Convertor Temperatura Frecventa

Capitolul 1

Rolul și locul traductoarelor în sistemele automate

Traductorul, element funcțional tipic al sistemelor automate

Una din funcțiile indispensabile pentru conducerea eficientă a unui proces, indiferent de procedeele și mijloacele aplicate, este aceea de informare. Deciziile de conducere pot fi luate numai pe baza unor informații cât mai corecte și mai complete asupra unor parametri semnificativi pentru caracterizarea tehnico-economică a procesului. Informațiile respective, reprezentînd în ultimă instanță valori ale unor mărimi fizice( sau ale unor indicatori calculați prin intermediul acestora ), chiar si în cazul conducerii manuale se obțin ca rezultat al unor operații de măsurare.

Definiția clasică a operației de măsurare, fundamentală pe noțiunea de unitate de măsură, arată că o măsură înseamnă a stabili pe cale experimentală valoarea( numerică ) a unei mărimi fizice necunoscute măsurînd-o prin compararea cu o marime de același natură aleasă in mod convențional ca unitate.

Uzual, măsurările sunt efectuate cu participarea unui operator uman, participare care se reflectă în mod direct în obținerea rezultatelor. Ținînd cont de acest aspect, operația de măsurare ca o comparație directă perceptibilă a mărimii de măsurat cu unitatea nu este posibilă decât într-un număr restrâns de cazuri în care unitățile pot fi realizate sub o formă care să permită utilizarea lor ca atare. Restricțiile apar, pe de o parte, datorită faptului că există numeroase mărimi fizice care nu sunt accesibile simțurilor umane, iar, pe de altă parte, chiar și în situațiile celor care posedă această proprietate numai un domeniu limitat de valori poate fi sesizat. Din aceste motive măsurările se efectuează, în majoritatea cazurilor, cu ajutorul aparatelor de măsurat. Astfel, prin aparat de măsurat se înțelege acel dispozitiv care stabilește o dependență între mărimea de măsurat și o altă mărime care poate fi percepută în mod nemijlocit de organele de simț umane, de o manieră care permite determinarea valorii mărimii necunoscute în raport cu o anumită unitate de măsură.

În cazul sistmelor automate conducerea proceselor efectuându-se fără intervenția directă a omului, mijloacele prin care acestea se realizează – inclusiv cele care se referă la funcția de informare – se modifică în concordanță cu noile condiții. În consecință, operațiile de măsurare în sistemele automate sunt efectuate de traductoare, dispozitive care stabilesc o corespondență între mărimea de măsurat și o mărime cu un domeniu de variație calibrat, aptă de a fi recepționată și prelucrată de echipamentele de conducere( regulatoare, calculatoare de proces etc. ).

În cele de mai sus noțiunea de traductor a fost definită în sensul atribuit în automatică. Ea este extinsă adesea și pentru a denumi elemente cu funcțiuni similare care intră în structura unor lanțuri de măsurare complexe utilizate în scopuri de cercetare, în laboratoare etc. și care nu sunt incluse într-o buclă de reglare sau într-un sistem de conducere cu calculator funcționînd on-line(deși pot fi asociate cu echipamente de calcul pentru prelucrarea automată a datelor).

O primă constatare, care se poate desprinde din cele menționate și care rezultă și din examinarea diverselor modalități de conducere automată a proceselor este aceea că traductorul reprezintă un element tipic pentru structura oricărui sistem automat.

O a doua observație importantă se referă la faptul că, in cadrul analogiei între conducerea manuală a proceselor și cea automată, se poate evidenția asemănarea între funcțiile realizate de traductoare și aparatele de măsurat.

Relevînd paralelismul funcțional între un traductor și un aparat de măsurat esrte necesar să se observe și o serie de deosebiri generate de atributul de element component al unui sistem automat pe care îl are traductorul. Aceste deosebiri se manifestă mai ales în ceea ce privește caracteristicile statice și dinamice, dar ele sunt legate și de unele funcțiuni suplimentare, cu implicații asupra ansamblului aparaturii de automatizare.

Din punct de vedere al caracteristicilor statice și dinamice, principalele cerințe impuse traductoarelor [ 1,2 ] sunt :

relația liniară de dependență intrare-ieșire ;

dinamică proprie care să nu influențeze în mod esențial comportarea sistemului automat.

Aceste ipoteze reprezintă restricții severe în ceea ce privește construcția traductoarelor. Astfel dacă pentru un aparat de măsurat relația de dependență între mărimea aplicată și deviația acului indicator este neliniară, aceasta nu constituie un impediment întrucât se poate grada neliniar scara aparatului .

În cazul traductoarelor dependența trebuie să fie strict liniară( eroarea de neliniaritate admisă este foarte redusă ), toate calculele de sistem bazându-se pe această proprietate de neliniaritate .

Relativ la dinamica proprie a traductorului, aceasta trebuie interpretată în sensul necesității ca ea să fie foarte rapidă, și, ca urmare, neglijabilă în comparație cu dinamica procesului propriu-zis. O astfel de caracteristică este absolut necesară deoarece informațiile trebuie furnizate cu promtitudine ( fără întârzieri )pentru ca intervențiile de conducere să fie oportune. Se deduce că și din acest punct de vedere caracteristicile dinamice ale traductoarelor sunt, în mod frecvent , mult mai pretențioase decât ale aparatelor de măsurat destinate să indice valori staționare sau lent variabile, în limitele vitezei de percepție vizuală.

Traductoarele trebuie să îmbine cerințele semnalate de liniaritate și viteză de răspuns ridicată cu performanțe metrologice privind precizia similare cu cele ale aparatelor de măsurat sau chiar mai ridicate ținînd cont de posibilitățile superioare de discriminare ale sistemelor de conducere automată față de cele ale unui operator.

Este de remarcat faptul că analiza sistemelor de reglare automată vizează în mod curent aspecte referitoare la valoarea erorii staționare și la dependența acesteia de dinamica sistemelor în cazul anumitor forme standard de variație a mărimii de referință: treaptă, rampă, impuls etc.

Toate considerațiile și relațiile stabilite pentru analiza și sinteza sistemelor de reglare pornesc de la premisa că erorile pe care le-ar putea introduce traductorul sunt neglijabile.

În consecință devine evidentă importanța preciziei acestuia pentru problema reglării și pentru conducerea automată în general.

Traductoarele implică și necesitatea unei fiabilități sporite în raport cu aparatele de măsură datorită faptului că o indicație greșită a acestora din urmă ar putea fi sesizată și interpretată ca atare de către un operator, pe când detectarea unor valori eronate furnizate de traductoare este mult mai dificilă in cazul sistemelor de conducere automată.

În concluzie se poate afirma că traductoarele sunt elemente componente tipice ale sistemelorautomate, prin intermediul cărora se realizează funcția informațională și că ele trebuie să întrunească o serie de caliăți care să le apropie de caracteristicile ideale de liniaritate,dinamică și precizie pentru a asigura valabilitatea ipotezelor și relațiilor matematice pe baza cărora sunt formalizate problemele de conducere automată a proceselor.

1.2. Poziția traductoarelor în sistemele automate

Ținând seama de satisfacerea calităților arătate anterior și de faptul că semnalele furnizate la ieșire de către traductoare constituie singurele mărimi accesibile în exteriorul procesului în vederea prelucrării și elaborării comenzilor de către dispozitivele de automatizare,în schemele de calcul ale sistemelor automate traductoarele pot să apară,uneori,incluse în blocul prin care este reprezentat procesul.Această reprezentare are un caracter pur formal.

În realitate traductoarele,ca și elementele de execuție,sunt unități constructive distincte dispuse pe cele două căi de interconectare între procesul propriu-zis și elementele sistemului de reglare automată(fig.1.1)respectiv ale sistemului de conducere cu calculator de proces (fig.1.2).

Fig.1.1 Schema de principiu a unui sistem de reglare convecțională:R-regulator;EE-element de execuție;P-proces;

T-traductor;EC-element de comparație;-valoarea de referință;y-valoarea curentă; ε-eroarea(abaterea); u-comanda;

w-mărimea de execuție; x-mărime din proces reprezentănd parametrul reglat; v-perturbația

Fig.1.2. Schema de principiu pentru conducere cu calculator de proces:CU-calculator universal; COP-consola operatorului de proces; PG-periferice generale; SII-sistemul de interfață al intrărilo; SIE-sistemul de interfață al ieșirilor; SIA-sistem de interfață pentru semnale analogice; SIN-sistem de intefață pentru semnale numerice; T-traductoare; EE-elemente de execuție; P-proces; CP-calculator de proces

Traductoarele, în concordanță cu funcțiunile specificate, sunt situate pe calea informațională având sensul de transmisie de la proces către sistemul de conducere, elementele de execuție fiind plasate pe cealaltă cale, de transmisie a comenzilor, al cărui sens este de la sistemul de conducere spre proces.

Rezultă astfel că prin poziția lor traductoarele sunt cuplate, pe de o parte(în intrare), cu instalațiile tehnologice care constituie sediul procesului și, pe de altă parte(la ieșire), sunt conectate la dispozitivele de automatizare(la intrarea în regulator sau la sistemul de interfață al intrărilor în calculatorul de proces) .

Cuplarea traductoarelor cu procesul se poate face de o manieră foarte diversificată- mecanică, termică, electrică etc. – în raport cu natura fenomenelor purtătoare de informație referitoare la mărimea de măsurat. Conectarea traductoarelor cu dispozitivele de automatizare este dependentă de caracteristicile constructive ale acestora, care impun de altfel și conversia pe care trebuie să o realizeze, respectiv natura fizică a mărimii furnizată la ieșire. Datorită unor avantaje bine cunoscute, marea majoritate a echipamentelor de automatizare sunt electrice sau electonice și numai în cazuri special pneumatice (în medii cu pericol de incendiu sau de explozie) . Ca urmare semnalele de ieșire ale traductoarelor sunt de natură electrică (tensiuni, curenți) sau pneumatică (aer sub presiune) .

Fie că sunt electrice sau pneumatice, traductoarele destinate automatizărilor industriale au, de regulă, semnale de ieșire cu variații într-o gamă fixată indiferent de domeniul de valori al mărimii pe care o primesc la intrare. Se creează astfel posibilitatea tipizării celorlalte elemente, realizându-se așa-numitele sisteme de aparate de automatizare funcționând cu semnal unificat. Prin această tipizare același regulator automat, de exemplu, poate fi utilizat la reglări de presiuni, debite, nivele, temperaturi etc. , oricare ar fi limitele impuse pentru mărimea de referință. Tipizarea asigură avantaje tehnico-economice importante legate de producerea în serii mari a aparaturii de automatizare, modularizarea, interșanjabilitatea și interconectarea ușoară a diferitelor componente etc.

Având un rol important în unificarea componentelor sistemelor de automatizare industriale, trebuie subliniat că traductoarele rămân ele însele elementele cele mai diversificate datorită condițiilor extrem de variate pr care le implică multitudinea de parametri caracteristici pe care trebuie să îi convertească în semnale unificate.

Un alt aspect important referitor la poziția traductoarelor este acela al condițiilor de funcționare. În acest sens trebuie observat că, dacă regulatoarele și echipamentele care alcătuiesc structurile de conducere cu calculator sunt amplasate în dulapuri locale sau în încăperi unde factorii de mediu se poti în cazuri special pneumatice (în medii cu pericol de incendiu sau de explozie) . Ca urmare semnalele de ieșire ale traductoarelor sunt de natură electrică (tensiuni, curenți) sau pneumatică (aer sub presiune) .

