă pentru a putea prelua formele variate sub care pot să apară modificările de stare ale diferitelor (ES).

Pe parte de ieșire, A cuprind de regulă (la echipamentele standardizate) elemente comune necesare generării semnalelor unificate, care nu depind de tipul sau domeniul de variație al mărimii de intrare.

– Funcțiile realizate de A

adaptare de nivel, putere (sau impedanță) ) cu referire la semnalul de ieșire, în raport cu dispozitivele de automatizare;

realizează operația specifică măsurării, adică comparația cu unitatea de măsură adoptată;

În funcție de elementele constructive, impuse de natura semnalelor de ieșire, adaptoarele sunt de două feluri:

adaptoare electrice (electronice);

adaptoare pneumatice.

În raport cu forma de variație a semnalelor de ieșire, adaptoarele pot fi:

analogice – semnalele analogice sunt caracterizate prin variații continue ale unui parametru caracteristic și, de regulă, sunt semnale unificate;

numerice – semnalele numerice, generate la ieșirea traductoarelor numerice s-au impus prin folosirea pe scară tot mai largă a echipamentelor de reglare numerică și a calculatoarelor de proces.

Sursa auxiliară de energie SAE, necesară în cele mai frecvente cazuri, pentru a menaja energia semnalului util.

LOCUL TRADUCTOARELOR ÎN SISTEMELE AUTOMATE DE REGLARE (SRA)

In figura 2.2 și în figura 2.3 sunt prezentate douã situații tipice în care se evidențiază rolul și locul traductoarelor în cadrul sistemelor automate [3].

Se consideră schema structurală a unui SRA monovariabil, prezentată în figura 2.5.

Fig. 2.5. Schema de principiu a unui SRA monovariabil.

Traductorul este amplasat pe calea de reacție, având la intrare mărimea reglată (y), pe care o convertește în mărime de reacție (yr). Mărimea de reacție, însumată cu referința (r), determină eroarea de reglare () conform relației [3]:

(2.1)

În cazul unui sistem multivariabil de reglare și/sau conducere automată schema de principiu este de tipul celei din figura 2.6.

Fig. 2.6. SRA a unui proces multivariabil.

În care:

Tr – traductoare;

EE – element de execuție;

SI-I – sistem de interfață a intrărilor;

SI-E – sistem de interfață a ieșirilor;

SIA – sistem de interfață pentru mărimi analogice;

SIN – sistem de interfață pentru mărimi numerice;

CP – calculator de proces;

CO – consola operator;

CU – calculator universal;

PG – periferice generale.

Din cele două scheme se constată că traductoarele (Tr) sunt situate pe calea informațională având sensul de transmitere de la proces către sistemul de conducere, iar EE sunt plasate pe calea de transmitere a comenzilor de la sistemul de conducere către proces. Cuplarea traductoarelor cu procesul se poate realiza în diverse moduri: mecanic, termic, electric etc, în raport cu natura fenomenelor purtătoare de informație referitoare la mărimea de măsurat.

Datorită unor avantaje bine cunoscute, majoritatea echipamentelor de automatizare sunt electrice sau electronice, și numai în cazuri speciale pneumatice (medii cu pericole de explozii sau incendii). Ca urmare, semnale de ieșire ale traductoarelor sunt de natură electrică (tensiune, curenți) sau pneumatică.

REGULATOARE UTILIZATE ÎN SISTEME AUTOMATIZATE

NOȚIUNI GENERALE

Regulatorul automat (RA) este blocul principal din cadrul dispozitivului de automatizare și are rolul de a prelua semnalul de eroare și de a furniza la ieșire semnalul de comandă pentru elementul de execuție.

Semnalul de eroare se obține în urma comparației mărimii de intrare și a mărimii măsurate, în elementul de comparație.

Fig. 3.1. Schema bloc a unui regulator automat.

În care:

RA – regulator automat

A – amplificator

RC – retea de corectie

ER – element de prescriere a referintei

EA – element de comanda manuala

pentru acordarea parametrilor RA

ECP – element de comparatie principal

ECS – element de comparatie secundar

CM – bloc de comanda manuala

CLASIFICAREA REGULATOARELOR

În figura 3.2 este reprezentată clasificarea regulatoarelor, sub formă schematică. În această reprezentare se disting patru mari categorii după care sunt clasificate regulatoarele.

Fig. 3.2. Reprezentarea schematică a clasificării regulatoarelor.

După tipul acțiunii realizate:

regulatoare cu acțiune continuă – eroarea ε și comanda u variază continuu în timp. În funcție de legea de dependență între intrare și ieșire regulatoarele pot fi:

liniare – sunt de tipul P, PI, PID, etc,

neliniare. Sunt de tipul bipoziționale sau tripoziționale.

regulatoare cu acțiune discretă – mărimea de ieșire u este formată într-o succesiune de impulsuri, iar mărimea de intrare este o mărime continuă.

După structura constructivă:

regulatoare unificate – mărimile de intrare și mărimea de ieșire au aceeași natură fizică și aceeași gamă de variație. Semnalele se numesc unificate, și pot fi pentru procese lente și pentru procese rapide.

regulatoare specializate – necesare reglării unei singure mărimi specifice dintr-o instalație tehnologică, având o construcție specifică.

După sursa de energie externă:

regulatoare directe – nu este necesară o sursă de energie exterioară,

regulatoare indirecte – este necesară o sursă de energie exterioară.

După agentul purtător de semnal:

electronice – mărimile de intrare și de ieșire sunt de natură electrică (curenți sau tensiuni);

pneumatice – u și ε sunt presiuni de aer;

hidraulice – intrarea ε este o deplasare iar ieșirea u este presiunea unui lichid.

