Senzori și traductoare Curs 002 – Senzori și traductoare [622598]

Senzori și traductoare Curs 002 – Senzori și traductoare
@2016 1/5 SENZORI ȘI TRADUCTOARE

2.1. Noțiuni generale. Defini ții
Conducerea unui proces presupune cunoa șterea unor informa ții cât mai corecte și cât mai
complete asupra parametrilor m ărimilor fizice ce caracterizeaz ă acel proces [3]. În cazul unui
proces neautomatizat, condus manual de un operator, m ărimile fizice care nu sunt accesibile
simțurilor umane sunt m ăsurate cu aparate de m ăsurat. Pe baza indica țiilor aparatelor, operatorul
uman supravegheaz ă procesul și ia decizii corespunz ătoare.
În cazul unui proces automatizat, conducerea sistemului se face f ără intervenția omului,
pe baza informa țiilor culese din proces cu ajutorul traductoarelor.
Senzorul (elementul sensibil) este elementul component al unui sistem automat sau al
unui aparat de m ăsurat care are rolul de a transforma m ărimea de m ăsurat, având o anumit ă
natură , într-un semnal purt ător de informa ție – pentru sistemul automat – sau într-o m ărime care
se poate m ăsura cu aparatul de m ăsurat [2].
Nivelul semnalului nu este compatibil, în form ă brută, cu nivelul semnalelor cu care
operează sistemul automat. De aceea se introduce un element auxiliar numit adaptor .
În principiu, senzorul și adaptorul alc ătuiesc o unitate numit ă traductor care este un
element de baz ă pentru orice instala ție automatizată .
Traductoarele pot fi definite ca dispozitive care realizeaz ă conversia unor m ărimi fizice
(temperatura, deplasare, presiune, for ță, etc.) în alte m ărimi fizice, cel mai adesea electrice, sau a
unor mărimi electrice în alte m ărimi electrice, în scopul m ăsurării parametrilor acelor m ărimi și
informării, respectiv lu ării unor decizii în consecință .

2.2. Structura general ă a unui traductor.
Structura general ă a unui traductor este prezentat ă în figura 2.1.

Fig. 2.1. Structura general ă a unui traductor

Mărimea de m ăsurat x este aplicat ă la intrarea traductorului, reprezentând parametrul
măsurat (temperatur ă, debit, presiune, tura ție, nivel, vitez ă, forță etc). Mă rimea de ie șire y
reprezintă valoarea m ărimii măsurate, exprimat ă sub form ă de semnal analogic (curent, tensiune
sau presiune). Elementele com ponente ale traductorului sunt:
a. Elementul sensibil ES (detector, captor, senzor) este elementul specific pentru
detectarea m ărimii fizice pe care traductorul trebuie s ă o măsoare.
El are capacitatea de a elimina sau reduce la minim influen țele exercitate de alte m ărimi
decât cea care se m ăsoară și care acționează simultan asupra traductorului.
Sub acțiunea mărimii de intrare are loc o modifi care de stare a elementului
sensibil. Modificarea de st are presupune un consum energetic care poate fi luat:
¾ din proces, în raport cu fenom enul fizic pe care se bazeaz ă detecț ia, și de puterea asociat ă
mărimii de intrare, modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la
ieșirea elementului sensibil; (de exemplu: tensiunea electromotoare generat ă la bornele
unui termocuplu în func ție de temperatur ă);
¾ de la o sursă auxiliară de energie, când modificarea de stare are ca efect varia ții ale unor
parametrii de material.
ES ELT A
SAE x
Intrare
Mărimea de
măsurat Ieșire
Semnal unificat
sau specializat y

Senzori și traductoare Curs 002 – Senzori și traductoare
Indiferent cum se face modificarea de stare a elementului sensibil, informa ția furnizat ă de
acesta nu poate fi folosit ă ca atare, necesitând prelucr ări ulterioare în elemente de transmisie și
adaptor.

b. Elemente de transmisie ELT sunt elemente auxiliare care realizeaz ă conexiuni
electrice, mecanice, optice sau de alt ă natură în situațiile în care tehnologiile de realizare a
traductorului o impun.
De exemplu în cazul m ăsurării temperaturilor înalte, elementul sensibil (ES) nu poate fi
plasat în aceea și unitate constructiv ă cu adaptorul fiind necesar astfel de un element de leg ătură
(ELT).
Dacă mărimea generat ă de elementul sensibil este neadecvat ă pentru transmisie (cazul
transmisiilor la mare distan ță) atunci elementul de transmisie con ține și elemente de conversie
potrivit cerin țelor impuse de canalele de transmisie.