Fie că sunt electrice sau pneumatice, traductoarele destinate automatizărilor industriale au, de regulă, semnale de ieșire cu variații într-o gamă fixată indiferent de domeniul de valori al mărimii pe care o primesc la intrare. Se creează astfel posibilitatea tipizării celorlalte elemente, realizându-se așa-numitele sisteme de aparate de automatizare funcționând cu semnal unificat. Prin această tipizare același regulator automat, de exemplu, poate fi utilizat la reglări de presiuni, debite, nivele, temperaturi etc. , oricare ar fi limitele impuse pentru mărimea de referință. Tipizarea asigură avantaje tehnico-economice importante legate de producerea în serii mari a aparaturii de automatizare, modularizarea, interșanjabilitatea și interconectarea ușoară a diferitelor componente etc.

Având un rol important în unificarea componentelor sistemelor de automatizare industriale, trebuie subliniat că traductoarele rămân ele însele elementele cele mai diversificate datorită condițiilor extrem de variate pr care le implică multitudinea de parametri caracteristici pe care trebuie să îi convertească în semnale unificate.

Un alt aspect important referitor la poziția traductoarelor este acela al condițiilor de funcționare. În acest sens trebuie observat că, dacă regulatoarele și echipamentele care alcătuiesc structurile de conducere cu calculator sunt amplasate în dulapuri locale sau în încăperi unde factorii de mediu se pot menține în limite care nu impun măsuri constructive speciale de protecție, traductoarele sau unele componente ale acestora sunt montate direct în instalațiile în care se desfășoară procesul. Aceasta înseamnă că ele trebuie să funcționeze în condiții foarte severe de mediu, adesea în aer liber sau pe utilaje aflate în incinte cu temperaturi, presiuni ridicate, agenți chimici etc. având intervale mari de variație și care constitue surse perturbatoare puternice.

Asigurarea unei funcționări corecte în asemenea condiții dificile pune probleme deosebite în ceea ce privește realizarea constructivă a traductoarelor.

Structura generală a unui traductor

Realizarea funcțiilor menționate de către traductor astfel încât semnalul obținut la ieșirea acestuia să reprezinte valoric mărimea măsurată, sub formă accesibilă dipozitivelor de automatizare, implică o serie de operații de conversie –cu caracter informațional—însoțite totodată și de transformări energetice bazate fie pe energia asociată mărimii preluate de la proces, fie pe cea furnizată de surse auxiliare. În acest scop în componența oricărui traductor se pot distinge unele elemente funcționale tipice conform structurii generale reprezentate în figura 1.3.

c y

Figura 1.3. Structura generală a unui traductor.

Considerând cazul uzual al sistemelor de reglare, marimea de măsurat x aplicată la intrarea traductorului reprezintă parametrul reglat –temperatura, debit, presiune, nivel, viteză, etc. La ieșirea traductorul furnizează valoarea mărimii măsurate y sub forma unui semnal unificat sau specializat în concordanță cu cerințele aparaturii de automatizare dacă aceasta nu este standardizată.

Pentru sistemele de conducere complexă poate să apară necesitatea caracterizării procesului printr-o mărime de calitate dedusă de combinarea mai multor parametri. Obținerea valorii acestei mărimi de calitate se realizeazăprin operații specifice măsurărilor indirecte, efectuate asupra mai multor mărimi componente în cadrul unui traductor adecvat sau, cel mai adesea, asupra semnalelor de ieșire de la mai multe traductoare cu aceeași structură din figura1.3.

Funcțiunile elementelor componente evidențiate în schema din figura 1.2. sunt următoarele:

Elementul sensibil ES (denumit și detector, captor sau senzor) este elementul specific pentru detectarea mărimii fizice pe care traductorul trebuie să o măsoare.

Mediului în care funcționează traductorul, în afara mărimii x pe care acesta trebuie să o convertească, îi sunt proprii numeroase alte mărimi fizice. Elementul sensibil se caracrerizează prin proprietatea de a detecta numai mărimea x, eliminând sau reducând la un minim acceptabil influențele pe care le exercită asupra sa toate celelalte mărimi fizice existente în mediul respectiv.

Sub acțiunea mărimii de intrare are loc o modificare de stare a elementului sensibil, care, fiind o consecință a unor legi fizice cunoscute teoretic sau experimental, conține informația necesară determinării valorii acestei mărimi.Modificarea de stare presupune un consum energetic preluat de la proces.În raport cu fenomenele fizice pe care se bazează detecția, cu puterea asociată mărimii de intrare și cu cota din aceastacare se poate ceda fără a-i altera valoarea, modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la ieșirea elementului sensibil (de exemplu, tensiunea electromotoare e unui termocuplu în funcție de temperatură) . În alte situații modificarea de stare are ca efect variații ale unor parametri de material a căror evidențiere printr-un semnal necesită o energie de activare externă.

Este de observat că indiferent cum s-ar manifesta modificarea de stare a elementului sensibil, de obicei, informația furnizată nu poate fi folosită ca atare necesitând prelucrări ulterioare.

Adaptorul A este cel de al doilea bloc funcțional important al traductoarelor. Așa cum rezultă și din denumirea sa, are rolul de a adapta informația obținută (simbolic) la ieșirea elementului sensibil la cerințele impuse de aparatura de automatizare care o utilizează, respectiv să o convertească sub forma impusă pentru semnalul y.

Cu privire la adaptor se pot remarca unele particularități semnificative:

-pe partea de intrare adaptorul se caracterizează printr-o mare diversificare din necesitatea de a putea prelua variantele forme sub care pot să apară modificările de stare ale numeroaselor tipuri de elemente sensibile;

-pe partea de ieșire adaptoarele cuprind, îndeosebi în cazul aparaturii de automatizare standardizate, elementele constructive comune specifice generării semnalelor unificate și care nu depind deci de tipul sau domeniul de valori al mărimii de intrare.

Funcțiile realizate de adaptor sunt complexe. Ele determină ceea ce se înțelege în mod curent prin adaptare de nivel sau de putere (impedanță) cu referire la semnalul de ieșire în raport cu dispozitivele de automatizare. Totodată adaptorul este cel care asigură conversia variațiilor de stare ale elementelor sensibile în semnale calibrate reprezentând valoarea mărimii de intrare. Prin urmare, se poate spune că adaptorul este elementul în cadrul căruia se efectuează operația specifică măsurării – comparația cu unitatea de măsură adoptată. Modalitățile practice de efectuare a comparației pot fi diverse, ele ținând de însăși principiile metodelor de măsurare aplicate și determinând diferențieri structurale importante ale adaptoarelor. Astfel comparația se poate face în raport cu o mărime etalon care exercită o acțiune permanentă și simultană cu mărimea de intrare (comparație simultană) . În cele mai multe cazuri comparația este nesimultană, în sensul că mărimea etalon este aplicată din exterior inițial, în cadrul operației de calibrare, anumite elemente constructive memorând efectele sale și utilizându-le ulterior pentru comparația cu mărimea de măsurat efectele sale și utilizându-le ulterior pentru comparația cu mărimea de măsurat, singura care se aplică din exterior în aceste cazuri (comparație succesivă) .

Este de semnalat că, potrivit legilor fizice pe care se bazează detecția efectuată de elementul sensibil și măsurarea în cadrul adaptorului, poate să apară necesitatea efectuării unor operații de calcul liniare (atenuare, amplificare, sumare, integrare, diferențiere), neliniare (produs, ridicare la putere, logaritmare), sau realizării unor funcții neliniare particulare intenționat introduse pentru compensarea neliniarităților inerente anumitor componenete și asigurarea unei dependențe liniare intrare-ieșire pentru traductor în ansamblu.

Ținând seama de elementele constructive comune impuse de tipurile de semnale furnizate la ieșire, adaptoarele pot fi grupate în două categorii: electrice (electronice) și pneumatice.

Forma de variație a semnalelor respective conduce la o altă modalitate de clasificare: analogice și numerice. Semnalele analogice se caracterizează prin variații continue ale unui parametru caracteristic, similare cu variațiile mărimii aplicate la intrarea traductorului (mărime în mod natural continuă). Ca exemple de semnale analogice unificate pot fi citate următoarele:

-curent continuu 0.5…5 mA; 2…10 mA; 4…20 mA;

-tensiune continuă 0…10 V; 0…20 V; -10…+10 V;

-presiune (aer) 20…100 kN/m.

Prin calibrare, intervalul de variație al variației al semnalului analogic se asociază domeniul necesar al mărimii de intrare în traductor și în consecință fiecărui nivel de semnal îi corespunde o valoare bine precizată (prin legea de dependență liniară) a mărimii măsurate.

În ultimii ani, o dată cu utilizarea tot mai frecventă a calculatoarelor de proces și a echipamentelor de reglare numerică, oserie de traductoare fufnizează la ieșire semnale numerice, fiind prevăzute în acest scop cu adaptoare capabile să efectueze conversia analog-numerică. Semnalele numerice se caracterizează prin variații discrete care permit reprezentarea într–un anumit cod a unui număr finit de valori din domeniul de variație continuă al mărimii de intrare. Codurile adoptate trebuie să fie compatibile cu echipamentele de reglare numerică, respectiv cu sistemele de interfață ale intrărilor calculatoarelor de proces, ceea ce a impus tendințe de standardizare și a semnalelor numerice furnizate de traductoare. Cele mai utilizate sunt următoarele coduri( cu nivele compatibile TTL ) :

-binar natural, cu 8; 10; 12 sau 16 biți;

-binar codificat zecimal, cu 2, 3 sau 4 decade .

Orice traductor, indiferent de complexitate, de destinație sau de forma constructivă, poate fi redus la structura funcțională simplă constituită din blocuri principale –elementul sensibil și adaptorul. Uneori însă, particularități legate de aspecte tehnologice sau economice impun prezența și a unor elemente auxiliare. Astfel sunt cazuri, de exemplu la măsurarea temperaturilor ridicate, când elementul sensibil nu poate fi plasat în aceeași unitate constructivă cu adaptorul. În general elementele de transmisie realizează conexiuni electrice, mecanice, optice sau de altă natură. daCă marimea generată de elementul sensibil este nsadecvată pentru transmisie—ele cuprind și componente de conversie potrivit cerințelor impuse de canalele de transmisie.

Tot în categoria elementelor auxiliare se încadrează sursele de energie cuprinse în cadrul traductoarelor. Conversiile care au loc atât în elementul sensibil, cât și în adaptor necesită consumuri de energie care, chiar dacă principial s-ar putea obține utilizând puterea asociată mărimii de măsurat, introduc dificultăți de realizare a performanțelor impuse semnalului de ieșire și de adaptare de impedanță cu elementele receptoare. De aceea, de cele mai multe ori conversiile care au loc se fac utilizând energia furnizată de aceste surse auxiliare.

Desigur, pentru diverse cazuri particulare pot fi evidențiate și alte elemente auxiliare. Este de observat însă că toate acestea pot fi grupate din punct de vedere funcțional astfel incât se ajunge în ultimă instanță tot la schema din figura 1.2, care reprezintă structura generală tipică a traductoarelor utilizate in cadrul sistemelor automate.

1.4. Clasificarea traductoarelor

Traductoarele pot fi clasificate după mai multe criterii. După principiul de funcționare, traductoarele pot fi:

traductoare generatoare, care furnizează un semnal electric fără să fie alimentat cu putere electrică (de exemplu, termocuplul, generatoare tahometrice, dispozitive fotoelectrice, traductoare piezoelectrice etc. ) ;

traductoare parametrice, care necesită alimentare electrică pentru a furniza semnalul de ieșire (de exemplu, termorezistoare, traductoare electrotensometrice, traductoare inductive sau capacitive de deplasare, traductoare potențiometrice etc. ) .

