Sistemele de Conducere a Proceselor Industriale

Senzorul este definit ca fiind “un dispozitiv care detectează sau măsoară unele condiții sau proprietăți și înregistrează, indică sau uneori răspunde la informația primită”. Astfel, senzorii au funcția de a converti un stimul într-un semnal măsurabil, cuprinzând atât traductorul, care transformă mărimea de intrare în semnal electric util, cât și circuite pentru adaptarea și conversia semnalelor, și eventual pentru prelucrarea și evaluarea informațiilor. Stimulii pot fi mecanici, termici, electromagnetici, acustici sau chimici la origine, în timp ce semnalul măsurabil este tipic de natură electrică, deși pot fi folosite semnale pneumatice, hidraulice, optice sau bioelectrici.

În gestionarea proceselor industriale, deosebit de importante sunt sistemele inteligente de conducere, sisteme ce sunt bazate pe sisteme de calcul integrat sau nu.

Senzorii și traductoarele elemente esențiale ale sistemelor de automatizare a dispozitivelor civile și industriale și se bazează pe un domeniu larg de principii fizice de operare. De asemenea sunt utilizați și în cazul cercetării, analizelor de laborator – senzorii și traductoarele fiind incluse în lanțuri de măsurare complexe, care sunt conduse automat.

Exista foarte multe clasificari ale senzorilor si traductoarelor: cu sau fara contact, absoluți sau incrementali (in functie de marimea de intrare), analogici sau digitali (în funcție de mărimea de ieșire) etc.

Alegerea senzorilor si traductoarelor trebuie făcută ținând cont de proprietatea de monitorizat, de domeniul în care variază aceasta, de dimensiunile ce trebuie respectate sau de geometria sistemului, de condiții speciale de mediu sau de lucru, de tipul mărimii de ieșire și nu în ultimul rând de cost.

Astfel pot fi identificați senzori de proximitate, traductoare de tip Hall, traductoare de deplasare si viteză, senzori și traductoare de forță, senzori de temperatură, senzori de umiditate, senzori pentru gaze, senzori de curent, switch-uri optice, senzori de presiune, cititoare de coduri de bare etc.

2. Sistemele de conducere a proceselor industriale

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

Creșterea complexității proceselor industriale, ca și aceea a modului de conducere a acestora, a avut drept efect distribuirea funcțională și spațială a funcțiilor de conducere. În structura sistemelor complexe de automatizare se regăsesc trei niveluri distincte: nivelul de monitorizare și comandă, nivelul de conectare, și nivelul câmpului.

Sistem de conducere a proceselor

La nivelul de monitorizare și comandă procesul este comandat și supravegheat. Aici este centrul automatizării unde vin toate informațiile legate de instalație.

Sarcinile automatizării, cum ar fi controlul automat, decizii în probleme de complexitate sporită etc., revin sistemului de comandă, având la bază automate programabile, PC-uri sau calculatoare de proces.

La nivel de conectare se asigură alimentarea cu energie electrică a diferitelor componente de măsură, control sau acționare.

La nivelul câmpului se găsesc senzorii și elementele de execuție (acuatorii). În anumite cazuri este necesar ca acestea să fie aici alimentate cu energie electrică dar, în medii periculoase, pentru a evita producerea unor explozii, alimentarea se face la nivelul de conectare. Diversitatea componentelor conectate la acest nivel este foarte mare, de la simpli senzori la subsisteme inteligente conectate în diverse structuri.

Elementele de reglare finală sunt acționate sau comandate fie direct fie cu componente în sistem de comandă în buclă de reglare închisă.

Realizarea unor astfel de sisteme necesită soluționarea unor probleme legate de funcționarea dispozitivelor și modulelor electronice în mediu industrial, pe de o parte, pe de altă parte realizarea unui sistem de comunicație deschis și flexibil, având în vedere faptul că instalațiile industriale diferă mult una față de alta.

Elementele componente ale structurilor de conducere distribuite din punct de vedere spațial comunică între ele prin intermediul diferitelor sisteme de comunicație.

Cerințele impuse sistemelor de comunicație sunt foarte variate, în funcție de aplicație. În instalații complexe, principala cerință o constituie siguranța în funcționare. În cele mai multe cazuri, în instalațiile complexe se generează câmpuri electrice perturbatoare. Condițiile climatice pot să influențeze și ele negativ funcționarea unor blocuri electronice. Viteza de reacție ridică cerințe moderate în astfel de instalații complexe.

3. Transmisia semnalelor

3.1. Bucla de curent – transmisia semnalelor analogice

În tehnica convențională, o mărime fizică este preluată prin intermediul unui semnal de c.c. în gama 4-20mA. În anumite cazuri, când plaja de variație a acestei mărimi este foarte mare, pentru a se obține o precizie bună a măsurătorilor trebuie folosiți doi senzori a căror domenii de măsură se juxtapun. Folosindu-se transmisia digitală a informației se poate alege o plajă de variație convenabilă astfel încât să nu se folosească decât un senzor cu rezoluția dorită.

3.2. Transmisia semnalelor analogice în buclă de tensiune

În circuitul de mai jos, se observă că puntea de măsură este plasată la distanță față de camera de control, însă această distanță poate varia de la zeci de metri până la câteva mii de metri. Ieșirea punții este amplificată direct pentru a putea obține un semnal de nivel ridicat (0-10V) pentru transmisie. Deoarece, acțiunea mediului industrial poate fi luată în considerare ca o sursă de zgomot de înaltă impedanță acesta induce în conductorii de legătură un zgomot de ordinul volților. Utilizând cabluri de legătură ecranate se reduce din factorul de zgomot dar aceste cabluri au o rezistență finită, ceea ce impune ca instrumentul de măsură să aibă impedanță de intrare ridicată, pentru a împiedica atenuarea semnalului pe conductorii de legătură. Impedanța ridicată a intrării aparatului de măsură face însă ca nivelul zgomotului indus pe cablurile de legătură să crească, ceea ce dăunează în mod evident calității transmisiei.