REGULATOARE ELECTRONICE

Regulator cu acțiune proporțională (P)

La acest regulator, între mărimea de intrare ε (t) și cea de comandă u(t ) se stabilește o relație de proportionalitate : u(t) = KR⋅ε (t)

unde KR este factorul de amplificare al regulatorului.

Fig. 3.3. Regulator proporțional P:

a) variația treapta la intrarea regulatorului proporțional;

b) răspunsul la intrarea treaptă a regulatorului proporțional.

Regulator cu acțiune proporțional- integrală (PI)

Acest tip de regulator reprezintă o combinație între un regulator proporțional și unul integral. Legea de reglare a regulatorului PI conține un termen care reprezintă acțiunea proporțională P și un termen care asigură efectul integrator:

În care:

TI este constanta de timp de integrare

a). b).

Fig. 3.3. Regulator proporțional integrator – PI:

a) variația treapă a intrării;

b) răspunsul la treaptă al ieșirii regulatorului de tip PI

Regulator cu acțiune proporțional – derivativă (PD)

Acest tip de regulator introduce o componentă proporțională, similară cu aceea a regulatorului PI și o componentăa derivativă D, acesata din urmă introducând o proporționalitate între mărimea de ieșire u și derivata în timp a mărimii de intrare, ε .

Legea de reglare PD se exprimă prin:

în care, TD este constantă de timp de derivare a regulatorului

Prin utilizarea unui regulator PD se reduce durata regimului tranzitoriu.

a). b).

Fig. 3.4. Regulator proporțional derivativ – PD:

a) variația treapă a intrării;

b) răspunsul la treaptă al ieșirii regulatorului de tip PD

Regulator cu acțiune proporțional – integral – derivativă (PID)

Regulatoarele PID sunt unele din cele mai complexe regulatoare industriale, asigurând performanțe de reglare superioare.

Ele înglobează efectele proportional P, integral I și derivativ D expuse mai sus, conform legii de reglare:

Regulatoarele PID, de construcție mai complexă decât cele de tip P, PI, PD au trei parametri ce pot fi acordați: KR, TI și TD.

a). b).

Fig. 3.5. Regulator proporțional integrator derivativ – PID:

a) variația treapă a intrării;

b) răspunsul la treaptă al ieșirii regulatorului de tip PID

SISTEME DE REGLARE ȘI MĂSURARE A TEMPERATURII

SENZORI DE TEMPERATURĂ

Există metode variate de măsurare a temperaturii, fiecare dintre acestea având propriile caracteristici și posibilități.

Opțiunile procesului de măsurare a temperaturii

Pentru a se decide asupra unui anumit procedeu de măsurare a temperaturii, proiectantul sau utilizatorul are la dispoziție în general următoarele opțiuni:

limitele domeniului de măsurare a temperaturii;

precizia, liniaritatea, sensibilitatea dorită;

constanta de timp necesară;

rezistența mecanică a sistemului de măsurare și posibilitățile de a obține această rezistență;

natura mărinii și unitatea de măsură necesară la ieșirea dispozitivului de măsurare a temperaturii;

utilitatea dispozitivului în raport cu un mediu specificat;

relația dintre costul dispozitivului de măsurare de o anumită calittate și bugetul disponibil.

Pentru a realiza o măsurare precisă a temperaturii, se utilizează mai multe proprietăți fizice și electrice:

expansiunea sau contractarea unei anumite substanțe în momentul în care aceasta este încălzită sau răcită;

apariția unei tensiuni termoelectrice în momentul punerii în contact a două metalr diferite (termocuplele);

modificarea rezistenței electrice a unei substanțe în momentul modificării temperaturii acesteia (detectoare rezistive de temperatură, termistoare);

modificarea proprietăților radiațiilor electromagnetice în momentul modificării temperaturii mediului (fotografia în infraroșu, pirometria).

Calitatea procedeului de măsurare a temperaturii

Precizia oricărui procedeu de măsurare își are propriile sale limite. Procedeele cele mai bune utilizează instrumentele de măsură cele mai precise, aplică tehnicile de măsurare cele mai adecvate și iau în considerare valoarea medie a unui număr apreciabil de măsurători. Alunecările, frecările, jocurile în angrenaje și alte defecte, produc erori repetabile și dacă aceeași măsurătoare va fi repetată, valorile obținute vor diferi de la o măsurătoare la alta. Orice măsurătoare va avea o anumită restricție în ceea ce privește rezoluția cu care se face citirea sau interpretarea rezultatului. Sistemul de măsură va avea o anumită liniaritate specifică în cadrul domeniului său limitat de măsurare. Toti acești factori afectează în general precizia măsurătorilor.

Fiecare instrument de măsura va avea propria sa valoare minimă de plecare (punctul inițial) și valoarea sa maximă finală (punctul final). Punctul inițial al citirii este numit punctul zero; diferența dintre punctul final și punctul final se numește domeniu de măsurare sau interval de măsurare. Puncul final se mai numește și capăt de scală. Deorece intervalul de variație al unui anumit proces diferă de la o aplicație industriala la alta, dispozitivele de citite (de afișare) sunt astfel proiectate, încât să permită ajustarea domeniului de funcțioanare și a punctului de afișare zero ( a punctului inițial de măsurare). Ajustarea domeniului și a punctului de zero depind de repetabilitatea, rezoluția, precizia și de alte surse de erori ale instrumentului de măsurare. În concluzie, în momentul alegerii unui instrument de măsură pentru o anumită aplicație, este recomnadabil să se aleagă un instrument cu un domeniu de măsurare cât mai apropiat de domeniul de evoluție al mărimii ce trebuie măsurată în cadrul aplicației respective.