După natura mărimilor furnizate la ieșire se deosebesc:

traductoare analogice care furnizează un semnal variabil continuu cu mărimea măsurată (variația unei tensiuni, a unei impedanțe, a frecvenței sau a fazei unui semnal electric alternativ, variația duratei unor impulsuri etc. ) ;

traductoare digitale, care furnizează un semnal discontinuu, o succesiune de impulsuri sau o combinație de tensiuni care după un anumit cod reprezintă valori discrete ale mărimii de măsurat.

După mărimea de intrare, traductoarele pot fi:

traductoare pentru mărimi geometrice (lungime, arie, volum, nivel, unghi, rugozitate etc. ) ;

traductoare pentru mărimi mecanice(masă, forță, presiune, debit etc.);

traductoare de temperatură;

traductoare pentru mărimi fotometrice;

traductoare pentru mărimi de material (densitate, indice de refracție, vâscozitate etc. ) ;

traductoare de compoziție și concentrație;

traductoare pentru radiații etc. .

Există traductoare cu convertire directă (de exemplu, traductor de deplasare potențiometric, traductor de temperatură cu termocuplu ) și traductoare cu convertire indirectă, în care se folosesc una sau mai multe mărimi intermediare (de exemplu, traductor electrotensometric de forță, la care mărimea intermediară este deformarea; traductor de viteză cu fir cald, în care mărimea intermediară este temperatura).

1.5. Caracteristici generale ale ansamblurilor de măsurare a mărimilor neelectrice

Aceste caracteristici generale se referă la interdependența mărimilor de intrare și de ieșire ale elementelor acestuia. Ele sunt de trei tipuri : caracteristici de intrare, caracteristici de transfer și caracteristici de ieșire.

Caracteristicile de intrare reprezintă relația între mărimile de intrare ale sistemului și caracterizează interacțiunea acestuia cu obiectul supus măsurării. Un exemplu de caracteristică de intrare este impedanța de intrare, în cazul unui element cu intrare de natură electrică. În mod analog se pot defini mărimi similare impedanței și în cazul mărimilor de intrare neelectrice (de exemplu, impedanță mecanică, impedanță acustică etc. ) .

Caracteristicile de transfer reprezintă relația între câte o mărime de intrare și o mărime de ieșire. Ele caracterizează funcționarea traductorului în sine, fără a ține seama de interacțiunea acestuia cu elementele între care este intercalat. Caracteristicile de transfer sunt cele mai importante dintre caracteristicile generale. Pot fi statice sau dinamice, exprimate analitic sau grafic, globale (integrale) sau locale (diferențiale) .

Caracteristicile de ieșire reprezintă relații între mărimile de ieșire ale sistemului și caracterizează interacțiunea acestuia cu elementul care este cuplat la ieșire.

Caracteristici statice. Cea mai importantă caracteristică statică este cea care exprimă dependența dintre mărimea de intrare x și mărimea de ieșire y

(numită și caracteristică de transfer statică). În figura 1.4 sunt date câteva exemple de caracteristici statice. Caracteristica din figura 1.4a este o caracteristică liniară, reprezentată prin ecuația :

unde a este o constantă de aceeași dimensiune cu z, iar k este un factor constant de dimensiunea raportului y/x. Caracteristicile din figura 1.4b și 1.4c sunt exemlpe de caracteristici neliniare. Practic toate caracteristicile elementelor sunt mai mult sau mai puțin neliniare; cele fără neliniarități pronunțate pot fi aproximate printr-o caracteristică liniară.

Y Y

a

a. b.

Fig. 1.4. Caracteristici statice:

a-caracteristică liniară; b-caracteristică cu prag de sensibilitate; c-caracteristică curbilinie.

Valorile și , respectiv și constituie limitele domeniului sau gamei de lucru:

-domeniul de intrare este:

-,

-domeniul de ieșire este:

–

Coeficientul de transfer caracterizează cantitativ proprietățile de transfer se mai numește sensibilitate.

Coeficientul de transfer mediu este dat de raportul

iar coeficientul de transfer efective (reale) de la caracteristica de transfer nominală (ideală) definește erorile statice ale elementului. Aceste erori se definesc, în general, ca și la aparatele de măsurat mărimi electrice.

Caracteristici dinamice. Comportarea în regim dinamic a sistemelor sau elementelor de măsurare este caracterizată în special prin rămânerea în urmă a variabilei de ieșire y în raport cu variabila x (eroarea dinamică) . În unele cazuri prezintă importanță și modul diferit de variație în timp a lui y față de x (de exemplu, o variație periodică a lui y la variația aperiodică a lui x) .

Comportarea elementelor în regim dinamic este exprimată prin caracteristica dinamică a elementului. Această rezultă din ecuația diferențială care leagă variațiile mărimilor și , în general de forma unei ecuații diferențiale liniare de ordinul n. Cele mai multe elemente din aparatele electronice de măsurat pot fi caracterizate prin ecuații diferențiale de ordinul I sau aperiodice se întâlnesc ca elemente electrice sub forma circuitelor rezistență – capacitate (RC) sau rezistență – inductanță (RL), ca elemente pneumatice sub forma unui rezervor legat la o conductă de aer printr-o rezistență, ca elemente mecanice sub forma unui resort legat de un amortizor, ca elemente termice sub forma unui corp care schimbă căldură cu un alt corp etc. .

Caracteristica dinamică a unui element de ordinul I are ecuația diferențială:

,

iar funcția de transfer, obținută cu ajutorul transformatei Laplace, este:

Mărimea T se numește constanta de timp a elementului.

Elementele de ordinul II se întâlnesc ca elemente electrice sub forma de circuite rezistență – inductanță – capacitate (RLC), ca elemente mecanice conținând mase inerte le resoarte legate la resoarte și amortizoare etc.

Ecuația diferențială a unui element de ordinul II este:

,

iar fucția de transfer este:

În figura 1.5 sunt reprezentate caracteristicile de frecvență și răspunsul la saltul treaptă al elementelor de ordinul I și de ordinul II.

În figura 1.6 se prezintă o formă mai generală de răspuns la saltul treaptă al unui element de măsurare. Cele mai importante dintre mărimile care caracterizează acest răspuns sunt următoarele:

– timpul de întârziere (sau timpul mort) : timpul de la momentul aplicării semnalului x până la atingerea de către y a valorii 0.1 , în care este răspunsul static;

– timpul de creștere al lui y: timpul de la 0.1 la 0.9 ;

– timpul de stabilire:durata totală a regimului tranzitoriu, de la momentul aplicării semnalului x până la momentul în care abaterea instantanee a lui y față de a scăzut sub un procent determinat (de exemplu, sub 1%).

Fig.1.5. Caracteristicile de frecventa si raspunsurile la saltul treapta ale elementelor de ordinul 1 si 2

Fig.1.6. Forma generala a raspunsului la saltul treapta a unui element de masurare

Capitolul 2

Traductoare de temperatură

Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite efecte fizice determinate de variația temperaturii. Cele mai importante dintre acestea sunt: dilatarea solidelor, lichidelor sau a gazelor; variația rezistenței electrice; tensiunea electromotoare la joncțiunea a două metale; intensitatea radiațiilor emise; variația frecvenței de rezonanță a unui cristal etc.

Traductorul de temperatură nu este însă un simplu sesizor al unuia din aceste efecte. El trebuie proiectat special pentru a funcționa corect, plasat în punctul adecvat, protejat împotriva unor acțiuni distructive sau perturbatoare și construit astfel încât să asigure repetabilitatea și reproductibilitatea măsurărilor pe toată durata de viață utilă.

Intervalul de temperatură în univers se întinde de la aproximativ 0 K în spațiul interplanetar până la miliarde de K în procesele de fuziune nucleară din interiorul unor stele. Intervalul practic de temperatură pe pământ poate fi considerat între 0…20000 K, în general, sau 0…5000 K în majoritatea aplicațiilor industriale, științifice etc. Aceasta este o gamă încă extrem de largă, care nu poate fi acoperită de niciunul din tipurile cunoscute de traductoare de temperatură. De aceea, ina din restricțiile care se impun la utilizarea traductoarelor de temperatură este intervalul util de temperatură în care poate fucționa. Alți parametri importanți sunt: precizia de măsurare, dimensiunile, sensibilitatea, stabilitatea, timpul de răspuns. O caracteristică importantă în multe cazuri este interschimbabilitatea: unele traductoare (ca de exemplu, termocuplurile, termorezistoarele metalice) sunt interschimbabile, pe când altele (de exemplu termistoarele) nu sunt în general interschimbabile.

Cele mai obișnuite mijloace de măsurare a temperaturii sunt:

termometre cu lichid;

termometre manometrice;

termometre bimetalice;

termorezistoare metalice;

termistoare;

termometre cu cuarț;

termoculuri;

pirometre de radiație.

Primele trei dintre acestea nu necesită dispozitive electronice pentru măsurare.

2.1 Termorezistoare metalice

Se bazează pe variația rezistivității metalelor cu temperatura. Alegerea metalului cel ami potrivit în acest scop depinde de mai mulți factori: ușurința obținerii metalului pur sâși a trefilării la diametre mici, posibilitatea de urmărire a variațiilor rapide de temperatură, contaminarea fizico-chimică în prezența diferiților agenți, valoarea și reproductibilitatea coeficientului de temperatură, liniaritatea etc.

În prezent se folosesc pe scară largă pentru confecționarea termorezistoarelor platina, nichelul, wolframul și cuprul. Alte metale, ca iridiul, rodiul, argintul, fierul și tantalul se folosesc în aplicații speciale.

Platina întrunește cele mai multe calități pentru utilizarea în termorezistoare. În plus față de condițiile enumerate mai sus, platina nu se volatilizează apreciabil la temperaturi până la .

În schimb, ea poate fi contaminată de gaze în atmosfere reductoare și acționează ca un catalizator în prezența anumitor hidrocarburi; de aceea, termorezistoarele cu platină sunt de obicei capsulate. Intervalul util de temperatură pentru termorezistoarele cu platină este între .

Nichlelul este de asemenea obtenabil cu înaltă puritate. Între prezintă cea mai mare variație a rezistenței cu temperatura dintre toate metalele; dar peste coeficientul său de temperatură scade brusc, iar caracteristica sa este puternic neliniară.

Wolframul este util în special pentru măsurări de temperaturi înalte, peste .

Cuprul se oxidează ușor și își pierde puritatea, ceea ce îl face mai puțin utilizabil.

Traductoarele termorezistive din fir metalic se construiesc cu două, trei sau patru conexiuni, în funcție de precizia necesară. Dacă se cere o precizie ridicată, construcția cu patru conexiuni este preferată, deoarece este singura care permite eliminarea efectului rezistenței conexiunilor și contactelor.

Construcția traductorului depinde de destinația lui. Un exemplu de construcție este reprezentat în figura 2.1.

Măsurarea se face, în mod obișnuit cu ajutorul unei punți Wheatstone echilibrate manual sau automat. În aplicații industriale se utilizează logometre sau punți automate, gradate direct în . Pentru măsurări de foarte mare precizie se folosesc punți Thomson.

Termorezistoarele pot fi utilizate la măsurarea temperaturii între , cu o precizie de obicei de , dar care ajunge – la traductoare speciale – până la . Au avantajul interschimbabilității. Timpul lor de răspuns este relativ scurt.

Fig. 2.1. Construcția unui traductor cu termorezistor metalic

2.2 Termistoare

Termistoarele sunt dispozitive semiconductoare sensibile la temperatură, a căror rezistență variază în mare măsură cu temperatura. Majoritatea tipurilor de termistoare au un coeficient de temperatură negativ, care ajunge la (există însă și se folosesc în unele aplicații și termistoare cu coeficient de temperatură pozitiv).