Datorită acestui fapt transmisia în buclă de tensiune poate fi utilizată doar pentru distanțe mici (~ 30m).

3.3. Transmisia semnalelor analogice în buclă de curent

Aceaste probleme se pot rezolva utilizând transmisia în curent, astfel după cum se poate observa în figura de mai jos, situația este diferită prin aceea că ieșirea amplificatorului comandă o sursă de curent.

Bucla de curent elimină pierderile datorate rezistenței cablurilor de legătură, deoarece căderea de tensiune de-a lungul liniei de legătură nu afectează curentul – valoarea lui rămâne constantă. Influența zgomotului este la fel de ridicată dar este eliminată de imunitatea la zgomot a sursei de curent. Aparatul de măsură poate avea în acest caz o impedanță de intrare scăzută, care influențează de asemenea favorabil imunitatea față de zgomote. În acest caz nu este necesară utilizarea cablurilor ecranate, în locul acestora putând fi folosite cabluri ordinare, cu preț de cost relativ scăzut.

Transmisia semnalelor în buclă de curent a început să fie aplicată încă din anii ‘40 pentru comanda unor mecanisme receptoare la distanțe mari. Semnale de curent continuu în gama 0-200 mA au fost utilizate pentru comanda dispozitivelor electronohidraulice. Pentru transmisia semnalelor la indicatoare și înregistratoare, valori de până la 50 mA erau considerate suficiente.

În anii ‘50 sistemele analogice de conducere a proceselor înregistrează o largă răspândire și s-a stabilit, din motive de siguranță (un scurtcircuit datorită atingerii accidentale a conductoarelor de legătură nu produce scântei), ca valoare standard pentru transmisia semnalelor analogice în buclă de curent, domeniul 0-20 mA c.c.

Pentru a putea detecta ușor o întrerupere a conductorilor de legătură s-a luat decizia de a introduce un zero viu (sau zero fals), respectiv un offset de 4 mA.

O alternativă uzuală, domeniul 10- 50 mA are avantajul de a asigura o precizie în măsurarea semnalelor de două ori și jumătate mai bună. Un alt standard vechi, 1-5 mA utilizează o putere scăzută dar rezoluția scade de patru ori, pentru aceleași valori ale rezistențelor de sarcină.

Mai târziu, în 1960, ISA (Instrument Society of America) a desemnat un comitet pentru a se ocupa de dezvoltarea unui standard aplicabil semnalelor analogice utilizte pentru transmisia informației între elementele sistemelor de control și monitorizare a proceselor. Acest comitet, cunoscut sub denumirea de SP-50, a definit ca standard, în 1975, domeniul 4-20 mA c.c. Majoritatea producătorilor de sisteme și echipamente de control industrial au aderat la acest standard.

3.4. Avantaje și dezavantaje la transmisiile analogice

Există o serie de motive, pentru care utilizarea semnalelor de c.c. pentru transmiterea informației în sistemele de măsură și control este încă larg utilizată:

Standardul există;

Calitatea conductoarelor de legătură este minimală. Cerințele privind rezistența electrică a acestora și posibilitățile de ecranare nu sunt critice;

Metoda este încă deosebit de avantajoasă în ceea ce privește prețul de cost și simplitatea utilizării, în cazul transmiterii la distanță a unui număr restrâns de parametri;

Curentul necesar pentru a asigura zeroul viu poate fi utilizat pentru alimentarea de la distanță a traductoarelor;

Este posibilă conectarea sarcinilor (echipamente receptoare) în serie.

Există totuși și o serie de dezavantaje, în special luând în considerare situația actuală în domeniul transmiterii informației:

Metoda este lentă. Aceasta se datorează mai puțin echipamentelor emițătoare sau receptoare    cât impedanței asociate conductoarelor de legătură ;

Echipamentul receptor trebuie să elimine prin circuite electronice analogice valoarea    zeroului fals din semnal;

Depanarea buclelor mari sau a sistemelor complexe poate fi dificilă;

Probabilitatea unor greșeli de cablare crește cu numărul conexiunilor;

În cazul sistemelor mari sunt necesare mult mai multe conexiuni decât în cazul utilizării    unor stații inteligente distribuite și a transmisiei digitale.

3.5. Transmisia digitală a datelor

Introducerea tehnicilor digitale în construcția sistemelor de automatizare implică și folosirea sistemelor de comunicație digitale. În formă digitală, informația este reprezentată printr-un număr redus (cel mai adesea două) de nivele discrete. Aceste semnale pot fi transmise prin diverse metode, ele putând fi regenerate de câteva ori pentru a nu se degrada, înainte de a atinge destinația finală.

Unul dintre punctele importante care trebuie atinse în proiectarea și realizarea unui senzor sau controler inteligent este conectivitatea sa întrun sistem numeric de control. Deoarece în domeniul conectării senzorilor și controlerelor numerice nu există un standard recunoscut, cum există de exemplu pentru comunicația analogică, este de dorit adoptarea unui protocol de comunicație cât mai cunoscut, și eventual suportarea mai multor standarde de comunicație. Deși crearea unui protocol specific de comunicație este o practică comună, mai ales pentru firmele mari, care realizează și integrarea sistemelor, adoptarea unui protocol răspândit permite integrarea în sistemele existente.

3.6. Avantaje față de transmisia analogică a semnalelor

3.6.1. Influența mediului.

Transmisia sigură și cu acuratețe a semnalelor analogice necesită medii de transmisie cu caracteristici bine precizate. Transmisia digitală nu necesită același grad de restricție în această privință. Altfel spus, transmisia digitală este mult mai adaptabilă de la un mediu la altul deoarece necesită corelarea a numai două nivele de semnal.

3.6.2. Imunitatea la zgomot.

În cazul transmisiei semnalelor analogice, orice zgomot deformează semnalul util. În cazul transmisiei digitale, zgomotul trebuie să deformeze semnalul întratât de puternic încât receptorul să detecteze un nivel logic eronat. Astfel, numărul scăzut al nivelelor discrete pentru semnalele digitale duce la creșterea imunității față de zgomote. În particular, la transmisia semnalelor prin medii supuse unor perturbații intense, transmisia digitală asigură la ieșirea receptorului un raport semnal zgomot mai bun decât transmisia analogică.