Măsurarea directă a temperaturii

Termometrul de sticlă

Principiul de funcționare. Lichidele sunt încălzite într-un rezervor mic și apoi forțate să circule de-a lungul unui tub îngust gradat. Aceste sisteme constituie termometrele cu lichid, deosebit de utile în multe domenii de activitate. Dintre toate tipurile de termometre cu lichid, cele mai cunoscute sunt termometrele cu mercur. Aceste termometre nu sunt utilizate pentru măsurarea temperaturilor joase (deoarece punctul de solidificare este de -390C), ci pentru măsurarea temperaturilor relativ înalte, chiar peste punctul său de fierbere (3600C sau 6330K). În acest ultim caz, se impune luarea unor măsuri de precație, cum ar fi introducerea deasupra mercurului de azot sub presiune (80 bari sau 8 Mpa). Pentru măsurarea temperaturilor joase se folosește alcoolul (-1100C ÷ -500C), pentanul (-2000C ÷ -500C), sau toluenul (-700C ÷ +1000C).

Termometre cu lichid în expansiune

Principiul de funcționare. Termometrele cu lichid constau într-un balon conectat la un tub capilar, iar aceste este conectat la un tub Bourdon sau la o diafragmă, conform figurii 3.1.

Fig. 4.1. Termometru cu lichid.

Sistemul este umplut cu lichid la înaltă presiune (până la circe 70 bari) pentru a preveni orice influență a presiunii vaporilor (punct de fierbere foarte ridicat).

În tabelul 3.1 se prezintă gama de temperaturi la care funcționează acest gen de termometre, umplute cu diferite lichide.

Tabelul 4.1. Temperaturile de funcționare ale termometrelor cu lichid

Balonul este încălzit de substanța a cărei temperatură trebuie măsurată. Volumul lichidului din balon crește și prin intermediul tubului capilar determină derularea capătului liber al tubului Bourdon, care acționează asupra acului indicator, modificând poziția acestuia față de scală.

Fig. 4.2. Compensarea termometrelor cu lichid.

Termometrele cu lichid în expansiune constituie dispozitive de modă veche dar foarte fiabile, care prezintă un interes deosebit deoarece nu necesită o sursă suplimentară de energie. Precizia este de aproximativ 0,5 % pe întreaga scală (domeniu de măsură).

Termometre cu gaz în expansiune sau termometre detectoare de presiune

Principiul de funcționare. Termometrele cu gaz în expansiune sunt construite la fel ca termometrele cu lichid în expansiune, cu deosebirea că sunt umplute cu gaz la presiune înaltă. Ele funcționează ușor diferit față de termometrele cu lichid. Într-o primă aproximare, se poate presupune că dilatarea balonului cu gaz este neglijabilă în comparație cu volumul total al dispozitivului, ceea ce înseamnă că se poate considera schimbarea stării gazului la volum constant.

După cum se cunoaște din termodinamică, legea universală de transformare a gazelor este de forma:

(4.1)

Dacă volumul rămâne constant, presiunea va fi proporțională cu temperatura. Tubul Bourdon se va deforma direct proporțional cu legea de modificare a presiunii:

(4.2)

în care:

y este plaja de presiune în care funcționează tubul Bourdon;

p1 reprezintă valoarea presiunii la temperatura T1 [0K];

p2 reprezintă valoarea presiunii la temperatura T2 [0K];

Ecuația de mai sus demonstrază faptul că relația dintre presiune și temperatură este liniară.

Realizarea practică. Ca și în cazul termometrelor cu lichid, fluctuațiile temperaturii tubului capilar și ale tubului Bourdon pot produce indicații false. Cele mai utilizate metode de compensare sunt metoda cu sistem dublu (prezentată mai sus) și metoda deformării bimetalice. Acesta din urmă este ilustrată în figura 3.3.

Fig. 4.3. Compensarea prin deformare bimetalică.

Spre deosebire de termometrele cu lichid în expansiune, valoarea diferenței dintre deformările balonului și a tubului Bourdon este neglijabil de mică, datorită densității mici a azotului.

Gazul cel mai frecvent utilizat este azotul, deoarece proprietătile sale se aproprie cel mai mult de proprietățile gazului ideal și datorită coeficientului său de expansiune mare. Pentru temperaturi joase se utilizează heliul.

Schimbările barometrice ale presiunii pot cauza erori a căror nivel depinde de presiunea gazului cu care este umplut dispozitivul.

Domenii de utilizare. Acest tip de termometru se poate utiliza în aproape orice fel de aplicație, datorită faotului că azotul nu este un gaz toxic. Ca exemple de domenii de utilizare se pot cita: industria alimentară, ingineria mecanică, industria chimică și farmaceutică. Domeniul maxim de utilizare este cuprins între -2500C și până la +8000C, și corespunde unei precizii de ±0,6 % pentru întreg domeniul de măsurare.distanța dintre balon și sistemul indicator este de maximum 100 de metri.

Sisteme cu vapori sub presiune

Principiul de funcționare. Un termometru umplut cu vapori arată in principiu cu un termometru umplut cu lichid. Conținutul acestui tip de termometru constă într-un amestec de lichid și vapori ai aceluiași lichid. Un astfel de termometru este prezentat în figura 3.4.

Fig. 4.4. Termometru cu vapori sub presiune.

Linia de demarcare dintre lichid și vaporii săi este întotdeauna situaltă în balonul termometrului, deasupra intrării tubului capilar. Lichidul și vaporii săi se află în echilibru. Când temperatura crește, o cantitate mică de lichid se evaporează, iar presiunea din întregul sistem crește, ceea ce impune realizarea unui nou echilibru. Curba vaporilor sub presiune în cazul acestor lichide este neliniară (conform figurii 3.5), ceea ce va determina o scala neliniară a dispozitivului de măsurare.

Fig. 4.5. Dependența presiunii vaporilor de temperatură.

Realizarea practică și domenii de utilizare. Lichidele utilizate în acest sistem de măsurare sunt: butanul, propanul, hexanul, toluenul, etc. Domeniul de măsurare depinde de natura lichidului utilizat și poate atnge o plajă cuprinsă Intre aproximativ 500C și 2600C. Acest sistem de măsură este ieftin, dar este mai puțin precis, este neliniar și poate introduce erori semnificative.