c. Adaptorul A are rolul de a modifica (adapta) informa ția de la ie șirea elementului
sensibil la cerin țele impuse de aparatura de automatizare utilizat ă.
Funcțiile realizate de adaptor sunt complexe, ele incluzând și adaptarea de nivel, putere
(sau impedan ță) cu referire la semnalul de ie șire, în raport cu dispozitivele de automatizare.
Adaptorul asigură conversia varia țiilor de stare ale elementului sensibil în semnale
calibrate la ie șire, ce reprezint ă (la o altă scară) valoarea m ărimii de intrare. Deci, adaptorul
realizează operația specific ă măsurării, adică comparaț ia cu unitatea de m ăsură adoptată.
În funcție de elementele constructive, impuse de natura semnalelor de ie șire, adaptoarele
sunt de dou ă feluri:
¾ adaptoare electrice (electronice);
¾ adaptoare pneumatice.

În raport cu forma de varia ție a semnalelor de ie șire, adaptoarele pot fi:
¾ analogice;
¾ numerice.

Semnalele analogice – se caracterizeaz ă prin varia ții continue ale unui parametru
caracteristic și sunt, de regul ă, semnale unificate.
Prin semnal unificat se în țelege adoptarea ca semnal a aceleia și mărimi fizice, cu acela și
domeniu de varia ție, indiferent de locul unde este plas at elementul de automatizare într-un
sistem de reglare automată .
Frecvent utilizate sunt urm ătoarele semnale unificate:
¾ curentul continuu (în cazul sistemelor de regl are a proceselor lent variabile) cu domeniul
de variație: I cc∈[ 2 … 10] mA sau I cc∈[4 … 20] mA;
¾ tensiunea continu ă (în cazul sistemelor de reglare a proceselor rapide), cu domeniul de
variație: V cc∈[0 … 10] V sau V cc∈[-10 … +10] V;
¾ presiunea aerului instrumental (aer f ără impurități și cu umiditate minim ă – standardizată )
produs în instala ții speciale: p ∈[0,2 … 1] daN/cm2 sau: p∈ [0,2 …1] bar.

Semnalele numerice , generate la ie șirea traductoarelor numerice s-au impus prin folosirea
pe scară tot mai larg ă a echipamentelor de reglare numeric ă și a calculatoarelor de proces.
Codurile numerice de ie șire trebuie sa fie compatibile cu echipamentele (interfe țele
calculatoarelor), impunând o standardizare și a semnalelor numerice furnizate de traductoare.
Cele mai utilizate coduri sunt:
¾ binar – natural, cu 8, 10, 12, 16, 32 bi ți (uneori 64 bi ți);
¾ binar codificat zecimal cu 2, 3 sau 4 decade.

d. Sursa auxiliar ă de energie SAE , necesară în cele mai frecvente cazuri, pentru a
menaja energia semnalului util.
@2016 2/5

Senzori și traductoare Curs 002 – Senzori și traductoare
2.3. Tipuri de traductoare
Elementele sensibile impun și clasificarea traductoarelor care se realizeaz ă după mai
multe criterii:
a. după principiul de conversie a m ărimii fizice aplicate la intr are, traductoarele pot fi
parametrice și generatoare.