3.7. Standarde IEEE pentru senzori inteligenți

Configurarea unui sistem de achiziție de date implică specificarea manuală a parametrilor senzorilor (interval de măsurare, sensibilitate, factori de scară etc) ce sunt utilizați ulterior de către software.

Familia de standarde IEEE 1451 definește specificații prin care această etapă de configurare poate fi efectuată în mod automat, mult mai rapid, obținându-se de asemenea automatizarea calibrării, îmbunătățirea diagnosticului, reducerea timpilor de reparare sau înlocuire a senzorilor și sporirea eficienței managementului datelor.

Standardul IEEE 1451.1-1999 definește modelul (NCAP) tip obiect, cu specificații privind interfața, al unui senzor inteligent integrabil într-o rețea, pe când IEEE 1451.2-1997 (primul care a introdus popularul concept TEDS) definește o interfață digitală punct-cu-punct ce permite conectarea unui senzor cu ieșire digitală la un adaptor de rețea pe bază de microprocesor.

Standardul IEEE P1451.4 definește de asemenea mecanisme prin care senzorilor cu ieșiri analogice le poate fi adăugat un comportament de autodescriere. Mai curând decât să definească o nouă magistrală sau o nouă specificație de rețea pentru aceștia, standardul definește o interfață a senzorului și o structură a informației ce permit efectiv lucrul cu orice tip de interfață de măsurare.

4. Caracteristicile senzorilor

Caracteristicile principale ale senzorilor pot fi definite prin următorii parametrii:

domeniul de utilizare,

rezoluția (sensibilitatea – cel mai mic increment măsurabil al stimulului),

frecvența maximă a stimulului ce poate fi detectat (selectivitatea),

acuratețea (eroarea de măsurare raportată, în procente, la întreaga scală),

dimensiunile și masa senzorului,

temperatura de operare și condițiile de mediu, durata de viață (în ore sau număr de cicluri de operare),

stabilitatea pe termen lung,

costul.

Majoritatea acestor caracteristici sunt precizate în fișele de fabricație ale senzorilor.

4.1. Sensibilitatea

Sensibilitatea unui senzor este definită ca panta curbei caracteristicii de ieșire sau, intrarea minimă a parametrilor fizici care va creea o variație a ieșirii.

La unii senzori, sensibilitatea este definită ca parametrul de intrare cerut pentru a produce o standardizare a schimbării ieșirii. La altele, ea este definită ca tensiunea de ieșire dată pentru schimbarea parametrului de intrare.

4.2. Eroarea de sensibilitate

Eroarea de sensibilitate este punctul de plecare pentru panta ideală a caracteristicii curbei.

4.3. Domeniul de acoperire

Domeniul de acoperire al senzorului este maximul si minimul valorilor aplicate parametrilor care pot fi măsurate.

De exemplu, un senzor de presiune dat poate avea domeniul de variatie intre –400 si +400 mm Hg. Alternativ, extrema pozitivă și negativă sunt de obicei inegale.

4.4. Domeniul dinamic

Domeniul dinamic reprezintă domeniul total al variației senzorului de la minim la maxim.

4.5. Precizia

Termenul de precizie se referă la gradul de reproducere al măsurătorii.

Cu alte cuvinte, dacă exact aceleași valori au fost măsurate de un anumit număr de ori, atunci un senzor ideal va scoate la ieșire aceași valoare de fiecare dată.

Senzorii reali scot însă la ieșire valori apropiate de valoarea reală. Să presupunem că o presiune de 150 mm Hg este aplicată unui senzor. Chiar dacă presiunea aplicată este constantă, valorile de la ieșirea senzorului variază considerabil. Apar astfel câteva probleme din punct de vedere al preciziei când valoarea adevărată si valoarea indicată de senzor nu sunt la o anumita distanță între ele.

4.6. Rezoluția

Rezoluția reprezintă detecția celui mai mic parametru de intrare care poate fi detectat din semnalul de ieșire. Rezoluția poate fi exprimată proporțional cu semnalul citit, fie in valori absolute.

4.7. Acuratețea

Acuratețea este dată de diferența dintre valoarea actuală si valoarea indicată la ieșirea senzorului. Din nou, acuratețea poate fi exprimată ca un procent sau în valori absolute.

4.8. Offset-ul

Eroarea de offset al unui traductor este definită ca valoarea ieșirii care exista atunci când ar trebui să fie zero, sau diferența dintre valoarea reală de la ieșirea traductorului și valoarea de la ieșire specificată de o serie de condiții particulare.

4.9. Liniaritatea

Liniaritatea este expresia cu care curba măsurată se diferențiază de curba ideală.

Neliniaritatea statică este uneori subiectul unor factori de mediu, inclusiv temperatura, vibrațiile, nivelul acustic de zgomot si umiditatea. Este important de știut în ce condiții această caracteristică este validă și se îndepărtează de acele condiții care nu furnizează modificări ale liniarității.

4.10. Liniaritate dinamică

Liniaritatea dinamică a unui senzor este o măsură a abilității sale de a urmării schimbăriile rapide ale parametrilor de intrare. Caracteristicile distorsiunii amplitudinii, caracteristicile distorsiunii fazei, si timpul de răspuns sunt importante pentru a determina liniaritatea dinamică.

4.11. Histerezis-ul

Un traductor trebuie să fie capabil să urmărească schimbările parametrilor de intrare indiferent din ce direcție este facută schimbarea, histerezis-ul fiind măsura a acestei proprietăți.

4.12. Timpul de răspuns

Senzorii nu-și schimbă starea de ieșire imediat când apare o schimbare a parametrului de intrare, de obicei, va trece în starea nouă abia după o anumită perioadă de timp.