Termometre bimetalice

Principiul de funcționare. Dacă două metale cu coeficiente de dilatare αA și αB sunt atașate unul de celălalt la o anumită temperatură, modificările temperaturii vor produce deformări diferite, iar deformarea rezultată prin atașarea celor două metale va determina o curbare a ansanblului, conform figurii 3.6.

Fig. 4.6. Termometru bimetalic.

Raza curbei ρ este dată de relația:

(4.3)

în care: t reprezintă dimensiunea maximă a deformării (practic 12 μm < t < 3,5 mm), iar T2 – T1 reprezintă modificarea temperaturii.

Realizarea practică. Deoarece în practică nu există metale cu coeficient negativ de dilatare, pentru elementul A se utiliează aliajul Invar (64 % Fe, 36 % Ni, αA = 0,2∙105 [K-1]). Pentru elementul B a fost utilizat inițial bronzul (90 % Cu, 10 % Sn, αB = 1,9∙10-5 [K-1]), dar în prezent se utilizează o lagă varietate de aliaj alloy.

Pentru a obține o plajă largă a valorilor deformării, ansamblul bimetalic se poate realiza sub formă de spiră sau de arc spiral, după cum este ilustrat în figura 3.7. Prin aceste procedee s-au realizat sisteme bimetalice cu possibilități de măsurare a temperaturii într-o gamă cuprinsă între -500C și +5000C și o precizie de 1 %.

Fig. 4.7. Variante de termometre bimetalice.

Domenii de utilizare. Termometrele bimetalice un domeniu larg de utilizare, începând cu contactoarele simple și până la măsurătorile industriale. Datorită prețului scăzut se utilizează frecvent în aplicațiile la care precizia este mai puțin importantă.

Măsurări termoelectrice (termocuple).

Principiul metodei de măsurare: termoelectricitatea

Dacă se încălzește local o bară sau un inel din material conductor omogen, concentrația electronilor mobili nu va mai fi aceeași în orice punct al materialului. Electronii mobili vor căuta zonele cu energie minimă și vor difuza către zonele mai reci. Zona mai caldă se va încărca la un potențial pozitiv în comparație cu zona mai rece (figura 3.8). La o anumită diferență de temperatură, se stabilește un echilibru dinamic; tensiunea termică generată va crea un câmp electric care se va opune difuziei în continuare a electronilor. Tensiunea dintre două puncte a și b este proporțională cu diferența de temperatură și cu coeficientul lui Seebeck.

Fig. 4.8. Difuzia termică a electronilor.

În momentul în care două materiale conductoare diferite A și B sunt conectate ca în figura 3.9, având o joncțiune la temperatura T1 și cealaltă joncțiune la temperatura T2, tensiunea electromotoare E dintre cele două joncțiuni poate fi citită prin intermediul uni voltmetru (cu rezistență internă infinită). Acesta constituie efectul Seebeck. Valoarea tensiunii E depinde de materialele utilizate, (de diferența coeficienților Seebeck) și de diferența de temperatură (T1 – T2).

Fig. 4.9. Configurația de bază a unui termocuplu.

Înlocuind voltmetrul cu un ampermetru, se pune în evidență curentul electric din circuit. Datorită circulației acestui curent, se poate genera energie electrică, dar de valoare limitată. Fenomenul este reversibil. Astfel, dacă dacă în circuitul termocuplului circulă un curent electric generat prin alimentarea de la o sursă exterioară, o joncțiune se va încălzi, iar cealaltă se va răci (efectul Peltier).

Funcționarea termocuplelor se bazează pe efectul Seebeck, produs de difuzia termică a electronilor. Tensiunea termoelectrică nu este produsă de potențialul de contact (o afirmație eronată în multe lucrări). Termocuplele nu funcționează pe baza efectelor Peltier și Thompson, care se manifestă numai dacă prin circuit circulă curentul electric. Pentru configurația din figura 3.9 care constituie un termocuplu, se poate scrie:

(3.4)

în care: E reprezintă tensiunea totală în [V] sau [μV], T1 și T2 sunt temperaturile absolute ale joncțiunilor A și B în [K], iar C1 și C2 reprezintă constantele termoelectrice ale materialelor. De exemplu, pentru un termocuplu cupru/constantan, se poate scrie:

(4.5)

Legile fenomenului termoelectric

Practic, temperatura indicată de termocuple se bazează pe câteva legi ale fenomenului termoelectric.

Legea 1. Tensiunea produsă de un termocuplu E ale cărui joncțiuni se află la temperaturile T1 și respectiv T2, nu depinde de temperatura altei regiuni a termocuplului, conform figurii 3.10.

Fig. 4.10. Prima lege a termocuplului.

Legea 2. Dacă se plasează un al treilea metal omogen C între A și B, iar noile joncțiuni rezultate rămân la aceeași temperatură constantă T3, tensiunea rezultantă E va fi aceeași ca în cazul în care metalul C nu ar exista (figura 3.11).

Fig. 4.11. A doua lege a termocuplului.

Legea 3. În cazul în care un metal omogen C este conectat între metalele A și B, iar joncțiunile BC și CA rămân la temperatura constantă T1, tensiunea E va avea aceeași valoare ca în cazul în care metalul C ar lipsi (figura 3.12).

Fig. 4.12. A treia lege a termocuplului.

Legea 4. Dacă tensiunea corespunzătoare metalelor A și C este Eac și cea corespunzătoare metalelor B și C este Ecb, tensiunea corespunzătoare metalelor A și B este Eac + Ecb, conform figurii 3.13.

Fig. 4.13. A patra lege a termocuplului.