Termistoarele sunt confecționate din amestecuri de oxizi de nichel, mangan, cobalt, fier, magneziu, titan și alte metale, sinterizate la temperaturi peste . Valoarea rezistenței la rece și variația ei cu temperatura depind în mare măsură de compoziția și tratamentul de fabricație, astfel încât aceste caracteristici nu sunt reproductibile decât în anumite limite.

În figura 2.2 sunt reprezentate câteva tipuri constructive de termistoare folosite la măsurarea temperaturii. Pentru diferite aplicații, termistoarele pot fi încapsulate în plastic sau metal, în sonde de diferite dimensiuni și forme, sau în sticlă.

Caracteristicile termice și electrice ale termistoarelor sunt mai puțin stabile decât ale termorezistoarelor metalice. Pentru îmbunătățirea stabilității, termistoarele pot fi supuse unei îmbătrâniri, prin menținerea lor un anumit timp la o temperatură relativ înaltă.

Măsurarea se face în cele mai multe cazuri cu ajutorul unei punți Wheatstone, echilibrată sau neechilibrată. În cazul punții echilibrate – foarte des folosită în termometre cu termistor – se prevede un reglaj de calibrare, pentru compensarea variației tensiunii de alimentare a punții. Precizia de măsurare nu depășește de obicei . Intervalul de măsurare se divide în game suficient de înguste pentru a putea realiza precizia necesară. Trecerea de la o gamă la alta se realizează prin comutarea unor rezistoare în brațele punții. De multe ori la ieșirea punții se poate conecta direct un microampermetru magnetoelectric, fără amplificare.

Fig. 2.2. Tipuri constructive de termistoare:

mărgea; b- șaibă; c- disc; d-cilindric.

Alte soluții, folosind amplificatoare operaționale, sunt ilustrate în figura 2.3. Schema simplificată din figura 2.3a permite obținerea unei tensiuni invers proporționale cu rezistența termistorului ; scara aparatului este crescătoare cu temperatura, dar puternic neliniară. Schema din figura 2.3b folosește o punte cu două termistoare, unul activ și altul de referință. Această schemă permite măsurarea temperaturii în game oricât de restrânse, cu scări aproape liniare. Gamele pot fi comutate prin schimbarea rezistoarelor .

(a)

U0

(b)

2.3. Termometre cu termistor:

cu amplificare directă; b- în punte, cu două termistoare.

O problemă care necesită atenție la termometrele cu termistoare este încălzirea proprie a termistorului, datorită curentului de măsurare. Acest efect produce o eroare sistematică, care poate fi corectată numai dacă termistorul este pus în condiții de răcire constante; în general, el trebuie evitat prin efectuarea măsurării cu o putere disipată suficient de mică în termistor.

Termistoarele pot fi combinate cu rețele rezistive, astfel încât să se obțină una sau ambele proprietăți următoare

caracteristică rezistență-temperatură liniară;

egalizarea caracteristicilor unui lot de traductoare, folosind termistoare inegale (cu o oarecare dispersie a parametrilor).

Pe această bază, s-au realizat traductoare de temperatură industriale, interschimbabile și suficient de stabile. Ele nu s-au răspândit însă în practică, din cauza intervalului mic de temperaturi măsurabile (în general, între ). În schimb, termistoarele au avantaje ca sensibilitate ridicată, valori de rezistență în intervale largi (de la zeci de ohmi la sute de kiloohmi), dimensiuni foarte mici, timp de răspuns foarte scurt și cost redus. Termistoarele sunt folosite pe scară largă la măsurări de temperaturi moderate, în diferite aplicații industriale, de laborator și medicale, în special unde se cer dimensiuni mici ale traductorului, sensibilitate ridicată (intervale înguste de măsurare), răspuns rapid etc.

2.3. Termometre cu cuarț

Se bazează pe modificarea frecvenței de rezonanță a unui cristal de cuarț care asigură o dependență practic liniară a frecvenței de rezonanță cu temperatura. Se obține o sensibilitate de . Pentru indicarae digitală a temperaturii, se utilizează bătăile frecvenței de oscilație a cuarțului termosensibil cu oscilațiile unui cuarț de referință, astfel încât bătăile nule să corespundă temperaturii de . La ieșire se conectează de obicei și un convertor digital/analog, pentru înregistrare pe hârtie (fig. 2.4).

Pentru măsurări diferențiale, cuarțul de referință poate fi înlocuit cu un al doilea cuarț termosensibil.

Precizia acestor aparate este de , iar stabilitatea pe termen scurt ajunge la . Funcționeze în mod normal între . Traductoarele cu cuarț mai au avantajele următoare: au timp de răspuns scurt (cca 1 s); rezistă la accelerații foarte mari (până la 10000 g) și presiuni ridicate (300 at) fără modificarea calibrării; măsurarea nu este afectată de conexiuni (sunt posibile măsurări chiar la distanțe mari, datorită conversiunii în frecvență).

Fig. 2.4. Termometru cu cuarț.

2.4. Termocupluri

Termocupurile sunt traductoarele de temperatură cele mai răspândite în industrie, pentru un interval foarte larg de temperaturi și o varietate de condiții de măsurare. Sunt bazate pe efectul termoelectric (efect Seebeck) : apariția unei tensiuni electromotoare într-un circuit din două metale diferite în funcție de diferența dintre cele două joncțiuni.

Termocuplul obișnuit constă din două fire din metale sau aliaje diferite, sudate între ele, astfel încât să constituie o joncțiune de măsurare (sau joncțiune caldă) și o joncțiune de referință (sau joncțiune rece), ca în figura 2.5. Temperatura măsurată este de fapt diferența de temperatură dintre cele două joncțiuni. Pentru a măsura temperaturi absolute, este necesar ca joncțiunea de referință să fie menținută la o temperatură (de obicei, ).

În principiu sunt posibile nenumărate combinații de metale sau aliaje pentru realizarea termocuplurilor. Practic se folosesc în majoritatea aplicațiilor un număr redus de tipuri de termocupluri, ale căror caracteristici mai importante sunt rezumate în tabelul 1.

Pentru protejarea termocuplurilor împotriva acțiunilor fizico-chimice și mecanice se folosesc diverse tipuri de învelișuri protectoare, teci, carcase etc. Construcția obișnuită, pentru temperaturi mai înalte include un tub protector din ceramică și o teacă metalică; un exemplu de asemenea traductor cu termocuplu este reprezentat în figura 2.6.

Fig. 2.5. Ansamblu de măsurare a temperaturii cu un termocuplu

Tipuri uzuale de termocupluri folosite pentru măsurarea temperaturii

La alegerea celui mai potrivit termocuplu, pentru o aplicație dată, trebuie să se țină seama, în principal, de următoarele: intervalul de temperaturi de măsurat; precizia necesară; natura mediului în care se face măsurarea; timpul necesar necesar. Se fabrică o varietate mare de termocupluri, din metale pure sau aliate de mare precizie, care sunt interschimbanile și asigură o reproductibilitate foaret bună, conform specificațiilor producătorului. Aceste termocupluri pot fi utilizate pe baza unor curbe sau tabele standard, publicate în lucrări de specialitate, în care se dă corespondența dintre temperatură și tensiunea electromotoare generată (în grade Celsius – milivolți).

Fig. 2.6. Traductor cu termocuplu în teacă.

Pentru diferite cazuri, se pot folosi și termocupluri improvizate, realizate prin simpla sudare a două fire metalice între ele; în acest caz este necesară de obicei o calibrare a termocuplului, datorită impurităților din metale uzuale.

Termocuplurile permit efectuarea simplă a măsurării temperaturii medii, a diferențelor de temperatură sau acționarea simultană a mai multor aparate de la același termocuplu (figura 2.7).

Fig. 2.7. Diferite posibilități de măsurare a temperaturilor cu termocupluri: a- măsurarea temperaturii medii; b- măsurarea diferenței de temperatură; c- acționarea mai multor aparate de măsurat de la un singur termocuplu.

Măsurarea tensiunii termoelectromotoare a termocuplului se face cu ajutorul unui milivoltmetru magnetoelectric, compensator manual, compensatorul electronic automat sau milivoltmetru digital. În cazul utilizării milivoltmetrelor magnetoelectrice trebuie să se ia în considerare curentul consumat de acestea, pentru evitarea erorilor datorite căderilor de tensiune pe conexiuni.

Termocuplurile au – în comparație cu alte traductoare de temperatură – avantajele următoare: robustețe, simplitate, precizie relativ bună, interschimbabilitate, posibilitatea telemăsurării, timp de răspuns relativ scurt. Diferitele tipuri de termocupluri pot fi folosite pentru măsurarea temperaturii între , cu precizie între , în funcție de temperatura măsurată și de intervalul de măsurare.

2.5.Pirometre de radiație

Sunt bazate pe radiația termică a corpurilor, proprietate universală, absentă numai la gazele inerte sau în apropierea temperaturii zero absolut.

Folosesc un sistem optic care colectează radiația infraroșie și vizibilă – uneori printr-un filtru – de la obiectul vizat, și o concentreză asupra unui detector. În acest fel, măsurarea temperaturii unui corp se face fără contact cu corpul respectiv.

Fig. 2.8. Pirometru de radiație.

Numai energia radiată pe lungimile de undă între aprox. și este utilă practic pentru măsurare. Acest interval cuprinde spectrul vizibil și infraroșul apropiat.

Toate pirometrele au o construcție care, în linii mari, este cea din figura 2.8. Sistemul optic – format din lentile sau oglinzi – este construit corespunzător distanței de măsurare și dimensiunilor obiectului vizat. Sticla este folosită numai la măsurarea temperaturilor mai înalte, întrucât este practic opacă în spectrul infraroșu. Alte materiale optice utilizate sunt cuarțul și fluorura de calciu cristalină.

Pirometre cu radiație totală

Acestea recepționează cea mai mare parte a energiei radiate de corpul încălzit (se mai numesc pirometre de bandă largă). Constructiv sunt cele mai simple, fiindcă nu prezintă nici o selectivitate spectrală, în afară de limitarea inerentă sistemului optic. Prezintă o eroare sistematică funcție de emisivitatea corpului vizat, în comparație cu aceea a corpului negru cu care se face etalonarea. De aceea, necesită corecții ținând seama de natura suprafeței corpului a cărui temperatură se măsoară. De asemenea, sunt perturbate de impuritățile atmosferei (fum, bioxid de carbon etc.).

Pirometre cu radiație parțială

Acestea selectează o bandă relativ îngustă din spectrul radiației corpului a cărui temperatură se măsoară, folosind în acest scop filtre adecvate (se mai numesc pirometre de bandă îngustă). De exemplu, pentru măsurarea temperaturilor înalte la metale, se folosește deseori lungimea de undă de , care reprezintă extremitatea roșie a spectrului vizibil, unde emisivitatea metalelor este maximă (aceste aparate sunt numite uneori “pirometre de strălucire”). Întrucât emisivitatea corpurilor în bandă îngustă nu variază atât de mult ca spectrul întreg, la pirometrele cu radiație parțială eroarea datorită acestui factor este mai redusă decât la pirometrele cu radiație totală. În schimb, pirometrele cu radiație parțială sunt mai puțin sensibile, din cauza energiei mai mici recepționate. Acestea se compensează de obicei prin utilizarea unor detectoare mai sensibile.

Pirometre de raport

Acestea măsoară energia primită în două benzi spectrale relativ înguste și fac raportul celor două energii. Dacă cele două benzi sunt alese astfel încât emisivitățile respective să aibă valori apropiate, eroarea datorită acestui factor este practic eliminată. În general, aceste benzi sunt alese în funcție de aplicația particulară considerată.