Timpul de răspuns poate fi definit ca fiind timpul necesar ieșirii valorilor unui senzor de a trece din starea precedentă spre o valoare stabilită in limitele unui domeniu de toleranță a noii valori corecte. Acest concept este într-un fel diferit de termenul de timp constant (T) a sistemului. Acest termen poate fi definit într-o manieră similară cu cea a unui condesator care se încarcă printr-un rezistor si este de obicei mai mic decât timpul de răspuns.

5. Clasificarea senzorilor

Există mai multe criterii de clasificare a senzorilor utilizați în sistemele de

comandă ale proceselor industriale:

dacă intră sau nu în contact cu obiectul a cărui proprietate fizică o măsoară, distingem:

senzori cu contact;

senzori fără contact;

după proprietățile pe care le pun în evidență:

senzori pentru determinarea formelor și dimensiunilor (pentru evaluarea în mediu de lucru);

senzori pentru determinarea proprietăților fizice ale obiectelor (de forță, presiune, de cuplu, de densitate și elastici);

senzori pentru proprietăți chimice (de compoziție, de concentrație, analizatoare complexe);

după mediul de culegere a informației:

senzorii pentru mediul extern,

senzorii pentru funcția internă,

după distanța la care sunt culese informațiile:

senzori de contact

Senzorii pot fi : acustici, mecanici, magnetici, termici, pentru radiatii, chimici, bioelectrici (preiau semnalele electrice generate de corpul uman, în general), inteligenți, virtuali. Senzorii sunt conectați la circuite de condiționare si prelucrare a semnalelor furnizate de aceștia.

6. Tipuri de senzori

6.1. Măsurarea temperaturii

6.1.1. Termocuplu

Se bazează pe efectul termoelectric care spune că la atingerea a două metale cu proprietăți electrice diferite apare între ele o diferență de potențial, numită diferență de potențial de contact. Ea variază de la câțiva milivolți la ordinul volților, în funcție de metalele folosite. Această diferență de potențial este accentuată de temperaturile la care sunt joncțiunile termocuplului.

Termocuplul se compune din două fire din metale diferite, numite termoelectrozi, sudate la un capăt 1. Capătul sudat se numeste sudura caldă, iar celelalte capete 2 si 3, numite capete libere ale termocuplului, se leagă prin conductoarele de legatura c la aparatul electric pentru masurarea forței termoelectromotoare. Legăturile dintre capetele libere si conductoarele de legătură constituie sudura rece. Temperatura sudurilor reci trebuie menținută la o valoare constantă.

Deoarece termoelectrozii au o lungime maximă de 200 cm, din care 2/3 intră în cuptorul în care se măsoară temperatura, sudura rece se va găsi totdeauna în apropierea cuptorului. Acesta fiind la temperatură ridicată, degajă căldura si creeaza in jurul lui o temperatură mai ridicată decât a camerei si variabilă in timp. Rezolvarea acestor probleme create de temperatura înaltă din jurul termocuplului se poate face prin prelungirea termoelectrozilor cu alte conductoare de aceeași natură, în general chiar din același material. In felul acesta la contactul dintre conductoarele de prelungire si firele termocuplului nu se formează un termocuplu, deci nu ia naștere forță termoelectromotoare. Aceste fire se numesc cabluri de compensare și sunt complet separate de termocuplu, legătura executându-se numai la montarea termocuplului. Cablul de compensare are rolul de a muta sudura rece din apropierea cuptorului într-un loc cu o temperatura mai constantă. Sudura rece se va forma acum la legătura dintre cablul de compensare și cablul de legătură.

În cazul în care contactele(joncțiunile) termocuplui sunt menținute la aceeași temperatură forța electromotoare rezultantă este egală cu zero. Dacă contactele termocuplului au temperaturi diferite, în circuit apare o forță electromotoare direct proporțională cu diferența dintre temperaturile joncțiunilor și este dată de relația :

E = α(t1 – t2) + β(t12 – t22)

unde: – α și β sunt constantele metalelor din termocuplu

– t1 și t2 indică temperaturile la care este supus termocuplul

Pentru un interval mic de temperatură, variația forței electromotoare este aproximativ liniară, astfel poate fi citită cu un milivoltmetru.

Termocuplul este caracterizat de sensibilitate care este exprimată de relația:

s = ΔE/Δt

unde: ΔE este variația forței termoelectromotoare în intervalul de temperatură Δt

Dacă se ia Δt = 1 oC rezultă că s = ΔE, astfel sensibilitatea unui termocuplu este egală cu variația forței termoelectromotoareatunci când temperature variază cu 1 oC.

Termocuplele sunt utilizate la măsurarea temperaturilor in funcție de tip în intervalul –258oC ÷ 2100 oC.

Pentru temperaturi cuprinse între -258oC și 0 oC se utilizează termocuplu aur-argint, pentru domeniul 0oC – 800 oC cele mai folosite sunt cupru-constantan, nichel-fier, nichel-platină.

În gama 800oC – 1600 oC se folosesc termocuplele platină-platină+rodiu, care sunt folosite și ca termocuple etalon datorită sensibilității foarte bune și stabiltății în timp.

Pentru temperaturi mai înalte sunt folosite termocuple de cărbune-carbură de siliciu care suportă temperaturi de 1800oC și termocuple de wolfram-molibden care suportă 2100 oC.

6.1.2. Tip Rezistență

Sunt realizate din fire de metal și se bazează pe variația rezistenței electrice unui conductor odată cu modificarea temperaturii. Ca material se folosește în special platina, și pentru temperaturi mai mici și cuprul, datorită faptului că atât platina cât și cuprul au un coeficient termic relativ mare în comparație cu celelalte metale.

Pentru un interval mic de temperatură (0 – 150 oC) variația rezistenței electrice este aproape liniară, astfel se folosește relația de mai jos.