Legea 5. Dacă un termocuplu generează tensiunea E1 la temperaturile T1 și T2 ale joncțiunilor și tensiunea E2 pentru temperaturile T2 și T3 pentru temperaturile T1 și T3 ale joncțiunilor, tensiunea generată va avea valoare E1 + E2 (figura 3.14).

Aceste cinci legi sunt deosebit de importante în aplicațiile practice ale termocuplelor.

Prima lege demonstrază faptul că cele două conductoare dintre joncțiuni pot fi expuse unor temperaturi necunoscute (ale mediului înconjurător), fără ca valoarea tensiunii E să se modifice.

Fig. 4.14. A cincea lege a termocuplului.

Legile 2 și 3 permit inserarea unui voltmetru în circuit, în scopul măsurării tensiunii generate de termocuplu. Metalul C reprezintă circuitul intern al voltmetrului (de obicei executat din cupru) (figura 3.15). Instrumentul de măsură poate fi conectat în două moduri între A și B (figura 3.11) ori în A sau B (figura 3.12).

Fig. 4.15. Realizarea practică a unui termocuplu.

A treia lege demonstrează faptul că cele două joncțiuni ale termocuplului pot fi executate prin lipire.

Legea 4 pune în evidență faptul că fiecare metal poate fi calibrat în funcție de un metal standard (în mod uzual în funcție de platină) și în funcție de aceasta se poate calcula tensiunea E produsă de orice metal.

Privitor la a cincea lege, trebuie de precizat faptul că pentru a măsura cu termocuplul o temperatură necunoscută, trebuie să se cunoască temperatura uneia dintre cele două joncțiuni ale acestuia. Joncțiunea a cărei temperatură este menținută la valoarea de referință se numește joncțiunea de referință. Temperatura joncțiunii de măsurare se poate determina prin afișarea tensiunii generate de termocuplu.

Măsurarea temperaturii prin intermediul termocuplelor

După cum s-a demonstrat anterior, tensiunea Seeback reprezintă o măsură a temperaturii Twj a joncțiunii cele mai calde, dacă se menține joncțiunea rece la o temperatură de referință (de exemplu la 00C). temperatura Twj nu poate fi determinată cu precizie deoarece constantele termoelectrice C1 și C2 variază în funcție de temperatură [X]. Aceasta în semnă că dependență temperaturii de tensiunea generată de termocuplu nu este liniară. Pentru a se elimina acest inconvenient, se utilizează diagramele Biroului Național de Standarde (BNS). Aceste diagrame indică în cazul unui anumit tip de termocuplu și temperatura de referință de 00C temperatura corespunzătoare joncțiunii calde pentru o anumită temsiune măsurată.

Joncțiunea rece trebuie menținută la temperatură constantă. Cea mai bună soluție constă în menținerea joncțiunii reci la temperatura de 00C sau să se reducă tensiunea generată la tensiunea care corespunde temperaturii de 00C. Acest procedeu se numește compensarea joncțiunii reci. Compensarea joncțiunii reci se poate face prin metode hardware sau software.

Compensarea software. Prin intermediul unui senzor de temperatură se măsoară temperatura joncțiunii reci în cadrul blocului de conexiune izotermal (care acre aceeași temperatură) și această informație se utilizează pentru calcularea temperaturii T1. Calculul este efectuat de un multimetru comandat de microprocesor special programat pentru măsurarea temperaturii (figurile 3.15 și 3.16).

Fig. 4.16. Principiul compensării software.

Fig. 4.17. Schema bloc a compensării seftware.

Senzorul RT poate fi orice instrument care poate măsura absolut liniar temperatura, un termistor sau un circuit integrat specializat. Conversia temperaturii în tensiune se face prin stocarea tabelelor BNS în memoria sistemului de compensare. Metoda de compensare software este cea mai versatilă metodă de maăsurare a temperaturii prin intermediul termocuplelor. Se pot conecta mai multe termocuple la același computer, indiferent de tipul termocuplelor respective, printr-un sistem de multiplexare a datelor citite de fiecare termocuplu în parte. Prin aceata, se pot combina avantajele achiziției de date cu operațiile de măsurare a temperaturii.

Compensarea hardware. În loc să se măsoare temperatura joncțiunii mai reci și să se calculeze temperatura coresounzătoare după cum s-a prezentat anterior, se poate include în circuit o sursă de tensiune pentru a elimina tensiunea de offset a joncțiunii mai reci (figura 3.18).

Fig. 4.18. Circuitul utilizat pentru compensarea hardware.

Conectarea serie și paralel a termocuplelor

Dacă este necesar să se măsoare temperatura în limite relativ lagi, se impune citirea valorilor medii indicate de termocuple. Temperatura medie este definită ca valoarea medie a temperaturilor:

(4.6)

Termocuplele pot fi utilizate în serie sau în paralel, fiecare posibilitate având propriile sale avantaje și dezavantaje. În fiecare din cele două situații, termocuplele trebuie să fie de același tip, circulația curenților conducând la erori de măsurare substa, circulația curenților conducând la erori de măsurare substanțiale.

În figura 3.19 se prezintă situația conectării termocuplelor în paralel. Circuitul rezultat este similar cu conectarea în paralel a trei surse de tensiune, cu rezistențele interne R1, R2 și respectiv R3. Precizia temperaturii medii indicate de gruparea celor trei termocuple cuplate în paralel este cu atât mai mare cu cât valorile rezistențelor interne R1, R2 și R3 sunt mai apropiate. Rezistențele pot fi ajusstate până când R1 = R2 = R3.

Fig. 4.19. Conectarea termocuplelor în paralel.

Avantajul conectării termocuplelor în paralel constă în faptul se poate realiza calibrarea fircărui termocuplu în parte. Dezavantajul: nu există o indicație de eroare în cazul defectării unui termocuplu.

Fig. 4.20. Conectarea termocuplelor în serie.