Detectoarele folosite în pirometre fac parte din următoarele două categorii:

detectoare termice, care produc un semnal electric datorită încălzirii sub acțiunea radiației respective (cele mai frecvente sunt termocuplurile și bolometrele);

detectoare fotoelectrice, care produc un semnal electric datorită eliberării de sarcini electricesub acțiunea radiației incidente (fotomultiplicatoare, fotodiode, fotorezistoare etc.).

În general, detectoarele termice au un răspuns uniform la energia repartizată în întregul spectru, pe când detectoarele fotoelectrice sunt foarte sensibile la lungimea de undă și sunt uneori preferate pentru această proprietate. Detectoarele fotoelectrice mai au avantajul unui timp de răspuns foarte scurt, ceea ce le permite măsurarea rapidă a temperaturii corpurilor în mișcare.

O altă clasificare a pirometrelor de radiație ține seama de modul în care se obține rezultatul măsurării: subiectiv (pirometre de filament) sau obiectiv (pirometre automate).

Pirometre cu dispariție de filament

Sunt pirometre optice cu radiație parțială sau de raport (numite și pirometre manuale), care lucrează în spectrul vizibil, în jurul lungimii de undă de . Ochiul uman, lucrând în acest caz ca detector, compară o sursă interioară de energie radiantă cunoscută cu sursa exterioară a cărei temperatură se măsoară. Filamentul sursei interioare are imaginea în același plan cu al sursei vizate; se modifică curentul prin sursa interioară până când imaginea filamentului dispare în câmpul sursei necunoscute. Potențiometrul cu care se reglează acest curent este gradat direct în temperatură.

Aparatul este prevăzut cu posibilități de focalizare și cu filtre.

Intervalul de măsurare este de aproximativ , limita inferioară fiind dictată de scăderea sensibilității, iar cea superioară de creșterea excesivă a strălucirii sursei vizate. Cu filtre adecvate, limita superioară poate fi extinsă până la .

Precizia pirometrelor cu dispariție de filament este limitată datorită caracterului subiectiv al măsurării. Se obțin de obicei precizii de 1…2% din intervalul de măsurare.

Pirometre automate

Sunt pirometre optice sau în infraroșu, care folosesc un detector termic sau fotoelectric de radiație, deci asigură o măsurare obiectivă. Deși există multe variante, în principiu toate pirometrele automate compară energia radiată de corpul supus măsurării cu energia unei surse interioare de referință. Pot fi de oricare din cele trei tipuri fundamentale: cu radiație totală, cu radiație parțială sau de raport.

Pirometrele automate sunt compuse dintr-un cap optic și un amplificator electronic.

În figura 2.9 este redat schematic unul din tipurile uzuale de pirometre automate. Capul optic conține o sursă termostatată cu corp negru, filtre, un detector, un preamplificator și un comutator optic. Comutatorul, acționat de un motor sincron, expune alternativ detectorul radiației de măsurat și radiației sursei interne, cu o frecvență de ordinul 50…100 Hz. În partea electronică, semnalul variabil este amplificat, redresat și aplicat unui instrument indicator.

Fig. 2.9. Pirometru automat.

Pirometrele automate pot măsura temperatura între , în game de măsurare largi sau înguste, cu o precizie de 1…2% din gamă sau în cazul unor game foarte restrânse. Ele au o utilizare foarte largă, în diferite procese industriale, pentru măsurarea temperaturii metalelor topite, corpurilor incandescente, produsele plastice sau textile, gazelor etc. Alte aplicații sunt detectarea surselor de căldură și a neuniformităților de temperatură, termografia etc.

Capitolul 3

Convertoare analog-numerice

3.1.Generalități

Convertorul analog-numeric (CAN) este o verigă foarte importantă a unui sistem de măsurare și/sau prelucrare numerică a informației care are ca suport fizic mărimi cu variație continuă în timp. Precizia unei măsurări numerice (a unei mărimi analogice) este determinată în cea mai mare parte de prelucrările efectuate pe partea analogică a lanțului de măsurare, inclusiv conversia analog-numerică. Erorile care pot apare la prelucrarea numerică a informației sunt în general neglijabile în comparație cu cele care însoțesc prelucrarea analogică. Ca urmare, tehnicile și circuitele de conversie analog-numerică au fost tratate cu mare atenție și au cunoscut o amplă dezvoltare.

În general, convertoarele CAN pot fi împărțite în două categorii: neintegratoare și integratoare.

Convertoarele CAN neintegratoare eșantionează tensiunea de măsurat și îi măsoară valoarea instantanee la un anumit moment de timp. Acestea permit măsurări foarte rapide, în detrimentrul filtrării antiperturbative.Cele mai importante convertoare CAN neintegratoare sunt cele cu aproximații succesive, cu rampă liniară și cu rampă în trepte.

Convertoarele CAN integratoare, măsoară valoarea medie a tensiunii necunoscute pe un interval de timp, prin integrarea acestei tensiuni.

În acest fel cresc proprietățile antiperturbative, însă scade viteza de măsurare. În această categorie intră convertoarele CAN cu conversie intermediară în frecvanță, cu simplă integrare, cu dublă integrare și cu multiplă integrare.

Sunt cunoscute convertoare CAN care combină cele două tehnici menționate anterior și relizează un compromis avantajos între performanțele ambelor tipuri.

Din rândul convertoarelor CAN neintegratoare o largă utilizare o are convertorul cu aproximații succesive. Acest tip de convertor se bazează pe utilizarea unui convertor CAN și realizează cel mai bun factor de merit, exprimat ca produs între precizie și viteză.

Principiul de funcționare al convertorului cu aproximații succesive

Convertorul CAN cu aproximații succesive se bazează pe compararea tensiunii de măsurat cu tensiunea de ieșire a unui anumit protocol. În Fig3.1. este prezentată schema de principiu a unui astfel de convertor.

Fig.3.1. Schema de principiu a convertorului cu aproximații succesive

Convertorul CAN cu aproximații succesive este constituit dintr-un comparator, care compară tensiunea de măsurat cu o tensiune de referință generată de convertorul CNA (). Codurile numerice aplicate la intrarea convertorului CNA sunt generate de un registru de aproximații succesive (SAR), prevăzut cu intrare de tact, start și date și cu ieșire numerică paralelă, serie și de semnalizare a sfârșitului conversiei.

După primirea comenzii de strat, la primul impuls de tact, registrul SAR generează codul 10…0, adică testează valoarea primului bit (MSB), iar convertorul CNA produce o tensiune corespunzătoare ( reprezintă capătul de scală-FS al CNA). Această tensiune este comparată cu :

dacă , comparatorul trece în starea”1” și la următorul impuls de tact registrul SAR memorează valoarea”1” a bitului testat generează codul 110…0, adică testează valoarea bitului următor;

dacă , comparatorul trece în starea “0” și la următorul impuls de tact registrul SAR memorează valoarea “0” a bitului testat generează codul 010…0, adică testează valoarea bitului următor. Acest proces continuă bit cu bit, până la stabilirea bitului LSB, procesul se oprește și registrul SAR smnalizează sfârșitul conversiei.

Ca urmare, numărul de comparații este egal cu numărul de biți.

La terminarea ciclului de conversie, tensiunea de ieșire a CNA este egală cu tensiunea în limitele unei erori de 1 LSB și ca urmare codul numeric generat de registrul SAR și aplicat la intrarea convertorului CAN reprezintă valoarea numerică a tensiunii .

Convertoarele CAN cu aproximații succesive se construiesc sub formă de circuit integrat monolitic sau de circuit hibrid.

Registrul SAR este realizat și ca circuit integrat independent. Dacă viteza nu este critică, registrul SAR pot fi simulat prin soft-ware. Rezoluția acestor convertoare CAN pot atinge sau chiar depăși 16 biți.

Un parametru specific convertoarelor CAN este timpul de conversie, care poate lua valori, funcție și de numărul de biți, de x100 ns…x10 .

Ceilalți parametri ai convertoarelor CAN sunt, cu unele deosebiri de nuanță, în mare parte aceeași ca și în cazul convertoarelor CNA .

3.3. Convertoare în cascadă

În cazul convertoarelor în cascadă tensiunea de comparație rămânând constantă și egală cu , la cealaltă intrare a comparatorului trebuie să apară o tensiune variabilă, funcție de rang, care urmează să fie determinată.În acest scop, plecând de la faptul că comparația care se efectuează în rangul i între U și U, în fond, determină semnul diferenței U-U, se obține următorul algoritm pentru efectuarea acestei scăderi

Rezultă că procedura din înmulțirea cu 2 a diferenței analoage obținute în rangul anteriror și compararea rezultatului cu

O schemă de principiu care se bazează pe această metodă este redată în figura 3.2.

Fig.3.2. CAN în cascadă cu multiplicare prin doi.

Comparatoarele determină valorile biților a și comandă poziția comutatoarelor S astfel încât în rangul respectiv se scade sau nu tensiunea , după cum sau .

Convertoarele în cascadă prezintă avantajul că toate rangurile sunt identice ca schemă. Pentru obținerea unor precizii ridicate este important ca funcționarea primului etaj să fie cât mai exactă, pentru ca diferența realizată în el și amplificată cu doi este transmisă rangurilor următoare spre prelucrare și prin urmare eroarea din primul rang se tot amplifică până la de ori, n fiind numărul total de ranguri.

Pentru o rezoluție ridicată este nevoie de un număr mare de cascade, dar aceasta atrage după sine lungirea timpului de conversiune. În principal amplificatoarele operaționale care pot ajunge să funcționeze într-un mare interval de tensiuni, la mici schimbări ale valorii tensiunii de măsurat, intervin prin viteza lor maximă de variație a tensiunii de ieșire care este de ordinul a 1 V/. Pentru tensiuni de ordin 10 V sunt necesare pe rang 10 astfel că un convertor cu 10 biți necesită numai din această cauză 100 .

Numărul de trepte din cascadă poate fi redus dacă intr-un etaj al cascadei se obțin mai mulți biți. Dacă presupunem, de exemplu, că în fiecare etaj se determină k biți, tensiunea de ieșire a primului etaj va fi

și ea trebuie comparată evident cu , adică este necesar să se efectueze diferența

Pentru a păstra aceeași valoare a tensiunii de comparație în fiecare element al cascadei este nevoie ca tensiunea de ieșire din etajul anterior să fie multiplicată cu .Numărul de cascade rezultate este în acest caz .Un convertor cu 12 biți poate fi realizat prin înserierea în această cascadă a 4 convertoare de 3 biți, sau a 3 convertoare de 4 biți.

Schema de principiu a unui convertor de acest tip este dată în figura 3.3.

Convertorul analog numeric de k biți poate să fie de orice tip. La ieșirea sa se obțin, în etajul (i+1), biții . Aceștia comnadă, la rândul lor, convertorul numeric analog tot de k biți, astfel că la ieșirea acestuia se obține tensiunea , dată de relația

,

Fig.3.3. CAN parțial în cascadă

care se scade din tensiunea furnizată de etajul anterior.Diferența se amplifică cu în amplificatorul operaținonal cu rezistența de recție de ori mai mare ca rezistențele de intrare, tensiunea din amplificator, după o inversare nefigurată în schemă, constituind tensiune de intrare pentru etajul următor.

O altă cale de reducere a schemei unui convertor în cascadă constă în memorarea rezultatelor intermediare, și readucerea la intrarea convertorului, acesta urmând să conțină numai elementele de comparare aferente unui rang. Rezultatele conversiei se vor obține în serie, iar pentru o utilizare în paralel se va completa schema cu un registru cu intrarea serie și ieșirea în paralel.