Rt = Ro(1 + αt )

unde: Rt rezistența firului la t oC

α este coeficientul termic al rezistenței

Ro rezistența firului la 0 oC

În cazul în care se dorește măsurarea temperaturilor cuprinse în intervalul 0o ÷ 630,50oC (care este punctul de solidificare al stibiului) rezistența firului de platină se calculează după relatia de mai jos:

Rt = Ro(1 + αt + βt2)

unde: Rt rezistența firului de platină la t oC

α constantă, se determină pe baza valorii lui Rt la punctul de fierbere al apei

β constantă, se determină pe baza valorii lui Rt la punctul de fierbere al sulfului (444,6 oC)

Ro rezistența firului la 0 oC

În intervalul -182,970 oC (punctul de fierbere al oxigenului) și 0 oC rezistența firului de platină se calculează după relația de mai jos:

Rt = Ro(1 + αt + βt2 + γt3(t – 100))

unde: Rt rezistența firului de platină la t oC

α,β sunt constante

γ constantă, se determină pe baza valorii lui Rt la punctul de fierbere al oxigenului

Ro rezistența firului la 0 oC

În cazul temperaturilor cuprinse între 630,5 oC și 1063 oC (punctul de solidificare al aurului) temperatura se determină pe baza relației:

E = α + βt + γt2

unde: – E – forța termoelectromotoare a unui termocuplu platină – platină + 10%

rodiu, o sudură fiind la 0 oC, iar cealaltă la t oC

– α,β,γ – constante, care se determină măsurând E la 630,5 oC, 960,8 oC (temperatura de solidificare a argintului) și 1063 oC

Materialul folosit pentru acest tip de senzor trebuie să fie de o puritate foarte mare, cu o valoare a rezistenței de 100 ohmi la 0 oC și α cuprins între 0,00385 – 0,00390.

6.1.3. Termistorul

Termistoarele sunt rezistoare a căror rezistențe depind de temperatură. Sunt realizate din semiconductoare. Se folosesc materiale semiconductoare deoarece rezistența acestora se schimbă semnificativ în comparație cu o modificare mică a temperaturii.

În funcție de modul de variație a rezistivității, termistorii pot fi clasificați în termistori cu coeficient de temperatură:

negativ – rezistența scade cu creșterea temperaturii

pozitiv – rezistența crește cu temperatura.

Pentru obținerea termistoarelor cu coeficient de temperatură negativ se folosesc oxizi din grupa fierului (Fe, Cr, Mn, Ni), iar pentru cele cu coeficient pozitiv se folosește titanat de bariu (BaTiO3) sau soluție solidă de titanat de bariu și titan de stronțiu.

Sunt realizate sub formă de plachete, cilindrii, discuri, filamente protejate în tuburi de sticlă.

Legile de variație ale rezistenței cu temperatura:

– pentru termistoarele cu coeficient de temperatură negativ

RT = AeB/T

– pentru termistoarele cu coeficient de temperatură pozitivnegativ

RT = A + CeB/T

unde A, B, C sunt constante de material, iar T este temperatura în oK

unde:

A – constanta ce depinde de geometria dispozitivului;

T – temperatura in grade Kelvin;

R – rezistenta la temperatura T;

B – constanta ce depinde de materialul semiconductor masurata in K, B=D E/2kB cu D E banda interzisa a semiconductorului si se determina din valoarile rezistentei la doua temperaturi:

B = [T1×T2 /(T2 – T1)] × ln (R1 /R2)

Denumirea de "termistor" este o combinare a cuvintelor englezesti "thermally sensitive resistor" (rezistență sensibilă termic). Această denumire descrie cu exactitate funcția de bază a dispozitivului și anume aceea de-a avea o schimbare de rezistență electrică predictibilă în funcție de orice schimbare a temperaturii sale absolute.

Parametrii utilizati pentru a descrie caracteristicile oricarui termistor sunt:

rezistenta electrica nominala la 25 oC;

raportul rezistentelor pentru doua temperaturi date (25 oC si 85 oC);

coeficientul de temperatură al rezistenței exprimat in %/oC;

puterea disipata maxima;

factorul (coeficientul) de disipare;

constanta de timp termica;

domeniul de temperatura, Tmin si Tmax .

Schimbarea temperaturii termistorilor poate fi clasificată în funcție de tipul încălzirii:

externă cauzată de temperatura ambiantă internă ca rezultat al puterii dezvoltate de trecerea curentului prin dispozitiv (auto-încălzire) combinată (externă + internă).

6.1.4. Pirometrul

Principiul de funcționare constă în măsurarea temperaturii prin transformarea energiei radiante în energie electrică prin diverse metode fără contact.

Acest tip de senzori sunt fară contact și se utilizează în special pentru măsurarea temperaturilor foarte înalte. Datorită faptului că radiația constituie unul din modurile de propagare a căldurii, un corp poate emite emite energie sub formă de radiații sau poate primi radiații emise de alte corpuri.

Pirometrul este aparatul utilizat pentru măsurarea temperaturii corpurilor solide și a gazelor luminoase calde, bazat pe proprietatea acestora de a emite radiații in domeniul vizibil si infraroșu, cu o intensitate crescătoare cu temperatura.

Deoarece spectrul vizibil este cuprins ~ 0,1 – 0,8 μm, la temperaturi mai mici de 525oC, energia emisă nu mai este vizibilă, lungimea de undă fiind mai mare de 0,8 μm.

Când lumina sau radiațiile electromagnetice întâlnesc un corp o parte se reflectă pe suprafața corpului, iar cealaltă parte pătrunde în corp fiind absorbite într-o mai mare/mică măsură. Energia absorbită de către corp se transformă în căldură, iar corpul se încălzește emițând lumină vizibilă care trece treptat de la roșu la alb strălucitor.

Transformarea energiei radiante în energie electrică se realizează cu ajutorul unui termocuplu căruia i se cunoaște funcția dependenței de temperatură a tensiunii față de un corp negru (realizat cu negru de platină sau negru de fum).

Temperatura reală a corpului cald se calculează după relația:

unde: – temperatura corpului cald

– temperatura corpului negru care produce aceeași radianță

– factorul energetic al corpului

Pirometrele se împart în:

În funcție de parametrul de radiație folosit:

Pirometre de radiație;

totală;

parțială;

monocromatică

pirometre de distribuție spectrală;

Funcție de intervalul spectral:

optice 0.1 … 300 μm;

radiopirometre 500 … 106 μm

Funcție de detector:

vizuale;

obiective

Energia radiată de corpul la care se măsoară temperatura, este concentrată cu un sistem de lentile pe jonctiunea unui termocuplu. Sistemul optic folosit este de tip Kepler, iar lentilele folosite sunt puțin absorbante, realizate din cristal. Pentru limitarea efectelor căldurii datorate utilizării în condiții grele se utilizează dispozitive de protecție și răcire.