Traductoarele de tip parametric se caracterizeaz ă prin aceea c ă mărimea de intrare
(neelectric ă) determin ă variația unor parametrii de circuit (c um ar fi, de exemplu, rezisten ța
electrică, capacitatea, inductan ță) preluând energia electric ă necesară de la surse auxiliare.
Conversia unor m ărimi neelectrice – mecanice, cal orice, procese chimice, radia ții – se
bazează pe dependenta parametrilor respectivi la unele materiale conductoare, semiconductoare
sau dielectrice de aceste m ărimi.
Pentru a ilustra asemenea posibilit ăți este suficient a se reaminti urm ătoarele rela ții
fundamentale care stau la baza func ționării elementelor sensibile parametrice [1]:
¾ rezistența electrică a unui conductor omogen:
[]Ω ⋅ ρ =slR (2.1)
ρ – rezistivitatea, [ Ω·m];
l – lungimea conductorului, [m];
s – sec țiunea conductorului, [m2].
¾ inductivitatea proprie a un ei bobine (considerând ci rcuitul magnetic liniar):
[]H
slNLn
1 k k kk2
∑
=⋅ μ= (2.2)
N – num ărul de spire al bobinei;
l k – lungimea mediului k care alc ătuiește circuitul magnetic al bobinei;
μk – permeabilitatea magnetic ă, a mediului k care alc ătuiește circuitul magnetic al
bobinei [N·A-2];
s – sec țiunea mediului k care alc ătuiește circuitul magnetic al bobinei [m2].
¾ capacitatea unui condensator plan cu arm ături paralele:
[]FdsC⋅ ε = (2.3)
ε – permitivitatea dielectricului, [F/m];
s – suprafa ța comună a armăturilor, [m2];
d – distan ța dintre arm ături, [m].

Se observa uș or posibilitatea influen țării valorilor acestor parametri prin modific ări
geometrice (lungime, sec țiune), sau prin ac țiunea unor m ărimi externe: temperaturi, câmpuri
magnetice, etc.

Tabelul 2.1. Clasificare a elementelor sensibile electrice de tip parametric [4]
Tipul elementului sensibil
parametric (parametrul electric
variabil) Fenomenul fizic pe care
se bazeaz ă conversia Aplicații
(mărimi măsurate)
variația lungimii conductorului (sau
a numărului de spire în cazul
rezistorului bobinat) – deplasări liniare și unghiulare;
– grosime;
– nivel.
variația rezistivităț ii (ρ cu
temperatura – termorezistenț a,
termistorul) – temperatur ă;
– umiditate; – concentra ție de gaze;
– viteză gaze (debit);
– vacuum. REZISTIV R
variația lui ρ sub influen ța câmpului
magnetic (efect Gauss) – câmpul magnetic; – inducție.
@2016 3/5

Senzori și traductoare Curs 002 – Senzori și traductoare
@2016 4/5 Tipul elementului sensibil
parametric (parametrul electric
variabil) Fenomenul fizic pe care
se bazeaz ă conversia Aplicații
(mărimi măsurate)

variația lui ρ sub acțiunea radia țiilor
(fotorezisten țe, fotoelemente) – intensitate luminoas ă;
– flux luminos;
– deplasări (prin modula ția fluxului
de radiații).
variația lui ρ , l, S prin intermediul
unui element elastic deformabil (tensorezisten țe, piezorezistenț e). – forță ;
– presiune.
variația lungimii, sec țiunii sau
permeabilit ății unor por țiuni de
circuit magnetic prin deplasarea unor arm ături feromagnetice
trefier variabil, miez mobil) (în- deplasări liniare și unghiulare;
– dimensiuni piese;
– grosime;
– nivel.
variația permeabilit ății magnetice
sub ac țiunea unor for țe
(magnetostric țiune) – vibrații
– forță
– presiune INDUCTIV L

Obs: În anumite variante constructive parametrul variabil este inductivitatea mutual ă între dou ă
bobine variația l, μ, S prin asociere cu
elemente elastice, amortizoare, mase. – accelera ție;
– viteză;
– vibrații.
variația distan ței sau a suprafe ței
comune a arm ăturilor prin deplasare – deplasări liniare sau unghiulare;
– presiune.
idem asociind cu un element elastic – altitudine. CAPACITIV C
variația permitivit ății dielectricului – nivel – grosime – umiditate (solide)

Traductoarele de tip generator (sau energetice) se caracterizeaz ă prin aceea c ă mărimea
de intrare determin ă apariția la ieșire a unui semnal de o anumit ă energie (curent, tensiune,
sarcină electrică) generat de senzor în cadrul procesului de conversie utilizând o proprietate
fizică a materialului din care este realizat acesta.
Exista o mare diversitate de fenomene fizice pe care se bazeaz ă realizarea de elemente
sensibile de tip generator: induc ția electromagnetic ă, termoelectricitatea, piezoelectricitatea,
magnetostricț iunea, etc.