În figura 3.4. se prezintă schema unui astfel de convertor în cascadă. Dacă și sunt deschise, amplificatorul funcționează ca repetor, tensiunea de la ieșirea sa fiind egală cu tensiunea U adusă la intrarea neinversoare.

Dacă cheia este conectată la tensiunea , tensiunea de ieșire obține valoarea

,

iar dacă este conectat la masă, . În funcție de starea cheilor și , între intrarea și ieșirea amplificatorului operațional se poate scrie

,(1)

admițând că la se închide , iar la se închide .Relația anterioară se poate folosi la conversia analog numerică, fiind o amplificare cu doi a unei diferențe, asemănarea cu (3.5) fiind ușor de observat.

Fig.3.4.CAN in serie

Comparatorul C compară tensiunea cu , iar rezultatul se înscrie în bistabilul B sub forma , dacă > sau , dacă <.

Valoarea înscrisă în B va acționa în pasul următor asupra cheilor și , închizând pe dacă s-a înscris 0 sau pe dacă s-a înscris 1. Tensiunea fiind necesară în procesele din pasul următor, se memorează într-unul din condensatoare și sunt neîncărcate, toate cheile deschise, iar un generator de tacte precizează diferitele etape ale conversiei.

În primul tact se închid cheile și . În acest mod condensatorul se încarcă la tensiunea deoarece amplificatorul lucrează in regim de receptor de tensiune, .Comparatorul stabilește valoare bitului , comparând pe cu și aduce la intrarea bistabilului B această valoare. În tactul doi a se înscrie în B, se deschide și rămâne deschis tot timpul care urmează, se deschide, și se închid, sau se închide în funcție de valoarea lui .În acest mod amplificatorul va lucra conform relației (1), tensiunea U fiind luată de la bornele condensatorului , egală deci cu , tensiunea de ieșire având valoarea

.

Această tensiune se va regăsi la bornele condensatorului și va fi comparată de C cu tensiunea . Rezultatul comparării se aduce la intrarea bistabilului B sub forma bitului .

În tactul trei se va înscrie în valoarea , în funcție de aceasta se va comanda închiderea cheii sau , cheile și se deschid, iar cheile și se închid. În acest tact tensiunea U are valoarea memorată în și adusă prin la intrarea neinversoarea a amplificatorului . Tensiunea la ieșirea acestuia va fi

.

Cu această tensiune se va compara în comparatorul C tensiunea în tactul următor. Funcționarea continuă în același mod, determinându-se succesiv valorile biților până la ultimul.

Schema din figura 3.4 prezintă avantajul simplității dar impune condiții dificile amplificatorului operațional, viteza acestuia trebuind să fie mare, iar curenții de ieșire să fie de asemenea mari pentru a putea încărca în timp scurt condensatoarele sau . Impedanța de intrare a sa trebuie să fie mare pentru a nu descărca condensatorul sau . Funcționarea schemei este perturbată de capacitățile de intrare ale amplificatorului care se vor conecta în paralel cu sau cu diminuând tensiunea de la bornele acestora.

3.4. Convertoare în paralel și serie paralel

Spre deosebire de convertoarele cu aproximare succesivă sau cele în cascadă la care valorile biților se obțin într-o anumită succesiune, la convertoarele în paralel acestea rezultă simultan. Evident că în acest mod viteza de conversiune crește apreciabil, dar pentru aceasta este nevoie de o schemă mult mai bogată.Figura 3.5. ilustrează principiul unui astfel de convertor. Tensiunea de referință, este divizată în părți egale, obținându-se astfel rezoluția egală cu . Tensiunea de măsură este comparată simultan cu cele tensiuni obținute prin divizare. În acest scop sunt necesare evident comparatoare .Funcția lor este aceea de a sesiza dacă tensiunea este mai mică sau mai mare decât fracțiunea din tensiunea de referință aplicată la cea de a doua intrare a lor. În funcție de starea comparatoarelor schema de descifrarea D produce la ieșire cei n biți ai codului tensiunii .

Într-adevăr valoarea maximă a tensiunii de măsurat este

,

ceea ce înseamnă că ea se exprimă printr-un număr binar cu n biți. Comparatorul are numai scopul de a semnaliza depășirea domeniului de măsură prin dispozitivul SD prevăzut în acest scop.

Fig. 3.5. CAN paralel

Acest tip de comparator este cel mai rapid posibil. Viteza lui este limitată numai de cea a comparatorului și a sistemelor logice de descifrare. Fără componente de performanțe deosebite se por obține conversiune pe secundă. El necesită ănsă mult mai numeroase componente decât celelalte tipuri de convertoare din care cauză prețul său devine exagerat.

Pentru reducerea numărului de elemente componente se poate proceda similar ca la convertoarele în cascadă, determinându-se în paralel numai câte k biți. Diferența dintre tensiunea și cea corespunzătoare celor k biți, nu se mai înmulțește cu , ca la convertoarele în cascadă, ci se convertește direct în alți k biți, de ordin inferior celor precedenți. Această operație continuă de m ori dacă se doresc n=mk biți. În figura 3.6. este prezentată o astfel de schemă. Aceasta conține m convertoare analog numerice de k biți cu funcționare în paralel,

m-1 convertoare numeric analogice și m-1 dispozitive de scădere notate , . Primul convertor analog numeric paralel CAN 1 determină k biți, , cel mai semnificativ bit fiind aici . Tensiunea furnizată de convertorul numeric analogic CAN 1 va avea valoarea

.

Diferența obținută în elementul de diferență , mai mică decât , se va converti în CAN 2 pentru a da următorii biți cu ponderi mai mici decât , astfel încât CAN 2 va furniza tensiunea

.

Diferența este mai mică decât și se va converti în CAN 3 pentru a da valorile următorilor k biți etc.

Fig. 3.6 CAN serie-paralel

Schema conține mai puține elemente dar și viteza este mai redusă decât la convertoarele în paralel și anume proporțional cu numărul m de etaje înseriate.

Convertoarele în serie (cascadă) și convertoarele în paralel constituie cazurile extreme, în practică întâlnindu-se de obicei combinații între acestea.

3.5. CAN cu tensiune de comparație variabilă în trepte egale

Convertoarele cu aproximare succesivă realizează tensiunea de comparație prin însumarea unor tensiuni inegale, care se găsesc în raportul unor puteri ale lui 2. Prin aceasta se obține un număr minim de pași succesivi se aproximare, dar schema necesară este destul de pretențioasă.

O simplificare rezultă dacă convertorul numeric analog care furnizează tensiunile ponderate pentru a obține aproximarea succesivă este înlocit cu un generator de tensiune variabilă în trepte egale. Un astfel de generator se realizează simplu cu ajutorul unui numărător a cărui stare comandă o rețea rezistivă conectată la tensiunea , astfel încât tensiunea de ieșire este proporțională cu numărul N înscris în numărător

,

q fiind rezoluția convertorului.

Procedura de măsurare începe cu N=0.De la un generator se introduc impulsurile în numărător până se obține egalitatea

.

În acest moment intrarea numărătorului se blochează și se afișează rezultatul

.

În figura 3.7. este prezentată o schemă care realizează acest principiu. Generatorul furnizează impulsurile de tact care determină începerea și sfârșitul ciclului de măsurare. Frecvența sa , este foarte joasă pentru că durata conversiunii este determinată de limita superioară a domeniului de măsurare, care corespunde capacității numărătorului, . Dacă fiecare operație elementară durează , atunci pentru operațiuni rezultă timpul necesar

Fig. 3.7. CAN cu tensiune în trepte egale

Fig. 3.8.CAN cu tensiune în trepte neegale

De exemplu, dacă și convertorul are 12 biți deci rezultă , respectiv . În realitate este și mai mic. Dacă semnalul de ieșire al comparatorului C este pozitiv, adică , atunci impulsurile generate de , de frecvența , trec prin poarta P în numărătorul N. Ca urmare tensiunea crește în trepte egale. Când poarta P este blocată, conținutul numărătorului rămâne neschimbat. Pentru ca ciclul de măsurare să se reia, este necesar să se aștepte până când generatorul pune numărătorul N la zero. În acest moment se realizează , deci și funcționarea se repetă similar. Afișarea se face prin circuitul A.

Convertorul realizat în acest mod este simplu, dar timpul de conversiune este prea mare. O reducere a acestuia este posibilă prin folosirea schemei din fig. 6.17. Diferența principală față de schema din figura anterioară constă în faptul că numărătorul are două intrări, una în rangul cel mai puțin semnificativ, comandată de poarta și a doua în rangul , comandată de poarta . Atâta timp cât poarta este deschisă conținutul numărătorului se modifică la fiecare impuls de intrare cu , deci tensiunea de comparație variază în trepte egale cu . Când diferența dintre și devine mai mică decăt , se blochează și se deschide (partea din schemă care realizează aceste funcții nu este prezentată). Impulsurile intrând în rangul treptele de tensiune au acum valoarea q.

În acest mod numărul maxim de trepte necesar se reduce la

.

De exemplu, pentru n=12, și dacă se alege m=6, rezultă numărul de trepte maxim

Prin urmare timpul de conversie se reduce de ori. În fond schema din fig.3.8. realizează măsurarea folosind două marimi de comparație, și q. Dacă se folosește sistemul de numerație zecimal, generalizând procedura de mai sus, vor trebui folosite trepte de tensiune corespunzătoare unităților, zecimilor, sutimilor etc. de volt. Pentru un număr zecimal cu 3 ranguri revin cel mult 27 de trepte, cu valori în raportul 1/10/100. Dacă treptele ar fi fost egale era nevoie de 999 trepte.

Fig. 3.9. CAN zecimal cu recirculare

În fig. 3.9. se prezintă un convertor zecimal, cu recircularea restului bazat pe principiul expus mai sus. Pentru reducerea elementelor de comparație, restul rezultat la o decadă se memorează și se aduce apoi la intrarea convertorului, similar cu funcționarea schemei din fig, 3.4.

Dacă presupunem că limita superioară de măsurare a convertorului este 1V, în prima etapă treptele tensiunii de comparație trebuie să fie de 0.1 V. Această etapă durează atât timp cât , condiție controlată de un comparator C, la care tensiunea de referință trebuie să fie 0.1A volt, A fiind factorul cu care se amplifică tensiunea înainte de a fi adusă la comparator. Sistemul de numărare fiind zecimal, A se alege 10, deci . Atât timp cât , astabilul B este deblocat și el livreză impulsurile de intrare în numărătorul N. La fiecare impuls tensiunea generatorului G crește cu o treptă de 0.1 V.

În tot acest inteval de timp este închis astfel încât condensatorul se încarcă la tensiunea

.

În momentul în care , comparatorul C blochează astabilul B și deci tensiunea nu se mai modifică. Valoarea ei corespunde cu aceea din rangul zecimilor a tensiunii . Restul poate fi cel mult de ordinul sutimilor. Determinarea acestuia, după procedura de mai sus ar necesita un comparator cu o tensiune de referință de 0.1 V. Condensatorul este încărcat însă la tensiunea care dacă se mai amplifică de 10 ori face ca tensiunea necesară să fie 1 V ca și în prima etapă. În acest scop în etapa a doua și se deschid și se închide . Prin aceasta la intrarea amplificatorului se aduce tensiunea pentru a se compara cu tensiunea dată de G, treptele tensiunii fiind de aceeași valoare ca și în etapa întâia. În acest fel se determină acum valoarea din rangul sutimilor a tensiunii .