Elementul sensibil este format din plăcuțe de platină acoperite cu negru de fum care absorb într-un procent foarte mare radiațiile emise de sursa de căldură.

6.2. Măsurarea forței

În principiu forțele pot fi măsurate cu orice traductor de deplasare dacă i se atașează un element elastic în seri cu forța ce trebuie măsurată.

Traductoare de forță tensometrice rezistive sunt formate dintr-un fir conductor subțire, lipit pe un suport de hârtie sau alt material izolant. Traductorul se lipește pe un suport elastic ce se deformează sub acțiunea forței determinând o modificare a lungimii conductorul și implicit o modificare a rezistenței electrice modificare rezistenței electrice este pusă în evidență prin montarea firului într-o punte Wheatstone piezoelectrice sunt realizate din materiale piezoelectrice sunt utilizate la determinarea forțelor dinamice magnetostrictive

funcționează pe baza variației permeabilității magnetice a unor materiale feromagneticce, datorită tensiunilor mecanice.

6.3. Măsurarea presiunii

6.3.1. Senzori piezoelectrici

Frații Pierre si Jaques Curie au observat în anul 1880 apariția sarcinilor electrice pe fața anumitor cristale (cuart, SiO2 cristalin) supuse solicitarilor mecanice (presiune, deformare). Mărimea sarcinii electrice este proportională cu mărimea forței exercitate, iar sensul polarizării electrice a cristalului depinde de sensul acțiunii mecanice. Acesta este efectul piezoelectric direct (cauza este de natură mecanică, efectul produs este electric). Denumirea fenomenului provine de la cuvantul grecesc "piezo" care înseamnă "a apăsa". În efectul direct aplicarea unei tensiuni mecanice conduce la redistribuirea sarcinilor electrice în volum, rezultând o polarizare electrică volumică si implicit o sarcină electrică indusă pe suprafață.

Efectul piezoelectric invers este produs prin aplicarea unui câmp electric cristalului, având ca rezultat deformarea cristalului sau apariția unei forțe (cauza este de natură electrică, efectul este mecanic).

Substantele piezoelectrice se impart in doua clase mari:

substanțe piezoelectrice liniare (dependența polarizării electrice P de câmpul electric aplicat E este liniară),

substanțe feroelectrice (sub temperatura Curie depenența polarizării electrice P de câmpul electric aplicat E este neliniară, peste o anumită valoare a câmpului polarizarea rămâne constantă, se saturează).

Peste temperatura Curie substanța nu mai este feroelectrică, devine paraelectrică si implicit nu mai prezintă efect piezoelectric. Efectul piezoelectric se manifestă în feroelectrici dacă aceștia sunt polarizați, adică domeniile în care polarizarea are o orientare bine determinată, sunt orientate după o singură direcție macroscopică, direcția câmpului extern.

Sub formă de ceramici se utilizează foarte mult titanatul de bariu (BaTiO3) si titano-zirconatii de plumb (PZT) care nu sunt influențați de umiditate, iar temperatura Curie poate depăși 400 0C la PZT.

6.4. Senzori pentru gaz

Dintre categoriile de senzori enumerate mai sus, cele care semnalează, evaluează și monitorizează prezența unor gaze prezintă o importanță deosebită. În acest context, senzorii pe bază de materiale oxidice (SMO) ocupă un loc deosebit datorită, în special, rezistenței lor chimice și domeniului ridicat de temperatură la care pot fi utilizați.

Studiile asupra unui număr mare de oxizi au demonstrat că variația conductivității electrice în prezența unor urme de gaze din aer constituie un fenomen comun oxizilor și nu aparține unei clase specifice /1,2/. Dacă un material oxidic prezintă valori ale rezistivității cuprinse în domeniul 104-108 cm la 300-400C, atunci el va funcționa ca un senzor de gaze când este încălzit la o temperatură situată în acest domeniu.

Materiale folosite la senzorii pentru gaz

În principiu, un senzor pentru detecția gazelor este compus din:

două terminale pentru rezistența de încălzire;

două terminale de la filmul semiconductor (SnO2);

capsula poroasă ce protejează mecanic senzorul, lăsând gazul să treacă spre el.

Structura internă a senzorului semiconducor (SnO2) pentru gaze

La unele modele de senzori capsula este dintr-un material plastic neinflamabil, iar accesul gazului la elementele senzitive se realizează printr-o fantă în partea superioară, fantă care este acoperită cu o rețea(plasă) din oțel pentru a preveni aprinderea gazului.

Rezistența de încălzire aduce senzorul la temperatura optimă de funcționare pentru gazul care trebuie detectat (de obicei intre 200 oC si 400 oC). Materialul sensibil la gaz este bioxidul de staniu (SnO2). Pe suprafața granulelor de SnO2 se adsoarbe oxigen din aer care preia electroni mobili din banda de conducție. Bioxidul de staniu, fiind semiconductor de tip "n" cu zona interzisă mare (3,8eV), va fi sărăcit la suprafață de purtători de sarcină mobili și din această cauză rezistența electrică la contactul dintre granule va fi mare. În momentul în care apare un gaz capabil să se combine cu oxigenul adsorbit, electronii inițial legați de oxigen sunt eliberați în banda de conducție, rezistența electrică a dispozitivului scăzând mult. Dependența conductanței senzorului în funcție de concentrația gazului reducător este de tipul:

G = G0 + A·ci

unde:

G – conductanta senzorului in prezenta gazului reducator;

G0 – conductanta senzorului in prezenta aerului curat;

c – concentratia gazului reducator;

i – exponent subunitar al concentratiei de gaz (~0,5);

A – constanta.