Tabelul 2.2. Clasificarea elemen telor sensibile de tip generator
Tipul elementului sensibil
parametric generator Fenomenul fizic pe care
se bazeaz ă conversia Aplicații
(mărimi măsurate)
ELECTROMAGNETIC
(DE INDUC ȚIE) generarea prin induc ție a unei t.e.m.
sub acțiunea mărimii de m ăsurat – viteza de rota ție;
– debit de fluide; – vibrații.
TERMOELECTRIC generarea prin efect termoelectric (Seebeck) a t.e.m. de contact între două materiale diferite – temperatura.
PIEZOELECTRIC polarizarea electric ă a unui cristal
sub acțiunea unei forț e (presiuni) – forț e (dinamice);
– presiuni (dinamice).
MAGNETOSTRICTIV generarea tensiunii electromotoare prin varia ția inducției remanente sub
acțiunea unei for țe asupra
materialelor magnetice – forț e (dinamice);
– presiuni (dinamice).
ELECTROCHIMIC generarea tensiunii electromotoare între doi electrozi aflaț i la o distan ță,
în soluții cu concentra ții de ioni
diferite. – concentra ția ionilor de hidrogen
(pH).
FOTOELECTRIC
(FOTOVOLTAIC) generarea unui curent electric pe baza fenomenului fotoelectric extern sub acțiunea unei radia ții luminoase. – deplasări liniare și unghiulare;
– dimensiuni piese; – viteză de rotație. REZISTIV R

Senzori și traductoare Curs 002 – Senzori și traductoare
Pentru proiectant și constructor este util ă clasificarea dup ă principiul de funcț ionare, dar
pentru utilizator este mai convenabil ă clasificarea elementelor sensibile dup ă mărimile fizice pe
care elementul sensibil le poate detecta.
b. după natura m ărimii fizice de m ăsurat, ele se clasifica în tipuri care poart ă denumirea
domeniului de aplica ție: elemente sensibile pentru deplasare, viteza, for ță, debit, etc.

Tabelul 2.3. Clasificarea elementelor sensibile dup ă mărimile detectate [4]
Mărimi fizice
de bază Mărimi fizice derivate Elemente sensibile,
tipice
TEMPERATUR Ă – temperatur ă la suprafa ță (solide, fluide);
– căldură – flux, energie;
– conductibilitate termic ă. – termorezisten țe;
– termistoare;
– termocupluri;
– complexe (dilatare + deplasare)
DEPLASARE – deplasare liniar ă;
– deplasare unghiular ă;
– lungime (l ățime);
– grosime; – strat de acoperire;
– nivel;
– deforma ție (indirect presiune, for ță, cuplu);
– altitudine. – rezistive; – inductive;
– fotoelectrice;
– electrodinamice (selsine, inductosine).
VITEZĂ – liniară;
– unghiular ă;
– debit. – electrodinamice (tahogenerator);
– fotoelectrice;
– termorezistive.
FORȚĂ – efort unitar; – greutate;
– accelera ție;
– cuplu;
– viscozitate;
– vacuum;
– presiune (relativ ă; absolută ). – rezistive; – inductive;
– capacitive;
– piezorezistive; – piezoelectrice;
– magnetostrictive.
MASĂ – debit de mas ă;
– densitate. – idem ca la for ță.
CONCENTRAȚ IE – componente în amestecuri de gaze; – ioni de hidrogen în solu ții;
– umiditate. – termorezistive; – electrochimice; – conductometrice.
RADIAȚIE – luminoas ă;
– termică;
– nucleară. – fotoelectric;
– detectoare în infraro șu;
– elemente sensibile bazate pe ionizare.

Alegerea celor mai potrivite elem ente sensibile de face în func ție de:
¾ gama de variaț ie a mărimii măsurate;
¾ posibilitatea de cuplare la proces;
¾ factorii de mediu;
¾ performan țele impuse;
¾ factorii economici.

Bibliografie
[1] Ionescu, G., ș.a., Traductoare pentru automatiz ări industriale, vol I., Editura tehnic ă,
București, 1985.
[2] Popescu, D., Senzori și interacțiunea cu mediu tehnologic , Universitatea Politehnic ă
București, 1998.
[3] www.actrus.ro/biblioteca/cursu ri/electro/teodoru0/c6.htm.
[4] www.RegieLive.ro.

@2016 5/5