Pentru memorarea noului rest, pe condensatorul , se închide . Pentru determinarea celei de a treia zecimală se deschid și și se închid și . Înaintea începerii unei noi etape de măsurare, conținutul numărătorului N se memorează și se anulează pentru ca întotdeauna tensiunea să înceapă să crească de la valoarea zero.

3.6. CAN cu sisteme de urmărire

Convertoarele prezentate până acum reiau ciclic măsurarea tensiunii , de fiecare dată fiind necesar același timp de conversiune. Se poate reduce mult timpul de conversiune dacă convertorul urmărește numai variațiile tensiunii necunoscute, acestea fiind în general lente. Principiul de funcționare al unui sistem de urmărire este redat în fig.3.10. din care rezultă că tensiunea la terminarea unei măsurări nu trebuie să revină la zero, ci doar să se modifice, în ciclul următor, pentru a avea din nou . În acest scop este necesar ca numărătorul să fie reversibil și funcționarea lui să fie comandată de semnul diferenței

Fig. 3.10. Urmărirea unei tensiuni continue

Fig. 3.11. CAN cu urmărire

În fig. 3.11. este prezentată o schemă care utilizează acest principiu. Dacă , poarta este deschisă și impulsurile date de generatorul G intră în numărător la intrarea a fiind adunate. Dacă impulsurile trecute prin poarta vor fi scăzute. În acest fel are loc urmărirea tensiunii , timpul de conversiune pentru variații mici reducându-se substanțial.

Capitolul 4

Convertoare tensiune-frecvență-VFC

Convertoarele tensiune-frecvență-VFC (Voltage to frequency Converter) intră în categoria ADC cu conversiune intermediară în frecvență. VFC pot fi foarte utile acolo unde viteza de conversie nu este critică. Un mare avantaj al VFC îl constituie posibilitatea de prelucrare locală a informației și transmiterea rezultatului la distanță, fără sau cu izolare galvanică. Frecvența este o mărime mult mai insensibilă la perturbații, comparativ cu nivelul. Izolarea galvanică. Atunci când este necesară, se poate realiza simplu prin transformator de impulsuri sau prin optocuplor.

Există o mare varietate de scheme și posibilități de realizare a VFC. Însă toate acestea funcționează în general după următoarele două principii de bază:

încărcarea și descărcarea unui condensator de integrare, între două nivele de referință, la un curent proporțoinal cu tensiunea de măsurat;

compararea tensiunii de măsurat cu valoarea medie a unui șir de impulsuri de arie constantă și perioadă de repetiție variabilă, aceste VFC au la bază metodele de compensare și echilibrare, deci reacția negativă, fiind cunoscute și sub denumire de VFC cu acumulare sau echilibrare de sarcină.

Având în vedere aspectul menționat mai sus, în cele ce urmează va fi ilustrat doar principiul de funcționare al celor două mari categorii constructive de VFC

4.1.VFC cu condensator de integrare

Principiul de funcționare al unui VFC cu condensator de integrare este ilustrat în figura 4.1. Pe durata de timp , în care și , variația tensiunii de ieșire a integratorului este descrisă de relația:

(1)

La momentul de timp T1 (1) conduce la concluzia:

, deci (2)

Pe durata de timp , în care și , tensiunea este descrisă de relația:

(3)

La momentul de timp (3) conduce la concluzia:

, deci (4)

Pe baza (2) și (4) se poate determina expresia frecvenței de ieșire:

, deci (5)

Fig. 4.1. Principiul de funcționare al VFC cu condensator de integare: (a)- schema de principiu; (b)- forme de undă

4.2. VFC cu echilibrare de sarcină

Principiul de funcționare al unui VFC cu echilibrare de sarcină este ilustrat în Fig. 4.2. Se observă că blocurile de bază, integratorul și comparatorul, apar și aici.

Fig. 4.2. Principiul de funcționare al VFC cu echilibrare de sarcină: (a)- schema de principiu; (b)- forme de undă.

La aplicarea tensiunii de intrare – , presupusă pozitivă, integratorul – generează o tensiune liniar descrescătoare, care este comparată de comparatorul – cu tensiune de prag negativă- . În momentul atingerii pragului de către tensiunea , comparatorul comandă generatorul impulsurilor de referință – GIR, care generează un impuls de tensiune negativ cu amplitudinea și durata . Acest impuls produce asupra integratorului o acțiune de sens contrar celei a tensiunii și panta tensiunii devine liniar crescătoare. După expirarea duratei , asupra integratorului acționează din nou numai tensiunea de intrare și ciclul se repetă. Deci, durata de revenire la nivelul tensiunii de prag este dependentă de tensiunea de intrare . Prin urmare, integratorul sumează curenții prin și , dintre care circulă permanent iar circulă numai pe durata . Matematic, acest fapt poate fi exprimat astfel:

(6)

Această relație descrie echilibrul de sarcină furnizată integratorului, din care rezultă:

, deci (7)

Se poate observa că tensiunea nu intervine în expresia frecvenței de ieșire.

Elementul esențial al acestui tip de VFC este generatorul impulsurilor de referință, care trebuie să genereze impulsuri cu aria O soluție simplă în acest sens, utilizată cu precădere în circuitele integrate, o constituie încărcarea unui condensator la tensiunea de referință și descărcarea acestuia la intrarea integratorului. O altă soluție, mai complicată dar și ami precisă, constă în utilizarea unui monostabil de precizie pentru obținerea duratei , care comnadă mai departe un generator de tensiune sau de curent, cu amplitudinea constantă și cunoscută cu precizie. În ambele cazuri, erorile asupra duratei depind de performanțele analogice ale circuitelor.

O soluție ingenioasă care asigură reducerea radicală a erorilor asupra duratei , constă în utilizarea unei frecvențe etalon care sincronizează VFC, conform fig.4.3. În acest caz, generatorul impulsurilor de referință este constituit dintr-un bistabil tip , sincronizat cu frecvența și , utilizat ca generator comandat de curent. Impulsul de curent necesar pentru echilibrarea sarcinii pe condensatorul C are durata și este generat sincron cu primul front crescător al impulsurilor de tact, care apare după ce tensiunea integratorului a atins valoarea zero. Această soluție este extrem de precisă, eliminând complet erorile asupra duratei , fiindcă poate fi obținută cu precizie net mai mare decât durata de temporizare a unui monostabil, cum ar fi de exemplu derivarea din frecvența de clock a unui sistem cu microprocesor.

(a)

(b)

Fig. 4.3. Principiul de funcționare al VFC cu echilibrare de sarcină sincronizat: (a)- forme de undă,(b)- schemă de principiu.

Funcția de transfer pentru VFC sincronizat are aceeași formă ca și cea pentru VFC nesincronizat-conform (7), cu deosebire că în acest caz .

Pentru a fi posibilă funcționarea în jurul valorii zero sau pentru tensiuni de intrare negative, se utilizează o deplasare de nivel care poate fi realizată cu ajutorul unui generator de tensiuni dau de curent adecvat.

Convertoarele VFC funcționând pe acest principiu, pot atinge performanțe ridicate, cum ar fi: rezoluție de 16-18 biți, echivalentă cu 5 ½ cifre zecimale, adică 1/200.000, liniaritate de 0.0025% și stabilitate cu temperatura de 5 .

Capitolul 5

Proiectarea convertorului temperatură-frecvență

5.1 Circuitul integrat AD590

AD590 este un circuit integrat traductor de temperatură cu dublu dispozitiv terminal care produce un curent la ieșire proporțional cu temperatura absolută. Pentru surse de tensiune între +4V și +30V dispozitivul se comportă ca o impedanță mare, regulator de curent constant ce depășește un 1A/k.

AD590 poate fi folosit în orice aplicație de determinare a oricărei temperaturi sub +1500C în care senzorii electrici de temperatură convenționali sunt folosiți uzuali. Costul mic al unui circuit integrat monolitic combinat cu eliminarea circuitelor suport face din AD590 o alternativă alternativă pentru multe calcule ale temperaturii. Linializarea circuitelor, amplificatoare cu tensiune cu precizie, circuite de măsurare a rezistenței și compensarea prin joncțiune la rece nu sunt necesare la aplicarea circuitului AD590.

Pe lângă calcularea temperaturii, alte aplicații include compensația de temperatură sau corecție a unor componente fine influențând proporțional cu temperatura absolută. AD590 este valabil în formă de cip făcându-l potrivit pentru circuite hibrid și măsurări rapide de temperatură în medii protejate.

AD590 este folositor în mod special în aplicații cu control de la depărtare. Dispozitivul este imun la căderile de tensiune pe liniile lungi datorită impedanțelor mari de curent. Orice pereche răsucită bine izolată este suficientă pentru operații la sute de metri de la circuitul receptor.

Avantajele produsului

AD590 este un senzor de temperatură cu două terminale necesitând numai o sursă de curent continu (de la +4V la +30V). Transmițătoare costisitoare, filtre, compensarea firelor de legătură și liniarizarea circuitelor sunt nefolositoare la aplicarea acestui dispozitiv.

Eliminările interfețelor superioare ce rezultă din ieșire este mai degrabă un curent decât o tensiune. Aceste caracteristici fac ca AD590 să fie ușor de aplicat ca un senzor de distanță.

Impedanța mare la ieșire (10 M) oferă o axcelentă eliminare a variațiilor și tensiuni suplimentare. De exemplu schimbând sursa de putere de la 5V la 10V rezultă numai numai o scimbare de curent de numai un A sau echivalentul unei erori de 10C.

AD590 este durabil electric: va rezista unei tensiuni de până la 44V și o tensiune reversibilă de până la 20V. Prin urmare, iregularitățile de alimentare sau schimbările de pin nu vor avaria dispozitivul.

Descrierea circuitului

AD590 folosește o proprietate fundamentală ale tranzistoarelor de silicon ce e făcut să realizeze propria temperatură caracteristică: dacă doi tranzistori identici sunt operați la o rație constantă de densități ale curentului colector, R, atunci diferența între tensiunile emitorilor lor de bază vor fi (kt/q). Cum k (constanta lui Boltzman) și q (sarcina unui electron) sunt constante tensiunea rezultată e direct proporțională cu temperatura absolută (PTAT).

În circuitul AD590 această tensiune PTAT este transformată într-un curent PTAT cu un coeficient de temperatură scăzut. Curentul total al dispozitivului e forțat să fie multiplu acestui curent.

Referitor la fig.1, diagrama schematică a circuitului AD590, Q8 și Q11 sunt tranzistori ce produc tensiunea PTAT. R5 și R6 sunt rezistențe care transformă tensiunea în curent. Q10 al cărui curent de colector trimite curentul colector în Q9 și Q11, alimenteză toate scurgerile de substrat pentru restul circuitului, făcând ca curentul total să fie PTAT.

Fig.2 arată caracteristica tensiune-curent tipică al circuitului la +250C și temperaturile externe

Fig.1

Fig.2 Caracteristica tensiune-curent

Explicația specificațiilor senzorului de temperatură.

Modul în care AD590 e specificat îl face ușor de aplicat într-o varietate largă al diferitelor aplicații. E important de înțeles sensul diferitelor specificații și efectele surselor de tensiune.

AD590 e în primul rând un regulator de curent PTAT. Aceasta este, curentul de ieșire egal cu un factor scalar înmulțit cu temperatura senzorului în grade kelvin. Acest factor scalar e potrivit la un 1A/k la producție să coicidă cu temperatura normală. Aceasta se realizează cu 5V prin dispozitiv la o temperatură în jur de 250C. Dispozitivul este apoi sigilat și testat pentru acuratețea temperaturii.

Erori de calibrare.