6.5. Măsurarea turației

Principale aparate care permit măsurarea pe cale electrică a turațiilor sau vitezelor unghiulare sunt:

tahometrul cu curenți turbionari,

tahogeneratorul,

tahometre cu impulsuri,

stroposcopul de turații,

giroscopul cu fibră optică si laser.

6.5.1. Tahometrele cu curenți turbionari

se construiesc pentru intervale de măsurare 2010.000 rot/min. Sunt construite dintr-un dispozitiv mobil format din unul sau doi magneți permanenți ce se pot roti în interiorul unui tambur de aluminiu sau cupru. Tamburul este solitar cu un ac indicator si se poate roti la rândul său între două paliere fiind însă menținut în poziția initială datorită unui arc spiral. Arcul spiral are capătul exterior fix si capătul interior solitar cu tamburul. Arborele a cărui turație se măsoară pune în mișcare de rotație dispozitivul mobil si prin aceasta liniile de câmp magnetic produse de magneți permanenți, taie tamburul. În tambur vor fi induse tensiuni electromotoare proporționale cu turatia. Între curenții induși în tambur si fluxul magneților permanenți apare o interacțiune care se manifestă prin apariția unui cuplu activ:

unde: n – este viteza de turație unghiulară (turația).

6.5.2. Tahogeneratoarele

sunt traductoare de turație și ele sunt microgeneratoare de curent continuu sau alternativ care generează tensiuni electrice proporționale cu viteza de rotație a arborelui cu care sunt cuplate. Există tohogeneratoare de c.c. și de c.a.

Tahogeneratoarele consuma o putere de 150 W care este neglijabila la puteri mari de antrenare, dar la puteri mici apar erori de masurare a turatiei.

6.5.3. Stroboscopul

de turații permite măsurarea turației fără un contact mecanic cu obiectul aflat în rotație. Se folosește inerția ochiului omenesc, prin care un corp în vibrație sau rotație pare imobil dacă este iluminat cu impulsuri scurte, a căror frecvență de repetiție este egală cu frecvența de vibrație sau rotație a corpului sau este un multiplu întreg al acesteia.

Metoda stroboscopică permite măsurarea celor mai mici turații care se întâlnesc în tehnică. Frecvența impulsurilor poate atinge valoarea de 1000 Hz, la care corespunde turația de 60.000 rot/min.

6.5.4. Tahometrul de impulsuri

Se realizează pe baza traductorului digital electromagnetic pentru viteza unghiulară ce convertește turația în trenuri de impulsuri. Solitar cu axul a cărei viteză unghiulară se măsoară se află o roată dințată din material feromagnetic. Un magnet permanent situat în interiorul unei bobine se termină cu un capăt din material feromagnetic care se află la o foarte mică distanță de periferia dinților. Când un dinte se aproprie sau se depărtează de magnet, variază lungimea întrefierului, deci reluctanța circuitului magnetic, ceea ce conduce la o variație a fluxului si la generarea unui impuls în bobină.

Pentru obținerea vitezei unghiulare se poate măsura intervalul de timp dintre două impulsuri sau numărul de impulsuri pentru un anumit interval.

Precizia depinde de numărul de dinți, de precizia cu care s-a realizat pasul dinților și de precizia cu care se măsoară intervalul de timp. Aceste traductoare pot fi utilizate pentru viteze unghiulare care generează frecvențe între 10 Hz si 10 kHz.

Traductor digital elecromagnetic pentru viteză.

– bobină;

– magnet permanent;

– roată dințată.

6.6. Măsurarea deplasării liniare sau unghiulare

Traductoarele electrice utilizate pentru măsurarea deplasării liniare permit măsurarea deplasării într-un interval cuprins de la câțiva microni până la deplasări de ordinul metrilor, iar cele pentru deplasări unghiulare într-un interval de la câteva secunde la 360.

Pentru conversia deplasării într-o mărime electrică traductoarele de deplasare pot cuprinde senzori rezistivi, capacitivi, inductivi, optici sau digitali.

6.6.1. Senzori rezistivi

Traductoarele rezistive de deplasare sunt constituite dintr-un senzor potențiometric a cărui rezistență se modifică datorită unui cursor ce se deplasează sub acțiunea mărimii de măsurat, deplasarea putând fi liniară sau circulară. Prin deplasarea cursorului are loc o modificare a lungimii l din senzor, care este inclusă în circuitul de măsurare, ceea ce conduce la relația:

unde:

Rt – rezistența totală a senzorului;

R – rezistența între cursor si un capăt;

lt – lungimea totală;

l – lungimea corespunzătoare deplasării cursorului,

a=l/lt – deplasarea relativă.

Traductoarele potențiometrice se realizează sub formă liniară sau circulară

6.6.2. Senzori capacitivi

Traductoarele capacitive utilizate pentru măsurarea electrică a deplasării

liniare sau unghiulare se bazează pe modificarea ariei de suprapunere a electrozilor.

Traductoarele capacitive de deplasare unghiulară sunt construite din doi senzori capacitivi cu un electrod comun. Cei trei electrozi sunt formați din plăci de formă dreptunghiulară cu laturile de ordinul a 2030 mm și grosime de 12 mm. Electrozii inferiori sunt ficși și sunt

separați cu o mică distanță (1 mm).

Traductor capacitiv de deplasare liniară

Electrodul superior este electrodul comun si sub acțiunea mărimii de măsurat se poate deplasa paralel cu electrozii ficși păstrând o distanță constantă. Prin aceasta se modifică aria comună dintre electrozii cu:

A a x

Cei doi electrozi ficși sunt alimentați prin intermediul unui transformator

cu priză mediană. Când electrodul mobil este situat simetric în raport cu cei doi electrozi ficși tensiunea rezultantă U este nulă si capacitățile celor doi senzori sunt egale

C1=C2=C.

Pentru o deplasare x a electrodului superior cele două capacități devin:

C C C C C C

Traductoarele capacitive se utilizează pentru măsurarea deplasărilor liniare pentru lungimi până la 20mm (egale cu lungimea electrozilor).