În figura 3.20 se prezintă schema conexiunii termocuplelor în serie. Tensiunea la ieșirea grupării va fi:

(4.7)

Conexiunea serie a termocuplelor este echivalentă cu o sursă de tensiune Es conectată în serie cu rezistențele Rs = R1 + R2 +…+ Rn. Împărțind temperatura afișată la numărul de termocuple n, se va obține temperatura medie TG. Temperatura medie nu depinde de valoarea diferită a rezistențelor.

Avantajul. Conexiunea în serie a termocuplelor conferă o mare sensibilitate a precedeului de măsurare a temperaturii, iar defectarea unui termocuplu este remarcată imediat.

Detectoare rezistive de temperatură (termorezistențele) – DRT

Principiul de funcționare

Pentru cele mai multe metale, modificarea rezistenței R în funcție de temperatua T poate fi exprimată matematic sub forma:

(4.8)

în care R0 este rezistență la 00C.

Numărul termenilor din relația de mai sus depinde de natura materialului, de precizia măsurătorii și de plaja de devoluția a temperaturii. Cele mai utilizate metale sunt platina, nichelul (mai rar cuprul) și în mod uzual necesită 2 sau 3 coeficienți α pentru măsurătorile de mare precizie. Dependența rezistenței de temperatură este prezentată în figura 4.21.

Fig. 4.21. Dependența rezistenței de temperatură pentru diferite metale.

În cazul în care se urmărește o precizie și liniaritate normală, relația (3.8) se la:

(4.8)

Pentru platină, α1 = 3,850∙10-3.

Coeficientul de variație a rezistenței cu temperatura depinde de natura materialului și de puritatea ceatuia și se definește prin relația:

(4.9)

Pentru un element Pt-100 (element de platină pentru măsurarea temperaturii între 00C și 1000C), coeficientul de variatie a rezistenței cu temperatura este:

(4.10)

Un element Pt-500 măsoară temperatura între 00C și 1000C.

Diferența constă în variația rezistenței pe 0C. În cazul elementului Pt-100 coeficientul are valoarea 0,385 Ω/0C, iar în cazul Pt-500, același coeficient are valoarea 1,960 Ω/°C. După cum se poate remarca în cazul elementului Pt-500 se atinge o sensibilitate mai mare.

Un dispozitiv DRT este un element rezistiv și trebuie să măsoare un curent pentru a genera un semnal util. Deoarece acest curent înălzește dispozitivul peste temperatura mediului ambiant, (P = R∙I2), pot apare erori dacă această căldură nu este dispersată. Aceasta inseamnă ca trebuie utilizat un dispozitiv cu o rezistență mică și un răspuns rapid sau un dispozitiv cu o rezistență mare și posibilități semnificative de evacuare a căldurii. O altă soluție ar fi păstrarea valorii curentului de măsurare la valori mici (uzual între 1 mA și 5 mA).

Materiale folosite și construcția dispozitivelor DRT

Platina se poate utiliza între -2600C și 7500C, având o liniaritate și stabilitate bune. Acestea sunt motivele pentru care este unul dintre cele mai folosite materiale.

Cuprul este aproape perfect liniar dar are o rezistență relativ scăzută. Pentru a dispune de o rezistență rezonabilă și prin aceasta și o variație utilizabilă a rezistenței, trebuie să se construiască elemente foarte lungi. Cuprul este un element ușor oxidabil, din care cauză nu este recomandat pentru senzori. Totuși, temperatura înfășurărilor din cupru ale motoarelor electrice și ale transformatoarelor se poate măsura prin măsurarea rezistenței lor în curent continuu.

Nichelul este cel mai ieftin și cel mai sensibil metal, însă plaja de temperaturi în care se poate folosi este limitată.

Există următoarele tipuri de elemente rezistive detectoare de temperatură:

DRT cu capsulă de sticlă, recomandate pentru mediile corozive, cu plaja de măsurare cuprinsă între -2200C și 5000C.

DRT cu izolație ceramică și capsulă de oțel cu domeniul de măsurare cuprins între -2200C și 8500C, cu calităti mecanice bune.

DRT cu peliculă metalică: o peliculă de platină este pulverizată pe un suport ceramic, decupată cu ajutorul unui laser și izolată printr-o peliculă de polimer. Este foarte compact și are o rezistență specifică foarte mare, este scump dar mai puțin stabil.

Aplicații

Ca și termocuplele, termorezistențele pot fi conectate în seria sau paralel pentru a determina temperatura medie. Totuși, aceste operații necesită mai multe precautii decât in cazul termocuplelor: este foarte important ca rezistența conexiunii să fie foarte mică. În general se folosesc contacte de aur. Modificarea temperaturii se măsoară cu convertoare disponibile în comerț. Circuitul de măsurare al acestor convertoare este adesea bazat pe configurația punții Wheatstone (figura 3.22).

Tensiunea de ieșire a punții constituie o indicație a rezistenței DRT-ului. Metoda de conectare la punte și modalitatea de cablare pot determina apariția erorilor de măsurare. Se utilizează următoarele trei metode de cablare:

conectarea cu două cabluri;

conectarea cu trei cabluri;

conectarea cu patru cabluri.

Fig. 4.22. Puntea Wheatstone.

Conectarea cu două fire. Puntea are patru conductoare de conexiune, o sursă de alimentare și trei rezistori cu un coeficient de variație cu temperatura egal cu zero. Firele de conexiune au rolul de a separa dispozitivul DRT de rezistoarele din punte în scopul de a evita ce cei trei rezistori din punte să ajungă la aceeași temperatură cu dispozitivul de măsurare.

Conductoarele de legătură pot introduce erori în cazul în care rezistența lor este comparabilă cu cea a termorezistenței.

Schema de conexiune cu două fire este prezentată în figura 3.23.