La ultimul test de fabricație diferența între temperatura indicată și temperatura corectă este numită eroare de calibrare. De vreme ce acesta e un factor scalar de eroare contribuția sa la eroarea totală e PTAT. De exemplu efectul la 10C specificat la valoarea maximă al circuitului variază de la 0,730C la –550C până la 1,420C la 1500C.Fig.3 arată cum o eroare de calibrare exagerată ar varia de la temperatura ideală.

Fig.3

Eroarea de calibrare este principalul contribuitor la eroarea maximă totală al circuitului AD590. Totuși, cum este un factor de eroare scalar, este relativ ușor de pus la punct.

Fig.4 arată modul cel mai elementar de a realiza acest lucru. Pentru a pune la punct acest circuit temperatura circuitului AD590 e măsurată cu un senzor de temperatură și este potrivit astfel încât VT = 1m la acea temperatură. În cele mai multe aplicații este un curent cu rezistor de conversie ale intensității ce poate fi potrivit pentru reglarea factorului scalar.

Fig.4

Eroarea în funcție de temperatură: cu calibrarea erorii nefuncționale

Fiecare circuit AD590 e de asemenea testat pentru eroare peste temperatura admisă cu calibrarea erorii nefuncționale. Această specificație ar mai putea fi numită “variație de la PTAT” de vreme ce este maximul diferenței dintre curentul corect la acea temperatură și curentul corect la 250C. Această eroare constă dintre o eroare în bandă și curbe, cele mai multe la temperaturii extreme.

Fig.5 arată o curbă de temperatură tipică pentru circuitul AD590K înainte și după scoaterea calibrării erorii.

Fig.5

Eroarea în funcție de temperatură: fără reglări prealabile

Folosind circuitul AD590 pentru a măsura pur și simplu curentul, eroarea totală este “variația de la PTAT ” descrisă plus efectul erorii de calibrare asupra temperaturii. De exemplu: eroarea totală maximă la AD590 variază de la 2,330C la –550C până la 3,020C la 1500C.

Nonliniaritate.

Nonliniaritatea așa cum e aplicată pentru circuitul AD590 e maximul deviației curentului față de temperatură de la o linie dreaptă ce se potrivește cel mai bine. Nonliniaritatea circuitului AD590 de la –550 C la 1500C este superioară tuturor celorlalți senzori electrici convenționali, cum ar fi RTD-uri și termistoare.

Fig. 6 arată nonliniaritatea unui circuit AD590 tipic.

Fig.6 Nonliniaritatea

Fig. 7 arată un circuit în care nonliniaritatea contribuie major la eroarea asupra temperaturii. Circuitul este pregătit prin ajustarea lui R1 pentru un curent la ieșire de 0V cu AD590 la 00C. Rezistența R2 este ajustată pentru 10V la ieșire cu senzorul la 1000C. Alte valori ale temperaturii pot fi folosite atât timp cât sunt măsurate corect de un alt senzor independent.

Fig.7

5.2 circuitul integrat AD537

Circuitul AD537 este un convertor monolitic ,ce constă într-un amplificator de intrare, un sistem oscilator de precizie, un generator intern și o punte de ieșire pentru curenți mari.

Este nevoie de o singură rețea externă RC pentru a completa orice scară de frecvență (FS)până la 100KHz și orice intrare de tensiune până la 30 V

Eroarea de liniaritate sete foarte mică, 0,05% pentru 100KHz ,iar operația este garantată pentru o gamă dinamică de 80dB.Coeficientul temperaturii totale este tipic 30ppm/0C. Circuitul AD537 se alimenteazăla o singură sursă de tensiune de la 5V la 36V și consumă un curent de numai 1,2mA.

Un dispozitiv proporțional de măsurare a temperaturii cu o scală de până la 1,00mV/K permite circuitului să fie folosit ca un convertor temperatură-frecvență. În combinație cu legătura de ieșire de 1,00V pot fi generate scale tipar cum ar fi 00C sau 00F.

Amplificatorul de intrare de curent slab (de tip 1V/0C) permite operații la semnale mici oferind o rezistență de intrare ridicată(250M)

Dispozitivul este valabil fie sub forma TO-116 ceramic DIP, fie TO-100 de metal, ambele fiind pachete sigilate ceramic.

Circuitul AD537 este disponibil în 3 grade de temperatură: J și K sunt specifice pentru operațiuni de la 00C la 700C în timp ce circuitul AD537S este specific pentru operațiuni peste limita de temperatură de la –550C la 1250C.

Avantajele produsului.

1. Circuitul AD537 este un convertor tensiune-frecvență complet având nevoie doar de o rețea de cronometrare externă RC, pentru a seta frecvența dorită și un potențiometru pentru colectorul deschis la ieșire.

2. Cerințele de alimentare sunt minime:-un curent 1,2 mA

-tensiune de alimentare între 4,5V-36V.

3. Colectorul NPN la ieșire poate scade până la 20mA cu o tensiune de saturație de mai puțin de 0,4V. Terminalul Logic-Comun poate fi conectat intre 0V și 4V. Aceasta permite o interfață directă cu orice familie logică cu nivele logice, fie pozitive, fie negative.

Operații în circuit

Un amplificator operațional (BUF) servește ca dispozitiv de intrare;scopul său este de a converti tensiunea de intrare intr-un curent de conducere.

Performanța optimă este atinsă atunci când la tensiunea de intrare maximă, un curent de conducere de 1mA este eliberat din convertorul curent-frecvență.Acest curent încarcă condensatorul extern conectat.Această schemă adaptivă permite oscilatorului să producă o nonliniaritate scăzuta asupra ântregului curent introdus de la 0,1A la 2000A.

Intrarea ”SYNC” permite oscilatorului să fie conectat cu un alt oscilator; dar mai poate fi folosită și pentru a închide oscilatorul.Generatorul de legătură asigură precizia și VTEMP care aduce temperatura absolută la 1mV/K.

Conexiunile convertorului pentru tensiuni de intrare pozitive

Tensiunea de intrare pozitivă este cuprinsă între –VS și 4V peste limita pozitivă. Conexiunea din fig.1 oferă o impedanță de intrare foarte mare (250M). Tensiunea la intrare este convertită in curentul de conducție potrivit,la pinul 3 selectând un potențiometru .Întregul curent este de 1mA așa că de exemplu: o tensiune de 10V va cere un rezistor de 10K. Curentul necesar pentru reglare va depinde de toleranța condensatorului.Toată gama de curenți în afară de cei de 1mA pot fi aleși, dar liniaritatea va fi redusă; curentul maxim permis fiind de 2mA.

Fig.1

Conexiunile convertorului pentru tensiuni de intrare negative

O gamă largă de tensiuni de intrare negative pot fi accommodate prin reglarea corespunzătoare a rezistorului variabil ,indicat în fig.2 .Această conexiune, spre deosebire de cea pozitivă nu are impedanța la fel de mare.

Dioda CR1 este necesară pentru potecția contra supraîncărcării și a închiderii la intrări de curenți sau tensiuni.

Dacă semnalul de intrare este o sursă adevărată de curent,atunci R1 și R2 nu sunt folosite. Calibrarea totală poate fi făcută conectând o rezistență de 200K în serie cu una de 27K,prin pinul 7 până la -VS

Fig.2

Calibrarea circuitului AD537

Există două reglaje independente:scara și închiderea. Prima este pregătită prin reglarea rezistorului variabil R și a doua prin potențiometrul (opțional) conectat la +VS și la pinurile VOS.

Calibrarea precisă necesită folosirea unei surse de tensiune standard și a unui frecvențmetru.Verificarea liniarității necesită prezența unei surse de tensiune variabile,având o eroare de neliniaritate în jur de +-0,005% și efectuarea unor măsurătiri la intervale mari de timp, pentru a minimiza erorile măsurătorilor.

Se începe prin a regla tensiunea de intrare la maxim,apoi se reglează dispozitivul de oprire până când frecvența la ieșire este maximă. Acest lucru este cel mai ușor de realizat folosind un frecvențmetru conectat la ieșire.Apoi se introduce curentul și se ajustează ușor până când frecvența FS este indicată.

În aplicațiile în care frecvența FS la intrare este mică,montajul va afecta foarte puțin tensiunea de închidere,datorită curentului de la intrarea amplificatorului.

O schimbare de 1K în R va afecta tensiunea de intrare cu aproximativ 100V,ceea ce reprezintă cam 0,1% din 100mV.De aceea,s-ar putea să se repete ajustările dispozitivului de închidere și a scării pentru o mai bună acuratețe.

Dacă condensatorul C este selectat pentru a fi 5% sub valoarea nominală,și rezistența R2în pozișia de mijloc, frecvența la ieșire este detă de relația:

Calibrarea este efectuată aplicând un curent de intrare maxim și ajustînd R2 pentru citirea corectă.

Această schemă de montej alternativ poate fi folosită când este necesar a fi prezentată o rezistență la intrare exactă,la o tensiune negativă.

Relația scalară este:

Procedura de calibrare este similară cu cea folosită pentru tensiuni de intrare pozitive,cu mențiunea că montajul depinde de rezistența R2.

Fig 3

3. Schema bloc

Cu toate că un convertor temperatură-tensiune poate fi mai comod, convertorul temperatură-frecvență ste mult mai util când se folosesc pentru măsurarea temperaturii circuite digitale.Acest tip de convertor poate să fie cuplat fie la un frecvențmetru fie la un microprocesor, fară ajutorul unui convertor analog numeric.

Ca senzor de temperatură se folosește un circuit integrat AD590,care este descris în paragraful 5.1.

Sursa de tensiune de 5V are rolul de a decala legătura de masă în raport cu comunul sursei. Circuitul βA 741M este un amplificator operațional monolitic cu o gamă largă de aplicații în circuitele analogice.

Se caracterizează prin:

gamă largă de tensiuni de intrare;

câștig de tensiune ridicat;

protecție internă la scurtcircuit;

curentul de alimentare între 1,7mA-2,8mA;

impedanța de liniaritate între 0,3MΩ-2MΩ

rejecția modului comun între 70dB-90dB

Dacă frecvența de ieșire este de 50Hz/0C, pentru 1500C frecvența de ieșire este de 7,5KHz.

; ; ;

Tensiunea de intrare este de 20mV/0C; pentru o temperatură de 1500C avem tensiunea de intrare

; ; ; ;

;

pentru , avem: ;

considerăm

; ; ; ;

Rezistențele folosite sunz de tip RPM-3050 și au următoarele caracteristici electrice:

tensiunea limită nominală V=350V;

rezistența nominală R=10Ω ÷ 1MΩ;

toleranța ±1%, ±2%;

seria E 96, E 192;

coeficientul de temperatură Kθ=±100 * 10-6/0C;

rezistența de izolație Riz=1010Ώ.

Condensatoarele folosite sunt de următoarele tipuri:

C1 și C4-condensatoare ceramice plachete, tip 1;

C3-condensator electrolitic,tip EG;

C2-condensator ceramic multistrat, “chip”, tip încapsulate.

Valorile pieselor;

R1=5KΩ R6=1KΩ C2=0,1μF

R2=10KΩ R7=1,5KΩ C3=20μF

R3=10KΩ R9=2KΩ C4=10nF

R4=1KΩ R10=10KΩ T1- BC 179 NPN

R5=1KΩ C1=12nF T2- BC 107 PNP

Bibliografie

Ionescu G., s.a.-Traductoare pentru automatizări industriale, Editura Tehnică, București, 1985

Harja C.-Amplificatoare și convertoare de măsură,Universitatea Tehnică "Gh. Asachi" ,Iasi, 2000

Stoica V., Pop E.-Principii și metode de măsurare numerică, Editura Facla,1977

Nicolau E.,s.a.-Măsurări electronice, Editura Tehnică,1978

Analog devices