6.6.3. Senzori inductivi

Funcționarea senzorului inductiv se bazează pe variația inductanței unei bobine alimentate în curent alternativ. Modificarea inductanței are loc datorită modificării circuitului magnetic prin deplasarea miezului bobinei sau a unei părți din miez.

Senzorii inductivi utilizați pentru realizarea traductoarelor de deplasare pot fi clasificați în:

senzori inductivi la care este influențată o singură inductivitate;

senzori inductivi la care sunt influențate două inductivități;

senzori inductivi la care sunt influențate inductivități mutuale.

circuitul magnetic caracteristica de conversie

Dependența inductivității L a bobinei în funcție de deplasarea x a miezului feromagnetic față de poziția de inductivitate maximă se poate exprima prin relația:

Caracteristica de conversie L=f(x), exprimată de ecuația de mai sus este neliniară. Caracteristica de conversie se poate liniariza pe un interval larg, realizându-se o distribuție neuniformă a spirelor pe lungimea bobinei.

Traductorul este robust, simplu și se utilizează la măsurarea deplasărilor medii si mari pentru intervale de la 0 – 100 mm până la 0 – 2000 mm.

6.7. Senzori de proximitate

În general, proximitatea se referă la gradul de apropiere dintre două obiecte, dintre care unul reprezintă sistemul de referință. Senzorii de proximitate sunt senzori de investigare, a căror particularități constau în distanțele mici de acțiune (zecimi de mm si mm), și în faptul că în multe cazuri sunt utilizați la sesizarea prezenței în zona de acțiune.

6.7.1. Senzori de proximitate inductivi

Sunt cei mai răspândiți, fiind realizați într-o plajă largă de variante și tipodimensiuni. Elementul activ al unui astfel de senzor este un sistem format dintr-o bobină și un miez de ferită. Obiectul a cărui prezență se semnalează trebuie sa fie metalic. Mărimea de ieșire poate fi analogică (proporțională cu distanța dintre suprafața activă și obiect), sau statică (aceeași valoare atât timp cât senzorul este activat).

Înfășurând N spire pe un miez magnetic se obține o bobină a cărei inductanță este:

L = N2 /Rm , [L]SI =H (Henry)

unde Rm este reluctanța circuitului magnetic:

Rm = (l1+l2)/(mo×m r×Sf) + d/(mo×Sa)

unde :

l1 și l2 – lungimea circuitului magnetic din miezul feromagnetic;

d – distanța parcursă de liniile de câmp magnetic prin aer;

Sf – aria secțiunii miezului;

Sa – aria secțiunii întrefierului;

N – numărul de spire al bobinei;

mo – permeabilitatea magnetică a vidului (=4p× 10-7 H/m);

mr – permeabilitatea relativă a miezului magnetic.

6.7.2. Senzori inductivi cu curenți turbionari

Se bazează pe variația capacității electrice într-un circuit, și au avantajul că pot detecta și obiecte nemetalice, însă sunt sensibili – murdărirea feței active.

Câmpul magnetic alternativ generat de o bobină alimentată cu tensiune alternativă crează curenți turbionari (Foucault) în plăcile conductoare plasate lângă bobină.

Adancimea de pătrundere a câmpului magnetic în materialul conductor (efect pelicular sau efect skin) este dată de relația:

d = [2/(w ·m ·s )]1/2 . (1)

unde : w – 2·p ·f este pulsația curentului alternativ;

m – permeabilitatea magnetică a materialului conductor;

s – conductivitatea electrică a materialului.

Dacă adâncimea de pătrundere este mai mare decât grosimea materialului atunci dispozitivul se poate folosi pentru măsurarea grosimii stratului metalic, dacă nu, poate fi folosit pentru aprecierea diametrului conductoarelor plasate pe axa bobinei sau a distanței dintre bobină si corpul metalic (detector de metale).

6.7.3. Senzori Reed

Senzorul reed este alcătuit din două lamele feromagnetice, de obicei aurite, iar zona de contact electric este amalgamată cu mercur. Lamelele sunt închise ermetic într-un tub de sticlă din care ies către exterior două sârme pentru legături electrice. În prezența câmpului magnetic, liniile de câmp se concentrează în zona lamelelor, care constituie o cale de reluctanță mică. Între lamele apare o forță de atracție magnetică. Cand forța este suficient de puternică pune în contact lamele și închide contactul electric.

6.7.4. Senzori de proximitate ultrasonici

Funcționarea se bazează pe măsurarea duratei de propagare a unui semnal ultrasonor între emițător și obiect, iar distanța maximă de lucru este în funcție de natura traductorului (piezoceramic, electrostatic etc.) și de frecvență.

6.7.5. Senzori de proximitate optici

În cazul în care obiectele investigate se găsesc la distanțe mai mari, senzorii inductivi si capacitivi devin inutilizabili, domeniul fiind acoperit cu bune rezultate de senzorii optici. Acestia funcționează fie pe principiul transmisiei unui fascicul de lumină, fie pe principiul reflexiei.

6.8. Senzori pentru măsurarea umidității

6.8.1. Senzori capacitivi

Acest tip de senzor este alcătuit dintr-o folie dielectrică specială pe care s-au depus, pe ambele părți, o peliculă subțire de aur, întreg ansamblul fiind încapsulat intr-o carcasă din masă plastică perforată. Ansamblul astfel format se constituie într-un condensator plan al cărui dielectric își modifică constanta dielectrică sub influența umidității mediului ambiant, astfel modificându-se capacitatea electrică. Introducând acest condensator într-un circuit electric oscilant variatia capacității duce în final la o variație a frecvenței de oscilație.

Mărimile fizice care descriu cantitativ umiditatea sunt :

umiditatea absoluta – Habs – reprezinta cantitatea de apa continuta într-un volum definit de aer.

umiditatea de saturatie – Hsat(J ) – reprezinta cantitatea maxima de apa ce poate fi continuta într-un volum definit de aer.

umiditatea relativă – Hrel – reprezintă raportul dintre umiditatea absolută și cea de saturație.