Fig. 4.23. Schema de conexiune a punții Wheatstone cu două fire lungi.

Conexiunea cu trei fire. Conform figurii 3.24, dacă firele A și B au aceeași lungime și aceeași rezistență, efectul rezistențelor acestor fire se anulează reciproc, deoarece fiecare dintre ele aparține unei jumătăți de punte. Al treilea fir de conexiune C cu influențează rezultatul măsurătorii.

Fig. 4.24. Schema de conexiune a punții Wheatstone cu trei fire.

Conexiunea cu patru fire. Puntea Wheatstone prezentată anterior produce o dependență neliniară între modificarea valorii rezistentei elementului DRT și tensiunea de ieșire, oferind o precizie de 5 % pe întrega gamă de măsură. Pentru a reduce această eroare se recomandă utilizarea u nei surse de curent.

Conexiunea cu patru fire din figura 3.25, îmbunătătește precizia măsurătorilor.

Fig. 4.25. Schema de conexiune cu patru fire.

Sistemul utilizează o sursă de putere și un voltmetru digital. Voltmetrul măsoară diferența de tensiune de la bornele dispozitivului DRT, fiind insensibil la lungimea firelor (I = 0). Singurul dezavantaj al metodei constă in utilizarea a patru fire de conexiune.

Termistori

Principiul de funcționare

Termistorul este un dispozitiv sensibil la temperatură constituit dintr-un material semiconductor. Dacă termocuplul este cel mai versatil dispozitiv de măsurare a temperaturii, detectorul rezistiv de temperatură este cel mai precis, termistorul este cel mai sensibil. Cei mai mulți dintre termistori au un coeficient de temperatură negativ (CTN), dar există și termistori cu coeficient de temperatură pozitiv (CTP). În cazul termistorilor cu coeficient de temperatură negativ, rezistența ohmică a acestora scade pe măsură ce termperatura lor crește (figura 3.26).

Fig. 4.26. Coeficientul temperatură negativ al temistorului,

în comparație cu dispozitivul DRT și cu termocuplul.

Coeficientul de temperatută se poate modifica cu câteva procente pentru fiecare grad Celsius. Aceasta permite termistorului să detecteze modificări mici de temperatură, modificări care nu pot fi detectate de dispozitivele DRT sau de termocuple. Principalul dezavantaj al termistorului constă în faptul că este departe de a fi liniar. Termistorii ieftini prezintă o derivă de parametri (toleranță) considerabilă, necesitând măsuri de calibrare în marea majoritate a cazurilor. Termistorii preciși sunt însă mult mai scumpi.

Caracteristica de transfer a unui termistor este dată de ecuația Stein-Hart:

(4.11)

în care: T reprezintă temperatura [K], R – rezistența termistorului [Ω], A, B, C – consrante.

Constantele A, B și C se pot determina introducând trei valori cunoscute ale rezistenței termistorului în trei ecuații diferite și rezolvând aceste ecuații. Dacă cele trei valori cunoscute se încadrează în intervalul 00C – 1000C, se atinge o precizie de 0,020C.

Tehnologia de fabricare a termistorilor

Uzula termistorii sunt constituiți din oxizi ai unor materiale cum ar fi: nichelul, cobaltul și manganul. Se mai folosesc silicați și sulfați de fier, aluminiu și cupru. Termistorii se fabrică sub formă sferică, de disc, de inele sau de bară, după cum se poate observa în figura 3.27.

Fig. 4.27. Tipuri de termistori.

Deoarece procedeele de fabricare sunt simple, termistorii pot avea dimensiuni foarte reduse. Constanta de timp a termistorilor în miniatură poate fi de câteva milisecunde.

Domenii de utilizare

Spre deosebire de dispozitivele DRT, termistorii au la temperatura camerei o rezistență mare (de la kΩ la MΩ). Din acest motiv, influența rezistenței firelor de conxiune este prea mică pentru a cauza erori de măsurare. Curentul de măsurare poate însă determina încălzirea senzorului. Ca și în cazul termometrelor rezistive, termistorii trebuie izolat de mediul care ar putea scurtircuita sistemul. De obicei, izolarea se realizează prin intermediul sticlei sau ceramicii. Se preferă utilizarea termistorilor în plaje înguste de variație a temperaturii, în care au caracteristici liniare și sunt foarte sensibili.

Un exemplu de utilizare a termistorilor constă în folosirea acestora pentru a măsura temperatura joncțiunii de referință a termocuplelor. Termistorii sunt des utilizați în sistemele de monitorizare a temperaturii (cel mai adesea cu rol de contactoare). Domeniile de utilizare cele mai cunoscute includ:

comutator în aparetele de preparare a cafelei;

comutatoare de curgere: în interiorul unui comutator se introduce un element de încălzire. În momentul în care un lichid sau un gaz trece prin dispozitivul de detectare, fluidul se răcește. Dacă circulația fluidului se întrerupe, transferul de căldură se micșorează și temperatura crește. Termistorul citește temperatura și înlătura blocajul prin intermediul unui contact de releu.

Senzori monolitici de temperatută (senzori integrați – CI sensors)

Senzorii monolitici de temperatură constituie dispozitive moderne de măsurare a temperaturii. Denumirea de „monolitic” derivă din faptul că toate elementele ale întregului circuit sunt situate pe același cip (circuit integrat – IC). Acești senzori pot avea ieșiri în tensiune sau în curent, după cum se poate observa în figura 3.28.

Fig. 4.28. Senzori monolitici de temperatură.

Ambele tipuri de senzori integrați au caracteristici liniare de funcționare, ceea ce însemnă că mărimea de ieșire (tensiune sau curent) evoluează liniar in funcție de temperatură. Valorile tipice sunt de 1 μA/K și 10 mV/K. însă, cu excepția acestui avantaj senzorii monolitici au aceleași dezavantaje ca și termistorii. Fiind semiconductori, funcționează intr-un domeniu limitat de temperaturi (maximum 00C – 1000C). sunt foarte fragili și necesită o sursă externă de energie. Acești senzori constituie o soluție bună pentru măsurarea temperaturii ambiante.

REGLAREA TEMPERATURII ÎNTR-UN CUPTOR CU REZISTOARE VENTILATE (CU CONVECȚIE)

În figura 5.1 este prezentată schema bloc a unui sistem automat de reglare a temperaturii în care temperatura este măsurată prin intermediul unui termocuplu și a unui amplificator operațional care redă tensiunea. Căldura din cuptor este dată de rezistența comandată în tensiune iar traductorul are caracteristica liniara. [6]

Fig. 5.1. Schema bloc a unui sistem automat de reglare a temperaturii.

În care:

Rm este rezistența termică care franeaza circulatia caldurii din interiorul cuptorului catre cavitatea de masurare;

Cm reprezinta capacitatea calorica a cavitatii de masurare;

reprezinta temperaturile din interiorul si exteriorul cuptorului și din cavitatea de masurare;

reprezinta rezistenta termica care franeaza circulatia caldurii pornind de la surasa de caldura pana in interiorul cuptoului;

reprezinta capacitatea calorica a interiorului cuptorului;

reprezinta rezistenta termica ce franeaza circulatia caldurii din interior spre exterior;

reprezinta capacitatea calorica exterioara presupunandu-se a fi infinita.

SCHEMA ELECTRICĂ A CUPTORULUI CU REZISTOARE

În figura 5.2 este prezentată schema electrică a cuptorului cu rezistoare ventilate [6]

Fig. 5.2. Schema electrică a cuptorului cu rezistoare ventilate.

În care:

,

Conform schemei electrice din figură, caldura produsă devine:

Legătura dintre temperatura măsurată și cea din interiorul cuptorului este dată de relația următoare:

Având la bază relațiile de mai sus, procesul este descris de schema funcțională prezentată în figura 4.3.

Fig. 5.3. Schema automată funcțională a sistemului.

Fig. 5.4. Răspunsul sistemului la o intrare tip treaptă.

AUTOMATIZAREA SISTEMULUI UTILIZÂND CONTROLERE PID

Pentru proiectarea regulatorului s-a realizat urmatoarea schema de reglare in bucla inchisa: [6]

Fig. 5.5. Schemă de reglare.

În care:

este functia de transfer pentru regulatorul clasic;

este functia de transfer a partii fixate.

Functia de transfer in bucla inchisa este:

Funcția de transfer de ordinul II în buclă închisă are expresia de mai jos:

Schema regulatorului PID atunci cand comanda derivativa este data de functia de iesire este redata in figura 4.6, în care:

si

Fig. 5.6. Schema regulatorului PID când comanda derivativă

este data de functia de iesire.

Algoritmul de comanda al regulatorului PID este:

Fig. 5.7. Diagrama BODE

Fig. 5.8. Holograful

PROIECTAREA IN SPATIUL STARILOR A UNUI REGULATOR LQ

LQ este abrevierea pentru regulatorul liniar optimal, foarte important, cu indice de performanță pătratic. Acest regulator este considerat ca fiind cel mai important răspuns al controlului modern, în abordările de stare.

Fig. 5.9. Răspunsul indicial al sistemului automatizat optim LQ.

regulator LQ.

Răspunsul indicial al sistemului automatizat optim LQ este prezentat în figura 4.9 iar în figura 4.10 este prezentată diagrama Nichols.

Fig. 5.10. Diagrama Nichols.

CONCLUZII

Cuptoarele cu rezistoare sunt dispozitive de utilizare care transformă, prin efect Joule-Lenz, energia electrică în energie termică. Dacă această conversie se realizează prin intermediul rezistoarelor sau încălzitoarelor (elemente specializate de circuit) atunci avem un cuptor electric cu rezistoare cu încălzire indirectă. În cazul în care piesa de încălzit, numită și încărcătura sau șarja, joacă rol de rezistor, cuptorul electric este de tipul cu rezistoare cu încălzire directă.

Cuptoarele electrice cu rezistoare cu încălzire indirectă se recomandă pentru tratament termic, încălzire în vederea deformării la cald sau la topirea metalelor și aliajelor ușor fuzibile. Temperatura θc din incinta sau camera de lucru a cuptorului poate fi joasă (θc < 350°C), medie (θc = 350…1000°C) sau înaltă (θc >1000°C) și, în funcție de acesta, se aleg materialele de construcție ale cuptorului. [6]

Regimul de lucru al acestor cuptoare poate fi:

intermitent sau periodic, când un ciclu complet de funcționare cuprinde încărcarea, încălzirea, menținerea, răcirea și descărcarea materialelor din cuptor;

continuu când piesele ce se încălzesc se deplasează permanent sau periodic de la capătul de încărcare spre cel de descărcare.

BIBLIOGRAFIE

[1] Ionescu, G., ș.a., “Traductoare pentru automatizări industriale”, vol I., Editura tehnică, București, 1985.

[2] Popescu, D., “Senzori și interacțiunea cu mediu tehnologic”, Universitatea Politehnică București, 1998.

[3] Bratu, Cristian, “Senzori și traductoare – curs”, ELTH UCV.

[4] www.RegieLive.ro.

[5] G., Ionescu, V., Sgarciu “Traductoare pentru aplicații industriale”, vol.1-1986, vol.2-1996, Ed.Tehnică.

[5]. Oancă Marcel – Electronică și Electrotehnică. Laurențiu Frangu, Sergiu Caraman, „Electronică Industrială”, Ed. Academica, Galati, 2001

[6]. Lucrare de laborator Universitatea Tehnică, AC, Cuptor cu rezistență electrică, 2015, Iași